纳米孔绝热材料在工业绝热中的应用

栾玉成 徐文亮 张长伟.上海市能源研究会 上海宥纳新材料科技有限公司.上海宥纳新材料科技有限公司

纳米孔绝热材料在工业绝热中的应用

栾玉成1徐文亮1张长伟2
1.上海市能源研究会 上海宥纳新材料科技有限公司2.上海宥纳新材料科技有限公司

纳米孔气凝胶复合绝热材料作为一种新型的保温节能材料，具有很低的导热系数、高憎水性率、使用寿命长等优点，是一种优良的管道和设备的绝热材料。同时该材料制备工艺简单、安全可靠、可工业化生产、属于绿色无机工艺、施工方便。与传统保温材料相比具有很大的优势，可广泛应用在核工业、电力储能、石油化工、航空航天、建筑节能、窑炉冶金、交通运输、冷链冷藏等，其节能降耗能力可带来巨大的经济和社会效益。

纳米孔绝热毡；保温；节能

传统工业一向是能源消耗的大户。据统计：中国“十五”期间，工业能源消费量在能源消耗总消费量中的比例高达70%[1]。而在能源消耗中，热力管网的能源消耗又占很大比例。对热力管网进行保温是减少能源消耗的重要方法。但是目前使用的岩棉，硅酸铝纤维，玻璃棉虽然燃烧等级高，但是导热系数高，吸水率大等缺点已经成为行业一大痛点[2-5]。

1 纳米孔绝热毡性能特点

纳米孔绝热材料的出现标志着新一代保温技术的崛起和发展。目前市场上常见的气凝胶毡也属于这一类型材料，导热系数仅有玻璃棉50%，受到了市场的热捧。但是气凝胶毡由于成本高，生产过程三废大，长期工作温度低于500℃等缺点，制约了该材料的进一步发展[6]。上海宥纳新材料科技有限公司针对气凝胶毡的上述缺点，推出了纳米孔绝热毡。该产品拥有20～50 nm孔径的微孔结构，低于空气分子平均自由程，大大降低了导热系数。而且由于采用了常温常压的生产工艺，使得生产成本大幅降低。且置换溶剂为水性，大大减小了对环境的危害。该产品还具有气凝胶毡类所不具备的高温稳定性，在某集团下属电厂628℃超超临界汽轮机热力管道保温工程中已应用，并得到业主好评。

1.1 纳米孔绝热材料的特点

纳米孔绝热毡和气凝胶毡类的差异见表1。

相比较于传统的岩棉，玻璃棉，硅酸铝，聚氨酯等材料，纳米孔绝热材料拥有最低的导热系数≤0.020W/m.k，最高的防火等级A1，以及高达99.6%的憎水率。此外，由于用量的减小使得施工更加方便，快捷。纳米孔绝热材料和传统材料的使用纳米孔绝热材料可以为业主每年节省能源费用，且使用时间越长，节能效益约明显，以下通过分析架空和地埋管的节能案例，从投资回收期来分析使用纳米孔绝热毡的综合经济性。纳米孔绝热材料和传统保温材料的性能对比见表2。

1.2 性能分析

纳米孔绝热材料是一种目前世界上技术最领先、隔热性能最好的超级绝热材料，可广泛应用于石化、电力、交通、军工和建筑等领域的管道、储罐、设备的隔热保温，上海宥纳科技公司纳米孔绝热材料具有以下优点。

表1 纳米孔绝热毡和气凝胶毡的性能和生产工艺的差异

表2 纳米孔绝热材料和传统保温材料的性能对比

（1）使用寿命长达20 a

纳米孔绝热材料的特殊结构及其防水抗压特性使其远远高于传统保温材料，大大减少了管道保温维修次数，进而大大节省了运行成本，并且在保温期间保证了本机、管道蒸汽温度稳定性，进而保证工况的稳定性，长期维修，运行成本可控性得到了坚实的保障。

（2）导热系数低

常温导热系数＜0.020 W/m・k，拥有卓绝的隔热性能，独特的纳米级结构及孔洞能够有效阻止热量传递，减少热损失，提高能源的利用率。

（3）高温热稳定性

长期使用温度达到650℃，独有的纳米三维网络结构提供了超凡的隔热性能恒定持久，避免了其他保温材料在长期高温或受到振动而产生变形堆积和保温性能急剧下降的现象。

（4）优异的化学构成

含有的钠离子、氯离子、硫酸根、硝酸根离子含量小于10×10-6，且pH值中性，减少对管道外壁腐蚀，属于是无机、环保、无毒型材料。

（5）具备优异的憎水性能

憎水率高达99.6%，不会吸水、受潮引发保温失效以及腐蚀管壁，确保隔热性能长期有效。

（6）具备优异的防火性能

属于A1级不燃材料，即使高温下也可保持良好的热稳定性。

（7）施工快捷

有较好的柔性与抗拉、抗压强度，可抵抗野蛮施工，长期使用不沉降、不变形，即使弯管或阀门也可轻易包覆。

（8）密度小、重量轻、力学性能好

可大幅降低保温结构的对管道的负荷，同时亦能降低运输施工中的荷载，轻巧方便，安装简易，节省运输费用。

2 架空管道保温结构的经济性和节能分析

2.1 保温材料与结构的选择

以超超临界蒸汽管道保温为例，管道直径DN740 mm，蒸汽温度628℃，管道长度1 000 m。保温方案：保温方案一（硅酸铝毯）、方案二（纳米孔复合绝热毡）和方案三（复合方案纳米纳米孔毡+硅酸铝毯））为例，其保温结构如下图1。

表3 经济性和节能效果分析

图1 保温结构效果图

2.2 经济性和节能效果分析

经济性和节能效果见表3。

综合可知，新材料保温结构具有以下几个优势。

（1）节能，保温厚度减薄

较传统保温方案一，纳米孔复合绝热毡和复合保温保温厚度大幅度减少，方案二仅为方案一保温厚度的40%，但节能30.64%；同样方案三复合方案较方案一，在保温厚度减薄35%下，节能14.30%。

（2）减排效果显著

较传统保温结构，方案二和方案三年均减排CO2达到3 920.62 t、2 959.22 t，年均减排氮氧/硫化物176.57 t、133.27 t。

图2 保温效果分析

表4 经济性和节能效果分析

（3）初投资回收期短

纳米孔复合毡保温方案和复合保温方案，其初投资回收期都在3 a内，分别为：2.9 a、2.27 a。

3 地埋管道保温结构经济性和节能分析

3.1 保温材料和结构的选择

以地埋管道，管径DN 200 mm，管内中压蒸汽温度300℃，土壤温度15℃，管道1 000 m。保温方案采用方案一120 mm玻璃棉、方案二60mm纳米孔复合绝热毡和方案三复合方案20 mm纳米孔复合绝热毡+60 mm玻璃棉，保温效果见图2a）。

3.2 经济性和节能效果分析（表 4）

（1）节能，保温厚度减薄

较传统保温方案一，方案二和方案三厚度减薄50%，33.3%，但节能率达到10.61、4.98%。

（2）减排效果显著

较传统保温结构，方案二和方案三年均减排CO2达到481.99 t/km、226.08 t/km。

（3）初投资回收期短

纳米孔复合毡保温方案其初投资都在2.01a内。

复合保温结构即方案三由于减少了外套钢管费用、土方开挖费用、防腐层费用、焊接费用、运输仓储费用等辅料成本，最终综合成本较传统保温方案一不增加。

4 结语

纳米孔复合绝热毡作为新型保温材料，标志着新一代保温技术的崛起和发展，上海宥纳的纳米孔绝热材料具有完全自主知识产权和独特生产工艺，材料性能处于国际水平、生产工艺的市场化能力突出。

纳米孔复合绝热毡超低的导热系数（常温≤0.020 W/m·k）、高达憎水率（99.6%）、A1级防火、热稳定性好、超长的使用寿命、节省空间、无机环保等优点。通过架空、地埋管道的实际案例的分析表明，保温节能、降耗减排效果明显，初投资回收期大多在3a以内。纳米孔复合绝热毡应用在设备管道保温以及其他耗能领域，势必在节能、降耗和减排上带来巨大的经济效益和社会效益。

[1] 王家诚. 中国工业能耗与节能途径.

[2] 栾玉成. 纳米保温涂层及其在建筑方面的应用

[3] 朱盈豹. 无机保温材料的应用和发展前景.2010

[4] 胡伟良，候国辉. 节能保温隔热材料行业发展前景.2010

[5] A. Sharma and S.K. Kar (eds.), Energy Sustainability Through Green Energy, Green Energy and Technology, Springer, France, 2015

节能信息与动态

黄浦区开展绿色采购推进节能减排工作

黄浦区认真做好节能产品和环保标志产品目录的采购工作。2017年1-6月份，完成节能产品类项目采购金额7670.1万元，实际采购节能产品资金6771.97万元；完成环保产品类项目采购金额6631.65万元，实际采购环保产品资金6268.64万元。

（区发改委）

Nanoporous Heat Insulation Material Applied in Industrial Heat Insulation

Luan Yucheng, Xu Wenliang, Zhang Changwei
Shanghai Energy Research Institute
Shanghai Uninano Advanced Materials Co.,Ltd

Nanoporous aerogels composite heat insulation material works at one brand new heat preservation energy-saving material and has low coefficient of heat conductivity and high hydrophobicity and long service life, which is advanced pipe and facility heat insulation material. Meanwhile its process is simple, safe and reliable, which can be industrialized produced, in green inorganic process and convenient for construction. Compared with traditional heat insulation material, nanoporous heat insulation materials has huge advantage and its energy saving and consumption reducing ability with obvious economic and social benefit, which can be applied in nuclear power industry, power storage, petrochemical, aerospace, building energy saving, furnace metallurgy, transportation, cold chain refrigeration etc.

Nanoporous Heat Insulation Felt, Heat Preservation, Energy Saving

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.08.011