Hai công nghệ chế tạo sợi bazan liên tục chính thống

1. Phương pháp ngọn lửa

Phương pháp ngọn lửa liên quan đến một quá trình sản xuất trong đó nhiệt được truyền trực tiếp đến bề mặt của Đá bazan Quá trình nung chảy diễn ra trong lò nung bazan kết cấu gạch chịu lửa. Nhiệt này thường được tạo ra bởi ngọn lửa (chẳng hạn như quá trình đốt cháy khí tự nhiên-oxy hoặc không khí nóng, hoặc ngọn lửa plasma) từ đỉnh lò. Phương pháp gia nhiệt chính này có thể được bổ sung bằng phương pháp gia nhiệt điện cực đáy. Toàn bộ quy trình bao gồm nung chảy, làm trong và tạo hình.

Lò nung ngọn lửa nhỏ, độc lập, hiện đang phổ biến trong ngành, chỉ sử dụng nhiệt đốt cháy khí thiên nhiên ở phía trên và không có điện cực đáy phụ trợ. Tuy nhiên, do mức tiêu thụ năng lượng cao, chi phí sản xuất cao và hiệu quả chi phí sản phẩm thấp, hầu hết các công ty sử dụng công nghệ này đang chịu tổn thất nặng nề và đang bên bờ vực phá sản.

Hướng phát triển của phương pháp ngọn lửa là lò nung bằng lửa, sử dụng phương pháp "kết hợp khí-điện" với quá trình đốt cháy khí tự nhiên-oxy ở phía trên và gia nhiệt điện cực đáy phụ trợ. Phương pháp "kết hợp khí-điện" này là công nghệ chủ đạo tuyệt đối cho sản xuất Sợi thủy tinhs, và các lò nung sợi thủy tinh này hoạt động rất hoàn thiện và thành công, đặc biệt là các lò nung đơn vị, gần như đã trở thành tiêu chuẩn cho thiết kế lò nung kéo sợi thủy tinh dạng bể. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để chuyển giao công nghệ này sang sản xuất sợi bazan liên tục, nhưng mặc dù thử nghiệm còn hạn chế, vẫn chưa đạt được thành công. Trong hai năm qua, một số người đã áp dụng một cách tiếp cận khác, chuyển từ nguyên liệu đá núi lửa tự nhiên nguyên chất sang nguyên liệu đã được xử lý (tức là kết hợp một tỷ lệ lớn đá không phải núi lửa). Điều này đã dẫn đến việc đưa vào vận hành và vận hành thành công các dây chuyền sản xuất lò nung bằng lửa dạng bể công suất 10.000 tấn/năm và 3.500 tấn/năm.

2. Phương pháp nấu chảy hoàn toàn bằng điện

Phương pháp nấu chảy hoàn toàn bằng điện bao gồm một quy trình sản xuất trong đó năng lượng điện được truyền trực tiếp vào khối bazan nóng chảy ở nhiệt độ cao bên trong lò nung bazan bằng gạch chịu lửa. Quá trình này được thực hiện thông qua các điện cực (như than chì, molypden, thiếc dioxit, v.v.) hoặc (và) các phương pháp vật lý khác (như phương pháp plasma). Công nghệ này bao gồm các bước nấu chảy, làm trong và tạo hình.

Phương pháp nấu chảy sợi bazan liên tục bằng điện hoàn toàn của Trung Quốc bắt đầu với Chương trình 863 quốc gia vào năm 2002, hoàn thành một thiết bị kéo lò độc lập quy mô nhỏ sử dụng phương pháp này. Những đột phá đáng kể trong quá trình nấu chảy liên tục sợi bazan Công nghệ kéo nóng chảy hoàn toàn bằng điện đã được hoàn thành vào năm 2016, với việc hoàn thành lò nung bể nóng chảy hoàn toàn bằng điện quy mô thí điểm công suất một nghìn tấn/năm. Hệ thống này sử dụng điện cực tiến bộ nhiều hàng, cho phép đạt độ sâu mực chất lỏng nóng chảy lên đến 1300mm. Đường kính sợi monofilament của sản phẩm được tập trung trong khoảng 9-22μm, và mức tiêu thụ điện năng toàn đơn vị là 3,0-3,5 kWh/kg, chứng minh hiệu quả tiết kiệm năng lượng tuyệt vời. Năm 2018, dây chuyền sản xuất lò nung bể nóng chảy hoàn toàn bằng điện công suất 1200 tấn/năm ("một đến tám", sử dụng vòi phun 400 lỗ) đã chính thức được đưa vào vận hành. Dây chuyền đã hoạt động ổn định trong hơn ba năm, chứng minh tuổi thọ lò nung có thể đạt hơn ba năm.

Cho đến nay, đối với nguyên liệu đá núi lửa tự nhiên nguyên chất, công nghệ sản xuất sợi bazan liên tục chỉ duy trì ở mức công nghệ lò bể nghìn tấn/năm và chỉ dành riêng cho phương pháp nấu chảy hoàn toàn bằng điện.

3. So sánh hai tuyến đường công nghệ

Đặc điểm của nhiệt độ cao đá bazan tan chảy, cụ thể là độ dẫn nhiệt kém, độ nhớt cao và tính chất vật liệu ngắn, chính là những nguyên nhân khiến việc sản xuất sợi bazan liên tục trở nên khó khăn.

• Phương pháp ngọn lửa

Phương pháp ngọn lửa, một công nghệ tương đối hoàn thiện được du nhập từ Liên Xô cũ (nay là Nga và Ukraine) và được điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện cụ thể của Trung Quốc, đã được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của phương pháp này trong công nghiệp hóa là chi phí sản xuất cao và hiệu quả chi phí thấp, phần lớn là do những khiếm khuyết về cấu trúc vật lý vốn có của chính phương pháp này.

Sử dụng nhiệt thấp

Trong phương pháp này, khí đốt tự nhiên được đốt cháy từ đỉnh lò, với ngọn lửa làm nóng trực tiếp bề mặt nóng chảy của đá bazan. Hơn 60% nhiệt được phản xạ bởi bề mặt nóng chảy và được mang đi bởi khí thải. Do đá bazan nóng chảy ở nhiệt độ cao có độ dẫn nhiệt thấp hơn mười lần so với đá thủy tinh nóng chảy ở nhiệt độ cao, nên quá trình truyền nhiệt cực kỳ chậm. Các lò nung đơn lẻ, nhỏ chỉ có thể duy trì độ sâu nóng chảy khoảng 15 cm. Trong khi các lò nung bể chứa đá bazan nung bằng ngọn lửa 10.000 tấn/năm có thể đạt độ sâu nóng chảy là 50 cm với hệ thống gia nhiệt điện cực đáy phụ trợ, thì đá nóng chảy tạo thành một cấu trúc giống như đĩa bên trong lò, dẫn đến diện tích bề mặt riêng lớn và tản nhiệt đáng kể. Nhiệt bị mất qua vật liệu cách nhiệt vượt quá 10%. Do đó, tỷ lệ sử dụng nhiệt thực tế ít hơn 30%.

Chất lượng nóng chảy thấp

Do mức độ nóng chảy nông trong phương pháp ngọn lửa nên các phần làm trong và đồng nhất không thể đạt được sự đồng nhất hoàn toàn, dẫn đến chất lượng nóng chảy thấp hơn.

Khí thải

Quá trình đốt cháy khí tự nhiên tạo ra các loại khí thải như lưu huỳnh và nitơ oxit.

Phát thải khí nhà kính

Là một nhiên liệu hóa thạch, quá trình đốt cháy khí tự nhiên giải phóng một lượng lớn CO2, một loại khí nhà kính.

Đầu tư thiết bị cao

Việc xử lý khí thải từ quá trình đốt khí tự nhiên đòi hỏi các biện pháp kiểm soát ô nhiễm. Việc sử dụng nhiệt thấp cũng đòi hỏi các biện pháp thu hồi nhiệt thải. Hơn nữa, quá trình đốt oxy nguyên chất đòi hỏi thiết bị tạo oxy. Ba yếu tố này làm tăng đáng kể đầu tư thiết bị. Chi phí đầu tư cho phương pháp ngọn lửa khoảng 11.000-20.000 nhân dân tệ/tấn.

• Phương pháp nấu chảy hoàn toàn bằng điện

So với phương pháp dùng ngọn lửa, phương pháp nung chảy hoàn toàn bằng điện mang lại những ưu điểm đáng chú ý.

Chất lượng nóng chảy cao

Công nghệ nấu chảy hoàn toàn bằng điện dựa trên nguyên lý vật liệu nóng chảy dẫn điện ở trạng thái nóng chảy nhiệt độ cao, cho phép năng lượng điện được cung cấp trực tiếp cho vật liệu nóng chảy để gia nhiệt bên trong. Việc sắp xếp các điện cực theo chiều dọc tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nấu chảy theo chiều dọc. Lò nung bể nấu chảy hoàn toàn bằng điện công suất hàng nghìn tấn mỗi năm có thể đạt độ sâu nấu chảy hơn 1,2 mét, cung cấp phần làm trong và đồng nhất dài hơn. Vùng đẳng nhiệt nhiệt độ cao bên trong bể sâu hơn, giúp chất lượng nấu chảy và đồng nhất của đá bazan tốt hơn.

Hiệu quả năng lượng

Gia nhiệt trực tiếp bên trong khối nóng chảy, nấu chảy theo chiều dọc, bể chứa sâu hơn và lớp phủ vật liệu lạnh trên bề mặt khối nóng chảy góp phần tạo nên tốc độ nóng chảy cao và hiệu suất nhiệt cao. Thứ nhất, các điện cực được đưa trực tiếp vào khối nóng chảy đảm bảo tận dụng tối đa nhiệt Joule. Thứ hai, lớp nóng chảy sâu, với độ sâu gần bằng đường kính trong của lò, dẫn đến diện tích bề mặt riêng của khối nóng chảy nhỏ hơn, gần như tối thiểu. Cấu trúc hình học này làm giảm đáng kể sự tản nhiệt so với cấu trúc hình đĩa của phương pháp ngọn lửa. Thứ ba, lớp phủ vật liệu lạnh trên bề mặt khối nóng chảy tạo thành một "đỉnh lò lạnh", giúp giảm thiểu thất thoát nhiệt hơn nữa.

Dấu chân carbon thấp

Công nghệ nấu chảy hoàn toàn bằng điện loại bỏ hoàn toàn lượng khí thải carbon liên quan đến quá trình đốt khí tự nhiên bằng phương pháp ngọn lửa. Lượng khí thải carbon của công nghệ này hoàn toàn được xác định bởi cơ cấu năng lượng của lưới điện. Nếu sử dụng thủy điện hoặc các nguồn năng lượng tái tạo khác, có thể đạt được mức phát thải carbon bằng 0.

Đầu tư thấp hơn

Vì phương pháp nấu chảy hoàn toàn bằng điện không liên quan đến quá trình đốt cháy oxy nguyên chất của khí tự nhiên, nên không cần đầu tư vào thiết bị xử lý môi trường khí thải hoặc thiết bị tạo oxy. Hơn nữa, lớp vật liệu lạnh bao phủ bề mặt nấu chảy đồng nghĩa với việc không cần đầu tư vào thiết bị thu hồi nhiệt thải. Do đó, chi phí đầu tư cho phương pháp nấu chảy hoàn toàn bằng điện thấp hơn.

Lợi thế về chi phí

Tiết kiệm năng lượng đáng kể và khấu hao tài sản cố định thấp hơn mang lại lợi thế rõ rệt về chi phí.