制备纳米二氧化硅稻壳灰的工业化生产装置及其生产方法

摘要

本发明公开了一种制备纳米二氧化硅稻壳灰的工业化生产装置及其生产方法，包括流化床锅炉、旋风分离器、换热器和布袋除尘器，所述流化床锅炉的设计采用变截面炉膛、分段式控温与布风、采用二次风系统、增高稀相区的特征。流化床锅炉的运行温度为670℃～720℃，运行风速为0.9~1.4m/s，过量空气系数为1.16~1.21。本发明既可以有效利用稻壳自身的能量用于供热，提高了锅炉的热效率，节约了能源，也可以制备出高纯纳米结构SiO2稻壳灰，确保反应条件稳定。经检验，制备的稻壳灰含有大于90%的无定型高纯SiO2，其形态为15-30nm的纳米粒子。

说明书

技术领域

本发明是关于制备纳米结构SiO₂稻壳灰的，特别涉及一种纳米结构SiO₂稻壳灰的工业 化生产装置及其生产方法。

背景技术

我国每年的稻谷产量约2亿吨，占世界总产量的1/3，居世界首位。稻壳是稻谷加工的 副产品，约占稻谷籽粒重量20％，每年产生4000万吨左右稻壳，资源量巨大。大量的稻壳 资源未得到充分利用，在农村多以田间焚烧为主要处理方式，既污染环境又浪费能源。近 年来，研究表明稻壳灰中含有约20%的无定形SiO₂，其具备高活性，是一种建筑材料的添 加剂，提纯后可以作为精细陶瓷、光导纤维和太阳能电池等工业基本原料，具有高的附加 值。因此，既利用稻壳的能量又能工业化生产无定型高纯SiO₂的工艺急需提高与完善。

申请号93116790.6“生产活性稻壳灰的装置”的发明专利，介绍了间歇式焚烧装置制备稻 壳灰方法，但这一技术存在下列不足：1.无法连续给料，二步法操作复杂，不利于工业化推 广；2.稻壳自身的能量未得到充分利用，造成能源浪费。申请号200410026459.5“一种稻壳 焚烧装置及其产出的纳米结构SiO2稻壳灰”的发明专利，采用封闭式稻壳焚烧装置制备纳 米结构SiO2稻壳灰，此专利设置热交换管，有效带走稻壳燃烧放热的热量，但受限于封闭 式焚烧装置，无法连续供料，难以解决工业化推广等问题。公开号102252325A的“燃烧稻 壳的循环流化床锅炉”是以燃烧发电为目的，并无涉及稻壳灰的制备工艺。

发明内容

本发明的目的，是克服现有技术的缺点和不足，提供一种可以工业化生产高纯纳米结 构SiO₂稻壳灰的装置及其生产方法，并能有效利用稻壳焚烧产生的热能。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种制备纳米二氧化硅稻壳灰的工业化生产装置，包括锅炉、给料器、分离器和除尘 器，其特征在于，所述锅炉为变截面炉膛的流化床锅炉，该流化床锅炉6的炉膛上部设置 有稀相区18，稀相区直径为920mm；炉膛下部设置有密相区17，密相区直径为620mm； 炉膛中部设置有变截面区19，变截面区19的垂向夹角为12.5°；流化床锅炉6的总高为6m； 密相区和变截面区各设置一个冷却水夹套A 4和冷却水夹套B 20，每个冷却水夹套的高度 为400~500mm，两个冷却水夹套相互连通；锅炉的最下部设置有燃烧室16，燃烧室16的 下面设置有点火装置1、一次风入口（2）和灰斗A 11；燃烧室16与密相区17的连接处设 置有布风板15，密相区17的一侧设置有螺旋给料器3，在变截面区19设置有二次风入口5， 在锅炉炉膛出口依次设置有一级旋风分离器7、二级旋风分离器8、换热器9和布袋除尘器 10；在一级旋风分离器7、二级旋风分离器8和布袋除尘器10的底部分别设置有灰斗B 12、 灰斗C 13和灰斗D 14。

所述流化床锅炉6的炉膛内衬为防腐耐火材料。

制备纳米二氧化硅稻壳灰的工业化生产装置的生产方法，具有如下步骤：

（1）通过螺旋给料器3投入粒径为0.6mm石英砂，形成石英砂床，料层高度为 400-600mm，通入一次风，以5℃/min的加热速度程序升温到400℃；

（2）启动点火装置1，螺旋给料器3持续供给稻壳；点火成功后切断电源，以稻壳燃 烧的热量维持所需温度，调节二次风供给量以保证燃烧效率，并以循环冷却水控制炉内密 相区17和变截面区19的温度；流化床锅炉的运行温度为670℃～720℃，运行风速为0.9~1.4 m/s，过量空气系数为1.16~1.21；

（3）稻壳燃烧后的烟气携带燃尽稻壳灰通过密相区17、变截面区19和稀相区18进入 一级旋风分离器7、二级旋风分离器8、换热器9和布袋除尘器10，稻壳灰通过炉膛底部的 灰斗A 11和两级旋风分离器以及布袋除尘器底部的灰斗B 12、灰斗C 13和灰斗D 14进行 收集；

（4）热烟气经过换热器9冷却，再经脱硫等处理后由烟囱排出，对余热进行再利用。

所述步骤（1）是通过电加热方式升温到400℃。

所述步骤（2）的优选过量空气系数为1.18。

所述步骤（3）收集的稻壳灰含有大于90%的无定型高纯SiO₂，其形态为15～30nm的 纳米粒子。

本发明与现有技术相比，显著效果如下：

本发明的制备纳米二氧化硅稻壳灰的工业化生产设装置，由于设计了变截面锅炉并引 入二次风，提高了锅炉的热效率，同时解决了稻壳堆积体积受限的问题。由于增加了二级 旋风分离器，使稻壳燃烧充分，分离完全，制备出高纯纳米结构SiO₂稻壳灰；同时，由于 采用冷却水夹套和换热器，能够有效控制锅炉的焚烧温度，确保反应条件稳定，同时此部 分余热可以充分利用，如供暖，供热水，利用蒸汽发电等，节约了大量能源。

附图说明

图1是本发明的纳米结构SiO₂稻壳灰生产装置的结构示意图；

图2是采用本发明制备的稻壳灰结构透视图（SEM）；

图3是采用本发明制备的稻壳灰蜂窝状结构透视图（TEM）。

本发明附图标记如下：

1——点火装置            2——一次风入口

3——螺旋给料器          4——冷却水夹套A

5————二次风入口        6————流化床锅炉

7————一级旋风分离器    8——二级旋风分离器

9————换热器            10————布袋除尘器

11————灰斗A            12————灰斗B

13————灰斗C            14————灰斗D

15————布风板           16————燃烧室

17————密相区           18————稀相区

19————变截面区         20————冷却水夹套B

具体实施方式

本发明采用常规的生产设备和制备工艺，下面结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明的纳米结构SiO₂稻壳灰生产装置的结构示意图。如图1所示，本发明的 锅炉为变截面炉膛的流化床锅炉6，该流化床锅炉6的炉膛上部设置有稀相区18，稀相区 直径为920mm；炉膛下部设置有密相区17，密相区直径为620mm；炉膛中部设置有变截面 区19，变截面区19的垂向夹角为12.5°；流化床锅炉6的总高为6m，炉膛内衬为防腐耐火 材料；密相区和变截面区各设置一个冷却水夹套A4和冷却水夹套B20，每个冷却水夹套的 高度为400~500mm，两个冷却水夹套相互连通；锅炉的最下部设置有燃烧室16，燃烧室16 的下面设置有点火装置1、一次风入口2和灰斗A 11；燃烧室16与密相区17的连接处设置 有布风板15，密相区17的一侧设置有螺旋给料器3，在变截面区19设置有二次风入口5， 在锅炉炉膛出口依次设置有一级旋风分离器7、二级旋风分离器8、换热器9和布袋除尘器 10；在一级旋风分离器7、二级旋风分离器8和布袋除尘器10的底部分别设置有灰斗B 12、 灰斗C 13和灰斗D 14。

本发明工作原理如下：粒径为0.6mm的石英砂床料置于流化床锅炉6底部，高度在 400-600mm。打开一次风2，通过布风板15，进入炉膛的风均匀分布使床层达到微流化状态。 以5℃/min的加热速度程序升温到400℃时，启动床下点火装置1，使用轻柴油进行点火， 通过螺旋给料器3少量供给稻壳送入流化床锅炉6，增大风量（250m³/h）使床层达到稳定 流化状态，当床温达到600℃时，增大给料机给料量，同时关闭床下点火装置1，并视床温 变换情况调整风量、冷却水量和给料量。调整给料量和冷却水夹套4的冷却水流量使床温 稳定在适宜的工况下（670℃～720℃），投入二次风5，实际运行风速为0.9~1.4m/s。稻壳 在密相区挥发份燃烧，释放大量热量，随烟气到稀相区进一步燃烧，燃烧后产生的高温烟 气依次通过一级旋风分离器7，二级旋风分离器8，换热器9和布袋除尘器10，降温后烟气 经脱硫等处理后符合国家排放标准由烟囱排出。稻壳灰在炉膛、旋风分离器和布袋除尘器 底部的灰斗11-14中收集。热烟气在经过换热器后冷却，其热量用于供给厂房及附近居民区 热水，也可用于热蒸汽或发电。

本发明制备的稻壳灰经测定，其化学组成SiO₂含量均高于90%，最高可达97.1%，残 炭量低于2%，锅炉燃烧效率达93%以上。X-射线衍射图显示，无明显晶态SiO₂衍射峰， 这表明制备的稻壳灰中的SiO₂以无定形状态存在。采用SEM技术（图2）对本发明制备的 稻壳灰进行内外表面及横断面观察，表明结构致密，并且可以清晰地观察到内表面薄、网 络结构较密实、孔道丰富、清晰可见，外表面稍厚、结构较粗大、孔道不发达；内外表面 之间是一个夹层，夹层由纵横交错的板片构成，呈疏松的蜂窝状，含有大量孔洞，这些孔 洞的尺度在10μm左右。采用TEM技术（图3）进行放大观察时，发现大量堆聚在一起的 极细小的粒子以蜂窝状排布，粒径在15-30nm左右。这些纳米尺度的SiO₂粒子和微米尺度 的孔洞使稻壳灰具有较大的比表面积和高活性，适合特殊的应用要求。