CN204281337U - 一种稻壳控温氧化生产纳米二氧化硅的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种稻壳控温氧化生产纳米二氧化硅的装置，装置包括有一个可以旋转的氧化筒、一组高温空气分布管、一组物料输送器、一套倾角可调的固定外壳保温支撑以及一个固气分离收集装置，旋转的氧化筒是用不锈钢冲孔板卷制而成，筒体内衬600目不锈钢丝网，不锈钢抄板均匀分布于内，氧化筒一端外设耐高温密封轴承，通过变频调速电机和减速机调节旋转速度，氧化筒筒体与外部固定支撑通过滚圈和托轮固定。其目的是提供一种可以实时控制含碳二氧化硅的氧化进度、氧化深度以及氧化的温度，能够充分利用氧化过程中产生的热能，并实现大规模、连续生产完全纳米结构的纳米二氧化硅的装置。

Description

一种稻壳控温氧化生产纳米二氧化硅的装置

技术领域

本实用新型涉及一种控温氧化装置，尤其是指一种含碳二氧化硅的控温氧化装置，主要适用于利用稻壳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。

遗憾的是目前稻壳的利用仅限于作为锅炉燃料热源，在燃烧过程中通入大量的空气，尽可能地提高燃烧效率和温度。由于燃烧时内部温度过高，绝大部分时间超出700℃，甚至超出1000℃，其中二氧化硅已经发生相变，由无定形态转变为晶体结构，已基本无利用价值。

显然稻壳能否充分被利用并体现其真正的价值，取决于热解和氧化过程中能否保存其二氧化硅天然、原始的纳米状态，取决于在热解氧化过程中能否实现尽可能高温氧化彻底，能否实现温度严格控制且保证受热均匀，避免局部放热，局部纳米结构被破坏。因此控温氧化装置非常关键。

1993年日本人杉田修一在中国的专利申请CN93116790.6涉及一种生产活性稻壳灰的装置，是一种间歇式焚烧装置，简单易行，不需要电、燃气或其它燃烧热源，是一种可实现较大规模工业化生产稻壳灰的方法。但这一技术方案存在多方缺陷：一是稻壳堆积炭化和灰化时，其中的热量没有及时有效地导出，在内部积聚造成焚化温度依然过高，达700～750℃，研究表明稻壳焚烧温度超过600℃时，其中二氧化硅的纳米微粒已经开始团聚，纳米结构被破坏；超过1000℃二氧化硅的无定形状态就转变为晶体结构。二是该装置稻壳堆积的锥形体积不能过大，生产规模受到限制，同时稻壳燃烧的热能没有得到有效利用，造成能源浪费。三是杂质碳不能彻底氧化去除。

中国欧阳东的专利申请CN200410026459.5涉及一种稻壳焚烧装置及其生产的纳米结构二氧化硅稻壳灰，没有解决稻壳燃烧的连续性问题，故产量低、能量损耗大，已完成烧制的稻壳灰没能及时离开高温环境，未能实现快速冷却，二氧化硅宝贵的无定形态仍可能被破坏。再者明火燃烧，温度控制反应时间长， 同样容易破坏二氧化硅的无定形态。此外，该装置的容器底板密集分布小孔径的小孔，稻壳化为灰烬时，仍不能避免稻壳灰的流失，同时杂质碳不能彻底氧化去除。

中国胡大为、胡小芳的专利200520062927.4涉及一种用稻壳烧制纳米二氧化硅的装置，燃烧室折回平行、四级串联，内部物料定向螺旋推进通过控制热交换套管冷却水流量和空心轴的空气供给速度来控制稻壳的焚烧温度在600℃左右，能连续大规模生产，产品能迅速脱离高温环境保证二氧化硅的纳米结构且能量回收利用。但这一技术方案仍然存在多方缺陷：首先，明火燃烧，温度控制反应时间长，同样容易破坏二氧化硅的无定形态。其次，燃烧产生大量烟尘，污染环境同时物料被夹带，损失严重。再者，该装置的本身设计决定了稻壳不能实现彻底燃烧，最终产品含碳量会非常高，要制得高纯度的纳米二氧化硅后续处理工艺难度大，成本高，不利于推广。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种主要适用于利用稻壳热解、氧化生产纳米二氧化硅的工艺中，可以时时控制含碳二氧化硅的氧化进度、氧化深度以及氧化的温度，能够充分利用氧化过程中产生的热能，并实现大规模、连续生产完全纳米结构的纳米二氧化硅的装置。

本实用新型一种稻壳控温氧化生产纳米二氧化硅的装置包括有一个可以旋转的氧化筒、一组高温空气分布管、一组物料输送器、一套倾角可调的固定外壳保温支撑以及一个固气分离收集装置，上述氧化筒是用不锈钢冲孔板卷制而成，筒体内衬600或1000目不锈钢钢丝网，不锈钢抄板均匀分布于内，氧化筒一端外设耐高温密封轴承，通过变频调速电机和减速机调节旋转速度，控制物料在筒内的停留时间，氧化筒筒体与外部固定外壳保温支撑通过滚圈和托轮固定，防止筒体发生轴向移动超出允许的范围。

上述高温空气分布管在装置内部呈水平均匀分布，选用不锈钢304材质，外部与空气储罐相连，空气预热通过热交换器利用余热，空气的温度和流量可控可调。选用的空气亦可是氧气或者二者按比例的混合气体。该气体通过高温循环风机可以部分循环利用，亦可用来干燥需要干燥的稻壳原料。

上述物料输送器通过旋转供料器与料斗相连，通过变频调速电机和减速机控制供料速度，物料输送器通过耐高温密封轴承与旋转氧化筒相连并直接深入氧化筒内部，物料输送器的外套筒、轴及叶片均选用不锈钢材质，物料输送器外包装隔热保温材料。

上述固定外壳保温支撑外型上可选用上圆下方结构，普碳钢内衬保温隔热材料，尾部与固气分离收集装置相连，固定外壳保温支撑与水平面有一定的夹角θ，呈倾斜安装，倾斜角度θ可调。

上述固气分离收集装置上端为气体出口，外部与耐高温循环风机相连，下端为下料斗，与旋转供料器或气动闸阀相连，中后部设观察孔。

本实用新型与现有技术相比，各种性能显著改善，具体情况如下：

本实用新型装置采用旋转氧化筒，可避免物料长时间堆积，实现均匀受热，均匀氧化；采用空气为载 热体，控制物料氧化速度和进度，并可迅速带走碳氧化释放的热量，实现热能再利用。

本实用新型装置通过调节旋转氧化筒转速和整体支撑与水平的倾角，控制物料在旋转氧化筒内的停留时间。

本实用新型装置物料呈无明火燃烧氧化，内部焚烧温度完全控制在600℃以下，且控温均衡，可确保生产过程无定形二氧化硅不发生相变。

本实用新型装置完全实现利用稻壳大批量、连续生产纳米二氧化硅。

本实用新型装置生产出的产品，其X-射线衍射图与硅灰衍射图几乎完全一致，无明显的晶态二氧化硅衍射峰，表明本发明装置产出的含碳二氧化硅氧化后产物所含的二氧化硅保持无定形状态不变。利用SEM、TEM技术对本发明的粉体产物进一步研究，发现二氧化硅是有许多大小在50nm左右的细微颗粒粘聚而成，颗粒与颗粒之间存在大量孔隙。

附图说明

附图1为本实用新型一种稻壳控温氧化生产纳米二氧化硅的装置的结构示意图。

附图2为本实用新型一种稻壳控温氧化生产纳米二氧化硅的装置内旋转氧化筒内部抄板分布图。其中：

(1)变频调速电机 (2)料斗 (3)物料输送器 (4)传动齿轮 (5)高温密封轴承 (6)固定外壳保温支撑

(7)氧化筒 (8)气体出口 (9)热电偶 (10)观察孔 (11)下料斗 (12)高温空气分布管

(13)托轮 (14)减速机 (15)不锈钢抄板 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，本实用新型的一种稻壳控温氧化生产纳米二氧化硅的装置包括有一个可以旋转的氧化筒7、一组高温空气分布管12、一组物料输送器3、一套倾角可调的固定外壳保温支撑6以及一个固气分离收集装置。氧化筒7是用不锈钢冲孔板卷制而成，筒体内衬600目或1000目不锈钢钢丝网，不锈钢抄板15均匀分布于内，材质可选用不锈钢304或310S。氧化筒7一端通过外设耐高温密封轴承5与固定外壳保温支撑6连接，下部通过多点的滚圈和托轮13与固定外壳保温支撑6连接，筒体轴向移动控制在允许的范围内。氧化筒7通过变频调速电机1、减速机14和传动链条实现旋转。通过减速旋转和均匀分布的抄条的作用，物料受热均衡，氧化均匀。高温空气分布管12在装置内部呈水平均匀分布，选用不锈钢304材质，外部与空气储罐相连，空气预热通过热交换器利用余热。选用的助燃气体可用空气或者氧气，亦可是二者按比例的混合气体，通过高温循环风机可以部分循环利用，助燃气体的流量可控可调，助燃气体的温度可控可调，一般控制在400～500℃之间。固定外壳保温支撑6外型上可选用上圆下方结构，普碳钢内衬保温隔热材料，尾部与固气分离收集装置相连，固定外壳保温支撑6与水平面有一定的夹角θ，呈倾斜安装，倾斜角度θ可调。物料输送器3通过耐高温密封轴承5与旋转氧化筒7相连并直接深入氧化筒7内 部。输送器3的外套筒、轴及叶片均选用不锈钢材质。物料输送器3通过关风机(或旋转供料器)与料斗2相连，通过变频调速电机1和减速机14控制供料速度。固气分离收集装置上端为气体出口8，外部与耐高温循环风机相连，下端为下料斗11，与旋转供料器或气动闸阀相连，后部设观察孔10。

使用时，料斗2中的含碳二氧化硅通过旋转供料器进入螺旋物料输送器3，然后进入旋转的氧化筒7前端，在重力自流的作用下，缓慢向下(氧化筒7后端)移动，并与高温的助燃气体(空气、氧气或二者混合气)充分接触，在高温下发生氧化反应并释放大量的热量，物料自身温度逐渐升高，多余的热量通过反应后的混合气体迅速带走，整个氧化过程中温度严格控制在600℃以下，物料在氧化筒7的停留时间(即氧化所需的时间)控制在设定的时间范围内。助燃气体的温度、物料的温度以及排出混合废气的温度通过热电偶9监测。

本发明的控温氧化装置氧化含碳的二氧化硅，可最大程度实现杂质碳的氧化，氧化温度可控，停留时间可控，氧化过程可控，并完全保存二氧化硅天然的、原始的纳米结构。

Claims (5)

1.一种稻壳控温氧化生产纳米二氧化硅的装置，其特征是装置包括有一个可以旋转的氧化筒(7)、一组高温空气分布管(12)、一组物料输送器(3)、一套倾角可调的固定外壳保温支撑(6)以及一个固气分离收集装置，旋转的氧化筒(7)是用不锈钢冲孔板卷制而成，筒体内衬600目或1000目不锈钢钢丝网，不锈钢抄板(15)均匀分布于内，氧化筒(7)一端外设耐高温密封轴承(5)，通过变频调速电机(1)和减速机(14)调节旋转速度，氧化筒(7)筒体与外部固定外壳保温支撑(6)通过滚圈和托轮(13)固定。

2.根据权利要求1所述的一种稻壳控温氧化生产纳米二氧化硅的装置，其特征是高温空气分布管(12)在装置内部呈水平均匀分布，选用不锈钢304材质，外部与空气储罐相连。

3.根据权利要求1所述的一种稻壳控温氧化生产纳米二氧化硅的装置，其特征是物料输送器(3)通过旋转供料器与料斗(2)相连，通过变频调速电机(1)和减速机(14)控制供料速度，物料输送器(3)通过耐高温密封轴承(5)与旋转氧化筒(7)相连并直接深入氧化筒(7)内部，物料输送器(3)的外套筒、轴及叶片均选用不锈钢材质，物料输送器(3)外包装隔热保温材料。

4.根据权利要求1所述的一种稻壳控温氧化生产纳米二氧化硅的装置，其特征是固定外壳保温支撑(6)外型上可选用上圆下方结构，普碳钢内衬保温隔热材料，尾部与固气分离收集装置相连，固定外壳保温支撑与水平面有一定的夹角θ，呈倾斜安装，倾斜角度θ可调。

5.根据权利要求1所述的一种稻壳控温氧化生产纳米二氧化硅的装置，其特征是固气分离收集装置上端为气体出口(8)，外部与耐高温循环风机相连，下端为下料斗(11)，与旋转供料器或气动闸阀相连，后部设观察孔(10)。