《Journal of Non-Crystalline Solids》：Simple synthesis of low-cost CaO-SiO
2 aerogels: improved energy efficiency of oil steam pipelines through excellent thermal insulation and temperature resistance
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石油蒸汽管道保温材料开发及性能研究。采用溶胶-凝胶法合成玻璃纤维增强的CaO-SiO?复合气凝胶（G-CSA），通过成本更低的CaO替代部分有机硅前驱体，实现热导率0.02785 W/(m·K)（比纯SiO?气凝胶低27.7%），400℃高温下冷面温度103.5℃，保温效率74.13%，成本降低35.67%。相较于岩棉和复合硅酸盐，燃料节省率达39.92%-48.12%，年节油量达1391.55-1929.25吨。
郑强|苏雷|范准|徐超|王勤欣|李文军|崔胜
南京工业大学材料科学与工程学院材料导向化学工程国家重点实验室，中国南京211816
摘要
石油蒸汽管道的保温在提高重质原油开采效率方面起着关键作用，但传统的保温材料在高温环境下容易失效，从而影响开采效率和经济性。尽管纯二氧化硅气凝胶具有优异的隔热性能，但其高昂的成本限制了其大规模应用。本研究通过引入低成本的氧化钙（CaO），开发了一种新型的玻璃纤维增强CaO-SiO?复合气凝胶（G-CSA），作为纯二氧化硅气凝胶的廉价替代品。
G-CSA（Ca/Si = 1:1）在室温下的导热率为0.02785 W/(m·K)，比玻璃纤维垫的导热率低27.70%。其在高温下的导热率仍显著低于传统保温材料，并且与纯二氧化硅气凝胶相当。在400°C的热源下，管道表面温度为103.5°C，温差ΔT为296.5°C，表明G-CSA的保温性能为74.13%。与目前市售的SiO?气凝胶相比，CaO-SiO?复合气凝胶的成本降低了35.67%。通过节能模拟计算，G-CSA相比岩棉和复合硅酸盐材料的节能率分别为39.92%和48.12%，单根蒸汽管道每年可节省1391.55吨和1929.25吨的蒸汽用油。结合其优异的耐温隔热性能和经济性，CaO-SiO?复合气凝胶在工业节能应用中展现出巨大潜力。
引言
在现代石油工业中，开采重质原油是一个复杂且能耗较高的过程。由于重质原油的粘度和密度较高，在常规温度条件下难以提取[1,2]。为了解决这一问题，高温蒸汽辅助热采技术应运而生[3, [4], [5]，因为蒸汽注入可以降低原油粘度并提高其流动性，从而提高采收率[6,7]。然而，蒸汽管道的有效保温至关重要，因为热量损失直接影响开采效率和整个过程的经济性[6]。传统的管道保温材料（如岩棉[8]、岩棉[9]和复合硅酸盐[10]）可以提供一定程度的隔热效果，但它们在高温下的稳定性有限，容易发生降解、收缩和开裂，从而显著降低保温性能[11]。此外，这些材料相对较高的导热率无法满足重质原油开采中的高效热管理要求。因此，开发能够在高温条件下保持优异隔热性能的材料已成为石油工业研究的重点。
气凝胶是一种众所周知的纳米多孔材料，具有三维网络结构[12, [13], [14]]。其较大的表面积、高孔隙率和低导热率使其非常适合用于隔热[15, [16], [17], [18]]、催化[19, [20], [21], [22]]、生物医学[23, [24], [25]]和吸附[26, [27], [28]]等领域。二氧化硅气凝胶具有极高的比表面积和孔隙率，是密度最低的固体材料之一[29,30]。其独特的纳米多孔结构大大减少了固体和气体之间的热传递，使其成为最著名的隔热材料之一[31,32]。二氧化硅气凝胶已在实验室环境中从超低温到高温的各种应用中得到成功应用，显示出优异的隔热性能[33]。然而，由于其高昂的成本（主要源于昂贵的原材料和复杂的制备工艺），其商业化受到限制，阻碍了大规模应用[34]。尽管从理论上讲纯二氧化硅气凝胶是理想的隔热材料，但其高昂的成本大大限制了其在重质原油热采中的广泛应用。因此，开发性能与现有材料相当且成本较低的保温材料是推进当前石油开采技术的关键。这类材料不仅可以提高重质原油热采的效率，还可以降低能耗和环境影响，促进石油和天然气行业的可持续发展。
氧化钙（CaO）是一种低成本的耐火碱性氧化物；在溶胶-凝胶体系中，来自廉价盐类的Ca2?形成Ca-O-Si键合，在干燥和热处理后转化为钙硅酸盐结构，增强了网络的稳定性，提高了高温下的尺寸稳定性，并通过增强中红外辐射吸收减少了热传递的辐射部分。近期研究报道了具有隔热性能的钙硅酸盐/SiO?气凝胶涂层，但未涉及玻璃纤维增强或蒸汽管道的能量/成本评估[35]，以及来自水玻璃/CaCl?的掺钙二氧化硅气凝胶粉末，虽然提高了高温稳定性，但缺乏应用层面的量化数据[36]。在本研究中，我们采用原位溶胶-凝胶工艺结合乙醇超临界干燥法制备了玻璃纤维增强的CaO-SiO?复合气凝胶（G-CSA），部分用低成本的CaCl?·2H?O替代了有机硅前驱体。我们系统研究了Ca/Si摩尔比和煅烧温度对结构和性能的影响，并通过导热率测试、冷表面测试、辐射热传递分析和成本对比来评估其蒸汽管道保温效果。
材料
四乙基正硅酸盐（TEOS）和1,2-环氧丙烷（PO）由上海医药化工试剂有限公司提供。氯化钙二水合物（CaCl?·2H?O）、盐酸（HCl）和无水乙醇（EtOH）由上海凌峰化工试剂有限公司提供。去离子水（H?O）由南京万青化工玻璃仪器有限公司提供。厚度为10.0 ± 0.1 mm、表观密度为130 kg/m3的玻璃纤维棉（GFW）来自中国建筑材料有限公司。
CaO-SiO?复合气凝胶的结构演变
CaO-SiO?复合气凝胶的结构和形成机制如图2所示。该材料具有三维纳米多孔网络结构，通过原位溶胶-凝胶工艺结合超临界干燥成功制备。在典型的溶胶-凝胶过程中，钙离子和二氧化硅源首先与水发生水解反应生成含有羟基的单体[(1), (2), (3)]。引入丙烯后，这些羟基发生脱水缩合反应。结论
我们开发了玻璃纤维增强的CaO-SiO?复合气凝胶（G-CSA），作为适用于高温蒸汽环境的低成本保温材料。代表性组成G-CSA（Ca/Si = 1:1）在室温下的导热率为0.02785 W/(m·K)，在400°C的热面下，温差ΔT为296.5°C，保温效率为74.13%。其性能优于岩棉和玻璃纤维毡，且材料成本降低了35.67%。
作者贡献声明
郑强：撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。苏雷：撰写初稿、方法学设计、数据分析。范准：数据验证、实验研究、数据分析。徐超：数据验证、实验研究、数据分析。王勤欣：实验研究、数据分析。李文军：实验研究、数据分析。崔胜：撰写审稿稿件、监督工作、资金申请。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFB3812300）、国家建筑材料产业重大科技项目（202201JBGS18–01）、宿迁市科技计划（C202401）、中国建筑第三工程局集团有限公司科技计划以及美的集团江苏先进无机功能复合材料协同创新中心的财政支持。
