以稻壳及其燃烧热生产超细高纯白炭黑的工艺的制作方法
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本发明涉及一种以稻壳及其燃烧热生产超细高纯白炭黑的工艺，稻壳是一种生物能源，其高位热值介于13300～～14963KJ/Kg.稻壳的组成如下
稻壳的热值，挥发分，灰分和水分数据与锅炉用煤指标相近，按煤炭发热量等级标准，认为稻壳是一种中低热量(ML)的低硫固体燃料。由于稻壳的体密度很小，约为128Kg/m3，所以存储和运输较困难。在农村分散堆放的稻壳会污染自然环境，燃烧后的飞灰对人畜呼吸系统很有害。因此，集中燃烧稻壳不但可以充分的利用其热能，还能够获取不同品级的SiO2粉，即白炭黑，也有助于改善环境。
稻壳的燃烧热可以直接利用，也可以转化为电能；SiO2粉(白炭黑)根据品级不同，可以做保温材料，高温滤板和化工原料。
已有的技术是将稻壳在各种燃烧炉中直接燃烧，如层燃炉(stoker)，Dutch炉，气化炉和流化床炉。上述燃烧技术有三个共同缺点(1)SiO2颗粒在燃烧区停滞时间长，非晶质SiO2转变为大量晶体SiO2，如石英、方石英和鳞石英，其粉体飞扬会导致矽肺病；(2)燃烧效率低，在SiO2颗粒中残留未燃尽的炭多达10％以上，产品颜色为黑灰和灰色。(3)SiO2颗粒对炉体腐蚀和结垢，影响生产。
一个改进了上述技术的美国专利，将稻壳在锤碎机中粉碎后，用热空气将细碎的稻壳送入排渣式燃烧器和燃烧炉中燃烧，产生的热烟气进入与燃烧炉串联的锅炉，与软化水进行热交换产生蒸汽，经蒸汽轮机转化为电能。这种燃烧技术能使大部分SiO2粉从燃烧器中及时排出，快速缩短了停留时间和对燃烧炉的腐蚀。最终产物的外观呈灰色，SiO2含量90.0％，残留炭4-6％，游离晶体SiO2含量＜1％，体密度为232Kg/m3。由此获得的产品仍达不到化学沉淀法得到的白炭黑质量.
本发明的目的正是为客服上述已有技术的缺点和不足，而提供一种能获得产品纯度＞99％，燃烧效率99.5％的工艺和进一步改善了的燃烧装置。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的稻壳经过风选，除去灰尘和杂物，对特别不洁净的稻壳应通过水洗和干燥，接着进行炭化，获得稻壳炭和燃气。稻壳炭再经过酸煮，除去杂质元素；燃气循环利用。酸煮后的稻壳炭经过脱酸和干燥，再经过粉碎和风力分级。其粗的重颗粒再进行超细磨，制成含炭SiO2超细粉；由分级获得的粒度细，比重小的产品为含SiO2炭粉。上述两种物料以下述方式输送给燃烧系统。以炭化产生的热燃气将含SiO2炭粉送去做燃料；以来自空气加热器的热空气将含炭SiO2超细粉送去脱炭。另外以热空气供氧助燃。由于快速燃烧可获得高纯超细非晶质SiO2、即白炭黑；稻壳燃烧的热量充分的利用和发电；用过的酸经过再生循环利用。
本工艺的特征是将洁净的稻壳在炭化炉中进行干燥，炭化和煅烧。干燥温度介于200～280℃；炭化温度介于300～450℃，煅烧温度应小于570℃，最佳温度为500～550℃，可防止非晶质SiO2转变为晶体石英，方石英和鳞石英。炭化炉出三种产品水煤气由炉顶排出，温度约200℃，循环利用，由炭化层底部返回助燃。水煤气也可以冷凝，获取低沸点液体做化工原料。燃气由煅烧段顶部引出，温度约500℃，送去加热含SiO2炭粉并将之输送至旋流排渣燃烧器，做为燃料燃烧；稻壳炭由炉底排出，用密闭容器送去酸处理。
酸处理是将稻壳炭在6N盐酸，温度110～150℃，最佳为120℃，用热气搅动，煮沸15～30min，然后用吸滤器将酸煮稻壳炭移至振动筛上，振动脱去浓酸后再用热水冲洗稻壳炭脱酸；吸滤器和振动筛前段脱出的浓酸送往酸回收系统。由振动筛后段冲洗得到的筛下稀酸水，经沉淀池分出澄清液，沉渣送至压滤机。滤并与振动筛筛上的稻壳炭一起送至干燥塔干燥；澄清液和滤液送到稀酸浓密作业提高浓度。
酸回收系统，包括酸雾吸收塔和稀酸浓密系统，其功能是将来自沉淀，压滤作业和酸雾吸收塔的稀酸提高至6N以上，然后送至膜渗析和喷射焙烧作业，除去金属氧化物。此系统可使99％以上的酸再生，循环利用，同时产出金属氧化物，如Fe2O3等，做为副产品。
稻壳炭经过酸煮后，杂质元素含量降至1％以下，也破坏了炭与SiO2的结合键；脱酸后的稻壳炭在干燥塔中约停留7-9h。热气温度200～300℃，最佳为250℃，在1000～2000Pa负压作用下，由塔顶进入，将温度＜100℃的湿气，由塔底抽出，经酸吸收塔净化后排入大气。
干燥的酸后稻壳炭经锤碎机粉碎和旋流集尘器组的风力分级，得到两股物料一种比重和粒度较大的含炭SiO2粉和一种粒度较小，比重较轻的含SiO2炭粉。前一种物料再经过超细磨进一步粉碎至平均粒径3～5um。上述两种物料分别装仓，仓下皆设有螺旋排料机和计量称。两仓的物料按预计比例分别被热空气和热燃气输送至燃烧系统。
由鼓风机将空气吹入设在燃烧炉顶部的空气加热器增温，由此产生的热空气流被分为2路一路热空气被送入炉前风箱，供做2次空气和3次空气；另一路热空气以旋涡流态将含炭SiO2超细粉卷入，并以气溶胶形态送入旋流排渣燃烧器，物料在随流运动中被加热。此后由喷咀以旋涡流形态喷入旋流排渣燃烧器内燃烧；来自炭化炉煅烧段的热燃气将含SiO2炭粉卷入并输送至旋流排渣燃烧器做为燃料燃烧。
旋流排渣燃烧器有一个管形燃烧腔，前端设有3个同心套管，中心管与一个三通管连结。一个支管与携带含SiO2炭粉的热燃气管相通；另一支管接天然气管。两支管皆设有逆止阀，用来调节供气量。在点火或自身燃烧热不足时，以天然气助燃；第一层套管与携带含炭SiO2超细粉的输送管相通，后者的出气口截面积缩小，呈鸦咀形切入环形喷咀，由它产生的旋涡流与中心喷咀喷出的火焰混合燃烧；第二层套管的环形喷咀喷出热空气供氧助燃，其喷出的气量由阀门控制。3个喷气咀也可互呈一定角度单独配置，以便在管形燃烧腔内产生旋流运动，实现混合燃烧。管形燃烧器的末端被分隔为两个长方形截面积的通道，分别与两个排渣旋流器入料口相接。旋流器由圆筒和圆锥体构成，携带固体颗粒的燃气和火焰在旋流器内做旋流运动，在离心力作用下，颗粒由气流中分离出来，从锥体底口排出；气流由圆筒的中心管喷入燃烧炉，在放大了的炉膛空间继续燃烧。为了补充氧气助烧，在排渣旋流器入口设置了第3热空气喷咀，其喷气量可根据燃烧需氧量由阀门调节。
管形燃烧腔中的气流速度一般介于70～100m/s，最佳为80m/s。燃烧温度一般为1000～1500℃，最佳为1200℃。因此，大部分SiO2颗粒表面和嵌在体内的炭都能在旋流排渣燃烧器内快速燃烬。SiO2颗粒由旋流器底口的螺旋排料机排出；未燃烬的炭在燃烧炉内继续燃烧。由于炉膛空间大，上升流速降低，SiO2颗粒能够沿炉壁纷纷落入炉底部渣收集仓，再由螺旋排料机排出。由于SiO2颗粒微小，对炉壁的磨蚀作用降低，炉子常规使用的寿命延长。
热烟气上升炉顶，一部分与位于炉顶的空气加热器进行热交换；大部分热烟气则进入毗连的锅炉与管组内的水进行热交换，产生蒸气。这种燃烧系统的燃烧效率可达99％以上，SiO2粉的炭和其它杂质含量以及游离晶体SiO2含量皆在1％以下，大约85％以上的SiO2粉汇集在渣收集器中，其余部分将由其后各部分收集排出。
蒸气锅炉包括供水系统和蒸气发电系统两部分(1)供水系统水泵将水泵入加热器，热水通过节约器和热交换器，进一步增温后进入软化器，软化水由锅炉底部进入热交换管组，以烟气热产生蒸气。
(2)蒸气发电系统蒸气汇集于热交换管组上端的蒸气筒中，由此引入过热器进一步增温后，经透平机和发电机产生电力。烟气的热量经循环利用后，经布袋滤尘器排入大气。
由于采取上述技术方案，使本发明与已有技术相比具有以下优点及效果(a)SiO2与炭的解离度高，产品质量高，其纯度超过化学沉淀法的产品；(b)燃烧效率高，SiO2中的残留炭含量低；(c)产品粒度细，非晶质SiO2含量高；(d)稻壳燃烧热利用率高，废酸再生率高；(e)稻壳含有的金属氧化物可以副产品销售；(f)成本低，消除了环境污染。
图1为 以稻壳及其燃烧热生产超细高纯白炭黑的工艺流程图2为 旋流排渣燃烧器位于燃烧炉底部的配置方案；图3为 旋流排渣燃烧器位于燃烧炉侧壁的配置方案下面结合附图实施例对本发明技术进一步描述图1说明稻壳经风选作业(1)除去灰尘后，用提升机送入炭化炉(2)。炭化炉顶部排出水煤气，返回炭化段助燃或冷凝产生低沸点液体，为化工原料；由炭化炉煅烧段顶部抽出的热燃气做为含SiO2炭粉的加热和运载气流，供旋流排渣燃烧器燃烧用燃料；稻壳炭由炭化炉底部排入密闭容器，运往酸处理作业(3)经过酸煮后的稻壳炭，杂质含量＜1％，与酸液一起被吸滤器移至振动筛(4)脱酸，然后用热水冲洗。由吸滤器滤出的酸液和振动筛前段脱除的酸液一起送往喷射焙烧作业(18)处理；振动筛后段的筛下稀酸液送往沉淀池(5)将其挟带的炭末等固体沉淀下来，沉淀物送往压滤机(6)，滤并与振动筛筛上的稻壳炭一起送至干燥塔(7)；沉淀池的澄清液和压滤机的滤液皆为稀酸，与来自酸雾吸收塔(15)的稀酸液一起经过稀酸浓密作业(16)提高浓度后再送往膜渗析作业(17)，析出的酸回收利用；其渗留液送至作业(18)脱除杂质元素。喷射焙烧作业(18)使废酸经过水解反应，将其中含有的杂质元素转变为纯度高的氧化物，如Fe2O3等副产品。高达99.5％的酸再生，回收利用。上述各作业产生的酸雾皆被汇集于酸雾吸收塔(15)，净化后的气体排入大气。
干燥后的稻壳炭经锤碎机(8)粉碎和风力分级(9)分成两股物料一股粒度粗，比重大的含炭SiO2粉和一股粒度细，比重较轻的含SiO2炭粉。前者送往超细磨(10)进一步粉碎，制成含炭SiO2超细粉。上述两种物料分别装仓图2①和②，仓下设有螺旋排料机和计量称。含SiO2炭粉以热燃气为载体；含炭SiO2超细粉以来自燃烧炉顶部空气加热器(11)的热空气为载体。两种物料均按预定配比排出，在随气流运动中被加热，以气溶胶形态送入旋流排渣燃烧烧器(12)和燃烧炉(13)燃烧。
旋流排渣燃烧器(12)和燃烧炉(13)及锅炉(14)构成一个串联燃烧体系。旋流排渣燃烧器(12)和燃烧炉(13)的连结有两个配置方案图2为旋流排渣燃烧器配置于燃烧炉底部；图3为旋流排渣燃烧器位于燃烧炉侧壁。
旋流排渣燃烧器(12)有一个管形燃烧腔(12)a，其前端设有3个喷气管中心管③是燃气管，其进气端与一个3通管连接。其中一个支管④与运载含SiO2炭粉的热燃气管相通；另一个支管⑤与天然气管相通。两个支管皆设有逆止阀，控制进气量。另外2个喷气管1个与运载含炭SiO2超细粉的热空气管⑥相通；另1个与来自风箱⑦的热空气管⑧相通。皆设有控制阀。三个喷气管在燃烧腔前端有两个配置方案图2方案(A)是3个喷气管组成一个同心圆套管，中心管喷射燃料；运载含炭SiO2超细粉的热空气沿切线层套管，以旋涡流喷出；供给氧气的热空气由第2层套管喷出；图3方案(B)是3个喷气管互呈一定角度配置，以便在燃烧腔(12)a内产生旋流，促进混合燃烧。燃烧腔(12)a的末端分为两个长方形截面积的通道，分别与两个排渣旋流器(12)b的进气口相通。随流进入旋流器的颗粒在离心力作用下，由底口排出；热燃气和火焰由旋流器顶部的中心管⑩喷入燃烧炉继续燃烧。燃后的SiO2颗粒落入炉底渣收集仓；上升的热烟气与炉顶的空气加热器(11)进行热交换，大部分进入毗连的锅炉(14)与管组中的水进行热交换制造蒸气。为了助燃在排渣旋流器的入气口设有热空气喷咀⑨。
水泵(23)将水泵入加热器(22)，经节约器(21)，热交换器(20)和水软化器(19)，把软化水送入锅炉中的管组。锅炉产生的蒸气，经过热器(24)增温后，通过透平机(25)和发电机(26)将热转化为电力。由燃烧系统产生的热量根据各部位对热量的需求，合理规划利用。烟气经布袋滤尘器净化后，排入大气，各部沉积的SiO2粉分别回收。
根据图1工艺流程的主体作业，将取自北京制米厂的稻壳，水洗烘干后，在550℃温度进行炭化和煅烧1h，排除80％的挥发物气体(未回收)；稻壳炭以6N盐酸以120℃煮沸15min。在振动筛上脱酸，并用热水冲洗至pH值中性，烘干后，经高速振动磨粉碎，制成超细粉。以空气吹入管式电炉，在1000℃温度，使处于悬浮状态的物料燃烧，得到SiO2含量99.37％的纯白色产物。
1.以稻壳及其燃烧热生产超细高纯白炭黑的工艺，其特征是稻壳经过炭化和酸处理去掉杂质元素后，进行粉碎和分选，得到含炭SiO2粉和含SiO2炭粉。含炭SiO2粉再经过超细磨，制成含炭SiO2超细粉。然后，分别被来自炭化炉煅烧段的热燃气和来自燃烧炉顶部空气加热器的热空气，以气溶胶形态送至旋流排渣式燃烧器和燃烧炉及蒸气锅炉构成的燃烧系统，进行快速的充分的燃烧。燃烧效率达到99％以上，最终产品白炭黑的SiO2含量＞99％，炭含量＜1％，粒径5μm。生产的全部过程中产生的废酸和酸雾均经过酸回收系统处理，使99％以上的酸再生，循环利用；稻壳燃烧热得到充分利，由燃烧炉排出的热烟气在蒸气锅炉中与泵入的软化水进行热交换产生蒸气，再经过过热器增温后送至透平机发电。本工艺过程的流程见图1。
2.根据权利要求1所述的生产的基本工艺，其特征是将洁净的稻壳在炭化炉中进行炭化和煅烧。炭化过程分为干燥，炭化和煅烧三个阶段。干燥段的温度介于200～280℃，炭化段温度介于300～450℃；煅烧段温度应小于570℃，最佳温度为500～550℃。此温度可防止非晶质SiO2转变为晶体石英，方石英和鳞石英。炭化炉产出三种产品水煤气由炉顶排出，温度约为250℃，并由炭化炉中部返回，为炭化段助燃。水煤气亦可经冷凝，获得低沸点液体做为化工原料；热燃气由炉的煅烧段顶部排出，温度约为500℃，可做为含SiO2炭粉的预热和运载燃气；稻壳炭由炉底排出，一般尚含有约20％的挥发分。用密闭容器装运，送去酸处理。
3.根据权利要求1所述的生产的基本工艺，其特征是将稻壳炭经过6N盐酸以110～150℃温度，最佳为120℃，用热气搅拌，煮沸15～30min，最佳为20min。此工艺可将SiO2的杂质元素含量降到1％以下，也有助于炭和SiO2的解离。酸煮完成后，用吸滤器将稻壳炭和酸液移至振动筛上，进一步脱酸。
4.根据权力要求1所述的生产的基本工艺，其特征是用振动筛的前段脱除浓酸；在振动筛后段用热水冲洗稻壳炭携带的残余酸液，其筛下稀酸液含有碎炭，经过絮凝沉积后，进行压滤。滤并与振动筛上的稻壳炭一起送至干燥塔进行干燥。
5.根据权利要求1所述的生产的基本工艺，其特征是将吸滤器的滤液与振动筛前段的筛下酸液一起送至喷射焙烧作业，脱除酸中的金属氧化物，做为副产品产出；再生的酸循环利用。由沉淀池溢出的澄清液和压滤机的滤液送入稀酸浓密作业提高酸的浓度，再经膜渗析净化。净化后的酸循环利用；含有杂质的废酸送到喷射焙烧作业进一步除去杂质。所有酸处理作业产生的酸雾，被吸入酸雾吸收塔处理，净化气体排入大气；稀酸液送至稀酸浓密作业提高浓度，循环利用。本系统可使99％以上的酸再生。
6.根据权利要求1所述的生产的基本工艺，其特征是将干燥后的稻壳炭送入锤碎机进行粉碎和在旋流器组中进行风力分级。由此获得两股物料一种粒度较粗，比重较大的含炭SiO2粉和一种粒度较细，比重较小的含SiO2炭粉。前一种物料再经过超细磨进一步粉碎，制成含炭SiO2超细粉，粒度＜5μm。上述两种物料分别装仓，仓的底部分别设有螺旋排料机和计量称。两个仓的排料量可以按预定比例排入各自的运载热气流中。
7.根据权利要求1所述的生产的基本工艺，其特征是燃烧系统是一个由旋流排渣式燃烧器，燃烧炉和蒸气锅炉三个单元串联构成的燃烧体系。
8.根据权利要求1，7所述的生产的基本工艺，其特征是旋流排渣式燃烧器是一个管形燃烧腔和2个排渣旋流器的组合。管形燃烧腔的前端设有3个同心圆的进气套管；中心管与1个三通管连结，后者的2个支管分别与天然气管路和输送含SiO2炭粉的热燃气管连通。二者皆设有逆止阀。燃烧器点火时，或自身燃料不足时，可启动天燃气助燃；正常操作时，关闭天然气逆止阀，开启运载含SiO2炭粉的热燃气逆止阀，使之做为燃料由中心喷咀喷出，产生主火焰；运载含炭SiO2超细粉的热空气以旋涡流由第1层套管喷出，与主火焰混合燃烧；来自风箱的热空气由第2层套管喷出，供氧助燃。上述3个喷咀也可以互呈一定角度，单独配置。管形燃烧腔后端分为两个截面积长方形通道，分别与两个排渣旋流器的入气口相通。在入口处设有第3个热空气喷咀，以阀调节供气量。该旋流器由圆筒和圆锥体构成。圆筒顶部中央设有喷气管，呈旋流运动的火焰和燃气由此喷入燃烧炉，继续燃烧；圆锥体底口为排渣口，与螺旋排料机相通。气流在管形燃烧腔内的喷射速度，一般为70～100m/s，最佳为80m/s，燃烧温度为1000～1500℃，最佳温度1200℃。
9.根据权力要求1，7所述的生产的基本工艺，其特征是旋流排渣燃烧器与燃烧炉的连结有2个方案图2方案为燃烧器设在燃烧炉下方；图3方案为燃烧器设在燃烧炉侧壁。
10.根据权力要求1，7所述的生产的基本工艺，其特征是空气加热器设在燃烧炉内的顶棚下方。燃烧系统的所有渣仓皆采用密封螺旋排渣器。
本发明涉及一种以稻壳及其燃烧热生产超细高纯白炭黑的工艺，其特征是稻壳经炭化和酸处理去掉挥发分和杂质元素后，再经过粉碎和分选，得到含SiO
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