Две основные технологии получения непрерывного базальтового волокна

1. Метод пламени

Метод пламенной обработки предполагает производственный процесс, при котором тепло подается непосредственно на поверхность. Базальт Плавление происходит в базальтовой печи с огнеупорной кирпичной конструкцией. Нагрев обычно осуществляется пламенем (например, при сжигании природного газа в кислороде, горячего воздуха или плазменным пламенем) из верхней части печи. Этот основной метод нагрева может быть дополнен нагревом с помощью нижнего электрода. Весь процесс включает плавление, осветление и формование.

Небольшие автономные печи с пламенным нагревом, которые в настоящее время широко распространены в отрасли, используют только верхний нагрев за счет сжигания природного газа и не имеют вспомогательных нижних электродов. Однако из-за высокого энергопотребления, высоких производственных затрат и низкой экономической эффективности большинство компаний, использующих эту технологию, несут значительные убытки и находятся на грани банкротства.

Направление развития пламенного метода заключается в следующем: печь с пламенным нагревомВ нем используется метод «газоэлектрической комбинации» с верхним сжиганием природного газа в кислороде и вспомогательным нижним нагревателем электрода. Этот метод «газоэлектрической комбинации» является абсолютной основной технологией в производстве. СтекловолокноЭти печи для стекловолокна работают очень хорошо и успешно, особенно модульные печи, которые практически стали стандартом для конструкций печей для волочения стекловолокна в резервуарах. Были предприняты попытки перенести эту технологию на непрерывное производство базальтового волокна, но, несмотря на ограниченные испытания, успеха пока не достигнуто. В последние два года некоторые компании выбрали другой подход, перейдя от чистого природного вулканического сырья к составному сырью (т.е., включающему большую долю невулканических пород). Это привело к успешному вводу в эксплуатацию и работе производственных линий с пламенным нагревом в резервуарах мощностью 10 000 тонн в год и 3 500 тонн в год.

2. Метод полностью электрической плавки

Полностью электрический метод плавки предполагает производственный процесс, при котором электрическая энергия подается непосредственно в высокотемпературный базальтовый расплав внутри базальтовой печи с огнеупорной кирпичной конструкцией. Это достигается с помощью электродов (таких как графит, молибден, диоксид олова и т. д.) или (и) других физических методов (таких как плазменные методы). Данная технология охватывает плавку, осветление и формование.

В Китае метод непрерывной плавки базальтового волокна с использованием электропривода начался в рамках национальной программы «863» в 2002 году, в результате которой была создана малогабаритная автономная печь для вытяжки волокна, использующая этот метод. Значительные прорывы в области непрерывной плавки. базальтовое волокно Технология полностью электрического плавильного волочения была разработана в 2016 году с завершением строительства пилотной установки — плавильной печи мощностью тысяча тонн в год. В этой системе используются многорядные прогрессивные электроды, позволяющие достигать глубины расплава до 1300 мм. Диаметр получаемой мононити составляет от 9 до 22 мкм, а общее энергопотребление установки — 3,0–3,5 кВт·ч/кг, что демонстрирует отличные показатели энергосбережения. В 2018 году была официально введена в эксплуатацию производственная линия полностью электрических плавильных печей мощностью 1200 тонн в год («один к восьми», с использованием 400-отверстных фильер). Она стабильно работает уже более трех лет, подтверждая, что срок службы печи может превышать три года.

На сегодняшний день технология непрерывного производства базальтового волокна из чистого природного вулканического сырья поддерживается лишь на уровне тысячетонных плавильных печей в год и исключительно методом электрической плавки.

3. Сравнение двух технологических путей

Характеристики высоких температур расплав базальтаИменно низкая теплопроводность, высокая вязкость и короткие производственные зазоры делают производство непрерывного базальтового волокна сложной задачей.

• Метод пламени

Пламенный метод, относительно зрелая технология, заимствованная из бывшего Советского Союза (ныне Россия и Украина) и адаптированная к специфическим условиям Китая, получила широкое распространение. Однако ее главным недостатком в процессе индустриализации являются высокие производственные затраты и низкая экономическая эффективность, в основном из-за присущих самому методу физических структурных дефектов.

Низкое потребление тепла

При этом методе природный газ сжигается сверху печи, а пламя непосредственно нагревает поверхность базальтового расплава. Более 60% тепла отражается поверхностью расплава и отводится отработанными газами. Учитывая, что теплопроводность высокотемпературного базальтового расплава в десять раз ниже, чем у высокотемпературного стеклообразного расплава, теплопередача происходит крайне медленно. Небольшие одноблочные печи могут поддерживать глубину расплава всего около 15 см. В то время как печи периодического действия для плавки базальта с пламенным нагревом производительностью 10 000 тонн в год могут достигать глубины расплава 50 см с помощью вспомогательного нагрева снизу электродом, расплав образует внутри печи чашеобразную структуру, что приводит к большой удельной поверхности и значительному рассеиванию тепла. Теплопотери через изоляционные материалы превышают 10%. Следовательно, фактический коэффициент использования тепла составляет менее 30%.

Низкое качество плавления

Из-за небольшой глубины плавления при пламенном методе секции осветления и гомогенизации не могут обеспечить полную гомогенизацию, что приводит к снижению качества плавления.

Выбросы выхлопных газов

При сгорании природного газа образуются выхлопные газы, такие как оксиды серы и азота.

Выбросы парниковых газов

При сжигании природного газа, являющегося ископаемым топливом, выделяется значительное количество CO2, парникового газа.

Высокие инвестиции в оборудование

Для решения проблемы выбросов отработавших газов при сжигании природного газа необходимы меры по контролю загрязнения. Низкий уровень использования тепла также требует мер по утилизации отработанного тепла. Кроме того, сжигание чистого кислорода требует оборудования для генерации кислорода. Эти три фактора значительно увеличивают инвестиции в оборудование. Единичные инвестиции в оборудование для пламенного метода составляют приблизительно 11 000–20 000 юаней за тонну.

• Полностью электрический метод плавления

По сравнению с пламенным методом, полностью электрический метод плавления обладает существенными преимуществами.

Высокое качество плавления

Технология полностью электрической плавки основана на принципе, согласно которому расплав в высокотемпературном расплавленном состоянии является электропроводящим, что позволяет напрямую подавать электрическую энергию в расплав для внутреннего нагрева. Вертикальное расположение электродов обеспечивает вертикальную плавку. Полностью электрические плавильные печи производительностью в тысячи тонн в год позволяют достигать глубины расплава более 1,2 метра, обеспечивая более длинную секцию осветления и гомогенизации. Более глубокая высокотемпературная изотермическая зона внутри печи приводит к лучшему качеству плавки и гомогенизации базальта.

Энергоэффективность

Прямой внутренний нагрев расплава, вертикальное плавление, более глубокие резервуары и покрытие поверхности расплава холодным материалом способствуют высоким скоростям плавления и высокой тепловой эффективности. Во-первых, электроды, непосредственно погруженные в расплав, обеспечивают полное использование джоулева тепла. Во-вторых, глубокий слой расплава, глубина которого приближается к внутреннему диаметру печи, приводит к уменьшению, почти минимальной, удельной поверхности расплава. Такая геометрическая структура значительно снижает теплоотдачу по сравнению с чашеобразной структурой пламенного метода. В-третьих, покрытие поверхности расплава холодным материалом образует «холодную верхнюю часть печи», что дополнительно снижает потери тепла.

Низкий углеродный след

Технология полностью электрического плавления исключает выбросы углекислого газа, связанные с сжиганием природного газа в пламенном режиме. Выбросы углекислого газа определяются исключительно энергетическим балансом энергосети. При использовании гидроэнергии или других возобновляемых источников энергии можно достичь нулевых выбросов углекислого газа.

Снижение инвестиций

Поскольку метод полностью электрической плавки не предполагает сжигания природного газа в чистом кислороде, нет необходимости инвестировать в оборудование для очистки отходящих газов или оборудование для генерации кислорода. Кроме того, покрытие расплавленной поверхности холодным материалом означает, что не требуется инвестиций в оборудование для утилизации отработанного тепла. Таким образом, удельные затраты на метод полностью электрической плавки ниже.

Преимущество в стоимости

Значительная экономия энергии и снижение амортизации основных средств обеспечивают явное конкурентное преимущество в плане затрат.