马立柱 黄平峰 庞家刚

(1.河南省黄金资源综合利用重点实验室,河南 三门峡 472000;2.河南中原黄金冶炼厂有限责任公司,河南 三门峡 472000)

0 前言

硫化铜金精矿是铜冶炼的主要原料,其中伴生有一定量的砷。在火法冶炼过程中,砷挥发进入烟气,并在烟气降温后析出,经电除尘收集后成为冶炼固废白烟尘。白烟尘中,除了砷外,其余主要元素为铜、铅、金、银等。对白烟尘中的有价金属回收之后,砷以三氧化二砷的形式在溶液中结晶析出。结晶过滤得到的三氧化二砷水分含量比较高,需要进一步干燥后才能进行包装销售。

三氧化二砷俗称砒霜,外观为白色结晶或粉末,无臭无味,有剧毒,工业上用于冶炼砷合金及制作半导体材料,还用作高档玻璃的澄清剂和脱色剂,以增强玻璃制品的透光性。三氧化二砷的生产对设备及环境的要求很严格。在白烟尘资源化综合利用项目中,某公司在国内首次采用微波干燥机对三氧化二砷进行干燥,现场无粉尘飞扬,取得了良好的效果。

本文介绍了微波干燥三氧化二砷的原理、微波干燥机的特点、适用范围、结构组成,论证采用微波干燥机干燥三氧化二砷的可行性,并探索微波干燥三氧化二砷的技术参数和生产效果。

1 微波干燥机原理及构成

1.1 微波干燥机原理

微波干燥的原理是:当介电质置于交变电磁场中时,带不对称电荷的分子受到交变电磁场的激励,产生转动;由于物质内部原有分子的无规律热运动和相邻分子之间的作用,分子转动受到干扰和限制,产生“摩擦效应”,结果一部分微波能量转化为分子热运动动能,即以热的形式表现出来,从而加热物料[1]。微波干燥不同于传统干燥方式,其热传导方向与水分扩散方向相同。与传统干燥方式相比,微波干燥具有干燥速率大、节能、生产效率高、干燥均匀、清洁生产、易实现自动化控制和提高产品质量等优点,因而在各个领域的干燥越来越受到重视。

在微波干燥系统中,微波只对具有不对称电荷的极性材料加热,非极性材料因不吸波而不会被加热,这就使得微波干燥具有一定的选择性[2]。在微波干燥三氧化二砷过程中,微波主要加热湿物料中的极性水分子,而三氧化二砷物料为非极性,不会被加热,因此三氧化二砷可以采用微波干燥。

目前微波干燥三氧化二砷在国内没有先例,某公司和设备厂家共同联合对微波干燥机进行了小型试验,并对试验中发现的进料系统和冷却水系统存在的问题进行了改造。通过优化,设备在三氧化二砷湿性物料的干燥生产中运行正常。

1.2 三氧化二砷微波干燥机的构成

微波干燥机主要由进料布料装置、出料装置、主体装置、抽湿收尘装置等组成,具体结构如图1 所示。

1-进料封闭空间;2-摇摆式制粒装置;3-磁控管;4-抽湿收尘管;5-电源;6-出料装置;7-机头机尾动力辊;8-微波抑制器;9-微波加热箱;10-返程带封闭空间

1.2.1 进料布料装置及出料装置

进料布料装置包括进料封闭空间、摇摆式制粒装置、筛网、加料斗、振动式铺料槽和物料刮片。装置的工作原理是把物料加入摇摆式制粒装置,摇摆式制粒装置的滚筒进行正向和反向的旋转,使刮刀对湿物料产生挤压和剪切作用;在滚筒的正向、反向旋转作用下,物料强制性通过筛网,形成直径约10 mm 的颗粒,然后进入三氧化二砷下料仓(下料仓腔体的设计采用无死角结构,方便停机清洁);接着物料颗粒通过带振动功能的铺料槽进行均匀铺料;铺料终端通过物料刮片进行厚度控制,以精确控制物料的均匀度和厚度。

设备机尾装有可拆卸的出料装置。出料装置采用密封防尘的物料收集口,还配有出料刮板,确保输送带清洁以及物料无损收集,同时避免三氧化二砷粉尘溢出。出料端安装有在线水分检测仪,用于监控出料水分含量是否合格。

1.2.2 微波干燥机主体装置

微波干燥机主体装置由多段腔体拼接而成,腔体之间通过螺栓连接。机头机尾动力辊筒和换向辊筒采用包胶工艺,箱体托辊采用25 mm 微波专用陶瓷精密加工制造而成,物料输送带的材质为聚四氟乙烯。机头机尾端均设置有两边翘起的导板,保证物料不会从输送带两边散落,同时还配套张紧装置和自动纠偏装置,防止输送带跑偏。传动装置采用变频电机,可进行无级线性调速。

微波装置主要由电源、磁控管、波导管、微波加热箱、微波抑制器组成。

微波电气采用多源多口宽带馈入,微波分布采用自上而下的方式馈入微波能,既可保证微波功率密度高也可保证平均分配。磁控管安装水冷却套,通入冷却水,可防止电气元件温度过高。波导管采用铝板材制造,特殊的隔热设计杜绝了热量传导到激励腔,避免磁控管损坏;波导管口法兰采用聚四氟乙烯板材密封。干燥机进口、出口各装一套微波抑制器,防止微波从通道泄漏。

1.2.3 抽湿收尘装置

抽湿装置的作用主要是将干燥产生的水蒸气排除。干燥机整机进行外观封闭(包含进料端、出料端和返程带封闭空间),由于是静态干燥,微波箱体内几乎不会产生扬尘,但会有水蒸气产生,所以在每个箱体顶部设置一个抽湿风口,每个风口配套一个电动调节风门,通过控制电动调节风门使箱体内处于微负压状态。排出的湿气经过烧结板除尘器收尘后,送到专用尾气处理系统进行处理。

1.3 微波干燥三氧化二砷湿性物料的特点

1.3.1 干燥效率高

微波干燥是一种新型的干燥方式。干燥时,微波直接作用于介质分子转换成热能,由于微波具有穿透性,能同时加热介质内外,不需要热传导,所以加热速度非常快,对含水量在30% 以下的物料,干燥时间可缩短数百倍。常规方法干燥物料时,被加热物料表面温度高,内部温度低,这种温度分布不利于水分迅速蒸发。而微波干燥物料时,不管物料为任何形状,物料的介质内外同时受热,同时因为物料表面较容易散热,往往是内部温度高于外部,温度梯度方向和水分梯度方向相同,传热和传质方向一致,促使物料内部水分迅速蒸发,在内部形成压力梯度,使水分很快扩散到表面挥发,干燥时间大为缩短,提高干燥效率。同时,由于物料的内外温差小,受热均匀,不会产生常规加热中外焦内生的状况,干燥质量大大提高。与传统干燥方式(热风、蒸气、电加热等)相比,微波干燥具有优质、高效、节能、环保的特点[3]。

1.3.2 能耗低

微波干燥三氧化二砷湿性物料时,微波进入物料内部,瞬间转化为热能,微波直接加热三氧化二砷而不加热空气。加热装置是一个由特殊金属材料制成的封闭腔体,壁面完全反射微波,避免了微波泄漏,因此微波基本上被湿物料完全吸收,加热过程基本没有热量耗散,实现节能减耗[4-5]。

1.3.3 扬尘少

传统的带式干燥机干燥物料时,由于采用热风,不可避免产生大量粉尘,而桨叶干燥机同样因为桨叶的搅拌导致物料飞扬。在微波干燥三氧化二砷过程中,布料器把物料均匀分布在输送带上,物料缓慢进入微波干燥箱体,干燥过程平稳,干燥温度非常稳定,物料没有丝毫搅动,基本上不产生粉尘[6]。

1.3.4 自动化控制程度和安全性能高

联锁微动开关是微波干燥机的一组重要安全装置,具有多重联锁作用。例如,当炉门未关闭好或炉门打开时,它会断开电路,使微波炉停止工作。设备的运行情况可通过PLC 设定过程温度、传输速度、抽排湿模式、微波功率等参数,并通过光缆连接中央仪表室实现DCS 远程控制。

1.3.5 设备一次性投资较高

三氧化二砷微波干燥机的价格约为传统带式干燥机的3 倍,所以微波干燥特别适合用于干燥高价值、高毒性、易产生粉尘类物料。

2 三氧化二砷微波干燥机的生产使用效果

2.1 微波干燥参数

三氧化二砷在温度高于135 ℃时会发生升华现象,由固态直接转变为气态,从而被尾气带走,造成产品损失的同时还存在砷蒸汽泄露的安全隐患,因此在干燥过程中,必须严格控制干燥温度。为确保安全,干燥温度通常要求小于100 ℃。能否准确有效地控制整个干燥过程的温度,防止温度局部过高,是判断微波干燥机能否用于三氧化二砷物料干燥的关键之处。

在三氧化二砷产品的相关国家标准中,产品中的水分要求不超过1.0%。干燥后出料产品水分是否达标,是判断干燥机是否可行的核心指标。因此,应保持干燥机进料装置正常工作,维持稳定的进料量,每隔30 min 监控干燥机的运行参数,检测进料及出料口物料的水分。

2.2 微波干燥三氧化二砷实践

微波干燥机生产操作过程为:首先开启引风机及除尘装置,使微波干燥系统处于微负压状态,再开启微波干燥机的物料输送带,调节输送带转速,然后开启摇摆式进料输送机,通过变频器调节进料速度,控制物料在输送带上的厚度为10～15 mm,然后开启微波发生器电源,系统将根据物料温度自动控制磁控管的开启数量,自动控制干燥温度。根据出料端检测到的物料水分含量,可以通过调节摇摆式进料装置的转速控制进料量,加大或减少微波干燥机的处理能力,达到灵活生产的目的。

利用微波干燥机进行了5 次生产实验,原料为含水量8.2%的三氧化二砷物料,控制输送带转速为0.5 r/min,监测中段温度、出料温度、出料水分等指标,生产运行数据见表1。

从表1 可以看出,干燥机内物料温度小于100 ℃,能够确保三氧化二砷在干燥过程中不会因温度过高而直接升华,而且干燥过程温度控制比较稳定;同时出料水分能确保小于1.0%,满足产品技术指标的要求。

表1 微波干燥三氧化二砷生产数据

3 结束语

三氧化二砷属于剧毒危险化学品,实施自动化微波干燥后,可减少工人与剧毒物料的接触,保障工人的职业卫生健康;同时,随着智能化包装的实践,必将节约生产成本,增加利润,加快企业生产现代化、智能化的步伐。

微波干燥是一种新型、干燥方式,具有温升速度快、能量利用率高、选择性加热和控制简单、环保效果明显等优势。在国内首次采用微波干燥三氧化二砷这类毒性较高的物料,取得了比较好的生产效果,值得同行业借鉴。