EP2705004A1 - Procede de fabrication de fibres de verre et fibres de verre associees - Google Patents

Procede de fabrication de fibres de verre et fibres de verre associees

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EP2705004A1
EP2705004A1 EP12725078.5A EP12725078A EP2705004A1 EP 2705004 A1 EP2705004 A1 EP 2705004A1 EP 12725078 A EP12725078 A EP 12725078A EP 2705004 A1 EP2705004 A1 EP 2705004A1
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EP
European Patent Office
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alumina
fly ash
supply
coal
glass
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Withdrawn
Application number
EP12725078.5A
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English (en)
Inventor
Jérôme AUFFRET
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Veolia Proprete SAS
Original Assignee
Veolia Proprete SAS
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C1/00—Ingredients generally applicable to manufacture of glasses, glazes, or vitreous enamels
    • C03C1/002—Use of waste materials, e.g. slags
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C13/00—Fibre or filament compositions

Definitions

  • the invention relates generally to the field of waste recovery for the glass industry.
  • the invention relates to a method of manufacturing mineral fibers using a material derived from the combustion of coal as a material constituting a supply of alumina, as well as glass fibers that can be obtained by this method.
  • mineral fibers is intended to mean siliceous mineral fibers as defined by the INRS (safety data sheet ED 93) and the NF B 20-001 standard, which include mineral wools (for example glass or rock wool) and filaments or mineral fibers (eg glass fibers).
  • a method of manufacturing an agglomerate from locally available waste for the production of glass wool insulation material is described in US Pat. No. 4,720,295. This document also describes the production of white glass wool, especially useful for the manufacture of acoustic slabs.
  • the method according to US 4,720,295 uses clinker. Since the clinker is mainly composed of silica, alumina (especially present at 22% by weight) and lime, it is a suitable material to provide a supply of alumina. Clinker generally consists of unburnt residues from the burning of coal, coke or coal in industrial furnaces or the combustion of municipal waste in incineration plants. The clinker is therefore very heterogeneous and requires treatment prior to use in the glass industry.
  • bauxite Another suitable material to constitute a contribution of alumina is the bauxite which should be treated previously by extraction, washing, screening, separation of iron oxides, grinding and drying, before transporting it from production areas, generally very far away, to industrial areas of implementation, particularly in the glass industry. These treatment and transport stages generate waste and consume energy (in terms of grinding, drying and transport) and natural resources that are very difficult to renew.
  • An object of the present invention is to provide a method that allows the manufacture of mineral fibers from a material that requires fewer prior stages of treatment and / or transport, or even none, to be valued as a contribution of alumina.
  • the subject of the present invention is therefore a method for manufacturing mineral fibers comprising the following steps:
  • the starting ingredients comprising silica, a material suitable for providing a supply of alumina and at least one flux;
  • the material suitable for constituting a supply of alumina consists of coal fly ash.
  • the fly ash of coal comprises high levels of alumina (of the order of 30% by weight) and silica (between 40 and 60% by weight), but also iron oxides (between 4.7 and 6, 1% by weight) and lime (between 1 and 5% by weight). Not only, they constitute a significant alumina supply and sufficient for use in the glass industry, but they also require fewer prior stages of treatment and / or transport for their recovery as such, including compared to a supply of alumina made by bauxite or clinker.
  • Coal fly ash typically comes from industrial facilities such as power plants or thermal power plants that use coal of standard quality that meets the requirements of their power generation process. These industrial facilities therefore produce constant waste, both in terms of quantity and in terms of composition. Indeed, the fly ash of coal is generated in sufficient quantity so that their use in the cement industry does not allow to exhaust the stocks. In addition, analyzes carried out on fly ash from power plants show that their composition, given below, varies little around an average composition.
  • the method according to the invention therefore makes it possible both to propose the use of a constant waste of the thermal or electrical industry and to overcome the use of natural resources whose processing, transport and renewal are difficult.
  • the fly ash of coal has a small particle size, at least with regard to the size of the clinker.
  • the particle size of untreated coal fly ash is less than 1 mm. It varies preferably between 10 and 50 ⁇ m, for an average of about 20 ⁇ m.
  • the mixture of the silica and flux with the fly ash of coal is then homogeneous which is an advantage at least in that the melting of the mixture is facilitated.
  • the particle size of the clinker is between 5 and 10 mm, after all or part of the treatments mentioned above.
  • a targeted desired particle size can be obtained by screening coal fly ash.
  • the objective of this screening step is essentially to guarantee the absence of foreign bodies which make it difficult to homogenize the mixture and consequently its melting.
  • This screening is not essential, but optional, and the method according to the invention can claim to include no step of preparation of fly ash coal.
  • the latter does not comprise a step of preparation of said material suitable for constituting a supply of alumina.
  • the proportions of silica of the material capable of constituting an addition of alumina and flux are such that the mineral fibers produced by the present process have a composition close to that of glass wool as given above, and in particular comprises approximately 15% alumina.
  • the coal fly ash comprises the following constituents, in the following proportions by weight: Si0 2 : 40 to 60%,
  • the method of manufacturing glass fibers comprises a step of providing silica, a material suitable for providing a supply of alumina and at least one flux.
  • the silica may be provided in the form of pure silica, sand or cullet.
  • Cullet is preferred because it is a waste material that can advantageously be recycled according to the process of the invention: mention may be made of cullet obtained for example from glass panes, automobile glasses or glass bottles.
  • soda and / or lime can in particular be used.
  • it also comprises a step of melting the starting ingredients at a temperature between 1300 and 1500 ° C.
  • This melting step is carried out in a container adapted to the ingredients to be melted.
  • the container is an oven.
  • the container is a cupola.
  • the method further comprises a step of fiberizing a net of the molten mixture.
  • the melt After melting of the starting ingredients, the melt is fiberized and the fibers thus obtained are collected.
  • a stream of molten mixture flows from the container, such as an oven, to a basket rotating at high speed whose edges are pierced with several thousand through holes;
  • fibers are obtained which are collected by a conveyor belt where they are mixed with small amounts of binders and formed into glass wool plates or rolls
  • a stream of the molten mixture flows from the vessel, such as a cupola, to high speed rotating rotors where it is formed into fibers in the form of rock nodules;
  • rock nodules are collected by a conveyor belt where they are mixed with gluing products as well as elements specific to each use to polymerize and form rockwool.
  • the invention also relates to the glass fibers obtainable by the method described above, and may in particular be in the form of glass wool or rock wool.
  • coal fly ash is advantageous in the manufacture of products such as glass wool or rockwool. Indeed, although these ashes constitute a contribution of metals and metal oxides which color the glass fibers, the color of these products is irrelevant in view of their use, for example as an insulation placed in walls or attics.
  • the manufacture of glass wool or rockwool allows a supply of silica consisting entirely of cullet in bulk of all colors, while the manufacture of green glass bottles does not allow a contribution. silica that partially consists of loose cullet of all colors.
  • the manufacture of white glass bottles does not allow any supply of silica consisting of loose cullet of all colors.
  • the invention could also be applied to the manufacture of green or brown glass bottles for which the characteristics of the raw materials are less restrictive than for white glass bottles.

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication de fibres de verre omprenant les étapes suivantes : fourniture des ingrédients de départ comprenant de la silice, un matériau propre à constituer un apport d'alumine et au moins un fondant; fusion desdits ingrédients de départ à une température comprise entre 1300°C et 1500°C; fibrage dudit mélange en fusion, et recueil desdites fibres ainsi obtenues. Selon l'invention, le matériau propre à constituer un apport d'alumine consiste en des cendres volantes de charbon. La présente invention concerne également les fibres minérales susceptibles d'être obtenues par ce procédé.

Description

Procédé de fabrication de fibres de verre et fibres de verre associées
L' invention concerne de manière générale le domaine de la valorisation de déchets pour l'industrie verrière.
L' invention concerne plus particulièrement un procédé de fabrication de fibres minérales utilisant un matériau issu de la combustion du charbon comme matériau constituant un apport d'alumine, ainsi que des fibres de verre susceptibles d'être obtenues par ce procédé.
Par fibres minérales, on entend, au sens de la présente invention, les fibres minérales siliceuses telles que définies par l'INRS (Fiche pratique de sécurité ED 93) et la norme NF B 20-001, qui englobent les laines minérales (par exemple la laine de verre ou de roche) et les filaments ou fibres minéraux (par exemple les fibres de verre) .
Un procédé de fabrication d'un agglomérat à partir de déchets localement disponibles pour la production de matériau d' isolation en laine de verre est décrit dans le brevet américain US 4,720,295. Ce document décrit également la production de laine de verre de couleur blanche, spécialement utile pour la confection de dalles acoustiques. Le procédé selon US 4,720,295 utilise du mâchefer. Etant donné que le mâchefer est principalement constitué de silice, d'alumine (notamment présente à raison de 22% en poids) et de chaux, il constitue un matériau propre à constituer un apport d'alumine. Le mâchefer consiste généralement en des résidus imbrûlés provenant de la combustion de la houille, du coke ou du charbon dans les fours industriels ou bien encore de la combustion des déchets urbains dans les usines d'incinération. Le mâchefer est donc très hétérogène et nécessite un traitement préalable à une utilisation dans l'industrie verrière.
Un autre matériau propre à constituer un apport d'alumine est la bauxite qu'il convient de traiter préalablement par extraction, lavage, criblage, séparation des oxydes de fer, broyage et séchage, avant de la transporter depuis les zones de production, généralement très éloignées, vers les zones industrielles de mise en œuvre, notamment dans l'industrie verrière. Ces étapes de traitement et de transport sont génératrices de déchets et consommatrices d'énergie (en termes de broyage, séchage et transport) et de ressources naturelles très difficilement renouvelables .
Un but de la présente invention est de proposer un procédé qui permette la fabrication de fibres minérales à partir d'un matériau qui nécessite moins d'étapes préalables de traitement et/ou de transport, voire même aucune, pour pouvoir être valorisée comme apport d'alumine.
A cette fin, la présente invention a donc pour objet un procédé de fabrication de fibres minérales comprenant les étapes suivantes :
fourniture des ingrédients de départ comprenant de la silice, un matériau propre à constituer un apport d' alumine et au moins un fondant ;
fusion desdits ingrédients de départ à une température comprise entre 1300°C et 1500°C ;
fibrage dudit mélange en fusion, et
recueil desdites fibres ainsi obtenues.
Selon l'invention, le matériau propre à constituer un apport d'alumine consiste en des cendres volantes de charbon .
Les cendres volantes de charbon comprennent des taux élevés d'alumine (de l'ordre de 30 % en poids) et de silice (entre 40 et 60 % en poids) , mais aussi des oxydes de fer (entre 4,7 et 6, 1 % en poids) et de la chaux (entre 1 et 5 % en poids) . Non seulement, elles constituent un apport d'alumine significatif et suffisant pour être utilisée dans l'industrie verrière, mais elles nécessitent également moins d'étapes préalables de traitement et/ou de transport pour leur valorisation en tant que telles, notamment en comparaison à un apport d'alumine réalisé par de la bauxite ou du mâchefer.
Les cendres volantes de charbon proviennent typiquement d' installations industrielles telles que les centrales électriques ou thermiques qui utilisent un charbon de qualité normée répondant aux exigences de leur procédé de production d'électricité. Ces installations industrielles produisent donc des déchets constants, autant en termes de quantité, qu'en termes de composition. En effet, les cendres volantes de charbon sont générées en quantité suffisante pour que leur utilisation dans l'industrie cimentière ne permette pas d'en épuiser les stocks. En outre, des analyses réalisées sur des cendres volantes issues de centrales électriques montrent que leur composition, donnée ci-dessous, varie peu autour d'une composition moyenne.
En outre, contrairement aux exploitations de gisements de bauxite, les installations industrielles générant des cendres volantes de charbon sont implantées indépendamment des ressources du sol en alumine. Ainsi, la valorisation des cendres volantes de charbon générées par ces installations industrielles ne requiert pas d'étapes de transport prohibitives en temps, en coût et en moyens logistiques, pour peu que les sites réalisant cette valorisation, par exemple ceux dédiés à l'industrie verrière, soient proches des installations industrielles pour la valorisation des cendres volantes de charbon, ce qui est souvent le cas.
Le procédé selon l'invention permet donc à la fois de proposer une utilisation d'un déchet constant de l'industrie thermique ou électrique et de pallier au recours à des ressources naturelles dont la transformation, le transport et le renouvellement sont difficiles.
Un autre avantage consiste en ce que les cendres volantes de charbon présentent une faible granulométrie , au moins eu égard à la granulométrie du mâchefer. La granulométrie des cendres volantes de charbon non traitées est inférieure à 1 mm. Elle varie préférentiellement entre 10 et 50 ym, pour une moyenne de l'ordre de 20 ym. Le mélange de la silice et du fondant avec les cendres volantes de charbon est alors homogène ce qui constitue un avantage au moins en ce que la fusion du mélange s'en trouve facilitée. À titre d'exemple comparatif, la granulométrie du mâchefer est comprise entre 5 et 10 mm, après tout ou partie des traitements évoqués ci-dessus.
Éventuellement, une granulométrie souhaitée ciblée peut être obtenue par criblage des cendres volantes de charbon. L'objectif de cette étape de criblage est essentiellement de garantir l'absence de corps étrangers qui rendent difficile l'homogénéisation du mélange et par conséquent sa fusion. Ce criblage n'est donc pas essentiel, mais optionnel, et le procédé selon l'invention peut se prévaloir de ne comprendre aucune étape de préparation des cendres volantes de charbon.
Ainsi, un autre avantage consiste en ce que tous les constituants des cendres volantes de charbon, tels que ci- dessus énoncés, entrent dans la composition des fibres de verre. Ainsi, la valorisation des cendres volantes de charbon dans l'industrie verrière est totale, en ce que qu'elle ne produit aucun déchet, contrairement à la production de l'aluminium par exploitation de la bauxite ou au recyclage de mâchefer.
Selon une variante du procédé selon l'invention, ce dernier ne comprend pas d'étape de préparation dudit matériau propre à constituer un apport d'alumine.
Les proportions de silice du matériau propre à constituer un apport d'alumine et du fondant sont telles que les fibres minérales produites par le présent procédé aient une composition proche de celle de la laine de verre telle que donnée ci-dessus, et notamment comprenne environ 15 % d' alumine .
De manière avantageuse, les cendres volantes de charbon comprennent les constituants suivants, dans les proportions pondérales suivantes - Si02 : 40 à 60 %,
A1203 : 25 à 35
Na20 : 0 à 1
CaO : 1 à 5
CaOlibre · 0 à 1
MgO : 0 à 4
K20 : 2 à 8
S02 : 0 à 1
- Fe203 : 4, 7 à 6,1 %,
- métaux alcalins : 0 à 0,5 %, et
carbone : 2 à 7 % .
Il est à noter que les proportions pondérales ci- dessus s'entendent au regard de la matière sèche
Le procédé de fabrication de fibres de verre comprend une étape consistant à fournir de la silice, un matériau propre à constituer un apport d' alumine et au moins un fondant .
La silice peut être fournie sous forme de silice pure, de sable ou de calcin. Le calcin est préféré car c'est un déchet pouvant avantageusement être recyclé selon le procédé de l'invention : on peut citer le calcin issu par exemple de vitres, de verres automobiles ou de bouteilles en verre.
A titre de fondants utilisables dans le procédé de l'invention, on peut notamment utiliser de la soude et/ou de la chaux.
En ce qui concerne les différentes étapes du procédé, celui-ci comprend également une étape de fusion des ingrédients de départ à une température comprise entre 1300 et 1500°C.
Cette étape de fusion est effectuée dans un récipient adapté aux ingrédients destinés à être fondus.
Dans un premier mode de réalisation, le récipient est un four.
Dans un second mode de réalisation, le récipient est un cubilot. Le procédé comprend encore une étape de fibrage d' un filet du mélange en fusion.
Après la fusion des ingrédients de départ, on procède à un fibrage du mélange en fusion, puis on recueille les fibres ainsi obtenues.
Si l'on souhaite fabriquer de la laine de verre, on procède comme suit :
un filet du mélange en fusion s'écoule depuis le récipient, tel qu'un four, vers un panier tournant à grande vitesse dont les bords sont percés de plusieurs milliers de trous traversants ;
le filet est éjecté par ces trous, puis étiré encore par des brûleurs qui le projette vers le bas ;
- on obtient des fibres, qui sont recueillies par un tapis roulant où elles sont mélangées à de faibles quantités de liants et formées en plaques ou rouleaux de laine de verre
Si l'on souhaite fabriquer de la laine de roche, on procède comme suit :
un filet du mélange en fusion s'écoule depuis le récipient, tel qu'un cubilot, vers des rotors tournants à grande vitesse où il est mis en fibres sous forme de nodules de roche ;
- les nodules de roche sont recueillis par un tapis roulant où ils sont mélangés à des produits de collage ainsi qu'à des éléments spécifiques à chaque usage pour polymériser et former de la laine de roche.
L' invention concerne également les fibres de verre susceptibles d'être obtenues par le procédé décrit ci- dessus, et pouvant notamment se présenter sous forme de laine de verre ou de laine de roche.
La valorisation des cendres volantes de charbon est avantageuse dans la fabrication de produits du type laine de verre ou laine de roche. En effet, bien que ces cendres constituent un apport en métaux et en oxydes métalliques qui colorent les fibres de verre, la couleur de ces produits importe peu au vu de leur utilisation, par exemple en tant qu'isolant disposé dans les murs ou les combles.
Si l'application la plus prometteuse du procédé selon l'invention est la fabrication de laine de verre ou de laine de roche, la fabrication, d'autre produits, tels que des bouteilles en verre de couleur verte ou de couleur marron, est envisagée. Dans cette optique, il est à noter que la fabrication de bouteilles en verre de couleur marron autorise un apport de silice entièrement constitué de calcin en vrac de toutes les couleurs, tandis que la fabrication de bouteilles en verre de couleur verte n'autorise un apport de silice que partiellement constitué de calcin en vrac de toutes les couleurs. La fabrication de bouteilles en verre blanc n'autorise aucun apport de silice constitué de calcin en vrac de toutes les couleurs. Ainsi, l'invention pourrait également s'appliquer à la fabrication de bouteilles en verre de couleur verte ou marron pour lesquelles les caractéristiques des matières premières sont moins contraignantes que pour les bouteilles en verre de couleur blanche.
Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d' illustration, mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication de fibres minérales comprenant les étapes suivantes :
fourniture des ingrédients de départ comprenant de la 5 silice, un matériau propre à constituer un apport d'alumine et au moins un fondant ;
fusion desdits ingrédients de départ à une température comprise entre 1300°C et 1500°C ;
fibrage dudit mélange en fusion, et
- 10 recueil desdites fibres ainsi obtenues,
ledit procédé étant caractérisé en ce que le matériau propre à constituer un apport d'alumine consiste en des cendres volantes de charbon.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 qu'il ne comprend pas d'étape de préparation dudit matériau propre à constituer un apport d'alumine.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les cendres volantes de charbon comprennent les constituants suivants, dans les proportions
20 pondérales suivantes
Si02 : 40 à 60 %,
A1203 : 25 à 35 %,
Na20 : 0 à 1 %,
CaO : 1 à 5 %,
25 CaOû re '· 0 a 1 %,
MgO : 0 à 4 %,
K20 : 2 à 8 %,
S02 : 0 à 1 %,
Fe203 : 4, 7 à 6,1 %,
30 métaux alcalins : 0 à 0,5 %, et
carbone : 2 à 7 % .
4. Fibres minérales susceptibles d'être obtenues par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.
5. Fibres minérales selon la revendication 4, caractérisées en ce qu'elles se présentent sous forme de laine de verre ou de roche.
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