CN116022797A - 利用稻壳制备白炭黑的方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用稻壳制备白炭黑的方法及其系统。所述方法包括，在热载体的加热下，使稻壳在热解反应器内发生热解反应生成稻壳热解炭；稻壳热解炭在低温燃烧反应器中进行低温燃烧，获得稻壳白炭黑。所述系统包括气流输送管、旋风分离器、稻壳原料仓、热解反应器、低温燃烧反应器、载体分离器、高温鼓风机、油气冷凝单元、燃气引风机、循环泵、第一换热器、冷却塔和第二换热器。本发明将热解和燃烧分开进行，由此保持稻壳灰中的无定型二氧化硅形态，对燃烧温度进行精准控制，确保稻壳灰中的白炭黑品质。通过在低温燃烧反应器中进行燃烧，使稻壳热解炭进行稀相燃烧，避免了稻壳热解炭堆积厚度产生的高温燃烧，实现了工业化连续式生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用稻壳制备白炭黑的方法及其系统，属于白炭黑的生产领域。
背景技术
白炭黑是微细粉末状或超细粒子状无水及含水二氧化硅或硅酸盐类的统称，是一种白色、无毒、无定形微细粉状或粒状物，其SiO2含量较大(大于90重量％)，原始粒径一般为5～40nm，因表面含有较多羟基，易吸水而成为聚集的细粒。白炭黑熔点为1750℃，不溶于水和酸，溶于强碱和氢氟酸，具有多孔性、内表面积大、高分散性、质轻、化学稳定性好、耐高温、不燃烧、无毒无味以及电绝缘性好等优异特性，在橡胶、轮胎、制鞋、饲料、塑料、造纸、涂料、化妆品、牙膏以及油墨等方面具有广泛的应用。
自然界中天然的SiO2(主要为石英砂)，几乎都是结晶的形态，经加工粒径一般在1～10mm，只能做一般的填充剂使用。要得到超微细无定形的SiO2粒子，必须把结晶的SiO2转化为氯化物或可溶性硅酸盐，再通过气相或液相法制取，工艺复杂。同时，石英砂为不可再生的矿藏硅资源，随着工业的发展、硅资源的过度消耗造成了极大的资源短缺。稻壳中硅含量较高，可占其灰分的90％以上，且稻壳中所含的SiO2几乎全部以无定形性水合SiO2的形式存在，是十分优质的白炭黑制备原料。
现阶段，稻壳制备白炭黑主要以生物质电厂产生的稻壳灰为原料，一方面，生物质电厂温度一般高于700℃，最高甚至达到1000℃，导致稻壳中的无定形SiO2转化为晶态SiO2，严重影响白炭黑的品质；另一方面，生物质电厂产生的稻壳灰存在杂质含量较高(如稻壳原料中混入的泥土等)、燃烧不充分(含有少量残炭)，进一步影响白炭黑的品质。
如果直接将稻壳为原料制备白炭黑，将稻壳直接燃烧，在燃烧过程中会产生大量的挥发分，由于挥发分在直接燃烧过程中会析出并继续燃烧产生燃烧火焰,所以，稻壳在直接燃烧时，全程燃烧温度是难以精准控制的，但是燃烧温度的精准控制对稻壳灰中的白炭黑品质是十分重要：如果燃烧温度过高，会导致稻壳白炭黑中无定型二氧化硅的形态发生变化；如果燃烧温度过低，由于稻壳热解炭燃点高，则会导致稻壳热解炭燃烧不充分，最终致使稻壳白炭黑产品中的残炭含量过高。此外，热解反应产生的稻壳热解炭由于本身具有孔隙，因此具有隔热作用，如果稻壳热解炭堆积厚度过大，稻壳热解炭在燃烧时产生的热量则无法迅速散出，进而导致燃烧温度过高，造成稻壳白炭黑中的无定型二氧化硅形态被破坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用稻壳制备白炭黑的方法及其系统以解决现有技术存在的上述问题，利用本发明的方法和系统不仅能够制得优质的白炭黑，还能副产燃气及燃料油。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案包括：
本发明的一方面提供了一种利用稻壳制备白炭黑的方法，包括以下步骤：
在热载体的加热下，使稻壳在热解反应器内发生热解反应，生成稻壳热解炭，其中，所述热解反应的温度在450℃-550℃范围内；随后，稻壳热解炭在低温燃烧反应器中进行低温燃烧，获得稻壳白炭黑，其中，低温燃烧的温度在500℃-600℃范围内。
作为本发明的一种优选的具体实施方案，所述热解反应的温度在500℃-550℃范围内，优选的，所述热解反应的温度在530℃-550℃范围内；所述低温燃烧的温度在550℃-600℃范围内。
作为本发明的一种优选的具体实施方案，稻壳与热载体的重量比为1:(10-15)。
作为本发明的一种优选的具体实施方案，热载体的抗压强度大于230N。
本发明的另一方面是提供了一种用于本发明方法的系统，包括气流输送管、旋风分离器、稻壳原料仓、热解反应器、低温燃烧反应器和载体分离器；
其中，气流输送管的出口与旋风分离器的入口连接，稻壳原料仓的出口5和旋风分离器的固体出口与热解反应器的原料入口连接，热解反应器的固体
出口与低温燃烧反应器的进料口连接，低温燃烧反应器的出料口与载体分离器的入口连接。
在一个实施方案中，所述系统包括气流输送管、旋风分离器、稻壳原料
仓、热解反应器、低温燃烧反应器、载体分离器、高温鼓风机、油气冷凝单0元、燃气引风机、循环泵、第一换热器、冷却塔和第二换热器；其中，稻壳
原料仓的出口和旋风分离器的固体出口与热解反应器的原料入口连接，热解反应器的固体出口与低温燃烧反应器的进料口连接，低温燃烧反应器的出料口与载体分离器的入口连接，载体分离器设有载体出口和白炭黑出口，该载
体出口与气流输送管的载体入口连接，气流输送管的出口与旋风分离器的入5口连接，旋风分离器的气体出口经过第二换热器的A介质通道后与低温燃烧
反应器的烟气进口连接；热解反应器的油气出口与油气冷凝单元的入口连接，油气冷凝单元的气体出口经燃气引风机引出到生物质燃气产品出口；油气冷凝单元的液体出口经串联的循环泵和第一换热器的A介质通道连接到油气冷
凝单元的循环入口，在该循环泵的出口还设有生物油产品出口；第一换热器0的B介质通道通过冷却塔与第二换热器的B介质通道连接；低温燃烧反应器的烟气出口经过高温鼓风机与气流输送管的气体入口连接；在该低温燃烧反应器设有空气输入接口。
作为本发明的一种优选的具体实施方案，在所述的热解反应器的固体出口与低温燃烧反应器的进料口之间设有固体缓冲罐。
5在本发明的一个优选的具体实施方案中，所述的低温燃烧反应器包括外
壳、分布器、螺旋烟气管、陶瓷气管和空气输入接口，在外壳的顶端和底端分别设有多个相互对应的进料口和出料口，在每一相对应的进料口与出料口之间各设有一根陶瓷气管，各个陶瓷气管的底端与空气输入接口连接并引出外壳；在每一陶瓷气管的顶部均设有分布器；在每一陶瓷气管的外围设有螺旋烟气管，该螺旋烟气管的顶端和底端分别并联引出外壳作为所述的烟气出口和烟气进口；在外壳的侧面设有烟气出口。烟气从螺旋烟气管的烟气进口进入，从烟气出口排出，从而将燃烧产生的热量带走，实现换热作用。
作为本发明的一种优选的具体实施方案，在所述的烟气出口装有过滤器。
作为本发明的一种优选的具体实施方案，在所述的外壳的外侧设有保温层。
作为本发明的一种优选的具体实施方案，在所述的外壳设有温度测点，根据温度测点得到的温度，控制空气进入量。
本发明的主要优点包括：
采用本发明的方法和系统，通过气固双循环热解和热解炭低温燃烧的方式能够制备纳米白炭黑，得到的纳米白炭黑满足气相法白炭黑的关键指标(比表面积：180-230m2/g；灼烧减度低于5％；45减度筛余物低于0.5％.)。
本发明的整体系统设备简单，易于操作，热效率高，利用稻壳实现白炭黑、燃油、燃气联产。
本发明的低温燃烧反应器设置多个进料口，进料口下端设置有分布器，其作用在于将进入反应的固体物料进行分散，在重力作用下热载体与稻壳炭自有下落。
空气通过陶瓷气管均匀分布在低温燃烧反应器内，稻壳炭在下落过程中进行稀相燃烧，不聚热。燃烧产生的热量充分与热载体和螺旋烟气管进行换热，最终达到低温燃烧的效果。
本发明人发现，将稻壳直接燃烧，在燃烧过程中会产生大量的挥发分。由于挥发分在直接燃烧过程中会析出并继续燃烧，产生燃烧火焰。所以，稻壳在直接燃烧时，全程燃烧温度是难以控制的。在本发明中，将热解和燃烧分开进行，首先是为了热解得到油气资源，更重要的是，热解产生的稻壳热解炭在燃烧时，由于其挥发分含量低，更易于在燃烧阶段实现控温燃烧，由此保持稻壳灰中的无定型二氧化硅形态。燃烧温度的精准控制对稻壳灰中的白炭黑品质是十分重要的。如果燃烧温度过高，会导致稻壳白炭黑中无定型二氧化硅的形态发生变化。例如，在过高的温度下燃烧，使稻壳白炭黑烧结，可能导致无定形二氧化硅的孔隙崩塌，从而影响白炭黑的品质。如果燃烧温度过低，由于稻壳热解炭燃点高，则会导致稻壳热解炭燃烧不充分，最终致使稻壳白炭黑产品中的残炭含量过高。
此外，热解反应产生的稻壳热解炭由于本身具有孔隙因此具有隔热作用，如果稻壳热解炭堆积厚度过大，稻壳热解炭在燃烧时产生的热量则无法迅速散出，进而导致燃烧温度过高，造成稻壳白炭黑中的无定型二氧化硅形态被破坏。本申请通过在具有特定结构设计的低温燃烧反应器中进行燃烧，使稻壳热解炭进行稀相燃烧，避免了稻壳热解炭堆积厚度产生的高温燃烧。
另外，本申请通过将热解反应器与低温燃烧反应器进行联合，同时结合进料装置和出料装置，并设计特定的烟气循环结构，实现了工业化连续式生产。
附图说明
图1是本发明系统的整体构成示意图；
图2是本发明低温燃烧反应器的结构示意图。
图3为实施例所制备的稻壳白炭黑的XRD谱图。
图4为实施例所制备的稻壳白炭黑的SEM图。
附图标记说明：1、气流输送管；2、旋风分离器；3、稻壳原料仓；4、热解反应器；5、固体缓冲罐；6、低温燃烧反应器；7、载体分离器；8、高温鼓风机；9、油气冷凝单元；10、燃气引风机；11、循环泵；12、第一换热器；13、冷却塔；14、第二换热器；101、空气输入接口；102、烟气排放口；103、生物质燃气产品出口；104、生物油产品出口；105、白炭黑出口；61、进料口；62、分布器；63、烟气出口；64、烟气进口；65、外壳；66、螺旋烟气管；67、陶瓷气管；68、出料口；69、过滤器。
具体实施方式
本发明利用稻壳制备白炭黑的系统如图1所示，所述系统能够气固双循环热解稻壳制白炭黑，并且副产燃气及燃料油，其中，所述系统包括气流输送管1、旋风分离器2、稻壳原料仓3、热解反应器4、低温燃烧反应器6、载体分离器7、高温鼓风机8、油气冷凝单元9、燃气引风机10、循环泵11、第一换热器12、冷却塔13和第二换热器14，稻壳原料仓3的出口和旋风分离器2的固体出口与热解反应器4的原料入口连接，热解反应器4的固体出口与低温燃烧反应器6的进料口61连接，低温燃烧反应器6的出料口68与载体分离器7的入口连接，载体分离器7设有载体出口和白炭黑出口105，该载体出口与气流输送管1的载体入口连接，气流输送管1的出口与旋风分离器2的入口连接，旋风分离器2的气体出口经过第二换热器14的A介质通道后与低温燃烧反应器6的烟气进口64连接；热解反应器4的油气出口与油气冷凝单元9的入口连接，油气冷凝单元9的气体出口经燃气引风机10引出到生物质燃气产品出口103；油气冷凝单元9的液体出口经串联的循环泵11和第一换热器12的A介质通道连接到油气冷凝单元9的循环入口，在该循环泵11的出口还设有生物油产品出口104；第一换热器12的B介质通道通过冷却塔13与第二换热器14的B介质通道连接；
低温燃烧反应器6的烟气出口63经过高温鼓风机8与气流输送管1的气体入口连接；在该低温燃烧反应器6设有空气输入接口101。
还可在所述的热解反应器4的固体出口与低温燃烧反应器6的进料口61之间设有固体缓冲罐5。
本发明利用稻壳制备白炭黑的方法主要包括两个阶段：热解反应和低温燃烧。
热解反应
在热载体的加热下，使稻壳在热解反应器内发生热解反应，生成稻壳热解炭，其中，所述热解反应的温度在450℃～550℃范围内，优选为500-550℃，更优选为530-550℃；
本申请的发明人发现，如果热解反应的温度高于550℃，则需要使用温度更高的热载体，例如600℃以上；温度在600℃以上的热载体随稻壳热解炭同时进入低温燃烧工序时是非常不利的，因为温度过高的热载体会致使低温燃烧工序的燃烧温度过高，从而影响稻壳白炭黑的品质。
在一些实施方案中，热载体可以是球径在1.4-1.7mm范围内的陶瓷颗粒，真密度高于2.75g/cm3，抗压强度大于230N。按照磨耗测试条件：砂磨机1200g球*400g水*900转/分*2h，磨损量低于0.9g。热载体的破损率小于0.1重量％。热载体的示例可以是型号为K-280的陶瓷颗粒(购自江苏金石研磨有限公司)。
在热解阶段，稻壳与热载体的重量比可以为1:(10-15)。本发明的发明人发现，欲使稻壳热解反应的温度控制在450℃-550℃范围内，则需要将稻壳与热载体的重量比控制在1:(10-15)。这是因为，稻壳的热解能耗在1.3～1.6GJ/吨范围内，热载体的比热容在1100kJ/(kg·K)-1200kJ/(kg·K)范围内，在高温热载体与稻壳接触过程中，热载体产生的降温在80～100℃范围内，由此可满足稻壳热解能量的需求。
稻壳在热解反应器中的停留时间在2-10min范围以内。
低温燃烧
稻壳热解炭在低温燃烧反应器中进行燃烧，获得稻壳白炭黑。其中，低温燃烧的温度在500℃-600℃范围内，优选550-600℃。
在低温燃烧阶段中，控制空燃比在13-17范围内，例如空燃比为14、15、16；此处，空燃比是指空气与稻壳热解炭的重量比。其中，空气重量的计算为：标准状态空气体积×空气密度(1.293kg/Nm3)。在一些实施方案中，热载体随同稻壳热解炭一同进入低温燃烧反应器，以使热载体被加热，以便热载体在后续工序中提供热源。
在低温燃烧阶段中，可以通过空燃比来控制低温燃烧的温度。低温燃烧的温度过高，会导致稻壳白炭黑中的二氧化硅孔隙易于崩塌，从而影响白炭黑品质；低温燃烧的温度过低，则导致稻壳白炭黑中的二氧化硅的比表面积不足。
通过将空燃比控制在13-17范围内，能够将燃烧温度控制在低温，例如500℃-600℃。发明人发现，空燃比过高，燃烧速度会变慢，导致燃烧不稳定，使得燃烧温度难以控制在低温。空燃比过低，则稻壳热解炭不能被完全燃烧，导致稻壳白炭黑中掺有过多的炭，使得稻壳白炭黑难以作为合格产品出厂。
稻壳热解炭在低温燃烧反应器中的停留时间在2-10min范围内。
在一个实施方案中，本发明利用稻壳制备白炭黑的方法具体包括如下步骤：
(1)将稻壳送至稻壳原料仓3，通过螺旋送至热解反应器4，与同时送入热解反应器4内的高温热载体充分混合，稻壳经热载体加热发生热解反应，热解反应的温度在450℃～550℃产生稻壳热解炭和高温油气。
(2)热解反应器4排出的高温油气送至油气冷凝单元9进行冷却，冷却温度50℃～70℃，得到生物油和生物质燃气产品从生物油产品出口104输出。
(3)热解反应器4排出的热载体和稻壳热解炭，经过固体缓冲罐5送至低温燃烧反应器6内进行低温燃烧，燃烧温度控制在500℃～600℃范围内。
(4)低温燃烧产生的稻壳白炭黑产品从白炭黑出口105输出。
在一些实施方案中，低温燃烧反应器器6产生的烟气经高温风机8送至气流输送管1，高温烟气流经旋风分离器2之后，与第二换热器14、冷却塔13和第一换热器12进行换热，以降温至200～400℃，形成低温烟气；换热后低温烟气进入低温燃烧反应器6的烟气进口64。
本发明的低温燃烧反应器参见图2，其中，所述低温燃烧反应器6包括外壳65、分布器62、螺旋烟气管66和陶瓷气管67，在外壳65的顶端和底端分别设有多个相互对应的进料口61和出料口68，在每一相对应的进料口61与出料口68之间各设有一根陶瓷气管67，各个陶瓷气管67的底端与空气输入接口101连接并引出外壳65；在每一陶瓷气管67的顶部均设有分布器62；在每一陶瓷气管67的外围设有螺旋烟气管66，该螺旋烟气管66的顶端和底端分别连引出外壳65作为所述的烟气出口63和烟气进口64；在外壳65的侧面设有烟气排放口102。在所述的外壳65的外侧设有保温层。
还可在所述的烟气排放口102装有过滤器69。
在工作时，稻壳热解炭和热载体由多个进料口61进入外壳65内，进料口61下面的分布器62的作用在于将进入燃烧反应器的固体物料进行分散，在重力作用下，稻壳热解炭和热载体自然下落。空气通过陶瓷气管67均匀分布在外壳65内，稻壳热解炭在下落过程中进行稀相燃烧，不聚热。此处，稀相燃烧是指单位体积内固体燃料的空隙率，一般总是超过90％；如果固体燃料的空隙率过高，则在固体燃料和固体燃料之间易于形成隔热层，由此易于聚热，这会使白炭黑的生产过程在过高的温度下进行，导致白炭黑品质下降。在本发明中，固体燃料即为稻壳热解炭。
在热载体随同稻壳热解炭一同进入低温燃烧反应器时，稻壳热解炭燃烧所产生的热量与热载体和螺旋烟气管66进行充分换热。
随后，低温燃烧产生的热载体与稻壳白炭黑进入载体分离器7(筛分装置，例如，振动筛网，筛网直径>1mm)，将热载体与稻壳白炭黑分离，得到稻壳白炭黑产品从白炭黑出口105输出。
接着，分离得到的热载体送至气流输送管1，低温燃烧反应器器6产生的烟气经高温风机8送至气流输送管1，高温烟气将热载体进行气流输送，输送至旋风分离器2，分离得到的热载体送入热解反应器4内。
然后，从旋风分离器2分离出的烟气则经过第二换热器14、冷却塔13和第一换热器12进行换热，以降温至200～400℃形成低温烟气。换热后低温烟气进入低温燃烧反应器6的烟气进口64。
低于600℃的缓慢燃烧，最终达到低温燃烧的效果，能够不破坏稻壳本身无定形SiO2形态，保持稻壳白炭黑的原始形态，达到生产稻壳白炭黑的目的。低温燃烧反应器6设置有温度测点，根据温度测点得到的温度，控制空气进入量，从而控制低温燃烧的温度，以达到低温燃烧的目的。
以下实施例和对比例是采用本发明的系统利用稻壳制备稻壳白炭黑的示例。检测了所得稻壳白炭黑的比表面积、灼烧减量，检测方法采用GBT20020-2013气相二氧化硅中相关检测方法。
以下实施例和对比例中所用的热载体为K-280陶瓷颗粒，球径在1.4-1.7mm范围内，购自江苏金石研磨有限公司。
将20吨稻壳(购自黑龙江省五常市)用水枪进行分批淋洗，各批次淋洗30分钟，洗去灰尘等杂物，沥水2小时后进行脱水烘干；经检测，烘干后的稻壳各项指标如下表1所示。根据检测结果，可以推算出，固定碳含量为18.2重量％。
表1稻壳的物理化学性质(含量以重量％计)
| 项目 | 含量(重量％) | 检测方法 |
| 水 | 3.0 | |
| 灰份 | 21.5 | |
| 挥发分 | 57.3 | GB/T 212-2008 |
| 二氧化硅 | 20 |
热解反应器的规格为DN600双螺旋热解反应器，购自溧阳市诚惠机械设备有限公司；
低温燃烧反应器的规格：长×宽×高＝6米×3米×20米，设置4个进料口和4个分布器；布料器规格的边宽为100mm，截面形状为锥形，锥形角度60°；布料器彼此之间的间距为1米；
陶瓷气管购自淄博东强膜科技有限公司，直径为500mm。
气流输送管直径800mm，材质为0Cr25Ni20，购自涿州市北方机械厂；
旋风分离器为直径1m，SUS304材质，购自泊头市正康环保设备有限公司；
稻壳原料仓直径2m，高2m，材质Q235，购自涿州市北方机械厂；
固体缓冲罐直径1m，高0.8m，材质SUS304，购自涿州市北方机械厂；
载体分离器购自涿州市北方机械厂；
高温鼓风机是气化炉风气，型号GF1A1-6A，电机18.5kw，购自佛山市粤嘉鼓风机有限公司；
油气冷凝单元购自商丘瑞隆环保科技有限公司；
燃气引风机ZHSR-125购自章丘市奥鼓机械有限公司；
循环泵ISW80-160购自泊头市海鸿泵阀有限公司；
第一换热器、第二换热器购自大连亿达换热器有限公司；
冷却塔购自山东旭能环保科技有限公司；
螺旋烟气管购自涿州市北方机械厂；
过滤器购自泊头市正康环保设备有限公司；
本系统的稻壳炭处理量为2.1吨/小时，单个进料口的进料量为525kg，实现连续进料和连续出料。
稻壳白炭黑的制备
取晾干后的稻壳1000kg与陶瓷颗粒15000kg同时送至稻壳原料仓，通过螺旋送至热解反应器，控制热解反应器的反应温度，控制低温燃烧反应器的空燃比和燃烧温度，得到稻壳白炭黑。稻壳与陶瓷颗粒的用量比为1:15，其它的具体制备参数见表2。
实施例和对比例的工艺参数如以下表2所示。(灰份中二氧化硅理论含量：20(二氧化硅)/21.5(灰份)＝93％)
通过X射线荧光光谱分析(XRF，ARL9800，ARL)测定二氧化硅含量，测试前将稻壳白炭黑在600℃下灼烧1h。
表2实施例和对比例的有关参数对比
稻壳白炭黑的品质
二氧化硅含量(干品)按照HG/T 3062方法测定、比表面积才有BET国标比表面测试方法测定、pH按照HG/T3067方法测定、灼烧减量按照HG/T3066测定。
实施例和对比例所得稻壳白炭黑的品质如表3所示
表3实施例和对比例所得稻壳白炭黑的品质
结合表2和表3，对比例1中由于燃烧温度过高，稻壳炭未能全部燃烧，导致白炭黑中残炭含量过高，二氧化硅含量不理想，同时由于燃烧温度过高，白炭黑的部分孔结构被破坏或坍塌，导致白炭黑的比表面积也不理想。
对比例2中由于空燃比过高，导致燃烧温度在700-750之间波动，难以将燃烧温度精确控制在低温，少量白炭黑的孔结构被破坏，导致其比表面积也不理想。
对比例3-4中热解温度过高，挥发分在热解阶段几乎全部被热解为油气，而热解炭中含有过低量的挥发分，那么，热解炭在燃烧阶段，由于含有过低量的挥发分，不易被燃烧，最终致使白炭黑中残炭过多，二氧化硅含量偏低；此外，对比例3-4中过高的热解温度导致白炭黑的孔结构在热解阶段即被破坏，致使白炭黑的孔结构并不理想，严重时比表面积已经不能满足要求。
实施例1-2和实施例3-4通过控制热解反应温度和燃烧温度，所得稻壳白炭黑不仅具有较优的孔结构，同时二氧化硅含量也较为乐观，符合产品要求。
实施例2所得稻壳白炭黑的XRD如图3所示(Bruker D2 Phaser diffractomer X射线衍射仪，测试过程采用Cuka射线，管电压40kV，补偿0.02°)，稻壳白炭黑XRD谱图呈漫射的衍射花纹，没有尖锐的晶体衍射峰，在22°左右有一个宽的衍射峰，表明稻壳白炭黑主要为非晶结构，所得白炭黑是无定型结构。
实施例2所得稻壳白炭黑的SEM如图4所示(LEO 1530VP扫描电镜，扫描电压为15kW)。如图4所示，所得稻壳白炭黑呈现规则的形状。
Claims (10)
1.一种利用稻壳制备白炭黑的方法，其特征在于，包括：
在热载体的加热下，使稻壳在热解反应器内发生热解反应，生成稻壳热解炭，其中，所述热解反应的温度在450℃-550℃范围内；随后，稻壳热解炭在低温燃烧反应器中进行低温燃烧，获得稻壳白炭黑，其中，低温燃烧的温度在500℃-600℃范围内。
2.根据权利要求1所述的利用稻壳制备白炭黑的方法，其特征在于，所述热解反应的温度在500℃-550℃范围内，优选的，所述热解反应的温度在530℃-550℃范围内；所述低温燃烧的温度在550℃-600℃范围内。
3.根据权利要求1所述的利用稻壳制备白炭黑的方法，其特征在于，稻壳与热载体的重量比为1:(10-15)；所述热载体的抗压强度大于230N。
4.根据权利要求1所述的利用稻壳制备白炭黑的方法，其特征在于，低温燃烧反应器中空气与稻壳热解炭的质量比控制在13-17范围内。
5.一种用于实施权利要求1-4中任一项所述的利用稻壳制备白炭黑的方法的系统，其特征在于，包括：气流输送管(1)、旋风分离器(2)、稻壳原料仓(3)、热解反应器(4)、低温燃烧反应器(6)和载体分离器(7)；
其中，气流输送管(1)的出口与旋风分离器(2)的入口连接，稻壳原料仓(3)的出口和旋风分离器(2)的固体出口与热解反应器(4)的原料入口连接，热解反应器(4)的固体出口与低温燃烧反应器(6)的进料口(61)连接，低温燃烧反应器(6)的出料口(68)与载体分离器(7)的入口连接。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述的热解反应器(4)的固体出口与低温燃烧反应器(6)的进料口(61)之间设有固体缓冲罐(5)。
7.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述的低温燃烧反应器(6)包括外壳(65)、分布器(62)、螺旋烟气管(66)、陶瓷气管(67)和空气输入接口(101)；其中，在外壳(65)的顶端和底端分别设有多个相互对应的进料口(61)和出料口(68)，在每一相对应的进料口(61)与出料口(68)之间各设有一根陶瓷气管(67)，各个陶瓷气管(67)的底端与空气输入接口(101)连接并引出外壳(65)；在每一陶瓷气管(67)的顶部均设有分布器(62)；在每一陶瓷气管(67)的外围设有螺旋烟气管(66)，该螺旋烟气管(66)的顶端和底端分别并联引出外壳(65)作为烟气出口(63)和烟气进口(64)；在外壳(65)的侧面设有烟气排放口(102)。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在所述的烟气排放口(102)装有过滤器(69)。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在所述的外壳(65)的外侧设有保温层。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在所述的外壳(65)设有温度测点，根据温度测点得到的温度控制空气进入量。
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|---|---|
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001038784A1 (en) * | 1999-11-24 | 2001-05-31 | Agrilectric Power, Inc. | Combustion system and process for rice hulls and other combustible material |
| CN1803599A (zh) * | 2005-05-31 | 2006-07-19 | 株洲工学院科技开发部 | 一种利用稻壳制取高纯二氧化硅工艺方法及装置 |
| CN101028926A (zh) * | 2006-03-03 | 2007-09-05 | 郭梦雄 | 以稻壳及其燃烧热生产超细高纯白炭黑的工艺 |
| CN101709890A (zh) * | 2009-12-23 | 2010-05-19 | 宋焕臣 | 负压立式红外冷凝燃气炉 |
| CN202595039U (zh) * | 2012-04-17 | 2012-12-12 | 北京德天御投资管理有限责任公司 | 一种气体热载体低温热解炉 |
| WO2013032365A1 (ru) * | 2011-09-01 | 2013-03-07 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Рисилика" | Способ получения аморфного диоксида кремния из рисовой шелухи |
| CN103146432A (zh) * | 2013-03-18 | 2013-06-12 | 华北电力大学 | 一种生物质热解气化与焦油催化裂解的装置与方法 |
| CN104861997A (zh) * | 2015-05-29 | 2015-08-26 | 陈水渺 | 生物质热解反应系统及热解方法 |
| CN105238432A (zh) * | 2015-10-20 | 2016-01-13 | 江西金糠新材料科技有限公司 | 自热式酸洗-热解-燃烧一体化制备高品质生物油和白炭黑的方法及装置 |
-
2022
- 2022-12-05 CN CN202211551057.1A patent/CN116022797A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001038784A1 (en) * | 1999-11-24 | 2001-05-31 | Agrilectric Power, Inc. | Combustion system and process for rice hulls and other combustible material |
| CN1803599A (zh) * | 2005-05-31 | 2006-07-19 | 株洲工学院科技开发部 | 一种利用稻壳制取高纯二氧化硅工艺方法及装置 |
| CN101028926A (zh) * | 2006-03-03 | 2007-09-05 | 郭梦雄 | 以稻壳及其燃烧热生产超细高纯白炭黑的工艺 |
| CN101709890A (zh) * | 2009-12-23 | 2010-05-19 | 宋焕臣 | 负压立式红外冷凝燃气炉 |
| WO2013032365A1 (ru) * | 2011-09-01 | 2013-03-07 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Рисилика" | Способ получения аморфного диоксида кремния из рисовой шелухи |
| CN202595039U (zh) * | 2012-04-17 | 2012-12-12 | 北京德天御投资管理有限责任公司 | 一种气体热载体低温热解炉 |
| CN103146432A (zh) * | 2013-03-18 | 2013-06-12 | 华北电力大学 | 一种生物质热解气化与焦油催化裂解的装置与方法 |
| CN104861997A (zh) * | 2015-05-29 | 2015-08-26 | 陈水渺 | 生物质热解反应系统及热解方法 |
| CN105238432A (zh) * | 2015-10-20 | 2016-01-13 | 江西金糠新材料科技有限公司 | 自热式酸洗-热解-燃烧一体化制备高品质生物油和白炭黑的方法及装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 孙庆文;许珂敬;郭彦青: "高活性稻壳灰的制备、提纯及应用的研究进展", 中国陶瓷, vol. 48, no. 07, 5 July 2012 (2012-07-05), pages 1 - 6 * |
| 顾珊;周劲松;骆仲泱: "N_2/O_2分步热处理法制备高比表面积稻壳基白炭黑的研究", 化工新型材料, vol. 44, no. 07, 15 July 2016 (2016-07-15), pages 266 - 268 * |
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