以稻殼及其燃燒熱生產超細高純白炭黑的工藝的製作方法

2023-11-09 02:12:37 1

專利名稱：以稻殼及其燃燒熱生產超細高純白炭黑的工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種以稻殼及其燃燒熱生產超細高純白炭黑的工藝，稻殼是一種生物能源，其高位熱值介於13300～～14963KJ/Kg.稻殼的組成如下

稻殼的熱值，揮發分，灰分和水分數據與鍋爐用煤指標相近，按煤炭發熱量等級標準，認為稻殼是一種中低熱量(ML)的低硫固體燃料。由於稻殼的體密度很小，約為128Kg/m3，所以存儲和運輸較困難。在農村分散堆放的稻殼會汙染環境，燃燒後的飛灰對人畜呼吸系統很有害。因此，集中燃燒稻殼不僅可以充分利用其熱能，而且可以獲取不同品級的SiO2粉，即白炭黑，也有助於改善環境。
稻殼的燃燒熱可以直接利用，也可以轉化為電能；SiO2粉(白炭黑)根據品級不同，可以做保溫材料，高溫濾板和化工原料。
背景技術：
已有的技術是將稻殼在各種燃燒爐中直接燃燒，如層燃爐(stoker)，Dutch爐，氣化爐和流化床爐。上述燃燒技術有三個共同缺點(1)SiO2顆粒在燃燒區停留時間長，非晶質SiO2轉變為大量晶體SiO2，如石英、方石英和鱗石英，其粉體飛揚會導致矽肺病；(2)燃燒效率低，在SiO2顆粒中殘留未燃盡的炭多達10％以上，產品顏色為黑灰和灰色。(3)SiO2顆粒對爐體腐蝕和結垢，影響生產。
一個改進了上述技術的美國專利，將稻殼在錘碎機中粉碎後，用熱空氣將細碎的稻殼送入排渣式燃燒器和燃燒爐中燃燒，產生的熱煙氣進入與燃燒爐串聯的鍋爐，與軟化水進行熱交換產生蒸汽，經蒸汽輪機轉化為電能。這種燃燒技術可以使大部分SiO2粉從燃燒器中及時排出，大大縮短了停留時間和對燃燒爐的腐蝕。最終產物的外觀呈灰色，SiO2含量90.0％，殘留炭4-6％，游離晶體SiO2含量＜1％，體密度為232Kg/m3。由此獲得的產品仍達不到化學沉澱法得到的白炭黑質量.
本發明的目的正是為了克服上述已有技術的缺點和不足，而提供一種能獲得產品純度＞99％，燃燒效率99.5％的工藝和進一步改進了的燃燒裝置。

發明內容
本發明的目的是通過下述技術方案實現的稻殼經過風選，除去灰塵和雜物，對特別不潔淨的稻殼應通過水洗和乾燥，然後進行炭化，獲得稻殼炭和燃氣。稻殼炭再經過酸煮，除去雜質元素；燃氣循環利用。酸煮後的稻殼炭經過脫酸和乾燥，再經過粉碎和風力分級。其粗的重顆粒再進行超細磨，製成含炭SiO2超細粉；由分級獲得的粒度細，比重小的產品為含SiO2炭粉。上述兩種物料以下述方式輸送給燃燒系統。以炭化產生的熱燃氣將含SiO2炭粉送去做燃料；以來自空氣加熱器的熱空氣將含炭SiO2超細粉送去脫炭。另外以熱空氣供氧助燃。由於快速燃燒可獲得高純超細非晶質SiO2、即白炭黑；稻殼燃燒的熱量充分利用和發電；用過的酸經過再生循環利用。
本工藝的特徵在於將潔淨的稻殼在炭化爐中進行乾燥，炭化和煅燒。乾燥溫度介於200～280℃；炭化溫度介於300～450℃，煅燒溫度應小於570℃，最佳溫度為500～550℃，可防止非晶質SiO2轉變為晶體石英，方石英和鱗石英。炭化爐出三種產品水煤氣由爐頂排出，溫度約200℃，循環利用，由炭化層底部返回助燃。水煤氣也可以冷凝，獲取低沸點液體做化工原料。燃氣由煅燒段頂部引出，溫度約500℃，送去加熱含SiO2炭粉並將之輸送至旋流排渣燃燒器，做為燃料燃燒；稻殼炭由爐底排出，用密閉容器送去酸處理。
酸處理是將稻殼炭在6N鹽酸，溫度110～150℃，最佳為120℃，用熱氣攪動，煮沸15～30min，然後用吸濾器將酸煮稻殼炭移至振動篩上，振動脫去濃酸後再用熱水衝洗稻殼炭脫酸；吸濾器和振動篩前段脫出的濃酸送往酸回收系統。由振動篩後段衝洗得到的篩下稀酸水，經沉澱池分出澄清液，沉渣送至壓濾機。濾並與振動篩篩上的稻殼炭一起送至乾燥塔乾燥；澄清液和濾液送到稀酸濃密作業提高濃度。
酸回收系統，包括酸霧吸收塔和稀酸濃密系統，其功能是將來自沉澱，壓濾作業和酸霧吸收塔的稀酸提高至6N以上，然後送至膜滲析和噴射焙燒作業，除去金屬氧化物。此系統可使99％以上的酸再生，循環利用，同時產出金屬氧化物，如Fe2O3等，做為副產品。
稻殼炭經過酸煮後，雜質元素含量降至1％以下，也破壞了炭與SiO2的結合鍵；脫酸後的稻殼炭在乾燥塔中約停留7-9h。熱氣溫度200～300℃，最佳為250℃，在1000～2000Pa負壓作用下，由塔頂進入，將溫度＜100℃的溼氣，由塔底抽出，經酸吸收塔淨化後排入大氣。
乾燥的酸後稻殼炭經錘碎機粉碎和旋流集塵器組的風力分級，得到兩股物料一種比重和粒度較大的含炭SiO2粉和一種粒度較小，比重較輕的含SiO2炭粉。前一種物料再經過超細磨進一步粉碎至平均粒徑3～5um。上述兩種物料分別裝倉，倉下皆設有螺旋排料機和計量稱。兩倉的物料按預計比例分別被熱空氣和熱燃氣輸送至燃燒系統。
由鼓風機將空氣吹入設在燃燒爐頂部的空氣加熱器增溫，由此產生的熱空氣流被分為2路一路熱空氣被送入爐前風箱，供做2次空氣和3次空氣；另一路熱空氣以旋渦流態將含炭SiO2超細粉捲入，並以氣溶膠形態送入旋流排渣燃燒器，物料在隨流運動中被加熱。此後由噴咀以旋渦流形態噴入旋流排渣燃燒器內燃燒；來自炭化爐煅燒段的熱燃氣將含SiO2炭粉捲入並輸送至旋流排渣燃燒器做為燃料燃燒。
旋流排渣燃燒器與燃燒爐和蒸汽鍋爐串聯構成一個燃燒系統。
旋流排渣燃燒器有一個管形燃燒腔，前端設有3個同心套管，中心管與一個三通管連結。一個支管與攜帶含SiO2炭粉的熱燃氣管相通；另一支管接天然氣管。兩支管皆設有逆止閥，用來調節供氣量。在點火或自身燃燒熱不足時，以天然氣助燃；第一層套管與攜帶含炭SiO2超細粉的輸送管相通，後者的出氣口截面積縮小，呈鴉咀形切入環形噴咀，由它產生的旋渦流與中心噴咀噴出的火焰混合燃燒；第二層套管的環形噴咀噴出熱空氣供氧助燃，其噴出的氣量由閥門控制。3個噴氣咀也可互呈一定角度單獨配置，以便在管形燃燒腔內產生旋流運動，實現混合燃燒。管形燃燒器的末端被分隔為兩個長方形截面積的通道，分別與兩個排渣旋流器入料口相接。旋流器由圓筒和圓錐體構成，攜帶固體顆粒的燃氣和火焰在旋流器內做旋流運動，在離心力作用下，顆粒由氣流中分離出來，從錐體底口排出；氣流由圓筒的中心管噴入燃燒爐，在放大了的爐膛空間繼續燃燒。為了補充氧氣助燒，在排渣旋流器入口設置了第3熱空氣噴咀，其噴氣量可根據燃燒需氧量由閥門調節。
管形燃燒腔中的氣流速度一般介於70～100m/s，最佳為80m/s。燃燒溫度一般為1000～1500℃，最佳為1200℃。因此，大部分SiO2顆粒表面和嵌在體內的炭都能在旋流排渣燃燒器內快速燃燼。SiO2顆粒由旋流器底口的螺旋排料機排出；未燃燼的炭在燃燒爐內繼續燃燒。由於爐膛空間大，上升流速降低，SiO2顆粒能夠沿爐壁紛紛落入爐底部渣收集倉，再由螺旋排料機排出。由於SiO2顆粒微小，對爐壁的磨蝕作用降低，爐子使用壽命延長。
熱煙氣上升爐頂，一部分與位於爐頂的空氣加熱器進行熱交換；大部分熱煙氣則進入毗連的鍋爐與管組內的水進行熱交換，產生蒸氣。這種燃燒系統的燃燒效率可達99％以上，SiO2粉的炭和其它雜質含量以及游離晶體SiO2含量皆在1％以下，大約85％以上的SiO2粉匯集在渣收集器中，其餘部分將由其後各部分收集排出。
蒸氣鍋爐包括供水系統和蒸氣發電系統兩部分(1)供水系統水泵將水泵入加熱器，熱水通過節約器和熱交換器，進一步增溫後進入軟化器，軟化水由鍋爐底部進入熱交換管組，以煙氣熱產生蒸氣。
(2)蒸氣發電系統蒸氣匯集於熱交換管組上端的蒸氣筒中，由此引入過熱器進一步增溫後，經透平機和發電機產生電力。煙氣的熱量經循環利用後，經布袋濾塵器排入大氣。
由於採取上述技術方案，使本發明與已有技術相比具有以下優點及效果(a)SiO2與炭的解離度高，產品質量高，其純度超過化學沉澱法的產品；(b)燃燒效率高，SiO2中的殘留炭含量低；(c)產品粒度細，非晶質SiO2含量高；(d)稻殼燃燒熱利用率高，廢酸再生率高；(e)稻殼含有的金屬氧化物可以副產品銷售；(f)成本低，消除了環境汙染。


圖1為 以稻殼及其燃燒熱生產超細高純白炭黑的工藝流程圖2為 旋流排渣燃燒器位於燃燒爐底部的配置方案；圖3為 旋流排渣燃燒器位於燃燒爐側壁的配置方案下面結合附圖實施例對本發明技術進一步描述圖1說明稻殼經風選作業(1)除去灰塵後，用提升機送入炭化爐(2)。炭化爐頂部排出水煤氣，返回炭化段助燃或冷凝產生低沸點液體，為化工原料；由炭化爐煅燒段頂部抽出的熱燃氣做為含SiO2炭粉的加熱和運載氣流，供旋流排渣燃燒器燃燒用燃料；稻殼炭由炭化爐底部排入密閉容器，運往酸處理作業(3)經過酸煮後的稻殼炭，雜質含量＜1％，與酸液一起被吸濾器移至振動篩(4)脫酸，然後用熱水衝洗。由吸濾器濾出的酸液和振動篩前段脫除的酸液一起送往噴射焙燒作業(18)處理；振動篩後段的篩下稀酸液送往沉澱池(5)將其挾帶的炭末等固體沉澱下來，沉澱物送往壓濾機(6)，濾並與振動篩篩上的稻殼炭一起送至乾燥塔(7)；沉澱池的澄清液和壓濾機的濾液皆為稀酸，與來自酸霧吸收塔(15)的稀酸液一起經過稀酸濃密作業(16)提高濃度後再送往膜滲析作業(17)，析出的酸回收利用；其滲留液送至作業(18)脫除雜質元素。噴射焙燒作業(18)使廢酸經過水解反應，將其中含有的雜質元素轉變為純度高的氧化物，如Fe2O3等副產品。高達99.5％的酸再生，回收利用。上述各作業產生的酸霧皆被匯集於酸霧吸收塔(15)，淨化後的氣體排入大氣。
乾燥後的稻殼炭經錘碎機(8)粉碎和風力分級(9)分成兩股物料一股粒度粗，比重大的含炭SiO2粉和一股粒度細，比重較輕的含SiO2炭粉。前者送往超細磨(10)進一步粉碎，製成含炭SiO2超細粉。上述兩種物料分別裝倉圖2①和②，倉下設有螺旋排料機和計量稱。含SiO2炭粉以熱燃氣為載體；含炭SiO2超細粉以來自燃燒爐頂部空氣加熱器(11)的熱空氣為載體。兩種物料均按預定配比排出，在隨氣流運動中被加熱，以氣溶膠形態送入旋流排渣燃燒燒器(12)和燃燒爐(13)燃燒。
旋流排渣燃燒器(12)和燃燒爐(13)及鍋爐(14)構成一個串聯燃燒體系。旋流排渣燃燒器(12)和燃燒爐(13)的連結有兩個配置方案圖2為旋流排渣燃燒器配置於燃燒爐底部；圖3為旋流排渣燃燒器位於燃燒爐側壁。
旋流排渣燃燒器(12)有一個管形燃燒腔(12)a，其前端設有3個噴氣管中心管③是燃氣管，其進氣端與一個3通管連接。其中一個支管④與運載含SiO2炭粉的熱燃氣管相通；另一個支管⑤與天然氣管相通。兩個支管皆設有逆止閥，控制進氣量。另外2個噴氣管1個與運載含炭SiO2超細粉的熱空氣管⑥相通；另1個與來自風箱⑦的熱空氣管⑧相通。皆設有控制閥。三個噴氣管在燃燒腔前端有兩個配置方案圖2方案(A)是3個噴氣管組成一個同心圓套管，中心管噴射燃料；運載含炭SiO2超細粉的熱空氣沿切線進入第1層套管，以旋渦流噴出；供給氧氣的熱空氣由第2層套管噴出；圖3方案(B)是3個噴氣管互呈一定角度配置，以便在燃燒腔(12)a內產生旋流，促進混合燃燒。燃燒腔(12)a的末端分為兩個長方形截面積的通道，分別與兩個排渣旋流器(12)b的進氣口相通。隨流進入旋流器的顆粒在離心力作用下，由底口排出；熱燃氣和火焰由旋流器頂部的中心管⑩噴入燃燒爐繼續燃燒。燃後的SiO2顆粒落入爐底渣收集倉；上升的熱煙氣與爐頂的空氣加熱器(11)進行熱交換，大部分進入毗連的鍋爐(14)與管組中的水進行熱交換製造蒸氣。為了助燃在排渣旋流器的入氣口設有熱空氣噴咀⑨。
水泵(23)將水泵入加熱器(22)，經節約器(21)，熱交換器(20)和水軟化器(19)，把軟化水送入鍋爐中的管組。鍋爐產生的蒸氣，經過熱器(24)增溫後，通過透平機(25)和發電機(26)將熱轉化為電力。由燃燒系統產生的熱量根據各部位對熱量的需求，合理利用。煙氣經布袋濾塵器淨化後，排入大氣，各部沉積的SiO2粉分別回收。
具體實施例方式
根據圖1工藝流程的主體作業，將取自北京制米廠的稻殼，水洗烘乾後，在550℃溫度進行炭化和煅燒1h，排除80％的揮發物氣體(未回收)；稻殼炭以6N鹽酸以120℃煮沸15min。在振動篩上脫酸，並用熱水衝洗至pH值中性，烘乾後，經高速振動磨粉碎，製成超細粉。以空氣吹入管式電爐，在1000℃溫度，使處於懸浮狀態的物料燃燒，得到SiO2含量99.37％的純白色產物。
權利要求
1.以稻殼及其燃燒熱生產超細高純白炭黑的工藝，其特徵在於稻殼經過炭化和酸處理去掉雜質元素後，進行粉碎和分選，得到含炭SiO2粉和含SiO2炭粉。含炭SiO2粉再經過超細磨，製成含炭SiO2超細粉。然後，分別被來自炭化爐煅燒段的熱燃氣和來自燃燒爐頂部空氣加熱器的熱空氣，以氣溶膠形態送至旋流排渣式燃燒器和燃燒爐及蒸氣鍋爐構成的燃燒系統，進行快速的充分的燃燒。燃燒效率達到99％以上，最終產品白炭黑的SiO2含量＞99％，炭含量＜1％，粒徑5μm。生產過程中產生的廢酸和酸霧均經過酸回收系統處理，使99％以上的酸再生，循環利用；稻殼燃燒熱得到充分利，由燃燒爐排出的熱煙氣在蒸氣鍋爐中與泵入的軟化水進行熱交換產生蒸氣，再經過過熱器增溫後送至透平機發電。本工藝過程的流程見圖1。
2.根據權利要求1所述的生產工藝，其特徵在於將潔淨的稻殼在炭化爐中進行炭化和煅燒。炭化過程分為乾燥，炭化和煅燒三個階段。乾燥段的溫度介於200～280℃，炭化段溫度介於300～450℃；煅燒段溫度應小於570℃，最佳溫度為500～550℃。此溫度可防止非晶質SiO2轉變為晶體石英，方石英和鱗石英。炭化爐產出三種產品水煤氣由爐頂排出，溫度約為250℃，並由炭化爐中部返回，為炭化段助燃。水煤氣亦可經冷凝，獲得低沸點液體做為化工原料；熱燃氣由爐的煅燒段頂部排出，溫度約為500℃，可做為含SiO2炭粉的預熱和運載燃氣；稻殼炭由爐底排出，一般尚含有約20％的揮發分。用密閉容器裝運，送去酸處理。
3.根據權利要求1所述的生產工藝，其特徵在於將稻殼炭經過6N鹽酸以110～150℃溫度，最佳為120℃，用熱氣攪拌，煮沸15～30min，最佳為20min。此工藝可將SiO2的雜質元素含量降到1％以下，也有助於炭和SiO2的解離。酸煮完成後，用吸濾器將稻殼炭和酸液移至振動篩上，進一步脫酸。
4.根據權力要求1所述的生產工藝，其特徵在於用振動篩的前段脫除濃酸；在振動篩後段用熱水衝洗稻殼炭攜帶的殘餘酸液，其篩下稀酸液含有碎炭，經過絮凝沉積後，進行壓濾。濾並與振動篩上的稻殼炭一起送至乾燥塔進行乾燥。
5.根據權利要求1所述的生產工藝，其特徵在於將吸濾器的濾液與振動篩前段的篩下酸液一起送至噴射焙燒作業，脫除酸中的金屬氧化物，做為副產品產出；再生的酸循環利用。由沉澱池溢出的澄清液和壓濾機的濾液送入稀酸濃密作業提高酸的濃度，再經膜滲析淨化。淨化後的酸循環利用；含有雜質的廢酸送到噴射焙燒作業進一步除去雜質。所有酸處理作業產生的酸霧，被吸入酸霧吸收塔處理，淨化氣體排入大氣；稀酸液送至稀酸濃密作業提高濃度，循環利用。本系統可使99％以上的酸再生。
6.根據權利要求1所述的生產工藝，其特徵在於將乾燥後的稻殼炭送入錘碎機進行粉碎和在旋流器組中進行風力分級。由此獲得兩股物料一種粒度較粗，比重較大的含炭SiO2粉和一種粒度較細，比重較小的含SiO2炭粉。前一種物料再經過超細磨進一步粉碎，製成含炭SiO2超細粉，粒度＜5μm。上述兩種物料分別裝倉，倉的底部分別設有螺旋排料機和計量稱。兩個倉的排料量可以按預定比例排入各自的運載熱氣流中。
7.根據權利要求1所述的生產工藝，其特徵在於燃燒系統是一個由旋流排渣式燃燒器，燃燒爐和蒸氣鍋爐三個單元串聯構成的燃燒體系。
8.根據權利要求1，7所述的生產工藝，其特徵在於旋流排渣式燃燒器是一個管形燃燒腔和2個排渣旋流器的組合。管形燃燒腔的前端設有3個同心圓的進氣套管；中心管與1個三通管連結，後者的2個支管分別與天然氣管路和輸送含SiO2炭粉的熱燃氣管連通。二者皆設有逆止閥。燃燒器點火時，或自身燃料不足時，可啟動天燃氣助燃；正常操作時，關閉天然氣逆止閥，開啟運載含SiO2炭粉的熱燃氣逆止閥，使之做為燃料由中心噴咀噴出，產生主火焰；運載含炭SiO2超細粉的熱空氣以旋渦流由第1層套管噴出，與主火焰混合燃燒；來自風箱的熱空氣由第2層套管噴出，供氧助燃。上述3個噴咀也可以互呈一定角度，單獨配置。管形燃燒腔後端分為兩個截面積長方形通道，分別與兩個排渣旋流器的入氣口相通。在入口處設有第3個熱空氣噴咀，以閥調節供氣量。該旋流器由圓筒和圓錐體構成。圓筒頂部中央設有噴氣管，呈旋流運動的火焰和燃氣由此噴入燃燒爐，繼續燃燒；圓錐體底口為排渣口，與螺旋排料機相通。氣流在管形燃燒腔內的噴射速度，一般為70～100m/s，最佳為80m/s，燃燒溫度為1000～1500℃，最佳溫度1200℃。
9.根據權力要求1，7所述的生產工藝，其特徵在於旋流排渣燃燒器與燃燒爐的連結有2個方案圖2方案為燃燒器設在燃燒爐下方；圖3方案為燃燒器設在燃燒爐側壁。
10.根據權力要求1，7所述的生產工藝，其特徵在於空氣加熱器設在燃燒爐內的頂棚下方。燃燒系統的所有渣倉皆採用密封螺旋排渣器。
全文摘要
本發明涉及一種以稻殼及其燃燒熱生產超細高純白炭黑的工藝，其特徵在於稻殼經炭化和酸處理去掉揮發分和雜質元素後，再經過粉碎和分選，得到含SiO
文檔編號C01B33/18GK101028926SQ20061005798
公開日2007年9月5日 申請日期2006年3月3日 優先權日2006年3月3日
發明者郭夢雄 申請人:郭夢雄