Две основные технологии получения непрерывного базальтового волокна

1. Пламенный метод

Пламенный метод подразумевает производственный процесс, при котором тепло подается непосредственно на поверхность Базальт Плавка в базальтовой печи, выполненной из огнеупорного кирпича. Тепло обычно генерируется пламенем (например, пламенем природного газа с кислородом или горячего воздуха, а также плазменным пламенем) в верхней части печи. Этот основной метод нагрева может быть дополнен нагревом с помощью подового электрода. Весь процесс включает плавку, осветление и формовку.

Небольшие автономные пламенные печи, которые в настоящее время широко распространены в отрасли, используют только верхний нагрев, сжигая природный газ, и не имеют вспомогательных подовых электродов. Однако из-за высокого энергопотребления, высокой себестоимости продукции и низкой себестоимости продукции большинство предприятий, использующих эту технологию, несут серьёзные убытки и находятся на грани банкротства.

Направление развития метода пламени – ванна с пламенным обогревом, который использует комбинированный газо-электрический метод с верхним сжиганием природного газа и кислорода и вспомогательным нижним электродным нагревом. Этот комбинированный газо-электрический метод является абсолютной основной технологией для производства Стекловолокноs, и эти печи для обжига стекловолокна работают очень зрело и успешно, особенно модульные печи, которые практически стали стандартом для конструкций ванных печей для протяжки стекловолокна. Были предприняты попытки перенести эту технологию на непрерывное производство базальтового волокна, но, несмотря на ограниченные испытания, успех пока не достигнут. За последние два года некоторые компании выбрали другой подход, перейдя с использования чистого природного вулканического сырья на композитное сырье (т.е. с большим содержанием невулканических пород). Это привело к успешному вводу в эксплуатацию и эксплуатации линий по производству ванных печей с пламенным нагревом производительностью 10 000 тонн и 3 500 тонн в год.

2. Метод полностью электрической плавки

Метод полностью электрической плавки представляет собой производственный процесс, при котором электрическая энергия непосредственно подаётся в высокотемпературный базальтовый расплав в печи, выполненной из огнеупорного кирпича. Это достигается с помощью электродов (например, графита, молибдена, диоксида олова и т. д.) или (и) других физических методов (например, плазменных). Эта технология включает в себя плавку, осветление и формовку.

В Китае метод непрерывной плавки базальтового волокна полностью электрифицированным методом начался в 2002 году с национальной программы «863», в рамках которой была завершена разработка малогабаритной автономной печи для вытяжки, использующей этот метод. Значительные достижения в области непрерывной плавки базальтовое волокно Технология полностью электрической плавки и вытяжки была реализована в 2016 году с завершением строительства пилотной полностью электрической ванны плавильной печи производительностью тысяча тонн в год. Эта система использует многорядные прогрессивные электроды, что обеспечивает глубину расплава до 1300 мм. Диаметр получаемой мононити составляет 9–22 мкм, а общее энергопотребление установки составляет 3,0–3,5 кВт·ч/кг, что демонстрирует превосходный энергосберегающий эффект. В 2018 году была официально введена в эксплуатацию линия по производству полностью электрической ванны плавильной печи производительностью 1200 тонн в год («от одного до восьми» с фильерами на 400 отверстий). Она стабильно работает уже более трёх лет, что подтверждает, что срок службы печи может превышать три года.

На сегодняшний день для чистого природного вулканического сырья технология непрерывного производства базальтового волокна поддерживается только на уровне технологии ванновых печей производительностью в тысячи тонн в год и исключительно для метода полностью электрической плавки.

3. Сравнение двух технологических маршрутов

Характеристики высокотемпературных базальтовый расплавИменно его низкая теплопроводность, высокая вязкость и недолговечность делают изготовление непрерывного базальтового волокна сложной задачей.

• Пламенный метод

Огневой метод – относительно зрелая технология, заимствованная из бывшего Советского Союза (ныне Россия и Украина) и адаптированная к специфическим условиям Китая, – получил широкое распространение. Однако его главным недостатком в процессе индустриализации являются высокие производственные затраты и низкая рентабельность, в основном из-за присущих самому методу физических и структурных недостатков.

Низкое использование тепла

В этом методе природный газ сжигается сверху печи, при этом пламя напрямую нагревает поверхность базальтового расплава. Более 60% тепла отражается поверхностью расплава и уносится отходящими газами. Учитывая, что высокотемпературный базальтовый расплав имеет теплопроводность в десять раз ниже, чем высокотемпературный расплав стекла, передача тепла происходит крайне медленно. Небольшие односекционные печи могут поддерживать глубину расплава только около 15 см. В то время как базальтовые ванны с пламенным нагревом производительностью 10 000 тонн/год могут достигать глубины расплава 50 см при дополнительном нагреве подовым электродом, расплав образует внутри печи чашеобразную структуру, что приводит к большой удельной поверхности и значительному рассеиванию тепла. Потери тепла через изоляционные материалы превышают 10%. Следовательно, фактический коэффициент использования тепла составляет менее 30%.

Низкое качество плавления

Из-за неглубокого уровня расплава при пламенном методе секции осветления и гомогенизации не могут обеспечить полную гомогенизацию, что приводит к снижению качества плавки.

Выбросы выхлопных газов

Сгорание природного газа приводит к образованию выхлопных газов, таких 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

Сокращение выбросов отходящих газов при сжигании природного газа требует принятия мер по контролю за загрязнением окружающей среды. Низкая теплоотдача также требует мер по рекуперации отходящего тепла. Кроме того, для сжигания чистого кислорода требуется оборудование для генерации кислорода. Эти три фактора значительно увеличивают инвестиции в оборудование. Удельные инвестиции в пламенный метод составляют приблизительно 11 000–20 000 юаней на тонну.

• Метод полностью электрической плавки

По сравнению с пламенным методом метод полностью электрической плавки имеет заметные преимущества.

Высокое качество плавления

Технология полностью электрической плавки основана на принципе электропроводности расплава в высокотемпературном расплавленном состоянии, что позволяет напрямую подавать электроэнергию к расплаву для внутреннего нагрева. Вертикальное расположение электродов облегчает вертикальную плавку. Полностью электрические плавильные ванны производительностью тысячи тонн в год могут достигать глубины расплава более 1,2 метра, обеспечивая более длинный участок осветления и гомогенизации. Высокотемпературная изотермическая зона внутри ванны более глубокая, что обеспечивает более высокое качество плавки и гомогенизации базальта.

Энергоэффективность

Прямой внутренний нагрев расплава, вертикальная плавка, более глубокие ванны и покрытие поверхности расплава холодным материалом способствуют высокой скорости плавки и высокому тепловому КПД. Во-первых, электроды, непосредственно погруженные в расплав, обеспечивают полное использование джоулева тепла. Во-вторых, глубокий уровень расплава, глубина которого приближается к внутреннему диаметру печи, обеспечивает меньшую, практически минимальную, удельную поверхность расплава. Такая геометрическая структура значительно снижает теплоотдачу по сравнению с чашеобразной структурой, используемой в пламенном методе. В-третьих, покрытие поверхности расплава холодным материалом образует «холодный верх печи», что дополнительно снижает теплопотери.

Низкий углеродный след

Технология полностью электрической плавки исключает выбросы углерода, связанные со сжиганием природного газа в пламени. Выбросы углерода определяются исключительно энергобалансом энергосистемы. При использовании гидроэнергии или других возобновляемых источников энергии можно достичь нулевых выбросов углерода.

Снижение инвестиций

Поскольку метод полностью электрической плавки не предполагает сжигания природного газа в чистом кислороде, нет необходимости вкладывать средства в оборудование для очистки отходящих газов или в оборудование для генерации кислорода. Кроме того, покрытие поверхности расплава холодным материалом исключает необходимость вложения средств в оборудование для рекуперации тепла. Таким образом, удельные инвестиции при методе полностью электрической плавки ниже.

Преимущество в стоимости

Значительная экономия энергии и снижение амортизации основных фондов приводят к заметному экономическому преимуществу.