Due tecnologie principali per la preparazione continua delle fibre di basalto

1. Metodo della fiamma

Il metodo della fiamma prevede un processo di produzione in cui il calore viene trasmesso direttamente alla superficie del Basalto fondere all'interno di un forno di basalto con struttura in mattoni refrattari. Questo calore è tipicamente generato da fiamme (come la combustione di gas naturale e ossigeno o aria calda, o fiamme al plasma) provenienti dalla parte superiore del forno. Questo metodo di riscaldamento primario può essere integrato dal riscaldamento dell'elettrodo inferiore. L'intero processo comprende fusione, chiarificazione e formatura.

I piccoli forni a fiamma autonomi, attualmente diffusi nel settore, utilizzano solo il riscaldamento a combustione di gas naturale dall'alto e non dispongono di elettrodi ausiliari inferiori. Tuttavia, a causa dell'elevato consumo energetico, degli elevati costi di produzione e della scarsa redditività del prodotto, la maggior parte delle aziende che utilizzano questa tecnologia sta subendo gravi perdite e si trova sull'orlo del fallimento.

La direzione di sviluppo del metodo della fiamma è la forno a vasca riscaldata a fiamma, che utilizza un approccio di "combinazione gas-elettricità" con combustione superiore di gas naturale e ossigeno e riscaldamento ausiliario dell'elettrodo inferiore. Questo metodo di "combinazione gas-elettricità" è la tecnologia più diffusa in assoluto per la produzione Fibra di vetroQuesti forni per fibra di vetro operano in modo molto maturo e con successo, in particolare i forni unitari, che sono quasi diventati lo standard per la progettazione di forni a vasca per fibra di vetro. Sono stati compiuti sforzi per trasferire questa tecnologia alla produzione continua di fibra di basalto, ma nonostante i limitati test, il successo non è ancora stato raggiunto. Negli ultimi due anni, alcuni hanno adottato un approccio diverso, passando da materie prime di roccia vulcanica naturale pura a materie prime formulate (ovvero, incorporando un'ampia percentuale di roccia non vulcanica). Ciò ha portato alla messa in servizio e all'esercizio con successo di linee di produzione di forni a vasca riscaldati a fiamma da 10.000 tonnellate/anno e 3.500 tonnellate/anno.

2. Metodo di fusione completamente elettrico

Il metodo di fusione completamente elettrico prevede un processo di produzione in cui l'energia elettrica viene erogata direttamente nel basalto fuso ad alta temperatura all'interno di un forno per basalto con struttura in mattoni refrattari. Ciò si ottiene tramite elettrodi (come grafite, molibdeno, biossido di stagno, ecc.) o altri metodi fisici (come i metodi al plasma). Questa tecnologia comprende la fusione, la chiarificazione e la formatura.

Il metodo di fusione continua completamente elettrico delle fibre di basalto in Cina è iniziato con il Programma nazionale 863 nel 2002, che ha completato un apparato di trafilatura autonomo su piccola scala utilizzando questo metodo. Importanti progressi nella fusione continua fibra di basalto La tecnologia di trafilatura a fusione completamente elettrica è stata raggiunta nel 2016, con il completamento di un forno fusorio pilota completamente elettrico da mille tonnellate/anno. Questo sistema utilizza elettrodi progressivi multifilari, consentendo una profondità del liquido fuso fino a 1300 mm. Il diametro del monofilamento prodotto è concentrato tra 9 e 22 μm e il consumo energetico complessivo dell'unità è di 3,0-3,5 kWh/kg, a dimostrazione di eccellenti effetti di risparmio energetico. Nel 2018 è stata ufficialmente messa in funzione una linea di produzione di forni fusori completamente elettrici da 1200 tonnellate/anno ("da uno a otto", con filiere da 400 fori). Ha funzionato stabilmente per oltre tre anni, a dimostrazione che la durata del forno può superare i tre anni.

Ad oggi, per le materie prime di roccia vulcanica naturale pura, la tecnologia di produzione continua di fibre di basalto è mantenuta solo al livello della tecnologia dei forni a vasca da mille tonnellate/anno ed esclusivamente per il metodo di fusione completamente elettrico.

3. Confronto tra i due percorsi tecnologici

Le caratteristiche delle alte temperature fusione di basalto, ovvero la sua scarsa conduttività termica, l'elevata viscosità e le ridotte proprietà del materiale, sono proprio ciò che rende difficile la produzione di fibre di basalto continue.

• Metodo della fiamma

Il metodo della fiamma, una tecnologia relativamente matura introdotta dall'ex Unione Sovietica (oggi Russia e Ucraina) e adattata alle condizioni specifiche della Cina, ha trovato ampio utilizzo. Tuttavia, il suo principale svantaggio nell'industrializzazione sono gli elevati costi di produzione e la scarsa redditività, dovuti in gran parte a difetti strutturali fisici intrinseci al metodo stesso.

Basso utilizzo del calore

Con questo metodo, il gas naturale viene bruciato dalla parte superiore del forno, con la fiamma che riscalda direttamente la superficie del basalto fuso. Oltre il 60% del calore viene riflesso dalla superficie del basalto fuso e dissipato dai gas di scarico. Dato che il basalto fuso ad alta temperatura ha una conduttività termica dieci volte inferiore a quella del vetro fuso ad alta temperatura, il trasferimento di calore è estremamente lento. I piccoli forni monoblocco possono mantenere una profondità di fusione di soli 15 cm circa. Mentre i forni a vasca di basalto da 10.000 tonnellate/anno riscaldati a fiamma possono raggiungere una profondità di fusione di 50 cm con riscaldamento ausiliario dell'elettrodo inferiore, il basalto fuso forma una struttura a disco all'interno del forno, che si traduce in un'ampia superficie specifica e una significativa dissipazione del calore. La perdita di calore attraverso i materiali isolanti supera il 10%. Di conseguenza, il tasso di utilizzo effettivo del calore è inferiore al 30%.

Bassa qualità di fusione

A causa del basso livello di fusione nel metodo a fiamma, le sezioni di chiarificazione e omogeneizzazione non riescono a ottenere un'omogeneizzazione completa, con conseguente riduzione della qualità della fusione.

Emissioni di gas di scarico

La combustione del gas naturale produce gas di scarico come ossidi di zolfo e di azoto.

Emissioni di gas serra

Essendo un combustibile fossile, la combustione del gas naturale rilascia notevoli quantità di CO2, un gas serra.

Elevato investimento in attrezzature

Per affrontare le emissioni di gas di scarico derivanti dalla combustione di gas naturale sono necessarie misure di controllo dell'inquinamento. Il basso utilizzo di calore richiede anche misure di recupero del calore di scarto. Inoltre, la combustione di ossigeno puro richiede apparecchiature per la generazione di ossigeno. Questi tre fattori aumentano significativamente gli investimenti in attrezzature. L'investimento unitario per il metodo a fiamma è di circa 11.000-20.000 RMB per tonnellata.

• Metodo di fusione completamente elettrico

Rispetto al metodo a fiamma, il metodo di fusione completamente elettrico offre notevoli vantaggi.

Alta qualità di fusione

La tecnologia di fusione completamente elettrica si basa sul principio che la massa fusa è elettricamente conduttiva allo stato fuso ad alta temperatura, consentendo l'erogazione diretta di energia elettrica per il riscaldamento interno. La disposizione verticale degli elettrodi facilita la fusione verticale. I forni fusori completamente elettrici da mille tonnellate all'anno possono raggiungere una profondità di fusione di oltre 1,2 metri, garantendo una sezione di chiarificazione e omogeneizzazione più lunga. La zona isotermica ad alta temperatura all'interno del serbatoio è più profonda, garantendo una migliore qualità di fusione e omogeneizzazione del basalto.

Efficienza energetica

Il riscaldamento interno diretto della massa fusa, la fusione verticale, le vasche più profonde e la copertura di materiale freddo sulla superficie della massa fusa contribuiscono ad elevate velocità di fusione e ad un'elevata efficienza termica. In primo luogo, gli elettrodi inseriti direttamente nella massa fusa garantiscono il pieno sfruttamento del calore Joule. In secondo luogo, il livello di fusione profondo, con una profondità prossima al diametro interno del forno, si traduce in una superficie specifica della massa fusa più piccola e pressoché minima. Questa struttura geometrica riduce significativamente la dissipazione del calore rispetto alla struttura a disco del metodo a fiamma. In terzo luogo, la copertura di materiale freddo sulla superficie della massa fusa forma una "superficie fredda del forno", riducendo ulteriormente la perdita di calore.

Bassa impronta di carbonio

La tecnologia di fusione completamente elettrica elimina le emissioni di carbonio associate alla combustione di gas naturale con il metodo a fiamma. Le emissioni di carbonio sono determinate esclusivamente dal mix energetico della rete elettrica. Utilizzando l'energia idroelettrica o altre fonti di energia rinnovabile, è possibile raggiungere zero emissioni di carbonio.

Investimenti più bassi

Poiché il metodo di fusione completamente elettrico non prevede la combustione di ossigeno puro del gas naturale, non è necessario investire in apparecchiature per il trattamento ambientale dei gas di scarico o per la generazione di ossigeno. Inoltre, la copertura di materiale freddo sulla superficie fusa elimina la necessità di investimenti in apparecchiature per il recupero del calore di scarto. L'investimento unitario per il metodo di fusione completamente elettrico è quindi inferiore.

Vantaggio di costo

Un notevole risparmio energetico e un minore ammortamento delle immobilizzazioni si traducono in un netto vantaggio in termini di costi.