CN103695015B - 一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的装置及方法 - Google Patents

一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的装置及方法。该装置包括螺旋给料装置、预处理搅拌器、热解装置、燃烧装置、蒸汽发生器及煅烧装置。生物质原料通过螺旋给料装置送入预处理搅拌器,搅拌后的生物质原料与蒸汽发生器产生的过热水蒸汽混合后进入热解装置,热解装置析出的可燃气体进入燃烧装置燃烧,燃烧装置燃烧所产生的热烟气加热蒸汽发生器产生过热水蒸气,热解装置下部的灰渣口排出的灰渣进入煅烧装置中煅烧。本发明使用过热水蒸气对生物质原料进行加热和干燥,比同温度热空气烘干生物质原料的方法干燥速度高,从而使系统的热解气体析出速度比常规系统热解气体析出速度和产气热值大大提高。

Description

一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的装置及方法。
背景技术
[0002] 二氧化硅尽管在许多自然资源中是丰富的,但高纯度的无定形二氧化硅却很少在自然资源中找到。目前已有利用无机材料生产无定形二氧化硅的报道,但其工艺生产成本高,能耗大,环境污染严重。
[0003] 除此,也有一些从生物质中提取二氧化硅的方法的报道:如专利ZL02807291.X介绍了从稻壳中生产高纯度的无定形二氧化硅的工艺,但都没有考虑有机物及能量利用问题,不能使生物质得到有效的利用。申请公开专利102653406虽然介绍了无氧热解稻壳制取无定形二氧化硅的工艺方法,通过对原料进行酸洗干燥的预处理手段,破坏木质纤维素等大分子链结构以促进热解反应,但没有考虑整个工艺系统中生物质原料含水量对热解产气速度和效率的影响,且热解温度过低易在热解气中产生大分子可凝气体,导致热解气运输管道、燃烧设备壁面出现焦油凝结等问题。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是:提供一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的装置及方法。
[0005] 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为:
[0006] 一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的装置,其特征在于,它包括螺旋给料装置、预处理搅拌器、热解装置、燃烧装置、蒸汽发生器及煅烧装置;生物质原料通过所述螺旋给料装置送入预处理搅拌器,搅拌后的生物质原料与所述蒸汽发生器产生的过热水蒸汽混合后进入所述热解装置,所述热解装置析出的可燃气体进入燃烧装置燃烧,所述燃烧装置燃烧所产生的热烟气加热蒸汽发生器产生过热水蒸气,所述热解装置下部的灰渣口排出的灰渣进入所述煅烧装置中煅烧。
[0007] 上述方案中,所述蒸汽发生器为电蒸汽发生器、燃油蒸汽发生器或燃气蒸汽发生器。
[0008] 上述方案中,所述蒸汽发生器为燃油蒸汽发生器。
[0009] 上述方案中,所述燃油蒸汽发生器包括腔体以及设置在腔体内的自下而上依次设置的蛇形盘管、饱和沸腾水箱及双路翅片过热盘管。
[0010] 一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的方法,其特征在于,该方法是先将生物质原料搅拌均匀,然后采用过热水蒸气加热干燥,过热水蒸气的温度为120〜150°C,均匀混合干燥后的生物质物料于无氧条件下热解,热解温度为600〜800°C,将热解析出的可燃气体燃烧,将燃烧所产生的热烟气加热蒸汽发生器产生过热水蒸气,将热解装置下部的灰渣口排出的灰渣在有氧条件下进行煅烧得到无定形的纳米级二氧化硅材料。
[0011] 上述方案中,该方法是将生物质原料通过螺旋给料装置送入预处理搅拌器内,与蒸汽发生器产生的过热水蒸气混合加热干燥,均匀混合干燥的物料经过热解装置迅速析出可燃气体,然后将可燃气体通入燃烧装置燃烧,燃烧装置产生的热烟气用于加热蒸汽发生器产生过热水蒸气,热解装置下部的灰渣口定期排出的灰渣在煅烧装置中煅烧冷却后回收为无定形的纳米级二氧化娃材料。
[0012] 上述方案中,所述煅烧为空气气氛煅烧,煅烧温度为500〜800°C。
[0013] 上述方案中,热解所产生的可燃气体为CO、CO2, H2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, C3H8, C3H10中的一种或任意两种以上的混合。
[0014] 上述方案中,所述生物质原料为稻壳。
[0015] 本发明的有益效果:
[0016] I)本发明是一种利用过热水蒸气对生物质原料进行预处理后,加快生物质原料热解析出可燃气体量、并获得纳米级二氧化硅材料的综合利用技术,特征为通过余热产生的水蒸气将生物质原料快速加热干燥后,在600〜800°C区间内进行快速无氧热解,破坏生物质中的纤维素、半纤维素、木质素等大分子链,快速析出高热值热解气体燃烧后通入余热蒸汽发生器,产生的水蒸气得到循环利用;热解的剩余固体灰渣通过有氧煅烧,进一步去除残留含碳杂质,最后处理回收获得小于100纳米级的二氧化硅工业材料。
[0017] 2)水蒸气是由热解反应后的烟气余热加热产生的,既循环利用了烟气余热,也解决了由于常规生物质原料(主要为稻壳)含水量较高,消耗热解反应的热量、导致热解速度和效率降低的问题,同时减少了热解生物质原料(主要为稻壳)过程中焦油产生。
[0018] 3)由于使用120〜150°C过热水蒸气对生物质原料(主要为稻壳)进行加热和干燥,比同温度热空气烘干生物质原料的方法干燥速度高,从而使系统的热解气体析出速度比常规系统热解气体析出速度提高20%,且获得的热解气热值较常规热解方式的产气热值提尚10% ο
[0019] 4)过热水蒸汽干燥原料的手段虽然在化工、医药、食品及农副产品等加工行业得到广泛地应用,但是在本发明所述的生物质能源利用技术领域,尚无使用过热水蒸汽干燥生物质原料的案例;现有的过热水蒸汽干燥工艺在系统启动时,需要额外的燃气或其他能源对锅炉、等离子吹管等设备辅助整个系统稳定运行,而本发明利用的是采用系统内部的生物质热解气体燃烧废气的余热生产蒸汽,制造蒸汽的能量来源不同,系统能量利用的效率也得到提高,与传统余热循环系统利用技术的目的和用途也是不相同的。同时可以获得无定形二氧化娃材料产品。
附图说明
[0020]图1为本发明实施例提供的加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的装置的结构示意图。
[0021] 图2为图1中的蒸汽发生器的结构示意图。
[0022] 图3为本发明实施例1的SEM图。
[0023] 图4为本发明实施例1和实施例2以及生物质原料的XRD图。
[0024] 图中,1-螺旋给料装置,2-预处理搅拌器,3-热解装置,4-蒸汽发生器,5-煅烧装置,6-燃烧装置,7-蛇形盘管、8-饱和沸腾水箱,9-双路翅片过热盘管,10-腔体。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述,当然下述实施例不应理解为对本发明的限制。
[0026] 实施例1
[0027] 如图1和图2所示,其为本实施例提供的一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的装置,它包括螺旋给料装置1、预处理搅拌器2、热解装置3、燃烧装置6、蒸汽发生器4及煅烧装置5。生物质原料通过螺旋给料装置I送入预处理搅拌器2,搅拌后的生物质原料与所述蒸汽发生器4产生的过热水蒸汽混合后进入热解装置3,热解装置3析出的可燃气体进入燃烧装置6燃烧,燃烧装置6燃烧所产生的热烟气加热蒸汽发生器4产生过热水蒸气,热解装置3下部的灰渣口排出的灰渣进入所述煅烧装置5中煅烧。该蒸汽发生器4可以为电蒸汽发生器、燃油蒸汽发生器或燃气蒸汽发生器。在本实施例中,该蒸汽发生器4为燃油蒸汽发生器。该燃油蒸汽发生器包括腔体10以及设置在腔体10内的自下而上依次设置的蛇形盘管7、饱和沸腾水箱8及双路翅片过热盘管9。
[0028] 本实施例还提供一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的方法,其包括以下步骤:
[0029] I)将稻壳经简单筛选水洗,去除稻壳中的泥土等杂质,将稻壳通过螺旋给料装置I输送到预处理搅拌器2内,与来自后段工艺的水蒸气充分混合干燥加热。
[0030] 2)混合物料送入热解装置3中,于无氧环境的800°C区间内热解,迅速产生热解气送入燃烧装置6放热;
[0031] 3)余热烟气进入蒸汽发生器4产生120°C过热水蒸气,引回前端的预处理搅拌器2混合干燥生物质原料;
[0032] 产生过热水蒸气的具体步骤为:热解气体燃烧反应后的烟气通入蒸汽发生器4中,冷水自下而上经过蛇形盘管7、饱和沸腾水箱8、双路翅片过热盘管9三段加热至得到过热水蒸气;
[0033] 4)热解后的固体灰渣产物送入煅烧装置5,在800°C下在有氧气氛中进行煅烧,煅烧后的固体产物即稻壳灰,研磨即得小于10nm的纳米级二氧化硅材料。
[0034] 将上述热解步骤产生的热解气经煤气分析仪测试,而得:其组分有C0、C02、H2、CH4、C2H2, C2H4, C2H6, C3H8、或C3Hltl中的一种或者任意两种以上的混合。
[0035] 在热解装置3处采用热重分析仪在线检测干燥后生物质物料的失重曲线得到热解气析出速度,同时采用气体分析仪实时检测析出的热解气体热值。本实施例的热解气体析出速度比常规系统热解气体析出速度提高20%,且获得的热解气热值较常规热解方式的产气热值提高10%。
[0036] 将最终得到的无定形纳米二氧化硅进行扫描电镜和XRD测试,分别见图3和图4。可见:二氧化硅为圆球形颗粒,粒径均小于lOOnm,颗粒之间比较松散;通过XRD图谱可以看出,无明显特定结晶衍射峰,因而产物二氧化硅为无定形结构。
[0037] 实施例2
[0038] 本实施例提供一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的方法,其包括以下步骤:
[0039] I)将稻壳经简单筛选水洗,去除稻壳中的泥土等杂质,将稻壳通过螺旋给料装置I输送到预处理搅拌器2内,与来自后段工艺的水蒸气充分混合干燥加热;
[0040] 2)混合物料送入热解装置3中,于无氧环境的600°C区间内热解,迅速产生热解气送入燃烧装置6放热。
[0041] 3)余热烟气进入蒸汽发生器4产生150°C过热水蒸气,引回前端的预处理搅拌器2混合干燥生物质原料。
[0042] 4)热解后的固体灰渣产物送入煅烧装置5,在500°C下在有氧气氛中进行煅烧,煅烧后的固体产物即稻壳灰,研磨即得小于10nm的纳米级二氧化硅材料。
[0043] 将上述热解步骤产生的热解气经煤气分析仪测试,而得:其组分有C0、C02、H2、CH4、C2H2, C2H4, C2H6, C3H8、或C3Hltl中的一种或者任意两种以上的混合。
[0044] 将最终得到的无定形纳米二氧化硅进行扫描电镜和XRD测试(见图4),二氧化硅为圆球形颗粒,粒径均小于lOOnm,颗粒之间比较松散;通过XRD图谱可以看出,无明显特定结晶衍射峰,因而产物二氧化硅为无定形结构。
[0045] 需要说明的是,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的装置,其特征在于,它包括螺旋给料装置、预处理搅拌器、热解装置、燃烧装置、蒸汽发生器及煅烧装置;生物质原料通过所述螺旋给料装置送入预处理搅拌器,搅拌后的生物质原料与所述蒸汽发生器产生的过热水蒸汽混合后进入所述热解装置,所述热解装置析出的可燃气体进入燃烧装置燃烧,所述燃烧装置燃烧所产生的热烟气加热蒸汽发生器产生过热水蒸气,所述热解装置下部的灰渣口排出的灰渣进入所述煅烧装置中煅烧,所述蒸汽发生器为电蒸汽发生器、燃油蒸汽发生器或燃气蒸汽发生器。
2.如权利要求1所述的加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的装置,其特征在于,所述蒸汽发生器为燃油蒸汽发生器。
3.如权利要求2所述的加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的装置,其特征在于,所述燃油蒸汽发生器包括腔体以及设置在腔体内的自下而上依次设置的蛇形盘管、饱和沸腾水箱及双路翅片过热盘管。
4.一种加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的方法,其特征在于,该方法是先将生物质原料通过螺旋给料装置送入预处理搅拌器内搅拌均匀,然后采用蒸汽发生器产生的过热水蒸气混合加热干燥,过热水蒸气的温度为120~150°C,均匀混合干燥后的生物质物料于无氧条件下经过热解装置热解,热解温度为600~800°C,将热解装置析出的可燃气体通入燃烧装置燃烧,将燃烧装置所产生的热烟气加热蒸汽发生器产生过热水蒸气,将热解装置下部的灰渣口排出的灰渣在有氧条件下在煅烧装置中进行煅烧得到无定形的纳米级二氧化硅材料,所述煅烧温度为500~800°C。
5.如权利要求4所述的加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的方法,其特征在于,所述煅烧为空气气氛煅烧。
6.如权利要求4所述的加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的方法,其特征在于,热解所产生的可燃气体为CO、H2, CH4, C2H2、C2H4、C2H6、C3H8、C3Hltl中的一种或任意两种以上的混合。
7.如权利要求4所述的加快生物质热解产气速度并获得纳米级二氧化硅材料的方法,其特征在于,所述生物质原料为稻壳。
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