一种制备稻壳基二氧化硅的装置的制作方法

本发明涉及二氧化硅技术领域，特别是一种制备稻壳基二氧化硅的装置。

背景技术：

水稻，世界上重要的粮食作物，在人们的日常食物中占到了重大比例，根据联合国相关机构统计，每年全世界稻谷的产量是5～6亿吨。稻壳作为稻谷加工的主要副产物，稻壳质量可以达到稻谷本身质量23％左右。与传统的不可再生的资源相比较，具有廉价和产量丰富的巨大优势。稻壳在高温焚烧处理后产生稻壳灰，稻壳灰中含有丰富的无定型二氧化硅组分，是一种产量丰富的可再生新型清洁生物质能源材料；另外稻壳燃烧过程将产生约15mj/kg的燃烧热。

通过焚烧稻壳制备二氧化硅是一种实现稻壳高值化利用的潜在方法。如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。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。但是绝大工艺不能实现控制燃烧温度低于700℃，因为温度过高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。也就是说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。因此控温氧化装置是关键设备。

中国专利cn1559897a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，不能实现精确控温，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，最终产品杂质碳含量会非常高，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。又如中国专利cn105883816a报道采用在氧化筒体内实现杂质碳与高热的o2充分接触，快速完成氧化，在负压的牵引下通过颗粒选择器；部分粒径较大的颗粒通过颗粒选择器时，在离心力的作用下被甩向氧化筒体重新回到颗粒碰撞区域进行二次或重复多次的碰撞、摩擦、粉碎成微细粒径的颗粒，最终杂质碳完全充分暴露，并与高热的o2充分接触氧化，完成所有杂质碳完全彻底的氧化燃烧。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种制备稻壳基二氧化硅的装置，以解决现有技术中的不足，它能够充分利用氧化过程中产生的热能，实现连续化生产和热能回收；且生产出的二氧化硅是无定形的纳米结构，纯度高，粒径可控。

本发明提供了一种制备稻壳基二氧化硅的装置，包括进料区、燃烧区、分离区和收集区；所述进料区包括进料口和气流磨，所述进料口与所述气流磨连通；所述燃烧区包括点火装置、燃烧筒和高速喷气装置，所述燃烧筒与所述气流磨顶部连通，所述点火装置设于所述燃烧筒的入口处，所述燃烧筒内设有第一颗粒分级器和第二颗粒分级器，所述第一颗粒分级器设于靠近所述点火装置的燃烧筒内，所述第二颗粒分级器设于远离所述点火装置的燃烧筒内，所述高速喷气装置位于所述燃烧筒的下方，并与燃烧筒相通，所述高速喷气装置一端与所述气流磨下端相连，所述高速喷气装置另一端连接高压引风机；所述分离区为旋风式分离器，所述旋风式分离器的底部分别与所述燃烧筒以及所述高速喷气装置靠近高压引风机的一端连通；所述收集区为二氧化硅粉体收集器，所述二氧化硅粉体收集器与所述旋风式分离器的顶部连通。

如上所述的一种制备稻壳基二氧化硅的装置，其中，优选的是，所述第一颗粒分级器与所述燃烧筒入口之间构成燃烧段，所述第一颗粒分级器与所述第二颗粒分级器之间构成不燃段，所述燃烧段和不燃段底部均设有出料料斗，所述燃烧段和不燃段均通过出料料斗与所述喷气装置连通。

如上所述的一种制备稻壳基二氧化硅的装置，其中，优选的是，所述燃烧段和不燃段底部的出料料斗为双翻板式和回转式中的至少一种。

如上所述的一种制备稻壳基二氧化硅的装置，其中，优选的是，所述燃烧筒与所述旋风式分离器通过物料管道连接。

如上所述的一种制备稻壳基二氧化硅的装置，其中，优选的是，所述物料管道内部为螺旋结构。

如上所述的一种制备稻壳基二氧化硅的装置，其中，优选的是，所述燃烧筒、物料管道以及旋风式分离器的外侧壁上均设有热能回收装置。

如上所述的一种制备稻壳基二氧化硅的装置，其中，优选的是，所述第一颗粒分级器包括三个叶轮，所述第二颗粒分级器包括六个叶轮。

如上所述的一种制备稻壳基二氧化硅的装置，其中，优选的是，所述高速喷气装置包括进气段、中间段和出气段，所述进气段与所述高压引风机连接，所述出气段与所述气流磨连接，所述中间段设于所述进气段和出气段之间，所述中间段的直径大于所述进气段和出气段的直径。

如上所述的一种制备稻壳基二氧化硅的装置，其中，优选的是，所述燃烧筒与所述中间段连接。

如上所述的一种制备稻壳基二氧化硅的装置，其中，优选的是，所述二氧化硅粉体收集器为袋式收集器，所述袋式收集器的底部还设有二氧化硅粉体收集箱。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)温度精确可控：稻壳只有在燃烧区之间燃烧，由于燃烧时间比较短，稻壳表面先燃烧，然后被分离重新进入气流磨，也就是说一个稻壳是分多次被燃烧，这样不仅有利于控制体系温度，还可以防止二氧化硅颗粒长大。温度调控粉体只需要在第一次加入，在燃烧筒内当温度高于温度调控粉体熔点(700℃左右)时，颗粒吸热融化，保证体系温度不升高，未融化的颗粒由两个颗粒分级器分离进入高速喷气装置，融化的颗粒经物料管道和第二颗粒分级器之后的燃烧筒降温变成颗粒，在旋风式分离器中被分离进入高速喷气装置，也就是说温度调控粉体在整个体系中循环。

(2)二氧化硅粒径可控、纯度高：可以调控高速喷气装置中气流速度和两个颗粒分级器叶轮旋转速度，控制二氧化硅颗粒粒径；通过第一颗粒分级器的只有二氧化硅、小颗粒稻壳炭和温度调控分粉体，也就是说第一颗粒分级器之后的燃烧筒燃烧主要是依靠小颗粒稻壳炭，温度调控分粉体比重较大，可通过旋风式分离器分离，实现制备纯度高的二氧化硅。

(3)能源回收：燃烧筒、螺旋结构的物料管道和旋风式分离器外表面有能量回收装置，可以实现稻壳燃烧的热能回收。

(4)连续化生产：虽然稻壳分为多次在燃烧筒内燃烧，但是每燃烧一次，稻壳表面部分的二氧化硅都被收集，通过加料口继续添加稻壳，实现连续化生产。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的第一颗粒分级器的结构示意图；

图3是本发明的第二颗粒分级器的结构示意图；

图4是本发明的装置收集到的二氧化硅粉体sem图。

附图标记说明：1-进料口，2-气流磨，3-点火装置，4-燃烧筒，5-高速喷气装置，51-进气段，52-中间段，53-出气段，6-第一颗粒分级器，7-第二颗粒分级器，8-高压引风机，9-旋风式分离器，10-二氧化硅粉体收集器，11-出料料斗，12-物料管道，13-热能回收装置，14-二氧化硅粉体收集箱。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

一种制备稻壳基二氧化硅的装置，包括进料区、燃烧区、分离区和收集区；所述进料区包括进料口1和气流磨2，所述进料口1与所述气流磨2连通；所述燃烧区包括点火装置3、燃烧筒4和高速喷气装置5，所述燃烧筒4与所述气流磨2顶部连通，所述点火装置3设于所述燃烧筒4的入口处，所述燃烧筒4内设有第一颗粒分级器6和第二颗粒分级器7，所述第一颗粒分级器6设于靠近所述点火装置3的燃烧筒4内，所述第二颗粒分级器7设于远离所述点火装置3的燃烧筒4内，所述高速喷气装置5位于所述燃烧筒4的下方，并与燃烧筒4相通，所述高速喷气装置5一端与所述气流磨2下端相连，所述高速喷气装置5另一端连接高压引风机8；所述分离区为旋风式分离器9，所述旋风式分离器9的底部分别与所述燃烧筒4以及所述高速喷气装置5靠近高压引风机8的一端连通；所述收集区为二氧化硅粉体收集器10，所述二氧化硅粉体收集器10与所述旋风式分离器9的顶部连通。

所述第一颗粒分级器6与所述燃烧筒4入口之间构成燃烧段，所述第一颗粒分级器6与所述第二颗粒分级器7之间构成不燃段，所述燃烧段和不燃段底部均设有出料料斗11，所述燃烧段和不燃段均通过出料料斗11与所述喷气装置连通。

所述燃烧段和不燃段底部的出料料斗11为双翻板式和回转式中的至少一种。

所述燃烧筒4与所述旋风式分离器9通过物料管道12连接。

所述物料管道12内部为螺旋结构。

所述燃烧筒4、物料管道12以及旋风式分离器9的外侧壁上均设有热能回收装置13。

所述第一颗粒分级器6包括三个叶轮，所述第二颗粒分级器7包括六个叶轮。

所述高速喷气装置5包括进气段51、中间段52和出气段53，所述进气段51与所述高压引风机8连接，所述出气段53与所述气流磨2连接，所述中间段52设于所述进气段51和出气段53之间，所述中间段52的直径大于所述进气段51和出气段53的直径。

所述燃烧筒4与所述中间段52连接。

所述二氧化硅粉体收集器10为袋式收集器，所述袋式收集器的底部还设有二氧化硅粉体收集箱14。

本发明的实施例：

首次使用时在进料口1加入稻壳和温度调控粉体，这些粉体进入气流磨2破碎(由于稻壳具有高弹性特性，这时实际破碎的是温度调控粉体)，气流磨2的粉体点火后进入燃烧筒4。一方面稻壳燃烧(由于时间短，只有稻壳表面燃烧)形成刚性的稻壳碳(燃烧不完全)或者刚性的二氧化硅；另一方面在气流的作用下稻壳和温度调控粉体撞击，稻壳表面稻壳炭和二氧化硅被破碎，形成小颗粒稻壳炭(更有利于燃烧)和二氧化硅粉体。在第一颗粒分级器6(如图2所示)的作用下未燃烧的稻壳被分离通过料斗进入高速喷气装置5，通过第一颗粒分级器6的小颗粒二氧化硅粉体、温度调控粉体和碳颗粒继续燃烧，消耗其中的碳颗粒，提纯二氧化硅；再经过第二颗粒分级器7颗粒分级器(如图3所示)筛选，因为碳颗粒和温度调控粉体比重较二氧化硅大，所以只有小颗粒二氧化硅(或气态的温度调控粉体)通过，碳颗粒、大颗粒二氧化硅峰和温度调控粉体被分离进入高速喷气装置5。经过燃烧筒4和物料管道12外侧壁的热能回收装置13，气流温度降低至温度调控粉体熔点以下(如有气态的温度调控粉体，经液化、凝固变成颗粒)。气流进入旋风式分离器9，高比重的温度调控粉体被分离进入高速喷气装置5，二氧化硅粉体被袋式收集器收集进入二氧化硅粉体收集箱14。温度调控粉体、未燃烧的稻壳和碳颗粒在高速喷气装置5输送下，重新进入气流磨2粉碎，再进入燃烧筒4，同时通过进料口1补充稻壳。

稻壳只有在点火装置3和第一颗粒分级器6之间燃烧，由于燃烧时间比较短，稻壳由表面先燃烧，然后被分离重新进入气流磨2，也就是说一个稻壳是分多次被燃烧，这样不仅有利于控制体系温度，还可以防止二氧化硅颗粒长大。

温度调控粉体只需要在第一次加入，在燃烧筒4内当温度高于温度调控粉体熔点(700℃左右)时，颗粒吸热融化，保证体系温度不升高，未融化的颗粒进两个颗粒分级器分离进入高速喷气装置5，融化的颗粒经物料管道12和第二颗粒分级器7之后的燃烧筒4降温变成颗粒，在旋风式分离器9中被分离进入高速喷气装置5，也就是说温度调控粉体在整个体系中循环。

第一颗粒分级器6的叶轮数为第二颗粒分级器7的一半，也就是说第二颗粒分级器7分级颗粒的粒度要小于第一颗粒分级器6，第一颗粒分级器6主要分离未燃烧的稻壳，第二颗粒分级器7分离未燃烧的碳颗粒。

高速喷气装置5的中间段52的直径大于进气段51和出气段53，这样不仅有利于高速喷气装置5内部的物料混合，还可以提高进入气流磨2气流的速度，提高破碎效率。

第一颗粒分级器6之后的区域已经没有稻壳在其中燃烧，只有被破碎的碳颗粒燃烧，保证了二氧化硅粉体的纯度。

当燃烧筒4和高速喷气装置5之间的出料料斗11选择翻转式的，温度调控粉体选择碳酸锂时，制备的纳米二氧化硅粒子收率可达到99.0％，粒子的形貌近微球结构。平均粒径为60nm，平均孔4nm，比表面积525m2/g，如图4所示。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。