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气凝胶在能源工业中的应用



气凝胶特殊结构使气凝胶不同于其他多孔材料隔热特性,气凝胶复合材料是由非晶体型硅胶和基材毡在超临界状态下干燥制成,有效降低气凝胶高脆性,增强其与基材之间价键结构,且成为一种最具发展前景的超级隔热材料。根据应用温度不同,选用不同耐温性基材,制备不同气凝胶复合材料。根据强度强度和柔软度,复合产品分为两类,气凝胶毡和气凝胶板,气凝胶板为定制型产品。根据最高使用温度,复合产品分为 130℃,650℃,1100℃,1300℃ 四种耐温性。分类如下:


使用温度

加新气凝胶毡

加新气凝胶板(定制产品)

-50~650℃

CTB650

柔软可弯折

CTP650

不可弯折

-50~650℃

CTB1100

柔软可弯折

CTP1100

不可弯折

-50~1100℃

CTB1300

柔软可弯折

CTP1300

不可弯折

-200~125℃

TW800

柔软可弯折

--

--









根据气凝胶高温毡性能,产品应用主要在以下几个方面:



一. 石油石化管道


油田是产能大户,同时也是耗能大户,石油石化每年使用各类保温材料总量占全国保温材料总消耗量四分之一左右。大量管道及热力设备需保温。石油化工保温行业主要针对100~500℃的高温管线。保温目的是防止介质温度降低影响运输或高温伤人。

石油管道保温方面现用的材料种类与气凝胶的导热系数对比如下:

导热系数 mw/m·k

25

100

200

400

气凝胶CTB650

18

21

25

34

硅酸铝

37

55

72

110

玻璃纤维

42

50

70

不可用

岩棉

55

70

92

140

发泡材料

36

不可用

不可用

不可用

 

一般情况下,成品油管道不需要保温,比如汽油、柴油。特殊地区,例如在寒冷地区,热胀冷缩会冻裂管道,成品油管线需做保温。加新气凝胶作新型超级保温隔热材料,在石油开采、 输送管道,石油炼化管道保温,与传统保温材料相比有如下优势:

比较项

传统保温材料

气凝胶保温隔热材料

隔热性

在 常 温 下导热系数多在

0.036W/mK 以上,材料安装厚度大,占用空间多,在狭小空间作业效果差。

气凝胶保温材料在常温下的导热系数为 0.018 W/mK,可以大幅降低保温层安装厚度,有效提高安装空间且减小热损失,节能效果优异。

使用寿命

传统保温材料寿命短,需经常维护、更换的问题;管线因保温效果下降,长期使用内部流体在末端已经无法达到设计的温度及压力要求

气凝胶保温材料抗压强度高, 性能稳定,使用寿命长,一般在 10年以上

结构性

传统硅酸盐类保温材料结构力差,容易出现上薄下厚的现象

气凝胶保温材料为柔性材料, 可根据复杂的形状、 弯曲度和空间限制等来裁剪材料和安装

防水性

大多数传统的无机材料都没有防水效果,容易造成管线腐蚀,使得管线无法保证设计压力要求

疏水性气凝胶保温材料具有极好的防水效果,疏水率 99%以上,在最大程度上防止和减少管线腐蚀



二. LNG等深冷保温


LNG保温的现状

LNG工程及其他低温项目建设中,低温、超低温设备涉及到温度大都在-40-170摄氏度。最常用的深冷保冷材料主要有PUR/PIR,发泡玻璃,橡塑,改性酚醛泡沫等,这些材料较之于先前使用的珍珠岩材料,无论从性能还是施工方面看,都有了很大改善。保冷效果好坏不仅关系到整个设备输送效率,而且对装置安全生产也有至关重要影响。合适的保冷材料不仅能够降低能耗、减少冷量损失,而且为符合环保要求、为企业安全生产和创造更好效益提供了保障。气凝胶型保温材料的出现,似乎正是为了这种深冷型保温而量身定做,在国内外已经开始广泛应用。

我国当前绝大多数的LNG输送管道保冷工程都不是很理想,其主要缺陷及成因如下:

v  传统材料保温性能衰减很快,导致维护成本很高。

v  传统材料保冷效果差,冷损失大,容易给天然气或其他压缩气体的储藏运输带来危险。

v  传统材料包裹厚度大,给密集型管线排布设计带来诸多不便。

v  管道由于保冷层的效果差而很容易被结露的水腐蚀。

v  保冷层很容易因结露水太多而失去效果。

v  有机类材料防水性可以但无法满足防火要求。


气凝胶材料带来的好处

v  保冷效果优异,超低温时热导率<0.01W/m.k,所需保冷层厚度大大减小,有效降低冷损失,为密集型管线排布设计提供优化。

v  具有最佳的低温稳定性,-200℃仍可长期保持保冷性能及良好柔性,不开裂。

v  尺寸稳定性极佳,纳米级特殊结构可抵抗管道伸缩带来的内应力,无需设置伸缩缝。

v  气凝胶材料的疏水性能好,可有效抑制水渗入金属管线表面,防止管线腐蚀,防止保温材料因渗水而导致保温效果下降。

v  材料切割、施工方便,维护成本低。


与现流行较好的保冷材料具体性能对比:


气凝胶复合毡TW800

发泡玻璃类

发泡PIR

聚三聚氰酸脂

导热系数,W/(m•K)

0.010~0.020

0.050~0.080

0.030~0.040

容重,kg/m3

70

150~240

50~180

保冷厚度

约为1/2

2

1

吸水率(vol%)

0.36

2

1.5

防水性

整体防水,憎水率≥99%,纳米结构能够有效的抵御结露、结霜

防水性差,需外加防水措施

防水性差,需外加防水措施

可施工性

可成卷材,异形件,柔性好,易施工

很差,损耗高,

普通,可现场发泡,但发泡均匀性较差

超低温稳定性

优,预计寿命3-5年

稳定性一般,寿命约2年

易老化,强度变低,稳定性差, 6个月到1年需更换

尺寸稳定性

0.45%

重复利用性

拆卸检修时,可重复利用

拆卸时易碎,无法利用

拆卸时易碎,无法利用

其 他

使用厚度为1/2,体积约为1/3,减少25%的辅材费用,减少管线排布难度。



气凝胶复合保温毡垫与PIR材料的经济对比:

(以1km直径100mm的管道计)

 

气凝胶绝热毡

发泡玻璃

PIR

预计保冷层厚度(mm)

40

160

80

预计表面温度(℃)

30

30

30

保冷材料体积(m3)

17.5

140

45.2

主要材料费用(万元)

约18

14

约7

施工及辅材费(万元)

约3

约8

约5

冷损情况

约1/3

2

1

维护情况

几乎不需要,即使遇到物理损伤,也易于修补

几乎不维护,使用寿命到达后,整体更换

老化严重,每3-6个月都需要大修,每次维护花费1-2万