[发明专利]一种稻壳快速热解装置及配套系统

说明书

本发明公开了一种稻壳快速热解装置，其反应器主体是一个不锈钢材质的壳体，上部通过上端进料口紧密安装有真空上料器；下部通过出料口与螺旋输送器及两道气动闸阀维持反应器与外部空气隔绝；反应器内部垂直、密集设置多组熔盐加热器；主体右上方设燃气出口，外部与真空泵、冷凝器及过滤器相连，分离的可燃性气体进入燃烧器燃烧，用以加热作为热载体的高温熔盐，能量自给自足。本发明装置可以实现温度450～650℃的，总压力5kPa～15kPa下的稻壳快速热解，不破坏稻壳内部二氧化硅的天然纳米结构，并利于后续的燃烧氧化单元杂质碳的彻底氧化。

技术领域

本发明涉及一种稻壳快速热解装置，以在真空条件下精确控温、快速热解、能量自己自足，尽可能降低固定碳产量为目的，主要适用于稻壳先自热快速热解、后控温氧化生产纳米二氧化硅的工艺中。

背景技术

我国是水稻生产大国，年产水稻约2亿吨，折算成稻壳约4千万吨。然而稻壳只是作为水稻加工副产物没有被充分利用，不仅浪费了资源，同时也给农村环境改善造成了极大的环保压力。事实上稻壳中约含15～20％的无定型二氧化硅，且二氧化硅原生粒径均在50nm左右，分布均匀，是一种宝贵的可再生的纳米矿物资源。因此稻壳热解-氧化工艺可以作为当今生产纳米二氧化硅的又一重要途径。与气相法、溶胶凝胶法相比，又具有相当的优势：首先是原料稻壳来源广泛且非常廉价，容易获得；其次是吨产品设备投资少，生产成本低，生产工艺非常环保，基本不会产生高污染的废水、废气及固体废弃物，且节水节能，生产过程中能量自己自足；最重要的是利用稻壳热解氧化生产的纳米二氧化硅产品性能大大优于传统沉淀法和溶胶凝胶法生产的二氧化硅，能与气相法二氧化硅相提并论，在相当多的领域可以替代气相法二氧化硅。

众所周知，稻壳由两大部分组成：约20％无机部分和约80％有机部分。其中无机部分中94wt％是二氧化硅，是目标产物；其余6wt％包括K₂O，CaO，MgO，MnO，Al₂O₃，Fe₂O₃等，这些碱金属的杂质元素与有机基质形成弱结合，不与二氧化硅混合或结合。有机部分包含约32wt％的纤维素、21wt％的半纤维素、24wt％的木质素以及3wt％的其它类(如油脂、蛋白等)。从生物质热解反应机理分析，半纤维素主要在225～350℃分解，纤维素主要在325～375℃分解，二者主要产物是挥发性物质，木质素主要在250～500℃分解，主要产物是炭。重要的是热解产物挥发性物质中的焦油若停留时间过长，未能及时脱离高温环境，就会发生二次裂解并形成最终产物炭被固定在固体产物中，完全可能扩散到无定形二氧化硅的微孔部分，加大后续氧化单元的氧化难度，进而导致最终产品白度不达标，残炭含量高，失去利用价值。因此利用稻壳生产纳米二氧化硅不再是简单的热解或炭化，重点需要的是在控温热解过程中稻壳的有机组分要裂解彻底，同时要避免裂解中由深层向外层扩散的有机挥发分在稻壳颗粒内部的二次分解，尽可能地避免增加炭的产量。

武汉凯迪科技发展研究院有限公司专利(申请号200610104569.4)描述了一种生物质深度脱水炭化连续处理装置，其设备包括炭化器和干燥器，外加热源经过炭化降温换热后进入干燥器干燥生物质。该装置有两大缺陷：第一，炭化器内压力为微正压状态，生物质内部热解产生的挥发性物质不能快速导走，停留时间高过2秒的结果是挥发分在生物质内部或外表面发生二次裂解生产最大量的固定碳；第二，产用高温气体作为热载体，在本装置中会出现严重的物料受热不均匀，局部裂解不充分的现象发生。因此该装置不能适用于利用稻壳生产纳米二氧化硅的工艺中。

河南省科学院能源研究所有限公司专利(申请号200620135283.1)描述了一种生物质连续热解装置，设有热气源进口、烟囱和进料口，壳体内的连续热解装置包含多组上下排列的加热运输绞龙，绞龙支筒之间首尾相连，设有集气管和燃气出管。该装置同样有两大缺陷，即不能避免挥发分的二次裂解和物料受热不均匀，局部裂解不充分。因此该装置同样不能适用于利用稻壳生产纳米二氧化硅的工艺中。