水泥行业作为建材行业碳排放大户，积极响应国家双碳战略，践行绿色、低碳、高质量发展理念，在加快水泥行业减碳、降碳前沿技术攻关及工程化应用方面不断深化。然而，水泥烧成系统设备表面散热较大，导致热风空气高热，循环利用效率较低，水泥生产煤耗较高，采用绝热性能较好的材料降低水泥窑设备壳体表面温度及散热量成为研究热点。
气凝胶是目前绝热性能较好的固体材料，主要包括气凝胶粉体材料、气凝胶涂料、气凝胶毡、气凝胶板等复合材料。其中，气凝胶粉体材料为其衍生材料的基体材料，气凝胶涂料主要用作设备壳体外的涂覆材料，而气凝胶毡、气凝胶板因具备耐高温、低导热、结构稳定等特性，可用于水泥窑热工系统内部作隔热材料。气凝胶的隔热原理是通过延长内部高热气体热传递路径，减少热量散失。
此外，气凝胶具有纳米级气孔和极低的体积密度，使应用材料内部的气孔壁变得无穷多，且每一个气孔壁都具有遮热板的作用，将应用材料辐射传热下降到最低限度。因此，该类材料构建的隔热材料在水泥热工系统内部具有极大的应用价值。
基于此，本文以某5000t/d水泥熟料生产线为例，在其回转窑三次风管尾段区域（长约18m）进行了气凝胶复合材料的示范应用，并对该材料的应用效果进行了分析总结，为气凝胶材料在水泥行业的应用提供理论依据和数据支撑。
气凝胶毡是以玻璃纤维毡为基体材料，将二氧化硅气凝胶粉体与玻璃纤维毡复合制备而成，如图1a所示，气凝胶粉体占比达30%，具有耐高温、低导热、高柔性、可裁剪等特点。当气体分子穿过纤维毡时，利用附着在纤维表面气凝胶材料高比表面积、低孔隙的三维网络结构，可有效“锁住”热空气分子，抑制其扩散速率。此外，气凝胶材料珍珠链式微观结构具有遮光板作用，可形成多个反射层，大幅度降低其传热效率，具有优异的隔热效果，如图1b所示。
为对比气凝胶毡与普通隔热毡的性能差异，我们选取了两家公司产品，送第三方检测机构进行导热系数检测，检测结果如表1所示。由表1可知，普通隔热毡的导热系数约为0.056W/m.k，而气凝胶毡的导热系数仅为其1/3，低至0.019W/m.k，进一步表明了气凝胶毡具有优异的隔热性能。
气凝胶板是将气凝胶粉体材料通过纤维增强、模压一次成型制备而成，如图2所示。相较于气凝胶毡，气凝胶板具有一定的刚度，不易弯曲，振实密度高，气凝胶粉体占比约为5%，隔热稳定性好，使用寿命长，常用于大型热工设备保温及建筑保温。表2为气凝胶板与普通纳米板的导热系数测试结果，由表2可知，相较于普通纳米板，气凝胶板具有更低的导热系数，仅为0.023W/m.k。
为进一步探究气凝胶板的力学特性及其在水泥回转窑三次风管运行工况下的使用安全性，对其理化性能进行了检测，结果如表3所示。由表3可知，气凝胶板的高热稳定性较好，900℃线收缩率＜2%。依据工业窑炉隔热材料施工工艺要求分析，气凝胶板能够满足水泥回转窑三次风管施工及生产运行工况要求，在水泥回转窑静态热工部件具备装配潜力。
以某5000t/d水泥熟料生产线为载体，在其综合能效提升技术改造项目施工过程中，同步开展气凝胶隔热材料在回转窑三次风管的示范应用，具体应用方案如表4及图3所示。
为验证气凝胶材料的隔热效果，考虑回转窑三次风管长期运行，底部会积灰，易造成隔热效果评价存在误差，故选取回转窑三次风管顶端及两侧约30°位置，进行温度标定。具体标定测试方案如下：未施工区域以三次风管窑头罩连接处为0m位置，每间隔3m设置测量点；施工区域每间隔1m设置测量点，每个截面选取3个测量点测温。三次风管温度标定测点位置如图4所示。
3.3.1 三次风管气凝胶隔热材料施工区域和未施工区域隔热效果对比
水泥生产线稳定运行后，对回转窑三次风管进行了4次表面温度标定，标定间隔时间为1个月，标定结果如表5所示。
结果表明，使用气凝胶隔热材料施工的区域，整体表面温度检测值分别为89℃、84℃、114℃、122℃，均值约102℃；而未使用气凝胶隔热材料的区域，整体表面温度检测值分别为 190℃、181℃、241℃、203℃，均值约204℃。实际应用表明，气凝胶纳米材料的应用，可显著降低壳体表面温度100℃~120℃，隔热效果较好。
值得注意的是，经水泥窑综合能效提升技术改造后，水泥回转窑三次风温从870℃提升至1050℃左右。采用气凝胶隔热材料改造的三次风管区域，设备表面温度约100℃，而采用硅酸钙板的设备表面温度达200℃左右。在回转窑三次风温明显提高后，气凝胶隔热材料仍然能保证设备表面温度较低，说明气凝胶隔热材料的隔热性能显著，节能降碳效果显著。
3.3.2 气凝胶板材料和普通纳米板材料在静态壳体表面隔热性能对比
为进一步研究气凝胶板材料和普通纳米板材料在静态壳体表面的隔热性能差异，对采用气凝胶板材料构筑的隔热材料与采用普通纳米板材料构筑的隔热材料的三次风管壳体表面温度进行了对比。
从隔热材料施工方案、隔热材料厚度及后期三次风管壳体温度三方面，综合评价两种材料的应用效果。在烧成系统相同运行工况下，两种隔热材料的施工方案和施工后的三次风管壳体表面温度标定结果如表6、表7所示。
从表6、表7可以看出，纳米板隔热材料厚度较气凝胶板材料厚45mm，但在烧成系统相同运行工况下，气凝胶板材料的壳体表面温度相较于纳米板材料低11~22℃，平均温度降低18℃，说明气凝胶材料能够在更薄的铺设厚度下展现更优的隔热性能。气凝胶板由二氧化硅气凝胶粉体材料和低含量纤维通过高压成型，材料中以多孔、高比表面积气凝胶为主。相较于纳米板的微观结构，气凝胶板中的纳米球体珠串直径更小，与气体分子平均自由程几乎一致。当回转窑三次风管热风空气经过气凝胶板时，气凝胶粉体材料内的纳米孔结构可有效锁住热风空气分子、延长气体扩散路径并形成反射面，大幅度抑制高热空气向壳体外部散失。因此，采用气凝胶隔热材料的区域，展现出了高气体温度、低表面温度的特性，具有极大的应用潜力。
虽然气凝胶隔热材料的应用效果显著，壳体表面温度低于现有隔热材料，但仍存在一些问题需要解决。
（1）气凝胶材料成本相对偏高，如何在保持低导热性能的同时，大幅降低使用成本，提高产品性价比，是当下需要解决的问题之一。
（2）需进一步优化气凝胶材料施工工艺，探究更适宜的材料施工方法，减少漏热现象，充分体现材料的优异使用性能。
气凝胶作为新材料，虽在理论创新和产品制备上取得了重大突破，但实际应用案例场景较少。本文以某5000t/d水泥熟料生产线为例，通过对比分析气凝胶隔热材料在水泥回转窑三次风管内部的应用效果，证实了该类材料具有优异的隔热性能，为水泥行业在新材料领域的应用提供了参考，具有较高的工程应用价值。
来源：《水泥技术》
原文始发于微信公众号（艾邦气凝胶论坛）：技术丨新型气凝胶纳米隔热材料在水泥生产线的应用实践
