專利名稱：利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法
利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法
駄鰣
本發(fā)明是關(guān)于利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，是對(duì)在先專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?br> PCT/CN2007/000567)的補(bǔ)充和部分改進(jìn)。
背景技術(shù)：
生物質(zhì)材料主要從木材及森林廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、農(nóng)林加工殘余物、油料植物、動(dòng)物 糞便、城市鄉(xiāng)村生活垃圾等中獲取，具有可再生、低污染、分布廣、儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)，目前已被 廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。
生物質(zhì)材料含有大量碳、硅等元素，例如水稻、小麥、黃豆、玉米、高粱等農(nóng)作物秸桿, 谷殼、稻殼等，含碳量達(dá)30%左右，含氧化硅量可多達(dá)10% (灰分中含硅量多達(dá)60%)?？梢?， 生物質(zhì)材料也是一種重要的地表礦產(chǎn)資源工業(yè)原料，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)出現(xiàn)利用稻殼灰來生產(chǎn)硅 酸鈉、活性碳的方法。
在前述利用生物質(zhì)材料的濕法生產(chǎn)當(dāng)中，利用稻麥草或稻殼中硅元素的方式都是利用稻 麥草或稻殼等生物質(zhì)材料燃燒后的灰輝即草木求或稻殼灰，如中國專利申請(qǐng)?zhí)?1810425. 8中 所描述的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，利用氫氧化 鈉或氫氧化鉀或碳酸鈉或碳酸鉀或硫酸鈉或硫酸鉀等物質(zhì)對(duì)生物質(zhì)材料受熱裂解的促進(jìn)作用， 使生物質(zhì)材料能夠快速和容易地進(jìn)行分解，同時(shí)利用前述的含鈉或鉀的物質(zhì)在適當(dāng)高溫時(shí)與生 物質(zhì)材料中所含的氧化硅易于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的特性，獲得可工業(yè)化生產(chǎn)鈉或鉀的硅酸鹽的方 法；當(dāng)熱裂解是在缺氧狀態(tài)下進(jìn)行時(shí)，則同時(shí)可以獲得大量的粉末碳。該生產(chǎn)方法具有原料來 源豐富、設(shè)備成本低、工藝流程簡單的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，使生物質(zhì)材料 在受熱裂解時(shí)與反應(yīng)物直接接觸混合，加熱M"&應(yīng)溫度而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供一種直接生產(chǎn)粉狀或塊狀無水堿金屬硅酸鹽的干法 生產(chǎn)方法。由生物質(zhì)材料直接與反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)生成主產(chǎn)物為堿金屬硅酸鹽的化學(xué)反應(yīng)，所發(fā) 生的化學(xué)反應(yīng)選自但不局限于-
2NaOH + Si02 ===》Na2Si03 + H20;
Na2C03 + Si02 ===》Na2Si03 + C02;及
Na2S04 + Si02===》Na2Si03 + S03 ;
通式為Na20.X+Si02 ===》Na2Si03 + X。
依生物質(zhì)材料含硅量，分為三種情況。第一種情況，生物質(zhì)材料包括不含硅的生物質(zhì)材 料，反應(yīng)物包括含硅礦物質(zhì)與含堿金屬元素的化合物；第二種情況，生物質(zhì)材料為含硅生物質(zhì) 材料，反應(yīng)物包括按生物質(zhì)材料含硅量當(dāng)量配比的含堿金屬元素的化合物，該情況是本發(fā)明提 倡優(yōu)先采納的；第三種情況，生物質(zhì)材料包括^S和不含硅的生物質(zhì)材料，根據(jù)生物質(zhì)材料的 平均含硅量，加入當(dāng)量配比的含堿金屬元素的化合物和細(xì)石英粉。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，利用生物質(zhì)材料中含有大量碳的特點(diǎn)，將生物質(zhì)材料進(jìn)行有氧、 缺氧或無氧狀態(tài)下的熱裂解，以便生產(chǎn)制造粉末碳。
在本發(fā)明前述的利用方法中，可以先將生物質(zhì)材料與反應(yīng)物預(yù)先混合為混合物，再將 該混合物置入一密閉的爐窯內(nèi)或直接在爐窯內(nèi)裝填該混合物；再從內(nèi)部由電阻絲或外部， 或同時(shí)從內(nèi)部和外部加熱爐窯。該爐窯留有熱裂解氣體的出口，該裂解氣可以分離其各種 成分進(jìn)行利用，或作為燃料加熱該爐窯。
本發(fā)明相對(duì)f現(xiàn)有技術(shù)的效果是顯著的，具有如下有益效果本發(fā)明利用生物質(zhì)材料 直接與反應(yīng)物接觸同時(shí)進(jìn)行快速熱裂解生成粉末碳及硅酸鹽的生產(chǎn)，使生產(chǎn)過程快捷、工藝非 常簡單，而在先技術(shù)的生產(chǎn)步驟是先炭化生物質(zhì)材料，再利用鈉或鉀的堿或金屬鹽高溫處理炭 化后的生物質(zhì)材料來得到硅酸鹽和粉末碳或粉末狀活性炭。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
本發(fā)明提供一種利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)^鹽及粉末碳的方法。具體方法是繼續(xù)采用現(xiàn) 有干法生產(chǎn)硅酸鈉所采用的反應(yīng)物堿金屬氫氧化物或堿金屬無機(jī)酸鹽及細(xì)石英粉，對(duì)于各反 應(yīng)物的重量比例同現(xiàn)有技術(shù)中的比例相同，其中堿金屬是指鈉、鉀、鈣或鎂，優(yōu)選的是鈉、鉀 的堿金屬化合物，堿金屬無機(jī)酸鹽可以選自硫酸鹽和碳酸鹽。使所述反應(yīng)物與生物質(zhì)材料均勻 混合形成混合物，將混合物放置在一可密閉但帶有氣體出口的爐窯內(nèi)，在爐窯內(nèi)部混合物附近
4安置一電阻加熱裝置，加熱爐窯使?fàn)t窯內(nèi)部溫度升高至反應(yīng)物與氧化硅進(jìn)行反應(yīng)所需要的溫度 300-600攝氏度以上，為了利用生物質(zhì)熱裂解氣的能量，可將其作為燃料加熱爐窯減少加熱用
電，或者將裂解氣或反應(yīng)物分解產(chǎn)生的氣體中的成分(如含有的焦油、木醋液、可燃?xì)?、硫?化物等)分離后利用?；蛘郀t窯底部由爐篦托住待熱裂解的混合物，使混合物直接接觸用來加 熱爐窯的火焰，此時(shí)，裂解氣出口由管道連接并由引風(fēng)機(jī)形成爐窯內(nèi)負(fù)壓引出裂解氣。
其中，生物質(zhì)材料可選自例如水稻、小麥、黃豆、玉米、高粱等農(nóng)作物秸桿，谷殼、
稻殼等含硅量較多的生物質(zhì)材料；例如柴薪、野草、樹枝樹葉、鋸末、林場廢棄物、甘蔗 渣、糠醛渣、造紙廠加工廢棄物等含硅量少的生物質(zhì)材料。
實(shí)施例2
該實(shí)施例與實(shí)施例1的原理及效果相同，不再重述。區(qū)別是該實(shí)施例特別選擇不含硅的 生物質(zhì)材料，反應(yīng)物包括含硅礦物質(zhì)與含堿金屬元素的化合物。
不含硅生物質(zhì)材料選自野草、鋸末、樹枝樹葉；含堿金屬元素的化合物選自含堿金 屬元素的氫氧化物、堿金屬無機(jī)酸鹽及堿金屬有機(jī)酸鹽，其中含堿金屬元素的氫氧化物選自氫 氧化鈉及氫氧化鉀；堿金屬無機(jī)酸鹽選自碳酸鈉、碳酸鉀、硫酸鈉、硫酸鉀、鹽酸鈉、鹽酸 鉀、磷酸鈉及磷酸鉀；堿金屬有機(jī)酸鹽選自有機(jī)酸鈉鹽及有機(jī)酸鉀鹽；含硅礦物質(zhì)選自細(xì)石 英粉、硅藻土及白土。
由于鋸末、樹枝葉、野草等含硅量極低，為了得到所需模數(shù)的硅酸鹽，需添加足夠的細(xì) 石英粉?？梢韵葘⑹⑸胺勰┡c含堿金屬元素的化合物均勻混合后再與生物質(zhì)材料混合進(jìn)行燃 燒反應(yīng)，優(yōu)選的重量配比為不含硅生物質(zhì)材料含堿金屬元素的化合物(如氫氧化鈉)含硅 礦物質(zhì)= 2-3: 1: 0.7。
實(shí)施例3
該實(shí)施例與實(shí)施例2的原理及效果相同，不再重述。區(qū)別是該實(shí)施例特別選擇含硅的生 物質(zhì)材料，反應(yīng)物包括含堿金屬元素的化合物。
其中，含硅生物質(zhì)材料選自稻草、稻殼，麥草、玉米及高粱秸稈；含堿金屬元素的化 合物與實(shí)施例2完全相同，不再重述。
為得到所需模數(shù)的硅酸鹽，需將含堿金屬元素的化合物與生物質(zhì)材料中的氧化硅的重量 比例進(jìn)行相應(yīng)配比，由于主要的反應(yīng)產(chǎn)物的模數(shù)約為1 2，所以，以自然風(fēng)干的稻草中氧化 硅重量含量15 20%計(jì)算和示范，為充分利用經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高的含堿金屬元素的化合物，加入的稻草重量可超過反應(yīng)所需當(dāng)量，即稻草與含堿金屬元素的化合物的當(dāng)量重量優(yōu)選的比例可選擇 在3 10: l之間。
如選擇麥草秸稈，其含氧化硅平均為 5%，因此為了充分利用麥草放熱量以獲得最多的 硅酸鹽尤其是偏硅酸鹽產(chǎn)品，在混合麥草和含堿金屬元素的化合物時(shí)添加細(xì)石英粉，舉例而言， 重量比例為麥草氫氧化鈉石英=10: 1.5: 1時(shí)較為合適。
說明一下，所述含硅生物質(zhì)材料中還可以添加選自稻草、稻殼、麥草、玉米及高粱秸稈 的生物質(zhì)材料燃燒后的灰輝，能充分利用生物,料灰輝中未反應(yīng)完全的硅元素及作為發(fā)熱源 的碳元素。
實(shí)施例4
將實(shí)施例1-3中完全熱裂解后所得到的硅酸鹽及粉末碳的混合物溶于水中，經(jīng)過溶解過 濾，固體部分即可得到粉末狀的炭泥，炭泥經(jīng)過進(jìn)一步處理可以變成為活性炭，而液體部分則 含有大量的硅酸鹽物質(zhì)，經(jīng)過濃縮結(jié)晶即可以得到硅酸鹽的不同水合物。溶解結(jié)晶可以在同一 水池中進(jìn)行，優(yōu)選的水池形狀為長條形，在池子中央設(shè)有一過濾墻，使水池一分為二，其中一 個(gè)水池放入來自爐窯內(nèi)主要含粉末炭及硅酸鹽的產(chǎn)物,另一個(gè)水池是只含有擴(kuò)散自第一池內(nèi)的 硅酸鹽的水溶液。為使第二池內(nèi)的硅酸鹽水溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)形成硅酸鹽水合物(如硅酸鈉 的九水、五水合物)的結(jié)晶，將第一池內(nèi)始終保禱有未溶的固體硅酸鹽(也即達(dá)到保持第一池 內(nèi)硅酸鹽的濃度高于第二池內(nèi)硅酸鹽的濃度的目的)并相對(duì)于第二池內(nèi)的溶液溫度升高第一池 內(nèi)溶液的溫度(即第一和第二池之間有溫度剃度)。這樣就形成了硅酸鹽在第一池內(nèi)的飽和溶 解度高于第二池內(nèi)硅酸鹽所能夠有的飽和溶解度?；蛘邇蓚€(gè)池子同時(shí)升溫促進(jìn)硅酸鹽溶解后再 降低溶液溫度，尤其是降低第二個(gè)池子的溫度以使結(jié)晶主要發(fā)生在第二池內(nèi)，實(shí)現(xiàn)硅酸鹽和粉 末炭之間的分離。
本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)是為了解決使固體生物質(zhì)材料與反應(yīng)物混合在一起，使生物質(zhì)材料可在 未經(jīng)過其它特別處理的條件下直接與反應(yīng)物接觸，在受熱裂解時(shí)同時(shí)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)得到所需的 化學(xué)品。當(dāng)然，本發(fā)明所限定的工業(yè)化學(xué)反應(yīng)也不局限于前述的分解、還原、
氧化或合成等反應(yīng)，其它適用于本發(fā)明溫度范圍的進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的化學(xué)反
應(yīng)，只要是使生物質(zhì)材料在熱裂解時(shí)直接與反應(yīng)物混合接觸并完成化學(xué)反應(yīng)，
就應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，其特征在于，使生物質(zhì)材料在受熱裂解時(shí)與反應(yīng)物直接接觸混合，加熱至反應(yīng)溫度而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，其特征在于，所發(fā) 生的化學(xué)反應(yīng)是主產(chǎn)物為堿金屬硅酸鹽的化學(xué)反應(yīng)。
3. 如權(quán)利要求2所述的利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，其特征在于，所述 反應(yīng)物包括含堿金屬元素的化合物、以及細(xì)石英粉。
4. 如權(quán)利要求2所述的利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，其特征在于，所 述生物質(zhì)材料包括不含硅生物質(zhì)材料，反應(yīng)物包括含硅礦物質(zhì)與含堿金屬元素的化合物。
5. 如權(quán)利要求4所述的利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，其特征在于，所述不含硅生物質(zhì)材料選自野草、鋸末及樹枝樹葉；所述含堿金屬元素的化合物選自含 堿金屬元素的氫氧化物、堿金屬無機(jī)酸鹽及堿金屬有機(jī)酸鹽；所述含硅礦物質(zhì)選自細(xì)石英 粉、硅藻土及白土。
6. 如權(quán)利要求2所述的利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，其特征在于，所述生物質(zhì)材料為含硅生物質(zhì)材料，反應(yīng)物包括按生物質(zhì)材料含硅量當(dāng)量配比的含堿金屬元 素的化合物。
7. 如權(quán)利要求6所述的利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，其特征在于，所 述含硅生物質(zhì)材料選自稻草、稻殼、麥草、玉米及高粱秸稈；所述含堿金屬元素的化合 物選自含堿金屬元素的氫氧化物、堿金屬無機(jī)酸鹽及堿金屬有機(jī)酸鹽。
8. 如權(quán)利要求7所述的利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，其特征在于，所述 含堿金屬元素的氫氧化物選自氫氧化鈉、氫氧化鉀及氫氧化鈣；堿金屬無機(jī)酸鹽選自碳酸鈉、 碳酸鉀、硫酸鈉、硫酸鉀、鹽酸鈉、鹽酸鉀、磷酸鈉及磷酸鉀；堿金屬有機(jī)鹽酸選自有機(jī)酸 鈉鹽及有機(jī)酸鉀鹽。
9. 如權(quán)利要求7所述的利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，其特征在于，所述 含硅生物質(zhì)材料添加有選自稻草、稻殼、麥草、玉米及高粱秸稈的生物質(zhì)材料燃燒后的灰燼。
10. 如權(quán)利要求2所述的利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，其特征在于，所述 生物質(zhì)材料包括含硅和不含硅的生物質(zhì)材料，根'據(jù)生物質(zhì)材料的平均含硅量，加入當(dāng)量配比的 含堿金屬元素的化合物和細(xì)石英粉。
11. 如權(quán)利要求1所述的利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，其特征在于，所述 化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物在一由過濾墻分割的兩池子內(nèi)進(jìn)行過濾分離硅酸鹽和粉末炭的步驟，具體步驟包 括A、 將熱裂解和反應(yīng)產(chǎn)物放入第一池內(nèi)加熱溶解；B、 在第二池內(nèi)降溫結(jié)晶出硅酸鹽的水合物。
全文摘要
一種利用生物質(zhì)材料生產(chǎn)硅酸鹽及粉末碳的方法，使生物質(zhì)材料在受熱裂解時(shí)與反應(yīng)物直接混合接觸進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，如與含堿金屬元素的化合物反應(yīng)生產(chǎn)粉狀或塊狀的堿金屬硅酸鹽及粉末碳。本發(fā)明具有設(shè)備成本低、工藝簡單的效果。
文檔編號(hào)C01B33/00GK101450803SQ20071019911
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2007年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月8日
發(fā)明者秦才東 申請(qǐng)人:秦才東