納米阻燃隔熱材料節能技術在集中供熱上的應用分析

馬汝軍 張鑫揚

蘇州市君悅新材料科技股份有限公司

1 前言

一直以來，蒸汽管道多采用巖棉、玻璃纖維、硅酸鋁纖維等無機材料作為保溫的主材，在傳統的單一結構保溫工藝下，該類材料使用時，保溫層過厚且結構松散、抗拉抗壓性能較差是難以解決的問題，由于蒸汽管道的震動、保溫材料的自重等因素，容易引起材料重心偏移和沉降。此外，由于單一結構的保溫層防水防潮能力不足，隨著服役時間的延長，保溫層進水不僅使得材料沉降更為明顯，保溫效果不均衡，加速了無機纖維材料的老化和脆化。在使用若干年后，管道保溫層表面溫度大多會超過50℃，管網熱損增大，直接導致能源消耗加劇[1]。

目前，全國各地城市、工業園區采取以大機組集中供熱取代片區小熱電，整治小鍋爐，對供熱半徑的要求大大提高[2]。以浙江省為例，2015年印發的《浙江省地方燃煤熱電聯產行業綜合改造升級行動計劃》中指出，浙江省內新增熱源點供熱半徑不得小于15 km[3]。國內大部分采用傳統保溫材料和傳統技術的熱電企業供熱管網熱損大，供熱半徑短，無法滿足該最低供熱半徑要求[4]。

納米阻燃隔熱材料（又稱納米氣囊反射層，如圖1所示）及其配套復合式保溫技術解決了集中供熱所需長距離輸熱管網熱損大、供熱半徑不達標的技術難題[5]。本文根據隔熱機理和蘇州盛虹集團電廠管網保溫技術改造后的實測情況，分析納米阻燃隔熱材料節能技術的有效性和突出優點，計算得出單位面積的納米阻燃隔熱材料年節能量達到357 kg標準煤，對于蒸汽管網和設備的保溫具有十分重要的意義[6]。

2 納米阻燃隔熱材料與復合式保溫技術

圖1 納米阻燃隔熱材料（即納米氣囊反射層）

熱傳遞有3種基本方式，即：熱傳導，熱對流，熱輻射。納米阻燃隔熱材料具有“三明治”結構，中間是由特殊工藝制備的均勻的氣囊層，氣囊層兩面與納米反射鋁塑阻隔膜粘結，形成隔熱效果優異的保溫層。其隔熱性能主要依托于兩面納米鋁塑阻隔膜的高反射能力，從熱源散發出的熱量經過阻隔膜反射后，將被削弱90%以上，納米反射鋁塑阻隔膜大幅度抑制了熱輻射。殘余熱量進入保溫層的氣囊里，氣囊層中填充有特殊氣體，該氣體熱導率極低，封閉狀態下導熱系數低于0.025 W/(m·K），能有效降低材料整體的熱導率。由于氣囊兩端被阻隔膜封閉，形成一個個相互獨立的密閉空間，在一定程度上，削弱了保溫層內由氣體對流引起的直接傳熱，其保溫原理如圖2所示。以單個氣囊直徑為10 mm、高度為3 mm、氣囊層數為1層時的納米氣囊反射層為例，其導熱系數約為0.035 W/(m·k)，能有效達到保溫節能的目的。

圖2 納米阻燃隔熱材料保溫原理示意圖

傳統高純度鋁箔表面易氧化，導致其反射能力大大降低，普通的無機或有機保護膜涂層能起到一定的抗氧化作用，但由于普通保護膜物理光學特性不佳，膜結構有缺陷，反而使得鋁箔反射率大大減小。納米阻燃隔熱材料是在高純度鋁箔表面涂覆納米SiO2抗氧化涂層，用于提高鋁箔的抗氧化和耐腐蝕能力，并且不影響鋁箔的反射率，從而保證材料在各種惡劣環境下長期使用不被氧化和腐蝕。其內部的氣囊成型過程中添加了納米級材料，耐老化能力大幅度提高[7]。

新型復合式保溫技術結合傳統保溫材料（無機鹽保溫材料），通過將反射層和無機鹽保溫材料組成復合式保溫結構（如圖3所示），用反射層將無機鹽保溫材料分隔，利用反射層的熱反射性能，將熱量盡可能維持在該層保溫結構中。最外層使用納米阻燃隔熱材料[8]包裹，層層阻隔，使得材料絕熱性能得到最大化的發揮[9]。采用反射層后，既可以將熱量維持在內部，也可以收緊內部的保溫材料，相比于單一結構保溫技術，復合式保溫技術在保溫效果上有明顯提高，通常單一結構保溫技術的管網每公里溫降為15～20℃，而復合式保溫技術的管網每公里溫降僅有3～5℃[10]。在采用復合式保溫技術后保溫層厚度明顯降低，通常情況下，保溫層厚度較傳統結構可降低50 mm。

圖3 復合式保溫結構

2016年，納米阻燃隔熱材料節能技術被列入《國家重點節能低碳技術推廣目錄》[第160項]。

3 實例實測分析

在企業的發展過程中，對現有的設備和管道進行保溫改造已經是迫在眉睫。位于江蘇的某電廠從節能減排，提升經濟效益的角度出發，于2013年6月至2015年3月對所轄熱網10 km管線保溫進行了改造升級，采用復合式保溫技術及納米阻燃隔熱材料，該管道最大供汽量120t/h、供熱量354 GJ/h；輸送蒸汽溫度290℃，壓力2.5 MPa；管徑DN 300，壁厚12.5 mm，保溫材料厚度180 mm，散熱表面直徑為685 mm。

2016年6月，經由第三方檢測機構對該公司電廠的兩段管道進行測試。測試中，使用FLUkE-66型紅外線測溫儀測試保溫層表面溫度，使用Testo 635型溫度計測試環境溫度，使用Testo 425型風速儀測試風速。

（1） 選取的測試管道情況如下

管道一：測試管長22 m，管徑DN300，壁厚12.5 mm，保溫材料厚度180 mm，管道輸送蒸汽溫度318℃，壓力2.5 Mpa，流量6 t/h。

管道二：測試管長22 m，管徑DN 300，壁厚12.5 mm，保溫材料厚度180 mm，管道輸送蒸汽溫度290℃，壓力2.5 MPa，流量6 t/h。

（2）測試與對比

測試過程中，沿測試區長度均勻布置5個測試點，測試時間大于1 h，每15 min記錄參數一次，共測試5組數據。本次節能評價采用將測試數據與《熱力輸送系統節能監測》（GB/T 15910-2009）最大允許值對比的方法。

（3）實測數據分析

為方便分析，對管道一和管道二的保溫層表面溫度、環境溫度和風速取平均值計算，數據如表1所示。

表1 公司電廠蒸汽管道測試數據

由表1可知，測試管道的環境溫度平均值為31.94℃，保溫層外表面平均溫度為38.239℃，風速平均值為1.048 m/s。則表面溫升為6.299℃。管內介質溫度318℃，查閱《熱力輸送系統節能監測》（GB/T 15910-2009）表1（本文中表2），根據線性內插，可得表面溫升指標為18.592℃。

根據《熱力輸送系統節能監測》（GB/T 15910-2009），熱力管網、設備表面溫升超耗能源量按如下公式計算（表面溫升指標超指標10℃，每平方米每小時超耗能源量按0.037 kg標準煤計算）：

式（1）中：

BH——超耗能源量，單位kgce；

tbs——測試表面溫升，單位℃；

tbz——表面溫升指標，單位℃；

S—— 散熱表面積，單位m2；

T——常年運行時間，單位h/a。常年運行蒸汽管網、設備一般取8 000 h/a。

計算得出管道一

BH1=-17 227.11 kgce/a

管道二環境溫度平均值為30.516℃，保溫層外表面平均溫度為36.049℃，風速平均值為1.016 m/s。則表面溫升為5.533℃。

管內介質溫度290℃，查閱《熱力輸送系統節能監測》（GB/T 15910-2009）表1（本文中表2），根據線性內插，可得表面溫升指標為17.36℃。

計算得出管道二

BH2=-16 574.07 kgce/a

通過加權平均，可得該公司使用納米阻燃隔熱材料及復合式保溫技術后，管道單位面積節能量為：

[1 7 2 2 7.1 1 k g c e/a÷（π×0.685m×22m）+16574.07kgce/a÷（π×0.685m×22m）]÷2=356.97kgce/（m2·a）

通過對該公司電廠保溫管道改造升級后的實測和分析，可以看出管道外表面溫度相比于環境溫度高出6℃，表明納米阻燃隔熱材料及復合式保溫技術具有優異的保溫性能，而計算得出納米阻燃隔熱材料單位面積年節能量達到357 kg標準煤，更是凸顯了其在管道保溫和節能減排方面的價值。

表2 常年運行的熱力輸送系統的保溫結構表面溫升的最大允許值

4 效益分析

環境效益：隨著我國經濟的迅速發展，霧霾問題變得更加嚴重，不僅霧霾天氣出現的頻率越來越高，而且在嚴重程度上也比以前有所加大，這給熱電企業的節能減排工作帶來巨大壓力。目前，使用納米阻燃隔熱材料及配套復合式保溫技術的蒸汽管道約為1 000 km，預計至2020年，推廣使用后，能達20 000 km，約為4 400萬m2。能形成的年節能量可達1 570.69萬tce，CO2減排量達3 926.73萬t，將大幅度降低燃料消耗和抑制大氣污染，形成明顯的環境改善效應。

經濟效益：按500元/tce計算，現今，每平方米管道每年可節約資金178.49元；又每平米管道投資額為40元。與基準情景相比的靜態投資回收期2.0個月。結果表明，納米阻燃隔熱材料節能技術的使用推廣不僅不會對企業造成經濟負擔，還能在短時間內形成投資回報，這對于熱電企業控制成本，創造經濟效益具有積極的意義。

5 結論

通過對復合式保溫技術進行理論分析和實例實測分析，可以得出單位面積每年節約標煤357 kg，其具有以下優勢：

（1）采用納米阻燃節能及其配套復合式保溫技術可有效降低熱損，提升管網輸熱能力和效率，有助于節能減排大環境下的小鍋爐整治和集中供熱（長距離輸送）工程的順利實施。

（2）經濟效益可觀，可有效降低綜合投資以及維護費用；投資回收期短，與基準情景相比的靜態投資回收期為2個月，后續收益更加可觀。

（3）社會效益方面，可有效節約煤炭使用，降低CO2排放，改善大氣環境質量。

[1] 金樟其. 合理選擇蒸汽管道保溫材料[J]. 新型建筑材料,2006,(08):75-77.

[2] 徐曉光, 李斌斌. 南通天電長輸熱網及降低熱耗技術的應用[J].城市建設理論研究:電子版, 2013(11).

[3] 魏玉滿. 供熱管道保溫材料的選擇及經濟保溫層厚度計算[J]. 應用能源技術,2012,(04):34-36.

[4] 李春成,謝禹鈞,李世武,武榮華. 工業管道保溫結構的優化設計及節能分析[J]. 遼寧石油化工大學學報,2006,(02):52-55.

[5] 蘇州市君悅新材料科技有限公司.一種納米阻燃隔熱材料[P].中國專利：CN 102587510 B 2012.02.14

[6] 張鑫,王毓薇,白志鴻,張明,杜娟,馮少廣,劉國豪,張巍. 納米氣凝膠與常用管道保溫材料的性能對比[J]. 油氣儲運,2015,34(01):77-80.

[7] 鄧志強,施雯,王琪,謝海彬,陳宏杰. 高溫管道保溫層優化設計研究進展[J]. 管道技術與設備,2016,(06):14-16.

[8] 蘇州市君悅新材料科技有限公司.一種納米阻燃隔熱材料[P].中國專利：CN 102587510 B 2012.02.14

[9] 馬汝軍,裴作清. 一種新型高耐腐蝕性阻燃隔熱材料[P].中國專利：CN102477776A，2012-05-30.

[10] GB/T 15910-2009, 熱力輸送系統節能監測[S].

寶山區大力推進先進制造業發展

近年來，寶山區堅持積極對接“中國制造2025”和上海科創中心建設，淘汰與城市發展不相容的行業和企業。“十二五“期間，寶山區26家重點用能企業陸續關停調整，減少能耗14萬t標煤，提前完成市下達的節能降耗“十二五“指標任務；近40家危化企業關停調整，減少危險因子30多萬t，完成工業園區外危險化學品企業的調整。同時積極推進低效劣勢企業調整，推動優勢企業向工業園區轉移集中，累計調整企業700多家，調整盤活土地13000多畝，為產業騰出發展空間，集聚發展一批先進制造業企業。在智能制造領域，打造機器人產業集群；在高端材料領域，大力發展以石墨烯、超導材料、新型金屬材料等為核心的新材料產業；在衛星應用領域，初步形成了上海北斗衛星導航平臺和三個產業基地的發展格局；在生物醫藥和精準醫療領域集聚了一批優秀企業，為下一步產業發展奠定了基礎。并加強與大型國企合作，充分挖掘大型國有企業現有資源，促進全區戰略新興產業快速發展。對接國家“互聯網＋”行動計劃，明確寶山區產業互聯網發展的重點方向、實施路徑及發展目標等，全力推動區域傳統企業由“制造”向“互聯網 制造”轉型。

（寶山區）

黃浦區節能減排考核連續五年評為“優秀”

在近期市對區考核節能減排工作中，黃浦區又一次獲得“優秀”等級，這是黃浦區第五次獲得“優秀”等級。經考核，該區近年來節能減排工作取得四大成效：（1）低碳示范試點大量涌現；（2）建筑節能成效顯著；（3）能耗在線監測系統全市領先；（4）國際合作廣泛開展。經全區努力，2016年黃浦區能耗強度和碳排放強度同比下降3.87%，能耗總量同比上升1.67%，超額完成年度節能降碳目標，超進度完成“十三五”節能降碳目標。

（區發改委）