热能是工业生产的基础能源，广泛应用于工艺加热、干燥、蒸馏、发电等环节。其高效利用直接关系到企业节能降碳与成本控制。与居民供热季节性特征不同，工业热能需求呈连续性，且对蒸汽参数要求高、用量大，是全社会热能消费主体，也是保温需求最大的领域。
为减少热量散失，企业通常在管道、设备表面安装保温材料。但由于传统材料老化、性能局限、厚度不足等原因，工业领域仍存在10%~20%的热能散热损失，节能潜力巨大。选择高性能保温材料已成为降低工业热能损耗、提升能源利用率的核心手段。
气凝胶作为新材料领域前沿产品，以纳米级三维多孔结构（孔隙率达99%）和超低导热系数著称，与传统岩棉、硅酸铝、聚氨酯等材料相比，兼具优异保温、疏水、防火及耐高温性能，是工业保温升级的理想选择。
气凝胶较传统保温材料的优势
传统保温材料分为无机和有机两大类：无机材料（如岩棉、硅酸铝、泡沫玻璃）防火稳定性好，但保温性能有限；有机材料（如聚氨酯）保温效果较好，但耐高温性差、易燃。常见传统保温材料性能对比如下（表1）：
| 保温材料 | 导热系数/[W/(m ·K)] | 适用温度 | 主要优点 | 主要缺点 |
| 岩棉 | 0.035~0.050 | 500℃左右 | 价格较低，保温性能较好， 防火等级高。 | 易吸水，吸水后保温效果明显下降， 使用年限较短。 |
| 泡沫玻璃 | 0.047~0.052 | -200~400℃ | 导热系数较低，吸水率小， 防火性能好，耐腐蚀。 | 易碎性较高，难以适应复杂曲面或不规则 形状的保温需求，生产成本较高。 |
| 硅酸铝棉 | ≤0.044 | 1000℃以下 | 保温性能、耐高温性能、防火性能 优异，造价低。 | 吸水性较强，保温结构抗沉降能力较差。 |
| 聚氨酯硬质泡沫 | 0.030~0.040 | -100~100℃ | 价格低，保温性好，吸水率低， 质量轻，施工方便。 | 投击敏感防性差，凝校铠坛 |
气凝胶是目前已知密度最小的固体（体积密度约3kg/m³），纳米级孔隙结构使其导热系数随温度升高变化平缓，即使在650℃高温环境下仍能保持优异隔热效果，远优于传统材料。同时，气凝胶具有A1级不燃、憎水率≥98%的特性，能有效防止结露、腐蚀与冻融破坏。
虽然气凝胶初期投资略高，但使用寿命达15年以上，全生命周期成本更低，经济性显著优于传统方案（表2）。
| 优势 | 特点 |
| 导热系数低、等效用量少 | 气凝胶的导热系数在25 ℃时为0.012~0.024 W/(m ·K),在满足相同保温要求的条件下，所需厚度仅为 传统材料的1/4~1/3,可以有效减少管道散热面积35%以上，叠加保温层蓄热等因素，采用气凝胶 替代传统保温材料，能够明显减少散热损失。 |
| 憎水耐腐耐火、性能稳定 | 气凝胶可以通过表面官能团控制实现良好的憎水性，憎水率≥99%,可以有效阻止水汽渗入保温层内部 对管道、设备等造成锈蚀，具备耐腐蚀、耐火、耐老化、尺寸稳定等性能，使用寿命可达传统材料的3~ 4倍，有利于减少维护成本。 |
| 适用温度范围广、适配性强 | 气凝胶可以应用于-200~1300℃范围内的保温绝热场景，比传统保温材料具有更大的适用范围，可以 灵活满足工业、建筑、交通、冷库及其他领域的绝热保温需求，尤其是在300~600℃的温度 范围，节能降碳效益和经济效益较为明显。 |
| 寿命期内技术经济性更好 | 气凝胶绝热性能更稳定，保温能力更强，长期使用热损失量小，使用寿命>15 a,寿命期内技术经济性 明显优于传统保温材料。由于减少材料用量，安装空间占相也相应减变奔直埋管通场论坛 可以大幅减少施工成本。 |
常见保温材料导热系数随温度的变化情况如图1所示。
气凝胶保温材料的研究进展
气凝胶虽性能优异，但纯气凝胶力学强度较低、生产工艺复杂、成本较高。近年来，研究重点聚焦骨架物质丰富化、复合改性、原料优化及干燥工艺改进。
（1）丰富骨架物质
早期以SiO₂为主，现已拓展至Al₂O₃、SiC、ZrO₂、纤维素等。其中SiO₂气凝胶因制备成熟、商业化程度高，市场占比约70%。
（2）将气凝胶与其他物质进行复合
通过添加纳米管、莫来石纤维、细菌纤维素等增强相，可显著提升气凝胶韧性与机械强度。目前主流做法是将气凝胶与玻璃纤维、陶瓷纤维等复合制成气凝胶毡、板材、布、纸、涂料等制品。其中气凝胶毡结合了气凝胶的绝热性能与纤维的柔韧性，可随意弯曲、裁剪、缝制，是工业管道与异形设备最成熟的应用形式。
在实际工业化应用中，通常是将气凝胶本体与有机高分子材料或增强纤维材料进行复合制成各类制品，提高气凝胶的力学性能。目前，气凝胶制品已形成了气凝胶毡、气凝胶板材、气凝胶布、气凝胶纸、气凝胶涂料等形式。
其中，气凝胶毡由气凝胶与玻璃纤维、聚酯纤维、陶瓷纤维等基体材料复合而成，结合气凝胶的固有特性与玻璃纤维等材料的柔韧性，可根据应用场景需要灵活切割、便捷安装，具有广泛的应用范围，是目前市场上产量大、应用广、工艺技术成熟的气凝胶制品。
（3）原料优化
以常见的二氧化硅气凝胶为例，通常采用正硅酸乙酯等作为硅源，可以保证气凝胶的优异性能，但其价格高，并且存在潜在的毒性问题，材料脆性大。
采用硅酸钠溶液替代正硅酸乙酯，可将成本降低约30%，同时通过改性保持优异性能。
采用硅酸钠溶液作为硅源，由于来源广泛，价格低，化学稳定性良好，可以使气凝胶成本降低约 30%，但需要对硅酸钠溶液进行适当处理和改性，才能确保气凝胶的性能。
（4）干燥工艺改进
常压干燥工艺相对简单，设备要求和成本均较低，但在干燥时易发生脱水缩合，导致纳米结构坍塌，影响气凝胶性能。
超临界干燥是在高温高压条件下，将湿凝胶中的溶剂转化为无表面张力的超临界状态，可以在干燥过程中避免由于干燥应力导致的结构坍塌和收缩，使气凝胶保持良好的三维骨架结构，但生产工艺复杂，控制参数多，成本高。
此外，干燥方式还包括亚临界干燥法、冷冻干燥法、真空干燥法等，适用于特定场景或仍处于研发阶段，尚未大规模普及。
气凝胶保温节能效果
气凝胶已在石化、化工、钢铁、建材等行业实现规模化应用，替代传统材料后，管道设备散热损失可减少40%以上。
| 案例 | 具体应用情况及效果 |
| 某钢铁企业烧结机余热回收蒸汽管道保温改造项目 | 原烧结机余热回收蒸汽管道采用传统保温材料，每年散热损失1636吨标准煤。采用 气凝胶毡对蒸汽管道进行保温改造后，每年散热损失降至161吨标准煤，散热损失 减少90%,节能能力为1475吨标准煤/a。 |
| 某石化企业蒸汽管道气凝胶保温改造项目 | 原蒸汽管道采用硅酸铝针刺毡作为保温材料，每年散热损失594吨标准煤。采用 气凝胶毡对蒸汽管道进行保温改造后，每年散热损失降至102吨标准煤，散热 损失减少83%,节能能力为492吨标准煤/a。 |
| 某建材企业玻璃纤维智能生产线气凝胶保温项目 | 本项目为新建项目，针对玻璃纤维生产线的烟道、金属换热器、余热管道、烘干炉、 隔热板等区域，采用纳米孔气凝胶绝热毡作为保温层，与采用硅酸铝的类似生产线 相比，可以实现管道散 热损 失 减少4,节能能力395吨横准a论坛 |
| 注：资料来源为中节能咨询有限公司2022年对气凝胶应用项 | 目的节能量审核报告。 |
典型案例：
- 某石化企业蒸汽管道采用50mm气凝胶毡改造后，热能损失降低约85%，外表面温度仅52.3℃（低于人体安全接触温度60℃）。
- 某中压蒸汽管道由130mm硅酸铝改为70mm气凝胶毡后，表面温升仅5℃，散热损失减少65.2%。
气凝胶早期主要应用于航空航天、国防等领域，随着技术进步与工艺优化，逐步实现从高精尖领域向民用市场的转型，应用场景进一步拓展到工业绝热保温、新能源汽车安全防护等领域。
同时，气凝胶在建筑、冷库等领域的绝热保温、隔音降噪及农业、环保等领域的多孔吸附场景也已开展应用探索。其中，绝热保温是气凝胶当前主要的应用场景，也是与节能降碳直接相关的应用场景，我国目前2/3以上的气凝胶应用于工业管道及设备保温。
根据气凝胶在石化、化工、钢铁、建材等行业的已有应用案例，采用气凝胶对工业行业的管道和设备进行改造，替代硅酸铝等传统保温材料，可以实现管道和设备散热损失减少40%以上。
某石化企业催化裂化装置的蒸汽管道采用传统保温材料，管道受到腐蚀，面临高温带来的热损失和安全隐患问题。通过采用 50 mm 气凝胶毡作为保温层进行改造后，管道热能损失降低了约 85%。同时，管道外表面温度被控制在52.3 ℃，低于人体可接触的安全温度(60 ℃)，安全性明显提高。
某石化企业原中压蒸汽管道采用130 mm硅酸铝材料进行保温，管道表面温度比环境温度高16 ℃，采用70 mm气凝胶毡进行保温改造后，管道表
面温度仅比环境温度高5 ℃，散热损失减少65.2%。目前，我国2/3以上的气凝胶产品用于工业管道及设备保温，节能效果显著。
气凝胶的节能降碳潜力与未来研究方向
作为一种新型保温材料，气凝胶在工业管道和设备保温领域的应用比例目前尚不足 1%。随着“双碳”目标的推进及气凝胶生产成本不断下降，该比例将会不断提高。
我国工业管道和设备的平均散热损失约占工业热能消费量的10%~20%，按15%计算，工业管道和设备散热损失高达2.7亿吨标准煤。按照采用气凝胶制品为工业管道和设备进行保温平均减少散热损失 40% 计算，假设到 2050 年气凝胶制品推广比例达到 40%，工业管道和设备领域每年可形成4 300万吨标准煤的节能能力，可以减少二氧化碳排放量约 9 000 万 t，对推进我国碳中和目标实现具有重要意义。
针对工业节能场景，结合中高温保温需求多、特殊部位保温需求大、施工灵活性要求高、安全要求严格等特点，未来研究方向将主要聚焦3个方面：
未来研究方向聚焦三大重点：
- 高温热稳定性改性：虽然气凝胶的高温热稳定性优于传统保温材料，但随温度升高仍会有部分孔结构坍塌，从而导致高温保温性能下降。同时，工业保温场景中高温保温需求较多，部分炉窑温度在1000 ℃以上甚至更高，需要通过改性进一步提高气凝胶的高温热稳定性。通过掺杂锆、铝、钛等耐高温异质元素进行化学组分改性，制备耐高温的复合气凝胶，从分子层面抑制晶型转变和孔结构坍缩，提高气凝胶的服役温度和高温热稳定性，如 SiO2-Al2O3复合气凝胶、SiO2-ZrO2复合气凝胶；通过复合增强纤维或碳化硅、氮化硼等耐高温纳米颗粒，构建三维支撑网络，抵御高温应力和结构收缩；通过在气凝胶骨架表面涂覆耐高温涂层，对表面防护进行改性，强化高温热稳定性。
- 可拆卸保温套研发：随着节能降碳要求的不断提高，仪表、阀门、法兰、弯头、泵、压缩机、反应釜等工业设备和配件的保温需求逐渐加大，但这些设备多为异形件，并且检修率较高，需要频繁拆掉保温材料进行检修、校验或更换，导致传统保温形式下的保温材料浪费严重。若采用可拆卸保温套，可以重复利用保温材料，还能够提高保温材料拆装效率，有效缩短工期。因此，未来需要针对不同工业设备和配件，加强气凝胶可拆卸保温套结构的研发与优化。例如，不断提升气凝胶抗折、抗撕裂与抗疲劳性能，适配频繁拆装与复杂形状的需求；在气凝胶保温套中嵌入相变材料实现蓄热控温，或复合电磁屏蔽材料，以适配化工、核电等复杂工况；针对不同场景，对气凝胶可拆卸保温套进行定制化和模块化设计，并通过卡扣、魔术贴、拉带及标准接口、可拼接单元等实现不同场景保温套的方便拆卸。
- 在线监测集成：随着工业节能要求与安全要求的不断提高，工业领域保温系统的在线监测重要性愈发凸显。未来，需要加强工业保温系统的在线监测集成设计，构建嵌入式传感网络，将与气凝胶适配的微型传感器嵌入保温系统中，实时监测温度、湿度、热流密度与结构损伤等参数，以便及时发现主体设备存在的泄漏点及保温系统存在的问题。同时，依托无线传输与大数据分析技术，测算散热损失的变化情况，实现能耗分析、故障预警与寿命预测。生产成本较高、难以批量生产仍是限制气凝胶规模化应用的主要因素，未来还将围绕这两方面持续开展相关研究与实践，不断提高气凝胶保温的经济性及大规模推广的可能性。
同时，降低生产成本与实现连续化生产仍是关键。上海丰华技研材料有限公司作为国内气凝胶领域领先企业，已推出BeneAero雾界工业级纳米玻璃纤维气凝胶毡（SHFH-PY-A-10-WP/NWP），采用成熟超临界干燥工艺，兼具650℃耐温、A1防火与优异柔韧性，可广泛应用于工业管道、设备、新能源电池包等领域。
结语
气凝胶保温材料正加速从航空航天向工业民用领域渗透，成为工业节能降碳的重要利器。上海丰华将继续深耕气凝胶技术研发与应用创新，为更多企业提供高性能、低成本的保温解决方案，助力我国工业绿色低碳高质量发展。传统气凝胶制备工艺的溶胶-凝胶与老化环节为离散式操作，导致生产流程碎片化，生产效率较低。未来，将加大对连续生产工艺的研发力度，实现气凝胶制备过程的自动化和连续化有助于缩短生产周期，提高生产效率，减少原材料浪费和能耗，降低生产成本。
