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FOUR ET PROCöDÉ D'EXPANSION DE LA PERLITE ET DE LA VERMICULITE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention vise de façon générale le domaine de production de la
perlite et de la vermiculite expansées. Ces produits sont utilisés dans
diverses
applications comme la filtration, l'horticulture, l'isolation et autres.
1- HISTORIQUE
Origine et caractéristiques de ia perlite et de la vermiculite
La perlite et la vermiculite sont des roches naturelles d'origine volcanique.
Les
termes « perlite » et « vermiculite » sont les termes génériques et non les
noms
commerciaux pour désigner cette pierre volcanique. La vermiculite ressemble à
du
mica et fait partie du groupe des minéraux phyllosilicate.
La caractéristique qui distingue la perlite et la verrnicuüte des autres
pïerres
volcaniques est leur capacité d'expansion de volume, de l'ordre de 4 à 20 fois
leur
volume original, quand elles sont chauffées à une certaine température. Cette
expansion est due à la présence de 2 à 6 % d'eau dans la pierre brute de
perlite
et de l'ordre de 8 à 16% pour la vermiculite.
Quand la perlite est chauffée rapidement à une température au-dessus de
1600°F
(870°C), la pierre brute (minerai) éclate de façon similaire à un grain
de pop-corn,
dû à l'évaporation de son contenu en eau. Cette réaction crée une infinité de
petites bulles d'air dans la pierre, lui donnant ainsi un aspect poreux et une
surface légèrement vitreuse. C'est cette transformation du minerai qui lui
confère
ses propriétés physiques caractéristiques et sa légèreté.
L'expansion de la vermiculite se produit de façon légèrement différente
puisque le
minerai est fait de fines lamelles collées les unes sur les autres, typique
aux
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minéraux ressemblant au mica. Lors de l'expansion, ces lamelles se gonflent
tout
en restant prises ensemble. L'expansion de la vermiculite est similaire à
l'étirement d'un accordéon.
Ainsi, la vermiculite éclate dans une dimension tandis que la perlite éclate
dans
trois dimensions.
Moyen d'expansion
L'expansion de la perlite et de la vermiculite se fait suite à l'ajout de
chaleur d'une
façon très particulière. De plus, il est nécessaire d'enlever les particules
de
minerai à un moment précis de la zone de chaleur. Les particules doivent ëtre
chauffées rapidement afin de les rendre suffisamment malléables pour qu'elles
puissent s'expandre sous l'effet de l'évaporation de l'eau présente dans le
minerai.
Cette opération est effectuée plus efficacement dans des fournaises
spécialement
conçues pour ce genre de procédé.
Produit d'expansion
Le procédé d'expansion confère également à la perlite expansée une de ses
caractéristiques distinctives, sa couleur blanche. Tandis que la couleur du
minerai
va de gris pâle à noir lustré, la couleur de la perlite expansée va du blanc
clair
jusqu'au blanc grisonnant.
L'expansion de la vermiculite, et non de la perlite, peut également se faire
par un
procédé chimique.
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2- DOMAINES D'UTILISATION DE LA PERLITE OU DE LA VERMICULITE
EXPANSÉE
La perlite ou fa vermiculite expansée peut être fabriquée dans une plage de
densité de 2 Ibslpi3 jusqu'à 15 Ibs/pi3, ce qui en fait un matériel adaptable
pour
plusieurs applications, comme la filtration, l'horticulture, l'isolation,
ainsi que dans
une multitude d'autres applications. Ce matériel peut également être utilisé
comme agent de transport inerte ou comme matériel ininflammable, entre autres.
a. Industriel
Les applications industrielles pour la perlite expansée sont nombreuses,
allant de l'ingrédient de haute performance pour les plastiques jusqu'au
ciment pour les puits de pétrole. D'autres applications incluent également
son utilisation comme élément de filtration dans l'industrie pharmaceutique,
alimentaire, chimique et municipale.
Des applications additionnelles incluent son utilisation dans les savons
abrasifs, nettoyeurs et polisseurs, ainsi qu'une variété d'utilisations dans
l'industrie de la fonderie à cause de ses propriétés isolantes et de
résistance thermique. Cette propriété de résistance thermique est
particulièrement avantageuse lorsque la perlite est utilisée dans la
production de fa brique réfractaire, du mortier et de l'isolant à tuyau, entre
autres.
La vermiculite est utilisée comme absorbant industriel, dans les peintures
texturées, le fibre de verre renforcé, et même les bandes de frein.
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b. Horticulture
En horticulture, la perlite est utilisée à travers le monde comme une des
composantes pour la culture sans sol, oû ses propriétés supérieures
d'aération et de rétention d'humidité sont excellentes pour la plante. La
vermiculite, quant à elle, est reconnue pour sa capacité de rétention d'eau.
La perlite et la vermiculite sont particulièrement avantageuses dans les
applications horticoles grâce à leur pH neutre, leur stérilité et l'absence de
mauvaise herbe. La perlite est aussi utilisée comme agent de transport pour
les fertilisants, herbicides et pesticides, de même que dans les mélanges
de substrat de culture pour augmenter leur porosité.
c. Construction
Grâce à leur capacité d'isolation et leur faible poids, la perlite et la
vermiculite sont couramment utilisées pour remplir les cavités des murs de
blocs de béton dans les constructions. En plus de fournir une isolation, la
perlite réduit fa transmission du bruit et est résistante à la vermine.
L.a perlite et la vermiculite peuvent également être utilisées comme agrégat
dans le ciment Portland, le béton, et le gypse pour des applications
extérieures et de résistance au feu, de même que pour la fabrication de
composé léger de béton.
3- ÉTAT DE LA TECHNIQUE
La technique actuelle d'expansion de la perlite et de la vermiculite consiste
à
utiliser un four vertical, tel qu'illustré à la Figure 1, avec une flamme vive
dans
lequel le minerai est envoyé en direction de la flamme vive 40 par un système
d'alimentation de minerai 42. Le four comporte un tube intérieur 54. et une
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enveloppe externe avec isolant ou briques réfractaires 56. Lorsque le minerai
atteint la zone de haute température près de la flamme, son contenu d'eau
s'évapore, créant une particule beaucoup plus légère qui peut relativement
facilement être aspirée. Le minerai éclaté est alors aspiré vers le haut par
un
5 courant d'air chaud ascendant 44, créé par un système de ventilation 46.
La perlite expansée et l'air de transport sont alors acheminés vers un
dispositif de
séparation afin de récupérer le produit. Ce dispositif n'est pas illustré sur
les
figures ci-jointes. Le dispositif de séparation est généralement un cyclone,
un
dépoussiéreur ou une chambre de décantation. En fait, tout système de
séparation de particules dans l'air peut convenir à pareille application.
La source de chaleur provient d'un brûleur de plusieurs millions de BTU, avec,
comme source d'énergie, du gaz ou de l'huile no 2. Le brûleur 48 possède
généralement un ventilateur de combustion 50 auquel on ajoute de l'air
comprimé
52 afin d'obtenir une combustion adéquate.
Bien que la technologie actuelle présente l'avantage d'utiliser une
technologie de
base appliquée à un procédé connu dans Ie monde de la perlite et de la
vermiculite, certains inconvénients demeurent.
Tout d'abord, on note qu'il est difficile d'ajuster le courant d'air ascendant
pour
l'aspiration du matériel expansé. De plus, lorsque le brûleur à combustion est
mal
ajusté, la perlite devient colorée, surtout dans le cas des brûleurs à
l'huile. La
vermiculite est moins sensible à ce dernier problème puisqu'elle est
initialement
de couleur dorée.
Les techniques actuelles d'expansion présentent le désavantage additionnel de
générer des coûts élevés tant en énergie qu'en entretien du matériel.
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Les techniques actuelles sont également limitées par le rendement énergétique
faible du brûleur par rapport à l'enthalpie du gaz ou de l'huile, ainsi que
par la
nécessité d'immobilisation importante en équipement. II est également
difficile,
d'automatiser le processus. La poussière produite par la manutention du
matériel
expansé dans le système d'aspiration nuit également à l'efficacité des
techniques
actuelles. Finalement, le haut taux de perte de produit final diminue
considérablement le rendement des techniques actuelles.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
Un objet de la présente invention est de proposer un appareil et un procédé
pour
produire de la perlite ou de la vermiculite expansée, qui permettent de
résoudre
plusieurs des inconvénients rencontrés avec les fours actuels.
Plus particulièrement, la présente invention a trait à un procédé pour
('expansion
de matériel provenant de roches volcaniques expansibles, tel la perlite et la
vermiculite, ledit procédé utilisant un appareil d'expansion comprenant un
convoyeur installé à l'intérieur d'un four muni d'éléments chauffants, ledit
procédé
comprenant les étapes de:
a- chauffage du convoyeur à une température pré-déterminée, à l'aide des
éléments chauffants du four;
b- dépôt, à un débit pré-déterminé, de matériel sur le convoyeur et
simultanément, éclatement du matériel pour obtenir un matériel
expansé;
c- entraînement du matériel expansé à l'extérieur de l'appareil
d°expansion;
et
d- récupération du matériel expansé.
La présente invention vise aussi un appareil d'expansion pour produire de la
perlite ou de la vermiculite expansée, ïedit appareil comprenant:
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- un four;
- un convoyeur traversant le four;
-des éléments chauffants dans le four pour chauffer le convoyeur à une
température suffisante pour permettre l'expansion du matériel expansible; et
- une chute d'alimentation ayant une entrée à l'extérieur du four pour
alimenter le four en matériel expansible et une sortie positionnée dans le
four au-
dessus du convoyeur pour déposer le matériel expansible sur le convoyeur chaud
et ainsi provoquer l'expansion du matériel expansible par choc thermique.
Le procédé et l'appareil de fa présente invention, tels que décrits ci-dessus,
présentent plusieurs avantages. Tout d'abord, puisque la combustion ne se fait
pas à l'aide d'un brûleur, il n'y a ni formation de carbone sur les parois, ni
dégagement de gaz de combustion. Le système n'est donc pas nocif pour
l'environnement.
Ensuite, le fait que le minerai soit déposé sur le convoyeur, il n°est
pas nécessaire
pour l'opérateur du four de balancer le débit d'air dudit four en fonction de
la
densité du matériel. L'automatisation du procédé peut donc étre effectuée sans
intervention.
De plus, cette technologie étant simple, les pièces de l'appareil d'expansion
n'ont
pas à être changées à cause de l'abrasion causée par la perlite, par exemple,
qui
se déplace dans un courant d°air, tel qu'observé dans les procédés
d'expansion
traditionnels.
Le présent procédé présente l'avantage supplémentaire d'être adapté à des
besoins précis. Le four peut être construit selon la capacïté voulue. De plus,
il
n'est pas nécessaire d'avoir de système de dépoussiéreur ou de transport
pneumatique de la perlite ou de la vermiculite expansée. ll est à noter que ce
transport pneumatique peut briser le matériel en morceaux, après expansion.
Ceci peut représenter jusqu'à 20% d'augmentation de densité. Également, le
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même four peut être utilisé tant pour la perlite que la vermiculite, sans
modification
des composantes de l'appareil d'expansion.
Contrairement aux procédés traditionnels, le matérïel expansé n'est pas sorti
de
!'appareil d'expansion par un système d'aspiration pour être ensuite séparé
mécaniquement, ce qui nécessite généralement plusieurs milliers de pieds cube
d'air par minute. L'air ainsi chauffé est rejeté à l'extérieur mais la chaleur
est plus
concentrée là où il le faut.
Le procédé d'expansion de la présente invention étant simplement effectué sur
un
convoyeur, il est possible de varier la largeur de la courroie, par exemple,
et
certains paramètres de l'appareil d'expansion afin d'obtenir une capacitë de
production à partir de 50 Ibs/heure, préférablement allant de 50 Ibs/heure
jusqu'à
2000 lbs/heure.
De plus, le procédé selon l'invention permet, dans le cas de la perlite,
d'obtenir de
la perlite plus blanche que dans les fours déjà connus. II présente aussi les
avantages suivants:
- d'obtenir une plus grande automatisation;
- d'obtenir un coût d'entretien moindre;
- de nécessiter moins d'immobilisation;
- de générer une meilleure efficacité énergétique;
- d'obtenir une qualité d'expansion constante;
- de produire moins de poussière ou de dommage au matériel; et
- de fournir un format d'équipement adaptable à la capacité de
production voulue.
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BR~VE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un modèle de four vertical, tel
qu'utilisé dans l'art antérieur.
La figure 2 est une vue schématique de haut d'un appareil d'expansion de la
perüte et de la vermiculite, selon un premier mode de réalisation préféré de
la
présente invention.
La figure 3 est une vue schématique de côté de !'appareil d'expansion
représenté
à la figure 2.
La figure 4 est une vue schématique en coupe, selon la ligne IV-IV, de
!'appareil
d'expansion représenté à la figure 2.
La figure 5 est une vue en perspective de l'intérieur du four illustré dans la
figure 2.
La figure 6 est une vue schématique de haut d'un appareil d'expansion de la
perlite et de la vermiculite, selon un second mode de réalisation préféré de
la
présente invention.
La figure 7 est une vue schématique de côté de l'appareil d'expansion
représenté
à la figure 6.
La figure 8 est une vue en perspective de l'intérieur du four illustré dans la
figure 6.
DESCRIPTION DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS DE L'INVENTION
Selon un premier mode de réalisation préférë illustré aux figures 2 à 5,
l'appareil
d'expansion 10 comprend un convoyeur 12 incluant une courroie métallique 14
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montée sur un rouleau de commande 16 et un rouleau de queue 18. La courroie
14 passe dans un four 20 chauffé avec des éléments chauffants électriques 22.
Le principe de fonctionnement est relativement simple. Tel que montré à la
figure
4, le four 20 est également muni d'un isolant 27.
5 La courroie métallique 14 est entraînée par ie rouleau de commande 16 et un
moteur électrique 24. La courroie 14 passe à travers fe four 20 pour ëtre
chauffée
à la température nécessaire pour éclater le matériel. Cette courroie 14 est
conçue
de façon à ne pas laisser passer le matériel à travers, tout en retenant la
chaleur.
La courroie se déplace dans une glissière 15 en forme d'auge afin de prévenir
que
10 le matériel ne tombe sous la courroie 14 lors du procédé d'éclatement. Les
éléments chauffants 22 sont disposés afin de fournir une plus grande chaleur à
la
courroie 14 avant que ie matériel n'y soit déposé à partir d'une chute
d'alimentation 26, disposée au-dessus de la courroie 14. Les éléments
chauffants
22 sont principalement en amont de la chute d'alimentation 26 afin de
s'assurer de
créer un choc thermique quand le matériel arrive sur la courroie métallique
14. Le
four 20 comprend une envelappe thermique 28 utilisée afin de maintenir et
minimiser la perte de chaleur émise par les éléments chauffants 22.
Tel qu'illustré à la figure 3, le retour de la courroie 30 se fait dans le
four 20
également, afin de pouvoir la préchauffer et minimiser la perte d'anergie.
Préférablement, et bien que ceci ne soit pas illustré dans les figures 2 à 5,
les
rouleaux de commande 16 et de queue 18 du convoyeur 92 sont sous des gardes
de protection isolés, afin de minimiser également la parée d'énergie. Tel
qu'illustré
â la figure 3, le rouleau de commande 16 est relié à une roue dentée 17 au
mayen
d'une chaîne d'entraînement 19.
La perlite ou la vermiculite tombe de la chute d'alimentation 26 sur la
courroie 14
et éclate à cause du choc thermique. La courroie 14 entraîne le matériel à
l'extérieur du four 20, et dans le sens de la flèche montrëe sur la figure 3,
où il est
récupéré sur un autre type de convoyeur (non illustré sur ies croquis),
vibrant ou à
courroie métallique, pour être ensuite amené dans un lieu d'entreposage.
Compte
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tenu de fa température du matériel à la sortie du four 20, if peut être
nécessaire de
le refroidir avec un système à air forcé, un système à eau ou tout autre
système
du genre avant de pouvoir l'utiliser, surtout dans des procédés horticoles.
Le modèle de four 20 montré sur les figures 2 à 4 est équipé d'un rouleau de
queue 18 monté, de préférénee, sur un système de tendeur automatique 60 de la
courroie métallique 14, pour pallier l'expansion thermique de celle-ci, durant
le
procédé de chauffage du four. Tel qu'illustré plus particulièrement à la
figure 3, le
système de tendeur automatique 60 comprend une glissière 62 et consiste, de
préférence, en un cylindre pneumatique.
L'alimentation du four 20 se fait par la chute d'alimentation 26. Le modèle
illustré
sur tes figures 2 à 4 ne montre pas le système d'alimentation de la chute 26
qui
peut être effectué avec un convoyeur vibrant ou un autre dispositif. De
préférence, ce système d'alimentation doit permettre une constance dans le
débit
de minerai afin d'assurer une constance dans la consommation d'énergie,
puisqu'une augmentation de minerai pourrait entraîner un manque de cuisson ou
('effet inverse, s'il y a une diminution de matériel. Cette réaction pourrait
donc
modifier la qualité du produit expansé.
Lorsque l'appareil est mis en fonction dans un processus d'éclatement, les
trois
paramètres suivants sont, de préférence, à contrôler;
- la température du four 20;
- la vitesse de la courroie 14; et
- le débit de matériel.
La température du four 20 peut être contrôlée manuellement ou par un système
automatique en fonction du besoin de l'opérateur. La plage de température est
suffisante pour l'éclatement de la perfite et de la vermiculite. La
température est
donc adaptée en fonction du type de minerai et de son débit.
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La vitesse de la courroie 14 est également variable manuellement ou peut être
régulée automatiquement en fonction du débit de minerai, de son humidité et de
sa grosseur, par un système automatisé par PLC ou ordinateur.
Selon un second mode de réalisation préféré illustré aux figures 6 à 8, dans
l'appareil d'expansion 10, les rouleaux de commande 16 et de queue 18, ainsi
que
leurs essieux sont faits de matériau résistant à de hautes températures, de
préférence faits en acier inoxydable 330.
Ce mode de réalisation est conçu pour les grandes vitesses de production
auxquelles la courroie 14 tourne dans sa plage de vitesses supérieures.
De plus, le four 20 est muni de gardes de protection isolés d'entrée 32 et de
sortie
33, comportant une couche d'isolation préférablement de type Pyrobioc grade R
ajoutés à l'avant et à l'arrière du four 20 pour réduire les pertes de chaleur
dues à
l'exposition, à l'extérieur du four 20 des rouleaux de commande 16 et de queue
18, ainsi que de certaines sections de courroie 14. Selon ce second mode de
réalisation, les rouleaux de commande 16 et de queue 18 sont montés sur des
paliers lisses, préférablement faits de graphite. Des accouplements à tiges 36
ont
été intégrés afin de permettre une meilleure dissipation de la chaleur entre
les
essieux des rouleaux de commande 16 et de queue 18, et les paliers lisses 21.
Le
modèle de four 20 montré à la figure 8 est équipé d'un rouleau de queue 18
monté, de préférence, sur un système de contrepoids et de glissières 34, muni
d'une chaîne de contrepoids.
Bien que des modes de réalisation préférentiels aient été décrits en détail ci-
dessus et illustrés dans les figures ci jointes, il est entendu que (invention
ne se
limite pas à ces modes prëcis de réalisation préférentiels et aue, certains
changements et certaines modifications peuvent être effectués sans toutefois
s'éloigner de la portée ou de l'esprit de la présente invention.
