馬立柱 黃平峰 龐家剛

(1.河南省黃金資源綜合利用重點實驗室,河南 三門峽 472000;2.河南中原黃金冶煉廠有限責任公司,河南 三門峽 472000)

0 前言

硫化銅金精礦是銅冶煉的主要原料,其中伴生有一定量的砷。在火法冶煉過程中,砷揮發(fā)進入煙氣,并在煙氣降溫后析出,經(jīng)電除塵收集后成為冶煉固廢白煙塵。白煙塵中,除了砷外,其余主要元素為銅、鉛、金、銀等。對白煙塵中的有價金屬回收之后,砷以三氧化二砷的形式在溶液中結(jié)晶析出。結(jié)晶過濾得到的三氧化二砷水分含量比較高,需要進一步干燥后才能進行包裝銷售。

三氧化二砷俗稱砒霜,外觀為白色結(jié)晶或粉末,無臭無味,有劇毒,工業(yè)上用于冶煉砷合金及制作半導(dǎo)體材料,還用作高檔玻璃的澄清劑和脫色劑,以增強玻璃制品的透光性。三氧化二砷的生產(chǎn)對設(shè)備及環(huán)境的要求很嚴格。在白煙塵資源化綜合利用項目中,某公司在國內(nèi)首次采用微波干燥機對三氧化二砷進行干燥,現(xiàn)場無粉塵飛揚,取得了良好的效果。

本文介紹了微波干燥三氧化二砷的原理、微波干燥機的特點、適用范圍、結(jié)構(gòu)組成,論證采用微波干燥機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術(shù)參數(shù)和生產(chǎn)效果。

1 微波干燥機原理及構(gòu)成

1.1 微波干燥機原理

微波干燥的原理是:當介電質(zhì)置于交變電磁場中時,帶不對稱電荷的分子受到交變電磁場的激勵,產(chǎn)生轉(zhuǎn)動;由于物質(zhì)內(nèi)部原有分子的無規(guī)律熱運動和相鄰分子之間的作用,分子轉(zhuǎn)動受到干擾和限制,產(chǎn)生“摩擦效應(yīng)”,結(jié)果一部分微波能量轉(zhuǎn)化為分子熱運動動能,即以熱的形式表現(xiàn)出來,從而加熱物料[1]。微波干燥不同于傳統(tǒng)干燥方式,其熱傳導(dǎo)方向與水分擴散方向相同。與傳統(tǒng)干燥方式相比,微波干燥具有干燥速率大、節(jié)能、生產(chǎn)效率高、干燥均勻、清潔生產(chǎn)、易實現(xiàn)自動化控制和提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點,因而在各個領(lǐng)域的干燥越來越受到重視。

在微波干燥系統(tǒng)中,微波只對具有不對稱電荷的極性材料加熱,非極性材料因不吸波而不會被加熱,這就使得微波干燥具有一定的選擇性[2]。在微波干燥三氧化二砷過程中,微波主要加熱濕物料中的極性水分子,而三氧化二砷物料為非極性,不會被加熱,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國內(nèi)沒有先例,某公司和設(shè)備廠家共同聯(lián)合對微波干燥機進行了小型試驗,并對試驗中發(fā)現(xiàn)的進料系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)存在的問題進行了改造。通過優(yōu)化,設(shè)備在三氧化二砷濕性物料的干燥生產(chǎn)中運行正常。

1.2 三氧化二砷微波干燥機的構(gòu)成

微波干燥機主要由進料布料裝置、出料裝置、主體裝置、抽濕收塵裝置等組成,具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1-進料封閉空間;2-搖擺式制粒裝置;3-磁控管;4-抽濕收塵管;5-電源;6-出料裝置;7-機頭機尾動力輥;8-微波抑制器;9-微波加熱箱;10-返程帶封閉空間

1.2.1 進料布料裝置及出料裝置

進料布料裝置包括進料封閉空間、搖擺式制粒裝置、篩網(wǎng)、加料斗、振動式鋪料槽和物料刮片。裝置的工作原理是把物料加入搖擺式制粒裝置,搖擺式制粒裝置的滾筒進行正向和反向的旋轉(zhuǎn),使刮刀對濕物料產(chǎn)生擠壓和剪切作用;在滾筒的正向、反向旋轉(zhuǎn)作用下,物料強制性通過篩網(wǎng),形成直徑約10 mm 的顆粒,然后進入三氧化二砷下料倉(下料倉腔體的設(shè)計采用無死角結(jié)構(gòu),方便停機清潔);接著物料顆粒通過帶振動功能的鋪料槽進行均勻鋪料;鋪料終端通過物料刮片進行厚度控制,以精確控制物料的均勻度和厚度。

設(shè)備機尾裝有可拆卸的出料裝置。出料裝置采用密封防塵的物料收集口,還配有出料刮板,確保輸送帶清潔以及物料無損收集,同時避免三氧化二砷粉塵溢出。出料端安裝有在線水分檢測儀,用于監(jiān)控出料水分含量是否合格。

1.2.2 微波干燥機主體裝置

微波干燥機主體裝置由多段腔體拼接而成,腔體之間通過螺栓連接。機頭機尾動力輥筒和換向輥筒采用包膠工藝,箱體托輥采用25 mm 微波專用陶瓷精密加工制造而成,物料輸送帶的材質(zhì)為聚四氟乙烯。機頭機尾端均設(shè)置有兩邊翹起的導(dǎo)板,保證物料不會從輸送帶兩邊散落,同時還配套張緊裝置和自動糾偏裝置,防止輸送帶跑偏。傳動裝置采用變頻電機,可進行無級線性調(diào)速。

微波裝置主要由電源、磁控管、波導(dǎo)管、微波加熱箱、微波抑制器組成。

微波電氣采用多源多口寬帶饋入,微波分布采用自上而下的方式饋入微波能,既可保證微波功率密度高也可保證平均分配。磁控管安裝水冷卻套,通入冷卻水,可防止電氣元件溫度過高。波導(dǎo)管采用鋁板材制造,特殊的隔熱設(shè)計杜絕了熱量傳導(dǎo)到激勵腔,避免磁控管損壞;波導(dǎo)管口法蘭采用聚四氟乙烯板材密封。干燥機進口、出口各裝一套微波抑制器,防止微波從通道泄漏。

1.2.3 抽濕收塵裝置

抽濕裝置的作用主要是將干燥產(chǎn)生的水蒸氣排除。干燥機整機進行外觀封閉(包含進料端、出料端和返程帶封閉空間),由于是靜態(tài)干燥,微波箱體內(nèi)幾乎不會產(chǎn)生揚塵,但會有水蒸氣產(chǎn)生,所以在每個箱體頂部設(shè)置一個抽濕風(fēng)口,每個風(fēng)口配套一個電動調(diào)節(jié)風(fēng)門,通過控制電動調(diào)節(jié)風(fēng)門使箱體內(nèi)處于微負壓狀態(tài)。排出的濕氣經(jīng)過燒結(jié)板除塵器收塵后,送到專用尾氣處理系統(tǒng)進行處理。

1.3 微波干燥三氧化二砷濕性物料的特點

1.3.1 干燥效率高

微波干燥是一種新型的干燥方式。干燥時,微波直接作用于介質(zhì)分子轉(zhuǎn)換成熱能,由于微波具有穿透性,能同時加熱介質(zhì)內(nèi)外,不需要熱傳導(dǎo),所以加熱速度非?？?對含水量在30% 以下的物料,干燥時間可縮短數(shù)百倍。常規(guī)方法干燥物料時,被加熱物料表面溫度高,內(nèi)部溫度低,這種溫度分布不利于水分迅速蒸發(fā)。而微波干燥物料時,不管物料為任何形狀,物料的介質(zhì)內(nèi)外同時受熱,同時因為物料表面較容易散熱,往往是內(nèi)部溫度高于外部,溫度梯度方向和水分梯度方向相同,傳熱和傳質(zhì)方向一致,促使物料內(nèi)部水分迅速蒸發(fā),在內(nèi)部形成壓力梯度,使水分很快擴散到表面揮發(fā),干燥時間大為縮短,提高干燥效率。同時,由于物料的內(nèi)外溫差小,受熱均勻,不會產(chǎn)生常規(guī)加熱中外焦內(nèi)生的狀況,干燥質(zhì)量大大提高。與傳統(tǒng)干燥方式(熱風(fēng)、蒸氣、電加熱等)相比,微波干燥具有優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保的特點[3]。

1.3.2 能耗低

微波干燥三氧化二砷濕性物料時,微波進入物料內(nèi)部,瞬間轉(zhuǎn)化為熱能,微波直接加熱三氧化二砷而不加熱空氣。加熱裝置是一個由特殊金屬材料制成的封閉腔體,壁面完全反射微波,避免了微波泄漏,因此微波基本上被濕物料完全吸收,加熱過程基本沒有熱量耗散,實現(xiàn)節(jié)能減耗[4-5]。

1.3.3 揚塵少

傳統(tǒng)的帶式干燥機干燥物料時,由于采用熱風(fēng),不可避免產(chǎn)生大量粉塵,而槳葉干燥機同樣因為槳葉的攪拌導(dǎo)致物料飛揚。在微波干燥三氧化二砷過程中,布料器把物料均勻分布在輸送帶上,物料緩慢進入微波干燥箱體,干燥過程平穩(wěn),干燥溫度非常穩(wěn)定,物料沒有絲毫攪動,基本上不產(chǎn)生粉塵[6]。

1.3.4 自動化控制程度和安全性能高

聯(lián)鎖微動開關(guān)是微波干燥機的一組重要安全裝置,具有多重聯(lián)鎖作用。例如,當爐門未關(guān)閉好或爐門打開時,它會斷開電路,使微波爐停止工作。設(shè)備的運行情況可通過PLC 設(shè)定過程溫度、傳輸速度、抽排濕模式、微波功率等參數(shù),并通過光纜連接中央儀表室實現(xiàn)DCS 遠程控制。

1.3.5 設(shè)備一次性投資較高

三氧化二砷微波干燥機的價格約為傳統(tǒng)帶式干燥機的3 倍,所以微波干燥特別適合用于干燥高價值、高毒性、易產(chǎn)生粉塵類物料。

2 三氧化二砷微波干燥機的生產(chǎn)使用效果

2.1 微波干燥參數(shù)

三氧化二砷在溫度高于135 ℃時會發(fā)生升華現(xiàn)象,由固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài),從而被尾氣帶走,造成產(chǎn)品損失的同時還存在砷蒸汽泄露的安全隱患,因此在干燥過程中,必須嚴格控制干燥溫度。為確保安全,干燥溫度通常要求小于100 ℃。能否準確有效地控制整個干燥過程的溫度,防止溫度局部過高,是判斷微波干燥機能否用于三氧化二砷物料干燥的關(guān)鍵之處。

在三氧化二砷產(chǎn)品的相關(guān)國家標準中,產(chǎn)品中的水分要求不超過1.0%。干燥后出料產(chǎn)品水分是否達標,是判斷干燥機是否可行的核心指標。因此,應(yīng)保持干燥機進料裝置正常工作,維持穩(wěn)定的進料量,每隔30 min 監(jiān)控干燥機的運行參數(shù),檢測進料及出料口物料的水分。

2.2 微波干燥三氧化二砷實踐

微波干燥機生產(chǎn)操作過程為:首先開啟引風(fēng)機及除塵裝置,使微波干燥系統(tǒng)處于微負壓狀態(tài),再開啟微波干燥機的物料輸送帶,調(diào)節(jié)輸送帶轉(zhuǎn)速,然后開啟搖擺式進料輸送機,通過變頻器調(diào)節(jié)進料速度,控制物料在輸送帶上的厚度為10～15 mm,然后開啟微波發(fā)生器電源,系統(tǒng)將根據(jù)物料溫度自動控制磁控管的開啟數(shù)量,自動控制干燥溫度。根據(jù)出料端檢測到的物料水分含量,可以通過調(diào)節(jié)搖擺式進料裝置的轉(zhuǎn)速控制進料量,加大或減少微波干燥機的處理能力,達到靈活生產(chǎn)的目的。

利用微波干燥機進行了5 次生產(chǎn)實驗,原料為含水量8.2%的三氧化二砷物料,控制輸送帶轉(zhuǎn)速為0.5 r/min,監(jiān)測中段溫度、出料溫度、出料水分等指標,生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)見表1。

從表1 可以看出,干燥機內(nèi)物料溫度小于100 ℃,能夠確保三氧化二砷在干燥過程中不會因溫度過高而直接升華,而且干燥過程溫度控制比較穩(wěn)定;同時出料水分能確保小于1.0%,滿足產(chǎn)品技術(shù)指標的要求。

表1 微波干燥三氧化二砷生產(chǎn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

三氧化二砷屬于劇毒危險化學(xué)品,實施自動化微波干燥后,可減少工人與劇毒物料的接觸,保障工人的職業(yè)衛(wèi)生健康;同時,隨著智能化包裝的實踐,必將節(jié)約生產(chǎn)成本,增加利潤,加快企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化、智能化的步伐。

微波干燥是一種新型、干燥方式,具有溫升速度快、能量利用率高、選擇性加熱和控制簡單、環(huán)保效果明顯等優(yōu)勢。在國內(nèi)首次采用微波干燥三氧化二砷這類毒性較高的物料,取得了比較好的生產(chǎn)效果,值得同行業(yè)借鑒。