Brevet FR2546155A1 — publié le 19841123

La présente invention a pour objet un procédé d'élaboration de verre. Comme on le sait, l'élaboration de verre consiste à chauffer et fondre dans un four un mélange de produits minéraux en poudre dit "composition verrière", tel que du sable en mélange avec des produits naturels contenant entre autres des sels alcalins et alcalino-terreux De façon plus précise, on introduit dans le four la composition verrière qui forme une couche d'épaisseur irrégulière dite "tapis" Ce tapis se sépare progressivement en "mottes" qui flottent à la surface du bain de verre fondu précédemment obtenu et qui sont progressivement "digérées" par celui-ci, et on évacue en continu le verre fondu dudit four Pour que le verre obtenu soit de bonne qualité, il est nécessaire qu'il y ait bonne homogénéisation en température et en composition chimique dans le bain de verre fondu, c'est-à-dire, d'une part qu'il y ait un chauffage régulier dudit bain et, d'autre part que les mottes nouvellement formées fondent le plus rapidement possible C'est pourquoi, un certain nombre de procédés mis en oeuvre actuellement consistent à chauffer le bain de verre fondu à l'aide de brûleurs aéro-combustibles répartis régulièrement le long d'une paroi latérale du four et à chauffer de façon plus intense la zone voisine de l'endroit o l'on enfourne la composition verrière à l'aide d'un brûleur oxy-combustible. Parmi les procédés de ce type connus jusqu'à présent, on peut citer le procédé décrit dans le brevet français N O 2 010 199. Ce brevet préconise l'utilisation de brûleurs oxy-combustibles refroidis à l'eau, placés en tête de four et produisant une flamme oxydante se développant parallèlement à la surface du bain de verre fondu et selon l'axe longitudinal du four. Si ce procédé permet d'obtenir des verres de qualité satisfaisante, il présente toutefois des inconvénients liés notamment au mode de refroidissement des brûleurs oxy-combustibles utilisés. En effet, le fait que les brûleurs oxy-combustibles décrits ci-dessus soient refroidis par un liquide, à savoir l'eau, pose les problèmes suivants: il y a création d'un point froid dans la partie de la surface du bain de verre qui est en regard du brûleur oxy-combustible, ce qui a pour conséquence, d'une part une perte en rendement thermique ( 5 à 10 k W, d'autre part des perturbations dans les courants de circulation du verre provoquées par la modification, à cet endroit là, des gradients de température et de la viscosité du verre. il y a risque de corrosion du métal constituant le brûleur; en effet, le chemisage refroidi par l'eau du brûleur est à une température inférieure à 1000 C: il y a donc condensation sur la surface du brûleur des vapeurs des produits présents dans la composition verrière; or cette composition verrière peut contenir des produits tels que du spath-fluor, de l'anhydride borique, des sels de soude, qui conduiront respectivement, lors de leur condensation, à la formation d'acide fluorhydrique, d'acide borique, de soude, composés qui attaquent le métal constituant le chemisage du brûleur. il y a complication de l'installation de contrôle des fluides, car on doit vérifier à chaque instant qu'il y a bien en permanence circulation d'eau dans le chemisage. De plus, l'élaboration du verre pose des problèmes spécifiques à ce matériau En effet, du fait que le matériau à fondre est constitué de poudre formant un tapis qui flotte sur un bain de verre plus ou moins visqueux, il est nécessaire que la flamme oxy-combustible n'ait pas un effet trop dynamique sur ledit tapis; en effet, cela risquerait de provoquer un envol des produits pulvérulents le constituant entraînant une perte en matière première sous forme de particules solides et une abrasion mécanique des superstructures du four par les courants de fumées chargées de ces particules solides D'autre part, il est préférable que la flamme oxy-combustible ne soit pas trop dure car elle provoquerait la formation de vagues à la surface du bain de verre, à l'endroit o elle touche celui-ci, ni qu'elle soit trop pincée car elle n'intéresserait alors qu'une partie trop limitée de la surface du bain. L'invention a pour objet un procédé qui pallie les inconvénients rappelés ci-dessus et résout les problèmes spécifiques à la fusion du verre. Le procédé objet de l'invention, consiste à introduire à une extrémité d'un four un mélange de matières minérales en poudre, formant un tapis qui se sépare progressivement en mottes flottant à 5461 55 la surface du bain de verre fondu déjà formé, à chauffer ledit mélange et à évacuer en continu à l'autre extrémité dudit four le verre fondu ainsi obtenu, le chauffage dudit mélange s'effectuant à la fois à l'aide d'au moins une flamme d'un combustible et d'air et d'au moins une flamme d'un combustible et d'oxygène introduites dans ledit four Il se caractérise-en ce que l'on injecte dans le four un courant de gaz auxiliaire concentrique à et entourant ladite flamme d'un combustible et d'oxygène. Selon une caractéristique du procédé de l'invention, le gaz entourant la flamme oxy-combustible est de l'air, et de préférence de l'air comprimé Ce peut être également un autre gaz tel que l'azote. Selon une autre caractéristique de l'invention, on dirige la flamme d'un combustible et d'oxygène entourée du courant de gaz auxiliaire sur les mottes flottant sur le bain de verre. L'invention a également pour objet l'installation de mise en oeuvre du procédé considéré. L'installation conforme à l'invention comporte un four muni à une extrémité de moyens d'introduction d'un mélange de matières minérales en poudre, de moyens de chauffage dudit mélange, et à l'autre extrémité de moyens d'évacuation du verre fondu obtenu, lesdits moyens de chauffage étant constitués par au moins un brûleur aéro-combustible et au moins un brûleur oxy-combustible Selon l'invention, le brûleur oxy-combustible est entouré, au moins sur une partie de sa longueur, d'une gaine concentrique audit brûleur, dans laquelle circule un gaz auxiliaire. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description suivante, donnée à titre non limitatif, en référence aux dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique partielle, en coupe longitudinale, d'une installation d'élaboration de verre selon l'invention; la figure 2 est une vue schématique partielle de dessus de l'installation de la figure I la figure 3 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d'un mode de réalisation d'un brûleur oxy-combustible utilisé dans une installation conforme à l'invention. En se référant aux figures i et 2, une installation d'élaboration de verre comprend un four de fusion 1 qui comporte deux parois latérales 2, une paroi avant 3 et une paroi arrière 4, une sole 5 et une voûte 6 Un orifice 7 est ménagé dans la paroi arrière 4 pour permettre le passage d'un distributeur 8 de charges minérales, dénommé enfourneuse La paroi avant 3 comporte à sa partie inférieure un orifice 9 d'évacuation du verre fondu Des brâleurs aéro-combustibles 10 (comportant dés injecteurs de combustible 11 et une arrivée d'air chaud 12) sont montés dans les parois latérales 2 du four 1 et régulièrement répartis en une rangée le long de ces parois Dans chacune des parois, latérales 2 est monté un br leur oxy-combustible 13. La partie inférieure du four 1 contient un bain de verre fondu 14 provenant de la fusion du mélange de matières minérales introduites et chauffées dans le four Ce mélange forme d'abord un tapis 15 qui se sépare progressivement en mottes 16 qui flottent un certain temps sur la surface du bain 14 avant de fondre Le verre fondu, qui s'écoule dans le sens de la flèche F, est évacué en continu par l'orifice 9 Chaque brûleur oxycombustible 13 est incliné par rapport à la surface du bain 14 et par rapport à la paroi 2 de façon telle que la flamme qu'il produit soit dirigée sur les mottes 16 L'angle du brûileur 13 par rapport à la surface du bain de verre est d'environ O' à 30 , et de préférence de 100 à 20 . Sur chacune des parois latérales 2 est monté un échangeur de chaleur 17 entre l'air d'alimentation des brûleurs 10 et les fumées évacuées du four; cet échangeur de chaleur 17 est du type classique à inversion. En se référant à la figure 3, chacun des brûleurs oxy-combustibles 13 comporte un corps cylindrique creux 18 muni d'une plaque d'extrémité 19 et d'un nez 20; le corps 18 du brûleur est traversé par un canal central 21 d'alimentation en combustible (par exemple un hydrocarbure gazeux tel que du méthane ou liquide tel que du fuel) qui passe à travers la plaque d'extrémité 19 par un orifice 22 et à travers le nez 20 du brfleur par un orifice 23 Le nez 20 du brûleur est constitué par une plaque circulaire percée de l'orifice central 23 pour le passage du combustible et d'orifices 24 régulièrement répartis autour de l'orifice central 23 Le corps 18 est alimenté en oxygène par le conduit 25, oxygène qui ressort par à 546 155 les orifices 24. Une gaine 26, concentrique au corps du brûleur 18, entoure ce dernier sur une partie de sa longueur Cette gaine 26 est alimentée en air comprimé par le conduit 27 La gaine 26 est munie d'ailettes de mise en rotation 28 de l'air circulant dans ladite gaine Cette gaine 28 est montée coulissante sur le corps 18 du br Gleur; on peut donc régler sa distance par rapport au nez 20 du brûleur. Le corps 18 du brûleur muni de la gaine 26 est introduit dans le four 1 par enfoncement partiel dans un ouvreau réfractaire 29. Le fonctionnement de l'installation représenté aux figures 1 à 3 est le suivant. On introduit, à l'aide de l'enfourneuse 8, le mélange de matières minérales pulvérulentes dans le four 1 et, simultanément, on chauffe le four à l'aide des brûleurs aéro-combustibles 10 et des brûleurs oxycombustibles 13 Il se forme un bain de verre fondu 14 sur lequel flottent les mottes 16 dernièrement formées On dirige la flamme provenant de chacun des brûleurs oxy-combustibles 13 sur ces mottes en inclinant ces derniers en conséquence Ainsi, les mottes nouvellement formées 16 fondent plus rapidement et le bain de verre fondu 14 s'affine progressivement au fur et à mesure du chauffage on évacue le verre fondu ainsi obtenu par l'orifice 9. Pour ne pas avoir une flamme trop dynamique, on injecte l'oxygène dans chaque brûleur 13 à une vitesse nettement inférieure à la vitesse du son, soit une vitesse d'environ 30 m/s à environ 150 m/s et de préférence une vitesse de 60 m/s à 120 m/s, dans le cas o le combustible est un gaz, on l'injecte à une vitesse sensiblement égale à celle de l'oxygène de f açon a ce qu'il n'y ait pas mélange trop rapide des deux gaz dès la sortie du br leur, ce qui permet d'obtenir une flamme longue et volumineuse qui couvre bien la surface du bain 14. A l'aide du gaz auxiliaire circulant dans la gaine 26 de chaque brûleur 13 à un débit de 10 à 40 m 3/h, on adapte la géométrie de la flamme produite par le brûleur en fonction des dimensions du four; c'est-à-dire que si l'on désire avoir une flamme plus pincée,on injecte le courant de gaz auxiliaire coaxialement à la flamme de combustible et d'oxygène et on joue sur l'impulsion de ce courant de gaz auxiliaire; par contre, si l'on désire obtenir une flamme plus volumineuse, on met le courant de gaz auxiliaire en rotation dans la gaine 26 grâce aux ailettes 28. En utilisant, conformément à l'invention, un courant de gaz auxiliaire comme agent de refroidissement de chaque brûleur 13, on peut maintenir le corps du brûleur à une température de 300 'C à 500 'C tandis que la température du nez du brûleur (fonction essentiellement du débit d'oxygène) varie de 400 'C à 800 'C, pour une température du four de 1400 'C Avec ces températures du corps du brûleur, les condensations de vapeur sont limitées et il n'y a donc pas problèmes de corrosion A titre d'illustration de cet avantage, on donne dans le tableau ci-dessous les températures atteintes par le nez et par le corps du brûleur refroidi à l'air, compte tenu de l'enfoncement du brûleur dans l'ouvreau et du débit de l'air de refroidissement. De plus, le fait que l'on utilise un courant concentrique de gaz auxiliaire autour de la flamme oxy-combustible permet de prot éger l'ouvreau réfractaire 29 dans lequel est placé chaque brûleur 13; en effet ce gaz auxiliaire crée un tube de courant entourant la flamme oxy-combustible et l'empêche de toucher l'ouvreau Par ailleurs, l'utilisation de ce courant concentrique de gaz auxiliaire permet de réaliser l'étanchéité complète de chaque brilleur 13 par rapport au four; en effet, la gaine 26 de circulation du gaz auxiliaire peut toucher louvreau car, comme elle est à une température assez élevée, il n'y a pas de différence de température Enfoncement Débit de Température Température du braleur l'air du nez du corps dans louvreau (cm) (ms h-1) (o C) ( O C) 8 5 676 465 12 15 675 467 16 25 739 464 35 772 472 546 155 trop importante entre cette dernière et l'ouvreau, et donc pas -de risque de détérioration de celui-ci Ainsi, on évite les entrées d'air froid parasites qui nuisent au rendement thermique de la flamme. REVENDICATIONS 1 Procédé d'élaboration de verre, selon lequel on introduit, à une extrémité *d'un four, un mélange de matières minérales en poudre formant un tapis qui se sépare progressivement en mottes flottant à la surface du bain de verre fondu déjà formé, on chauffe ledit mélange, et on évacue en continu à l'autre extrémité du 4 it four le verre fondu ainsi obtenu, le chauffage dudit mélange s'effectuant à la fois à l'aide d'au moins une flamme d'un combustible et d'air et d'au moins une flamme d'un combustible et d'oxygène introduites dans ledit four, caractérisé en ce que l'on 1 o injecte dans le four un courant de gaz auxiliaire concentrique à et entourant la flamme d'un combustible et d'oxygène. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit gaz auxiliaire est constitué par de l'air. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit gaz auxiliaire est constitué par de l'air comprimé. 4 Procédé selon l'une des revendications l à 3, caractérisé en ce que l'on dirige la flamme d'un combustible et d'oxygène entourée dudit courant de gaz auxiliaire sur les mottes flottant sur ledit bain. 5 Procédé selon l'une des revendications l à 4, caractérisé en ce que l'on injecte le courant de gaz auxiliaire coaxialement à la flamme d'un combustible et d'oxygène. 6 Procédé selon l'une des revendications l à 4, caractérisé en ce que l'on injecte le courant de gaz auxiliaire en le mettant en rotation autour de la flamme d'un combustible et d'oxygène. 7 Procédé selon l'une des revendications l à 6, caractérisé en ce que l'on injecte l'oxygène participant à la flamme d'un combustible et d'oxygène à une vitesse d'environ 30 m/s à environ 150 m/s. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on injecte l'oxygène à une vitesse d'environ 60 m/s à environ m/s. 9 Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on injecte le courant de gaz auxiliaire à un débit de 10 à 40 m 3/h. 546 155 Installation de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9, du type de celles qui comportent un four muni à une extrémité de moyens d'introduction de matières minérales en poudre, de moyens de chauffage desdites matières, et à l'autre extrémité de moyens d'évacuation du verre fondu obtenu, lesdits moyens de chauffage étant constitués d'au moins un brûleur aéro-combustible et d'au moins un brûleur oxy-combustible, caractérisée en ce que ledit braleur oxycombustible est entouré, au moins sur une partie de sa longueur, d'une gaine concentrique audit br leur et dans laquelle circule un gaz auxiliaire. 11 Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le brûleur oxy-combustible est monté dans une paroi latérale du four. 12 Installation selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisée en ce que l'inclinaison du brileur oxy-combustible par rapport à l'horizontale est d'environ Q O à 30 , et de préférence de à 20 . 13 Installation selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que la gaine de circulation du gaz auxiliaire est montée coulissante le long dudit brûleur. 14 _ Installation selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que la gaine de circulation du gaz auxiliaire est munie de moyens de mise en rotation dudit gaz auxiliaire.