Dvě hlavní technologie kontinuální přípravy čedičových vláken

1. Metoda plamene

Plamenná metoda zahrnuje výrobní proces, při kterém je teplo přímo dodáváno na povrch Čedič tavení v čedičové peci s žáruvzdornými cihlami. Toto teplo je obvykle generováno plameny (například spalováním zemního plynu a kyslíku nebo horkého vzduchu, nebo plazmovými plameny) z horní části pece. Tuto primární metodu ohřevu lze doplnit ohřevem spodní elektrody. Celý proces zahrnuje tavení, čiření a tvarování.

Malé, samostatné plamenné pece, které jsou v současnosti v tomto odvětví běžným prvkem, využívají pouze horní ohřev spalováním zemního plynu a chybí jim pomocné spodní elektrody. Vzhledem k vysoké spotřebě energie, vysokým výrobním nákladům a nízké efektivitě výroby však většina společností používajících tuto technologii zažívá vážné ztráty a je na pokraji bankrotu.

Směr vývoje plamenné metody je plamenem vyhřívaná vanová pec, která využívá přístup „kombinace plynu a elektřiny“ s horním spalováním zemního plynu a kyslíku a pomocným ohřevem spodní elektrody. Tato metoda „kombinace plynu a elektřiny“ je absolutně nejrozšířenější technologií pro výrobu Skleněné vláknos, a tyto pece na výrobu skleněných vláken fungují velmi vyzrále a úspěšně, zejména jednotkové pece, které se staly téměř standardem pro konstrukce pecí na tažení skleněných vláken. Bylo vynaloženo úsilí na přenos této technologie na kontinuální výrobu čedičových vláken, ale i přes omezené pokusy se dosud nepodařilo dosáhnout úspěchu. V posledních dvou letech některé zvolily jiný přístup a přešly od čistě přírodních vulkanických horninových surovin k formulovaným surovinám (tj. zahrnujícím velký podíl nevulkanických hornin). To vedlo k úspěšnému uvedení do provozu výrobních linek plamenem vyhřívaných vanových pecí s kapacitou 10 000 tun/rok a 3 500 tun/rok.

2. Metoda plně elektrického tavení

Metoda plně elektrického tavení zahrnuje výrobní proces, při kterém je elektrická energie přímo dodávána do vysokoteplotní čedičové taveniny v čedičové peci s žáruvzdornou cihlovou konstrukcí. Toho se dosahuje pomocí elektrod (jako je grafit, molybden, oxid cínatý atd.) nebo (a) jiných fyzikálních metod (jako jsou plazmové metody). Tato technologie zahrnuje tavení, čeření a tvarování.

Čínská metoda kontinuálního tavení čedičových vláken s využitím plně elektrické technologie začala v roce 2002 v rámci národního programu 863, v rámci kterého bylo dokončeno malé samostatné zařízení pro tažení pecí s využitím této metody. Významné průlomy v kontinuálním tavení čedičové vlákno Technologie tažení a tavení s plně elektrickým pohonem byla dosažena v roce 2016 dokončením pilotního projektu s plně elektrickou tavicí vanou o kapacitě tisíc tun/rok. Tento systém využívá víceřadé progresivní elektrody, které umožňují dosáhnout hladiny taveniny až 1300 mm. Průměr monofilu produktu je koncentrovaný mezi 9-22 μm a celková spotřeba energie jednotky je 3,0-3,5 kWh/kg, což ukazuje na vynikající úspory energie. V roce 2018 byla oficiálně uvedena do provozu plně elektrická tavicí vanová pece s kapacitou 1200 tun/rok („jedna k osmi“, s použitím 400otvorových zvlákňovacích trysek). Stabilně pracuje již více než tři roky, což potvrzuje, že životnost pece může dosáhnout více než tří let.

V současné době se technologie kontinuální výroby čedičových vláken u čistě přírodních vulkanických hornin udržuje pouze na úrovni technologie tankových pecí s kapacitou tisíc tun/rok a výhradně pro plně elektrickou tavicí metodu.

3. Porovnání dvou technologických cest

Charakteristiky vysokoteplotních čedičová tavenina, konkrétně jeho nízká tepelná vodivost, vysoká viskozita a krátké materiálové vlastnosti, jsou právě tím, co činí výrobu kontinuálních čedičových vláken náročnou.

• Metoda plamene

Plamenná metoda, relativně vyspělá technologie zavedená z bývalého Sovětského svazu (nyní Rusko a Ukrajina) a upravená pro specifické podmínky Číny, se dočkala širokého uplatnění. Její největší nevýhodou v industrializaci jsou však vysoké výrobní náklady a nízká nákladová efektivita, převážně způsobená inherentními fyzikálními strukturálními vadami samotné metody.

Nízké využití tepla

Při této metodě se zemní plyn spaluje z horní části pece, přičemž plamen přímo ohřívá povrch taveniny čediče. Více než 60 % tepla se odráží od povrchu taveniny a je odváděno výfukovými plyny. Vzhledem k tomu, že vysokoteplotní čedičová tavenina má tepelnou vodivost desetkrát nižší než vysokoteplotní sklovina, je přenos tepla extrémně pomalý. Malé pece s jednou jednotkou dokáží udržet hloubku taveniny pouze asi 15 cm. Zatímco pece s čedičovým dávkovým ohřevem s plamenem a kapacitou 10 000 tun ročně mohou s pomocným ohřevem spodní elektrody dosáhnout hloubky taveniny 50 cm, tavenina v peci vytváří miskovitou strukturu, což vede k velkému měrnému povrchu a významnému odvodu tepla. Ztráta tepla izolačními materiály přesahuje 10 %. Skutečná míra využití tepla je proto nižší než 30 %.

Nízká teplota tání

Vzhledem k mělké hladině taveniny u plamenné metody nemohou sekce čeření a homogenizace dosáhnout důkladné homogenizace, což má za následek nižší kvalitu tavení.

Emise výfukových plynů

Spalováním zemního plynu vznikají výfukové plyny, jako jsou oxidy síry a dusíku.

Emise skleníkových plynů

Jako fosilní palivo uvolňuje spalování zemního plynu značné množství CO2, skleníkového plynu.

Vysoké investice do vybavení

Řešení emisí výfukových plynů ze spalování zemního plynu vyžaduje opatření k regulaci znečištění. Nízké využití tepla vyžaduje také opatření k rekuperaci odpadního tepla. Spalování čistého kyslíku navíc vyžaduje zařízení pro jeho výrobu. Tyto tři faktory výrazně zvyšují investice do zařízení. Jednotková investice u plamenné metody je přibližně 11 000–20 000 RMB na tunu.

• Metoda plně elektrického tavení

Ve srovnání s metodou plamene nabízí plně elektrická metoda tavení značné výhody.

Vysoká kvalita tavení

Technologie plně elektrického tavení je založena na principu, že tavenina je ve vysokoteplotním roztaveném stavu elektricky vodivá, což umožňuje přímé dodávky elektrické energie do taveniny pro vnitřní ohřev. Vertikální uspořádání elektrod usnadňuje vertikální tavení. Plně elektrické tavicí pece s kapacitou tisíc tun ročně mohou dosáhnout hloubky taveniny přes 1,2 metru, což poskytuje delší úsek pro čeření a homogenizaci. Vysokoteplotní izotermická zóna uvnitř nádrže je hlubší, což vede k lepší kvalitě tavení a homogenizace čediče.

Energetická účinnost

Přímý vnitřní ohřev taveniny, vertikální tavení, hlubší vany a pokrytí povrchu taveniny studeným materiálem přispívají k vysokým rychlostem tavení a vysoké tepelné účinnosti. Zaprvé, elektrody přímo vložené do taveniny zajišťují plné využití Jouleova tepla. Zadruhé, hluboká hladina taveniny, jejíž hloubka se blíží vnitřnímu průměru pece, má za následek menší, téměř minimální měrný povrch taveniny. Tato geometrická struktura výrazně snižuje odvod tepla ve srovnání s miskovitou strukturou plamenné metody. Zatřetí, pokrytí povrchu taveniny studeným materiálem vytváří „studenou pec“, což dále snižuje tepelné ztráty.

Nízká uhlíková stopa

Technologie plně elektrického tavení eliminuje emise uhlíku spojené se spalováním zemního plynu plamennou metodou. Emise uhlíku jsou určeny výhradně energetickým mixem rozvodné sítě. Pokud se využívá vodní energie nebo jiné obnovitelné zdroje energie, lze dosáhnout nulových emisí uhlíku.

Nižší investice

Protože plně elektrická metoda tavení nezahrnuje spalování zemního plynu čistým kyslíkem, není třeba investovat do zařízení na úpravu životního prostředí z výfukových plynů ani do zařízení na výrobu kyslíku. Navíc pokrytí povrchu taveniny studeným materiálem znamená, že nejsou nutné žádné investice do zařízení pro rekuperaci odpadního tepla. Jednotková investice u plně elektrické metody tavení je proto nižší.

Cenová výhoda

Významné úspory energie a nižší odpisy dlouhodobého majetku se promítají do zřetelné cenové výhody.