PT91494A - Processo para o fabrico de vidro a partir de materiais de fornada - Google Patents

Description

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Descrição do objecto do invento que PPG INDUSTRIES, INC., norte-americana (Estado da Pensilvânia), industrial, com sede One PPG Place, Pittsburgh 22, Estado da Pensilvânia 15272, Estados Unidos da América, pretende obter em Portugal, para: "PROCESSO PARA 0 FABRICO DE VIDRO A PARTIR DE MATERIAIS DE FOR NADA Num processo de fabrico convencional de vidro, os materiais da fornada bruta são misturados e depois submetidos a temperaturas elevadas para efectuar reacções químicas e dissolução que transforma a mistura da fornada em vidro fundido. Têm no passado sido feitas propostas para realizar separadamente algumas das reacções entre fornadas constituintes antes de se iniciar o processo de fusão prin cipal. Embora estas propostas indiquem teoricamente poupanças de energia, os custos de processamento extra têm ge ralmente tornado a economia desfavorável na prática efecti· va. A patente norte-americana No.3*082,102 (Cole et al.) descreve o aquecimento da mistura da fornada antes da fusão para efectuar a reacção entre sílica e conza de soda para produzir metasilicato de sódio. A temperatura é limi tada a 820°C para vidro de soda-óxido de cálcio-sílica para permitir a produção de uma fase de fusão que conduziria ao entupimento do aparelho previamente aquecido. Λ patente norte-americana N9» 3«682.666 (Lacourrege) descreve um processo semelhante de reacção de toda a mis-

35 Λ — fV . , ff; § 18?tei889 Case F 8678 GL 1 tura da fornada para produzir silicatos antes da fusão em que uma temperatura de reacção baixada para entre 600°C e J8J°C é tornada possível pela inclusão de uma pequena quan 5 tidade de halogeneto, A patente norte-americana No. 3·8ΐ7·776 (Gringas) faz reagir parcialmente grãos de areia previamente aquecidos até silicato de sódio por contacto com soda caústica fundida. Os remanescentes dos ingredientes da fornada são 10 adicionados subsequentemente. Este processo tem o inconveniente de exigir a utilização de soda caústica, que é mais dispendiosa que a cinza de soda como uma fonte de sódio para fabricar vidro. Do mesmo modo, o processo para contactar sólidos com material fundido é mais dificil de, -4-87 —L σι controlar e mais propenso a obturar que uma reacção no estado sólido. Mod. 71 - 10 000 ex ΙΟ ο Outro tratamento prévio útil dos constituintes da fornada é a calcinação da pedra calcaria e/ou constituintes de dolomite de modo a decomporem os carbonatos até óx^ dos, libertando assim dióxido de carbono. A eliminação de dióxido de carbono antes de começar a fusão é vantajosa a 25 fim de evitar inclusões gasosas de indução no vidro. Um exemplo de um tratamento prévio de calcinação está descrito na patente norte-americana No. b,539*030 (Demarest). A calcinação exige temperaturas superiores a 870°C (l600oF), que evitam o tratamento da mistura total da fornada porque tais temperaturas causariam a fusão de outros constituintes da fornada, particularmente a cinza de soda ou outra 30 fonte de soda. 35 Em resumo, os esquemas de aquecimento prévio da técnica anterior’ envolvem geralmente apenas porções da fornada ou são limitados quanto às temperaturas que podem ser atingidas. Outros têm características de processo desfavoráveis ou envolvem matérias primas dispendiosas. Será

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6131½ Case F 8678 GL ! 18ílÍ989 ti // desejável maximizar a recuperação do calor dispendido a partir dos processos de fusão do vidro e aquecer previa-mente e fazer reagir previamente todas as porções da fornada. Sumário do Invento

No presente invento todas as porções da fornada são previamente aquecidas e feitas reagir previamente até um potencial optimizado antes de se iniciar a fusão. Â fornada é previamente tratada em duas porções separadas. A primeira porção é caracterizada pela inclusão da maior par te de material da fonte de soda (por exemplo cinza de sod^ e a segunda porção é caracterizada pela inclusão da maior parte das fontes de cálcio e/ou magnésio (por exemplo, pedra calcária e/ou dolomite). Os carbonatos de cálcio e magnésio são calcionados a uma temperatura acima de 870°C (l600°F). De preferência, a maior parte do material da fonte de sílica (por exemplo areia) acompanha os carbonatos de cálcio e magnésio durante a calcinação e é previamente aquecido. Com a areia presente, o processo de calcinação pode ser utilizado para aquecer previamente aquela porção da fornada até temperaturas superiores a 1100°C (2000°F) ou superiores. A fonte de soda é misturada com uma porção menor da fonte de sílica e faita reagir no estado sólido a temperaturas elevadas para produzir silica-to de sódio, principalmente metasilicato de sódio. As duas porções previamente tratadas separadamente da fornada são combinadas num vaso de liquefação onde a fusão é iniciada.

Devido ao facto de todas as porções que entram no vaso de liquefação terem sido previamente aquecidas e terem tido preliminarmente realizadas reacções endotérmicas, as exigências de aquecimento para iniciar a fusão no vaso

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Case F 8678 GL de liquefação são relativamente menores. Sob as condições de funcionamento preferidas, o maior consumo de energia tem lugar na fase de calcinação, e o gás de escape proveniente da fase de calcinação pode ser suficiente para proporcionar uma porção substancial da necessidade de energia do reactor de silicato de sódio. Portanto, o escape proveniente do calcinador pode ser dirigido para o reactor de silicato. 0 escape proveniente do vaso de liquefação pode também ser feito passar no reactor de metasilicato.

Embora não seja essencial para o presente invento, uma forma de realização particularmente vantajosa para a fase de calcinação prevê a combustão de fuel (por exemplo carvão) embora misturado com a_ porção da fornada, como descrito na patente norte-americana No. 4.634.461 (Demarset et al.).

Outros objectos e vantagens do invento tornar-se-ão evidentes a partir da descrição pormenorizada da forma de realização preferida que se segue e a partir do desenho.

No Desenho A figura é uma vista lateral esquemática de uma for ma de realização especifica para executar o presente invento, incluindo calcinador, reactor de silicato e vasos de liquefação separados.

Descrição Pormenorizada A fim de proporcionar uma compreensão mais completa do invento, uma forma de realização especifica preferida será descrita em pormenor, forma de realização essa que inclui vasos de prétratamento de calcinação rotativos que alimentam um vaso de liquefação rotativo. Deve compreen- -4-

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Case F 8678 GL der-se que os conceitos do presente invento não estão limitados ao aparelho especifico descrito e que outros meios podem ser utilizados.

Na forma de realização da figui^ um forno rotativo 10 é utilizado para calcinar a porção da fornada que inclui os carbonatos de cálcio e magnésio, 0 vidro em chapa de soda-óxido de cálcio-sílica mais comercial inclui uma quantidade significativa de magnésio fornecido pelo material de dolomite da fornada. Contudo, o magnésio não é essencial para o tipo de vidro ao qual o presente invento se refere, e o prétratamento de uma fonte de magnésio pode ser considerado uma característica facultativa do presente invento. Os banefícios do presente invento são maximizados se todos os carbonatos de cálcio e magnésio da fornada forem submetidos ao tratamento prévio de calcinação, mas benefícios de um grau menor podem ser obtidos se apenas uma porção for passada através do calcina-dor. De preferência, a porção da fornada alimentada ao calcinador constitui pelo menos a maior parte dos materiais que são a fonte de cálcio e/ou magnésio. Aquela porção da fornada pode ser alimentada ao calcinador mediante um alimentador em parafuso 11 numa extremidade de entrada do forno rotativo 10.

Num modo de funcionamento o forno de calcinação 10, um queimador (não representado) pode ser proporcionado para aquecer o interior do forno até à temperatura de calcinação. Tipicamente, tal queimador deveria estar na extremidade oposta ao alimentador em parafuso 11 e os sólidos e gases deveriam passar em contra-corrente uns em relação aos outros. Todavia, o método preferido para aquecer o forno rotativo 10 é a combustão de fuel com os materiais da fornada de acordo com as técnicas da patente norte-americana No. 4.519.81'+ (Demarest et al.). TJma vantagem de -5- 4 1 5 10 15

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tal tentativa é que um fuel tal como carvão pode ser utilizado sem dificuldades com contaminação de cinza ou descoloração, As fornadas constituintes e o fuel sólido ou líquido podem ser misturados antes de serem feitos passar através do alimentador em parafuso 11 ou podem ser aali-mentados separadamente ao forno rotativo 10 onde a mistura será efectuada pela acção giratória do forno, 0 barril 12 do alimentador em parafuso 11 pode ser arrefecido por água e equipado com condutas para introduzir ar ou oxigénio no interior do forno rotativo 10 para suportar a combustão do fuel, A utilização de oxigénio é preferida para o fim de manter a temperatura mais elevada dentro do forno, para minimizar o volume dos gases de escape, e para reduzir a formação de emissões de óxido nítrico.

Quando é utilizado carvão como fuel no forno rotativo 10 de calcinação, a quantidade de carvão necessária dependerá da temperatura desejada e do teor de calor do carvão particular. Uma mistura de areia, pedra calcária e dolomite com 6$ a 10$ de carvão mostrou aquecer a mistura até 1100°C a 1300°C quando em combustão com oxigénio, que é suficiente para calcinar apropriadamente os carbonatos. Uma calcinação razoavelmente activa para os fins do presente invento é considerada a começar a temperaturas de cerca de 870°C (l600°F), mas temperaturas mais elevadas são preferidas para maximizar a admissão de calor nesta fase. A extensão até a qual os carbonatos são calcinados está essencialmente completa acima de 870°C (l600°F). Portanto, os materiais que são descarregados do forno rotativo 1Q podem ser earacterizados como sendo essencialmente calcinados de maneira completa, isto é, a grande maioria dos carbonetos foi decomposta até óxidos. A calcinação é altamente vantajosa para o fim de reduzir as exigências de energia da fase de liquefação subsequente e para evitar a produção de C0o durante o processo de liquefação

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Igjtâ89 em que o gás se pode tornar induzido na fase de fusão.

Devido ao facto de serem atingidas temperaturas mais elevadas na porção da fornada submetida a calcinação que na porção envolvida na produção de metasilicato, prefere--se maximizar a porção do material que constitui a fonte de sílica (areia) passada através^do vaso de calcinação’ de modo a dotar a mesma de temperatura de préaquecimento mais elevada. Tendo a temperatura de fusão mais elevada de qualquer constituinte principal da fornada, a areia pode ser préaquecida a temperaturas muito elevadas sem se fundir. Parte da fonte de sílica deve ser fornecida ao reactor de metasilicato, mas a quantidade deverá ser não mais que a necessária para completar a reacção com aa fonte de soda para formar metasilicato de sódio. Aproximada-mente um quinto da fonte total de sílica é suficiente para completar a reacção de silicato de sódio. A parte re_s tante da sílica pode ser fornecida ao vaso de calcinação. Alternativamente, uma porção da sílica pode ser separada-mente préaquecida até temperaturas mesmo mais elevadas que as atigidas no processo de calcinação e depois alimentada directamente ao liquidificador, reduzindo assim asne cessidades de energia do liquidificador mesmo posterior-mente. Incluindo a quantidade máxima de areia na porção da fornada que passa através do calcinador, crê-se ter o desejável efeito de inibição de aglomeração dos outros materiais, permitindo assim temperaturas de préaquecimento mais elevadas juntamente com a calcinação.

A reacção de silicato de sódio pode ser realizada num vaso separado que pode ter uma variedade de formas, sendo o exemplo representado no desenho outro forno rotativo 20. Uma forma de vaso alternativa de reactor de silicato pode compreender uma fornalha múltipla como é conhecido na técnica para contactar sólidos com gases. A -7- 15 10 15

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6l31kCase F 8678 GL ;.a 18-^/.:789 última disposição envolve uma estante vertical de tabuleiros que têm orifícios através das quais os sólidos pulverulentos caiem a partir de um tabuleiro para o tabuleiro que fica por baixo quando empurrado por cremalheiras rotativas enquanto o gás passa para cima através dos orifícios dos tabuleiros. A velocidade da reacção em estado sólido entre sílica e cinza de soda depende da temperatura e do tamanho de partícula. 0 tamanho do vaso de reacção é escolhido de acordo com o tempo de permanência necessário que, por sua vez, é determinado pela velocidade da reacção. Embora uma fonte de calor independente possa ser u-tilizada, é preferível por.razões de eficiência de energia aquecer o reactor de silicato por meio do gás de escape proveniente do calcinador. Sob condições de funcionamento preferidas o escape do calcinador está a temperatura e volume suficiente para proporcionarem toda a energia necessária para a reacção de silicato. Em alguns casos o escape proveniente do calcinador pode necessitar ser diluído com gás mais frio para evitar temperaturas elevadas no reactor de silicato que podem a fusão dos materiais prematuramente. Noutros casos, calor adicional pode ser necessário, o qual é proporcionado por um queimador adicional (não representado) na extremidade de entrada do gás do reactor de silicato. 0 parâmetro que afecta a velocidade de reacção está sujeito a uma larga gama de variação no tamanho de partícula do material, particularmente a sílica. A cinza de soda na sua forma comercial comum é suficientemente fina para o processo. 0 tamanho de partícula de areia convencional para a fornada de vidro, contudo, é demasiado grande para dar velocidades de reacção com rendimento prático se utilizadas como fonte de sílica para a reacção de silicato de sódio. Embora a sílica finamente dividida seja uma matéria prima mais dispendiosa qvie a areia, apenas uma -8- 35 1 5 10 15

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porção menor de toda a sílica necessária (tipicamente cer ca de 20 por cento) necessita ser alimentada ao reactor de silicato. A fonte de sílica para o resto do processo pode ser areia vulgar. A quantidade de sílica envolvida na reacção de silicato pode variar, mas devido ao custo envolvido com a sílica finamente dividida, a quantidade de sílica proporcionada no reactor de silicato é de preferência mantida num mínimo, isto é, numa quantidade precisamente suficiente para completar a reacção com a cinza de soda. Com estas quantidades o produto será predominan-temente metasilicato de sódio. Ortosilicato de sódio pode ser produzido se a quantidade de sílica presente exceder substancialmente a quantidade necessária estequiome-tricamente para completar a reacção de metasilicato. Um tamanho de partícula adequado de silica. para o reactor de silicato pode ser de 200 a 235 malhas (tamanho padrão nor te-americano) de areia de vidro finamente triturada, tal como a vendida sob a marca "Supersil”. Tamanhos de partícula maiores podem ser utilizados, mas a velocidade de reacção pode ser reduzida, exigindo assim um vaso maior para completar a reacção. Na porção superior da gama de temperaturas permissíveis, contudo, o efeito do tamanho de partícula sobre a velocidade da reacção pode ser diminuído, e pode ser utilizada areia mais grossa pode ser u-tilizada sem detrimento substancial. Sílica com tamanho de partícula mais fina que a gama a cima indicada pode também ser utilizada com vantagem, limitada apenas pela tendência de os materiais mais finos serem arrastados excessivamente pela corrente de gás. Algum arrastamento po de ser tolerado e controlado por um meio colector de poeira sobre a corrente de gás de escape que sai do reactor de silicato.

As temperaturas no reactor de silicato são de preferência maximizadas para encurtarem o tempo da reacção 4

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mas são limitadas pela tendência para que a fusão teniia lugar quando os sólidos estão à temperatura de cerca de 870°C (1600°F), que é ligeiramente superior ao ponto de fusão de cinza de soda. Esta temperatura mais elevada pode variar um pouco dependendo da mistura particular d^feí-lica e cinza de soda e da quantidade de agitação proporcio nada. 0 gás que entra no reactor de silicato pode estar a temperaturas um pouco acima da temperatura máxima para os sólidos. Por exemplo, o gás de escape proveniente do calcinador que entra no reactor de silicato pode estar a temperaturas tão elevadas como 930°C a 9S0°C (l700°F a 1800°F). A reacção no estado sólido entre sílica e cinza de soda é reportada como sendo teoricamente iniciada a temperaturas tão baixas como 300°C (570°F), mas o tempo' de reacção a tal temperatura deveria ser muito lento, A 800°C (l470°F) a velocidade máxima da reacção (isto á,com o tamanho de partículas mais fino) para formar metasiliça to de sódio é reportada a 0,083^ por minuto, que é possi-vel realizar até se completar num forno rotativo como está representado no desenho. 0 máximo benefício é proporcionado completante essencialmente a reacção da cinza de soda, mas um pouco menos que a reacção completa pode ser aceitável para reduzir o tamanho do reactor. Benefícios substanciais podem ser obtidos mesmo que estejam completai dos apenas cinquenta por cento ou menos.

Uma vez determinado o tempo da reacção, o tamanho do forno rotativo 20 pode ser calculado para uma dada pro dução a partir da seguinte equação: t - 2,28 L/NDS em que: t - tempo de permanência, minutos D - diâmetro, em pés

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L - comprimento, em pés N - velocidade rotacional, rotações por minuto S - inclinação, polegadas por pé

Um alimentador em parafuso 21 pode ser utilizado para alimentar uma mistura de sílica e cinza de soda ao rea-ctor de silicato 20, ou os reagentes podem ser alimentados separadamente. 0 escape do calcinador 10 pode ser dirigido para dentro do reactor de silicato 20 por meio de uma conduta de transferência 22. Uma manga 23 fecha a outra extremidade do forno rotativo 20 e dirije o escape para uma conduta de escape 2¾. Para modular a temperatura do gás que entra no forno rotativo 20, ar ou gás recilado a partir da conduta de escape 2¾ pode ser introduzido na conduta de transferência 22 por meio de uma conduta 25. Um exaustor 26 pode estar previsto na conduta 25 para reciclar o escape. Os produtos provenientes do calcinador 10 e do reactor de silicato 20 são levados conjuntamente enquanto estão ainda a temperaturas elevadas e calor adicional é proporcionado para iniciar as reacções de fusão e formação de vidro. A maneira como as duas porções da fornada são levadas conjuntamente e se fundem pode variar. Uma solução simples pode consistir em depositar as duas correntes num tanque convencional do tipo fornalha de fusão. Mas uma disposição preferida está representada no desenho onde ambas as correntes são combinadas e a fusão é iniciada num vaso de liquefação 30 do tipo descrito na patente norte-americana NS. 4.381.93¾ (Kunkle et al.). Uma estrutura preferida para um grande liquidificador esta representada

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61314 Case F 8678 GL / / na patente norte-americana N9, 4.668.272 (Newcamp et al.). Nesta forma de realização preferida o liquidificador 30 compreende um tambor rotativo 31 e uma tampa estacionária 32. A tampa 32 pode ser fabricada em cerâmicas refractá-rias, metal arrefecido com água, ou combinações de ambos· 0 revestimento inclinado 33 do material de carga á retido no interior do tambor 31. λ medida que os produtos dos fornos rotativos 10 e 20 são alimentados sobre o revestimento 33 os mesmos misturam-sé' à medida que o tambor gira para além dos locais de alimentação respectivos. Outra mistura ocorre à medida que o material cai sobre a superfície do revestimento 33· Pode ser proporcionado calor para o interior do liquidificador 30 por meio de um queimador 34 que pode prolongar-se através da tampa. Uma tal disposição é destinada meramente para iniciar o processo de fusão, isto é, para tornar os materiais pulverulentos semi-fundidos, num estado fluível. Devido à superfície inclinada 33, os materiais semi-fundidos fluem livremente a partir do liquidificador através da saída 35 antes de a fusão estar completada. A finalização da fusão e refinação do vidro podem ser realizadas em fases subsequentes (não representadas) de acordo com métodos conhecidos na técnica. Exemplos de técnicas que pode ser utilizadas nas fases subsequentes estão descritos nas patentes norte-americanas Nos, 4.610,711 (Matesa et al. ), 4.654,068 (Kun-kle et al.) ou 4.738,938 (Kunkle et al, ), Devido ao faç to de os materiais que são alimentados ao liquidificador 30 serem previamente aquecidos e terem efectuado as suas reacções endotérmicas químicas, o calor necessário para o liquidificador é substancialmente reduzido. isto é vanta joso para minimizar a quantidade de combustão necessária dentro do liquidificador 30 e para maximizar a velocidade de operação de um vaso liquidificador de tamanho relativamente pequeno. 0 queimador 34 é de preferência accionado por oxigénio para minimizar o volume de gás de escape. -12- 35

Claims (1)

1. Mod. 71 - 10 000 βχ - 4-87 - ► * 6131^ /> Case F 8678 GL ^~ψ 1 0 escape proveniente do liquidificador pode ser passado para 0 reactor de silicato 20 por meio de uma conduta 36 ligada a uma abertura na tampa 32. 5 Num exemplo calculado, a produção de vidro de soda--óxido de cálcio-sílica a 200 toneladas por dia consome um total de 23 milhões de BTU por hora. 0 calcinador é um forno rotativo com 6 metros (20 pés) de comprimento 10 com um diâmetro interno de 1,5 metros (5 pés) e consome 15,¾ milhões de BTU por hora por combustão de carvão. 0 reactor de silicato é um forno rotativo com 51 metros (170 pés) de comprimento e um diâmetro interno de 1,8 metros (6 pés) concebido para produzir uma temperatura de - 10 000 βχ - 4-87 cn saída do silicato de cerca de 425°C (800°F). 0 reactor de silicato exige 28 milhões de BTU por hora, dos quais 1,8 milhões de BTU por hora são proporcionados por um que_i mador auxiliar e 0 restante dos quais é fornecido pelo escape proveniente do calcinador e liquidificador. 0 quei h. 1 20 mador do liquidificador consome 3,5 milhões de BTU por hora. 25 0 deposito do primeiro pedido para 0 invento acima descrito foi efetuado nos Estados Unidos da América em 19 de Agosto de 1988, sob 0 N9. 07/233*707 30 -REIVINDICAÇÕES - 1-. -.Processo para 0 fabrico de vidro a partir de materiais de fornada incluindo um material fornecedor de sílica, carbonato de sódio, e uma fonte de cálcio, carac-terizado por: 35 contactar pelo menos uma porção do material fornecedor de sílica com 0 carbonato de sódio numa primeira zona -13-

   6131¾ Case F 8678 GL a uma temperatura suficiente e durante um período de tempo suficiente para formar um produto que consiste predominantemente em silicato de sódio: alimentar uma fonte de cálcio substancialmente isenta de carbonatos a uma zona em contacto com o produto de silicato de sódio a partir da primeira zona, e aquecer os materiais em contacto uns com os outros de modo a iniciar a fusão do vidro. Mod. 71 - 10 000 βχ - 4-87 2&. - Processo de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado por uma porção menor do material fornecedor de sílica ser levada ao contacto com o carbonato de sódio na primeira zona, e uma porção maior da fonte de sílica ser previamente aquecida antes de entrar em contacto com o produto de silicato de sódio. 3-, - Processo de acordo com a reivindicação 2, ca-racterizado por pelo menos uma porção da referida maior porção da fonte de sílica ser aquecida previamente enquanto em contacto com pelo menos um porção da fonte de cálcio. , - Processo de acordo com a reivindicação 3» oa-racterizado por a fonte de cálcio compreender carbonato de cálcio, e o aquecimento prévio da fonte de cálcio em contacto com a porção da fonte de sílica ser efectuado a temperaturas suficientes para calcinar essencialmente o carbonato de cálcio. 5^, - Processo de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado por a fonte de cálcio compreender carbonato de cálcio, e o carbonato de cálcio ser aquecido numa terceira zona de modo a ser essencialmente calcinado para ser -1U- 10 15 Mod. 71 - 10 000 βχ - 4-87 20 25 30 35 6131^ Case F 8678 GL levado ao contacto com o silicato de sodio. 65. - Processo de acordo com a reivindicação 5» ca-racterizado por uma porção substancial do calor para a calcinação ser proporcionada por combustão de carvão vegetal. 7-. - Processo de acordo com a reivindicação 5 ou 6» caracterizado por a terceira zona ser aquecida por combustão, e o gás de escape proveniente da terceira zona ser passado para a primeira zona. 85, - Processo de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a segunda zona ser aquecida por combustão, e o gás de escape proveniente da segunda zjo na ser passado para a primeira zona, 9-. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a maior parte da energia fornecida à primeira zona ser na forma de gás de escape. 105. - Processo de acordo com a reivindicação 9* caracterizado por essencialmente toda a energia exigida para a primeira zona ser proporcionada por recuperação do calor proveniente do gás de escape. Lisboa,, 18 AGO. 1989 Por PPG INDUSTRIES, TNC.

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