تقنيتان رئيسيتان لتحضير ألياف البازلت المستمرة

1. طريقة اللهب

تعتمد طريقة اللهب على عملية إنتاج يتم فيها توصيل الحرارة مباشرة إلى سطح المادة. البازلت يُصهر البازلت داخل فرن مبني من الطوب الحراري. وتُولد هذه الحرارة عادةً بواسطة اللهب (مثل احتراق الغاز الطبيعي والأكسجين أو الهواء الساخن، أو لهب البلازما) من أعلى الفرن. ويمكن تعزيز هذه الطريقة الأساسية للتسخين بتسخين إضافي باستخدام قطب كهربائي سفلي. وتشمل العملية برمتها الصهر والتصفية والتشكيل.

تعتمد أفران اللهب الصغيرة المستقلة، الشائعة حاليًا في الصناعة، على التسخين بالغاز الطبيعي من الأعلى فقط، وتفتقر إلى أقطاب كهربائية سفلية مساعدة. ومع ذلك، ونظرًا لاستهلاكها العالي للطاقة، وارتفاع تكاليف إنتاجها، وانخفاض جدواها الاقتصادية، فإن معظم الشركات التي تستخدم هذه التقنية تعاني من خسائر فادحة وتوشك على الإفلاس.

يتمثل اتجاه تطوير طريقة اللهب في فرن خزان مُسخّن باللهبتعتمد هذه التقنية على نهج "الدمج بين الغاز والكهرباء" مع احتراق الغاز الطبيعي والأكسجين في الجزء العلوي وتسخين إضافي بواسطة قطب كهربائي سفلي. وتُعد طريقة "الدمج بين الغاز والكهرباء" هذه التقنية السائدة في مجال التصنيع. الألياف الزجاجيةوتعمل أفران الألياف الزجاجية هذه بكفاءة عالية ونجاح كبير، لا سيما الأفران الموحدة التي أصبحت معيارًا لتصميمات أفران سحب الألياف الزجاجية في الخزانات. وقد بُذلت جهود لنقل هذه التقنية إلى تصنيع ألياف البازلت بشكل مستمر، ولكن على الرغم من التجارب المحدودة، لم يتحقق النجاح بعد. في العامين الماضيين، اتبع البعض نهجًا مختلفًا، حيث تحولوا من استخدام الصخور البركانية الطبيعية النقية كمواد خام إلى استخدام مواد خام مُصنّعة (أي دمج نسبة كبيرة من الصخور غير البركانية). وقد أدى ذلك إلى التشغيل الناجح لخطوط إنتاج أفران الخزانات المُسخّنة باللهب، بسعة 10000 طن/سنة و3500 طن/سنة.

2. طريقة الصهر الكهربائي بالكامل

تعتمد طريقة الصهر الكهربائي بالكامل على عملية إنتاج يتم فيها توصيل الطاقة الكهربائية مباشرةً إلى مصهور البازلت عالي الحرارة داخل فرن بازلتي مبني من الطوب الحراري. ويتم ذلك باستخدام أقطاب كهربائية (مثل الجرافيت، والموليبدينوم، وثاني أكسيد القصدير، وغيرها) أو (و) طرق فيزيائية أخرى (مثل طرق البلازما). وتشمل هذه التقنية عمليات الصهر والتصفية والتشكيل.

بدأ استخدام طريقة الصهر الكهربائي المستمر لألياف البازلت في الصين مع البرنامج الوطني 863 في عام 2002، والذي أنجز جهاز سحب أفران صغير الحجم ومستقل باستخدام هذه الطريقة. وقد حققت هذه الطريقة طفرات كبيرة في مجال الصهر المستمر. ألياف البازلت تم تحقيق تقنية السحب بالصهر الكهربائي بالكامل في عام 2016، مع اكتمال فرن صهر كهربائي تجريبي بسعة ألف طن/سنة. يستخدم هذا النظام أقطابًا كهربائية متدرجة متعددة الصفوف، مما يسمح بعمق مستوى سائل الصهر حتى 1300 مم. يتراوح قطر خيوط المنتج الأحادية بين 9 و22 ميكرومترًا، ويبلغ استهلاك الطاقة الإجمالي للوحدة 3.0-3.5 كيلوواط ساعة/كجم، مما يدل على كفاءة عالية في توفير الطاقة. في عام 2018، تم تشغيل خط إنتاج فرن صهر كهربائي بالكامل بسعة 1200 طن/سنة (من واحد إلى ثمانية، باستخدام مغازل ذات 400 فتحة) رسميًا. وقد عمل بثبات لأكثر من ثلاث سنوات، مما يؤكد أن عمر الفرن يمكن أن يتجاوز ثلاث سنوات.

حتى الآن، بالنسبة للمواد الخام من الصخور البركانية الطبيعية النقية، فإن تقنية تصنيع ألياف البازلت المستمرة لا تزال عند مستوى تقنية فرن الخزان الذي تبلغ طاقته ألف طن/سنة، وتعتمد حصريًا على طريقة الصهر الكهربائي بالكامل.

3. مقارنة بين المسارين التكنولوجيين

خصائص درجات الحرارة العالية ذوبان البازلتإن ضعف التوصيل الحراري، واللزوجة العالية، وقصر خصائص المادة، هي بالضبط ما يجعل تصنيع ألياف البازلت المستمرة أمرًا صعبًا.

• طريقة اللهب

شهدت طريقة اللهب، وهي تقنية ناضجة نسبياً تم استقدامها من الاتحاد السوفيتي السابق (روسيا وأوكرانيا حالياً) وتكييفها مع الظروف الخاصة بالصين، استخداماً واسع النطاق. ومع ذلك، فإن أكبر عيوبها في التصنيع هي ارتفاع تكاليف الإنتاج وانخفاض فعاليتها من حيث التكلفة، ويعود ذلك في الغالب إلى عيوب هيكلية فيزيائية متأصلة في الطريقة نفسها.

استخدام منخفض للحرارة

في هذه الطريقة، يُحرق الغاز الطبيعي من أعلى الفرن، حيث يُسخّن اللهب سطح البازلت المنصهر مباشرةً. ينعكس أكثر من 60% من الحرارة عن سطح المنصهر وتُطرد مع غازات العادم. ونظرًا لأن الموصلية الحرارية للبازلت المنصهر عند درجات الحرارة العالية أقل بعشر مرات من الموصلية الحرارية للزجاج المنصهر عند درجات الحرارة العالية، فإن انتقال الحرارة يكون بطيئًا للغاية. لا تستطيع الأفران الصغيرة أحادية الوحدة الحفاظ على عمق انصهار يزيد عن 15 سم. في حين أن أفران خزانات البازلت المُسخّنة باللهب، والتي تبلغ طاقتها الإنتاجية 10000 طن/سنة، تستطيع الوصول إلى عمق انصهار يصل إلى 50 سم مع تسخين إضافي بواسطة قطب كهربائي سفلي، إلا أن المنصهر يُشكّل بنيةً تشبه الطبق داخل الفرن، مما يؤدي إلى مساحة سطحية كبيرة وتبديد كبير للحرارة. يتجاوز فقد الحرارة عبر مواد العزل 10%. وبالتالي، فإن معدل الاستفادة الفعلي من الحرارة أقل من 30%.

جودة انصهار منخفضة

بسبب مستوى الانصهار الضحل في طريقة اللهب، لا يمكن لأقسام التصفية والتجانس تحقيق تجانس كامل، مما يؤدي إلى انخفاض جودة الانصهار.

انبعاثات غازات العادم

ينتج عن احتراق الغاز الطبيعي غازات عادمة مثل أكاسيد الكبريت والنيتروجين.

انبعاثات غازات الاحتباس الحراري

يؤدي احتراق الغاز الطبيعي، باعتباره وقودًا أحفوريًا، إلى إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، وهو أحد غازات الاحتباس الحراري.

استثمار كبير في المعدات

يتطلب الحد من انبعاثات غازات العادم الناتجة عن احتراق الغاز الطبيعي اتخاذ تدابير لمكافحة التلوث. كما يستلزم انخفاض كفاءة استخدام الحرارة اتخاذ تدابير لاستعادة الحرارة المهدرة. علاوة على ذلك، يتطلب احتراق الأكسجين النقي معدات لتوليد الأكسجين. تزيد هذه العوامل الثلاثة بشكل ملحوظ من تكلفة الاستثمار في المعدات. وتبلغ تكلفة الاستثمار للوحدة الواحدة في طريقة اللهب ما يقارب 11,000 إلى 20,000 يوان صيني للطن.

• طريقة الصهر الكهربائي بالكامل

بالمقارنة مع طريقة اللهب، توفر طريقة الصهر الكهربائي بالكامل مزايا ملحوظة.

جودة ذوبان عالية

تعتمد تقنية الصهر الكهربائي بالكامل على مبدأ أن المادة المنصهرة موصلة للكهرباء في حالتها المنصهرة ذات درجة الحرارة العالية، مما يسمح بتزويدها بالطاقة الكهربائية مباشرةً لتسخينها داخليًا. ويُسهّل الترتيب الرأسي للأقطاب الكهربائية عملية الصهر الرأسي. وتستطيع أفران الصهر الكهربائية بالكامل، التي تبلغ طاقتها الإنتاجية ألف طن سنويًا، الوصول إلى عمق صهر يزيد عن 1.2 متر، مما يوفر قسمًا أطول للتنقية والتجانس. وتكون المنطقة متساوية الحرارة ذات درجة الحرارة العالية داخل الخزان أعمق، مما يؤدي إلى تحسين جودة الصهر والتجانس للبازلت.

كفاءة الطاقة

يساهم التسخين الداخلي المباشر للمصهور، والصهر الرأسي، والخزانات العميقة، وتغطية سطح المصهور بمادة باردة، في تحقيق معدلات صهر عالية وكفاءة حرارية فائقة. أولًا، تضمن الأقطاب الكهربائية المُدخلة مباشرةً في المصهور الاستفادة الكاملة من حرارة جول. ثانيًا، يؤدي عمق المصهور، الذي يقترب من القطر الداخلي للفرن، إلى تقليل مساحة السطح النوعية للمصهور إلى الحد الأدنى تقريبًا. هذا الهيكل الهندسي يقلل بشكل كبير من تبديد الحرارة مقارنةً بالهيكل المقعر المستخدم في طريقة اللهب. ثالثًا، تُشكل تغطية سطح المصهور بمادة باردة "قمة فرن باردة"، مما يقلل من فقدان الحرارة بشكل أكبر.

بصمة كربونية منخفضة

تُزيل تقنية الصهر الكهربائية بالكامل انبعاثات الكربون المرتبطة باحتراق الغاز الطبيعي بالطريقة التقليدية. وتتحدد انبعاثات الكربون فيها كلياً بمزيج الطاقة في شبكة الكهرباء. وفي حال استخدام الطاقة الكهرومائية أو مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، يُمكن تحقيق انبعاثات كربونية صفرية.

انخفاض الاستثمار

بما أن طريقة الصهر الكهربائية بالكامل لا تتضمن احتراق الغاز الطبيعي بالأكسجين النقي، فلا حاجة للاستثمار في معدات معالجة غازات العادم أو معدات توليد الأكسجين. إضافةً إلى ذلك، فإن تغطية سطح المصهور بالمادة الباردة تعني عدم الحاجة إلى الاستثمار في معدات استعادة الحرارة المهدرة. وبالتالي، فإن تكلفة الوحدة الاستثمارية لطريقة الصهر الكهربائية بالكامل أقل.

ميزة التكلفة

يؤدي توفير الطاقة بشكل كبير وانخفاض استهلاك الأصول الثابتة إلى ميزة واضحة من حيث التكلفة.