新型保温材料热盾毯的应用

李翔

（中国石化巴陵分公司，湖南岳阳 414014）

热盾毯作为气凝胶复合材料，具有独特的三维纳米颗粒骨架（颗粒尺寸2～5 nm）和纳米级孔隙结构（20 nm），比表面积大（1 000 m2/g），密度较低，因其特殊的微观结构，在热学方面具有独特性质[1]，能够有效的隔断热传导和热对流，是一种理想的保温材料。

巴陵分公司12万t/a苯乙烯装置高温800-P-30401管道，保温材料采用常规的硅酸铝针刺毯，导热系数大，散热量较大，外表面温度较高，造成了大量热量损失。因此，2017年采用新型材料热盾毯对该管道进行了保温改造，改造后节能效果显著。

1 热盾毯保温原理和性能

1.1 热盾毯保温原理

在纳米热陶瓷材料中，98%以上的纳米结构是孔隙尺寸为20～40 nm左右的“真空”结构。空气分子团在空间中的自由行程约为70 nm，无法穿过热陶瓷材料中的“真空”结构，因此该材料热量传递损失较小[2]。

1.2 热盾毯性能

1）热盾毯独特的纳米级结构能够有效阻止热量传递。200℃时，热盾毯导热系数≤0.015 W/m·K，小于静止空气，600℃时的导热系数≤0.055 W/m·K，传热性能仅为传统保温材料的1/5～1/3，是目前工业实现的导热系数最低的绝热材料之一，可大幅度减小保温体厚度，减少散热面积，降低热损失。

2）优异的整体防水性能。热盾毯憎水率≥98%，质量吸湿率≤4%，不会受潮，更不会吸水腐蚀管道，可确保隔热性能长期有效。

3）良好的机械性能。热盾毯中Al2O3质量分数大于25%，密度（220±20）kg/m3，质轻、柔韧，有良好的抗压及抗拉强度；长期使用不沉降、不变形，避免了传统保温材料长期受高温或振动影响而产生形变堆积，保温性能下降的问题。

4）易于现场加工、施工便捷。利用普通裁剪工具即可加工成适合复杂部件所需的形状，轻巧方便，安装简易。

5）使用寿命长。在正常使用条件下，持续使用时间不低于10年。

2 苯乙烯装置管道保温改造方案

苯乙烯装置800-P-30401管道内介质是乙苯和蒸汽的混合气体，进口温度481℃，进口压力-0.02 MPa，总长59.3 m，外径813 mm。

2017年苯乙烯装置大修期间，利用热盾毯对管道实施了节能优化改造。苯乙烯装置停车后，经过一段时间自然冷却，使管道温度降至常温，拆除原有硅酸铝针刺毯保温层，安装热盾毯。热盾毯厚度为10 mm，包7层，保温层厚度总计70 mm。每包完一层，使用钢丝绑扎；第三层缠绕纤维铝箔，并用发蓝钢带紧固；第七层缠绕玻璃丝布，并用不锈钢带紧固。外保护层使用原保温的铝皮；最后填塞密封材料，使用防水材料封堵。

3 热盾毯的应用效果及经济分析

3.1 散热面积

管道保温层表面积（S）根据下式计算：

式中：φ为管道保温前的直径；D为管道保温后的周长；L为管道长度；δ为保温厚度。

常规保温下，硅酸铝针刺毯的厚度为210 mm，800-P-30401管道保温层表面积（S1）为229.59 m2。

同理计算得到800-P-30401管道热盾毯保温层表面积（S2）为177.45 m2，小于硅酸铝针刺毯保温层表面积S1，比常规的硅酸铝针刺毯保温减少表面积22.7%。

将对比范围扩大到所有口径的管道，假定常规保温层的δ均为210 mm，由式（2）可计算出热盾毯和常规保温材料用于不同口径管道保温层的表面积之比，结果见图1。

由图1可以看出，管道口径较小时，使用热盾毯对比常规保温材料，可以缩减更大比例的保温层表面积。

3.2 热流密度

根据GB/T 17357—2008《设备及管道绝热层表面热损失现场测定热流计法和表面温度法》规定，绝热层表面热流密度（q）可用式（3）、式（4）进行计算：

图1 热盾毯和常规保温材料用于不同口径管道保温层表面积之比

式中：α为管道表面换热系数；TW为表面温度；TF为环境温度；ω为环境风速。

以DN800管道为例，采用Testo905-T2仪分别对其两端进行测温，其中管道上游测量换热器E-6301出口附近，管道下游测量反应器R-6301进口附近。每一端选取了2个管道截面，每个管道截面测量上、中、下3个点。通过测量可得，当采用硅酸铝针刺毯保温时，保温层的平均表面温度为46℃（在TF20℃，ω0.2 m/s下测定），其热流密度（q1）为383.8 W/m2。

同理，测得以热盾毯为管道保温层的平均表面温度为36.7℃，见表1。

表1 热盾毯保温层管道表面温度

经计算可得，采用热盾毯改造后的管道保温层热流密度（q2）为215.5 W/m2。

对比q1、q2结果可知，在环境条件（风速、气温和天气等）基本相同的前提下，使用热盾毯比常规的硅酸铝针刺毯q减少43.9%。

3.3 年散热总量

年散热总量（Q）可用式（5）计算：

式中：S为散热面积；t为时间。

经计算可得，硅酸铝针刺毯保温层管道的年散热总量（Q1）为2 537.8 GJ，热盾毯保温层管道的年散热总量（Q2）为1 101.3 GJ，使用热盾毯保温比常规的硅酸铝针刺毯热量损失减少56.6%，年可节约能量1 436.5 GJ。

3.4 经济性分析

不同保温材料的管道保温效果见表2。由表2可知，800-P-30401管道保温材料由硅酸铝针刺毯更换为热盾毯后，S减少了22.7%，q减少了43.9%，Q减少了56.6%，年节能量为1 436.5 GJ。

表2 不同保温材料的管道保温效果

800-P-30401管道更换热盾毯后的年节能量，按照干气热值37.375 MJ/kg计算，可折合干气38.4 t。干气按照价格1 696元/t（不含税）计算，年节能量折合价值6.51万元。

59.3 m长的800-P-30401管道实际使用了14.23 m3热盾毯材料，总价25.53万元（不含税），投资回收期约3.9年。

4 结论

热盾毯是一种性能优越的新型保温材料，可以大幅降低管道的热量损失，有利于节能降耗，经济效益和社会效益显著，具有较好的推广应用价值。另外，管道散热量降低后，蒸汽过热炉等供热单元的工作负荷降低，有利于装置长周期平稳运行。