新型保溫材料熱盾毯的應用

李翔

（中國石化巴陵分公司，湖南岳陽 414014）

熱盾毯作為氣凝膠復合材料，具有獨特的三維納米顆粒骨架（顆粒尺寸2～5 nm）和納米級孔隙結構（20 nm），比表面積大（1 000 m2/g），密度較低，因其特殊的微觀結構，在熱學方面具有獨特性質[1]，能夠有效的隔斷熱傳導和熱對流，是一種理想的保溫材料。

巴陵分公司12萬t/a苯乙烯裝置高溫800-P-30401管道，保溫材料采用常規的硅酸鋁針刺毯，導熱系數大，散熱量較大，外表面溫度較高，造成了大量熱量損失。因此，2017年采用新型材料熱盾毯對該管道進行了保溫改造，改造后節能效果顯著。

1 熱盾毯保溫原理和性能

1.1 熱盾毯保溫原理

在納米熱陶瓷材料中，98%以上的納米結構是孔隙尺寸為20～40 nm左右的“真空”結構。空氣分子團在空間中的自由行程約為70 nm，無法穿過熱陶瓷材料中的“真空”結構，因此該材料熱量傳遞損失較小[2]。

1.2 熱盾毯性能

1）熱盾毯獨特的納米級結構能夠有效阻止熱量傳遞。200℃時，熱盾毯導熱系數≤0.015 W/m·K，小于靜止空氣，600℃時的導熱系數≤0.055 W/m·K，傳熱性能僅為傳統保溫材料的1/5～1/3，是目前工業實現的導熱系數最低的絕熱材料之一，可大幅度減小保溫體厚度，減少散熱面積，降低熱損失。

2）優異的整體防水性能。熱盾毯憎水率≥98%，質量吸濕率≤4%，不會受潮，更不會吸水腐蝕管道，可確保隔熱性能長期有效。

3）良好的機械性能。熱盾毯中Al2O3質量分數大于25%，密度（220±20）kg/m3，質輕、柔韌，有良好的抗壓及抗拉強度；長期使用不沉降、不變形，避免了傳統保溫材料長期受高溫或振動影響而產生形變堆積，保溫性能下降的問題。

4）易于現場加工、施工便捷。利用普通裁剪工具即可加工成適合復雜部件所需的形狀，輕巧方便，安裝簡易。

5）使用壽命長。在正常使用條件下，持續使用時間不低于10年。

2 苯乙烯裝置管道保溫改造方案

苯乙烯裝置800-P-30401管道內介質是乙苯和蒸汽的混合氣體，進口溫度481℃，進口壓力-0.02 MPa，總長59.3 m，外徑813 mm。

2017年苯乙烯裝置大修期間，利用熱盾毯對管道實施了節能優化改造。苯乙烯裝置停車后，經過一段時間自然冷卻，使管道溫度降至常溫，拆除原有硅酸鋁針刺毯保溫層，安裝熱盾毯。熱盾毯厚度為10 mm，包7層，保溫層厚度總計70 mm。每包完一層，使用鋼絲綁扎；第三層纏繞纖維鋁箔，并用發藍鋼帶緊固；第七層纏繞玻璃絲布，并用不銹鋼帶緊固。外保護層使用原保溫的鋁皮；最后填塞密封材料，使用防水材料封堵。

3 熱盾毯的應用效果及經濟分析

3.1 散熱面積

管道保溫層表面積（S）根據下式計算：

式中：φ為管道保溫前的直徑；D為管道保溫后的周長；L為管道長度；δ為保溫厚度。

常規保溫下，硅酸鋁針刺毯的厚度為210 mm，800-P-30401管道保溫層表面積（S1）為229.59 m2。

同理計算得到800-P-30401管道熱盾毯保溫層表面積（S2）為177.45 m2，小于硅酸鋁針刺毯保溫層表面積S1，比常規的硅酸鋁針刺毯保溫減少表面積22.7%。

將對比范圍擴大到所有口徑的管道，假定常規保溫層的δ均為210 mm，由式（2）可計算出熱盾毯和常規保溫材料用于不同口徑管道保溫層的表面積之比，結果見圖1。

由圖1可以看出，管道口徑較小時，使用熱盾毯對比常規保溫材料，可以縮減更大比例的保溫層表面積。

3.2 熱流密度

根據GB/T 17357—2008《設備及管道絕熱層表面熱損失現場測定熱流計法和表面溫度法》規定，絕熱層表面熱流密度（q）可用式（3）、式（4）進行計算：

圖1 熱盾毯和常規保溫材料用于不同口徑管道保溫層表面積之比

式中：α為管道表面換熱系數；TW為表面溫度；TF為環境溫度；ω為環境風速。

以DN800管道為例，采用Testo905-T2儀分別對其兩端進行測溫，其中管道上游測量換熱器E-6301出口附近，管道下游測量反應器R-6301進口附近。每一端選取了2個管道截面，每個管道截面測量上、中、下3個點。通過測量可得，當采用硅酸鋁針刺毯保溫時，保溫層的平均表面溫度為46℃（在TF20℃，ω0.2 m/s下測定），其熱流密度（q1）為383.8 W/m2。

同理，測得以熱盾毯為管道保溫層的平均表面溫度為36.7℃，見表1。

表1 熱盾毯保溫層管道表面溫度

經計算可得，采用熱盾毯改造后的管道保溫層熱流密度（q2）為215.5 W/m2。

對比q1、q2結果可知，在環境條件（風速、氣溫和天氣等）基本相同的前提下，使用熱盾毯比常規的硅酸鋁針刺毯q減少43.9%。

3.3 年散熱總量

年散熱總量（Q）可用式（5）計算：

式中：S為散熱面積；t為時間。

經計算可得，硅酸鋁針刺毯保溫層管道的年散熱總量（Q1）為2 537.8 GJ，熱盾毯保溫層管道的年散熱總量（Q2）為1 101.3 GJ，使用熱盾毯保溫比常規的硅酸鋁針刺毯熱量損失減少56.6%，年可節約能量1 436.5 GJ。

3.4 經濟性分析

不同保溫材料的管道保溫效果見表2。由表2可知，800-P-30401管道保溫材料由硅酸鋁針刺毯更換為熱盾毯后，S減少了22.7%，q減少了43.9%，Q減少了56.6%，年節能量為1 436.5 GJ。

表2 不同保溫材料的管道保溫效果

800-P-30401管道更換熱盾毯后的年節能量，按照干氣熱值37.375 MJ/kg計算，可折合干氣38.4 t。干氣按照價格1 696元/t（不含稅）計算，年節能量折合價值6.51萬元。

59.3 m長的800-P-30401管道實際使用了14.23 m3熱盾毯材料，總價25.53萬元（不含稅），投資回收期約3.9年。

4 結論

熱盾毯是一種性能優越的新型保溫材料，可以大幅降低管道的熱量損失，有利于節能降耗，經濟效益和社會效益顯著，具有較好的推廣應用價值。另外，管道散熱量降低后，蒸汽過熱爐等供熱單元的工作負荷降低，有利于裝置長周期平穩運行。