|
連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)路線選擇 王寶琛 王飛凌 目前，我國自主開發(fā)的連續(xù)玄武巖纖維制備技術(shù)分為兩種，分別為火焰法與全電熔法。 ????一、火焰法 在以耐火磚為主結(jié)構(gòu)的玄武巖窯爐內(nèi)，通過爐頂天然氣純氧（或熱空氣）燃燒或其他物理方法產(chǎn)生的火焰（如等離子焰）把熱能直接送到玄武巖熔體上表面，或以這種加熱方式為主再輔以底部電極加熱，進行熔制、澄清以及成形的生產(chǎn)過程及其技術(shù)就是火焰法。 火焰法小型單元爐沒有底部輔助電極，只有爐頂天然氣燃燒加熱。這種小型單元爐，目前在業(yè)內(nèi)是主流。但是，由于能耗高、生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品性價比低，采用這種技術(shù)的絕大多數(shù)企業(yè)都處于嚴重虧損、瀕臨破產(chǎn)狀態(tài)。發(fā)展方向是火焰法池窯，頂部采用純氧天然氣燃燒，底部輔助電極加熱，這種“氣電結(jié)合”方法。目前這種火焰法池窯技術(shù)是制備玻璃纖維的絕對主流技術(shù)，這些玻纖窯爐的運行都非常成熟與成功的，特別是單元窯，幾乎成為玻纖池窯拉絲窯型設計的標準。人們致力于把這種技術(shù)移植到連續(xù)玄武巖纖維制備上，經(jīng)過有限次的試錯，至今未能取得成功。近兩年，有人另辟蹊徑，一改純天然火山石原料為配方原料（即摻入大比例的非火山石），實現(xiàn)了1萬噸/年和3500噸/年火焰法池窯生產(chǎn)線投產(chǎn)運行。 ????二、全電熔法 在以耐火磚為主結(jié)構(gòu)的玄武巖窯爐內(nèi)，通過電極（如石墨、鉬、二氧化錫等）或（和）其他物理方法（如等離子法等）把電能直接送到高溫的玄武巖熔體內(nèi)，進行熔制、澄清以及成形的生產(chǎn)過程及其技術(shù)就是全電熔技術(shù)。 我國連續(xù)玄武巖纖維全電熔法制備技術(shù)始于2002年的國家863計劃，完成了全電熔法小型單體爐拉絲裝置。直到2016年，在連續(xù)玄武巖纖維全電熔法拉絲制備技術(shù)方面取得突破性進展，完成了千噸/年全電熔法池窯技術(shù)中試，采用多排推進式電極，熔體液面深度可達1300mm，產(chǎn)品單絲直徑集中在9-22μm之間，綜合單位電耗為3.0-3.5kwh/kg，表現(xiàn)出良好的節(jié)能效果；在當?shù)仉妰r0.51元/度的情況下，制備成本下降到6000元/噸。2018年1200噸/年電熔法池窯生產(chǎn)線（“一拖八”，采用400孔漏板）正式投產(chǎn)運行，平穩(wěn)運行3年多，驗證了窯爐壽命可達到3年以上。 迄今為止，連續(xù)玄武巖纖維制備技術(shù)，對于純天然火山石原料僅保留在年產(chǎn)千噸級池窯技術(shù)水平上，而且僅為全電熔法。 三、兩種技術(shù)路線的比較 玄武巖高溫熔融體的特點是導熱性差、粘度大，料性短，也是制備連續(xù)玄武巖纖維的難度所在。 （一）火焰法 火焰法技術(shù)比較成熟，直接從前蘇聯(lián)（現(xiàn)俄羅斯和烏克蘭）引進，經(jīng)玻纖人結(jié)合國情稍加改進，就投入使用。在產(chǎn)業(yè)化進程中暴露出的最大問題是生產(chǎn)成本高、性價比低。很大程度上，這是方法本身物理結(jié)構(gòu)缺陷造成的。 1、熱利用率低 此法，天然氣從爐頂噴入燃燒，其火焰直接加熱玄武巖熔體表面，絕大部分熱量（60%以上）通過熔體表面反射被尾氣帶走。由于玄武巖高溫熔體導熱系數(shù)較低，僅為玻璃高溫熔體的1/10，熱傳導速度極慢，小型單元爐熔體液面深度僅能保持15cm左右；萬噸/年的火焰法玄武巖配料池窯采用底部電極輔助加熱，液面深度能保持到50cm。熔體在爐內(nèi)呈盤狀結(jié)構(gòu)，熔體比表面積大，散熱大，通過保溫材料流失的熱量大于10%。如此，實際熱利用率不到30%。 2、熔煉質(zhì)質(zhì)量不高 由于火焰法熔體液面淺，澄清與均化段不能得到充分均化，熔煉質(zhì)量不高。 3、廢氣排放 天然氣燃燒產(chǎn)生硫化物、氮化物等廢氣排放。 4、溫室氣體排放 天然氣作為化石能源燃燒有大量CO2溫室氣體排放。 5、設備投資較大 由于天然氣燃燒廢氣排放，需要治理措施。熱利用率低需要采取余熱利用措施。此外，純氧燃燒還需要制氧設備。此三項大大增加了設備投資?；鹧娣ǖ膯挝煌顿Y大約在1.1-2.0萬元/噸。 （二）全電熔法 與火焰法相比，全電熔法有比較突出的優(yōu)勢。 1、熔煉質(zhì)量高 由于電熔技術(shù)是基于熔體在高溫熔融狀態(tài)下具有導電性的原理，將電能輸入熔體內(nèi)部加熱，電極垂直布局就實現(xiàn)了垂直熔化，年產(chǎn)千噸級的全電融法池窯池深可達 1.2 m以上，因而有較長的澄清與均化段，池內(nèi)高溫等溫區(qū)較深，玄武巖的熔制與均化質(zhì)量較好。 2、節(jié)能 由于在熔體內(nèi)部直接加熱、垂直熔化、池深以及液面冷料覆蓋原因，熔化率高、熱效率高。首先，電極直接插入熔體內(nèi)部加熱，焦耳熱能得到充分利用。其次，熔體液面深，其深度接近熔爐內(nèi)直徑，熔體比表面積較小，且接近最小值。這種幾何結(jié)構(gòu)較之火焰法盤狀結(jié)構(gòu)散熱面積小很多。再其次，熔體液面冷料覆蓋，形成冷爐頂，減少了熱散失。 3、低碳 全電熔技術(shù)沒有火焰法燃燒天然氣的碳排放，其碳排放只決定于電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)。如果使用水電或其他可再生能源，就可以實現(xiàn)零碳排放。 4、投資少 由于沒有火焰法純氧燃燒天然氣，就不需要投資尾氣環(huán)保治理設備和制氧設備；并且全電熔法液面冷料覆蓋，也不需要投資余熱利用設備。全電熔法的單位投資大約為0.8萬元/噸。 5、成本優(yōu)勢 由于節(jié)能效果明顯以及固定資產(chǎn)折舊較少，具有顯著的成本優(yōu)勢。 四、連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)化技術(shù)選擇 （一）技術(shù)選擇的依據(jù) 首先是，在市場競爭中可存續(xù)發(fā)展的問題。我在《連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考》中指出了，連續(xù)玄武巖纖維面臨性能相當?shù)腅-CR玻纖的激烈競爭，處于十分不利的劣勢狀態(tài)，制造成本的玻纖化是實現(xiàn)連續(xù)玄武巖纖維在市場中可存續(xù)發(fā)展即產(chǎn)業(yè)化的必要充分條件。因此，我們的選擇應該是投資最小、制造成本最低的技術(shù)路線。 其次是，節(jié)能環(huán)保問題，選擇能耗強度最低、“三廢”排放最少的技術(shù)路線。 再其次，溫室氣體排放問題，選擇CO2排放最少的低碳或零碳技術(shù)路線。 （二）技術(shù)選擇的路徑依賴 企業(yè)的路徑依賴是企業(yè)的慣性依賴，也是一種惰性，使我們思維固化，阻擾我們思維轉(zhuǎn)換做出新的選擇。 由于連續(xù)玄武巖纖維的生產(chǎn)流程與連續(xù)玻璃纖維的生產(chǎn)流程有著幾何的相似性，因此不少人極力引用目前流行的、十分成熟的玻纖的生產(chǎn)技術(shù)，這就是純氧燃燒池窯技術(shù)。 自從1988年珠海玻纖廠全套引進日本以單元爐為窯型的池窯拉絲生產(chǎn)線以來，玻纖行業(yè)沿著這條技術(shù)路徑奔跑了30多年，從引進時的4000噸/年生產(chǎn)線，發(fā)展到10多萬噸/年生產(chǎn)線，把玻纖的價格做成了“白菜價”，成績斐然。這些窯爐技術(shù)的運行都非常成熟與成功，特別是單元窯，幾乎成為玻纖池窯拉絲窯型設計的標準。但是，行業(yè)的原創(chuàng)性技術(shù)是什么？就只有一項，就是用純氧助燃代替了熱空氣助燃。沒有基本的原創(chuàng)性技術(shù)就靠這條引進的技術(shù)跑了30年，企業(yè)已經(jīng)形成了路徑依賴，必然要面臨困境。這個困境就是碳排放問題。國內(nèi)外碳稅政策的實施，以及國家對碳排放的總量與強度的雙控政策落實，這條技術(shù)路線的發(fā)展前景并不樂觀。 很多人想把玻纖行業(yè)的這種成熟的技術(shù)路線移植到連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)上來，實際上移植的是路徑依賴，這不是明智的選擇。 （三）產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路線的選擇 根據(jù)以上分析，很清楚，連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)可產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)路線選擇，就是全電熔技術(shù)路線。這個技術(shù)路線是投資最小、成本最低、綠色環(huán)保、低碳的技術(shù)路線。采用這種技術(shù)路線生產(chǎn)出來的連續(xù)玄武巖纖維才是21世紀綠色纖維，實至名歸。 全電熔法與可再生能源結(jié)合可實現(xiàn)零碳發(fā)展，完全實現(xiàn)CDM（清潔發(fā)展機制）。其中有幾種組合模式可供參考。 1、小水電群+全電熔 在水網(wǎng)發(fā)達的地區(qū)，如四川的雅安和樂山等地，小水電群成了地區(qū)性電網(wǎng)，又有豐富的玄武巖礦石，非常適合采用這種技術(shù)模式發(fā)展連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)。 2、（光伏+儲能）+全電熔 ????在日照時長的地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙以及四川西部等地區(qū)，可以“光伏+儲能”模式發(fā)展分布式能源，加之這些地區(qū)玄武巖礦豐富，可就地取材，非常適合采用這種技術(shù)模式發(fā)展連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)。 3、（風電+儲能）+全電熔 在風力資源豐富的地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙、黑龍江、沿海以及四川西部等地區(qū)，可以“風電+儲能”模式發(fā)展分布式能源，加之這些地區(qū)有玄武巖礦資源，可就地或就近取材，適合采用這種技術(shù)模式發(fā)展連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)。 4、（風光互補+儲能）+全電熔 在光伏資源和風力資源都豐富的地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙、黑龍江以及四川西部等地區(qū)，可以“風光互補+儲能”模式發(fā)展分布式能源，加之這些地區(qū)有玄武巖礦資源，可就地或就近取材，適合采用這種技術(shù)模式發(fā)展連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)。 （四）關(guān)于全電熔法 關(guān)于全電熔法技術(shù)，按產(chǎn)業(yè)化要求，目前還不成熟，還需要在現(xiàn)有年產(chǎn)千噸級中試基礎上，集中優(yōu)勢的人力資源，采取小步快跑策略，加快產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)。根據(jù)我們模擬計算，年產(chǎn)5000噸全電熔池窯，原料本地化，采用1200孔漏板，供電電價0.35元/度（四川某地電價），就可使生產(chǎn)成本達到0.4元/噸以下，基本具備成本領(lǐng)先優(yōu)勢。如果池窯規(guī)模擴大到年產(chǎn)1萬噸，供電價格0.7+元/度，生產(chǎn)成本也可以達到0.3+元/噸，加上低碳優(yōu)勢，完全具備成本競爭優(yōu)勢。
|