Способ получения диоксида кремния из отходов производства риса и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к переработке отходов производства риса с целью получения диоксида кремния. Способ включает проводимые в непрерывном режиме стадии обугливания предварительно подготовленного исходного сырья и последующего окислительного обжига, который осуществляют в условиях “зажатого слоя”. Обугливание сырья осуществляют за счет теплоты газов, образующихся на стадии окислительного обжига. Способ реализуется в устройстве, которое содержит камеру сгорания с патрубками для подачи исходного сырья и для нагнетания воздуха, расположенными в верхней части камеры, приспособление для вывода газообразных продуктов горения, установленную в нижней части камеры газораспределительную решетку, являющуюся решеткой провального типа, над которой последовательно размещены трубопровод для подачи воды в зону обжига, растопочное устройство и трубопровод для подачи окислительного газа в зону обжига, Снизу к газораспределительной решетке прикреплен сборник продуктов горения, соединенный с разделителем продуктов горения на твердую и газообразную фазы, который, в свою очередь, соединен с трубопроводом для отвода горячих газов в теплообменник с целью подогрева зоны подсушивания и обугливания сырья в камере сгорания и имеет патрубок для вывода твердого целевого продукта. Техническим результатом изобретения является равномерное распределение температур в зоне горения во всем слое горящей шелухи, повышение устойчивости процесса горения, обеспечение возможности управлять процессом термообработки и получение диоксида кремния стабильного качества как в аморфной, так и в кристаллической или смешанной формах в зависимости от потребностей, а также повышение выхода целевого продукта. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам переработки отходов производства риса с целью получения диоксида кремния различной степени чистоты, который может быть использован в фармацевтической, лакокрасочной и химической промышленности в качестве энтеросорбента, наполнителя для лекарств, в производстве автомобильных шин, водорастворимых силикатов, а также для получения чистого поликристаллического кремния для солнечной энергетики и микроэлектроники.

Выбор способов и устройств для переработки отходов злаковых культур, в частности отходов производства риса - шелухи (или лузги), а также соломы, определяется как целями их утилизации, так и особенностями отходов, которые представляют собой материал с малой насыпной массой.

Известен способ переработки отходов производства риса, преимущественно шелухи, с целью получения диоксида кремния, согласно которому проводят сжигание сырья в неподвижном слое при температуре около 600°С. Способ осуществляют в печи, представляющей собой камеру сгорания, в которую послойно загружают шелуху риса, отделяя слои сырья друг от друга прослойкой “черной мякины”, состоящей из карбида кремния и/или углерода. Внутри камеры расположены вентиляционные трубы с отверстиями для подвода воздуха для горения. Сырье загружают таким образом, чтобы трубы находились по центру слоя, обеспечивая сгорание сырья одновременно сверху и снизу слоя, при этом температура горения регулируется скоростью подачи воздуха. После сгорания загруженной массы ее обрабатывают непосредственно в камере слабым раствором кислоты, затем водой, после чего массу выгружают, сушат и подвергают дроблению (пат. КНР № 86-104705, опубл. 18.05.88).

Недостатками данного способа получения диоксида кремния являются длительность, сложность и цикличность процесса, сопровождаемого периодической загрузкой и выгрузкой сырья, невозможность обеспечить равномерное протекание процесса горения во всем слое, что приводит к потерям сырья и низкой чистоте получаемого продукта за счет присутствия примеси кристаллического диоксида кремния и углерода.

Известен способ получения аморфного диоксида кремния из рисовой шелухи путем сжигания предварительно подготовленного сырья в вихревом потоке. Способ осуществляют при температуре 700-800°С в циклонной печи в атмосфере горячего окислительного газа. Сырье и воздух подают в зону горения тангенциально, а образующаяся зола выносится газовым потоком в циклонный очиститель газа, где происходит разделение твердых (зола и несгоревшие частицы) и газообразных фаз (пат. США № 3959007, опубл. 25.05.76).

Однако высокая скорость термолиза частиц сырья в вихревом потоке и нестабильность горения из-за низкой теплотворной способности и высокой зольности сырья, а также относительно высокая рабочая температура процесса не позволяют реализовать оптимальный температурный режим горения и, следовательно, получить кремниевую золу однородного состава без примеси кристаллической фазы диоксида кремния.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения аморфного диоксида кремния путем двухстадийного обжига отходов рисового производства, включающего стадию обугливания исходного сырья при температуре 120-500°С и последующую стадию окислительного обжига при температуре 500-800°С, которую осуществляют в условиях “кипящего слоя”, предусматривающего подачу горячего окислительного газа снизу через слой сырья. При этом для получения особо чистого диоксида кремния сырье предварительно промывают водой и/или минеральной кислотой, затем проводят обугливание, измельчение полученной золы и только после этого осуществляют окислительный обжиг в “кипящем слое”. Заданный интервал температур поддерживают регулированием скорости подачи воздуха и сырья (пат. РФ № 2061656, опубл. 10.06.96).

Однако из-за свойств перерабатываемых отходов, являющихся мелкодисперсным материалом с малой насыпной массой, при проведении окислительного обжига в “кипящем слое” затруднительно создать условия для их равномерного сгорания и достижения стабильного качества получаемого аморфного диоксида кремния. Возможен также унос частиц сырья, что снижает выход конечного продукта. Кроме того, известный способ получения аморфного диоксида кремния является достаточно сложным и трудоемким, т.к. процессы обугливания, измельчения обугленного продукта и последующего окислительного обжига осуществляются в раздельных технологических объемах. При этом одноразовая загрузка не позволяет создать непрерывный процесс. Указанные причины существенно снижают эффективность способа сжигания отходов рисового производства в условиях “кипящего слоя”.

Принцип “кипящего слоя” широко используют в промышленности для сушки, проведения обжига сырья или получения тепла. Существует целый ряд основанных на этом принципе аппаратов, в которых сырье загружают сверху, а снизу через газораспределительную решетку непровального типа подают навстречу сырью газовую смесь, как правило, повышенной температуры (пат. РФ № 2161283, опубл. 27.12.2000; “Расчеты аппаратов кипящего слоя”. Справочник, Л., Химия, 1986, с.136-137).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является топка с низкотемпературным “кипящим слоем” (“Расчеты аппаратов кипящего слоя”. Справочник, Л., Химия, 1986, с.235-236).

Данное устройство предназначено для сжигания любых видов топлива: жидкого и газообразного, угля, древесных и других твердых отходов.

Принципиальная схема данного устройства включает камеру сгорания, в верхней части которой установлен патрубок для подачи сырья и патрубок для вывода газообразных продуктов горения, в нижней части камеры расположены газораспределительная решетка непровального типа и размещенные под газораспределительной решеткой трубопровод для подачи окислительного газа (воздуха) и растопочное устройство. У внутренних стенок нижней части камеры сгорания установлен теплообменник, выполненный в виде перегородки из водоохлаждаемых труб, назначением которой является защита стенок от перегрева. Устройство также включает золосборник и сепаратор для разделения твердых и газообразных продуктов горения.

Однако данное устройство, как и другие традиционные аппараты “кипящего слоя”, не эффективно при использовании его для сжигания мелкодисперсных материалов, имеющих малую насыпную массу, в частности отходов рисового производства.

При использовании аппаратов данного типа для сжигания материалов с указанными выше свойствами имеют место неравномерность нагрева частиц сырья в “кипящем слое” и значительный унос мелких фракций. Так, при сжигании шелухи риса с целью получения твердого продукта горения - аморфного диоксида кремния - неравномерность нагрева приводит к снижению качества готового продукта за счет увеличения в нем содержания кристаллической фазы при повышенных температурах и появления углерода при недожоге, т.е. пониженных температурах, а унос мелких фракций приводит к снижению выхода продукта.

Задачей изобретения является обеспечение устойчивости и равномерности процесса горения мелкодисперсных материалов с малой насыпной массой, исключение уноса исходного сырья и соответственно получение диоксида кремния стабильного заданного качества с высоким выходом, что повышает эффективность способа в целом при одновременном его упрощении.

Поставленная задача решается способом получения диоксида кремния из отходов рисового производства, согласно которому предварительно подготовленные отходы подвергают обугливанию и последующему окислительному обжигу, при этом процессы обугливания и окислительного обжига осуществляют в непрерывном режиме, окислительный обжиг проводят в условиях “зажатого слоя”, а обугливание исходного сырья осуществляют за счет теплоты газового потока, образующегося при окислительном обжиге.

Поставленная задача решается также устройством для сжигания мелкодисперсных материалов, преимущественно имеющих малую насыпную массу, в частности отходов производства риса, которое содержит камеру сгорания с патрубками для подачи исходного сырья и для нагнетания воздуха, расположенными в верхней части камеры, приспособление для вывода газообразных продуктов горения, установленную в нижней части камеры газораспределительную решетку, являющуюся решеткой провального типа, над которой последовательно размещены трубопровод для подачи воды (пара) в зону обжига, растопочное устройство и трубопровод для подачи окислительного газа (воздуха) в зону обжига, а снизу непосредственно к газораспределительной решетке прикреплен сборник продуктов горения, выход которого соединен с разделителем продуктов горения на твердую и газообразную фазы, при этом разделитель, в свою очередь, соединен с трубопроводом для отвода газообразных продуктов горения в теплообменник, установленный с возможностью подогрева зоны подсушивания и обугливания сырья в камере сгорания, и имеет патрубок для вывода твердого целевого продукта.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежом, на котором приведена общая схема устройства для сжигания материалов, преимущественно имеющих малую насыпную массу, в частности отходов производства риса (шелухи или соломы).

Устройство содержит камеру сгорания 1 с расположенными в ее верхней части патрубком 2 для подачи исходного сырья и патрубка 3 для нагнетания воздуха. В нижней части камеры 1 установлена газораспределительная решетка 4 провального типа, над которой в следующей последовательности размещены трубопровод 5 для подачи воды (пара), растопочное устройство 6 и трубопровод 7 для подачи окислительного газа (воздуха). К камере сгорания 1 снизу непосредственно к газораспределительной решетке 4 прикреплен сборник 8 продуктов горения, выход которого соединен с разделителем 9 продуктов горения на твердую и газообразную фазы, который, в свою очередь, снабжен патрубком 10 для вывода твердого целевого продукта, а также соединен с трубопроводом 11 для отвода газообразных продуктов горения в теплообменник 12, установленный с возможностью подогрева зоны подсушивания и обугливания сырья в камере сгорания 1.

Для регулирования расхода воды (пара) и окислительного газа (воздуха) на трубопроводах 5 и 7 установлены соответственно клапаны 13 и 14.

При необходимости строгого соблюдения температурного режима (при сжигании сырья с целью получения конечного продукта заданного качества) для контроля температуры в зоне горения устройство снабжено средством 15 для измерения и регулирования температур, которое может представлять собой логометр, соединенный с термопарой (на чертеже не показаны).

Размеры отверстий газораспределительной решетки определяются размерами частиц сжигаемого материала и, в частности, при сжигании рисовой шелухи не превышают 0,5 мм. Принимая во внимание, что при выгорании органической части шелухи ее размер и форма, как правило, сохраняются, в частном случае выполнения изобретения газораспределительная решетка 4 может быть подсоединена к встряхивающему приспособлению (на чертеже не показано), например к вибратору, обеспечивающему предварительный размол образовавшейся при сгорании золы, ее отделение от несгоревшей шелухи и более легкое прохождение через решетку в сборник 8 продуктов горения.

В другом варианте выполнения устройства газораспределительная решетка 4 может быть выполнена двухслойной (на чертеже не показана), с возможностью перемещения слоев относительно друг друга. В этом случае размеры отверстий верхнего слоя решетки 4 соответствуют размерам частиц сгоревшей шелухи, что позволяет им проваливаться на нижний слой решетки, размеры отверстий которого не превышают 0,5 мм.

В этом варианте устройство может быть дополнительно снабжено средством для подачи охлаждающего воздуха между слоями решетки (на чертеже не показано). Такое выполнение газораспределительной решетки 4 позволяет снизить температуру продуктов горения на выходе из камеры сгорания 1 в сборник продуктов сгорания 8 и обеспечить получение мелкодисперсного продукта (диоксида кремния) высокой чистоты.

Трубопроводы для подачи воды (пара) 5 и окислительного газа (воздуха) 7 в слой шелухи выполнены таким образом, чтобы обеспечивалось равномерное распределение подаваемых воздуха и воды, например, в виде тороидальных перфорированных труб, расположенных соосно с камерой сгорания, либо в виде короба с фурмами по стенке камеры (на чертеже не показаны).

Растопочное (поджигающее) устройство 6 может представлять собой, например, электронагреваемую спираль или газовую горелку.

Устройство для использования теплоты отходящих газов - теплообменник 12 - может быть выполнено в виде кожуха, охватывающего камеру сгорания 1 в зоне обугливания сырья, как показано на чертеже, либо представлять собой набор дымогарных трубок, расположенных внутри камеры (на чертеже не показано), при этом способ их расположения и форма трубок не являются существенными.

Трубки могут быть, например, овальными, плоскими, круглыми, с оребрением, и установлены под любым углом относительно камеры сгорания.

Способ получения диоксида кремния из отходов производства риса с помощью предлагаемого устройства осуществляют следующим образом (на примере использования в качестве исходного сырья рисовой шелухи).

При необходимости отходы, в частности рисовую шелуху, очищают от механических примесей, промывают водой для удаления мучки, подсушивают и просеивают через сито. Для получения диоксида кремния высокой чистоты шелуху обрабатывают горячей водой и дополнительно 0,1-1 н. раствором минеральной кислоты (НСl или H₂SO₄) в течение 30-60 мин при температуре 60-90°С или в течение 2-24 ч при комнатной температуре, после чего шелуху отделяют от раствора кислоты, промывают водой до нейтральной реакции и сушат.

Подготовленное таким образом исходное сырье из бункера с помощью шнекового конвейера (на чертеже не показаны) через патрубок 2 подают в верхнюю часть камеры сгорания 1.

В начале процесса сжигания шелуха попадает на газораспределительную провальную решетку 4, задерживающую несгоревшую рисовую шелуху и пропускающую золу только после полного догорания шелухи. При достижении слоя шелухи, примерно вдвое превышающего расстояние от газораспределительной решетки 4 до трубопровода 7, включают растопочное устройство 6, в частном случае - спираль с температурой нагрева 800°С, и начинают одновременно медленно подавать воздух в нижний слой сжигаемых отходов через воздушный трубопровод 7 и сверху через патрубок 3 для нагнетания воздуха, что удерживает шелуху между двумя воздушными потоками, не позволяя ей разлетаться по объему камеры 1 и обеспечивая тем самым условия для проведения окислительного обжига в “зажатом слое”.

Процесс горения рисовой шелухи поддерживают подачей воздуха по трубопроводу 7 через клапан 14. Воду (пар) подают в зону горения по трубопроводу 5 через клапан 13.

Температуру горения контролируют с помощью термопары, а регулирование и корректировку температуры осуществляют путем изменения расхода подаваемых в зону горения воды и воздуха с помощью регулирующих клапанов 13 и 14 соответственно.

Во время процесса горения необходимый уровень рисовой шелухи в камере сгорания поддерживают путем ее непрерывной подачи из бункера.

В процессе термообработки поступающая в камеру сгорания шелуха последовательно проходит через три температурные зоны. Сначала сырье проходит через зону подсушивания, где шелуха высушивается и нагревается до начала обугливания, затем через зону обугливания, где происходит обугливание нагретого сырья в интервале температур от 120 до 500°С и после этого - в зону обжига, где при температуре от 500 до предпочтительно 1000°С происходит полное сгорание органической составляющей рисовой шелухи с получением чистого диоксида кремния. Если задачей является получение в результате переработки отходов рисового производства аморфного диоксида кремния, то окислительный обжиг ведут при температуре, не превышающей 800°С, а если кристаллического диоксида кремния, то обжиг ведут при температуре, не превышающей 1000°С.

Полностью выгоревшая белая зола, представляющая собой диоксид кремния, проваливается через газораспределительную провальную решетку 4 и вместе с газообразными продуктами сгорания попадает в сборник 8. Подсоединение решетки к вибратору позволяет интенсифицировать этот процесс.

Газообразные продукты сгорания отделяются от твердого целевого продукта в разделителе 9, например в циклонном сепараторе, откуда по трубопроводу 11 поступают в теплообменник 12, служащий для подогрева зоны подсушивания и обугливания сырья в камере сгорания 1, после чего выводятся наружу через приспособление 16, которое может работать как дымосос либо на эжекционном принципе, и далее направляются на утилизацию оставшейся теплоты. В частности, горячий воздух может быть использован для подсушки рисовой шелухи после ее промывки на стадии предварительной подготовки шелухи к термообработке.

Готовый продукт из разделителя 9 поступает на упаковку.

Таким образом, технический результат заявляемого изобретения заключается в следующем.

Предлагаемое взаимное расположение растопочного устройства, трубопроводов для подачи воды и для подачи окислительного газа, а также газораспределительной решетки провального типа в сочетании с организацией в верхней части камеры сгорания прижимающего воздушного потока обеспечивают в совокупности такой режим окислительного обжига, при котором в отличие от “кипящего слоя” достигается равномерное распределение температур в зоне горения во всем слое горящей шелухи и повышается устойчивость процесса горения.

Сжигание рисовой шелухи в условиях “зажатого слоя” в устройстве предлагаемой конструкции позволяет управлять процессом термообработки на всех стадиях и получать продукт со стабильным заданным качеством - диоксид кремния с содержанием основного вещества от 88 до 99,99% как в аморфной, так и в кристаллической или смешанной формах (в зависимости от поставленных задач), а также увеличить выход конечного продукта, который в общем случае составляет не менее 80% от теоретически возможного.

Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет перерабатывать отходы рисового производства в непрерывном режиме, что является более технологичным и может быть эффективно использовано для сжигания других аналогичных по свойствам материалов с указанным техническим результатом.

Формула изобретения

1. Способ получения диоксида кремния, преимущественно, из отходов производства риса, предусматривающий обугливание предварительно подготовленного исходного сырья и последующий окислительный обжиг, отличающийся тем, что процессы обугливания и окислительного обжига ведут в непрерывном режиме, окислительный обжиг осуществляют в условиях “зажатого слоя”, а процесс обугливания осуществляют за счет теплоты газов, образующихся на стадии окислительного обжига.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обугливание исходного сырья ведут при температуре 120-500°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что окислительный обжиг обугленного сырья ведут при температуре, не превышающей 800°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что окислительный обжиг обугленного сырья ведут при температуре, не превышающей 1000°С.

5. Устройство для сжигания мелкодисперсных материалов, преимущественно, имеющих малую насыпную массу, содержащее камеру сгорания с расположенным в верхней части патрубком для подачи исходного сырья и с расположенными в нижней части камеры газораспределительной решеткой, трубопроводом для подачи окислительного газа и растопочным устройством, а также включающее теплообменник, сборник продуктов горения, разделитель продуктов горения на твердую и газообразную фазы и приспособление для вывода газообразных продуктов горения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит в верхней части камеры патрубок для нагнетания воздуха и в нижней части камеры трубопровод для подачи воды в зону обжига, при этом трубопровод для подачи воды, растопочное устройство и трубопровод для подачи окислительного газа в указанной последовательности размещены над газораспределительной решеткой, являющейся решеткой провального типа, а снизу непосредственно к газораспределительной решетке прикреплен сборник продуктов горения, выход которого соединен с разделителем продуктов горения на твердую и газообразную фазы, причем разделитель, в свою очередь, соединен с трубопроводом для отвода газообразных продуктов горения в теплообменник, установленный с возможностью подогрева зоны подсушивания и обугливания сырья в камере сгорания, и имеет патрубок для вывода твердого целевого продукта.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что на трубопроводах для подачи воды и окислительного газа установлены регулирующие клапаны.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что камера сгорания снабжена средством для измерения и регулирования температур.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что газораспределительная решетка подсоединена к встряхивающему приспособлению.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что газораспределительная решетка выполнена двухслойной, с возможностью перемещения слоев относительно друг друга.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что оно снабжено средством для подачи воздуха между слоями газораспределительной решетки.

11. Устройство по п.5, отличающееся тем, что трубопроводы для подачи воды и окислительного газа выполнены в виде тороидальных перфорированных труб, расположенных соосно с камерой сгорания, либо в виде короба с фурмами по стенке камеры сгорания.

12. Устройство по п.5, отличающееся тем, что растопочное устройство представляет собой электронагреваемую спираль или газовую горелку.

13. Устройство по п.5, отличающееся тем, что теплообменник выполнен в виде кожуха, охватывающего камеру сгорания в зоне обугливания сырья.

14. Устройство по п.5, отличающееся тем, что теплообменник представляет собой набор дымогарных трубок, расположенных внутри камеры сгорания в зоне обугливания сырья.

15. Устройство по п.5, отличающееся тем, что разделитель продуктов горения представляет собой сепаратор циклонного типа.

16. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве приспособления для вывода газообразных продуктов горения используют дымосос или эжектор.

РИСУНКИ

Рисунок 1