Способ получения диоксида кремния и тепловой энергии из кремнийсодержащих растительных отходов и установка для сжигания мелкодисперсных материалов

Способ получения диоксида кремния и тепловой энергии из кремнийсодержащих растительных отходов и установка для сжигания мелкодисперсных материалов

Реферат

Изобретения относятся к области энерготехнологической переработки мелкодисперсных материалов, преимущественно к утилизации кремнийсодержащих растительных отходов, могут быть применены для получения из отходов производства риса, в частности из рисовой шелухи, диоксида кремния различной чистоты, который используется предпочтительно в фармацевтической, лакокрасочной и химической промышленности, в производстве автомобильных шин, водорастворимых силикатов, а также для получения чистого поликристаллического кремния для солнечной энергетики и микроэлектроники, и могут быть применены для выработки тепловой энергии при сжигании дробленых твердых топлив или горючих отходов, которая используется, например, для отопления, горячего водоснабжения, технологических нужд, а также для выработки электроэнергии.

Известен способ получения аморфного диоксида кремния из рисовой шелухи, включающий обугливание при 120-500°С предварительно подготовленного промыванием водой и/или минеральной кислотой исходного сырья, измельчение полученной золы и окислительный обжиг в условиях кипящего слоя в интервале температур от 500 до 800°С при подаче окислительного газа снизу через слой сырья. Требуемые температуры поддерживают регулированием скорости подачи окислительного газа и сырья. Обугливание, измельчение полученной золы и окислительный обжиг производят в разных технологических объемах (см. патент RU 2061656, МПК⁶ С 01 В 33/12).

Способ получения аморфного диоксида кремния из рисовой шелухи обладает следующими недостатками: низкой эффективностью и экономичностью получения твердого целевого продукта, так как, во-первых, операции обугливания, измельчения полученной золы и последующего окислительного обжига производят в разных технологических объемах, во-вторых, одноразовая загрузка не позволяет осуществить процесс в непрерывном режиме; низким выходом целевого твердого продукта, дополнительно снижающим экономичность его получения, вследствие значительного выноса материала из кипящего слоя, так как отсутствует возможность удержания мелкодисперсной золы в кипящем слое при окислительном обжиге.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ получения диоксида кремния и тепловой энергии из отходов производства риса, включающий обугливание при 120-500°С предварительно подготовленного исходного сырья и окислительный обжиг обугленного сырья в условиях «зажатого слоя» в зоне горения с регулированием температуры горения, изменяя расход воды или пара, подаваемых в зону горения, а также включающий утилизацию тепла отходящих газов. Окислительный обжиг обугленного сырья ведут при температуре, не превышающей 800 или 1000°С. Обугливание исходного сырья осуществляют за счет теплоты газов, образующихся при окислительном обжиге. При этом обугливание исходного сырья и окислительный обжиг производят в непрерывном режиме. Утилизацию тепла отходящих газов осуществляют путем отвода тепла после их отделения от твердого целевого продукта, проваливающегося через газораспределительную решетку, в отдельном технологическом объеме для предварительной подготовки исходного сырья (см. патент RU 2233795, МПК⁷ С 01 В 33/12, F 23 C 9/00).

К недостаткам данного способа относятся низкие эффективность и экономичность получения целевого твердого продукта, а также получения тепловой энергии, во-первых, вследствие того, что обжиг в условиях «зажатого слоя» предполагает использование сложной и дорогостоящей газораспределительной решетки провального типа с низкой эксплуатационной надежностью, во-вторых, вследствие того, что при необходимости полезного использования, то есть утилизации тепла отходящих газов, процесс их охлаждения осуществляется в отдельном технологическом объеме; а также низкий выход целевого твердого продукта, выводимого через газораспределительную решетку в смеси с газами, образующимися при горении, что требует применения дополнительного разделения твердой и газообразной фаз в отдельном технологическом объеме и сопровождается потерями продукта, также приводя к дополнительному снижению экономичности получения последнего.

Известна установка для сжигания жидкого и газообразного топлива, а также угля, древесных и других твердых материалов, с низкотемпературным кипящим слоем, содержащая камеру сгорания, в верхней части которой установлены патрубки для подачи исходного сырья и отвода дымовых газов. В нижней части камеры сгорания расположены газораспределительная решетка непровального типа, а также размещенные под этой решеткой распределительное и растопочное устройства. У внутренних стенок нижней части камеры сгорания установлен теплообменник, выполненный в виде перегородки из водоохлаждаемых труб и предназначенный для защиты стенок от перегрева. Установка также содержит сборник целевого продукта и разделитель продуктов горения на твердую и газообразную фазы, выполненный в виде сепаратора (см. Расчеты аппаратов кипящего слоя: Справочник. - Л.: Химия, 1986. - С.136-137).

Однако описанная установка недостаточно эффективно и экономично обеспечивает получение целевого твердого продукта, а также не способствует высокому выходу целевого твердого продукта при ее использовании для сжигания мелкодисперсных материалов, так как, во-первых, имеет место значительный вынос продукта из кипящего слоя, а разделитель продуктов горения на твердую и газообразную фазы характеризуется большими потерями твердой фазы, то есть целевого продукта, во-вторых, не предусмотрена утилизация тепла отходящих газов; в-третьих, установка обладает повышенными габаритами, поскольку состоит из отдельных функциональных устройств - камеры сгорания и разделителя продуктов горения.

Наиболее близкой к заявляемой установке по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является установка для сжигания мелкодисперсных материалов, преимущественно, имеющих малую насыпную массу, содержащая камеру сгорания с расположенными в верхней части патрубком для подачи исходного сырья, патрубком для нагнетания воздуха и с расположенными последовательно снизу вверх в нижней части газораспределительной решеткой провального типа, трубопроводом для подачи воды или пара в зону горения, растопочным устройством, распределительным устройством для подачи окислительного газа. Снизу к газораспределительной решетке прикреплен сборник продуктов горения, выход которого соединен с разделителем продуктов горения на твердую и газообразную фазы. Разделитель продуктов горения на твердую и газообразную фазы выполнен, например, в виде циклонного сепаратора, соединен с устройством для вывода целевого твердого продукта и через трубопровод для отвода газообразных продуктов горения - с теплообменником, установленным с возможностью подогрева зоны подсушивания и обугливания сырья в камере сгорания и охватывающим камеру сгорания или размещенным внутри нее. Теплообменник снабжен патрубком для отвода дымовых газов с дымососом или эжектором. Дымовые газы далее направляются на утилизацию оставшейся теплоты, в частности, они могут быть использованы для подсушки рисовой шелухи после промывки при предварительной подготовке исходного сырья к термообработке. Газораспределительная решетка может быть присоединена к встряхивающему приспособлению или может быть выполнена двухслойной, подвижной, с возможностью перемещения слоев относительно друг друга, в частности, с помощью средства для подачи воздуха между слоями. Растопочное устройство может быть выполнено в виде электронагревательной спирали или горелки. Теплообменник может быть выполнен в виде кожуха, охватывающего камеру сгорания в зоне обугливания сырья или в виде набора дымогарных трубок, расположенных внутри камеры сгорания в зоне обугливания сырья (см. патент RU 2233795, МПК⁷ С 01 В 33/12, F 23 C 9/00).

Основными недостатками установки для сжигания мелкодисперсных материалов, преимущественно имеющих малую насыпную массу, являются низкие эффективность и экономичность получения целевого твердого продукта, а также получения тепловой энергии, во-первых, вследствие повышенной трудоемкости изготовления газораспределительной решетки провального типа, особенно при выполнении ее подвижной, низкой эксплуатационной надежности решетки, функционирующей при высоких, более 800°С, температурах слоя, и ее высокой стоимости, поскольку она изготавливается из легированных сплавов и требует охлаждения водой или воздухом; во-вторых, вследствие отсутствия возможности полезного использования тепла отходящих газов для выработки тепловой энергии, а не только для предварительной подсушки исходного сырья и подогрева зон подсушивания и обугливания сырья в камере сгорания; в-третьих, вследствие значительных габаритов установки, поскольку состоит из отдельных функциональных устройств - камеры сгорания и разделителя продуктов горения. Кроме того, недостатком установки является низкий выход целевого твердого продукта, так как разделитель продуктов горения на твердую и газообразную фазы, например циклонный сепаратор, характеризуется большими потерями твердой фазы, то есть целевого продукта, что также приводит к дополнительному снижению экономичности получения последнего.

Предлагаемыми изобретениями решается задача повышения эффективности и экономичности получения целевого продукта, а также получения тепловой энергии и повышения выхода целевого твердого продукта.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе получения диоксида кремния и тепловой энергии из кремнийсодержащих растительных отходов, включающем окислительный обжиг в непрерывном режиме предварительно подготовленного исходного сырья при движении плотного слоя в зоне горения с регулированием температуры горения, изменяя расход воды или пара, подаваемых в зону горения, и утилизацию тепла отходящих газов, путем регулирования скорости подачи исходного сырья устанавливают режим горения, при котором максимум температур занимает неизменное положение по высоте камеры сгорания, а регулирование температуры горения и утилизацию тепла отходящих газов осуществляют путем отвода тепла непосредственно из слоя.

Для достижения названного технического результата предлагается установка для сжигания мелкодисперсных материалов, содержащая камеру сгорания с патрубком для подачи исходного сырья, распределительное устройство для подачи окислительного газа, растопочное устройство и трубопровод для подачи воды или пара в зону горения, размещенные в камере сгорания, теплообменник, охватывающий камеру сгорания или установленный внутри нее, устройство для вывода целевого твердого продукта и патрубок для отвода дымовых газов, у которой согласно изобретению патрубок для подачи исходного сырья, распределительное устройство для подачи окислительного газа и растопочное устройство расположены последовательно в нижней части камеры сгорания, трубопровод для подачи воды или пара установлен над растопочным устройством, а теплообменник выполнен охлаждающим.

Кроме того, теплообменник заполнен циркулирующей водой или паром.

Повышение эффективности и экономичности получения целевого твердого продукта, а также получения тепловой энергии обусловлены, во-первых, окислительным обжигом исходного сырья в установленном путем регулирования скорости подачи исходного сырья и окислительного газа режиме горения, при котором максимум температур занимает неизменное положение по высоте камеры сгорания, при последовательном размещении патрубка для подачи исходного сырья, распределительного устройства для подачи окислительного газа и растопочного устройства в нижней части камеры сгорания без введения газораспределительной решетки; во-вторых, полезным использованием тепла отходящих газов путем отвода тепла непосредственно из слоя с помощью теплообменника, горячая вода или перегретый пар на выходе из которого направляются, в частности, на отопление, горячее водоснабжение или на выработку электроэнергии; в-третьих, осуществлением окислительного обжига, отделения целевого твердого продукта от дымовых газов и утилизации тепла отходящих газов в одном технологическом объеме, что обеспечивает малые габариты установки, реализующей предлагаемый способ.

Повышение выхода целевого твердого продукта обусловлено раздельным выводом этого продукта из заполненной камеры сгорания в условиях свободного подъемного движения плотного слоя в режиме фильтрации дымовых газов, охлажденных путем отвода тепла непосредственно из слоя с помощью теплообменника без дополнительного разделения твердой и газообразной фаз в отдельном технологическом объеме, сопровождающегося потерями продукта.

Предлагаемая установка для сжигания мелкодисперсных материалов поясняется чертежом, на котором приведена ее общая схема.

Кроме этого, на чертеже дополнительно обозначено следующее:

- горизонтальной линией со стрелкой, обращенной слева направо, показано направление подачи исходного сырья;

- горизонтальной штриховой линией со стрелкой, обращенной слева направо, показано направление подачи окислительного газа;

- двумя горизонтальными линиями со стрелками, обращенными навстречу друг другу, показаны направления подачи воды или пара;

- штрихпунктирной линией со стрелкой, обращенной справа налево, показано направление отвода горячей воды или перегретого пара;

- вертикальной линией со стрелкой, обращенной снизу вверх, показано направление отвода охлажденных газов;

- вертикальной линией со стрелкой, обращенной сверху вниз, показано направление вывода целевого твердого продукта;

- круговыми линиями со стрелками показаны направления вращения шнеков при подаче исходного сырья и выводе целевого твердого продукта.

Установка для сжигания мелкодисперсных материалов (см. чертеж) содержит камеру сгорания 1, в нижней части которой последовательно расположены патрубок 2 для подачи исходного сырья, распределительное устройство 3 для подачи окислительного газа и растопочное устройство 4. Над растопочным устройством 4 последовательно установлены трубопровод 5 для подачи воды или пара в зону горения 6 и теплообменник 7, выполненный охлаждающим продукты сгорания, охватывающий камеру сгорания 1 (на чертеже не показано) или установленный внутри нее. Зона горения 6 размещена в области первого - второго рядов теплообменника 7. Над теплообменником 7 расположено транспортное устройство 8 для вывода целевого твердого продукта с патрубком 9 для вывода этого продукта из камеры сгорания 1. К верхней части камеры 1 прикреплен патрубок 10 для отвода дымовых газов, например, с помощью дымососа. Внутри патрубка 2 установлен механизм транспортирования 11 исходного сырья, выполненный, в частности, в виде шнекового конвейера. Устройство 8 для вывода целевого твердого продукта также может быть выполнено в виде шнекового конвейера.

Для регулирования расхода окислительного газа, например воздуха, для горения, воды или пара в зоне горения 6 на распределительном устройстве 3 для подачи окислительного газа и на трубопроводе 5 для подачи воды или пара в зону горения 6 установлены клапаны 12 и 13 соответственно. Для регулирования температуры в зоне горения 6, расхода теплоносителя - воды или пара - и дополнительного регулирования температуры горения в установке на теплообменнике 7 установлен клапан 14. Для контроля температурного режима при сжигании исходного сырья с целью получения конечного продукта заданного качества и положения зоны горения 6 в камере сгорания 1 установка снабжена средствами 15 для измерения и регулирования температуры и положения зоны горения 6, которые могут быть выполнены в виде логометров, соединенных с термопарами (на чертеже не показаны).

Распределительное устройство 3 для подачи окислительного газа и трубопровод 5 для подачи воды или пара в зону горения 6 могут быть выполнены в виде однорядных гребенок из труб различного профиля, перфорированных отверстиями с диаметрами соответственно не более 1,5 и 0,5 мм и присоединенных к общим раздающим коллекторам. Теплообменник 7 может быть выполнен в виде многорядной трубчатой змеевиковой поверхности нагрева, заполненной циркулирующей водой или паром. Растопочное устройство 4 может быть выполнено в виде однорядной решетки из электронагревательных спиралей или батареи из газовых горелок (на чертеже не показаны) и расположено на расстоянии 200-300 мм над распределительным устройством 3 для подачи окислительного газа. Следовательно, распределительное устройство 3 для подачи окислительного газа, трубопровод 5 для подачи воды или пара, растопочное устройство 4 и теплообменник 7 выполнены и установлены в камере сгорания 1 таким образом, чтобы обеспечить равномерное по поперечному сечению камеры сгорания 1 поступление воздуха и воды или пара, равномерную растопку слоя, охлаждение продуктов сгорания, а также возможность прохождения материала слоя через камеру 1.

Установка для сжигания мелкодисперсных материалов работает следующим образом. Исходное сырье подается в камеру сгорания механизмом транспортирования 11 через патрубок 2 и распределительное устройство 3 для подачи окислительного газа. В распределительное устройство 3 подается окислительный газ, а в теплообменник - вода или пар. Когда зона горения 6 заполняется исходным сырьем, включается растопочное устройство 4. Температура слоя в зоне горения 6 и ее положение контролируются и регулируются средствами 15. Температура горения регулируется расходом воды или пара через трубопровод 5 и расходом теплоносителя - воды или пара - через теплообменник 7.

Когда золой исходного сырья заполняется весь объем камеры сгорания 1, то зола, охлажденная теплообменником 7, выводится устройством 8, выполненным в виде шнекового конвейера, через патрубок 9 как целевой твердый продукт. При этом на выходе теплообменника 7 отбираются горячая вода или перегретый пар, используемые на различные технологические нужды, отопление, горячее водоснабжение или для выработки электроэнергии.

Дымовые газы, то есть газообразные продукты сгорания, охлажденные теплообменником 7, выводятся из камеры сгорания 1 через патрубок 10.

Способ получения диоксида кремния и тепловой энергии из кремнийсодержащих растительных отходов с помощью предлагаемого устройства осуществляется следующим образом (на примере использования в качестве исходного сырья рисовой шелухи).

При необходимости кремнийсодержащие растительные отходы, в частности рисовую шелуху, очищают от механических примесей, промывают водой, просушивают и просеивают через сито. Для получения диоксида кремния высокой чистоты шелуху обрабатывают горячей водой и дополнительно - раствором минеральной кислоты.

Предварительно подготовленное таким образом сырье из бункера с помощью шнекового конвейера через патрубок 2 подают в нижнюю часть камеры сгорания 1 через распределительное устройство 3. Одновременно в распределительное устройство 3 подают окислительный газ, например воздух, а в теплообменник 7 - воду или пар. Окислительный газ для горения подают с коэффициентом избытка не менее 1,05-1,10. При заполнении рисовой шелухой зоны горения 6 включают растопочное устройство 4. Далее путем регулирования скорости подачи шелухи и окислительного газа устанавливают такой режим горения, чтобы максимум температур (зона горения 6) занимал неизменное положение по высоте камеры сгорания 1. Температуру слоя в зоне горения 6 и ее положение контролируют и регулируют средствами 15.

Окислительный обжиг исходного сырья ведут в непрерывном режиме в условиях свободного подъемного движения плотного слоя в зоне горения 6 с регулированием температуры горения, изменяя расход воды или пара, подаваемых в зону горения 6 через трубопровод 5, и изменяя расход теплоносителя - воды или пара, - подаваемых через теплообменник 7, путем отвода тепла непосредственно из слоя.

Через некоторое время после начала обжига весь объем камеры сгорания 1 заполняется золой исходного сырья, в частности рисовой шелухи. Золу охлаждают путем отвода тепла из слоя и выводят через устройство 8, выполненное в виде шнекового конвейера, и патрубок 9 в качестве целевого твердого продукта. Утилизацию тепла отходящих газов осуществляют путем отвода тепла непосредственно из слоя через теплообменник 7. На выходе теплообменника 7 получают горячую воду или перегретый пар, которые можно использовать на технологические нужды, отопление, горячее водоснабжение или для выработки электроэнергии.

Охлажденные дымовые газы выводят из камеры сгорания 1 через патрубок 10, например, с помощью дымососа. Вывод охлажденных дымовых газов не сопровождается уносом с газами целевого твердого продукта, так как окислительный обжиг ведут в условиях свободного подъемного движения плотного слоя в режиме фильтрации. Целевой твердый готовый продукт, в частности диоксид кремния, из патрубка 9 направляют на упаковку.

Таким образом, предлагаемые способ получения диоксида кремния и тепловой энергии из кремнийсодержащих растительных отходов и установка для сжигания мелкодисперсных материалов позволяют упростить получение диоксида кремния и тепловой энергии в процессе энерготехнологической переработки, утилизацию кремнийсодержащих растительных отходов, а также повысить выход целевого твердого продукта, увеличить эффективность и экономичность способа и устройства в целом. При этом обжиг, отделение целевого твердого продукта от дымовых газов и утилизацию тепла отходящих газов осуществляют в одном технологическом объеме, что обеспечивает малые габариты установки. Кроме того, предлагаемая установка может быть эффективно использована для энерготехнологической переработки других аналогичных по свойствам материалов с указанным техническим результатом либо только для выработки тепловой энергии при сжигании дробленных твердых топлив или горючих отходов.

1. Способ получения диоксида кремния и тепловой энергии из кремнийсодержащих растительных отходов, включающий окислительный обжиг в непрерывном режиме предварительно подготовленного исходного сырья при движении плотного слоя в зоне горения с регулированием температуры горения, изменяя расход воды или пара, подаваемых в зону горения, и утилизацию тепла отходящих газов, отличающийся тем, что путем регулирования скорости подачи исходного сырья устанавливают режим горения, при котором максимум температур занимает неизменное положение по высоте камеры сгорания, а регулирование температуры горения и утилизацию тепла отходящих газов осуществляют путем отвода тепла непосредственно из слоя.

2. Установка для сжигания мелкодисперсных материалов, содержащая камеру сгорания с патрубком для подачи исходного сырья, распределительное устройство для подачи окислительного газа, растопочное устройство и трубопровод для подачи воды или пара в зону горения, размещенные в камере сгорания, теплообменник, охватывающий камеру сгорания или установленный внутри нее, устройство для вывода целевого твердого продукта и патрубок для отвода дымовых газов, отличающаяся тем, что патрубок для подачи исходного сырья, распределительное устройство для подачи окислительного газа и растопочное устройство расположены последовательно в нижней части камеры сгорания, трубопровод для подачи воды или пара установлен над растопочным устройством, а теплообменник выполнен охлаждающим.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что теплообменник заполнен циркулирующей водой или паром.