二氧化硅气凝胶砖在LNG储罐隔热方面的运用

二氧化硅气凝胶砖在 LNG 储罐隔热方面的运用摘要在全球能源日益紧张的今天,天然气在能源结构中将占越来越大的比重。

但是因为天然气主要成分是甲烷,大自然中以气态方式存在,不便于长距离的储存和运输,要方便储存运输必须将天然气液化。天然气液化有两种方式:CNG 和 LNG。

  • CNG 方式现在普遍使用,但是它需要高压储存运输,这就导致了以这种方式液化的天然气单个储罐的容量不会很大,况且高压环境危险性很大,存在较大的安全隐患,这就限制了液化天然气的广泛使用。
  • LNG 因为制作成本低,相对较安全,建造储罐可大可小,所以目前国内外正在广泛研究制造 LNG 储气方式。

目前我国几乎没有自主的相关 LNG 设计建设能力,建造 LNG使用的隔热材料也必须靠进口,这给我们 LNG 建设的推进带来了很多不便。

就建设 LNG 所用的隔热材料而言,小型真空罐,通常是填充的膨胀珍珠岩;大型常压的主要用泡沫玻璃砖、中密度和高密度PVC、高密度喷射块 PIR/PUF 和玻璃纤维增强 PIR/PUF 块、高密度挤压聚苯乙烯等,以进口的泡沫玻璃砖作为隔热材料为主。我们现在能生产强度较高,导热系数很低的二氧化硅气凝胶砖,建议相关单位尝试使用气凝胶砖作为 LNG 隔热材料。

LNG 隔热层隔热层

隔热层在将液压头传递给外罐体的同时,还起着减少气化量、缩小罐体内外壁温差、减轻由此产生的温差应力的作用,另外它还有固定“薄膜”的功能。因此要求隔热层热导率小,而且具有足够的强度。能满足这些条件的材料有硬质泡沫氨基甲酸乙酯、泡沫玻璃、珍珠岩以及硬质泡沫酚醛树脂等。为了提高隔热材料的隔热性能和经济性,可采用由粉末状、纤维状、板状等隔热材料混合使用的隔热法。

液化天然气注入罐内后,内罐壁就会冷缩;反之液化天然气完全被排出后,罐内温度将逐步上升,内罐壁随之伸张。填充在内外罐中间的粉末状隔热材料,由于内罐壁的反复胀缩变得严实。因此在靠近内罐处必须敷设一层伸缩性强的隔热层,此隔热层的厚度与内罐壁的胀缩相适应,并在内罐壁胀缩时起缓冲作用,保证储罐安全运行。

 

二氧化硅气凝胶简介

二氧化硅气凝胶早在上世纪 80 年代就被发现,当它来到这个世界人们就对它惊叹不已,也对它的未来充满了期待,也就是在这样的情况下无形的人们把气凝胶神秘化了。

二氧化硅气凝胶作为隔热材料,从材料本身的性能参数上讲确实是很棒的材料:轻、不燃、导热系数低、等等,但是这么好的材料为什么 30 多年了还一直像个婴儿一样在摇篮中沉睡呢?一直不能广泛的运用于人类的各个领域呢?成本高?其实这是从事这方面的工作者的一种无赖的借口,你说成本高对民用行业可能会望而却步,但是这样的好东西对于军事、航空航天等行业来讲这个理由肯定是站不住脚的。

经过这几年对气凝胶的摸索,我认为气凝胶为什么得不到广泛的运用并不在于它的成本,而在于它的另外一些性能如:易脆、不易成型、强度低、吸水率高等缺点。

国外文献报道过诸如气凝胶与聚脲结合可以将气凝胶的强度提高到原来的 100 倍,也有报道说用气凝胶制作的机器人的“肌肉”又有韧性又有强度,这方面的报道我从不怀疑他的真实性,因为从气凝胶的结构上讲这些都是有可能的。

气凝胶的成型通过添加其他成分压板是可行,但是这样做出来的板材作为隔热是不会被广泛使用的,因为在压板的过程中必须添加大量的其他填充料,而且高压压制会让气凝胶的结构发生坍塌,坍塌后的气凝胶就是白炭黑,导热系数就会明显升高;用烧结的方式成型也是可行的,这就是通常见到的粉末陶瓷化,当温度达到气凝胶熔融温度后气凝胶的结构也就保不住了。

所以要得到气凝胶的型材,必须在溶胶的时候进行,强度、成形性、导热系数、疏水性等等这些所有的特点都必行在形成溶胶的过程中考虑进去,因为气凝胶隔热的根本在它的孔隙率,也就是无论如何要保住它里面的 90%以上的静止的空气。

通过大量的实验,我们实验室中试通过了一种强度可以和普通菱镁发泡材料比较、轻质(80-100kg/m3)、导热系数低(常温0.020w/m.k以下)、疏水、A级阻燃的二氧化硅气凝胶砖,该砖可进行锯、切、磨等加工,可以根据需要制成任意尺寸的型材。

经过实验,目前在气凝胶制作过程中,回收的溶剂在不经过后处理的情况下可以重复使用5次以上(估计可以重复使用10次以上,因为目前重复试验刚刚才做到第五次),溶剂回收率接近100%。

泡沫玻璃砖与气凝胶砖性能比较

二氧化硅气凝胶砖在LNG储罐隔热方面的运用

综合分析,气凝胶完全可以替代进口的泡妹玻璃砖作为新型LNG隔热的主体材料。

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