CA2458935A1

CA2458935A1 - Four et procede d'expansion de la perlite et de la vermiculite

Info

Publication number: CA2458935A1
Application number: CA002458935A
Authority: CA
Inventors: Richard Girard; Pierre Dontigny; Claude Samson
Original assignee: Premier Horticulture Ltd
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2005-09-02
Also published as: WO2005085733A1; US20070063172A1; CA2556833A1; CA2556833C

Description

FOUR ET PROCöDÉ D'EXPANSION DE LA PERLITE ET DE LA VERMICULITE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention vise de façon générale le domaine de production de la perlite et de la vermiculite expansées. Ces produits sont utilisés dans diverses applications comme la filtration, l'horticulture, l'isolation et autres.

Origine et caractéristiques de ia perlite et de la vermiculite La perlite et la vermiculite sont des roches naturelles d'origine volcanique.
Les termes « perlite » et « vermiculite » sont les termes génériques et non les noms commerciaux pour désigner cette pierre volcanique. La vermiculite ressemble à
du mica et fait partie du groupe des minéraux phyllosilicate.
La caractéristique qui distingue la perlite et la verrnicuüte des autres pïerres volcaniques est leur capacité d'expansion de volume, de l'ordre de 4 à 20 fois leur volume original, quand elles sont chauffées à une certaine température. Cette expansion est due à la présence de 2 à 6 % d'eau dans la pierre brute de perlite et de l'ordre de 8 à 16% pour la vermiculite.
Quand la perlite est chauffée rapidement à une température au-dessus de 1600°F
(870°C), la pierre brute (minerai) éclate de façon similaire à un grain de pop-corn, dû à l'évaporation de son contenu en eau. Cette réaction crée une infinité de petites bulles d'air dans la pierre, lui donnant ainsi un aspect poreux et une surface légèrement vitreuse. C'est cette transformation du minerai qui lui confère ses propriétés physiques caractéristiques et sa légèreté.
L'expansion de la vermiculite se produit de façon légèrement différente puisque le minerai est fait de fines lamelles collées les unes sur les autres, typique aux

2 minéraux ressemblant au mica. Lors de l'expansion, ces lamelles se gonflent tout en restant prises ensemble. L'expansion de la vermiculite est similaire à
l'étirement d'un accordéon.
Ainsi, la vermiculite éclate dans une dimension tandis que la perlite éclate dans trois dimensions.
Moyen d'expansion L'expansion de la perlite et de la vermiculite se fait suite à l'ajout de chaleur d'une façon très particulière. De plus, il est nécessaire d'enlever les particules de minerai à un moment précis de la zone de chaleur. Les particules doivent ëtre chauffées rapidement afin de les rendre suffisamment malléables pour qu'elles puissent s'expandre sous l'effet de l'évaporation de l'eau présente dans le minerai.
Cette opération est effectuée plus efficacement dans des fournaises spécialement conçues pour ce genre de procédé.
Produit d'expansion Le procédé d'expansion confère également à la perlite expansée une de ses caractéristiques distinctives, sa couleur blanche. Tandis que la couleur du minerai va de gris pâle à noir lustré, la couleur de la perlite expansée va du blanc clair jusqu'au blanc grisonnant.
L'expansion de la vermiculite, et non de la perlite, peut également se faire par un procédé chimique.

3 2- DOMAINES D'UTILISATION DE LA PERLITE OU DE LA VERMICULITE
EXPANSÉE
La perlite ou fa vermiculite expansée peut être fabriquée dans une plage de densité de 2 Ibslpi3 jusqu'à 15 Ibs/pi3, ce qui en fait un matériel adaptable pour plusieurs applications, comme la filtration, l'horticulture, l'isolation, ainsi que dans une multitude d'autres applications. Ce matériel peut également être utilisé
comme agent de transport inerte ou comme matériel ininflammable, entre autres.
a. Industriel Les applications industrielles pour la perlite expansée sont nombreuses, allant de l'ingrédient de haute performance pour les plastiques jusqu'au ciment pour les puits de pétrole. D'autres applications incluent également son utilisation comme élément de filtration dans l'industrie pharmaceutique, alimentaire, chimique et municipale.
Des applications additionnelles incluent son utilisation dans les savons abrasifs, nettoyeurs et polisseurs, ainsi qu'une variété d'utilisations dans l'industrie de la fonderie à cause de ses propriétés isolantes et de résistance thermique. Cette propriété de résistance thermique est particulièrement avantageuse lorsque la perlite est utilisée dans la production de fa brique réfractaire, du mortier et de l'isolant à tuyau, entre autres.
La vermiculite est utilisée comme absorbant industriel, dans les peintures texturées, le fibre de verre renforcé, et même les bandes de frein.

4 b. Horticulture En horticulture, la perlite est utilisée à travers le monde comme une des composantes pour la culture sans sol, oû ses propriétés supérieures d'aération et de rétention d'humidité sont excellentes pour la plante. La vermiculite, quant à elle, est reconnue pour sa capacité de rétention d'eau.
La perlite et la vermiculite sont particulièrement avantageuses dans les applications horticoles grâce à leur pH neutre, leur stérilité et l'absence de mauvaise herbe. La perlite est aussi utilisée comme agent de transport pour les fertilisants, herbicides et pesticides, de même que dans les mélanges de substrat de culture pour augmenter leur porosité.
c. Construction Grâce à leur capacité d'isolation et leur faible poids, la perlite et la vermiculite sont couramment utilisées pour remplir les cavités des murs de blocs de béton dans les constructions. En plus de fournir une isolation, la perlite réduit fa transmission du bruit et est résistante à la vermine.
L.a perlite et la vermiculite peuvent également être utilisées comme agrégat dans le ciment Portland, le béton, et le gypse pour des applications extérieures et de résistance au feu, de même que pour la fabrication de composé léger de béton.
3- ÉTAT DE LA TECHNIQUE
La technique actuelle d'expansion de la perlite et de la vermiculite consiste à
utiliser un four vertical, tel qu'illustré à la Figure 1, avec une flamme vive dans lequel le minerai est envoyé en direction de la flamme vive 40 par un système d'alimentation de minerai 42. Le four comporte un tube intérieur 54. et une enveloppe externe avec isolant ou briques réfractaires 56. Lorsque le minerai atteint la zone de haute température près de la flamme, son contenu d'eau s'évapore, créant une particule beaucoup plus légère qui peut relativement facilement être aspirée. Le minerai éclaté est alors aspiré vers le haut par un

5 courant d'air chaud ascendant 44, créé par un système de ventilation 46.
La perlite expansée et l'air de transport sont alors acheminés vers un dispositif de séparation afin de récupérer le produit. Ce dispositif n'est pas illustré sur les figures ci-jointes. Le dispositif de séparation est généralement un cyclone, un dépoussiéreur ou une chambre de décantation. En fait, tout système de séparation de particules dans l'air peut convenir à pareille application.
La source de chaleur provient d'un brûleur de plusieurs millions de BTU, avec, comme source d'énergie, du gaz ou de l'huile no 2. Le brûleur 48 possède généralement un ventilateur de combustion 50 auquel on ajoute de l'air comprimé
52 afin d'obtenir une combustion adéquate.
Bien que la technologie actuelle présente l'avantage d'utiliser une technologie de base appliquée à un procédé connu dans Ie monde de la perlite et de la vermiculite, certains inconvénients demeurent.
Tout d'abord, on note qu'il est difficile d'ajuster le courant d'air ascendant pour l'aspiration du matériel expansé. De plus, lorsque le brûleur à combustion est mal ajusté, la perlite devient colorée, surtout dans le cas des brûleurs à
l'huile. La vermiculite est moins sensible à ce dernier problème puisqu'elle est initialement de couleur dorée.
Les techniques actuelles d'expansion présentent le désavantage additionnel de générer des coûts élevés tant en énergie qu'en entretien du matériel.

Les techniques actuelles sont également limitées par le rendement énergétique faible du brûleur par rapport à l'enthalpie du gaz ou de l'huile, ainsi que par la nécessité d'immobilisation importante en équipement. II est également difficile, d'automatiser le processus. La poussière produite par la manutention du matériel expansé dans le système d'aspiration nuit également à l'efficacité des techniques actuelles. Finalement, le haut taux de perte de produit final diminue considérablement le rendement des techniques actuelles.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
Un objet de la présente invention est de proposer un appareil et un procédé
pour produire de la perlite ou de la vermiculite expansée, qui permettent de résoudre plusieurs des inconvénients rencontrés avec les fours actuels.
Plus particulièrement, la présente invention a trait à un procédé pour ('expansion de matériel provenant de roches volcaniques expansibles, tel la perlite et la vermiculite, ledit procédé utilisant un appareil d'expansion comprenant un convoyeur installé à l'intérieur d'un four muni d'éléments chauffants, ledit procédé
comprenant les étapes de:
a- chauffage du convoyeur à une température pré-déterminée, à l'aide des éléments chauffants du four;
b- dépôt, à un débit pré-déterminé, de matériel sur le convoyeur et simultanément, éclatement du matériel pour obtenir un matériel expansé;
c- entraînement du matériel expansé à l'extérieur de l'appareil d°expansion;
et d- récupération du matériel expansé.
La présente invention vise aussi un appareil d'expansion pour produire de la perlite ou de la vermiculite expansée, ïedit appareil comprenant:

- un four;
- un convoyeur traversant le four;
-des éléments chauffants dans le four pour chauffer le convoyeur à une température suffisante pour permettre l'expansion du matériel expansible; et - une chute d'alimentation ayant une entrée à l'extérieur du four pour alimenter le four en matériel expansible et une sortie positionnée dans le four au-dessus du convoyeur pour déposer le matériel expansible sur le convoyeur chaud et ainsi provoquer l'expansion du matériel expansible par choc thermique.
Le procédé et l'appareil de fa présente invention, tels que décrits ci-dessus, présentent plusieurs avantages. Tout d'abord, puisque la combustion ne se fait pas à l'aide d'un brûleur, il n'y a ni formation de carbone sur les parois, ni dégagement de gaz de combustion. Le système n'est donc pas nocif pour l'environnement.
Ensuite, le fait que le minerai soit déposé sur le convoyeur, il n°est pas nécessaire pour l'opérateur du four de balancer le débit d'air dudit four en fonction de la densité du matériel. L'automatisation du procédé peut donc étre effectuée sans intervention.
De plus, cette technologie étant simple, les pièces de l'appareil d'expansion n'ont pas à être changées à cause de l'abrasion causée par la perlite, par exemple, qui se déplace dans un courant d°air, tel qu'observé dans les procédés d'expansion traditionnels.
Le présent procédé présente l'avantage supplémentaire d'être adapté à des besoins précis. Le four peut être construit selon la capacïté voulue. De plus, il n'est pas nécessaire d'avoir de système de dépoussiéreur ou de transport pneumatique de la perlite ou de la vermiculite expansée. ll est à noter que ce transport pneumatique peut briser le matériel en morceaux, après expansion.
Ceci peut représenter jusqu'à 20% d'augmentation de densité. Également, le même four peut être utilisé tant pour la perlite que la vermiculite, sans modification des composantes de l'appareil d'expansion.
Contrairement aux procédés traditionnels, le matérïel expansé n'est pas sorti de !'appareil d'expansion par un système d'aspiration pour être ensuite séparé
mécaniquement, ce qui nécessite généralement plusieurs milliers de pieds cube d'air par minute. L'air ainsi chauffé est rejeté à l'extérieur mais la chaleur est plus concentrée là où il le faut.
Le procédé d'expansion de la présente invention étant simplement effectué sur un convoyeur, il est possible de varier la largeur de la courroie, par exemple, et certains paramètres de l'appareil d'expansion afin d'obtenir une capacitë de production à partir de 50 Ibs/heure, préférablement allant de 50 Ibs/heure jusqu'à
2000 lbs/heure.
De plus, le procédé selon l'invention permet, dans le cas de la perlite, d'obtenir de la perlite plus blanche que dans les fours déjà connus. II présente aussi les avantages suivants:
- d'obtenir une plus grande automatisation;
- d'obtenir un coût d'entretien moindre;
- de nécessiter moins d'immobilisation;
- de générer une meilleure efficacité énergétique;
- d'obtenir une qualité d'expansion constante;
- de produire moins de poussière ou de dommage au matériel; et - de fournir un format d'équipement adaptable à la capacité de production voulue.

BR~VE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un modèle de four vertical, tel qu'utilisé dans l'art antérieur.
La figure 2 est une vue schématique de haut d'un appareil d'expansion de la perüte et de la vermiculite, selon un premier mode de réalisation préféré de la présente invention.
La figure 3 est une vue schématique de côté de !'appareil d'expansion représenté
à la figure 2.
La figure 4 est une vue schématique en coupe, selon la ligne IV-IV, de !'appareil d'expansion représenté à la figure 2.
La figure 5 est une vue en perspective de l'intérieur du four illustré dans la figure 2.
La figure 6 est une vue schématique de haut d'un appareil d'expansion de la perlite et de la vermiculite, selon un second mode de réalisation préféré de la présente invention.
La figure 7 est une vue schématique de côté de l'appareil d'expansion représenté
à la figure 6.
La figure 8 est une vue en perspective de l'intérieur du four illustré dans la figure 6.
DESCRIPTION DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS DE L'INVENTION
Selon un premier mode de réalisation préférë illustré aux figures 2 à 5, l'appareil d'expansion 10 comprend un convoyeur 12 incluant une courroie métallique 14 montée sur un rouleau de commande 16 et un rouleau de queue 18. La courroie 14 passe dans un four 20 chauffé avec des éléments chauffants électriques 22.
Le principe de fonctionnement est relativement simple. Tel que montré à la figure 4, le four 20 est également muni d'un isolant 27.
5 La courroie métallique 14 est entraînée par ie rouleau de commande 16 et un moteur électrique 24. La courroie 14 passe à travers fe four 20 pour ëtre chauffée à la température nécessaire pour éclater le matériel. Cette courroie 14 est conçue de façon à ne pas laisser passer le matériel à travers, tout en retenant la chaleur.
La courroie se déplace dans une glissière 15 en forme d'auge afin de prévenir que 10 le matériel ne tombe sous la courroie 14 lors du procédé d'éclatement. Les éléments chauffants 22 sont disposés afin de fournir une plus grande chaleur à
la courroie 14 avant que ie matériel n'y soit déposé à partir d'une chute d'alimentation 26, disposée au-dessus de la courroie 14. Les éléments chauffants 22 sont principalement en amont de la chute d'alimentation 26 afin de s'assurer de créer un choc thermique quand le matériel arrive sur la courroie métallique 14. Le four 20 comprend une envelappe thermique 28 utilisée afin de maintenir et minimiser la perte de chaleur émise par les éléments chauffants 22.
Tel qu'illustré à la figure 3, le retour de la courroie 30 se fait dans le four 20 également, afin de pouvoir la préchauffer et minimiser la perte d'anergie.
Préférablement, et bien que ceci ne soit pas illustré dans les figures 2 à 5, les rouleaux de commande 16 et de queue 18 du convoyeur 92 sont sous des gardes de protection isolés, afin de minimiser également la parée d'énergie. Tel qu'illustré
â la figure 3, le rouleau de commande 16 est relié à une roue dentée 17 au mayen d'une chaîne d'entraînement 19.
La perlite ou la vermiculite tombe de la chute d'alimentation 26 sur la courroie 14 et éclate à cause du choc thermique. La courroie 14 entraîne le matériel à
l'extérieur du four 20, et dans le sens de la flèche montrëe sur la figure 3, où il est récupéré sur un autre type de convoyeur (non illustré sur ies croquis), vibrant ou à
courroie métallique, pour être ensuite amené dans un lieu d'entreposage.
Compte tenu de fa température du matériel à la sortie du four 20, if peut être nécessaire de le refroidir avec un système à air forcé, un système à eau ou tout autre système du genre avant de pouvoir l'utiliser, surtout dans des procédés horticoles.
Le modèle de four 20 montré sur les figures 2 à 4 est équipé d'un rouleau de queue 18 monté, de préférénee, sur un système de tendeur automatique 60 de la courroie métallique 14, pour pallier l'expansion thermique de celle-ci, durant le procédé de chauffage du four. Tel qu'illustré plus particulièrement à la figure 3, le système de tendeur automatique 60 comprend une glissière 62 et consiste, de préférence, en un cylindre pneumatique.
L'alimentation du four 20 se fait par la chute d'alimentation 26. Le modèle illustré
sur tes figures 2 à 4 ne montre pas le système d'alimentation de la chute 26 qui peut être effectué avec un convoyeur vibrant ou un autre dispositif. De préférence, ce système d'alimentation doit permettre une constance dans le débit de minerai afin d'assurer une constance dans la consommation d'énergie, puisqu'une augmentation de minerai pourrait entraîner un manque de cuisson ou ('effet inverse, s'il y a une diminution de matériel. Cette réaction pourrait donc modifier la qualité du produit expansé.
Lorsque l'appareil est mis en fonction dans un processus d'éclatement, les trois paramètres suivants sont, de préférence, à contrôler;
- la température du four 20;
- la vitesse de la courroie 14; et - le débit de matériel.
La température du four 20 peut être contrôlée manuellement ou par un système automatique en fonction du besoin de l'opérateur. La plage de température est suffisante pour l'éclatement de la perfite et de la vermiculite. La température est donc adaptée en fonction du type de minerai et de son débit.

La vitesse de la courroie 14 est également variable manuellement ou peut être régulée automatiquement en fonction du débit de minerai, de son humidité et de sa grosseur, par un système automatisé par PLC ou ordinateur.
Selon un second mode de réalisation préféré illustré aux figures 6 à 8, dans l'appareil d'expansion 10, les rouleaux de commande 16 et de queue 18, ainsi que leurs essieux sont faits de matériau résistant à de hautes températures, de préférence faits en acier inoxydable 330.
Ce mode de réalisation est conçu pour les grandes vitesses de production auxquelles la courroie 14 tourne dans sa plage de vitesses supérieures.
De plus, le four 20 est muni de gardes de protection isolés d'entrée 32 et de sortie 33, comportant une couche d'isolation préférablement de type Pyrobioc grade R
ajoutés à l'avant et à l'arrière du four 20 pour réduire les pertes de chaleur dues à
l'exposition, à l'extérieur du four 20 des rouleaux de commande 16 et de queue 18, ainsi que de certaines sections de courroie 14. Selon ce second mode de réalisation, les rouleaux de commande 16 et de queue 18 sont montés sur des paliers lisses, préférablement faits de graphite. Des accouplements à tiges 36 ont été intégrés afin de permettre une meilleure dissipation de la chaleur entre les essieux des rouleaux de commande 16 et de queue 18, et les paliers lisses 21.
Le modèle de four 20 montré à la figure 8 est équipé d'un rouleau de queue 18 monté, de préférence, sur un système de contrepoids et de glissières 34, muni d'une chaîne de contrepoids.
Bien que des modes de réalisation préférentiels aient été décrits en détail ci-dessus et illustrés dans les figures ci jointes, il est entendu que (invention ne se limite pas à ces modes prëcis de réalisation préférentiels et aue, certains changements et certaines modifications peuvent être effectués sans toutefois s'éloigner de la portée ou de l'esprit de la présente invention.

Claims

1. Procédé pour l'expansion de matériel provenant de roches volcaniques expansibles, tel la perlite et la vermiculite, ledit procédé utilisant un appareil d'expansion comprenant un convoyeur installé à l'intérieur d'un four muni d'éléments chauffants, ledit procédé comprenant les étapes de:
a- chauffage du convoyeur à une température pré-déterminée, à l'aide des éléments chauffants du four;
b- dépôt, à un débit pré-déterminé, de matériel sur le convoyeur et simultanément, éclatement du matériel pour obtenir un matériel expansé;
c- entraînement du matériel expansé à l'extérieur de l'appareil d'expansion;
et d- récupération du matériel expansé.

2 Appareil pour l'expansion de matériel expansible, tel la perlite et la vermiculite, l'appareil comprenant:
- un four;
- un convoyeur traversant le four;
-des éléments chauffants dans le four pour chauffer le convoyeur à une température suffisante pour permettre l'expansion du matériel expansible; et - une chute d'alimentation ayant une entrée à l'extérieur du four pour alimenter le four en matériel expansible et une sortie positionnée dans le four au-dessus du convoyeur pour déposer le matériel expansible sur le convoyeur chaud et ainsi provoquer l'expansion du matériel expansible par choc thermique.