تقنيتان رئيسيتان لإعداد ألياف البازلت المستمرة

1. طريقة اللهب

تتضمن طريقة اللهب عملية إنتاج حيث يتم توصيل الحرارة مباشرة إلى سطح البازلت يُصهر داخل فرن بازلتي مُصمم من الطوب الحراري. تُولّد هذه الحرارة عادةً بواسطة لهب (مثل احتراق الغاز الطبيعي مع الأكسجين، أو الهواء الساخن، أو لهب البلازما) من أعلى الفرن. يمكن استكمال طريقة التسخين الأساسية هذه بتسخين القطب السفلي. تشمل العملية بأكملها الصهر، والتصفية، والتشكيل.

أفران اللهب الصغيرة المستقلة، والتي تُعتبر حاليًا شائعة الاستخدام في هذه الصناعة، لا تستخدم سوى التدفئة باحتراق الغاز الطبيعي العلوي، وتفتقر إلى أقطاب سفلية مساعدة. ومع ذلك، نظرًا لاستهلاكها العالي للطاقة، وارتفاع تكاليف إنتاجها، وانخفاض فعالية منتجاتها من حيث التكلفة، تُعاني معظم الشركات التي تستخدم هذه التقنية من خسائر فادحة، وهي على وشك الإفلاس.

اتجاه تطوير طريقة اللهب هو فرن خزان مسخن باللهب، الذي يعتمد على نهج "الدمج الغازي الكهربائي" مع احتراق الغاز الطبيعي والأكسجين في الأعلى وتسخين القطب السفلي المساعد. تُعد طريقة "الدمج الغازي الكهربائي" هذه التقنية السائدة في مجال التصنيع. الألياف الزجاجيةتعمل أفران الألياف الزجاجية هذه بكفاءة ونجاح كبيرين، وخاصةً أفران الوحدات، التي أصبحت تقريبًا المعيار المُعتمد في تصميمات أفران سحب خزانات الألياف الزجاجية. بُذلت جهود لنقل هذه التقنية إلى التصنيع المستمر لألياف البازلت، ولكن على الرغم من محدودية التجارب، لم يُحقق النجاح بعد. في العامين الماضيين، اتبع البعض نهجًا مختلفًا، حيث انتقلوا من استخدام المواد الخام من الصخور البركانية الطبيعية النقية إلى المواد الخام المُصنّعة (أي التي تحتوي على نسبة كبيرة من الصخور غير البركانية). وقد أدى ذلك إلى نجاح تشغيل خطوط إنتاج أفران الخزانات المُسخّنة باللهب بطاقة إنتاجية 10,000 و3,500 طن سنويًا.

2. طريقة الصهر الكهربائي الكامل

تتضمن طريقة الصهر الكهربائي بالكامل عملية إنتاج تُنقل فيها الطاقة الكهربائية مباشرةً إلى مصهور البازلت عالي الحرارة داخل فرن بازلتي ذي هيكل من الطوب الحراري. ويتحقق ذلك باستخدام أقطاب كهربائية (مثل الجرافيت، والموليبدينوم، وثاني أكسيد القصدير، وغيرها) أو (و) طرق فيزيائية أخرى (مثل طرق البلازما). وتشمل هذه التقنية الصهر، والتصفية، والتشكيل.

بدأت الصين باستخدام طريقة الصهر الكهربائي المستمر لألياف البازلت مع البرنامج الوطني 863 عام 2002، والذي أنجز جهاز سحب فرن مستقل صغير الحجم باستخدام هذه الطريقة. وقد حققت هذه الطريقة إنجازات كبيرة. ألياف البازلت في عام ٢٠١٦، تم تحقيق تقنية سحب الصهر الكهربائي بالكامل، مع اكتمال تشغيل فرن خزان الصهر الكهربائي بالكامل على نطاق تجريبي، بطاقة إنتاجية تصل إلى ألف طن سنويًا. يستخدم هذا النظام أقطابًا كهربائية متدرجة متعددة الصفوف، مما يسمح بعمق مستوى سائل الصهر يصل إلى ١٣٠٠ مم. يبلغ قطر خيط المنتج الأحادي تركيزًا يتراوح بين ٩ و٢٢ ميكرومترًا، ويتراوح استهلاك الطاقة الإجمالي للوحدة بين ٣.٠ و٣.٥ كيلوواط/ساعة/كجم، مما يُظهر كفاءة ممتازة في توفير الطاقة. في عام ٢٠١٨، بدأ رسميًا تشغيل خط إنتاج فرن خزان الصهر الكهربائي بالكامل (١ إلى ٨ أفران، باستخدام مغازل ذات ٤٠٠ ثقب) بطاقة إنتاجية تصل إلى ١٢٠٠ طن سنويًا. وقد عمل الفرن بثبات لأكثر من ثلاث سنوات، مما يؤكد أن عمر الفرن يمكن أن يصل إلى أكثر من ثلاث سنوات.

حتى الآن، بالنسبة لمواد الخام الصخرية البركانية الطبيعية النقية، يتم الحفاظ على تكنولوجيا تصنيع ألياف البازلت المستمرة فقط على مستوى تكنولوجيا فرن الخزان بقدرة ألف طن / سنة، وبشكل حصري لطريقة الصهر الكهربائية بالكامل.

3. مقارنة بين المسارين التكنولوجيين

خصائص درجات الحرارة العالية ذوبان البازلتإن ما يجعل تصنيع ألياف البازلت المستمرة أمراً صعباً هو ضعف توصيلها الحراري، ولزوجتها العالية، وخصائصها المادية القصيرة.

• طريقة اللهب

طريقة اللهب، وهي تقنية متطورة نسبيًا، استُقدمت من الاتحاد السوفيتي السابق (روسيا وأوكرانيا حاليًا) وعُدّلت لتناسب ظروف الصين الخاصة، وقد لاقت انتشارًا واسعًا. إلا أن أكبر عيوبها في التصنيع هو ارتفاع تكاليف الإنتاج وانخفاض فاعليتها الاقتصادية، ويعود ذلك بشكل رئيسي إلى عيوب هيكلية مادية متأصلة في الطريقة نفسها.

استخدام الحرارة المنخفضة

في هذه الطريقة، يُحرق الغاز الطبيعي من أعلى الفرن، حيث يُسخّن اللهب سطح مُصهور البازلت مباشرةً. ينعكس أكثر من 60% من الحرارة عن سطح المُصهور وتُحمل بواسطة غازات العادم. ونظرًا لأن مُصهور البازلت عالي الحرارة يتمتع بموصلية حرارية أقل بعشر مرات من مُصهور الزجاج عالي الحرارة، فإن انتقال الحرارة يكون بطيئًا للغاية. لا يُمكن للأفران الصغيرة أحادية الوحدة الحفاظ على عمق مُصهور يبلغ حوالي 15 سم فقط. في حين أن أفران خزانات البازلت المُسخّنة باللهب والتي تبلغ طاقتها الإنتاجية 10,000 طن/سنة يُمكن أن تصل إلى عمق مُصهور يبلغ 50 سم مع تسخين القطب السفلي المُساعد، يُشكّل المُصهور هيكلًا يشبه الطبق داخل الفرن، مما يؤدي إلى مساحة سطح نوعية كبيرة وتبديد كبير للحرارة. يتجاوز فقدان الحرارة من خلال مواد العزل 10%. وبالتالي، فإن معدل استخدام الحرارة الفعلي أقل من 30%.

جودة ذوبان منخفضة

بسبب مستوى الذوبان الضحل في طريقة اللهب، لا يمكن لأقسام التوضيح والتجانس تحقيق التجانس الكامل، مما يؤدي إلى انخفاض جودة الذوبان.

انبعاثات غازات العادم

يؤدي احتراق الغاز الطبيعي إلى إنتاج غازات العادم مثل أكاسيد الكبريت والنيتروجين.

انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري

باعتباره وقودًا أحفوريًا، يطلق احتراق الغاز الطبيعي كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، وهو غاز دفيئة.

الاستثمار في المعدات العالية

تتطلب معالجة انبعاثات غازات العادم الناتجة عن احتراق الغاز الطبيعي اتخاذ تدابير لمكافحة التلوث. كما يتطلب استغلال الحرارة المنخفضة تدابير لاستعادة الحرارة المفقودة. علاوة على ذلك، يتطلب احتراق الأكسجين النقي معدات لتوليد الأكسجين. هذه العوامل الثلاثة تزيد بشكل كبير من استثمار المعدات. يتراوح استثمار الوحدة في طريقة اللهب بين 11,000 و20,000 يوان صيني للطن.

• طريقة الصهر الكهربائية بالكامل

بالمقارنة مع طريقة اللهب، فإن طريقة الصهر الكهربائية بالكامل تقدم مزايا ملحوظة.

جودة ذوبان عالية

تعتمد تقنية الصهر الكهربائي بالكامل على مبدأ أن المصهور موصل للكهرباء في حالة الانصهار عالية الحرارة، مما يسمح بتزويد المصهور بالطاقة الكهربائية مباشرةً للتسخين الداخلي. يُسهّل الترتيب الرأسي للأقطاب الكهربائية عملية الصهر الرأسي. يمكن لأفران خزانات الصهر الكهربائية بالكامل، التي تُنتج ألف طن سنويًا، تحقيق عمق ذوبان يزيد عن 1.2 متر، مما يوفر قسمًا أطول للتصفية والتجانس. المنطقة المتساوية الحرارة عالية الحرارة داخل الخزان أعمق، مما يُحسّن جودة ذوبان وتجانس البازلت.

كفاءة الطاقة

يساهم التسخين الداخلي المباشر للمصهور، والصهر الرأسي، والخزانات العميقة، وتغطية المادة الباردة على سطح المصهور في تحقيق معدلات ذوبان عالية وكفاءة حرارية عالية. أولًا، تضمن الأقطاب الكهربائية المُدخلة مباشرةً في المصهور الاستفادة الكاملة من حرارة جول. ثانيًا، يُنتج مستوى الصهر العميق، بعمق يقارب القطر الداخلي للفرن، مساحة سطح نوعية أصغر وأقرب إلى الحد الأدنى للمصهور. يُقلل هذا الهيكل الهندسي بشكل كبير من تبديد الحرارة مقارنةً بالهيكل الشبيه بالطبق في طريقة اللهب. ثالثًا، يُشكل تغطية المادة الباردة على سطح المصهور "غطاءً باردًا للفرن"، مما يُقلل بشكل أكبر من فقدان الحرارة.

بصمة كربونية منخفضة

تُلغي تقنية الصهر الكهربائي بالكامل انبعاثات الكربون المرتبطة باحتراق الغاز الطبيعي باستخدام طريقة اللهب. وتُحدَّد انبعاثات الكربون الناتجة عنها بناءً على مزيج الطاقة في شبكة الكهرباء. ويمكن تحقيق انبعاثات كربونية صفرية باستخدام الطاقة الكهرومائية أو مصادر الطاقة المتجددة الأخرى.

انخفاض الاستثمار

بما أن طريقة الصهر الكهربائية بالكامل لا تتضمن احتراق الأكسجين النقي للغاز الطبيعي، فلا حاجة للاستثمار في معدات معالجة غازات العادم بيئيًا أو معدات توليد الأكسجين. كما أن تغطية سطح المصهور بالمادة الباردة يعني عدم الحاجة للاستثمار في معدات استعادة الحرارة المهدرة. وبالتالي، فإن تكلفة الوحدة المستخدمة في طريقة الصهر الكهربائية بالكامل أقل.

ميزة التكلفة

تؤدي الوفورات الكبيرة في الطاقة وانخفاض استهلاك الأصول الثابتة إلى ميزة تكلفة واضحة.