在氣體分離行業(yè)中，人們對(duì)“膨脹珍珠巖”（國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱“珠光砂”）并不陌生。膨脹珍珠巖以其優(yōu)良的保冷性能一直以來被作為氣體分離設(shè)備中主要的保冷絕熱材料。由于受技術(shù)、資金、服務(wù)意識(shí)等多方面因素的影響，膨脹珍珠巖自60 年代中期在我國(guó)開發(fā)成功并應(yīng)用于深冷保冷領(lǐng)域以來，一直沿用工廠生產(chǎn)、人工充填方式。而目前國(guó)際上經(jīng)常采用的是現(xiàn)場(chǎng)膨脹、自動(dòng)充填方式，它是將特殊粒度級(jí)配的珍珠巖礦砂運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)后，利用可移動(dòng)式膨脹設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)制造膨脹珍珠巖，并采用空氣移送的方式實(shí)現(xiàn)一體化作業(yè)。因其特有的安全、無塵、含水率低等特點(diǎn)而深受用戶歡迎。

 

 

    1、 膨脹珍珠巖的絕熱機(jī)理

 

    珍珠巖區(qū)別于其它火山巖的最明顯的特征，是當(dāng)珍珠巖被迅速加熱到其軟化點(diǎn)（800~1000℃）時(shí)，玻璃質(zhì)熔化，內(nèi)部結(jié)合水汽化，體積膨脹為原來的10~60 倍。膨脹后的珍珠巖內(nèi)部為微孔結(jié)構(gòu)，這種特有的微孔結(jié)構(gòu)致使膨脹珍珠巖具有較低的密度和優(yōu)秀的保冷絕熱性能。

 

    眾所周知，熱量的傳遞是通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式進(jìn)行的。低溫設(shè)備要求將上述方式傳遞給低溫系統(tǒng)的熱量減少到盡可能低的程度，從而達(dá)到維持低溫系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)大型液化、分離和儲(chǔ)藏設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一般采用膨脹珍珠巖普通填充絕熱的方式。由于膨脹后的珍珠巖具有微孔、質(zhì)輕的特點(diǎn)，所以當(dāng)?shù)蜏卦O(shè)備絕熱層充入膨脹珍珠巖后，絕熱層內(nèi)的空氣發(fā)生自然對(duì)流所需要的特征尺度非常小。由于空氣的粘性對(duì)對(duì)流熱阻的作用致使微孔中空氣的的吸收和散射，使輻射對(duì)熱傳遞的貢獻(xiàn)大大減小。所以，填充膨脹珍珠巖后的絕熱系統(tǒng)中的熱傳遞形式僅可以看作是絕熱材料本身的固體熱傳導(dǎo)和材料間的氣體傳導(dǎo)，實(shí)際上這部分的熱流量約占總熱流量的90%以上。而在常壓、273~77K條件下，膨脹珍珠巖的平均熱傳導(dǎo)率僅為0.0185~0.029W/m•K，且熱穩(wěn)定性好，所以，膨脹珍珠巖作為一種非常好的絕熱材料被廣泛應(yīng)用于空氣分離裝置等低溫絕熱系統(tǒng)。

 

    2、 膨脹珍珠巖的性能指標(biāo)

 

    在氣體分離設(shè)備行業(yè)，由于制造廠家的制造技術(shù)和設(shè)計(jì)習(xí)慣的不同，各廠家對(duì)絕熱膨脹珍珠巖的性能要求有所不同，但基本內(nèi)容大致相同。天津三華實(shí)業(yè)有限公司目前沿用的是國(guó)際珍珠巖協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)如下：①松散密度35~55kg/m3；②振實(shí)密度48~65 kg/m3；③含水率≤0.5 %（重量比）；④有機(jī)物含量（重量比）；⑤導(dǎo)熱系數(shù)≤0.22 W/m•K（ 常壓273~77K；⑥粒度級(jí)配＞1.18mm≤10%，1.18~0.15mm  70%~90%，＜0.15mm≤30%。

 

    在上述性能指標(biāo)中，松散密度、含水率和粒度級(jí)配對(duì)膨脹珍珠巖絕熱性能（導(dǎo)熱系數(shù)）影響最大。

 

    2.1、松散密度

 

    松散密度的大小說明珍珠巖膨脹效果的好壞。松散密度過大，膨脹不完全，充填密度增加，導(dǎo)熱系數(shù)增大；松散密度過小，膨脹過度，材料在裝填過程中容易破碎，亦導(dǎo)致充填密度的增加，導(dǎo)熱系數(shù)亦隨之增大。實(shí)踐證明，保冷絕熱用膨脹珍珠巖的最佳松散密應(yīng)控制在35~55kg/m3 之間。材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度的變化關(guān)系如圖1 所示。

 

        

 圖1 材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度變化的關(guān)系（導(dǎo)熱率平均溫度75K）

 

    2.2、含水率由于膨脹珍珠巖的吸水性特強(qiáng)，在富水的環(huán)境中，在很短的時(shí)間內(nèi)重量可增加200%~400%。而水的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的25 倍（空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.26 W/m•K、水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.60 W/m•K，所以，含水率增加，將嚴(yán)重影響珍珠巖的絕熱性能。一般情況下，膨脹珍珠巖使用前的含水率應(yīng)嚴(yán)格控制在0.5%（重量比）以下。通常在大型空分裝置中，均設(shè)計(jì)有側(cè)管將氮?dú)鈴膿Q熱器旁引入絕熱層中，使其內(nèi)部保持正壓，防止空氣中的水分被吸入絕熱材料中，導(dǎo)致材料絕熱性能的變壞。

 

    2.3、 粒度級(jí)配

 

    絕熱材料應(yīng)具有合理的粒度級(jí)配，目的是使絕熱材料處于最佳堆積狀態(tài)。粒度過小，材料充填密度增加，致使材料的固體熱傳導(dǎo)增加；粒度過大，充填密度不足，粒子間空氣含量過高，導(dǎo)致絕熱層間的氣體熱傳導(dǎo)增加，絕熱性能降低。所以，絕熱材料的粒度分布對(duì)實(shí)現(xiàn)最佳絕熱效果起著不可忽視的作用。試驗(yàn)表明，膨脹珍珠巖的最佳粒度分布1.18~0.15mm之間。

 

    3、現(xiàn)場(chǎng)膨脹、自動(dòng)充填的特點(diǎn)

 

    自動(dòng)充填方式是指利用可移動(dòng)式膨脹設(shè)備將按一定粒度級(jí)配加工的珍珠巖礦砂在低溫設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行膨脹，然后利用空氣移送方式將絕熱材料充填至絕熱層中。它具備以下特點(diǎn)：①可實(shí)現(xiàn)全過程自動(dòng)化控制，能夠確保材料品質(zhì)（密度和粒度控制）；②膨脹后直接充填，避免與空氣接觸，含水率極低；③可實(shí)現(xiàn)封閉作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)粉塵少，無環(huán)境污染；④避免高空作業(yè)，安全性好；⑤物流費(fèi)用減少，綜合經(jīng)濟(jì)性好；⑥受環(huán)境因素影響小，計(jì)劃性好，工期保障能力強(qiáng)；⑦現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，品質(zhì)穩(wěn)定性好。

 

    綜上所述，無論在絕熱材料的品質(zhì)保障方面，還是在安全、環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)性方面，現(xiàn)場(chǎng)充填方式均優(yōu)于人工充填方式。所以，現(xiàn)場(chǎng)膨脹、自動(dòng)充填方式作為一種先進(jìn)的服務(wù)方式在大中型空氣分離裝置的安裝過程中被廣泛采用，并繼之?dāng)U大到大型液化貯槽、LNG罐、LNG 運(yùn)輸船等低溫系統(tǒng)。

 

    隨著國(guó)內(nèi)外氣體工業(yè)的不斷發(fā)展，低溫設(shè)備的制造和使用廠家在絕熱材料的經(jīng)濟(jì)性、安全性以及環(huán)境保護(hù)方面將越來越重視。繼現(xiàn)場(chǎng)膨脹、自動(dòng)充填方式成功應(yīng)用之后，冷箱或貯罐維修時(shí)的自動(dòng)扒砂方式、貯罐充填時(shí)的電磁振動(dòng)方式等代表國(guó)際先進(jìn)水平的技術(shù)裝備和服務(wù)方式，也將逐步被國(guó)內(nèi)廣大用戶所接受。