气凝胶行业专题:最高效隔热材料_契合碳中和节能大趋势.docx
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1、气凝胶行业专题:最高效隔热材料_契合碳中和节能大趋势一、气凝胶是当前最高效节能隔热材料气凝胶是新一代高效节能隔热材料。气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构、并在孔隙中充 满气态分散介质的固体材料,是世界上最轻的固体。由于独特的结构,气凝胶在热学、声 学、光学、电学、力学等多个领域都展示出优异的性能。目前商业化应用的气凝胶主要围 绕其高效的阻热能力展开,下游用于石油化工、热力管网、锂电池、建筑建材、户外服饰、 航天、军工等多个领域。气凝胶的阻热原理是其独立的结构带来的无对流效应、无穷多遮挡板效应、无穷长路径效 应。气凝胶的导热系数在 0.0120.024W/(mK),比传统的隔热材料低 23 个数量
2、级, 其隔热的原理在于均匀致密的纳米孔及多级分形孔道微结构可以有效阻止空气对流,降低 热辐射和热传导:1)无对流效应:气凝胶气孔为纳米级,内部空气失去自由流动能力;2) 无穷多遮挡板效应:纳米级气孔,气孔壁无穷多,辐射传热降至最低;3)无穷长路径效 应:热传导沿着气孔壁进行,而纳米级气孔壁无限长。与传统保温材料相比,二氧化硅气凝胶绝热毡的保温性能是传统材料的 2-8 倍,因此在同 等保温效果下气凝胶用量更少。以管道为例,直径为 150mm 的管道如果需要达到相同的 保温效果,对应使用的保温材料膨胀珍珠岩、硅酸钙、岩棉、气凝胶毡的厚度分别为 90mm、 76mm、64mm、20mm。根据中石化塔
3、河炼化的测算,将常压焦化装置从传统保温材料 改造成“二氧化硅气凝胶保温毛毡+单面铝箔玻纤布保温材料”组合保温的方式后,热损 失降低了 34.7%,保温层厚度较传统保温材料降低 50%以上。此外,气凝胶具备较长的使用寿命的优势,其使用寿命约为传统保温材料的 4 倍左右。传 统保温材料如岩棉、聚氨酯等在长期使用过程中容易吸水,一方面影响保温效果,另一方 面在吸水后由于重力作用导致保温材料分布不均匀,尤其是在管道保温的使用场景下,容 易造成保温材料在管道下部堆积,最终影响使用寿命。气凝胶则具有优异的防水效果,其 憎水率达 99%以上,在长期使用过程中仍能保持稳定的结构和隔热效果。目前商用的气凝胶通常
4、为复合材料制品,且具有多种形态。气凝胶存在强度低、韧性差等 缺点,因此需要通过添加颗粒、纤维等增强体提高强度和韧性,也可以通过添加炭黑、陶 瓷纤维等遮光剂提高遮挡辐射能力。因此当前在售气凝胶制品往往是由气凝胶材料与基材 复合制得。根据制品形态,气凝胶制品可以分为气凝胶毡、气凝胶纸、气凝胶布、气凝胶 板材、气凝胶粉末、气凝胶浆料、气凝胶涂料等。气凝胶材料种类繁多,其中 SiO2 气凝胶的商业化应用最成熟。气凝胶按照前驱体可分为 氧化物、碳化物、聚合物、生物质、半导体、非氧化物、金属七大类。众多不同的前驱体 可制备出具有不同性能的气凝胶,极大丰富了气凝胶品种的多样性,拓展了气凝胶的应用 范围。目前
5、市场上SiO2气凝胶的应用最成熟,2019年全球二氧化硅气凝胶占比高达69%。二氧化硅气凝胶前驱体可分为有机硅源和无机硅源。常用的有机硅源是正硅酸甲酯、正硅 酸乙酯等功能性硅烷,无机硅源包括四氯化硅和水玻璃等。与无机硅源相比,有机硅源价 格较为昂贵,但是纯度高,工艺适应性好,可以适应超临界干燥和常压干燥。无机硅源水 玻璃价格虽然较低,但是杂质较多,目前主要用于常压干燥中。气凝胶的制备过程主要包括溶胶-凝胶、老化、改性、湿凝胶的干燥过程。溶胶-凝胶过程 指前驱体溶胶聚集缩合形成凝胶的过程。但由于刚形成的湿凝胶三维强度不够而容易破碎 坍塌,因此需要在母体溶液中老化一段时间提高强度或者利用表面改性减
6、小或消除干燥应 力。干燥过程即用空气取代湿凝胶孔隙中的溶液并排出。干燥工艺是合成步骤的关键。湿凝胶在干燥过程中需要承受非常高的干燥应力,该应力会 使凝胶结构持续收缩和开裂,容易导致结构塌陷。目前主流干燥工艺路线有超临界干燥、 常压干燥。超临界干燥的原理是当温度和压力达到或超过液体溶剂介质的超临界值时,湿凝胶孔 洞中的液体直接转化为无气液相区的流体,孔洞表面气液界面消失,表面张力变得很 小甚至消失。当超临界流体从凝胶排出时,不会导致其网络股价的收缩及结构坍塌, 从而得到具有凝胶原有结构的块状纳米多孔气凝胶材料。早期的干燥介质主要采用甲 醇、乙醇、异丙醇、苯等,但是该技术具备一定危险,且设备复杂,
7、因此近年来又开发出以二氧化碳为干燥介质的低温环境超临界干燥工艺,通过降低干燥时的 临界温 度和压力,来改善干燥条件,降低危险性。常压干燥的原理是利用低表面张力的干燥介质和相关改性剂来置换湿凝胶中的溶剂, 以减小干燥时产生的毛细管作用力,避免在去除溶剂时凝胶结构发生破坏,从而实现 常压干燥。常压干燥前通常需要对湿凝胶进行长时间的透析和溶剂置换处理。常压干 燥设备成本与能耗成本相对较低、设备简单,但是对配方设计和流程组合优化要求高, 而且制备非二氧化硅气凝胶尚不成熟。二、气凝胶行业需求拐点向上发展期来临2.1 过去5年国内气凝胶市场已经初具规模气凝胶发展至今近 90 年,国内于 2012 年将其产
8、业化。气凝胶诞生于 1931 年,但直到 20 世纪 90 年代国外才开始将其产业化。但由于干燥过程成本较高,早期气凝胶只能用于 航天军工和石化领域。国内气凝胶行业起步于 21 世纪,2012 年国内首套 1000L 超临界 二氧化碳气凝胶干燥设备投产,标志着气凝胶的规模化生产,随后经过多次技术迭代,生 产成本逐步降低。过去 5 年国内气凝胶市场通过技术进步实现产量的快速跃升。中国气凝胶市场目前还处于 起步阶段,但过去 5 年的技术进步已经实现了较大比例的降本,2015-2020 国内气凝胶材 料产量年均复合增速为 38.5%、气凝胶制品产量年均复合增速为 38.8%。气凝胶具有非常好的隔热性
9、能、透光性、隔音性以及绝缘性,但目前工业界主要对其隔热 性能开展一系列应用。目前成熟的下游市场主要有石油化工行业、工业隔热行业、建筑建 材行业、航空航天、锂电池行业等,其中石油化工占比 56%、工业隔热占比 26%。2.2 碳中和背景下气凝胶需求将快速提升目前气凝胶行业已经初具规模,我们认为当前时点将是气凝胶行业起飞的拐点期,原因在 于:1)随着二氧化碳超临界技术的成熟以及行业的快速扩产,其成本相比 10 年前已经下 降约 80%,经济性逐步提升;2)减少高温油气管道热量流失契合碳减排大趋势,中石化 于 2021 年发布 10 万方气凝胶招标框架协议可以看作行业切换风向标;3)新能源车与储 能
10、锂电池系统对锂电池安全性有较高要求,因此需要使用阻热性能优异的气凝胶作为锂电 池的隔热材料,锂电装机的快速提升将快速拉动气凝胶需求。2.2.1 管道保温材料:到2025年,国内管道用气凝胶的需求空间将达154亿元我国于 2020 年提出“3060”双碳目标,减少高温管道的热量流失是契合碳减排大趋势 的重要一环。炼化企业的高温管道外侧通常包覆较厚的保温材料,对管道保温可以有效降 低企业能源消耗,减少碳排放。而使用硅酸钙、复合硅酸盐、岩棉、矿渣棉等常规保温材 料的管道在长周期的运行后,一方面热损失增加导致装置能耗上升,另一方面管道外表面 的高温增加了烫伤事故的可能性,此外,岩棉、硅酸铝等材料容易吸
11、水导致保温失效,聚 氨酯等有机绝热材料阻燃性差,影响项目正常运行。虽然气凝胶相对于其他保温材料而言 价格仍相对较贵,但是从长周期经济性考虑,气凝胶使用寿命更长、使用量更少、不易吸 水、阻燃性能好,更契合节能减排大趋势。以 350、4.5Mpa、流量 80t/h、外径为 325mm 的长输蒸汽管道项目为例,将传统保温 方案与气凝胶复合保温方案对比可以发现,方案 1 和方案 2 比方案 3 每公里每年分别节能 3127.6GJ、1937.0GJ,以热价 53.89 元/GJ 进行测算,折算后将节省 16.9 万、10.4 万元。同时,管线的每公里温降由原来的 6.9降至 4.8,可以大大降低热损。
12、由于气凝胶毡生产成本高,气凝胶复合保温方案的初始投资成本较高。以 1km 蒸汽管道 施工测算,方案 1、2、3 的总造价分别在 99.3、70.4、44.9 万元,方案 1、2 分别比方案 3 贵 54.4、25.5 万元,对应于上述的每年节省 16.9 万、10.4 万的能源成本,则方案 1、2 分别将于 3、2 年后收回增加的初始投资成本。气凝胶保温材料的替换周期长,经济性进一步提升。以长度为 100m(管道平均外径 D0= 0.60 m,冷油管道与热油管道的长度各为 50 m)的地上保温管道为例,气凝胶保温材料 与传统保温材料的投资施工成本来看,单次人工材料总费用分别是 3.44 万、1
13、.15 万,而 两种方案的使用年限分别为 10-15 年、3-4 年,即在 12 年内,气凝胶保温材料无需更换, 而传统保温材料需要更换三次。此外,在保温层均为 2cm,冷油温度 20,热油温度 50 的前提下,全年节约热量 23746kWh,按 0.16 元/kWh(煤炭价格为 900 元/吨时对应的热 价)的热价折算,全年节约总能量费用为 3692 元。继续以上述案例为例探讨能源价格对气凝胶方案经济性的影响:在上述案例中,气凝胶方 案将比传统方案节省热量 23.746MWh/年,我们分别将煤炭价格在 300-1500 元/吨、天然 气价格在 2-8 美元/mmbtu、原油价格在 50-11
14、0 美元/桶之间波动的情景下测算气凝胶方案 相对于传统方案的经济性,得出的结论是气凝胶方案大概率在 4-7 年的时间内比传统方案 更具经济性。考虑到双碳背景下能源价格持续上涨,我们认为气凝胶方案的经济性拐点已 经来临。到 2025 年,国内油气管道和集中供热管道对气凝胶的需求空间将达 154 亿元。当前国内 约有油气管道 14.5 万千米,集中供热管道 50.73 万千米,假设存量保温管道的保温材料 替换周期为 4 年、中高温管道占比 30%、长输蒸汽管道占比在 60%,同时根据 2020 年气 凝胶制品产值 15.9 亿及石化与工业领域 82%的市场占比锚定,预计 2021-2025 年油气
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