"Procédé perfectionné de production de verre fondu" La présente invention concerne de nouveaux procédés perfectionnés pour enlever des matières volatiles, et en particulier des borates et fluorures, de gaz chauds de fours.
Dans la fabrication du verre, on ajoute des fondants à de la silice et/ou à des silicates à point élevé de fusion, comme par exemple les silicates d'aluminium, afin de produire un stade initial fondu qui accélère la dissolution
de la silice et/ou des silicates ; en outre, cela confère au verre finalement produit une basse température de fusion qui est intéressante pour son utilisation. La "soude" est une matière largement utilisée pour parvenir à ces fins. Mais la "soude", utilisée seule, produit des verres pouvant se dissoudre par lixiviation dans de l'eau et qui ont ainsi de médiocres caractéristiques de résistance aux intempéries. Le verre à la soude ou verre soluble est en fait si lixiviable qu'il ne peut servir comme seul fondant pour des verres à partir desquels
on produit des fibres de verre. Donc, on utilise d'autres fondants, comme des borates et/ou des fluorures, pour abaisser
la température de fusion des silicates, et cela donne des silicates ayant dans l'eau une solubilité suffisamment basse pour présenter des caractéristiques acceptables de résistance aux intempéries. Lorsqu'ils sont à l'état fondu, des verres contenant des borates et/ou des fluorures libèrent des borates et/ou des fluorures,et ces matières partent avec les gaz brûlés s'échappant du four. De plus, les borates de sodium et/ou les fluorures de sodium ont par eux-mêmes une pression appréciable de vapeur à leur température de fusion, de sorte qu'une quantité importante de ces matières est perdue lorsqu'on chauffe des compositions contenant ces matières au cours de l'opération de chargement des fours de production du verre.
Les borates et fluorures soulèvent des problèmes écologiques lorsque ces composés partent avec les gaz brûlés, et l'on a donc souhaité depuis longtemps trouver une façon économique d'extraire ces matières volatiles des gaz brûlés. Il a été suggéré jusqu'à présent de mélanger de l'air de refroidissement aux gaz brûlés pour en abaisser la température jusqu'au point où les borates
et fluorures volatils se condensent en de la matière particulaire que l'on puisse extraire des gaz à l'aide de filtres à sacset/ou de dispositifs électrostatiques de précipitation.
Cependant, ces procédés d'extraction ne sont pas économiques puisque l'air de refroidissement diminue l'effet de cheminée
à un point tel qu'il faut utiliser des ventilateurs pour faire déplacer les gaz brûlés à travers les filtres à sacs et/ou les dispositifs électrostatiques de précipitation. Or, l'air de refroidissement que l'on introduit dans les gaz brûlés
doit être si volumineux que la dimension des ventilateurs devient énorme et le procédé non économique.
Avant la présente invention, il n'y a pas eu, pour autant que la Demanderesse le sache et pour extraire ces matières volatiles des gaz brûlés, un procédé qui soit suffisamment simple, efficace et économique à mettre en oeuvre pour justifier une utilisation industrielle d'un tel procédé.
Un but de la présente invention est de proposer un procédé nouveau et perfectionné pour enlever des borates et/ou fluorures volatils des gaz brûlés provenant de fours de production de verre, etc.
Un autre but de la présente invention concerne un procédé nouveau et perfectionné pour empêcher l'échappement des borates et/ou fluorures volatils des matières formant
les compositions traitées pendant que l'on élève, jusqu'à la température de la fusion complète, la température de ces matières formant les compositions traitées.
Un autre but de la présente invention consiste à proposer un nouveau procédé perfectionné pour chauffer des pastilles humides de matières formant les compositions de charge discontinues sans détruire les pastilles avant qu'elles atteignent l'état fondu.
D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront aux experts connaissant bien le domaine que l'invention concerne, à la lecture de la description suivante des formes préférées de réalisation, description qui est faite en se référant aux figures d'accompagnement où :
la figure 1 montre un appareil typique, avec chauffage au gaz, pour fondre du verre en mettant en oeuvre les principes-de la présente invention ; la figure 2 montre un appareil électrique typique pour la fusion du verre avec mise en oeuvre des principes de la présente invention ; et la figure 3 montre une chambre de chauffage des pastilles, où les pastilles sont mouillées à l'intérieur de la chambre.
En se référant maintenant aux figures, on voit que la figure 1 présente un schéma montrant l'application des principes de la présente invention à un appareil de fusion du verre avec chauffage au gaz. L'appareil 10 de fusion du
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nir des matières premières. Les réservoirs contiennent par exemple des matières premières comme du sable (S, lia), du cal-
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tuants (A, lld) nécessaires à la formulation de la composition Les matières premières fondamentales sont soutirées des réservoirs et mélangées en des proportions correspondant à la formulation voulue de la composition, grâce à n'importe quel appareil connu de mélangeage pour formulations de compositions discontinues, et qui est représenté à la figure 1 sous la forme d'une soupape mélangeuse M. La charge formulée est de préférence pastillée en des pastilles d'environ 6,35 à 15,9 mm de diamètre. On peut utiliser n'importe quelle pastilleuse connue pour traiter de la matière sèche (P), comme le disque de pastillage de 1,22 m de diamètre fabriqué par Dravo Corporation, Pittsburgh, Pennsylvanie (Etats-Unis d'Amérique).
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en poids d'eau à la formulation de la composition. Les pastilles sont ensuite introduites au sommet de la chambre 13 de chauffage des pastilles, au sein de laquelle les pastilles humides sont séchées et préchauffées à la température voulue pendant qu'elles effectuent une descente par gravité dans la chambre 13.
Les gaz brûlés, à température élevée, et qui proviennent du four 15 de fusion, chauffé au gaz, sont convoyés
de la cheminée d'échappement 16, grâce à de la tuyauterie ap-
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13 de chauffage des pastilles. Les gaz chauds résiduaires, comportant des produits d'échappement entraînés en provenance
du four de fusion 15 chauffé par du gaz (combustible fossile Co), traversent par percolation ascendante la masse des pastilles qui descendent par gravité. Au sommet de la chambre 13 de chauffage des pastilles, il y a un ventilateur d'aspiration
18 qui règle le débit de passage des gaz brûlés à travers la chambre 13 de chauffage des pastilles. A mesure que le gaz brûlé traverse par percolation ascendante la masse des pastilles descendant par gravité, de la chaleur est transférée des gaz chauds vers les pastilles. Il en résulte que les fluorures et borates entraînés dans le gaz brûlé précipitent et
se rassemblent, sous forme de matières condensables, sur les pastilles. En outre, en raison des effets combinés de précipitation (des fluorures, borates et sulfates) et de filtration du lit formé par les pastilles, les particules de poussière entraînées sont aussi efficacement enlevées du gaz brûlé. La percolation effectuée par les gaz brûlés diminue également le compactage du lit des pastilles et aide à la descente de ces pastilles vers la sortie inférieure de la chambre 13, sortie située en 19.
Le transfert le plus efficace de chaleur en provenance d'un gaz chaud s'élevant par percolation à travers un lit de pastilles se produit au point de fluidisation de ce
lit. Cependant, une fluidisation complète du lit des pastilles provoque la désagrégation de ces pastilles par frottement et séparation des pastilles d'après leur densité. Donc, on préfère maintenir le lit des pastilles à un état semi-fluide permettant d'obtenir le maximum de transfert de chaleur sans désagrégation des pastilles.
On peut s'attendre à ce qu'un appareillage pouvant fondre une formulation typique de verre de type E comportant :
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dans un four classique de fusion avec chauffage par du gaz, fournissant 15 tonnes de verre fondu (V) par jour, produise une quantité suffisante de gaz brûlés chauds pour préchauffer de façon adéquate les pastilles de formulation. Il a été dé-terminé qu'en introduisant du gaz brûlé (à la température de
816[deg.]C) dans la chambre de chauffage des pastilles, et en provoquant la percolation ascendante de ces gaz à travers un lit
14 de pastilles descendant par gravité et ayant une porosité
de 46 %, à une vitesse de 61 m par minute, on peut chauffer les pastilles de la température ambiante jusqu'à 760[deg.]C avant la sortie de la chambre. La vitesse maximale des gaz brûlés que l'on peut maintenir pour la traversée du lit 14 des pastilles sans provoquer l'effritement des pastilles en de la poussière fine, est la vitesse produisant la fluidisation du lit. De
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vitesse de fluidisation. Pour des pastilles ayant un diamètre compris entre 12,7 mm et 15,9 mm, une vitesse se situant entre
61 m par minute et 183 m par minute sera acceptable. Des calculs de bilan thermique indiquent que l'on peut extraire des gaz brûlés et qui ont percolé, par ce procédé, environ 220 000 kilocalories par tonne des pastilles de formulation d'une composition discontinue ainsi traitées. Cela représente 10 à 15 d'économie de carburant pour le four de fusion 15. On préfère
que la température de sortie des gaz brûlés (passant par le ventilateur 18) soit supérieure à 121[deg.]C pour éviter une condensation d'eau au sein du lit des pastilles 14 ou de la chambre
13 de chauffage des pastilles.
En fonctionnement, l'appareil établit un état d'équilibre permettant d'extraire, de régénérer et de renvoyer vers
le processus de fusion les constituants de la charge qui sont normalement perdus à l'atmosphère. Donc, la formule de la charge ou composition doit être ajustée pour tenir compte de la présence des constituants ainsi extraits et régénérés. En pratique, on peut efficacement utiliser dans un four de fusion, chauffé au gaz, selon la présente invention, une formule de composition à faire fondre dans un four électrique. Ainsi, dans une installation de production de verre comportant à la fois
des fours électriques et des fours chauffés au gaz pour la fusion du verre, on peut utiliser une seule formule de composition pour les deux types de four de fusion.
La figure 2 montre un appareil électrique de fusion du verre mettant en oeuvre les principes de la présente invention. Les matières premières conservées dans les réservoirs 21a (sabl,,, S), 21b (calcaire, Ca), 21c (feldspath, F) et 21d (autres constituants, A) sont mélangées selon une formule de composition voulue; elles sont pastillées et introduites dans la chambre 23 de chauffage des pastilles, de façon semblable à
ce qui a été décrit pour l'appareillage représenté à la figure
1 et qui est chauffé par du combustible fossile. Dans la chambre 23 de chauffage des pastilles, les pastilles 24 sont chauffées jusqu'à une température inférieure à la température de frittage des constituants particuliers, grâce au mouvement ascendant de percolation des gaz chauds traversant le lit des pastilles (qui descendent par gravité), comme décrit ci-dessus à propos de l'appareillage chauffé par du combustible fossile
(Co).
Cependant, puisqu'un four électrique de fusion ne dégage pas de grandes quantités de gaz chauds brûlés ou résiduaires, comme dans le cas du four de fusion chauffé par un combustible fossile, le gaz chaud nécessaire pour préchauffer les pastilles 24 de la composition, qui descendent par gravité dans la chambre 23, doit être obtenu à partir d'autres sources. Situé de préférence à la base de la chambre 23 de chauffage
des pastilles, il y a n'importe quel dispositif convenable
pour engendrer des gaz chauds et qui est capable de fournir
des quantités suffisantes de gaz chauffés à une température comprise entre 750[deg.]C et 1095[deg.]C. Le dispositif fournissant de la chaleur peut être par exemple un brûleur de gaz, de fuel-oil
ou de charbon.
Un dispositif typique pour engendrer de la chaleur est représenté à la figure 2. Le ventilateur 22 fournit de
l'air ambiant au récupérateur 26 disposé autour de la chambre
de chauffage 23, ce qui permet de collecter de la chaleur qui serait, sinon, perdue par la chambre 23. L'air préchauffé est ensuite fourni au brûleur de combustion 27 fournissant les quantités nécessaires d'air chaud destiné à monter par percolation en traversant le lit des pastilles 24 descendant par gravité. Après avoir transféré de la chaleur aux pastilles 24, le gaz refroidi sort de l'appareillage par une cheminée de sortie ou d'échappement 28. Les pastilles préchauffées sont chargées dans le four électrique de fusion 25 où s'effectue la fusion
des constituants. Les paramètres concernant la chambre de chauffage et le lit des pastilles, qui ont été étudiés ci-dessus à propos de l'appareil chauffé par un combustible fossile, sont également applicables au cas du gaz chaud traversant par percolation le lit des pastilles dans l'appareil comportant un four électrique de fusion.
Pour une formulation de verre pour laine de verre, formée de :
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fondue dans un four électrique typique de fusion fournissant
125 tonnes de verre fondu par jour, les pastilles de formation de la composition peuvent être préchauffées jusqu'à 816[deg.]C environ grâce au passage d'air à 871[deg.]C traversant par percolation la chambre 23. On peut produire des quantités suffisantes d'air à 871[deg.]C en brûlant environ 311,3 m<3> de gaz naturel (GN)
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Les exemples non limitatifs suivants servent à mieux faire comprendre l'invention :
Exemple 1
On introduit dans la pastilleuse de la figure 1, pour produire du verre E, les matières suivantes en des proportions se situant dans les intervalles de parties en poids que l'on indique ci-après :
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le total des sels de sodium et/ou de calcium qui sont ionisables dans de l'eau à la température ambiante (NaN03 et/ou gypse) représentant au moins 0,10 % en poids. Les silicates d'aluminium sont, bien entendu, des argiles plastifiées par de l'eau en des matières d'échange d'ions lorsqu'elles sont à l'état humide et non fritté. Ces matières jouent également le rôle
de liant pour les pastilles humides. Comme antérieurement indiqué, les gaz brûlés ou résiduaires provenant du four contien-
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du lit des pastilles 14 sont humides et où ces borates sont solubles, les borates sont extraits des gaz et passent en solution. La colémanite brûlée n'est que légèrement soluble, de sorte que l'eau des pastilles que l'o . introduit n'est pas saturée de borates. En outre, la solubilité de ces borates augmente avec la température, de sorte que des quantités croissantes des borates se trouvant dans les gaz sont absorbées par les pastilles humides à mesure que les pastilles descendent et traversent la couche des pastilles humides se trouvant dans la partie supérieure du lit des pastilles. On voit en outre que les pastilles contiennent quelques sels ionisables de métaux alcalins et/ou de métaux alcalino-terreux.
Ces ions réagissent avec les acides boriques pour former des borates de métaux alcalins et/ou des borates de métaux alcalino-terreux bien moins solubles, qui sont également bien moins volatils et présentent un point plus élevé de fusion. Les borates qui sont extraits par les pastilles humides sont ainsi capturés et transformés
en une phase généralement non volatile avant que les pastilles n'atteignent la température à laquelle les borates acides se volatilisent. En outre, en transformant les borates en les borates alcalino-terreux préférés, on peut empêcher les borates de fondre au voisinage de 740[deg.]C, température à laquelle les tétraborates de sodium fondent, et l'on peut ainsi chauffer de façon sûre les pastilles jusqu'à une température plus élevée pour enlever plus de chaleur des gaz brûlés ou d'échappement avant que les pastilles ne fondent pour se souder ensemble.
Si l'on désire utiliser un borate de sodium comme matière première de production des pastilles, il sera avantageux qu'il y ait un peu d'ions calcium et de préférence du Ca(OH)2 dans les pastilles humides afin de réagir avec le borate de so-dium et de le transformer en un borate de calcium moins soluble et moins volatil, avant que les pastilles ne quittent la couche humide se trouvant dans la partie supérieure du lit des pastilles.
Exemple 2
On produit des pastilles formées par les matières suivantes, présentes selon l'intervalle des parties en poids
que l'on indique ci-après, et l'on utilise les pastilles dans
le procédé représenté à la figure 1 pour produire un verre
pour laine ' de verre :
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Avec ces matières, le calcaire réagit avec les borates pour former un borate de calcium moins soluble contribuant à cimenter ensemble les pastilles. La dimension des matières ci-dessus varie entre environ 6,35 mm et moins d'environ 0,149 mm. Les pastilles des exemples 1 et 2 peuvent servir dans le procédé représenté à la figure 2. Les borates vaporisés en provenance de la région inférieure chaude du lit des pastilles de la figure 2 sont capturés lorsque les gaz traversent la surface supérieure de la couche humide de pastilles. De préférence, les gaz quittent les pastilles humides en ayant une température inférieure à 149[deg.]C et supérieure à 100[deg.]C, et il vaut mieux
que ces gaz soient à une température d'environ 121[deg.]C.
Lorsqu'on utilise de l'argile dans les pastilles, elle agit non seulement comme liant humide des pastilles, mais aussi pour contribuer à extraire les borates et/ou les fluorures par un mécanisme d'échange d'ions. Les fluorures sont également extraits des gaz chauds par dissolution dans l'eau se trouvant
à la surface des pastilles, et ce qui a été dit à propos de la capture ou de l'absorption des borates s'applique également aux fluorures. En général, les fluorures alcalino-terreux sont moins solubles que les fluorures alcalins et ils réagissent avec les ions de métaux alcalino-terreux à faire sortir de solu-tion. Les fluorures alcalino-terreux sont relativement non volatils, de sorte que les fluorures capturés ou absorbés sont retenus pendant tout le stade de préchauffage jusqu'à atteindre le stade du verre fondu dans le four de production de verre.
La transformation des borates et fluorures en la forme des
sels alcalino-terreux présente l'avantage supplémentaire de pouvoir élever les pastilles à une température supérieure avant leur fusion et leur soudage ensemble. Cela permet aux pastilles d'absorber plus de chaleur sans boucher l'équipement et cela assure donc un plus grand rendement thermique. Non seulement
le procédé de la présente invention enlève efficacement les borates et fluorures des gaz provenant des fours, mais ce procédé est économique à mettre en oeuvre à l'échelle industrielle, puisque le coût de l'équipement qu'il faut ajouter à un four
de production de verre est largement contrebalancé par les économies d'énergie assurées par le procédé.
Dans certains cas, on peut souhaiter ajouter un agent supplémentaire de gélification aux matières de formation de la composition avant le pastillage,afin de fournir un agent capable de lier les pastilles à l'état vert ou non chauffé.
On peut utiliser n'importe quel type d'agent minéral ou organique de gélification tant qu'il ne bouleverse pas l'équilibre chimique du verre que l'on peut produire. Cependant, cela ne constituera habituellement pas un problème puisqu'il ne faut qu'une faible quantité de l'agent de gélification et, habituel-
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et fortement enrichie ou améliorée, qui est vendue par National Lead Co.). Bien entendu, les agents organiques de gélification sont fugaces et ils sont éliminés par combustion sans altérer
la composition chimique de la charge. Des exemples convenables sont constitués par "Carbopol" (marque commerciale d'une matière produite par B. F. Goodrich Co. dans le cadre du brevet des Etats-Unis d'Amérique N[deg.] 2 789 053) ; "Kelzan" (gomme de polysaccharide produite par fermentation d'un alginate à l'aide de la bactérie Xanthomonas comphistris, et qui est vendue par Kelco Co.) ; et n'importe quelle bonne méthyl-cellulose ou n'importe quel autre agent cellulosique de gélification à substituant organique.
Exemple 3
On pastille les matières de l'exemple 2 en utili-
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méthyl-cellulose. Les pastilles produites ont à l'état vert
(non chauffé) une plus grande résistance mécanique que les pastilles de l'exemple 2, et l'extraction des borates et fluorures des gaz d'échappement brûlés est essentiellement la même que celle réalisée grâce aux pastilles de l'exemple 2.
La figure 3 est une coupe fragmentaire agrandie du sommet de la chambre de chauffage des pastilles montrée à la figure 1. Les portions qui correspondent à des portions similaires de la figure 1 sont désignées par un indice analogue de référence,qui est caractérisé en outre par l'addition d'un .
La chambre 13a de chauffage des pastilles est conçue pour recevoir des pastilles sèches par l'intermédiaire du croisillon ou étrier 29 qui distribue les pastilles sèches 14a en quatre tas équidistants. La surface supérieure de la couche des pastilles que le croisillon dépose dans la chambre de chauffage est mouillée par un distributeur rotatif 30 formé
d'un tuyau portant des buses 31 de pulvérisation d'eau. Le distributeur-pulvérisateur 30 comporte quatre bras horizontaux
32 formant des rayons partant d'un tube vertical d'alimentation 33. Le tube d'alimentation 33 traverse un palier lisse 34 disposé
au centre du toit de la chambre 13a de chauffaga des pastilles. Le tube d'alimentation 33 traverse le moyeu 35 (auquel il est fixé) d'un grand pignon 36 et ce tube est reçu au bas d'un raccord 37 pouvant tourner. Un tuyau fixe 38 fournit de l'eau au sommet du raccord 37, et l'écoulement de l'eau à travers le tuyau 38 est commandé par une soupape de commande ou distributeur 39. Le niveau des pastilles dans le préchauffeur est observé par l'opérateur qui regarde par le tube d'observation 40 et qui ajuste ensuite à la main le niveau de ces pastilles. La température de la couche humide des pastilles au sommet du lit des pastilles est ressentie par la sonde 41 du régulateur de tempé-rature 42, lequel ajuste la soupape de réglage 39 ou le distributeur 39 de façon à maintenir l'épaisseur voulue de pastilles humides.
Cette épaisseur peut varier selon divers facteurs mais, pour la plupart des cas, il s'agira d'une épaisseur d'environ
15 cm. Le pignon 36 est entraîné par un moteur électrique et
un réducteur à engrenage représenté schématiquement en 43. On peut reproduire les résultats obtenus à l'exemple 1 lorsqu'on introduit des pastilles sèches dans la chambre 13a de chauffage des pastilles et qu'on mouille les pastilles à l'aide du dispositif représenté à la figure 3.
Il va de soi que l'invention n'a été décrite, avec des détails considérables, qu'à titre illustratif mais non limitatif et qu'elle est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans son cadre et dans son esprit.