PT2102117E - Processo e dispositivo para fabricar uma fusão mineral - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "PROCESSO E DISPOSITIVO PARA FABRICAR UMA FUSÃO MINERAL"

Antecedentes da Invenção

Esta invenção está relacionada com a produção de uma fusão mineral pela combustão de material combustível na presença de material particulado inorgânico e deste modo formando uma fusão. A fusão é então desfibrada para formar fibras minerais.

Tradicionalmente, a forma normal de produzir uma fusão para fibras de escória, pedra ou rocha tem sido por meio de um forno de cuba no qual uma pilha autossuficiente de material particulado inorgânico é aquecida pela combustão de material combustível no forno. A pilha funde-se gradualmente e é reabastecida a partir do topo, com a fusão a fluir por baixo da pilha e para o exterior a partir da parte inferior do forno. 0 forno normal para este propósito é um forno de cúpula. É necessário que a pilha seja autossuficiente e permeável aos gases de combustão, que são geralmente gerados pela combustão de material carbonoso na pilha. É assim indispensável que tudo na pilha seja relativamente grosseiro (de forma a assegurar a permeabilidade da pilha) e tenha uma elevada resistência física e não colapse até que a combustão ou fusão estejam bem avançadas. Na prática isto significa que o material carbonoso é coque e o material particulado é, ou rocha, pedra ou escória grosseiramente esmagadas, ou está sob a forma de briquetes formados por material particulado fino. 2

Em conformidade, se o material que está disponivel apenas está disponivel de uma forma finamente dividida, é necessário suportar a despesa e o inconveniente de transformá-lo em briquetes. A briquetagem normalmente usa materiais que contêm enxofre como aglomerante, tais como cimento com gesso Portland, e isto significa que o efluente é passivel de conter um elevado teor de enxofre, e por isso tem que ser sujeito a tratamento. 0 forno de cúpula ou outro sistema de forno de pilha tem também a desvantagem de que as condições no forno tendem sempre a ser suficientemente redutoras que algum do ferro é reduzido para ferro metálico. Isto exige a separação do ferro metálico da fusão, reduz a produção de lã, conduz à criação de residuos de ferro e também tende a incorrer no risco de corrosão na zona contendo ferro e escórias.

Outra desvantagem é que o processo não tem elevada eficiência térmica.

Apesar destas desvantagens, o processo utilizando um forno de cúpula ou outro forno de pilha tem sido amplamente adotado em todo o mundo no fabrico de fibras de rocha, pedra ou escória.

Um sistema alternativo e completamente diferente para a produção de uma fusão mineral que evite ou reduza as desvantagens do sistema de cúpula é divulgado na nossa publicação anterior WO 03/002469. Este sistema envolve a suspensão de carvão pulverizado, ou outro combustível, em ar de combustão pré-aquecido e queimar o combustível em suspensão na presença de material mineral particulado em suspensão numa câmara de combustão em circulação, ou seja, uma câmara de combustão na qual os materiais particulados 3 em suspensão e o ar circulam num sistema que é ou se aproxima de um sistema de circulação ciclónico. Tal é comumente conhecido como um forno ciclónico. A suspensão de carvão em ar previamente aquecido, e o material mineral particulado, são introduzidos pelo topo ou perto do topo da câmara de combustão. No interior da câmara de combustão ocorre a combustão das partículas de carvão e a consequente fusão do material particulado. A fusão e o material particulado que ainda não se encontram fundidos são atirados contra as paredes da câmara pelos gases em circulação e irão descer pela câmara.

No documento W003/002469, a câmara de combustão preferencialmente conduz num sentido descendente a um grande tanque de sedimentação que tem um volume consideravelmente reforçado. Poderá existir um queimador de gás ou outro meio de fornecimento de energia extra ao tanque de sedimentação por forma a aumentar a temperatura dos gases de escape. 0 queimador está posicionado na direção do topo do tanque de sedimentação. Os gases de escape que estão livres de fusão são retirados do tanque de sedimentação ou da câmara de combustão através de uma conduta no topo da câmara.

De forma a aumentar a eficiência energética do forno ciclónico no documento W0031002469, os gases de escape, que abandonam a câmara de circulação a uma temperatura na faixa dos 1400 a 1700°C são usados para pré-aquecer o material particulado por forma a não desperdiçá-los mas usá-los como energia térmica. Este passo pode ser executado sob condições que reduzem o óxido de azoto (NOx) mitigando desta forma os efeitos ambientais decorrentes dos gases de escape. Os gases de escape passam depois por outro 4 permutador de calor através do qual há troca de calor indireta com o ar de combustão. 0 forno ciclónico tem vantagens significativas por comparação ao forno de cúpula ou outros fornos de pilha. No que se refere ao combustível, ele dispensa a necessidade de briquetagem das partículas finas e pode ser usada uma vasta gama de combustíveis incluindo, por exemplo, o plástico. Usando um forno ciclónico de fusão elimina-se o risco de redução dos minérios para ferro e liberta-se gases de escape que são ecologicamente aceitáveis. A flexibilidade na capacidade de fusão é muito maior do que com recurso a um forno de cúpula o que significa que a produção pode fácil e rapidamente passar de, por exemplo, 40% para 100% da capacidade total pelo que o tempo necessário para responder a novas exigências é consideravelmente encurtado. Além disso, a fusão num forno ciclónico é muito mais rápida do que num forno de cúpula e dá-se na ordem dos minutos, ao invés de horas.

Assim, usar um sistema de forno ciclónico de fusão é económica e ecologicamente desejável e o sistema divulgado no documento WO 03/002469 funciona bem. Há, no entanto, espaço para melhoramentos neste processo.

Em particular, embora tenha havido vários passos no sentido de reciclar a grande quantidade de energia usada na produção da fusão, há inevitavelmente uma grande quantidade de energia que se perde devido ao grande volume do tanque de sedimentação e ao elevado volume de ar de combustão que é usado. É desejável melhorar ainda mais a eficiência energética do sistema. O documento W003/002469 sugere uma segunda forma de realização ilustrada na Figura 2 na qual o tanque de 5 sedimentação é substituído por uma zona de acumulação relativamente pequena na base da câmara de combustão. Tais sistemas conduziriam a um aumento da eficiência energética devido ao reduzido volume do dispositivo através do qual se dá a perda de energia. No entanto, os inventores descobriram que neste sistema há uma diminuição da qualidade da fusão.

Em processos para fabricar fibras minerais, como o do documento W003/002469, a pureza da fusão é extremamente importante uma vez que tem um efeito direto na qualidade das fibras minerais produzidas. A patente dos E.U.A 4,365,984 também está relacionada com a produção de lã mineral usando um forno ciclónico de fusão e envolve alimentar o ar de combustão com um material residual particulado contendo componentes incombustíveis inorgânicos e componentes combustíveis orgânicos. Como no documento W003/002469, o sistema inclui uma grande zona de recolha. Os gases de escape são arrefecidos num permutador de calor e o calor residual é considerado apropriado para secagem de carvão ou outros resíduos ou podem ser usados noutros processos ou para fins de aquecimento. 0 combustível é carvão pulverizado. Pode acontecer que as partículas combustíveis grosseiras não ardam completamente e fiquem deste modo presas na escória fundida. A patente dos E.U.A 4,544,394 diz respeito a um método de fusão de vidro num reator de vórtice. 0 processo está designado para usar combustíveis líquidos ou gasosos. Os combustíveis sofrem uma combustão preliminar num pré-aquecedor em suspensão alimentado a gás ou óleo antes da introdução no vórtice onde sofrerão nova combustão. 6 A patente dos E.U.A 6,047,566 diz respeito a um método para fusão de materiais com silicato reciclados. Devido à necessidade de oxidar materiais orgânicos que estão presentes como impurezas nos materiais com silicato reciclados, exige-se uma longa permanência no interior da câmara de combustão. Neste documento é fornecida uma pré-queima para combustão do combustível e o ar de combustão é fornecido externamente à câmara de combustão. A patente dos E.U.A 4,957,527 diz respeito ao fabrico de vidro num reator de fusão ciclónico. Este documento menciona que usar cinzas contendo combustíveis como o carvão tem sido difícil no passado por causa da contaminação de cinzas no vidro. O dispositivo faz uso de uma grande câmara em suspensão pré-aquecida na qual os materiais minerais são fundidos antes da sua introdução na câmara ciclónica onde ocorre a separação e dispersão dos materiais.

Ciclónicos de fusão são também conhecidos noutros campos, particularmente no campo dos processos pirometalúrgicos (tal como no pedido dos E.U.A 4,566, 903 e no pedido dos E.U.A 5,282,883). Em tais processos, o produto final é um metal fundido e qualquer material mineral fundido que está presente é um material residual. Por conseguinte, a qualidade do mineral fundido é de pouca importância em tais processos. A patente dos E.U.A 2005/0138964 descreve uma instalação para fundir material previamente triturado e/ou pós como, por exemplo, pós de forno ou pós siderúrgicos, misturas de pó de marga e cal, frações leves retalhadas e/ou substâncias residuais esmagadas, na qual o material e/ou os pós são injetados numa câmara de combustão juntamente com um gás transportador para um ciclónico. 7

Na patente dos E.U.A 2005/0039654, uma câmara ciclónica é usada para a combustão de combustível para gerar energia para uso noutros propósitos. Não há adição de material mineral ao sistema pois o objetivo não é dar origem a uma fusão, mas o combustível que pode ser usado pode ser assim denominado "carvão com escória" que contém alguns materiais minerais que não são combustíveis mas fundem-se para formar uma escória quando o carvão entra em combustão. Esta publicação diz respeito ao uso seletivo do enriquecimento com oxigénio num ponto no barril do incinerador ciclónico para manter a escória em forma fundida, para minimizar as emissões de Nox e a fuga de pequenas partículas de carvão no barril. 0 ar (designado como sendo um primeiro oxidante ou oxidante primário com uma concentração de oxigénio de cerca de 21% por volume) é introduzido no incinerador com o combustível. Uma segunda corrente de oxidante com uma concentração maior do que a primeira pode ser introduzida quer numa área adjacente ao carvão, quer no barril. O segundo oxidante mistura-se com uma porção do primeiro oxidante para dar origem a uma área de mistura de oxidantes que deve conter menos do que 31% de oxigénio por volume (assim, o nível de oxigénio do oxidante total, isto é, o gás de combustão é muito inferior a 31%) . Não há sugestão nesta publicação para aumentar os níveis de oxigénio quer nas correntes de ar primárias quer secundárias.

Deste modo, em processos conhecidos para fabricar fibras minerais com recurso a um forno ciclónico, tem sido geralmente necessário usar mais do que uma câmara para realizar o processo de combustão e recolha da fusão. A presente invenção está relacionada com o aumento da eficiência energética de métodos conhecidos para fabricar fibras minerais usando o sistema de fusão de forno ciclónico assegurando ao mesmo tempo que a qualidade da fusão é elevada.

Sumário da Invenção A invenção fornece um método de fabricar fibras minerais compreendendo providenciar uma câmara de combustão de circulação que compreende uma zona superior, uma zona inferior e uma zona de base, injetar combustível particulado, material mineral particulado e gás de combustão primária para a zona superior da câmara de combustão de circulação por forma a que o combustível sofra pirólise na zona superior para produzir resíduos carbonados, fundindo deste modo os materiais minerais particulados para formar uma fusão mineral e gerando gases de escape, injetar gás de combustão secundária na zona inferior da câmara de combustão de circulação por forma que o resíduo carbonado queime, completando deste modo a combustão do combustível, e separar a fusão mineral dos gases de escape quentes por forma que os gases de escape quentes passem por uma saída na câmara de combustão de circulação e a fusão mineral seja acumulada na zona de base, e fluindo a fusão mineral acumulada por uma saída na zona de base para o dispositivo de desfibração centrífuga e formando fibras.

Num aspeto preferencial, a presente invenção fornece um método de fabricar uma fusão mineral compreendendo 9 fornecer uma câmara de combustão de circulação que compreende uma zona superior, uma zona inferior e uma zona de base, injetar combustivel particulado, material mineral particulado e gás de combustão primária que tem um nivel de oxigénio de pelo menos 25% por volume na zona superior da câmara de combustão de circulação por forma que o combustivel sofra pirólise na zona superior para produzir residuos carbonados, fundindo deste modo os materiais minerais particulados para formar uma fusão mineral e gerando gases de escape, injetar gás de combustão secundária que tem um nivel de oxigénio de pelo menos 25% por volume na zona inferior da câmara de combustão de circulação por forma que o residuo carbonado queime, completando deste modo a combustão do combustivel, e separar a fusão mineral dos gases de escape quentes por forma que os gases de escape quentes passem por uma saida na câmara de combustão de circulação e a fusão mineral se acumule na zona de base. A invenção é preferencialmente executada com um dispositivo apropriado para fabricar uma fusão mineral de acordo com a invenção, compreendendo uma câmara de combustão de circulação que compreende uma secção superior cilíndrica, uma secção inferior e uma secção de base, em que a câmara de combustão de circulação compreende entradas na secção superior para combustivel particulado, material mineral particulado e gás de combustão primária, uma ou mais entradas na secção inferior para gás de combustão secundária, uma saida para gases de escape e 10 uma saída na secção de base para a fusão mineral. É essencial em todos os aspectos da invenção injetar gás de combustão secundária na zona inferior da câmara de combustão de circulação por forma que o resíduo carbonado queime nesta região, completando deste modo a combustão do combustível. Esta caraterística permite melhoramentos significativos na eficiência energética a ser obtida ao mesmo tempo que mantém uma boa qualidade de fusão material o que é adequado para fabricar fibras minerais.

Os combustíveis particulados, tal como o carvão, combustam num processo de duas fases. Na primeira fase, que é conhecida como pirólise, os compostos voláteis queimam muito rapidamente com rápida evolução de gás. Isto gera partículas de resíduo carbonado que são ricas em carbono. A segunda fase é a combustão da partícula de resíduo carbonado que é muito mais lenta do que a primeira fase. A segunda fase tipicamente leva entre 10 e 100 vezes mais tempo do que a primeira fase. Assim, ao passo que a primeira fase de combustão ocorre quase instantaneamente quando uma partícula de combustível entra numa câmara de combustão, a segunda fase por norma não ocorre a menos que o combustível tenha um tempo de permanência significativo.

Tipicamente, uma vez que a fase inicial de combustão tem lugar na zona superior da câmara, a partícula de resíduo carbonado é atirada contra os lados da câmara e pode ser incorporada na fusão. Em sistemas em que o ciclónico é usado para gerar uma fusão mineral para subsequente formação de fibras minerais, como na presente invenção, a qualidade da fusão a sair do forno é de importância crítica. Se a combustão do combustível não é completa, deixando algum resíduo carbonado na fusão, a qualidade da 11 fusão será pobre e pode incluir bolhas ou outras falhas de homogeneidade.

No passado, os fornos ciclónicos para fabricar lã mineral tendiam a fazer uso de uma segunda grande câmara ou uma grande câmara de pré-combustão. Isto conduz ao elevado tempo de permanência entre a fase inicial de combustão e a recolha da fusão. Deste modo, as partículas de resíduo carbonado geralmente têm tempo para queimar por completo. A patente dos E.U.A 4,365,984 sugere que as partículas de carvão sejam pulverizadas em tamanhos inferiores a 3mm (1/8 polegada) . Contudo até as mais ínfimas partículas de combustível de cerca de 70mm apresentam problemas com a combustão incompleta. Abaixo deste tamanho, as partículas de carvão tendem a aglomerar-se pelo que a simples redução do tamanho da partícula do combustível não propicia uma solução satisfatória para o problema de combustão incompleta.

Na presente invenção o problema de qualidade de fusão reduzida causada por volumes de câmara reduzidos e deste modo menor tempo de permanência, é resolvido pela injeção de gás de combustão secundária na zona inferior da câmara de combustão. Isto permite que a segunda fase de combustão do combustível tenha lugar muito mais rapidamente do que é usual nesta zona onde os níveis de oxigénio são geralmente baixos.

Assim, a presente invenção permite que o forno ciclónico seja compacto e não exija a necessidade de um tanque de grandes dimensões antes ou após a câmara ciclónica. Dado que quer o tamanho da câmara quer o volume do gás de combustão estão relacionados com a energia necessária para produzir fibras minerais e a subsequente perda de energia, 12 a presente invenção resulta em sistemas mais eficientes do ponto de vista energético. Isto tem beneficios significativos em termos de aumento da viabilidade económica e redução do impacto ambiental.

Uma caracteristica preferencial da invenção é o uso de gás de combustão primária que tem um nivel de oxigénio (pelo menos 25% por volume) que é superior ao encontrado no ar (cerca de 21% por volume) na zona superior e a introdução de gás de combustão secundária que tem também um nivel de oxigénio que é superior ao encontrado no ar na zona inferior da câmara de combustão de circulação. No caso de o ar de combustão primária ser introduzido em mais de uma entrada, o nivel de oxigénio no gás de combustão primária refere-se ao nível médio de oxigénio no gás de combustão primária para a quantidade total de ar de combustão primária, isto é, uma média de todas as entradas. 0 mesmo aplica-se ao nível de oxigénio em gás secundário.

Esta caraterística permite uma maior redução no volume dos gases (visto que o oxigénio é o único componente do gás de combustão que está ativo) e significa que o dispositivo pode ser ainda mais compacto. 0 volume de gás de combustão é proporcional à energia necessária para produzir a fusão pelo que o uso de ar enriquecido com oxigénio de acordo com a invenção tem benefícios significativos em termos de eficiência energética. Usar ar enriquecido com oxigénio ou oxigénio puro também reduz a quantidade de nitrogénio introduzida no sistema e deste modo também reduz a produção de gases NOx nocivos.

Numa forma de realização preferencial, um novo meio de permitir a queima de partículas de resíduo carbonado é através do fornecimento de uma saída de sifão. Isto também promove o aquecimento efetivo da fusão pela chama e evita 13 que as partículas de resíduo carbonado se escapem da câmara na fusão.

Descrição detalhada da invenção A câmara de combustão de circulação na presente invenção é do tipo frequentemente referenciado como forno ciclónico. A construção de fornos ciclónicos apropriados é descrita em várias patentes incluindo as patentes dos E.U.A 3,855,951, 4,135,904, 4,553,997, 4,544,394, 4,957,527, 5,114,122 e 5,494,863. A câmara é regra geral um forno vertical e não um forno horizontal. Normalmente, tem uma secção superior cilíndrica, uma secção inferior frustocónica e uma secção de base mas pode ter uma forma cilíndrica na íntegra. A secção de base é preferencialmente uma parte integral da câmara e pode ser simplesmente a parte extrema da região inferior frustocónica ou pode ser uma secção cilíndrica na extremidade da região inferior. O diâmetro da secção de base não é superior ao diâmetro da secção superior em contraste com sistemas tradicionais que frequentemente empregam um tanque na base da câmara de volume reforçado. O uso de gás secundário na zona inferior que aumenta a velocidade da combustão completa do combustível significa que o sistema pode ser compacto e que um tanque de recolha de grandes dimensões não é necessário.

Assim na invenção, o uso de ar enriquecido com oxigénio ou oxigénio puro como os gases de combustão primária e secundária permite o recurso a uma câmara de combustão compacta. Deste modo, é preferencial na presente invenção que a câmara de combustão seja uma câmara integral. Com isto, queremos dizer que a câmara não é constituída por 14 partes componentes que possam ser separadas umas das outras. A capacidade para usar fornos compactos comparada com sistemas anteriores minimiza as perdas de energia derivadas da área de superfície do forno. 0 volume da câmara é preferencialmente inferior a 25m3, preferencialmente inferior a 20m3, ou 15m3 e pode ser inferior a 10m3.

Por exemplo, para produzir cerca de 20 toneladas por hora de fusão usando 30% de oxigénio como o gás de combustão primária, o volume da câmara de combustão de circulação teria de rondar os 15m3. Em comparação, ao usar oxigénio puro como o gás de combustão primária, o volume da câmara teria de rondar apenas os 5m3. Por conseguinte, ao fazer uso da invenção para permitir o uso de oxigénio puro como o gás primário, pode ser usado um ciclónico muito mais pequeno, e dessa forma mais eficiente em termos energéticos, para uma produtividade particular.

Durante o uso da câmara no método da presente invenção, a câmara compreende uma zona superior, uma zona inferior e uma zona de base. A zona superior é caraterizada por ser onde ocorre a pirólise, a fase inicial de combustão do combustível particulado. Isto corresponde em geral à secção superior cilíndrica da câmara. O combustível particulado e preferencialmente também o material mineral particulado e o gás de combustão primária são injetados na zona superior. A câmara também inclui a saída pela qual passam os gases de escape quentes, preferencialmente na zona superior. Contudo, os gases quentes podem passar por uma saída localizada noutra zona do forno. 15 A pirólise do combustível na zona superior cria resíduos carbonados, um material rico em carbono. As partículas de resíduo carbonado são geralmente atiradas contra as superfícies da câmara pelos gases em circulação e escorrem, juntamente com a fusão, pelas superfícies da câmara sob a ação da gravidade. A zona inferior é caraterizada pela combustão de resíduos carbonados. Assim, a zona inferior geralmente corresponde à secção inferior frustocónica da câmara, particularmente as superfícies da câmara nesta secção. As partículas de resíduo carbonado podem também estar presentes na superfície da secção superior, e a flutuar na fusão na zona de base.

Por conseguinte a zona superior geralmente estende-se pela maior parte da secção superior, da câmara em que a zona inferior estende-se pela maior parte da secção inferior, particularmente as superfícies da secção inferior da câmara e pode também estender-se até certa medida pelas superfícies da secção superior da câmara.

Tipicamente na região inferior de uma câmara de ar de circulação do tipo que tem separação de gás na parte superior e fusão na parte inferior, os níveis de oxigénio são baixos, mesmo que tenha sido adicionado excesso de oxigénio na região superior. Assim, resíduos carbonados em sistemas tradicionais precisam de um longo tempo de permanência para queimar nesta região. Na presente invenção, o gás de combustão secundária é injetado na zona inferior para ajudar a segunda fase de combustão, isto é, a combustão da partícula de resíduo carbonado. Por conseguinte, a combustão completa do combustível ocorre na zona inferior no método da presente invenção. 16 A pirólise do combustível na zona superior cria calor o que leva à fusão do material mineral particulado para formar uma fusão mineral. A fusão mineral é geralmente lançada contra as paredes da câmara pela ação dos gases em circulação e escorre para baixo pela câmara até à zona de base onde se acumula.

Na zona de base a fusão é acumulada. Substancialmente não há presença de resíduos carbonados nesta zona visto ter sido substancialmente queimado por completo na zona inferior. A qualidade da fusão é importante na presente invenção pois a mesma deverá ser apropriada para uso no fabrico de fibras minerais. Como a presente invenção permite que tenha lugar a combustão completa do combustível, as partículas de resíduo carbonado que são prejudiciais para o produto de fibra mineral estão substancialmente ausentes da fusão. A zona de base tem uma saída para a fusão mineral através da qual a fusão passa como uma corrente. Esta corrente é então sujeita a desfibração num dispositivo de desfibração centrífuga, por exemplo usando um prato de centrifugação em cascata ou uma taça giratória ou qualquer outro processo de desfibração centrífuga convencional. É preferencial que, no ponto em que a saída para a fusão mineral deixa a zona de base da câmara, ela não se estenda de imediato para baixo mas, ao invés disso, a saída seja um sifão. Por "um sifão" queremos dizer que a saída, que consiste geralmente de um tubo ou goteira, tenha inicialmente uma orientação ascendente em relação à abertura na câmara e subsequentemente tenha uma orientação descendente antes de conduzir ao equipamento de desfibração. 17

Como é normal com um sifão, o resultado é que, por forma que a fusão abandone a câmara, o banho de fusão no interior da câmara deve ser suficientemente fundo para alcançar o ponto verticalmente mais elevado da saida do sifão. Quando isto acontece, a gravidade faz com que a fusão atravesse a parte do sifão com orientação ascendente e depois desça pela parte subsequente do sifão até ao equipamento de desfibração. Deste modo cria-se uma válvula dupla no sistema que impede a fuga dos gases de escape pela base da câmara.

Usar um sifão é particularmente vantajoso na forma de realização onde é usado um combustível particulado, como o carvão, e conduz a melhorias na qualidade da fusão. Isto deve-se ao facto de as partículas de resíduo carbonado, que são partículas de combustível que não queimaram por completo nas secções superior ou inferior da câmara, possam acumular-se no topo da piscina de fusão e ali flutuar. Estas partículas de resíduo carbonado são impedidas de sair da câmara com a fusão pelo sifão.

Ao permitir que as partículas de resíduo carbonado se acumulem na fusão, o seu tempo de permanência na câmara é aumentado se comparado com a não utilização de sifão. Assim, as partículas de resíduo carbonado podem completar a sua combustão na zona de base por forma a alcançar a queima total do combustível. Isto assegura a otimização do processo de eficiência energética. A combustão na zona de base de partículas de resíduo carbonado a flutuar na fusão é melhorada pela adição de gás de combustão secundária na secção inferior da câmara de combustão de circulação. 18

Uma nova vantagem está relacionada com as proporções relativas de ferro II e ferro III na fusão. Tradicionalmente, os fornos de cúpula têm sido usados para produzir fusões minerais que têm uma atmosfera altamente redutora. Como resultado disto, quase todo o ferro em fusões produzidas por fornos de cúpula está presente na forma de ferro II. 0 ferro II é bom para as propriedades resistentes ao fogo das fibras pois é convertido numa estrutura cristalina de ferro III a elevadas temperaturas.

Contudo, os sistemas ciclónicos como o da presente invenção são muito mais oxidantes, particularmente quando o gás primário é ar enriquecido com oxigénio. Neste caso, uma proporção substancial do óxido de ferro na fusão pode estar na forma de ferro III ao invés de ferro II. Quando é usado um sifão, a fusão entra em contacto com as partículas de resíduo carbonado que ficam ali presas a flutuar. Como as partículas de resíduo carbonado são altamente redutoras, elas atuam para reduzir o ferro III na fusão para ferro II assegurando desta forma que são mantidas boas propriedades de resistência ao fogo para as fibras.

Quer a fase inicial de combustão na zona superior quer a segunda fase de combustão na zona inferior criam gases de escape quentes. Os gases circulam na câmara e fluem para cima passando eventualmente por uma saída na zona superior da câmara. 0 movimento geral de gases e material particulado em suspensão na câmara de combustão de circulação é um movimento ciclónico. Este é criado pela introdução do gás de combustão primária, bem como combustível e material mineral particulado, num ângulo apropriado para manter o movimento de turbulência. 0 gás de combustão secundária é 19 também preferencialmente introduzido na mesma direção por forma a manter as correntes de circulação.

Na invenção, as zonas superior, inferior e de base são definidas em termos das várias fases do método de fabricar uma fusão mineral. Também aqui descrito está um dispositivo que é adequado para uso no método da invenção. Assim, são fornecidas entradas para o combustível particulado, material mineral particulado e gás de combustão primária, bem como uma saída de gases de escape quentes, na secção superior cilíndrica da câmara de combustão de circulação que inclui e geralmente corresponde à zona superior durante a utilização do dispositivo. 0 gás secundário é injetado na secção inferior da câmara de combustão de circulação que inclui e geralmente corresponde à zona inferior durante a utilização do dispositivo. 0 dispositivo compreende também uma secção de base na qual a fusão se acumula durante a utilização, que compreende uma saída para a fusão mineral. 0 combustível particulado usado na presente invenção pode ser qualquer combustível que queime num processo de duas fases envolvendo pirólise inicial para formar uma partícula de resíduo carbonado, a que se segue a combustão da partícula do resíduo carbonado. 0 combustível particulado pode ter uma forma líquida ou sólida. 0 combustível líquido é usado sob a forma de gotas, isto é, partículas de combustível líquido. Nesta forma de realização, o combustível pode ser partículas de óleo petrolífero ou outros líquidos de base de carbono.

No entanto, o combustível particulado na presente invenção é preferencialmente sólido. É geralmente um material carbonoso e pode ser qualquer material carbonoso particulado que tenha um valor calorífico adequado. 0 valor calorífico pode ser relativamente baixo, por exemplo, tão 20 baixo quanto lOOOOkJ/kg ou até tão baixo quanto 5000kJ/kg. Assim pode ser, por exemplo, lamas de depuração secas ou residuos de papel. Preferencialmente tem um valor calorífico mais elevado e pode ser RGC da indústria do aluminio, residuos contendo carvão tais como rejeitos de carvão, ou carvão pulverizado.

Numa forma de realização preferencial, o combustível é carvão pulverizado e pode ser finos de carvão mas preferencialmente algum, e normalmente pelo menos 50% e preferencialmente pelo menos 80% e normalmente todo o carvão é feito por moagem de pedaços de carvão, por exemplo usando moinho de bola. O carvão, quer seja fornecido inicialmente fino ou em pedaços, pode ser carvão de boa qualidade ou pode ser residuos de carvão contendo um elevado conteúdo inorgânico, por exemplo 5 para 50% inorgânico com o equilíbrio sendo carbono. Preferencialmente o carvão é principal ou totalmente carvão de boa qualidade por exemplo carvão betuminoso ou sub-betuminoso (ASTM D388 1984) e contém voláteis que promovem a ignição.

As partículas de combustível preferencialmente têm um tamanho de partícula na faixa de 50 a lOOOum, preferencialmente cerca de 50 a 200um. Regra geral, pelo menos 90% das partículas (por peso) encontram-se dentro desta faixa. A média por norma está no tamanho médio de 70um, com a faixa estando 90% abaixo de lOOum. O combustível pode ser alimentado para o interior da câmara através de um tubo de alimentação numa forma convencional para proporcionar uma corrente de partículas de combustível. Isto normalmente envolve o uso de um gás transportador no qual estão suspensas as partículas de combustível. 0 gás transportador pode ser ar, ar 21 enriquecido com oxigénio ou oxigénio puro preferencialmente à temperatura ambiente para evitar retornos da chama ou um gás menos reativo como o nitrogénio. 0 gás transportador é considerado parte do gás de combustão primária. 0 gás de combustão primária como um todo, que inclui o gás transportador e outro gás injetado na zona superior da câmara, deve ter mais oxigénio do que o tipicamente presente no ar. 0 tubo de alimentação é preferencialmente cilíndrico. 0 material mineral particulado é qualquer material que é adequado para fabricar fibras minerais que podem ser fibras de vidro ou fibras de rocha, pedra ou escória. As fibras de vidro tipicamente têm uma análise quimica, por peso de óxidos, superior a 10% de Na20 + K20, inferior a 3% de ferro como FeBo, inferior a 20% de CaO + MgO, superior a 50% de Si02 e inferior a 5% de A1203 . As fibras de rocha, pedra ou escória tipicamente têm uma análise, por peso de óxidos, inferior a 10% de Na20 + K20, superior a 20% de CaO+ MgO, superior a 3% de ferro como FeO, e inferior a 50% de Si02 e, muitas vezes, superior a 10% de A1203. O material mineral pode ser materiais residuais tais como fibras minerais que tenham já sido usadas ou que tenham sido rejeitadas antes da sua utilização de outros processos. O material mineral particulado, que é fundido na câmara para produzir a fusão mineral, é introduzido na zona superior da câmara por forma a ficar ali em suspensão nos gases. O ponto no qual se dá a adição do material mineral particulado não é importante e este pode ser misturado com o combustível e injetado através do tubo de alimentação de combustível. É, no entanto, preferencial adicionar o material mineral particulado no combustível de queima. Isto pode ser alcançado pela adição de material mineral particulado na câmara através de uma entrada de forma 22 convencional, por exemplo na parte superior, ou perto, da câmara. 0 gás de combustão primária é introduzido na zona superior da câmara e pode estar à temperatura ambiente ou ser pré-aquecido. Quando o gás é aquecido, a temperatura máxima desejável de pré-aquecimento deve rondar os 600°C, e o pré-aquecimento preferido é entre os 300 e os 600°C, mais preferencialmente em torno dos 500 a 550°C. O gás de combustão primária é preferencialmente enriquecido com oxigénio relativamente ao ar e tem pelo menos 25% de oxigénio por volume, enquanto o ar normalmente tem cerca de 21% por volume. Por "ar enriquecido com oxigénio" queremos dizer que o gás contém mais oxigénio do que o naturalmente presente no ar e pode, paralelamente, conter outros gases que se encontram naturalmente presentes no ar. Pode também conter outros gases que não se encontram normalmente no ar, tais como o propano ou o metano, desde que o nivel de oxigénio total permaneça superior ao presente normalmente no ar.

Nas formas de realização preferenciais, o gás de combustão primária é ar enriquecido com oxigénio que compreende pelo menos 30% ou 35%, preferencialmente pelo menos 50%, mais preferencialmente pelo menos 70% de oxigénio por volume ou oxigénio puro. Noutra forma de realização, para otimizar as poupanças energéticas associadas ao uso de oxigénio, com o custo elevado do oxigénio relativamente ao ar, o ar compreende 30 a 50% de oxigénio. Ao utilizar oxigénio puro este deve estar preferencialmente à temperatura ambiente, ao invés de ser pré-aquecido. O gás de combustão primária pode ser introduzido através de um tubo de alimentação com o combustível nele suspenso, especialmente quando o gás está a uma temperatura 23 relativamente baixa. 0 combustível não deverá começar a combustão no tubo do combustível antes de entrar na câmara (um fenómeno conhecido como "retorno de chama") pelo que nesta forma de realização são indispensáveis baixas temperaturas do gás. No entanto, o gás de combustão primária é preferencialmente introduzido separadamente numa ou mais entradas de gás de combustão que podem estar localizadas na proximidade do tubo de alimentação de combustível por forma que o gás de combustão seja direcionado para a câmara na mesma área que o combustível, para permitir uma mistura eficiente.

Quer sejam ou não introduzidos em conjunto, a velocidade a que o gás de combustão é injetado na câmara é relativamente baixa (preferencialmente entre 1 e 50 m/s), por forma a minimizar o desgaste do dispositivo. Quando o combustível e o material mineral são suspensos no gás de combustão, a velocidade é preferencialmente entre 5 e 40 m/s. Quando eles são introduzidos separadamente, o que é preferencial, a velocidade de injeção do combustível é preferencialmente 20 a 40 m/s. É desejável assegurar que o combustível particulado é misturado rápida e cuidadosamente com o gás de combustão primária uma vez que isto assegura que o combustível é inflamado rapidamente por forma a sofrer pirólise quase de imediato após introdução na câmara. Existindo mistura cuidadosa também assegura que o tempo de permanência das partículas de combustível no gás de combustão primária é mais uniforme conduzindo assim à combustão mais eficiente do combustível.

Para ajudar a assegurar uma mistura rápida e cuidadosa numa forma de realização da invenção pode ser introduzido um gás adicional na zona superior que se desloca a uma velocidade 24 maior do que o gás de combustão primária e o combustivel particulado e, devido ao diferencial de velocidade, provoca turbulência da corrente de partículas de combustível conduzindo assim à rutura da corrente e assegurando uma mistura rápida. 0 gás adicional é geralmente muito menos volumoso do que o gás de combustão e tipicamente constitui menos de 40% do gás total injetado na câmara de combustão, preferencialmente entre 10 e 30%. O gás adicional pode ser qualquer gás incluindo ar, nitrogénio, oxigénio, ou um gás inflamável tal como o propano ou o butano. O gás adicional pode ser injetado de uma entrada por forma a ficar adjacente à corrente de partículas na câmara mas é preferencialmente injetado numa entrada que concentricamente circunda a entrada do combustível. Esta disposição concêntrica conduz a uma mistura eficiente, particularmente onde a entrada de gás adicional tem um bocal convergente na sua abertura. O gás adicional preferencialmente desloca-se pelo menos lOOm/s mais rápido do que o combustível e o gás de combustão, geralmente pelo menos 250m/s, preferencialmente pelo menos 300m/s. Na forma de realização mais preferencial, a velocidade de injeção do gás adicional é sónica, isto é, à velocidade do som, ou acima desta.

Alternativamente, o próprio gás de combustão primária é oxigénio puro deslocando-se pelo menos lOOm/s mais rápido do que o combustível, geralmente pelo menos 250m/s. O gás de combustão primária de oxigénio pode ser injetado de uma entrada por forma a ficar adjacente à corrente de partículas de combustível mas é preferencialmente injetado numa entrada que concentricamente circunda a entrada do combustível. O gás de combustão secundária é introduzido na zona inferior da câmara. Tal como com o gás de combustão 25 primária, o gás de combustão secundária pode estar à temperatura ambiente ou pré-aquecido e preferencialmente contém pelo menos 25% de oxigénio. Preferencialmente o gás de combustão secundária é ar enriquecido com oxigénio que compreende pelo menos 30% ou 35%, preferencialmente pelo menos 50%, mais preferencialmente pelo menos 70% de oxigénio por volume, ou entre 30 e 50% de oxigénio ou oxigénio puro. Durante a descrição e reivindicações, por "oxigénio puro" queremos dizer oxigénio com 92% de pureza ou superior obtido, por exemplo, por técnica de separação por absorção sob vácuo (VPSA) ou pode ser quase 100% oxigénio puro obtido por um método de destilação. O gás de combustão secundária pode ser introduzido de qualquer forma convencional mas é preferencialmente introduzido usando uma entrada que tem um bocal convergente, conhecido como uma lança. 0 gás de combustão secundária pode ser injetado de uma entrada na zona inferior mas é preferencialmente injetado de pelo menos duas, mais preferencialmente um número superior a dois tal como três, quatro, cinco ou seis, preferencialmente quatro entradas.

Os inventores descobriram que adicionando gás de combustão na zona inferior é muito eficaz ao garantir a combustão total das partículas de residuo carbonado criadas no seguimento da pirólise na zona superior. Adicionar oxigénio neste ponto tem provado ser muito mais eficaz do que simplesmente adicionar oxigénio adicional ao ar de combustão primária na zona superior. O gás de combustão secundária constitui menos de metade do gás de combustão total que inclui o gás de combustão primária, o gás de combustão secundária e qualquer gás adicional que é introduzido que é combustível. Preferencialmente, o gás de combustão secundária constitui entre 10 a 50%, 26 preferencialmente 20 a 40% da percentagem total de gás de combustão.

Numa forma de realização preferencial, um combustível liquido ou gasoso adicional (ou secundário) é injetado na zona inferior, e queima na presença do gás de combustão secundária para formar uma chama na zona inferior. As quantidades relativas do oxigénio no gás de combustão secundária e no combustível líquido ou gasoso secundário são selecionadas por forma que haja um excesso de oxigénio no seguimento da completa combustão do combustível secundário no gás secundário.

Injetar combustível secundário na zona inferior é vantajoso pois pode ser usado para regular a temperatura da fusão que foi acumulada na zona de base. Como este é o objetivo, o combustível secundário é preferencialmente injetado na direção da extremidade inferior da zona inferior, preferencialmente na metade inferior da secção inferior frustocónica da câmara, por forma a ficar perto da zona de base. O combustível secundário pode ser qualquer combustível líquido ou gasoso que queime imediata e completamente. Portanto não podem ser só os materiais particulados que queimam em duas fases que são injetados na zona superior mas podem conter uma proporção reduzida (inferior a 50% mas volume, preferencialmente inferior a 20, 10 ou 5% por volume) destes materiais. Os combustíveis preferidos são o gás propano, o metano ou o natural. O combustível secundário está presente numa quantidade inferior ao combustível particulado e constitui menos do que 40%, tipicamente 5 a 15% da energia combustível total.

Nesta forma de realização o gás de combustão secundária é preferencialmente oxigénio puro e é introduzido através de uma entrada do queimador com o combustível por forma que a 27 combustão ocorra de imediato. Alternativamente, o gás de combustão secundária pode ser introduzido através de uma entrada próxima da entrada para o combustível secundário e a mistura pode ter lugar na câmara.

Figuras A Figura 1 é uma ilustração do dispositivo que está adequado para utilização numa forma de realização preferencial da presente invenção; A Figura 2 é uma vista frontal do sifão que é mostrado na Figura 1 em forma oval pontilhada; A Figura 3 é uma vista lateral do sifão que é mostrado na Figura 1 em forma oval pontilhada. A Figura 1 mostra uma câmara de combustão de circulação 1 que compreende uma secção superior 2, uma secção inferior 3 e uma secção de base 4. 0 combustível primário e o material particulado são introduzidos pela entrada 5 com o gás de combustão primária a ser introduzido pela entrada 6 que concentricamente circunda a entrada 5. 0 combustível primário é inflamado e queimado na secção superior 2 e é acumulado na secção de base 4 como uma piscina de fusão 7. Os gases de escape quentes passam pela sarda do gás combustível 8 no topo da câmara de combustão. 0 combustível secundário e o gás de combustão secundária são injetados através de um queimador de oxigénio-combustível 9 e formam uma chama na área inferior 3 que atua para aquecer a piscina de fusão 7. Novo gás de combustão secundária é introduzido por ventiladores de oxigénio 10 na área inferior 3 que ajuda a combustão do combustível nesta área. A fusão flui pelo sifão 11 para o equipamento de desfibração 12 onde é transformado em fibras. 28 A Figura 2 mostra uma vista frontal do sifão 11 com uma corrente de fusão 13 a sair do sifão 11. A Figura 3 mostra um corte transversal do sifão 11 que tem uma parte que está orientada de forma ascendente 14 e sobe verticalmente por cima da abertura 15 na câmara 1. Logo que o banho de fusão 7 suba acima do nivel da parte orientada verticalmente 14, a fusão flui sobre aquela parte como corrente 13.

Claims (12)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um método de fabricar fibras minerais compreendendo fornecer uma câmara de combustão de circulação (1) que compreende uma zona superior (2), uma zona inferior (3) e uma zona de base (4) , injetar combustível particulado, material mineral particulado e gás de combustão primária na zona superior (2) da câmara de combustão de circulação (1) por forma que o combustível sofra pirólise na zona superior (2) para produzir resíduos carbonados, fundindo deste modo os materiais minerais particulados para formar uma fusão mineral e qerando gases de escape, injetar qás de combustão secundária na zona inferior (3) da câmara de combustão de circulação (1) por forma que os resíduos carbonados queimem, completando deste modo a combustão do combustível, e separar a fusão mineral dos gases de escape quentes por forma que os gases de escape quentes passem por uma saída (8) na câmara de combustão de circulação (1) e a fusão mineral (7) se acumule na zona de base (4), e fluir a fusão mineral acumulada (7) por uma saída (11) na zona de base (4) para um dispositivo de desfibração centrífuga (12) e formar fibras.

2. Um método de acordo com a reivindicação 1, em que o gás de combustão primária é ar enriquecido com oxigénio que contém pelo menos 25% de oxigénio por volume.

3. Um método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o gás de combustão secundária é ar enriquecido com 2 oxigénio que contém pelo menos 25% de oxigénio por volume.

4. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o gás de combustão primária e/ou secundária é ar enriquecido com oxigénio que contém pelo menos 30%, preferencialmente pelo menos 35%, mais preferencialmente pelo menos 50% de oxigénio por volume.

5. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o gás de combustão primária e/ou secundária é ar enriquecido com oxigénio que contém pelo menos 70% de oxigénio por volume.

6. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o gás de combustão primária e/ou secundária é oxigénio puro.

7. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o gás de combustão secundária é injetado na zona inferior (3) através de pelo menos duas, preferencialmente pelo menos três entradas (10).

8. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o gás de combustão secundária é oxigénio puro e combustível líquido ou gasoso adicional é adicionado na zona inferior (3) de modo a formar uma chama na zona inferior (3).

9. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o combustível particulado é sólido, preferencialmente carvão. 3

10. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que existe uma sarda (11) na secção de base (4) pela qual flui uma corrente (13) da fusão acumulada, em que a sarda (11) é um sifão.

11. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o dispositivo de desfibração centrífuga é uma taça giratória.

12. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o dispositivo de desfibração centrífuga é um prato de centrifugação em cascata.