王宝琛  王飞凌

 

       目前，我国自主开发的连续玄武岩纤维制备技术分为两种，分别为火焰法与全电熔法。

 

一、火焰法

 

       在以耐火砖为主结构的玄武岩窑炉内，通过炉顶天然气纯氧（或热空气）燃烧或其他物理方法产生的火焰（如等离子焰）把热能直接送到玄武岩熔体上表面，或以这种加热方式为主再辅以底部电极加热，进行熔制、澄清以及成形的生产过程及其技术就是火焰法。

 

       火焰法小型单元炉没有底部辅助电极，只有炉顶天然气燃烧加热。这种小型单元炉，目前在业内是主流。但是，由于能耗高、生产成本高，产品性价比低，采用这种技术的绝大多数企业都处于严重亏损、濒临破产状态。发展方向是火焰法池窑，顶部采用纯氧天然气燃烧，底部辅助电极加热，这种“气电结合”方法。目前这种火焰法池窑技术是制备玻璃纤维的绝对主流技术，这些玻纤窑炉的运行都非常成熟与成功的，特别是单元窑，几乎成为玻纤池窑拉丝窑型设计的标准。人们致力于把这种技术移植到连续玄武岩纤维制备上，经过有限次的试错，至今未能取得成功。近两年，有人另辟蹊径，一改纯天然火山石原料为配方原料（即掺入大比例的非火山石），实现了1万吨/年和3500吨/年火焰法池窑生产线投产运行。

 

二、全电熔法

 

       在以耐火砖为主结构的玄武岩窑炉内，通过电极（如石墨、钼、二氧化锡等）或（和）其他物理方法（如等离子法等）把电能直接送到高温的玄武岩熔体内，进行熔制、澄清以及成形的生产过程及其技术就是全电熔技术。

 

       我国连续玄武岩纤维全电熔法制备技术始于2002年的国家863计划，完成了全电熔法小型单体炉拉丝装置。直到2016年，在连续玄武岩纤维全电熔法拉丝制备技术方面取得突破性进展，完成了千吨/年全电熔法池窑技术中试，采用多排推进式电极，熔体液面深度可达1300mm，产品单丝直径集中在9-22μm之间，综合单位电耗为3.0-3.5kwh/kg，表现出良好的节能效果；在当地电价0.51元/度的情况下，制备成本下降到6000元/吨。2018年1200吨/年电熔法池窑生产线（“一拖八”，采用400孔漏板）正式投产运行，平稳运行3年多，验证了窑炉寿命可达到3年以上。

 

       迄今为止，连续玄武岩纤维制备技术，对于纯天然火山石原料仅保留在年产千吨级池窑技术水平上，而且仅为全电熔法。

 

三、两种技术路线的比较

 

       玄武岩高温熔融体的特点是导热性差、粘度大，料性短，也是制备连续玄武岩纤维的难度所在。

 

       （一）火焰法

 

       火焰法技术比较成熟，直接从前苏联（现俄罗斯和乌克兰）引进，经玻纤人结合国情稍加改进，就投入使用。在产业化进程中暴露出的最大问题是生产成本高、性价比低。很大程度上，这是方法本身物理结构缺陷造成的。

 

       1、热利用率低

 

       此法，天然气从炉顶喷入燃烧，其火焰直接加热玄武岩熔体表面，绝大部分热量（60%以上）通过熔体表面反射被尾气带走。由于玄武岩高温熔体导热系数较低，仅为玻璃高温熔体的1/10，热传导速度极慢，小型单元炉熔体液面深度仅能保持15cm左右；万吨/年的火焰法玄武岩配料池窑采用底部电极辅助加热，液面深度能保持到50cm。熔体在炉内呈盘状结构，熔体比表面积大，散热大，通过保温材料流失的热量大于10%。如此，实际热利用率不到30%。

 

       2、熔炼质质量不高

 

       由于火焰法熔体液面浅，澄清与均化段不能得到充分均化，熔炼质量不高。

 

       3、废气排放

 

       天然气燃烧产生硫化物、氮化物等废气排放。

 

       4、温室气体排放

 

       天然气作为化石能源燃烧有大量CO2温室气体排放。

 

       5、设备投资较大

 

       由于天然气燃烧废气排放，需要治理措施。热利用率低需要采取余热利用措施。此外，纯氧燃烧还需要制氧设备。此三项大大增加了设备投资。火焰法的单位投资大约在1.1-2.0万元/吨。

 

       （二）全电熔法

 

       与火焰法相比，全电熔法有比较突出的优势。

 

       1、熔炼质量高

 

       由于电熔技术是基于熔体在高温熔融状态下具有导电性的原理，将电能输入熔体内部加热，电极垂直布局就实现了垂直熔化，年产千吨级的全电融法池窑池深可达 1.2 m以上，因而有较长的澄清与均化段，池内高温等温区较深，玄武岩的熔制与均化质量较好。

 

       2、节能

 

       由于在熔体内部直接加热、垂直熔化、池深以及液面冷料覆盖原因，熔化率高、热效率高。首先，电极直接插入熔体内部加热，焦耳热能得到充分利用。其次，熔体液面深，其深度接近熔炉内直径，熔体比表面积较小，且接近最小值。这种几何结构较之火焰法盘状结构散热面积小很多。再其次，熔体液面冷料覆盖，形成冷炉顶，减少了热散失。

 

       3、低碳

 

       全电熔技术没有火焰法燃烧天然气的碳排放，其碳排放只决定于电网电源结构。如果使用水电或其他可再生能源，就可以实现零碳排放。

 

       4、投资少

 

       由于没有火焰法纯氧燃烧天然气，就不需要投资尾气环保治理设备和制氧设备；并且全电熔法液面冷料覆盖，也不需要投资余热利用设备。全电熔法的单位投资大约为0.8万元/吨。

 

       5、成本优势

 

       由于节能效果明显以及固定资产折旧较少，具有显著的成本优势。

 

四、连续玄武岩纤维产业化技术选择

 

       （一）技术选择的依据

 

       首先是，在市场竞争中可存续发展的问题。我在《连续玄武岩纤维产业发展的思考》中指出了，连续玄武岩纤维面临性能相当的E-CR玻纤的激烈竞争，处于十分不利的劣势状态，制造成本的玻纤化是实现连续玄武岩纤维在市场中可存续发展即产业化的必要充分条件。因此，我们的选择应该是投资最小、制造成本最低的技术路线。

 

       其次是，节能环保问题，选择能耗强度最低、“三废”排放最少的技术路线。

 

       再其次，温室气体排放问题，选择CO2排放最少的低碳或零碳技术路线。

 

       （二）技术选择的路径依赖

 

       企业的路径依赖是企业的惯性依赖，也是一种惰性，使我们思维固化，阻扰我们思维转换做出新的选择。

 

       由于连续玄武岩纤维的生产流程与连续玻璃纤维的生产流程有着几何的相似性，因此不少人极力引用目前流行的、十分成熟的玻纤的生产技术，这就是纯氧燃烧池窑技术。

 

       自从1988年珠海玻纤厂全套引进日本以单元炉为窑型的池窑拉丝生产线以来，玻纤行业沿着这条技术路径奔跑了30多年，从引进时的4000吨/年生产线，发展到10多万吨/年生产线，把玻纤的价格做成了“白菜价”，成绩斐然。这些窑炉技术的运行都非常成熟与成功，特别是单元窑，几乎成为玻纤池窑拉丝窑型设计的标准。但是，行业的原创性技术是什么？就只有一项，就是用纯氧助燃代替了热空气助燃。没有基本的原创性技术就靠这条引进的技术跑了30年，企业已经形成了路径依赖，必然要面临困境。这个困境就是碳排放问题。国内外碳税政策的实施，以及国家对碳排放的总量与强度的双控政策落实，这条技术路线的发展前景并不乐观。

 

       很多人想把玻纤行业的这种成熟的技术路线移植到连续玄武岩纤维生产上来，实际上移植的是路径依赖，这不是明智的选择。

 

       （三）产业化技术路线的选择

 

       根据以上分析，很清楚，连续玄武岩纤维产业可产业化的技术路线选择，就是全电熔技术路线。这个技术路线是投资最小、成本最低、绿色环保、低碳的技术路线。采用这种技术路线生产出来的连续玄武岩纤维才是21世纪绿色纤维，实至名归。

 

       全电熔法与可再生能源结合可实现零碳发展，完全实现CDM（清洁发展机制）。其中有几种组合模式可供参考。

 

       1、小水电群+全电熔

 

       在水网发达的地区，如四川的雅安和乐山等地，小水电群成了地区性电网，又有丰富的玄武岩矿石，非常适合采用这种技术模式发展连续玄武岩纤维产业。

 

        2、（光伏+储能）+全电熔

 

在日照时长的地区，如新疆、内蒙以及四川西部等地区，可以“光伏+储能”模式发展分布式能源，加之这些地区玄武岩矿丰富，可就地取材，非常适合采用这种技术模式发展连续玄武岩纤维产业。

 

       3、（风电+储能）+全电熔

 

       在风力资源丰富的地区，如新疆、内蒙、黑龙江、沿海以及四川西部等地区，可以“风电+储能”模式发展分布式能源，加之这些地区有玄武岩矿资源，可就地或就近取材，适合采用这种技术模式发展连续玄武岩纤维产业。

 

       4、（风光互补+储能）+全电熔

 

       在光伏资源和风力资源都丰富的地区，如新疆、内蒙、黑龙江以及四川西部等地区，可以“风光互补+储能”模式发展分布式能源，加之这些地区有玄武岩矿资源，可就地或就近取材，适合采用这种技术模式发展连续玄武岩纤维产业。

 

       （四）关于全电熔法

 

       关于全电熔法技术，按产业化要求，目前还不成熟，还需要在现有年产千吨级中试基础上，集中优势的人力资源，采取小步快跑策略，加快产业化技术开发。根据我们模拟计算，年产5000吨全电熔池窑，原料本地化，采用1200孔漏板，供电电价0.35元/度（四川某地电价），就可使生产成本达到0.4元/吨以下，基本具备成本领先优势。如果池窑规模扩大到年产1万吨，供电价格0.7+元/度，生产成本也可以达到0.3+元/吨，加上低碳优势，完全具备成本竞争优势。

 

 

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