小编这里为大家分析气凝胶应用中的经济性，看看多久可以收回“高昂”的成本。

气凝胶是一种分散介质为气体的多孔性固体材料，是目前已知热导率最低的固体材料。由其制成的气凝胶保温毡导热系数为0.020 W·（m·K）-1，且具有超疏水、寿命长、抗压、易安装维护等特点。作为新型保温隔热材料，在航天领域、新能源电池领域、蒸汽管道领域、蒸汽锅炉、高温熔融炉等高能耗行业、热力管道、石油化工领域发挥了重要的作用，随着人们对能源及环保的重视，该材料在市场上的应用前景越来越广泛。气凝胶保温材料的劣势在于价格较高，初始投资较大。但由于其优异的耐老化性、尺寸稳定性、疏水性、隔热性能及易于施工的优势，其在服役一定的时间后，就会体现出综合优势。下面小编就带大家来分析下气凝胶保温材料和传统保温材料在长输蒸汽管道和站场地上管道应用的经济性分析。

☆ 1、传统保温材料和气凝胶优劣势对比☆

传统的保温材料最为普遍的缺点[1,2,3]：

导热系数高、保温效果差，在很多对保温有较高要求的场合，甚至不能满足保温设计要求。由于较差的保温性能，导致需要较大的包裹厚度，不利于节能保温施工作业的开展，提高了施工作业的成本。保温性能衰减很快，导致设备和管道的热损失逐年升高，运营成本逐年升高；基本上每 3～4 年就要更换一次，维护成本高、重复投资高。很多材料的疏水性较低，导致保温层潮湿，严重时甚至引起保温层下腐蚀，导致壁厚变薄，让管道或者设备存在安全隐患。材料结构不稳定，在使用一段时间后会由于重力作用出现上下不均匀的现象，下部厚度有时为上部的2倍，导致保温性能不均匀 、增加热损失。传统保温材料的优势：价格低，初始投资成本低，对于保温性能要求不严格及内外温差小的应用场合性价比高。

气凝胶保温材料的优点

导热系数低，常温常压下导热系数可低达0.020 W·（m·K）-1，保温性能好，具有超疏水特性，防水性能卓越，不会受潮、吸水腐蚀管道，无保温层下腐蚀；气凝胶保温毡产品柔性好，抗压，施工厚度小，易安装维护，而且对管道弯头、阀门、三通等保温薄弱的异性件部位有很好的适应性。耐高温性能优异，一般普通的气凝胶产品可耐600℃高温，特殊工艺制备的气凝胶可耐1100℃高温。耐火性能好，阻燃性能可达A级不燃，大大提高材料使用过程中的安全性，防震防爆，优异的隔音吸声性能。耐老化性能及尺寸稳定性优异，正常环境下服刑寿命可达12-15年。

气凝胶保温材料劣势：价格高，初始投资成本高，压力大。为了降低气凝胶保温材料代替传统保温材料的初期投资成本，可以首先在保温性能要求高，内外温差大，施工难度较高的场合使用气凝胶。根据应用需求，将气凝胶保温材料和传统保温材料结合使用，达到最大性价比。

☆ 2、气凝胶毡在长输蒸汽管道经济效益☆

以350°Ｃ，4.5MPa，流量80t/h，外径为325mm蒸汽管道为例，设计三个保温方案进行对比保温性能及经济效益[4]。

图1 气凝胶复合保温方案示意图

表1 各方案保温材料具体厚度

气凝胶复合保温效果根据GB/T 8175-2008《设备及管道绝热效果的测试与评价》计算散热损失，并根据实验及工程经验进行修正，各方案保温效果结果如下：

表2 各方案的保温效果及节能率（1Km管线为例计算）

从表中数据可以看出：采用方案一、二中的气凝胶复合保温结构，与传统保温结构相比较，每1Km管线每年可分别节能3127.6GJ、1937.0GJ，以热价55元／GJ进行计算，可折合人名币17.2万元、10.7万元。

管线每公里温降由原来的6.9°Ｃ降至4.8°Ｃ，这就意味着对于15kｍ的管线，客户端的温度可提高30°Ｃ以上。其次，用户端蒸汽温度的提高，可输送给用户的蒸汽热值增加，同时提高了用户的产能与生产。

表3 各方案施工造价（以1Km蒸汽管道施工为例计算）

由以上分析可知，采用方案一、二中的气凝胶复合保温结构，可分别在3年、2年左右将增加的一次性投资成本收回。假设蒸汽管线的折旧周期为10年，方案一、二可带来经济效益分别为120万元、80万元以上。

结论：气凝胶绝热毡特殊的生产工艺决定了其价格高于市场上常规的保温材料，因此采用气凝胶复合保温结构的一次性投入也相对较大，但从长远角度上分析，气凝胶复合保温结构可带来较大的经济效益。

☆ 3、气凝胶毡在地上管道应用的经济效益☆

以我国西北地区某输油热泵站为例，在站场管道保温层厚度相同的情况下，根据传统保温材料与气凝胶保温材料在20~70 ℃下的导热系数，以及站场环境温度、风速、管径管长、加热时长等影响因素，按照 GB 50264—2013 《工业设备及管道绝热工程设计规范》 和热流密度计算公式，分析并计算在站场地上管道使用气凝胶材料的经济性及使用气凝胶材料之后该站场所能节省的热能和费用[5]。

表4 气凝胶保温材料和传统保温材料20-70℃的导热系数

经调查研究，该热站的站内地上管道里同时流动着温度约为20℃的冷油和温度约为50℃的热油（还有温度大于 50 ℃的热油管道，按油温 50 ℃保守计算），冷热油管道的长度约各占站场内管道总长度的 50%。该站地上保温管道的长度为 100 m（管道平均外径 D0= 0.60 m），由此，可假定冷油管道与热油管道的长度各为 50 m。 此外，由于热站地处西北地区，气候较为寒冷，每年对油品加热的时间有6～8个月。若保守地取加热时长为6个月，其中最冷 2个月的平均气温为-10 ℃，次冷2个月的平均气温为0℃， 稍暖2个月的平均气温为10 ℃。取保温层厚度为 2cm，则保温层外径 D1= 0.64 m，气凝胶材料与传统保温材料的导热系数分别取 λ气凝胶= 0.018 W/(m·K)， λ传统材料= 0.04W/(m·K)。

计算条件：保温层均为2cm，冷油温度20℃，热油温度50℃，假定冷热油管散热长度各50m，三个梯度环境温度（-10℃、0℃、10℃）各60天（热散失时长1440h），热价0.348元/kWh。

表5 使用气凝胶保温材料可节约能源

全年节约热量23746kWh，热价按0.348元/kWh折算，全年节约总能量费用为8264元。

表6 气凝胶材料与传统保温材料的维投资护成本m2

按表6计算结果看，仅靠使用气凝胶材料后节约的热能费用，4.6 年后可收回初期多出的投资。加之气凝胶材料的使用年限远远大于传统保温材料，可在 10～15年的时间内免去站场因保温层失效而需重新更换的材料费、人工费，这也节约了相当可观的一笔开支。取气凝胶材料和传统保温材料的使用年限分别为 12.5 年和 3.5 年，则 12.5 年间，气凝胶材料和传统保温材料的部署次数分别是 1 次和 3.57 次，可节约 2.57 次部署传统保温材料的投资，共 29472 元，平均每年节约 2358 元。若将这部分节省的投资算作节省的运行维护费用，则使用气凝胶材料后每年所能节约的热能和运行维护费用之和为 10622 元，3.6 年就可收回初期多出的投资。

仅50℃热油管道敷设气凝胶保温材料的经济效益核算：

由于气凝胶复杂的工艺造成气凝胶价格较高，一次性用气凝胶更换传统保温材料的初期投资较大，其次从表5中节约能量数据可以看出：气凝胶材料在保温层内外温差较大时的性价比更高。因此，若要节约初期投资，可先在油温≥ 50 ℃的管道上敷设，表6中保温材料投资维护成本减半，则因使用气凝胶材料而增加的初始投资为18988元。 而仅将热油管道的保温层换用气凝胶材料，全年节约热量16947kWh，热价按0.348元/kWh折算，全年节约总能量费用为5907元。在3.2 年后即可因节能降耗而收回，以后每年节约能源费 5907 元。此外，因减少更换保温层次数可每年节约 1179 元的运行维护费用；所以，通过节约热能和更换保温层次数，2.7 年可收回初期多出的投资（相较于使用传统保温材料多投资的部分）。可见，若仅对热油管道使用气凝胶材料，则收回初期增多的投资的时间更短，节能降本效应更为显著。

结论：通过计算和对比气凝胶材料与传统保温材料的保温性能、初始投资费用、以及运行维护成本，发现在管道上使用气凝胶材料较传统保温材料具有较大综合优势。使用气凝胶材料所节约的能源和运行维护费用 （主要指更换传统保温层的材料和人工费用)，可在 2～4 年内超过初期多花费的投资。在随后的服役过程中，可持续因能源节约和减少保温层更换次数为管道运营商节省开支。此外，当管道内外温差较大、年加热时长较长、加热燃料或电能涨价时，使用气凝胶材料的效果更好。

参考文献：
1. 张德忠. 二氧化硅气凝胶在保温隔热领域中的应用, 化学研究, 2016, 27(1):120-127.
2. 孔勇,沈晓东. 气凝胶纳米材料,中国材料进展,2016,35,(8):569-576.
3. 张鑫, 王毓薇, 白志鸿. 纳米气凝胶与常用管道保温材料的性能对比, 油气储运, 2015, 34(1):77-80.
4. 张艳蓉. 气凝胶复合保温结构在长输蒸汽管道上的应用, 2016全国绝热节能科技创新技术交流会.
5. 穆承广, 王殿学, 许彦博. 气凝胶高效保温材料在站场地上管道应用的经济性分析,石油石化节能, 2017,7(4):3-7. 返回小木虫查看更多