CN105400528B - 一种稻壳快速热解装置及配套*** - Google Patents

一种稻壳快速热解装置及配套*** Download PDF

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Abstract

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。

Description

一种稻壳快速热解装置及配套***
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。
***专利(申请号200310117565.9)提出了快速热裂解500公斤稻壳制取一吨生物油的方法。该方法包括对稻壳进行干燥、粉碎，然后通过物料输送***进入热裂解反应器，并对反应所得的产物进行分离得到生物油。该方法提及了物料的无氧状态、物料在***中的停留时间、物料热解的最高反应温度、总压力以及热解气体的二次快速冷却。但仅限于对方法进行探讨，没能深入、详细地对反应装置进行说明。
中国林业科学研究院林产化学工业研究所专利(申请号200420078435.x)提供了一种生物质流态化气化炉，由加料器、气化炉本体和保温夹套组成，加料器与气化炉本体下部相连，气化炉本体设在保温夹套内。本专利提供的生物质流态化气化炉可以利用稻壳气化来获得热解气，但在气化过程必然存在一个氧化区，其间的温度远高于稻壳裂解、氧化所要求的600℃的温度，所含的二氧化硅或与碱金属形成低温共融物，或无定形状态转化为晶体结构。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。
综上所述，我们必须针对现有装置的不足，提供一种能适应稻壳热解、氧化生产纳米二氧化硅工艺的热解装置，同时满足以下几点：通过精确控温避免物料受热不均匀，局部裂解不充分；提供高的升温速度实现稻壳快速热解；控制极短的气相停留时间避免挥发分的二次裂解，应可能减少固定碳的产生。因此控温热解装置与控温氧化装置同属关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稻壳快速热解装置，可以对稻壳热解的温度实现精确控制，避免物料受热不均匀，局部裂解不充分，确保生产过程无定形二氧化硅不发生相变；提供高的升温速度实现稻壳快速热解；控制极短的气相停留时间避免挥发分的二次裂解，应可能提高生物油的产量，减少固定碳的产生；稻壳热解所需的热能全部来源稻壳裂解气的燃烧，实现能源自给自足；完全满足利用稻壳大批量、连续生产的实际需求。
本发明装置采用如下的技术方案：一个不锈钢材质的热解反应器壳体上部设有真空上料器(1)，通过上端的进料口与热解反应器壳体(4)紧密相连维持反应器与外部空气隔绝；热解反应器壳体下部通过出料口与料仓(5)紧密相连，料仓(5)上方和下端出口分别设两道气动闸阀维持反应器与外部空气隔绝；反应器(4)内部垂直设置多组熔盐加热器(2)，各组熔盐加热器(2)排列紧密，密集分布在反应器(4)内部；反应器(4)壳体右上方设燃气出口，外部按顺序依次与回转式颗粒分离器(6)、快速冷凝器(7)、棉绒过滤器(8)、真空缓冲罐(9)及罗茨真空泵(10)相连，分离的可燃性气体进入燃烧室(13)燃烧，产生的热量加热作为热载体的高温熔盐(3)。实现能量自给自足。
上述熔盐加热器(2)外观上看是一根根直立的不锈钢盘管，从其顶端一直延续到最末端，不锈钢盘管表面是最终的加热面，各环行滑道密集、平行环绕向下，完全浸泡在热解反应器内部充盈高热值的高温熔盐中。熔盐加热器垂直、密集分布在反应器内部，确保从进料口落下的稻壳都落在高温的环行滑道表面，在重力作用和负压牵引下沿不锈钢盘管表面紧密接触环行下滑，完成快速升温、快速热解。本熔盐加热器及附属***为本发明的关键技术之一。
上述热解反应器(4)壳体外设保温夹套和压力计，壳体内部多点设测温热电偶。
本发明装置物料热解温度控制在450～600℃之间，确保过程无定形二氧化硅不形成低温共熔物，不发生相变。温度精确控制为本发明的又一关键技术。
本发明装置内部总压力通过真空泵控制在5kPa～15kPa之间，热解产生的气体被快速抽走，避免在反应器内生物质内发生二次裂解，产生大量固定碳。内部总压力控制为本发明的关键技术之三。
本发明装置采用连续不间断进料、出料方式作业，可大规模生产。
对比发现：利用本发明装置热解后的产物经X-射线衍射得到的衍射图与原状稻壳的衍射图对比发现，二者的衍射图位置与形状极为相似，表明该装置控制条件下的热解维持了二氧化硅原始的无定形状态。
分析发现：利用本发明装置热解后的固体产物中固定碳的含量处于较低的水平，利于后续氧化单元快速、彻底的氧化。
附图说明
附图1为本发明装置的结构示意图及配套设备。其中：
(1)真空上料器 (2)熔盐加热器 (3)高温熔盐 (4)热解反应器 (5)储料仓
(6)回转式颗粒分离器 (7)快速冷凝器 (8)棉绒过滤器 (9)真空缓冲罐 (10)罗茨真空泵
(11)水封 (12)气柜 (13)燃烧室 (14)熔盐槽 (15)熔盐泵 (16)电感应加热器
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示，一个不锈钢材质的热解反应器壳体上部设有真空上料器(1)，通过上端的进料口与热解反应器壳体(4)紧密相连维持反应器与外部空气隔绝；热解反应器壳体下部通过出料口与料仓(5)紧密相连，料仓(5)上方和下端出口分别设两道气动闸阀维持反应器与外部空气隔绝。反应器内部垂直设置多组熔盐加热器(2)，各组熔盐加热器(2)排列紧密，密集分布在反应器内部；反应器壳体右上方设燃气出口，外部按顺序依次与回转式颗粒分离器(6)、快速冷凝器(7)、棉绒过滤器(8)、真空缓冲罐(9)及罗茨真空泵(10)相连，分离的可燃性气体进入燃烧室(13)燃烧，产生的热量加热作为热载体的高温熔盐(3)。为了尽可能降低热损失，反应器主体外部设有保温夹套。壳体内部多点设测温热电偶，外部连接有压力计。
稻壳热解反应器(4)工作时，首先启动罗茨真空泵(10)，降低热解反应器(4)内部总压力至5-15kPa之间。燃烧室(13)点火开始加热熔盐(3)，降低熔盐粘度。启动熔盐泵(15)开始循环加热熔盐，电感应加热器(16)在温度达不到设定温度时自行，精确熔盐温度在530℃.粉碎、干燥、预热过的稻壳粉经过真空上料器(1)进入热解反应器(4)，在重力的作用下直接与高热的熔盐加热器(2)盘管内表面紧密接触，以极高的升温速度快速升至450℃，快速热解，然后顺着熔盐加热器(2)环行盘管内壁自由滑动向下，直至盘管终端，裂解完成。热解产物包含固相产物和气相产物。稻壳裂解产生的大量挥发分呈气态，在接进真空的状态下快速被抽走，其停留时间控制在2秒以内。挥发分在负压的作用下经过回转式颗粒分离器(6)分离出携带的细小颗粒物后只包含在高温下呈气态的生物油和部分不可冷凝的可燃性气体，通过分离器出口进入冷凝器(7)和过滤器(8)，得到部分产物焦油；剩余的可燃性气体被输送到燃烧室(13)燃烧，释放大量的热能用以加热高温热载体(高温熔盐(3))，将热量传递至熔盐加热器滑道表面完成稻壳的热裂解。
稻壳裂解产生的大颗粒的固态产物直接进入固态产物储料仓(5)，细小颗粒的固态产物经过回转式颗粒分离器(6)分离后也进入固态产物储料仓(5)；然后间歇通过两道气动闸阀和出料口排至热解反应器外部。

Claims (6)

1.一种稻壳快速热解装置，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；装置包括有一个热解反应器壳体(4)、一个真空上料器(1)、两道气动闸阀、多组熔盐加热器(2)、一个燃气出口、一个出料口、一个进料口、一组测温热电偶；附属***包括有储料仓(5)、回转式颗粒分离器(6)、快速冷凝器(7)、棉绒过滤器(8)、真空缓冲罐(9)、罗茨真空泵(10)、水封(11)、气柜(12)、燃烧室(13)、熔盐槽(14)、熔盐泵(15)、电感应加热器(16) 。
2.根据权利要求1 所述的一种稻壳快速热解装置，其特征在于所述热解反应器壳体（4）上部设有真空上料器(1)，通过上端的进料口与壳体紧密相连维持反应器与外部空气隔绝；热解反应器壳体下部通过出料口与储料仓(5) 紧密相连，储料仓上部和下端设两道气动闸阀维持反应器与外部空气隔绝。
3.根据权利要求1 所述的一种稻壳快速热解装置，其特征在于所述热解反应器壳体(4) 内部垂直设置多组熔盐加热器(2)，各组熔盐加热器排列紧密，垂直、平行密集分布在反应器内部；熔盐加热器外观上看是一根根直立的不锈钢盘管，不锈钢盘管除物料进口和出口浸泡在循环流动的高温熔盐(3)中，每一组盘管内表面是最终的加热面；物料稻壳从进料口落在高温的环行滑道表面，在重力和热解气体携带的双重作用下沿环行滑道紧密接触环行旋转下滑，完成快速热解。
4.根据权利要求1 所述的一种稻壳快速热解装置，其特征在于所述热解反应器壳体(4)右上方设燃气出口，外部依次与回转式颗粒分离器(6)、快速冷凝器(7)、棉绒过滤器(8)、真空缓冲罐(9) 及罗茨真空泵(10) 相连，分离的可燃性气体进入燃烧室(13) 燃烧，产生的热量加热作为热载体的高温熔盐(3)，能量完全自给自足。
5.根据权利要求1 所述的一种稻壳快速热解装置，其特征在于所述热解反应器壳体(4) 内部物料热解温度控制在450 ～ 600℃之间，实现精确控温。
6.根据权利要求1 所述的一种稻壳快速热解装置，其特征在于所述热解反应器壳体(4) 内部总压力通过真空泵控制在5 ～ 15kPa 之间，热解产生的气体被快速抽走，避免挥发分二次裂解。
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