气凝胶绝热毡

气凝胶绝热毡是将 SiO₂ 气凝胶与各类纤维（玻璃纤维、聚酯纤维、预氧丝纤维）复合而成的柔性毡材，采取溶胶凝胶原位复合的工艺。气凝胶绝热毡的适用温度很广（通过与不同的基材复合），从-200℃低温到650℃高温都能使用。

某热电公司二期4台50 MW抽背机组为达到更高的发电效率，设计低压供热蒸汽温度为250 ℃，比常规供热机组低30 ℃左右；在供热过程中， 机组抽汽口至末端用户为6 km，使用常规保温方式每千米的温降约为7 ℃，受供热初终参数的限制，不能满足末端用户蒸汽使用温度不小于220 ℃的要求。纳米气凝胶毡作为新兴保温材料，保温性能优异、抗压抗拉强度高、使用寿命长、防火防水性好、施工方便，具有节能减排和运行经济性好的优势。

因此，对Φ426 mm和Φ325 mm的蒸汽管道进行了试验，试验证明纳米气凝胶材料能有效控制蒸汽输送管道温降，并能提高节能率、缩短投资回收年限。

1.1 保温性能

常规保温材料有岩棉、硅酸铝、高温玻璃棉，在300 ℃运行工况下，导热系数分别约为0.108 W/（m·K），0.101 W/（m·K）和0.105 W/（m·K）。纳米气凝胶绝热毡以气凝胶材料为主体，独特的结构使得气凝胶绝热毡具有许多常规材料无可比拟的特性。纳米气凝胶绝热毡导热系数小，常温下可低于0.02 W/（m·K），300 ℃运行工况下，其导热系数为0.046 W/（m·K），是常规材料的约1/3～1/2。不同温度下纳米气凝胶毡与常规材料的导热系数如图1所示。

由图1可知，随着温度的升高，气凝胶绝热毡的导热系数上升比较缓慢，因此，在高温工况条件下，气凝胶绝热毡的保温优势更明显。

对于长距离输送管线，散热损失的减小可使管道终端温度提高，保温效果更加显著。

1.2 其他性能

气凝胶绝热毡憎水率不小于 99%，相对于硅酸铝和岩棉，施工时无需特殊防水措施。由于该材料为三维网络结构，致密度高，抗拉强度不小于800 kPa，抗压强度不小于120 kPa（形变5%），可避免传统材料因振动而发生变形堆积、沉降和保温性能下降等问题，且有较好的隔音效果。

为了突破常规保温材料的限制，增强热力管道保温效果，减少蒸汽的沿途散热损失，利用现有蒸汽管道进行纳米气凝胶绝热毡的保温试验。

蒸汽管道总长400 m，试验段为相同管径的同段蒸汽源管道，运行参数为压力2.3 MPa，温度280 ℃。根据 GB 50264-2013《工业设备及管道工程绝热设计规范》的要求，管道复合保温结构依据保温结构外表面温度计算。按照保温设计计算厚度，该试验管道采用2种管径（Φ426 mm和Φ325 mm），3种保温结构，共6组数据，见表1。

表 1 测试管道保温规格及结构

测试现场新旧保温管道上下并列布置，热成像结果见图2、图3。现场测试数据显示，使用气凝胶绝热毡的管道表面温度比传统保温材料温度区间低2～5 ℃，各试验段的保温性能分析见表2

图 3 典型旧保温管道热像

表 2 各试验管道保温性能分析结果

表3 新旧保温材料用量及费用

按照分段画出各试验段年平均线散热损失（见图4），由此可知，采用纳米气凝胶绝热毡20 mm的管线蒸汽管道表面温度明显低于采用常规材料的管线，年平均线散热损失也小于常规保温材料，实测的节能率均大于40%。

图 4 各试验管道年平均线散热损失

按照试验测试所得出的年平均线散热系数计算，Φ426 mm管道在蒸汽流量为50 t/h，压力为2.3 MPa，起点温度为280 ℃的情况下，理论计算温降为4 ℃/km，比常规保温的7 ℃/km减少了3℃/km。Φ325 mm的管道在蒸汽流量为30 t/h，压力为2.3 MPa，起点温度为280 ℃的情况下，理论计算温降为5 ℃/km，比常规材料9 ℃/km减少温降4 ℃/km。由以上数据可以看出，气凝胶绝热毡在蒸汽长距离输送时保温效果显著，可以有效减少蒸汽沿途的热损失，从而增加热网供热范围。

通过查询蒸汽焓值表，2.3 MPa， 280 ℃（实际运行工况）蒸汽的焓值为2 960.1 kJ/kg，常温水的焓值为105 kJ/kg，中压蒸汽价格为210 元/t，计算得蒸汽热价（可有效利用热量）为73 元/GJ。以下按管线年运行时间7500 h，计算其经济效益。

3.1 减少散热损失的经济效益

根据目前市场咨询价格，热网保温结构材料单价为：硅酸铝650 元/m³，玻璃棉500元/m³，铝箔布9元/m²，彩钢板27元/m²，纳米气凝胶绝热毡20000元/m³，材料用量及费用计算见表3。对纳米气凝胶保温进行经济效益分析，结果见表4。

表 4 纳米气凝胶绝热毡保温经济性分析

3.2 提高生产效率和经济效益

管线进行保温改造后，由于终端蒸汽热值提高，用户生产效率可得到提高，从而相应地增加用户端的产能及经济效益。同时，在满足用户要求蒸汽温度的前提下，由于沿程温降减少，可降低供热企业出口温度，增大蒸汽在汽轮机内部作功的焓降，提高发电效率。

3.3 减少排放的经济效益

根据热电锅炉污染物排放数据，该段管道总长420 m，采用纳米气凝胶绝热毡改造后，每年可减少热损失1267 GJ，相当于年减少标煤消耗53.1 t，从而年减少污染物排放CO 9.9kg，CO₂ 29 t，SO₂ 1 t，NOX 0.4 t，由此可减少减排的费用约0.63万元/年。污染物排放的减少可有效改善工厂及周边的环境，减少PM2.5的产生，具有较好的社会效益。

通过试验证明，使用纳米气凝胶绝热毡和玻璃棉毡复合结构可以比传统的硅酸铝管壳和玻璃棉毡保温方式达到更好的保温效果，具有较好的性价比和经济效益，同时具有使用寿命长、不易破损、施工方便、更节能环保等优点，是解决蒸汽管道绝热难点的重要手段。

纳米气凝胶绝热毡具有优异的保温、隔音效果，在发电企业厂内汽水管道上使用，不仅可以降低厂内汽水管道的热损失，提高整体的热效率，还可以减少噪声污染，减少污染物排放，具有良好的社会效益。