Matériau filtrant et incombustible notamment pour la filtration des gaz à très haute température
La présente invention concerne un matériau filtrant et incombustible, utilisable notamment comme filtre dans les opérations d'épuration de gaz se trouvant à température élevée et tenant en suspension des particules extrmement fines de l'ordre par exemple de 1/10 de micron.
La filtration de tels gaz pose un problème très difficile à résoudre car elle nécessite l'emploi de matériau filtrant présentant simultanément un certain nombre de caractéristiques difficilement compatibles, à savoir: - Tnertie chimique et incombustibilité.
- Résistance mécanique suffisante et conservée à haute
température.
- Efficacité de filtration suffisante pour arrter les par
ticules les plus fines. perte de charge raisonnable afin de ne pas conduire
à des différences de pression trop importantes entre
l'amont et l'aval du filtre, qui diminueraient le débit
des gaz et augmenteraient la dépense d'énergie.
De nombreuses tentatives ont déjà été effectuées pour réaliser des matériaux filtrants capables de satisfaire au mieux à toutes ces exigences. Il s'agit en général de matériaux filtrants comportant exclusivement des fibres minérales, en particulier fibres de verre et/ou amiante qui sont additionnées de substances pulvérulentes également minérales ayant pour rôle à la fois de diminuer la dimension des pores du filtre et de lier les fibres entre elles.
Dans les meilleurs filtres de ce genre réalisés jusqu'à présent, on obtenait bien une efficacité pratiquement absolue vis-à-vis des particules les plus fines, mais la résistance mécanique du matériau filtrant (qui se présente généralement sous la forme de papier plié en accordéon) diminue lorsque la température des gaz traités atteint ou dépasse 4000 C en service continu.
La présente invention a pour but de fournir un matériau filtrant satisfaisant aux exigences ci-dessus et susceptible d'tre utilisé en service continu dans le domaine des températures supérieures à 4000 C pouvant aller jusqu'à 8000 C environ ou mme au-delà.
Le matériau filtrant selon l'invention est constitué essentiellement d'un mélange intime de fibres de verre et/ou de fibres d'amiante additionnées d'une hydrargillite, incomplètement cristallisée, ayant une surface spécifique de 100 à 200 m8 par gramme et donnant avec l'eau des dispersions colloïdales stables et douées d'un pouvoir filmogène.
Cette hydrargillite particulière qui dans ce qui suit sera désignée pour simplifier par l'expression hydrar gillite désordonnée > y se distingue des autres hydrargil- lites obtenues par évolution d'un gel d'alumine ou par décomposition d'une aluminate et qui sont toutes parfaitement cristallisées, notamment par le fait que ces dernières sont inaptes à donner des suspensions colloïdales à caractère filmogène et qu'elles ont une surface spécifique inférieure à 70 m2 par gramme environ.
En gros, au point de vue finesse de structure, on peut dire que Fhydrargillite désordonnée utilisée dans l'invention se situe entre les hydrargillites trop grossières de surface spécifique 10 à 70 m2 par gramme et ne donnant pas de suspension colloïdale filmogène et les alumines hydratées telles que la Bochmite (monohydrate d'alumine) donnant des suspensions filmogènes mais présentant une surface spécifique supérieure à 200 m2 par gramme et qui sont de ce fait trop fines et obstruent les pores du matériau filtrant.
Un procédé de fabrication de l'hydrargillite désordonnée convenant pour la réalisation d'un matériau filtrant selon la présente invention, par association avec des fibres de verre et d'amiante, est décrit dans le brevet suisse No 428685
Les fibres de verre à choisir pour la mise en oeuvre de l'invention peuvent tre des fibres de qualité courante de longueur comprise entre 2 et 6 m/m et dont le dia mètre peut varier de 1 à 6 microns. On peut utiliser aussi des mélanges de fibres de verre de différents diamètres en diverses proportions comme par exemple: - 0 à 95 /o de fibres de 1,5 micron.
- 0 à 90 O/o de fibres de 3 microns, - 0 à 50 /o de fibres de 6 microns, (ces proportions
étant comptées en poids par rapport au poids total
des fibres de verre).
L'amiante doit tre choisi parmi les qualités pour filtration tel que notamment l'amiante dit du Cap. Cette fibre peut constituer de 5 à 30 o/o en poids du mélange fibreux verre-amiante.
Par sa texture propre l'amiante favorise la bonne répartition et l'imbrication des fibres de verre dans le matériau filtrant.
Ces deux fibres minérales sont additionnées suivant l'invention d'hydrargillite désordonnée et on réalise ensuite avec le mélange des trois constituants les opérations usuelles de la technique papetière en ce qui concerne le raffinage et les opérations ultérieures conduisant jusqu'au matériau fini.
Suivant une technique avantageuse on procède d'abord dans une pile raffineuse à un raffinage préalable de l'amiante qui peut durer de 1 à 6 heures. On ajoute ensuite les fibres de verre et l'on poursuit le raffinage pendant un temps très court de l'ordre de 5 à 10 minutes de telle façon que la longueur des fibres de verre ne descende pas au-dessous de 1 mm.
Dans la pâte de fibres minérales ainsi obtenue on introduit ensuite l'hydrargillite désordonnée sous forme d'une dispersion préalable obtenue par une agitation prolongée. La concentration de cette dispersion peut varier dans de très larges limites mais elle est avantageusement de 5 à 10 o/o en poids. La dispersion est réalisée de préférence dans une eau pure de très faible degré hydrotimétrique. La proportion d'hydrargillite introduite par rapport au poids des matières fibreuses varie selon les qualités recherchées dans le produit fini. Cette proportion peut aller de 3 à 20 o/o exprimée en poids d'hydrargilitte séchée de 105 + 30 C par rapport au poids de fibres minérales.
La pâte ainsi obtenue est ensuite transformée en papier sur les machines usuelles de papeterie. On obtient un papier ayant une résistance chimique et mécanique élevée et d'une grande efficacité pour la filtration des gaz à des températures dépassant largement 4000 C et pouvant atteindre en service continu 8000 C et mme davantage. Le papier permet d'arrter toutes les particules solides de dimension égale ou supérieure à 0,1 micron sans créer une perte de charge exagérée par rapport aux papiers filtrants qui sont combustibles et qui se détruisent aux températures ci-dessus.
Ainsi qu'il est connu, pour diminuer l'encombrement, ces papiers sont généralement pliés en accordéon avant d'tre introduits dans les éléments filtrants. Le pliage, qui se fait à la machine, soumet le papier à des efforts mécaniques particulièrement importants notamment dans la région des artes des plis. Pour améliorer l'aptitude au pliage et pour faciliter la manipulation des filtres, on peut incorporer au papier filtrant, suivant une technique bien connue, une résine artificielle souple telle que de l'acétate de polyvinyle ignifugé par un plastifiant convenable. Cette résine artificielle, peut tre utilisée notamment sous forme d'émulsion aqueuse que l'on ajoute avant la fabrication du papier à la dispersion des matériaux fibreux.
On peut ainsi incorporer jusqu'à 7 O/o d'acétate de polyvinyle compté en poids de matière sèche par rapport au poids des fibres minérales, la rétention finale sur le matériau filtrant terminé étant de l'ordre de 5 O/o. Cette résine artificielle ne joue aucun rôle en ce qui concerne la filtration et se trouve d'ailleurs totalement éliminée lorsque le filtre est mis en service avec les gaz chauds, mais elle facilite, comme indiqué ci-dessus, la fabrication des éléments filtrants.
On donne ci-après quelques exemples de mise en oeuvre de l'invention qui mettent en évidence les qualités des matériaux filtrants obtenus, en comparaison avec les propriétés des matériaux filtrants préparés dans des conditions analogues à partir des fibres de verre et d'amiante mais en utilisant un liant autre que Fhydrargillite désordonnée caractéristique de la présente invention.
Exemple I
On part de 6,9 kg d'amiante du Cap convenablement clivé et épuré que l'on met en dispersion aqueuse dans une pile raffineuse usuelle en papeterie. Après raffinage pendant une heure on ajuste le volume à 3000 litres et on ajoute rapidement et simultanément 21 kg de fibres de verre d'un diamètre moyen de 3 microns et 3 kg de fibres de verre textile d'un diamètre de 8 microns coupées au préalable de 12,5 m/m de longueur.
Pendant l'homogénéisation de la dispersion fibreuse qui dure 5 à 10 minutes, on ajoute d'une part 3,6 kg d'émulsion d'acétate de polyvinyle plastifié avec 6 a/o de tricrésulphosphate dans environ 20 litres d'eau et d'autre part 10 kg de gâteau de filtration d'hydrargillite désordonnée dont l'extrait sec est de 30 /o, dispersé dans environ 60 litres d'eau, de préférence sous agitation mécanique.
La pâte papetière ainsi préparée est transformée en une feuille continue de papier filtre de 100 à 110 g au m2 par les techniques papetières usuelles. Ce matériau filtrant accuse les caractéristiques suivantes - Efficacité de filtration pour des particules de bleu
de méthylène de 0,1 micron: supérieure à 99,9 O/o. perte de charge pour une vitesse du courant gazeux
de 4 cm par seconde: 52 m/m d'eau. charge de rupture d'après la norme AFNOR Q
03001 (essai des papiers et cartons) : 1,2 kg.
Le mme papier, après exposition prolongée à la température de 4500 C, accuse les caractéristiques suivantes: Efficacité: supérieure à 99,9 O/o. perte de charge : 43 m/m d'eau. charge de rupture: 0,4 kg.
Un papier filtrant préparé dans les mmes conditions que ci-dessus mais en remplaçant l'hydrargiliite désordonnée par du silicate de calcium formé in situ suivant le brevet français de la demanderesse numéro 1261247 présente les caractéristiques suivantes: - Efficacité : supérieure à 99,9 O/o. perte de charge: 50 m/m d'eau. charge de rupture: 1,6 kg.
Après exposition pendant 15 minutes seulement à des gaz à la température de 4500 C la charge de rupture tombe à 0,1 kg et par suite de la grande fragilité de la feuille les essais d'efficacité et la mesure de la perte de charge ne peuvent plus tre réalisés.
Exemple 2
On prépare un matériau filtrant dans les mmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1 mais en rem plaçant les 21 kg de fibres de verre de 3 microns de diamètre par une quantité égale de fibres de verre de 1,5 micron de diamètre.
Le papier filtre ainsi obtenu d'une épaisseur correspondant à un poids de 100 à 110 g au m2 présente les caractéristiques suivantes - Efficacité supérieure à 99,9 O/o. perte de charge à la vitesse de 4 cm/sec. 51,5 m/m
d'eau. charge de rupture 1,2 kg.
Après exposition prolongée à la température de
4500 C les caractéristiques deviennent: - Efficacité supérieure à 99,9 O/o. perte de charge à la vitesse de 4 cm/sec. 46,5 m/m
d'eau. charge de rupture 0A 4 kg.
Une augmentation de la température d'exposition jusqu'à 8000 C ne change pas les caractéristiques de filtration, mais augmente la charge de rupture qui passe à 0,6 kg.
Un papier filtre du commerce, contenant les mmes éléments fibreux, mais ayant été préparé avec un liant autre que l'hydrargillite accuse les résultats suivants - Efficacité 99,8 /o. perte de charge à la vitesse de 4 cm/sec. 43 m/m
d'eau. charge de rupture d'après la norme AFNOR 1,7 kg.
Après 15 minutes d'exposition à la température de 450tu la charge de rupture baisse jusqu'à 0,05 kg et de ce fait aucun contrôle de filtration ne peut tre réalisé.