Дві основні технології безперервної підготовки базальтового волокна

1. Метод полум'я

Полум'яний метод передбачає виробничий процес, під час якого тепло подається безпосередньо на поверхню Базальт плавлення в базальтовій печі з вогнетривкою цеглою. Це тепло зазвичай генерується полум'ям (наприклад, полум'ям природного газу з киснем або гарячим повітрям, або плазмовим полум'ям) з верхньої частини печі. Цей основний метод нагрівання може бути доповнений нагріванням нижнього електрода. Весь процес охоплює плавлення, освітлення та формування.

Невеликі автономні полум'яні печі, які зараз є основним видом робіт у галузі, використовують лише верхній нагрів за допомогою спалювання природного газу та не мають допоміжних нижніх електродів. Однак через високе енергоспоживання, високі виробничі витрати та низьку економічну ефективність продукції більшість компаній, що використовують цю технологію, зазнають серйозних збитків і знаходяться на межі банкрутства.

Напрямок розвитку полум'яного методу полягає в полум'яна піч-ванна, який використовує підхід «газоелектричної комбінації» з верхнім спалюванням природного газу та кисню та допоміжним нагріванням нижнього електрода. Цей метод «газоелектричної комбінації» є абсолютною основною технологією для виробництва Скловолокноs, і ці печі для скловолокна працюють дуже зріло та успішно, особливо агрегатні печі, які майже стали стандартом для конструкцій печей для витяжки скловолокна з резервуарними печами. Були докладені зусилля для перенесення цієї технології на безперервне виробництво базальтового волокна, але, незважаючи на обмежені випробування, успіху ще не досягнуто. За останні два роки деякі компанії застосували інший підхід, перейшовши від чистої природної вулканічної гірської породи до спеціально розробленої сировини (тобто з додаванням великої частки невулканічної породи). Це призвело до успішного введення в експлуатацію та експлуатації виробничих ліній полум'яно-нагрітих резервуарних печей продуктивністю 10 000 тонн/рік та 3 500 тонн/рік.

2. Метод повністю електричного плавлення

Повністю електричний метод плавлення передбачає виробничий процес, у якому електрична енергія безпосередньо подається у високотемпературний базальтовий розплав у печі з вогнетривкою цеглою для випалювання базальту. Це досягається за допомогою електродів (таких як графіт, молібден, діоксид олова тощо) або (та) інших фізичних методів (таких як плазмові методи). Ця технологія охоплює плавлення, освітлення та формування.

Метод безперервного повністю електричного плавлення базальтового волокна в Китаї розпочався з національної програми 863 у 2002 році, в рамках якої було завершено створення невеликого автономного волочильного апарату з використанням цього методу. Значні прориви в безперервному плавленні базальтове волокно Технологія повністю електричного плавлення та витяжки була впроваджена у 2016 році завдяки завершенню пілотного проекту з повністю електричною плавильною ванною продуктивністю тисячу тонн на рік. Ця система використовує багаторядні прогресивні електроди, що дозволяє досягати глибини рівня розплавленої рідини до 1300 мм. Діаметр мононитки продукту концентрується в діапазоні від 9 до 22 мкм, а загальне споживання енергії становить 3,0-3,5 кВт⋅год/кг, що демонструє чудовий енергозберігаючий ефект. У 2018 році було офіційно введено в експлуатацію повністю електричну плавильну ванну продуктивністю 1200 тонн на рік («від одного до восьми», з використанням 400-отвірних фільєр). Вона стабільно працює вже понад три роки, що підтверджує, що термін служби печі може сягати понад три роки.

На сьогоднішній день для чистої природної вулканічної гірської породи технологія безперервного виробництва базальтового волокна підтримується лише на рівні технології резервуарної печі продуктивністю тисячу тонн/рік і виключно для повністю електричного методу плавлення.

3. Порівняння двох технологічних шляхів

Характеристики високої температури базальтовий розплав, а саме його погана теплопровідність, висока в'язкість та короткочасні властивості матеріалу, саме те, що робить виробництво безперервного базальтового волокна складним.

• Метод полум'я

Полум'яний метод, відносно зріла технологія, завезена з колишнього Радянського Союзу (нині Росії та України) та адаптована до специфічних умов Китаю, отримала широке застосування. Однак його найбільшим недоліком в індустріалізації є високі виробничі витрати та низька економічна ефективність, значною мірою через притаманні фізичні структурні дефекти самого методу.

Низьке використання тепла

У цьому методі природний газ спалюється з верхньої частини печі, при цьому полум'я безпосередньо нагріває поверхню базальтового розплаву. Понад 60% тепла відбивається від поверхні розплаву та переноситься відхідними газами. Враховуючи, що високотемпературний базальтовий розплав має теплопровідність у десять разів нижчу, ніж високотемпературний розплав скла, теплопередача надзвичайно повільна. Невеликі одноблочні печі можуть підтримувати глибину розплаву лише близько 15 см. У той час як печі з базальтовим резервуаром продуктивністю 10 000 тонн/рік, що нагріваються полум'ям, можуть досягти глибини розплаву 50 см за допомогою допоміжного нагрівання нижнього електрода, розплав утворює тарілкоподібну структуру всередині печі, що призводить до великої питомої поверхні та значної тепловіддачі. Втрати тепла через ізоляційні матеріали перевищують 10%. Отже, фактичний коефіцієнт використання тепла становить менше 30%.

Якість з низькою температурою плавлення

Через неглибокий рівень розплаву в полум'яному методі, секції освітлення та гомогенізації не можуть досягти повної гомогенізації, що призводить до зниження якості плавлення.

Викиди вихлопних газів

Спалювання природного газу утворює вихлопні гази, такі як оксиди сірки та азоту.

Викиди парникових газів

Як викопне паливо, спалювання природного газу виділяє значну кількість CO2, парникового газу.

Високі інвестиції в обладнання

Зменшення викидів відпрацьованих газів від спалювання природного газу вимагає заходів щодо контролю забруднення. Низький рівень використання тепла також вимагає заходів щодо рекуперації відхідного тепла. Крім того, спалювання чистого кисню вимагає обладнання для виробництва кисню. Ці три фактори значно збільшують інвестиції в обладнання. Інвестиції в одиницю для полум'яного методу становлять приблизно 11 000-20 000 юанів за тонну.

• Метод повністю електричного плавлення

Порівняно з полум'яним методом, повністю електричний метод плавлення пропонує помітні переваги.

Висока якість плавлення

Технологія повністю електричного плавлення базується на принципі, що розплав є електропровідним у розплавленому стані за високої температури, що дозволяє безпосередньо подавати електричну енергію до розплаву для внутрішнього нагрівання. Вертикальне розташування електродів сприяє вертикальному плавленню. Повністю електричні плавильні ванни продуктивністю тисячі тонн на рік можуть досягати глибини розплаву понад 1,2 метра, забезпечуючи довшу секцію освітлення та гомогенізації. Високотемпературна ізотермічна зона всередині резервуара глибша, що призводить до кращої якості плавлення та гомогенізації базальту.

Енергоефективність

Прямий внутрішній нагрів розплаву, вертикальне плавлення, глибші резервуари та покриття поверхні розплаву холодним матеріалом сприяють високим швидкостям плавлення та високій тепловій ефективності. По-перше, електроди, безпосередньо вставлені в розплав, забезпечують повне використання джоулевої теплоти. По-друге, глибокий рівень розплаву, глибина якого наближається до внутрішнього діаметра печі, призводить до меншої, майже мінімальної питомої поверхні розплаву. Ця геометрична структура значно зменшує тепловіддачу порівняно з тарілкоподібною структурою полум'яного методу. По-третє, покриття поверхні розплаву холодним матеріалом утворює «холодну верхівку печі», що ще більше зменшує втрати тепла.

Низьковуглецевий слід

Технологія повністю електричного плавлення усуває викиди вуглецю, пов'язані зі спалюванням природного газу полум'ямним методом. Викиди вуглецю визначаються виключно енергетичним балансом енергосистеми. Якщо використовуються гідроенергія або інші відновлювані джерела енергії, можна досягти нульових викидів вуглецю.

Нижчі інвестиції

Оскільки повністю електричний метод плавлення не передбачає спалювання природного газу з використанням чистого кисню, немає потреби інвестувати в обладнання для очищення відпрацьованих газів від навколишнього середовища або обладнання для виробництва кисню. Крім того, покриття поверхні розплаву холодним матеріалом означає відсутність потреби в інвестиціях в обладнання для рекуперації відпрацьованого тепла. Таким чином, інвестиційні витрати на одиницю продукції для повністю електричного методу плавлення нижчі.

Вигідна ціна

Значна економія енергії та нижчі амортизаційні відрахування на основні засоби призводять до помітної переваги у витратах.