Zwei gängige Technologien zur kontinuierlichen Basaltfaserherstellung

1. Flammenmethode

Das Flammenverfahren beinhaltet einen Produktionsprozess, bei dem Wärme direkt auf die Oberfläche des Materials übertragen wird. Basalt Das Schmelzen erfolgt in einem feuerfesten, mit Basaltziegeln ausgekleideten Ofen. Die Hitze wird typischerweise durch Flammen (z. B. Erdgas-Sauerstoff- oder Heißluftverbrennung oder Plasmaflammen) von oben erzeugt. Diese primäre Heizmethode kann durch eine Bodenelektrodenheizung ergänzt werden. Der gesamte Prozess umfasst Schmelzen, Klären und Formen.

Kleine, eigenständige Flammenöfen, die derzeit in der Branche weit verbreitet sind, nutzen ausschließlich die Verbrennung von Erdgas von oben und verfügen über keine zusätzlichen Bodenelektroden. Aufgrund ihres hohen Energieverbrauchs, der hohen Produktionskosten und der geringen Wirtschaftlichkeit verzeichnen die meisten Unternehmen, die diese Technologie einsetzen, jedoch erhebliche Verluste und stehen kurz vor dem Konkurs.

Die Entwicklungsrichtung für das Flammenverfahren ist die mit Flamme beheizter TankofenDabei wird ein „Gas-Elektro-Kombinationsprinzip“ mit Erdgas-Sauerstoff-Verbrennung oben und zusätzlicher Bodenelektrodenheizung angewendet. Dieses „Gas-Elektro-Kombinationsprinzip“ ist die absolute Standardtechnologie für die Herstellung. GlasfaserDiese Glasfaseröfen, insbesondere die Kompaktöfen, arbeiten sehr ausgereift und erfolgreich und haben sich nahezu zum Standard für Glasfaser-Drechselofenkonstruktionen entwickelt. Es wurden Anstrengungen unternommen, diese Technologie auf die kontinuierliche Basaltfaserherstellung zu übertragen, doch trotz begrenzter Versuche konnte bisher kein Erfolg erzielt werden. In den letzten zwei Jahren verfolgten einige Unternehmen einen anderen Ansatz und stellten von reinen vulkanischen Rohmaterialien auf formulierte Rohstoffe um (d. h. mit einem hohen Anteil an nicht-vulkanischem Gestein). Dies führte zur erfolgreichen Inbetriebnahme und zum Betrieb von Produktionslinien mit flammbeheizten Ziehöfen mit Kapazitäten von 10.000 bzw. 3.500 Tonnen pro Jahr.

2. Vollelektrisches Schmelzverfahren

Das vollelektrische Schmelzverfahren ist ein Produktionsprozess, bei dem elektrische Energie direkt in die Hochtemperatur-Basaltschmelze in einem feuerfesten, mit Ziegeln ausgekleideten Basaltofen eingeleitet wird. Dies geschieht mittels Elektroden (z. B. aus Graphit, Molybdän, Zinndioxid usw.) oder (und) anderen physikalischen Verfahren (z. B. Plasmaverfahren). Diese Technologie umfasst Schmelzen, Klären und Formen.

Chinas kontinuierliches, vollelektrisches Schmelzverfahren für Basaltfasern begann 2002 mit dem nationalen Programm 863, in dessen Rahmen eine kleine, autarke Ofenziehanlage nach diesem Verfahren fertiggestellt wurde. Bedeutende Fortschritte in der kontinuierlichen Basaltfaser Die vollelektrische Schmelzziehtechnologie wurde 2016 mit der Fertigstellung eines Pilot-Schmelzofens mit einer Kapazität von tausend Tonnen pro Jahr realisiert. Dieses System nutzt mehrreihige progressive Elektroden und ermöglicht eine Schmelzflüssigkeitstiefe von bis zu 1300 mm. Der Durchmesser der Produktmonofilamente liegt zwischen 9 und 22 µm, und der Gesamtenergieverbrauch der Anlage beträgt 3,0–3,5 kWh/kg, was eine hervorragende Energieeinsparung belegt. 2018 wurde eine vollelektrische Schmelzofen-Produktionslinie mit einer Kapazität von 1200 Tonnen pro Jahr (1:8-System mit 400-Loch-Düsen) offiziell in Betrieb genommen. Sie läuft seit über drei Jahren stabil und bestätigt damit die Ofenlebensdauer von mehr als drei Jahren.

Bis heute wird die Technologie zur Herstellung von Basaltfasern aus rein natürlichen vulkanischen Gesteinsrohstoffen nur auf dem Niveau der Kesselofentechnologie mit einer Kapazität von tausend Tonnen pro Jahr und ausschließlich für das vollelektrische Schmelzverfahren aufrechterhalten.

3. Vergleich der beiden technologischen Wege

Die Eigenschaften von Hochtemperatur BasaltschmelzeDie geringe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Viskosität und die begrenzten Materialeigenschaften sind genau die Faktoren, die die Herstellung von Endlosbasaltfasern so schwierig machen.

• Flammenmethode

Das Flammenverfahren, eine relativ ausgereifte Technologie aus der ehemaligen Sowjetunion (heute Russland und Ukraine), die an die spezifischen Gegebenheiten Chinas angepasst wurde, findet weite Verbreitung. Ihr größter Nachteil bei der Industrialisierung sind jedoch die hohen Produktionskosten und die geringe Wirtschaftlichkeit, die größtenteils auf prinzipbedingte physikalische Mängel des Verfahrens zurückzuführen sind.

Geringe Wärmenutzung

Bei diesem Verfahren wird Erdgas von oben im Ofen verbrannt, wobei die Flamme die Oberfläche der Basaltschmelze direkt erhitzt. Über 60 % der Wärme werden von der Schmelzoberfläche reflektiert und mit den Abgasen abgeführt. Da die Wärmeleitfähigkeit von Hochtemperatur-Basaltschmelze zehnmal geringer ist als die von Hochtemperatur-Glasschmelze, ist der Wärmetransport extrem langsam. Kleine Einzelofenanlagen können nur eine Schmelztiefe von etwa 15 cm aufrechterhalten. Zwar erreichen flammenbeheizte Basalt-Chargenkesselöfen mit einer Kapazität von 10.000 Tonnen pro Jahr und zusätzlicher Bodenelektrodenheizung eine Schmelztiefe von 50 cm, jedoch bildet die Schmelze im Ofen eine schalenförmige Struktur, was zu einer großen spezifischen Oberfläche und erheblicher Wärmeabgabe führt. Der Wärmeverlust durch Isoliermaterialien übersteigt 10 %. Folglich liegt die tatsächliche Wärmeausnutzung unter 30 %.

Niedrigschmelzqualität

Aufgrund des geringen Schmelzniveaus beim Flammenverfahren kann in den Klärungs- und Homogenisierungsabschnitten keine vollständige Homogenisierung erreicht werden, was zu einer geringeren Schmelzqualität führt.

Abgasemissionen

Bei der Verbrennung von Erdgas entstehen Abgase wie Schwefel- und Stickoxide.

Treibhausgasemissionen

Bei der Verbrennung von Erdgas als fossilem Brennstoff werden erhebliche Mengen an CO2, einem Treibhausgas, freigesetzt.

Hohe Investitionen in Ausrüstung

Die Reduzierung der Abgasemissionen aus der Erdgasverbrennung erfordert Maßnahmen zur Schadstoffminderung. Die geringe Wärmeausbeute macht zudem eine Abwärmenutzung notwendig. Darüber hinaus benötigt die Verbrennung mit reinem Sauerstoff Sauerstofferzeugungsanlagen. Diese drei Faktoren erhöhen die Investitionskosten für die Anlagen erheblich. Die Investitionskosten für das Flammenverfahren belaufen sich auf ca. 11.000–20.000 RMB pro Tonne.

• Vollelektrisches Schmelzverfahren

Im Vergleich zum Flammenverfahren bietet das vollelektrische Schmelzverfahren bemerkenswerte Vorteile.

Hohe Schmelzqualität

Die vollelektrische Schmelztechnologie basiert auf dem Prinzip, dass die Schmelze im hochtemperierten Zustand elektrisch leitfähig ist. Dadurch kann elektrische Energie direkt zur internen Erwärmung der Schmelze zugeführt werden. Die vertikale Anordnung der Elektroden ermöglicht das vertikale Schmelzen. Vollelektrische Schmelztanköfen mit einer Jahreskapazität von tausend Tonnen erreichen eine Schmelztiefe von über 1,2 Metern und bieten so eine längere Klär- und Homogenisierungszone. Die tiefere Hochtemperatur-Isothermenzone im Inneren des Tanks führt zu einer besseren Schmelz- und Homogenisierungsqualität von Basalt.

Energieeffizienz

Die direkte interne Erwärmung der Schmelze, das vertikale Schmelzen, tiefere Behälter und die Abdeckung der Schmelzoberfläche mit kaltem Material tragen zu hohen Schmelzraten und einem hohen thermischen Wirkungsgrad bei. Erstens gewährleisten die direkt in die Schmelze eingeführten Elektroden die vollständige Nutzung der Joule-Wärme. Zweitens führt der tiefe Schmelzpegel, dessen Tiefe sich dem Innendurchmesser des Ofens annähert, zu einer sehr kleinen, nahezu minimalen spezifischen Oberfläche der Schmelze. Diese geometrische Struktur reduziert die Wärmeabgabe im Vergleich zur schalenförmigen Struktur des Flammenschmelzverfahrens deutlich. Drittens bildet die Abdeckung der Schmelzoberfläche mit kaltem Material eine Art „kalte Ofenoberseite“, wodurch der Wärmeverlust weiter verringert wird.

Geringer CO2-Fußabdruck

Die vollelektrische Schmelztechnologie eliminiert die bei der Erdgasverbrennung im Flammenverfahren entstehenden CO₂-Emissionen. Ihre CO₂-Emissionen hängen ausschließlich vom Energiemix des Stromnetzes ab. Bei Nutzung von Wasserkraft oder anderen erneuerbaren Energiequellen kann eine CO₂-Neutralität erreicht werden.

Geringere Investition

Da beim vollelektrischen Schmelzverfahren keine reine Sauerstoffverbrennung von Erdgas erforderlich ist, entfällt die Notwendigkeit von Investitionen in Abgasreinigungsanlagen oder Sauerstofferzeugungsanlagen. Zudem macht die Kaltmaterialabdeckung auf der Schmelzoberfläche Investitionen in Abwärmerückgewinnungsanlagen überflüssig. Die Investitionskosten pro Anlage sind daher geringer.

Kostenvorteil

Deutliche Energieeinsparungen und geringere Abschreibungen auf Anlagevermögen führen zu einem klaren Kostenvorteil.