稻壳综合利用在实现循环经济与节能减排中所起的重要作用

中国环境学会  2011年 03月31日

  成如山
     湖南益阳粒粒晶粮食购销有限公司  湖南益阳市赫山区兰溪镇 邮编:413045
   
  摘  要
  我国年产稻谷2亿多吨,可得稻壳4千多万吨,过去都是一烧了之,其CO2排量达6000万吨,还造成500多万吨高品质SiO2的浪费和污染。但若在全国推广我们研发的具有原创性完全自主知识产权的“稻壳综合利用技术”,每年不仅能生产800万吨活性炭和500万吨SiO2及1000万吨煤气,从而实现了稻米加工的完整生产链,既可减排CO23600万吨,又可节约生产同样多活性炭和SiO2所消耗的2000万吨优质煤,还可减排CO23100万吨。


  一、稻壳的构造成分与其产品的优势
  (一)经大量试验检测,自然、干燥、纯净稻壳内所含各成分的重量百分比如下表所示:
    表1.  稻壳构造成分的重量百分比

  成分

SiO2

有机物

植物水

微量元素:钾、钠、钙、镁、锰、铁、磷、铝

钙、镁、锰、铁、磷、铝

重量比(%

20

14

30

34

2

  由表1.可知,从理论上讲,将1吨稻壳缺氧闷烧(炭化与活化),能得到200kg活性炭、140kgSiO2、300kg煤气、340kg植物水,但实际生产中只能得到这些产品的70~90%。由表1又可知,用稻壳生产的活性炭、SiO2等所有产品中,不含对人体和环境有毒有害的物质。稻壳活性炭的质量可与世界上最好的椰壳活性炭相媲美。
  (二)稻壳过去都是一烧了之,如果在大气中焚烧,其中的碳与有机可燃性气体(如甲烷CH4),都将生成CO2而排放至空中。按下列燃烧方程:
  C+O2——→CO2↑              (1)
  CH4+2O2——→CO2↑+HO2        (2)
  2CO+O2——→2CO2↑           (3)
  可算出燃烧1吨稻壳,可排放出CO2:
  X=44/12×0.18+44/16×0.30=1.48(吨)。
  由此知,全国每年焚烧稻壳的CO2排放量达6000万吨,浪费的SiO2和植物水分别为500万吨和1200万吨。散落在大地上的SiO2还会污染环境。
  我们发明的具有原创性完全自主知识产权的“稻壳综合利用技术”(已申请了国家发明专利和国际专利,申请号分别为2009100437864和PTC      ),可将稻壳一次性制成活性炭、硅酸钾(钠)水玻璃或SiO2、或磷酸硅、煤气、无菌植物水(能止痒止痛治病),排放到大气中的只是少量水蒸汽(煤气的余热几乎都被利用了)。这就能使每年减排3600万吨。
  此外,目前国内90%以上的活性炭和几乎100%的SiO2都是用煤烧制成的,所以,如果这些稻壳活性炭和稻壳SiO2用煤来烧制,因烧制1吨煤质活性炭要1吨煤作为原料,还要烧掉0.6吨煤,则每年要耗煤1280万吨,其中烧掉480万吨,产生CO21700万吨;烧制SiO2要烧掉煤500×0.8=400万吨,产生CO21440万吨。所以,用稻壳活性炭和SiO2取代用煤烧制活性炭和SiO2,不仅提高了两者的品质和降低了两者的成本,还使CO2 减排了3000多万吨,同时,每年还节约了作为不可再生能源的煤800万吨。
  由以上可知,本发明真正实现了稻米加工的完整生产链,达到了循环经济的要求。完全符合建立节约型和环保型的和谐社会的科学发展观的要求。


  二、生产流程与设备


  (一)本技术的生产流程路线是:
     (二)主要设备:
  1、主要设备:(1)炭化与活化炉:自行设计与建造,已申请了国家发明专利和国际专利PTC。
  (2)反应釜:购置与改进。
  (3)真空过滤(固液分离)机,除真空泵外,其余自行设计制造。
  (4)干燥与活化炉:自行设计与建造,已申请了国家发明专利。
  (5)粉碎机:购置与改造相结合。
  2、炭化与活化炉:这是本技术能否成功的核心设备,具有原创性完全自主知识产权。
  (1)对炉体的主要要求:①炉膛能耐1200℃以上的高温,且炉的外表温度不能超过50℃;②除设计建造的通风口外,其余须密封良好;③炉体坚固,能耐振动筛的长期振动;④进料与出料及时顺畅;⑤炉内各温度应能用抽风量与振动筛来控制;⑥各区域温度应显示准确、正常;⑦各部分炭化与活化温度都均匀;⑧操作安全不起火、不爆炸、稳定、可靠。⑨出了问题应能及时发现与排除。
  (2)炉的结构(如图1)与各区域的功能及温度。
  炭化与活化流程(如图2):稻壳——→入振动筛——→抽风除尘过滤——→提升入炉顶加料区——→开振动筛——→稻壳经隔离区(T9≤150℃)——→落入预热干燥区(T8≤250℃)——→第一次出料时落入炭化区(T7≤450℃)——→第二次出料时落入初期活化区(T6≤650℃)——→第三次出料时落入中度活化区(T5≤850℃)——→第四次出料时落入高度活化区(T4≤1000℃)——→第五次出料时落入保温区(T3≤900℃)——→第六次出料时落入冷却区(T2≤700℃)——→第七次出料时落入点火出料区(T1≤350℃)——→第八次出料时落入接料区的车箱内(箱内盛有稀盐酸溶液)——→入酸池浸泡搅拌或入釜反应。当各温度超过所预定的最高值时,则以红灯和电铃提出警告,每出一次料,加料区的振动筛便筛一次料,并随着出料次数的增加而依次落到下方的区域受热升温或放热降温,在相继下落过程中逐步完成炭化、活化,保持活化至出炉。相邻两次出料之间相隔的时间为20~50分钟,即稻壳在炉内的时间为3~6小时(点火过程除外)。
  (3)收集煤气:试验表明:煤气主要是在150~850℃(即干燥中区与炭化区及活化区)间产生的,这些气体主要是CO与少量甲烷(CH4)。这是因为在这些区域盖有很厚的稻壳,又在不断向上抽风,故其内空气很少,在这个温度范围内能够而且只能够生成CO,而CO又无法生成CO2。
  (4)收集水汽:在预热干燥区,稻壳会释放出本身所存有的水份,与煤气一起被排烟机抽走,为了使煤气与水汽分离,以仅保证煤气的干燥度,在刚出炉顶的排烟管道部位安装了冷凝器或余热利用器,当煤气与水汽进入冷凝器后,水汽遇冷便凝成水而落入冷凝器下方的桶内,而含水量大为减少的煤,被压缩机吸走并压入煤气贮存罐内待用(如用来发电)。
  3、酸池:池内一般放置稀盐酸,当加入炭料后开始搅拌,目的是除去炭渣中的金属离子,(变成表1中那些金属的氯酸盐,当过滤时被液体带走)。有时为了加速除去这些金属离子,也可将出炉的炭料和盐酸入釜进行加热反应。
  酸洗后用水洗至中性,再进行干燥。
  4、碱煮以收集水玻璃:碱可用KOH或NaOH或Na2CO3或Na2HCO3,
  其用量由下列反应方程决定:
  2KOH+3.5SiO2——→K2O·3.5SiO2+H2O          (4)
  1吨稻壳含SiO2140kg,由(4)式算出1吨稻壳需要KOH75kg,水溶液浓度约15%。
  2NaOH+3.5 SiO2——→Na2 O·3.5SiO2+ H2O     (5)    
  Na2CO3+3.5SiO2——→Na2O·3.5SiO2+CO2                (6)
  2NaHCO3+3.5SiO2——→Na2O·3.5SiO2+2CO2+ H2O  (7)
  分离1吨稻壳中的SiO2,由(5)、(6)、(7)式可算出需要NaOH或Na2CO3或NaHCO3分别为54kg、71kg、112kg,其水溶液浓度约为10%~20%。
  注入反应釜内搅拌并加热,反应后将其流放至真空过滤分离器内,将液(水玻璃)—固(活性炭渣)分离。液体再沉淀——真空过滤——脱色——高模数水玻璃。亦可在液固分离后加入盐酸使其生成白色沉淀物(SiO2),再液固分离而得到高品质SiO2。    (8)
  如果不生产水玻璃或SiO2,也可加磷酸按:
  4H3PO4+3SiO2——→Si3(PO4)4+6H2O生产水玻璃固化剂—磷酸硅。
  5、生产活性炭:将上述炭渣水洗至中性,进行第二次干燥,再用稀磷酸水溶液入反应釜浸煮,其目的是第一:使炭渣中尚未与碱反应的SiO2与H3PO4反应生成磷酸硅Si3(PO4)4,以提高活性类的纯度与吸附值;第二:利用H3PO4的强扩散力将炭粒上微孔、中孔、大孔内的堵塞物(固态、气态、杂质)清洗掉,以增加其比表面积,提高吸附值。煮洗完成后,流放至真空过滤器进行液固分离。其液体贮存以重复使用;炭渣再水洗至中性,进行第三次干燥活化,出炉后依需要决定是否粉碎或粉碎的粒度,包装入库。
  如果是用来压制稻壳活性炭型材,则在碱煮后不再水洗,让其中含有适量比例的水玻璃作为粘胶剂以便成型;用H3PO4煮后也不再水洗,让其中含有适量的磷酸硅Si3(PO4)4,使成型干燥活化后的型材不再被水解而损坏。这是因为Si3(PO4)4是水玻璃胶的最好固化剂。


  三、成本与利润


  以每个班(8小时)生产1吨活性炭(同时产3吨水玻璃与1吨煤气)进行概算。
  (一)原材料成本:
  1、稻壳:生产1吨活性炭需5.5吨稻壳,以单价250元/吨计算需要1375元
  2、盐酸:需浓度30%的盐酸200kg,单价700元/吨,需140元,可重复用3次,计50元。
  3、NaOH:需纯度98%者320kg,单价2500元/吨,计800元。
  4、H3PO4:需浓度85%者80kg,单价5500元/吨,需440元,可重复用3次,计150元。
  5、水:需10吨,计15元。
  以上原材料成本共计:2340元
  (二)电费:平均电费以0.9元/度计算:
  1、炭化与活化除尘、排烟:压缩机120度,计108元。
  2、两次反应釜:360度,计324元。
  3、两次水煮:160度,计144元。
  4、五次真空分离:160度,计144元。
  5、三次干燥:650度,计585元。
  6、粉碎:100度,计90元。
  以上电费共计:1395元
  (三)工人工资:8人月工资1800元,每班每人70元,全班560 元。 

  管理费、房屋设备折旧、税收除外,共耗4345元。
  (二)产值: 

  1、活性炭:单价7000元/吨,计7000元。 

  2、水玻璃:3吨,单价700元/吨,计2100元
  3、煤气:1吨,单价2000元/吨,计2000元
  4、低碳减排:3.5吨,单价150元/吨,计525元
  (三)毛利润:1、只计活性炭和水玻璃产值:计4755元。
  2、四个产品产值都计算:计7255元。


  四、结论


  (一)稻壳综合利用技术,能变废为宝,实现了稻米加工的完整生产链,可为实现循环经济作出重要贡献。
  (二)走出了一条低碳减排新路子,能为全国乃至全球创建节约型、环保型社会作出巨大贡献。
  (三)稻壳综合利用技术,能将稻壳的经济价值提高数十倍,又能增加不少就业岗位,能为创建文明和谐的小康社会作出贡献。
   
  五、请求
  综上所述,该项目的经济效益与社会效益是巨大的,可以毫不夸张地说,该项目不亚于国内外的任何一个重大项目,既如此,我们请求中国环境学会组织专家实地参观与论证,并协同国家相关部门从各方面大力支持该项目,使其尽快做大做强,使三农得到更多实惠,为国家多作贡献!
  参考资料
  【1】成如山  稻壳综合利用制取活性炭和稻壳焦油并联产水玻璃或磷酸硅的方法,发明专利:申请号200910043786.4   已公示。
  【2】专利号ZL93103043.9制取无定型白炭黑和活性炭新工艺。
  【3】专利号ZL99811256.9苛化煮解稻壳灰制备的高活性炭及其制备方法。
  【4】活性炭  中国化工百科全书  第13卷。
  【5】活性炭标准:化工产品标准汇编,中国化工产品标准编辑部,中国标准出版社2002年出版。
  作者:成如山
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