Twee gangbare technologieën voor de bereiding van continue basaltvezels

1. Vlammethode

De vlammethode omvat een productieproces waarbij de hitte direct aan het oppervlak van de Basalt Smelt in een basaltoven met vuurvaste bakstenen. Deze warmte wordt meestal gegenereerd door vlammen (zoals aardgas-zuurstof- of heteluchtverbranding, of plasmavlammen) bovenin de oven. Deze primaire verwarmingsmethode kan worden aangevuld met verwarming met een onderste elektrode. Het hele proces omvat smelten, klaren en vormen.

Kleine, stand-alone vlamovens, die momenteel gangbaar zijn in de industrie, gebruiken alleen aardgas als verbrandingsgas en hebben geen hulpelektroden aan de onderkant. Door hun hoge energieverbruik, hoge productiekosten en lage kosteneffectiviteit lijden de meeste bedrijven die deze technologie gebruiken echter ernstige verliezen en staan ​​ze op de rand van faillissement.

De ontwikkelingsrichting voor de vlammethode is de vlamverhitte tankoven, die gebruikmaakt van een "gas-elektrische combinatie"-aanpak met verbranding van aardgas en zuurstof aan de bovenkant en extra verwarming met een onderste elektrode. Deze "gas-elektrische combinatie"-methode is de absolute mainstreamtechnologie voor de productie. Glasvezels, en deze glasvezelovens functioneren zeer volwassen en succesvol, met name de unitovens, die bijna de standaard zijn geworden voor het ontwerpen van ovens voor het trekken van glasvezeltankovens. Er zijn pogingen gedaan om deze technologie over te brengen naar de continue productie van basaltvezels, maar ondanks beperkte proeven is dit nog niet gelukt. In de afgelopen twee jaar hebben sommigen een andere aanpak gekozen en zijn ze overgestapt van puur natuurlijke grondstoffen van vulkanisch gesteente naar geformuleerde grondstoffen (d.w.z. met een groot aandeel niet-vulkanisch gesteente). Dit heeft geleid tot de succesvolle ingebruikname en exploitatie van productielijnen voor vlamverhitte tankovens met een capaciteit van 10.000 ton/jaar en 3.500 ton/jaar.

2. Volledig elektrische smeltmethode

De volledig elektrische smeltmethode omvat een productieproces waarbij elektrische energie rechtstreeks wordt toegevoerd aan de hoogtemperatuurbasaltsmelt in een basaltoven met vuurvaste bakstenen. Dit wordt bereikt met behulp van elektroden (zoals grafiet, molybdeen, tindioxide, enz.) of (en) andere fysische methoden (zoals plasmamethoden). Deze technologie omvat smelten, klaren en vormen.

China's continue, volledig elektrische basaltvezelsmeltmethode begon met het nationale 863-programma in 2002, dat een kleinschalige, zelfstandige oventrekmachine met deze methode voltooide. Belangrijke doorbraken in continue basaltvezel De volledig elektrische smelttrektechnologie werd in 2016 bereikt met de voltooiing van een volledig elektrische smeltoven op pilotschaal met een capaciteit van duizend ton/jaar. Dit systeem maakt gebruik van progressieve elektroden met meerdere rijen, waardoor een smeltvloeistofniveau tot 1300 mm diepte mogelijk is. De diameter van het productmonofilament is geconcentreerd tussen 9 en 22 μm en het totale stroomverbruik per eenheid is 3,0-3,5 kWh/kg, wat uitstekende energiebesparende effecten aantoont. In 2018 werd een volledig elektrische smeltovenproductielijn met een capaciteit van 1200 ton/jaar ("één-op-acht", met spindoppen met 400 gaten) officieel in gebruik genomen. Deze heeft meer dan drie jaar stabiel gedraaid, wat aantoont dat de levensduur van de oven meer dan drie jaar kan bedragen.

Tot op heden wordt de technologie voor de continue productie van basaltvezels voor zuivere natuurlijke grondstoffen uit vulkanisch gesteente alleen gehandhaafd op het niveau van de tankoventechnologie voor duizend ton/jaar en uitsluitend voor de volledig elektrische smeltmethode.

3. Vergelijking van de twee technologische routes

De kenmerken van hoge temperaturen basalt smelt, namelijk de slechte thermische geleidbaarheid, hoge viscositeit en korte materiaaleigenschappen, zijn precies de redenen waarom de productie van continue basaltvezels zo uitdagend is.

• Vlammethode

De vlammethode, een relatief volwassen technologie die is geïntroduceerd vanuit de voormalige Sovjet-Unie (nu Rusland en Oekraïne) en is aangepast aan de specifieke omstandigheden in China, wordt op grote schaal toegepast. Het grootste nadeel bij industrialisatie is echter de hoge productiekosten en de lage kosteneffectiviteit, grotendeels te wijten aan inherente fysieke structurele defecten in de methode zelf.

Lage warmtebenutting

Bij deze methode wordt aardgas verbrand vanaf de bovenkant van de oven, waarbij de vlam het oppervlak van de basaltsmelt direct verwarmt. Meer dan 60% van de warmte wordt gereflecteerd door het smeltoppervlak en afgevoerd door uitlaatgassen. Aangezien de thermische geleidbaarheid van basaltsmelt tien keer lager is dan die van glassmelt op hoge temperatuur, is de warmteoverdracht extreem traag. Kleine ovens met één eenheid kunnen een smeltdiepte van slechts ongeveer 15 cm handhaven. Terwijl vlamverhitte basaltbatch-tankovens met een capaciteit van 10.000 ton/jaar een smeltdiepte van 50 cm kunnen bereiken met extra verwarming met een elektrode aan de onderkant, vormt de smelt een schotelvormige structuur in de oven, wat leidt tot een groot specifiek oppervlak en aanzienlijke warmteafvoer. Het warmteverlies door isolatiematerialen bedraagt ​​meer dan 10%. Bijgevolg is de werkelijke warmtebenutting minder dan 30%.

Lage smeltkwaliteit

Door het geringe smeltniveau bij de vlammethode kunnen de klarings- en homogenisatiesecties geen volledige homogenisatie bereiken, wat resulteert in een lagere smeltkwaliteit.

Uitlaatgasemissies

Bij de verbranding van aardgas komen uitlaatgassen vrij, zoals zwavel- en stikstofoxiden.

Broeikasgasemissies

Bij de verbranding van aardgas, een fossiele brandstof, komen aanzienlijke hoeveelheden CO2 vrij, een broeikasgas.

Hoge apparatuurinvestering

Het aanpakken van de uitlaatgasemissies van aardgasverbranding vereist maatregelen ter beheersing van de vervuiling. De lage warmtebenutting vereist ook maatregelen voor de terugwinning van restwarmte. Bovendien vereist zuivere zuurstofverbranding apparatuur voor zuurstofproductie. Deze drie factoren verhogen de investering in apparatuur aanzienlijk. De investering per eenheid voor de vlammethode bedraagt ​​ongeveer 11.000-20.000 RMB per ton.

• Volledig elektrische smeltmethode

Vergeleken met de vlammethode biedt de volledig elektrische smeltmethode aanzienlijke voordelen.

Hoge smeltkwaliteit

De volledig elektrische smelttechnologie is gebaseerd op het principe dat de smelt elektrisch geleidend is in een gesmolten toestand met hoge temperatuur, waardoor elektrische energie direct aan de smelt kan worden toegevoerd voor interne verwarming. De verticale opstelling van elektroden maakt verticaal smelten mogelijk. Volledig elektrische smeltovens met een capaciteit van duizend ton per jaar kunnen een smeltdiepte van meer dan 1,2 meter bereiken, wat zorgt voor een langere klarings- en homogenisatiesectie. De isotherme zone met hoge temperatuur in de tank is dieper, wat leidt tot een betere smelt- en homogenisatiekwaliteit van basalt.

Energie-efficiëntie

Directe interne verhitting van de smelt, verticaal smelten, diepere tanks en koude materiaalbedekking op het smeltoppervlak dragen bij aan hoge smeltsnelheden en een hoge thermische efficiëntie. Ten eerste zorgen elektroden die direct in de smelt worden geplaatst voor een volledige benutting van de Joule-warmte. Ten tweede resulteert het diepe smeltniveau, met een diepte die de interne diameter van de oven nadert, in een kleiner, bijna minimaal specifiek oppervlak voor de smelt. Deze geometrische structuur vermindert de warmteafvoer aanzienlijk in vergelijking met de schotelvormige structuur van de vlammethode. Ten derde vormt de koude materiaalbedekking op het smeltoppervlak een "koude oventop", wat het warmteverlies verder vermindert.

Lage CO2-voetafdruk

De volledig elektrische smelttechnologie elimineert de CO2-uitstoot die gepaard gaat met de verbranding van aardgas in de vlammethode. De CO2-uitstoot wordt uitsluitend bepaald door de energiemix van het elektriciteitsnet. Bij gebruik van waterkracht of andere hernieuwbare energiebronnen kan een CO2-uitstoot van nul worden bereikt.

Lagere investering

Omdat bij de volledig elektrische smeltmethode geen zuivere zuurstofverbranding van aardgas plaatsvindt, hoeft er niet te worden geïnvesteerd in apparatuur voor de behandeling van uitlaatgassen of apparatuur voor zuurstofproductie. Bovendien betekent de koude materiaalbedekking op het smeltoppervlak dat er geen investering in apparatuur voor warmteterugwinning nodig is. De investering per eenheid voor de volledig elektrische smeltmethode is daarom lager.

Kostenvoordeel

Aanzienlijke energiebesparingen en lagere afschrijvingen op vaste activa resulteren in een duidelijk kostenvoordeel.