【天然气之夜】LNG 低温绝热技术以及真空的应用（低温技术大揭秘）
者按：2017年9月14日晚，“天然气行业微信群”和重庆市石油与天然气学会共同开展第69期“天然气之夜”空中论坛。主题是：LNG 低温绝热技术以及真空的应用，本次邀请行业嘉宾刘柏均做专题分享，并与群友进行了互动，本期论坛主持人：李慎玉，记录整理：吴秦。（群友讨论看法，不代表本公号观点）
【嘉宾介绍】
刘柏均，男，山东临沂人，北京和华腾真空泵压缩机有限公司创始人，先后为各大低温装备生产厂家提供真空系统设备以及抽真空工艺，拥有六项核心专利技术。2016年投资成立了中能慧达（北京）新能源有限责任公司，重点发展低温装备贸易以及物联网技术。
【嘉宾分享】
前言：感谢人类的伟大智慧，他实现了天然气600多倍的气液相体积比，创造了零下162℃，创造出了Liquefied NaturalGas（液化天然气）。让天然气的应用更有商业价值。
LNG的应用也改变了这个世界，它带来了温暖的严冬，静谧的炉火和惬意的热水。
LNG的应用让天空更蓝，天然气是唯一清洁的基础能源，经过净化的LNG则更是环保之星。
LNG的是人类历史上最安全的能源，在人类能源应用的历史上，LNG的事故率“比它的温度还要低”。
LNG的应用对中国有特殊的意义。LNG的低价、清洁、灵活性以及诸多优越性是中国经济发展所需要的，LNG的国际化是中国能源战略安全所需要的，而LNG本身，正在为中国能源结构优化、合理新布局发挥着巨大的作用。
一、绝热的目的和方法
低温绝热的目的主要是为了减少由环境与LNG的热传导，即减少冷损。对于低温液体储运设备来说，可以减小气化损失，或为长时间储存及远距离运送创造条件。特别是对于LNG液化装置及LNG储存容器，如果没有良好的绝热，液化和储存都难以实现。因此，低温绝热不仅具有经济意义，而且具有技术意义。除此之外，对设备、管道进行绝热还可以避免在外表面上结露、结霜，也可以避免人的皮肤与之接触时有冷的感觉甚至冻伤。这对改善工作条件及防止意外事故的发生都是有必要的。
零下162摄氏度的液体如何保存？——LNG低温绝热技术
二、绝热方法的分类
低温绝热分为普通绝热和真空绝热。
1、普通（堆积）绝热
普通绝热是一种使用较早的传统的绝热方法，它是在设备、容器，管道的外侧敷设固体的多孔性绝热材料，而在绝热材料的空隙中充满着大气压力下的空气（或其它气体）。这种绝热方法的绝热性能较差，但其结构简单、造价低廉，故在绝热要求不高的情况下普遍使用。现在LNG加液站的管道多采用这种绝热方法。
（大型接收站低温输送管）
2、真空绝热
真空绝热是将绝热结构做成密闭的夹层，内部空间抽至一定的真空度，以减少热量的传入。真空绝热有三种基本类型：高真空绝热、真空多孔绝热及真空多层绝热。
2.1、高真空绝热
亦称单纯真空绝热，它只是单纯地将夹层空间抽至1.38*10-3Pa(1.0*10-5mmHg)1的真空。常见的真空保温杯即采用这种绝热方式。在真空夹层中，只有两个壁面之间的辐射传热及夹层内残余气体的导热。如果将夹层内表面抛光，或者涂上一层反射性物质，就形成反射性能良好的真空夹层，辐射传热量即可减小。这种绝热结构因有辐射热交换，故绝热性能不是很好；但它的结构最简单，重量轻，热容量小，故自上世纪初以来它一直应用很普遍。
2.2、真空多孔绝热
它是在夹层中充填多孔性绝热材料，然后再抽至一定的真空。从工艺的方便性考虑，一般都是充填粉末材料或纤维材料，故这种绝热方式也称为真空粉末绝热或真空纤维绝热。真空夹层中的绝热材料削弱了壁面之间的辐射换热，所以它的绝热性能比高真空绝热要好，对真空的要求可以降低，一般达1.33Pa（10-2mmHg）左右即可。如果向粉末或纤维材料中加入一定比例的反射性强的金属粉末，例如铝粉或铜粉，以减小材料内粉粒或纤维之间的辐射换热称为阻光作用，则可使绝热性能大为提高。真空粉末及真空纤维绝热现在广泛用于LNG液体的贮存及运输设备。
2.3、真空多层绝热
它是在真空夹层中装入许多辐射屏，用来减少壁面之间的辐射换热。多层绝热有两种基本形式，一种是用金属箔作辐射屏，屏间填入导热性能低的间隔材料；一种是用单面喷铝的涤纶薄膜作辐射屏，且压制成波纹形成凹凸形，以减少屏间的接触传热。真空多层绝热要求真空达1.3*10-2Pa左右（10－4mmHg）左右即可。真空多层绝热是当前绝热性能最好的绝热方式之一，常称为“超级绝热”，多用于LNG/液氢及液氦储运容器，现也用于小型液氧、液氮容器。真空多层绝热的缺点是施工比较麻烦，造价比较高，且绝热性能随施工质量而变。
美国盖茨基金支持的生命之桶也是这种绝热方式，只是真空度更高、隔断辐射效果更好，成品为绿色桶，可以在酷热的沙漠中以干冰保持0℃一个月之久！
三、绝热性能的评定分级
绝热结构的绝热性能可用其有效导热系数（或称表观导热系数，包括对流及辐射换热在内）来评定，它的数值越小，则绝热性能越好。在图4-2中示出各种绝热方式有效导热系数的变化范围。由图可以看出，多层绝热比其它绝热方式具有高得多的绝热性能，而非真空绝热方式的绝热性能最差。
四、绝热材料及LNG常用低温绝热技术
在各种绝热方式中，除高真空绝热外都要应用绝热材料。绝热材料是用来增强绝热结构的绝热性能，以减小通过绝热结构的传热量。对绝热材料性质的了解是设计绝热结构的基础。
1、绝热材料的种类及一般特性
绝热材料的品种较多，它们的性质相互差别也较大。绝热材料按材质可分为矿物质材料及有机质材料两类。在低温装置中多应用矿物质材料。绝热材料按其组织结构可分为泡沫状材料、粉末状材料及纤维状材料三类，它们的组织结构不同，在其中所进行的传热过程的机理不同，用它们构成的绝热结构的型式也不完全一样。
1.1 泡沫塑料
以聚合物或合成树脂为原料，加发泡剂和稳定剂经加热发泡而成。泡沫塑料用作绝热材料的优点是密度和导热系数都较小，能适用于低温，吸水性小，能抗酸碱的侵蚀，燃烧性差（离开火源后能自熄），易于切割和施工，因而它们的应用日益广泛。
（泡沫塑料）
1.2 矿棉
矿棉或称矿渣棉，是将熔铁炉渣（也可用泥灰岩）在熔融状态时用高压水蒸汽吹成的矿质纤维（纤维中往往含有玻璃状小球），它耐火耐冻、无味不霉、密度及导热系数都较小，价格低廉，故是一种较好的绝热材料。矿棉常用于空分装置及运输式设备。
矿棉
1.3 珠光砂
珠光砂也称膨胀珍珠岩。珍珠岩是一种火山喷出的酸性玻璃质熔岩，其主要成分为SiO2和AlO2。当岩浆流出地表时，由于急剧冷却，水分来不及完全逸出，因而岩石中便含有一定量的结晶水。将岩石粉碎成细粒后，迅速加热至700~1000°C，结晶水急速汽化，岩石体积可增大4~20倍，便得到色白质轻的珠光砂，其尺寸大部分在0.3~0.6mm之间。珠光砂的密度和导热系数都很小，故是一种良好的绝热材料。珠光砂不燃烧、不霉烂、无毒无味、不会腐蚀；它的流动性好，可用风压输送；此外，还具有隔音和防辐射线的性能，加之来源较广，故应用较多。珠光砂主要用于空分装置及气体液化装置中，其缺点是吸水率较高，且有下沉现象。珠光砂还具有吸附气体的能力，当它吸附有可燃气体时，在检修施工前应予置换，以确保施工安全。
珠光砂
1.4 碳酸镁
粉末状碳酸镁的绝热性能良好，价格较低，故以往多用于低温装置及设备的真空绝热。但碳酸镁在易结块（且结块后较难再生），又其中常含有一定量的水分，使抽真空较困难，因而逐渐被其他材料代替。
碳酸镁
1.5 气凝胶及硅胶粉
气凝胶也称硅酸气凝胶，它是用从硅酸凝胶中除去液体而不明显压缩其骨架的方法得到的材料，是目前已知的最有效的绝热材料。气凝胶的导热系数小，流动性好，稍具有弹性，第一次装填之后不会因震动而下沉，且在真空绝热中易于抽空。但气凝胶很贵，且浸入水中后即形成硅酸凝胶，密度增大将近十倍，不能用再作绝热材料。硅胶粉是由二氧化硅构成的粉末，其密度及导热系数均较气凝胶大。
气凝胶
2、目前常用的LNG低温绝热技术
2.1 真空多孔绝热，多采用珠光砂作为填充介质。
代表产品为LNG固定式储罐，如下图：
2.2 真空多层绝热：
多采用铝箔复合材料缠绕内胆，夹层抽成高真空以获得最优绝热效果。代表产品为：杜瓦瓶，车载瓶，快易冷，低温槽车，罐箱等。
