[发明专利]垂直移动床稻壳碳化炉及其碳化稻壳方法

说明书

技术领域

本发明涉及稻壳碳化技术领域，具体涉及一种垂直移动床稻壳碳化炉，还涉及利用所述垂直移动床稻壳碳化炉实现稻壳碳化的方法。 

背景技术

目前，稻壳是稻谷的附属器官，产自大米加工厂，是一种资源丰富、收集成本低廉的生物质。全球稻壳年产量大约为1.26亿吨，其中亚洲占90％约1.14亿吨。中国的稻壳年产量约0.36亿吨，占全球稻壳资源总量的29％。 

稻壳的利用途径主要有三种，一是作为廉价材料直接使用，二是以稻壳为原料制取生物基产品，三是进行能源利用。后两种方式可以得到更高的附加值。 

通常，源自植物的木质纤维素类生物质，其有机质主要组分皆为木质素、半纤维素和纤维素，差异性不大。从能源利用的角度来看，木质纤维素类生物质之间的差异性主要在于无机组分的差异性，即灰分的差异性。一般而言，木兰纲植物(木本植物)的灰分含量相对较低并且灰分中钙的含量较高，而百合纲植物(草本植物)的灰分含量相对较高并且灰分中硅的含量较高。稻壳是一种非常特殊的生物质：首先，稻壳的干燥基灰分含量为15％以上，远远高于其它种类的生物质，稻壳的灰分是木材的10～30倍，是常见草本植物的3～5倍；其次，稻壳灰分中，二氧化硅的含量占65％以上，远高于其它草本植物，稻壳是含硅量最高的生物质。稻壳中的硅主要以无定形态二氧化硅的形式存在。高灰富硅的特征，使得稻壳在能源利用过程中有一些特殊困难，比如稻壳直接作为燃料使用时，固定碳难以燃尽，燃烧效率低，产生的大量灰渣成为固体废弃物难以处理等。 

稻壳利用途径中，利用有机质制取生物基产品时，稻壳劣于其它生物质，但是考虑到稻壳灰分的特殊性，利用其高灰富硅的特征，以稻壳为原料生产无机生物基产品，则具有明显的优势。 

如上所述，稻壳的最佳利用路径为：有机组分进行能源利用，而无机组分用于生产硅碳产品。最容易实现的技术路径为：通过对稻壳进行加热，使得有机组分（木质纤维素）热解，产生的气相组分作为燃料使用，剩余的固体残余物是二氧化硅和木炭的混合物，该混合物即称为碳化稻壳。碳化稻壳可以进一步用于生产各种硅碳材料。 

为了充分发掘稻壳基硅碳产品的附加值，则必须保留稻壳中的木炭和二氧化硅的无定性结构，以保持硅碳产品的活性。已经证实的结论是：稻壳中的二氧化硅从高活性的无定形态结构转变为石英态结构，对应的转变温度约为680℃。也就是说，稻壳热解的温度如果超过680℃，就会严重影响碳化稻壳的使用价值。所以，在低于680℃的条件下生产出来的碳化稻壳，是高附加值的活性碳化稻壳，而在高温条件下生产出来的碳化稻壳（比如通过燃烧、气化等技术路径），则属于附加值很低的普通碳化稻壳。 

在实验室中，人们已经利用活性碳化稻壳制备出了很多高附加值的产品，比如活性二氧化硅、活性炭（目前人类制取的最高品质的活性炭是利用活性碳化稻壳脱灰制成的）、高端碳化硅制品（包括碳化硅晶须）等。另外，活性碳化稻壳本身就是一种优质的硅碳产品，其优异的表面活性和吸附能力，使得活性碳化稻壳有广泛的工业应用。 

为了生产出活性碳化稻壳，人们已经尝试过许多技术路径，其中不乏失败的案例。比如，利用稻壳气化炉（固定床、流化床、气流床等），在缺氧的条件下使得稻壳部分燃烧以得到碳化稻壳，但最后得到的是失去活性的产品。再比如，在气化炉中设置水冷管，以求控制床层温度，但由于难以精确控温，也难以产出合格的产品。 

目前可以稳定地得到活性碳化稻壳的生产设施有两类：一种是沿用传统的炭窑，在400℃左右将稻壳碳化，这种方式的窑内传热过程极其缓慢，需要500小时左右的碳化时间，所以产能很低，单位生产成本高昂，碳化过程产生的可燃气体难以进行能源利用；另外一种是对稻壳进行间接加热，稻壳在金属管内的封闭空间内被间接加热而发生热解碳化，管外利用温度低于680℃的烟气作为热源，碳化时间可以减少到5小时（即300分钟）以内，热解产生的可燃气体也可以进行能源利用，但由于成本太高和产能太低，几乎没有工业应用价值。 

生产活性碳化稻壳的技术现状是：可以大规模工业化生产的装置，无法保证碳化稻壳的活性；而能够保证碳化稻壳活性的装置，又因为产能太低或成本太高，而无法实现工业化生产。 

发明内容