שתי טכנולוגיות מרכזיות להכנת סיבי בזלת רציפים

1. שיטת להבה

שיטת הלהבה כוללת תהליך ייצור שבו חום מועבר ישירות אל פני השטח של בַּזֶלֶת להיתך בתוך כבשן בזלת בעל מבנה לבנים עקשן. חום זה נוצר בדרך כלל על ידי להבות (כגון גז טבעי-חמצן או בעירה באוויר חם, או להבות פלזמה) מראש הכבשן. ניתן להשלים שיטת חימום ראשונית זו על ידי חימום אלקטרודה תחתונה. התהליך כולו מכסה התכה, הבהרה ועיצוב.

תנורי להבה קטנים ועצמאיים, הנפוצים כיום בתעשייה, משתמשים רק בחימום בעירה עליון מגז טבעי וחסרים אלקטרודות עזר תחתונות. עם זאת, בשל צריכת האנרגיה הגבוהה שלהם, עלויות הייצור הגבוהות והיעילות הנמוכה של המוצר, רוב החברות המשתמשות בטכנולוגיה זו חוות הפסדים חמורים ונמצאות על סף פשיטת רגל.

כיוון הפיתוח של שיטת הלהבה הוא תנור מיכל מחומם בלהבה, אשר משתמש בגישת "שילוב גז-חשמל" עם בעירה עליונה של גז טבעי וחמצן וחימום עזר של אלקטרודה תחתונה. שיטת "שילוב גז-חשמל" זו היא הטכנולוגיה המרכזית המוחלטת לייצור סיבי זכוכיתים, וכבשני סיבי זכוכית אלה פועלים בצורה בוגרת ומוצלחת מאוד, במיוחד כבשני היחידה, שכמעט הפכו לסטנדרט לתכנון כבשני שרטוט תנורי מיכלי סיבי זכוכית. נעשו מאמצים להעביר טכנולוגיה זו לייצור רציף של סיבי בזלת, אך למרות ניסויים מוגבלים, טרם הושגה הצלחה. בשנתיים האחרונות, חלקם נקטו גישה שונה, ועברו מחומרי גלם טבעיים טהורים מסלע וולקני לחומרי גלם מנוסחים (כלומר, שילוב חלק גדול של סלע לא וולקני). דבר זה הוביל להפעלה מוצלחת של קווי ייצור של תנורי מיכלי חימום בלהבה בהספק של 10,000 טון לשנה ו-3,500 טון לשנה.

2. שיטת התכה חשמלית לחלוטין

שיטת ההיתוך החשמלית כוללת תהליך ייצור שבו אנרגיה חשמלית מועברת ישירות לתוך בזלת מותכת בטמפרטורה גבוהה בתוך כבשן בזלת בעל מבנה לבנים עקשן. זה מושג באמצעות אלקטרודות (כגון גרפיט, מוליבדן, בדיל דו-חמצני וכו') או (ו) שיטות פיזיקליות אחרות (כגון שיטות פלזמה). טכנולוגיה זו מכסה התכה, הבהרה ועיצוב.

שיטת ההיתוך החשמלי הרציף של סיבי בזלת בסין החלה עם תוכנית 863 הלאומית בשנת 2002, שהשלימה מנגנון ציור תנור עצמאי בקנה מידה קטן באמצעות שיטה זו. פריצות דרך משמעותיות בתחום הרציף סיבי בזלת טכנולוגיית ייצור של התכה חשמלית לחלוטין הושגה בשנת 2016, עם השלמת תנור התכה חשמלי לחלוטין בקנה מידה פיילוט, בעל ייצור של אלף טון לשנה. מערכת זו משתמשת באלקטרודות פרוגרסיביות מרובות שורות, המאפשרות עומק מפלס נוזל התכה של עד 1300 מ"מ. קוטר המונופילמנט של המוצר מרוכז בין 9-22 מיקרון, וצריכת החשמל הכוללת של היחידה היא 3.0-3.5 קוט"ש/ק"ג, דבר המדגים השפעות מצוינות של חיסכון באנרגיה. בשנת 2018, קו ייצור של תנור התכה חשמלי לחלוטין בעל ייצור של 1200 טון לשנה ("אחד לשמונה", באמצעות ספינרים בעלי 400 חורים) הוכנס רשמית לפעולה. הוא פועל ביציבות במשך למעלה משלוש שנים, מה שאימת שאורך החיים של הכבשן יכול להגיע ליותר משלוש שנים.

נכון להיום, עבור חומרי גלם מסלע וולקני טבעי טהור, טכנולוגיית ייצור רציפה של סיבי בזלת מתוחזקת רק ברמת טכנולוגיית תנור מיכל של אלף טון/שנה, ובאופן בלעדי עבור שיטת ההיתוך החשמלית לחלוטין.

3. השוואה בין שני המסלולים הטכנולוגיים

המאפיינים של טמפרטורה גבוהה בזלת להמסה, כלומר מוליכות תרמית ירודה, צמיגות גבוהה ותכונות חומר קצרות, הן בדיוק מה שהופכות את ייצור סיבי בזלת רציפים למאתגר.

• שיטת להבה

שיטת הלהבה, טכנולוגיה יחסית בוגרת שהובאה מברית המועצות לשעבר (כיום רוסיה ואוקראינה) והותאמה לתנאים הספציפיים של סין, זכתה לשימוש נרחב. עם זאת, החיסרון הגדול ביותר שלה בתיעוש הוא עלויות ייצור גבוהות וחסכון נמוך, בעיקר בשל פגמים מבניים פיזיים הטבועים בשיטה עצמה.

ניצול חום נמוך

בשיטה זו, גז טבעי נשרף מראש הכבשן, כאשר הלהבה מחממת ישירות את פני השטח של הבזלת המותכת. למעלה מ-60% מהחום מוחזר על ידי פני השטח של הבזלת המותכת ונישא על ידי גזי פליטה. בהתחשב בכך שלבזלת המותכת בטמפרטורה גבוהה יש מוליכות תרמית נמוכה פי עשרה מזו של זכוכית המותכת בטמפרטורה גבוהה, העברת החום איטית ביותר. כבשנים קטנים, בעלי יחידה אחת, יכולים לשמור על עומק התכה של כ-15 ס"מ בלבד. בעוד שכבשנים של מיכלי אצווה של בזלת המחוממים בלהבה בנפח 10,000 טון/שנה יכולים להגיע לעומק התכה של 50 ס"מ עם חימום אלקטרודה תחתונה עזר, הגז המותך יוצר מבנה דמוי צלחת בתוך הכבשן, מה שמוביל לשטח פנים סגולי גדול ופיזור חום משמעותי. אובדן החום דרך חומרי בידוד עולה על 10%. כתוצאה מכך, שיעור ניצול החום בפועל נמוך מ-30%.

איכות התכה נמוכה

בשל רמת ההיתוך הרדודה בשיטת הלהבה, מקטעי ההבהרה וההומוגניזציה אינם יכולים להשיג הומוגניזציה יסודית, וכתוצאה מכך איכות ההיתוך נמוכה יותר.

פליטות גזי פליטה

שריפת גז טבעי מייצרת גזי פליטה כגון תחמוצות גופרית ותחמוצות חנקן.

פליטות גזי חממה

כדלק מאובנים, שריפת גז טבעי פולטת כמויות משמעותיות של CO2, גז חממה.

השקעה גבוהה בציוד

טיפול בפליטות גזי פליטה משריפת גז טבעי מחייב אמצעי בקרת זיהום. ניצול החום הנמוך דורש גם אמצעים להשבת חום פסולת. יתר על כן, שריפת חמצן טהור דורשת ציוד לייצור חמצן. שלושת גורמים אלה מגדילים משמעותית את ההשקעה בציוד. ההשקעה ביחידה עבור שיטת הלהבה היא כ-11,000-20,000 יואן לטון.

• שיטת התכה חשמלית לחלוטין

בהשוואה לשיטת הלהבה, שיטת ההיתוך החשמלית לחלוטין מציעה יתרונות בולטים.

איכות התכה גבוהה

טכנולוגיית ההיתוך החשמלי מבוססת על העיקרון שהבזלת מוליך חשמלית במצב מותך בטמפרטורה גבוהה, מה שמאפשר אספקת אנרגיה חשמלית ישירות לבזלת לצורך חימום פנימי. הסידור האנכי של האלקטרודות מאפשר התכה אנכית. תנורי התכה חשמליים לחלוטין, בעלי נפח של אלף טון בשנה, יכולים להגיע לעומק התכה של מעל 1.2 מטרים, מה שמספק קטע הבהרה והומוגניזציה ארוך יותר. האזור האיזותרמי בטמפרטורה גבוהה בתוך המיכל עמוק יותר, מה שמוביל לאיכות התכה והומוגניזציה טובה יותר של בזלת.

יעילות אנרגטית

חימום פנימי ישיר של החומר המותך, התכה אנכית, מיכלים עמוקים יותר וכיסוי חומר קר על פני השטח של החומר המותך תורמים לקצבי התכה גבוהים וליעילות תרמית גבוהה. ראשית, אלקטרודות המוחדרות ישירות לתוך החומר המותך מבטיחות ניצול מלא של חום הג'אול. שנית, רמת ההיתוך העמוקה, שעומקה מתקרב לקוטר הפנימי של הכבשן, מביאה לשטח פנים סגולי קטן יותר וכמעט מינימלי עבור החומר המותך. מבנה גיאומטרי זה מפחית משמעותית את פיזור החום בהשוואה למבנה דמוי הקערה של שיטת הלהבה. שלישית, כיסוי החומר הקר על פני השטח של החומר המותך יוצר "חלק עליון של כבשן קר", מה שמפחית עוד יותר את אובדן החום.

טביעת רגל פחמנית נמוכה

טכנולוגיית ההיתוך החשמלי לחלוטין מבטלת את פליטות הפחמן הכרוכות בשריפה של גז טבעי בשיטת הלהבה. פליטות הפחמן שלה נקבעות אך ורק על ידי תמהיל האנרגיה של רשת החשמל. אם משתמשים באנרגיה הידרואלקטרית או במקורות אנרגיה מתחדשים אחרים, ניתן להשיג אפס פליטות פחמן.

השקעה נמוכה יותר

מכיוון ששיטת ההיתוך החשמלית לחלוטין אינה כרוכה בעירה של גז טבעי בחמצן טהור, אין צורך להשקיע בציוד לטיפול סביבתי בגזי פליטה או בציוד לייצור חמצן. בנוסף, כיסוי החומר הקר על פני ההיתוך פירושו שאין צורך בהשקעה בציוד להשבת חום פסולת. לכן, ההשקעה ביחידה עבור שיטת ההיתוך החשמלית לחלוטין נמוכה יותר.

יתרון עלות

חיסכון משמעותי באנרגיה ופחת נמוך יותר של נכסים קבועים מתורגמים ליתרון עלות מובהק.