以生物质为原料生产白炭黑和高品质活性炭

一、概述：

　　本文所述生物质指农业副产物——稻壳、花生壳和秸秆，其在能源领域的应用，一是通过热裂解的办法，将所含木质素、半木质素、纤维素、半纤维素分解，使转化为主要成份为H₂、CH₄和CO的可燃性气体，或经进一步处理制得液态生物质燃料，生产过程有化学组成为二氧化硅、炭的炭渣产生。二是将其直接作为燃料使用，燃烧后所剩余的灰烬主要成分为二氧化硅。稻壳是大米加工的主要副产品之一，约占稻谷籽粒重量的20%，其主要成分是纤维素、半纤维素、木质素、半木质素和二氧化硅等，稻谷品种及产地不同，其组成有所差别，大致组成为：粗纤维33.5%~45%、木质素21%~26%、灰分13%~22%（其中80%~90%为二氧化硅）、水分7.5%~15%。2023年我国稻谷产量20660.3万吨，稻壳约占稻谷籽粒重量的20%，也就是说，2023年我国稻壳的产量约为4132.06万吨。

　　花生壳是豆科植物花生的果壳，约占花生质量的30%。花生壳营养成分中干物质占90.3%，其中粗蛋白质4.8%～7.2%，粗脂肪1%～1.1%，粗纤维素65.7%～79.3%，半纤维素10.1%，可溶性碳水化合物为10.6%～21.2%。2023年我国花生产量1923.1万吨，花生壳约占花生重量的30%，也就是说，2023年我国花生壳的产量约为576.9万吨。

　　秸秆是指水稻、小麦、玉米等禾本科农作物成熟脱粒后剩余的茎叶部分，其主要成份有纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白和低分子碳水化合物。2023年我国的粮食作物秸秆产量为9.4亿吨，其中水稻、小麦、玉米三大作物占了90%以上。

　　稻壳炭的产生量约占稻壳质量的30%，花生壳炭的产生量约占花生壳质量的20~30%，秸秆炭的产生量约占秸秆质量的25%。稻壳灰、花生壳灰的产生量约占稻壳、花生壳质量的10~15%，秸秆灰的产生量约占秸秆质量的10~17%。

　　综上所述，稻壳、花生壳、秸秆气化及燃烧过程所产生的炭渣及灰烬主要成份为二氧化硅和炭，不含有害成份，可作为生产白炭黑和优质活性炭的原料。

二、产品介绍产品介绍

1. 活性炭

　　活性炭主要是以木炭、木屑、各种果壳（椰子壳、杏壳、核桃壳等）、农产品副产物（稻壳、花生壳、玉米芯等）、煤炭和石油焦等高含碳物质为原料，经碳化、活化而制得的多孔性吸附剂，元素组成主要为碳，其次还含有少量的氢、灰分、氧及微量的硫等。活性炭基本上是非结晶性物质，它由微细的石墨状结晶和将它们联系在一起的碳、氢化合物构成。其固体部分之间的间隙形成孔隙，赋予活性炭所特有的吸附性能。

　　根据制造方法、外观形状、用途功能及孔径大小的不同，可以将活性炭分为不同种类。从形态看，可以分为颗粒活性炭和粉末活性炭，而颗粒活性炭又可分为无定型炭和定型炭两大类。根据生产原料的不同，可以将活性炭分为焦木质活性炭（包括果壳基活性炭、稻壳基活性炭等）、石油基活性炭、煤基活性炭和树脂基活性炭。根据功能的不同，可以分为液体吸附、气体吸附、催化等活性炭。按制造方法又分为物理法、化学法和物理化学法活性炭。

　　活性炭含有大量微孔，具有巨大无比的表面积，能有效地去除色度、臭味，可去除二级出水中大多数有机污染物和某些无机物，包含某些有毒的重金属，被广泛用于污水处理、大气污染防治、化工、食品加工、冶金、药物精制、军事化学防护等领域。在治理环境污染方面越来越显示出其的美好前景。

2.白炭黑

　　白炭黑为高度分散状的无定形粉末或絮状粉末，质轻，具有很高的电绝缘性、多孔性和吸水性。其原始颗粒粒径小于3um，比表面积大，具有很好的补强和增粘作用以及良好的分散、悬浮和振动液化特性，广泛应用于塑料、橡胶、造纸、涂料、染料和油墨等十几个领域，尤其是在橡胶行业，白炭黑以其优越的补强性和透明性得到广泛应用。

　　从产品质量上分，白炭黑产品可分为普通沉淀法白炭黑、高分散白炭黑和气相法白炭黑。从生产方法来说，白炭黑产品可分为盐酸法、硫酸法、硝酸法、二氧化碳酸化法和气相法。长期以来，白炭黑的生产受我国产业政策所限制，但二氧化碳酸化法和气相法生产白炭黑不在限制之列。

三、以生物质为原料生产白炭黑和活性炭工艺介绍以生物质为原料

1.由稻壳、花生壳和秸秆生产白炭黑和活性炭

　　（1） 工艺过程

　　将稻壳或花生壳、秸秆送入热裂解装置，控制工艺条件进行裂解，使所含木质素、半木质素、纤维素、半纤维素转化为主要成份为CO、CH₄、H₂的可燃性气体，裂解过程所产生的炭渣用作生产白炭黑和活性炭的原料。所得生物质燃气用作锅炉燃料或作为商品出售。

　　将所得炭渣送水玻璃制备工序，经碱浸、过滤制得水玻璃，碱浸所用碱浸剂既可以是氢氧化钠，也可以氢氧化钾。

　　将所得水玻璃精滤后送晶种制备工序，以二氧化碳为沉析剂，控制工艺条件制得白炭黑晶种，然后将晶种转入碳沉析反应器，加入水玻璃和二氧化碳控制工艺条件进行碳沉析反应，经反应生成白炭黑沉淀。将沉淀过滤、洗涤、干燥收得轮胎用白炭黑产品。

　　分离白炭黑过程所产生的白炭黑母液主要成份为碳酸钠、碳酸氢钠，在以氢氧化钾为碱溶剂时为碳酸钾、碳酸氢钾，处理方式：

　　回收纯碱或碳酸钾：

　　将所得白炭黑母液精滤脱硅后送蒸发工序，经蒸发、结晶、分离收得碳酸钠、碳酸氢钠的混合物或碳酸钾、碳酸氢钾的混合物和母液，控制工艺条件进行干燥、灼烧，使其中所含的碳酸氢钠或碳酸氢钾分解转化为碳酸钠或碳酸钾，制得质量符合GB/T 210-2022和GB/T 1587-2016标准要求的碳酸钠或碳酸钾产品。分离所得母液送蒸发工序进一步蒸发回收碳酸钠或碳酸钾。

　　碱浸滤饼主要成分为碳，送活性炭生产工序，经干燥、浸渍、活化、漂洗、干燥、包装等处理制得优质活性炭。

　　（2） 产品执行标准

　　高品质活性炭：执行GB/T 37386-2019超级电容器用活性炭或GB 1886.363-2022食品级活性炭标准。

　　轮胎用白炭黑：执行HG/T3061-2020标准。

　　（3） 主要经济技术指标

　　以稻壳为例：

　　SiO₂浸出率：≥96%。  

     SiO₂收得率：≥98%（以浸出率为基数）。

　　C收得率：≥95%。

　　（4） 生产成本（按每处理1t稻壳计）

 

　　注：每处理1t稻壳，稻壳炭产生量按300kg计，稻壳炭化学组成：SiO₂ 50%，C 45%。

　　（5）产品产量及销售收入（按每处理1t稻壳计）

　　注：稻壳热裂解过程所产生的可燃性气体未计入收入。

　　（6） 利润

　　每处理1t稻壳，生产成本1919元，销售收入4061元，税后净利润2142元。

2. 由稻壳炭、花生壳炭或秸秆炭生产白炭黑和活性炭

　　（1） 工艺过程

　　将经热裂解产生的稻壳炭或花生壳炭或秸秆炭送水玻璃制备工序，经碱浸、过滤制得水玻璃。

　　将所得水玻璃精滤后送晶种制备工序，以二氧化碳为沉析剂，控制工艺条件制得白炭黑晶种，然后将晶种转入碳沉析反应器，加入水玻璃和二氧化碳，控制工艺条件进行碳沉析反应，经反应生成白炭黑沉淀。将沉淀过滤、洗涤、干燥制得轮胎用白炭黑产品。

　　分离白炭黑过程所产生的白炭黑母液主要成份为碳酸钠、碳酸氢钠，处理方式：

　　回收氢氧化钠循环使用：

　　将所得白炭黑母液精滤脱硅后与苛化剂反应生成碳酸钙、氢氧化钠，经过滤收得碳酸钙和液体氢氧化钠。所得碳酸钙干燥后入库、待售，将所得液体氢氧化钠调整浓度后返回水玻璃制备工序循环用作碱浸剂。

　　碱浸滤饼主要成分为碳，送活性炭生产工序，经干燥、浸渍、活化、漂洗、干燥、包装等处理制得优质活性炭。

　　（2） 产品标准

　　高品质活性炭：执行GB/T 37386-2019超级电容器用活性炭或GB 1886.363-2022食品级活性炭标准。

　　轮胎用白炭黑：执行HG/T3061-2020标准。

　　3.2.3 主要经济技术指标

　　以稻壳经热裂解所产生的稻壳炭为例，稻壳炭SiO₂ 42.2%，C 40%。

　　SiO₂浸出率：≥96.5%。

     SiO₂收得率：≥98.6%（以浸出率为基数）。

　　C收得率：≥96%。

　（4） 生产成本（按每处理1t稻壳计）

 

　　（5） 产品产量及销售收入（按每处理1t稻壳炭计）

 

　　（6） 利润

　　每处理1t稻壳炭，生产成本2845.8元，销售收入6837元，税后净利润3991.2元。

3.由稻壳灰、花生壳灰或秸秆灰生产白炭黑

　　（1） 工艺过程

　　将稻壳灰或花生壳灰或秸秆灰送水玻璃制备工序，经碱浸、过滤制得水玻璃。

　　将所得水玻璃精滤后送晶种制备工序，以二氧化碳为沉析剂，控制工艺条件制得白炭黑晶种，然后将晶种转入碳沉析反应器加入水玻璃和二氧化碳，控制工艺条件进行碳沉析反应，经反应生成白炭黑沉淀。将沉淀过滤、洗涤、干燥收得轮胎用白炭黑产品。

　　分离白炭黑过程所产生的白炭黑母液主要成份为碳酸钠、碳酸氢钠，处理方式：

　　回收氢氧化钠循环使用：

　　将所得白炭黑母液精滤脱硅后与苛化剂反应生成碳酸钙、氢氧化钠，经过滤收得碳酸钙和液体氢氧化钠。所得碳酸钙干燥后入库、待售，将所得液体氢氧化钠调整浓度后返回水玻璃制备工序循环用作碱浸剂。

 

　　3.3.2 产品执行标准

　　轮胎用白炭黑：执行HG/T3061-2020标准。

　　3.3.3 主要经济技术指标

　　以花生壳经燃烧所产生的花生壳灰为例，SiO₂ 85%。

　　SiO₂浸出率：≥97.2%。

     SiO₂收得率：≥98.5%（以浸出率为基数）。

　　3.3.4 生产成本（按每处理1t稻壳灰计）

 

　　3.3.5 产品产量及销售收入（按每处理1t稻壳灰计）

　　3.3.6 利润

　　每处理1t稻壳灰，生产成本3583.5元，销售收入5957.5元，税后净利润2374元。

3.4 环保

　　工艺过程无废水、废渣排放，工艺尾气达标排放。生产过程通过对白炭黑母液的处理回收氢氧化钠（氢氧化钾）或碳酸钠（碳酸钾），实现了白炭黑生产过程工艺废水的零排放，具有明显的成本优势、经济效益优势和环保优势。

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结语

 

　　以稻壳、花生壳、秸秆及稻壳炭（灰）、花生壳炭（灰）、秸秆炭（灰）为原料生产轮胎用白炭黑和高品质活性炭，技术成熟、可靠，经济效益显著，为农业副产物的资源化利用开辟了一条新途径。同时采用二氧化碳沉析法生产白炭黑符合国家产业政策，生产过程无三废排放，可以创造良好的生态效益和社会效益，具有可观的发展前景。

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概述

 

　　本文所述生物质指农业副产物——稻壳、花生壳和秸秆，其在能源领域的应用，一是通过热裂解的办法，将所含木质素、半木质素、纤维素、半纤维素分解，使转化为主要成份为H₂、CH₄和CO的可燃性气体，或经进一步处理制得液态生物质燃料，生产过程有化学组成为二氧化硅、炭的炭渣产生。二是将其直接作为燃料使用，燃烧后所剩余的灰烬主要成分为二氧化硅。

　　稻壳是大米加工的主要副产品之一，约占稻谷籽粒重量的20%，其主要成分是纤维素、半纤维素、木质素、半木质素和二氧化硅等，稻谷品种及产地不同，其组成有所差别，大致组成为：粗纤维33.5%~45%、木质素21%~26%、灰分13%~22%（其中80%~90%为二氧化硅）、水分7.5%~15%。2023年我国稻谷产量20660.3万吨，稻壳约占稻谷籽粒重量的20%，也就是说，2023年我国稻壳的产量约为4132.06万吨。

 

　　花生壳是豆科植物花生的果壳，约占花生质量的30%。花生壳营养成分中干物质占90.3%，其中粗蛋白质4.8%～7.2%，粗脂肪1%～1.1%，粗纤维素65.7%～79.3%，半纤维素10.1%，可溶性碳水化合物为10.6%～21.2%。2023年我国花生产量1923.1万吨，花生壳约占花生重量的30%，也就是说，2023年我国花生壳的产量约为576.9万吨。

　　秸秆是指水稻、小麦、玉米等禾本科农作物成熟脱粒后剩余的茎叶部分，其主要成份有纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白和低分子碳水化合物。2023年我国的粮食作物秸秆产量为9.4亿吨，其中水稻、小麦、玉米三大作物占了90%以上。

　　稻壳炭的产生量约占稻壳质量的30%，花生壳炭的产生量约占花生壳质量的20~30%，秸秆炭的产生量约占秸秆质量的25%。稻壳灰、花生壳灰的产生量约占稻壳、花生壳质量的10~15%，秸秆灰的产生量约占秸秆质量的10~17%。

　　综上所述，稻壳、花生壳、秸秆气化及燃烧过程所产生的炭渣及灰烬主要成份为二氧化硅和炭，不含有害成份，可作为生产白炭黑和优质活性炭的原料。

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产品介绍

 

2.1 活性炭

　　活性炭主要是以木炭、木屑、各种果壳（椰子壳、杏壳、核桃壳等）、农产品副产物（稻壳、花生壳、玉米芯等）、煤炭和石油焦等高含碳物质为原料，经碳化、活化而制得的多孔性吸附剂，元素组成主要为碳，其次还含有少量的氢、灰分、氧及微量的硫等。活性炭基本上是非结晶性物质，它由微细的石墨状结晶和将它们联系在一起的碳、氢化合物构成。其固体部分之间的间隙形成孔隙，赋予活性炭所特有的吸附性能。

 

　　根据制造方法、外观形状、用途功能及孔径大小的不同，可以将活性炭分为不同种类。从形态看，可以分为颗粒活性炭和粉末活性炭，而颗粒活性炭又可分为无定型炭和定型炭两大类。根据生产原料的不同，可以将活性炭分为焦木质活性炭（包括果壳基活性炭、稻壳基活性炭等）、石油基活性炭、煤基活性炭和树脂基活性炭。根据功能的不同，可以分为液体吸附、气体吸附、催化等活性炭。按制造方法又分为物理法、化学法和物理化学法活性炭。

　　活性炭含有大量微孔，具有巨大无比的表面积，能有效地去除色度、臭味，可去除二级出水中大多数有机污染物和某些无机物，包含某些有毒的重金属，被广泛用于污水处理、大气污染防治、化工、食品加工、冶金、药物精制、军事化学防护等领域。在治理环境污染方面越来越显示出其的美好前景。

2.2 白炭黑

　　白炭黑为高度分散状的无定形粉末或絮状粉末，质轻，具有很高的电绝缘性、多孔性和吸水性。其原始颗粒粒径小于3um，比表面积大，具有很好的补强和增粘作用以及良好的分散、悬浮和振动液化特性，广泛应用于塑料、橡胶、造纸、涂料、染料和油墨等十几个领域，尤其是在橡胶行业，白炭黑以其优越的补强性和透明性得到广泛应用。

 

　　从产品质量上分，白炭黑产品可分为普通沉淀法白炭黑、高分散白炭黑和气相法白炭黑。从生产方法来说，白炭黑产品可分为盐酸法、硫酸法、硝酸法、二氧化碳酸化法和气相法。长期以来，白炭黑的生产受我国产业政策所限制，但二氧化碳酸化法和气相法生产白炭黑不在限制之列。

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以生物质为原料生产白炭黑和活性炭工艺介绍

 

3.1 由稻壳、花生壳和秸秆生产白炭黑和活性炭

　　3.1.1 工艺过程

　　将稻壳或花生壳、秸秆送入热裂解装置，控制工艺条件进行裂解，使所含木质素、半木质素、纤维素、半纤维素转化为主要成份为CO、CH₄、H₂的可燃性气体，裂解过程所产生的炭渣用作生产白炭黑和活性炭的原料。所得生物质燃气用作锅炉燃料或作为商品出售。

　　将所得炭渣送水玻璃制备工序，经碱浸、过滤制得水玻璃，碱浸所用碱浸剂既可以是氢氧化钠，也可以氢氧化钾。

　　将所得水玻璃精滤后送晶种制备工序，以二氧化碳为沉析剂，控制工艺条件制得白炭黑晶种，然后将晶种转入碳沉析反应器，加入水玻璃和二氧化碳控制工艺条件进行碳沉析反应，经反应生成白炭黑沉淀。将沉淀过滤、洗涤、干燥收得轮胎用白炭黑产品。

　　分离白炭黑过程所产生的白炭黑母液主要成份为碳酸钠、碳酸氢钠，在以氢氧化钾为碱溶剂时为碳酸钾、碳酸氢钾，处理方式：

　　回收纯碱或碳酸钾：

　　将所得白炭黑母液精滤脱硅后送蒸发工序，经蒸发、结晶、分离收得碳酸钠、碳酸氢钠的混合物或碳酸钾、碳酸氢钾的混合物和母液，控制工艺条件进行干燥、灼烧，使其中所含的碳酸氢钠或碳酸氢钾分解转化为碳酸钠或碳酸钾，制得质量符合GB/T 210-2022和GB/T 1587-2016标准要求的碳酸钠或碳酸钾产品。分离所得母液送蒸发工序进一步蒸发回收碳酸钠或碳酸钾。

　　碱浸滤饼主要成分为碳，送活性炭生产工序，经干燥、浸渍、活化、漂洗、干燥、包装等处理制得优质活性炭。

　　3.1.2 产品执行标准

　　高品质活性炭：执行GB/T 37386-2019超级电容器用活性炭或GB 1886.363-2022食品级活性炭标准。

　　轮胎用白炭黑：执行HG/T3061-2020标准。

　　3.1.3 主要经济技术指标

　　以稻壳为例：

　　SiO₂浸出率：≥96%。  

     SiO₂收得率：≥98%（以浸出率为基数）。

　　C收得率：≥95%。

　　3.1.4 生产成本（按每处理1t稻壳计）

 

　　注：每处理1t稻壳，稻壳炭产生量按300kg计，稻壳炭化学组成：SiO₂ 50%，C 45%。

　　3.1.5 产品产量及销售收入（按每处理1t稻壳计）

　　注：稻壳热裂解过程所产生的可燃性气体未计入收入。

　　3.1.6 利润

　　每处理1t稻壳，生产成本1919元，销售收入4061元，税后净利润2142元。

3.2 由稻壳炭、花生壳炭或秸秆炭生产白炭黑和活性炭

　　3.2.1 工艺过程

　　将经热裂解产生的稻壳炭或花生壳炭或秸秆炭送水玻璃制备工序，经碱浸、过滤制得水玻璃。

　　将所得水玻璃精滤后送晶种制备工序，以二氧化碳为沉析剂，控制工艺条件制得白炭黑晶种，然后将晶种转入碳沉析反应器，加入水玻璃和二氧化碳，控制工艺条件进行碳沉析反应，经反应生成白炭黑沉淀。将沉淀过滤、洗涤、干燥制得轮胎用白炭黑产品。

　　分离白炭黑过程所产生的白炭黑母液主要成份为碳酸钠、碳酸氢钠，处理方式：

　　回收氢氧化钠循环使用：

　　将所得白炭黑母液精滤脱硅后与苛化剂反应生成碳酸钙、氢氧化钠，经过滤收得碳酸钙和液体氢氧化钠。所得碳酸钙干燥后入库、待售，将所得液体氢氧化钠调整浓度后返回水玻璃制备工序循环用作碱浸剂。

　　碱浸滤饼主要成分为碳，送活性炭生产工序，经干燥、浸渍、活化、漂洗、干燥、包装等处理制得优质活性炭。

　　3.2.2 产品标准

　　高品质活性炭：执行GB/T 37386-2019超级电容器用活性炭或GB 1886.363-2022食品级活性炭标准。

　　轮胎用白炭黑：执行HG/T3061-2020标准。

　　3.2.3 主要经济技术指标

　　以稻壳经热裂解所产生的稻壳炭为例，稻壳炭SiO₂ 42.2%，C 40%。

　　SiO₂浸出率：≥96.5%。

     SiO₂收得率：≥98.6%（以浸出率为基数）。

　　C收得率：≥96%。

　　3.2.4 生产成本（按每处理1t稻壳计）

 

　　3.2.5 产品产量及销售收入（按每处理1t稻壳炭计）

 

　　（6） 利润

　　每处理1t稻壳炭，生产成本2845.8元，销售收入6837元，税后净利润3991.2元。

3. 由稻壳灰、花生壳灰或秸秆灰生产白炭黑

　　（1）工艺过程

　　将稻壳灰或花生壳灰或秸秆灰送水玻璃制备工序，经碱浸、过滤制得水玻璃。

　　将所得水玻璃精滤后送晶种制备工序，以二氧化碳为沉析剂，控制工艺条件制得白炭黑晶种，然后将晶种转入碳沉析反应器加入水玻璃和二氧化碳，控制工艺条件进行碳沉析反应，经反应生成白炭黑沉淀。将沉淀过滤、洗涤、干燥收得轮胎用白炭黑产品。

　　分离白炭黑过程所产生的白炭黑母液主要成份为碳酸钠、碳酸氢钠，处理方式：

　　回收氢氧化钠循环使用：

　　将所得白炭黑母液精滤脱硅后与苛化剂反应生成碳酸钙、氢氧化钠，经过滤收得碳酸钙和液体氢氧化钠。所得碳酸钙干燥后入库、待售，将所得液体氢氧化钠调整浓度后返回水玻璃制备工序循环用作碱浸剂。

 

　　（2） 产品执行标准

　　轮胎用白炭黑：执行HG/T3061-2020标准。

　　（3）主要经济技术指标

　　以花生壳经燃烧所产生的花生壳灰为例，SiO₂ 85%。

　　SiO₂浸出率：≥97.2%。

     SiO₂收得率：≥98.5%（以浸出率为基数）。

　　（4） 生产成本（按每处理1t稻壳灰计）

 

　　3.3.5 产品产量及销售收入（按每处理1t稻壳灰计）

　　3.3.6 利润

　　每处理1t稻壳灰，生产成本3583.5元，销售收入5957.5元，税后净利润2374元。

4.环保

　　工艺过程无废水、废渣排放，工艺尾气达标排放。生产过程通过对白炭黑母液的处理回收氢氧化钠（氢氧化钾）或碳酸钠（碳酸钾），实现了白炭黑生产过程工艺废水的零排放，具有明显的成本优势、经济效益优势和环保优势。

　　以稻壳、花生壳、秸秆及稻壳炭（灰）、花生壳炭（灰）、秸秆炭（灰）为原料生产轮胎用白炭黑和高品质活性炭，技术成熟、可靠，经济效益显著，为农业副产物的资源化利用开辟了一条新途径。同时采用二氧化碳沉析法生产白炭黑符合国家产业政策，生产过程无三废排放，可以创造良好的生态效益和社会效益，具有可观的发展前景。