砷酸鈉混合鹽微波環(huán)保型干燥工藝探討

單桃云,金承永,鄧衛(wèi)華,劉鵲鳴,龔福寶

(湖南錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司,湖南冷水江 417500)

砷酸鈉混合鹽微波環(huán)保型干燥工藝探討

單桃云,金承永,鄧衛(wèi)華,劉鵲鳴,龔福寶

(湖南錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司,湖南冷水江 417500)

研究了用微波干燥砷酸鈉混合鹽的過程。研究表明:采用微波干燥砷酸鈉混合鹽,克服了傳統(tǒng)干燥中的“冷中心”現(xiàn)象。與傳統(tǒng)干燥相比,微波干燥砷酸鈉混合鹽的能耗大幅降低、干燥能力大幅提高,同時(shí),干燥過程不揚(yáng)塵,屬節(jié)能、環(huán)保型干燥,從根本上解決目前砷堿渣綜合回收的瓶頸問題。

砷酸鈉;微波干燥;節(jié)能;環(huán)保

砷是有色金屬礦物中常有的有害雜質(zhì),因此,除砷成了有色金屬冶煉過程中的一道不可少的除雜過程。目前,有色金屬冶煉采用氫氧化納或碳酸鈉除砷,除砷后得到一種砷堿渣。在處理砷堿渣綜合回收過程中得到一種含有純堿或氫氧化鈉的砷酸鈉混合物,稱為砷酸鈉混合鹽。砷酸鈉混合鹽可以直接用于普通玻璃生產(chǎn)的原料或玻璃生產(chǎn)中的澄清劑,也可以進(jìn)一步生產(chǎn)其它含砷化合物或提純生產(chǎn)砷酸鈉。砷酸鈉混合鹽一般含有砷酸鈉30%～50%,純堿與氫氧化鈉40%～60%。因?yàn)樯樗徕c一般含有12個(gè)結(jié)晶水,熔點(diǎn)只有86.3℃。這種含有結(jié)晶水的砷酸鈉混合鹽,當(dāng)加熱到86.3℃時(shí),物料就成為液態(tài)流體,這對(duì)砷酸鈉混合鹽的干燥就極不方便。現(xiàn)有干燥砷酸鈉混合鹽的方法是用蒸汽或電阻絲加熱,用帶螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)軸不停地?cái)噭?dòng)。這種干燥方法能耗極高,干燥時(shí)間長,攪拌裝置的電耗大,尤其是到干燥過程的后期,因攪拌物料,產(chǎn)生含砷酸鈉的劇毒粉塵,這種含砷酸鈉的劇毒粉塵在生產(chǎn)場(chǎng)所飛揚(yáng),嚴(yán)重危害操作者的身體健康。該法經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為:攪拌裝置的平均電耗高達(dá)4 480 kWh/t干品,蒸汽平均消耗為40 t/t干品,干燥平均時(shí)間為20 h/t干品。

世界銻都——湖南錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司,作為環(huán)保項(xiàng)目,在國內(nèi)首先建立了砷堿渣綜合回收生產(chǎn)線。但到目前為止,砷堿渣處理過程中存在的砷酸鈉混合鹽干燥時(shí)間長、成本高的問題一直沒有得到有效解決,因而成了整條生產(chǎn)線的瓶頸,導(dǎo)致整條生產(chǎn)線處于微利或虧損狀態(tài)。

為解決上述干燥過程存在的問題,采用微波干燥方式對(duì)砷酸鈉混合鹽進(jìn)行了干燥試驗(yàn),試驗(yàn)取得了非常好的效果。

1 原料與主要設(shè)備

1.1 原料

原料砷酸鈉混合鹽來源于砷堿渣綜合回收過程中的一種含有碳酸鈉、氫氧化鈉的砷酸鈉,水分約為30%,干基主要成分為砷酸鈉(30%～50%)、碳酸鈉與氫氧化鈉之和40%～60%。

砷堿渣是有色金屬冶煉過程中除砷后得到的含有金屬和砷的一種渣。處理該渣有兩個(gè)目的:一是回收其中的有價(jià)金屬,如:銻、錫、鉍等;二是回收其中的堿和砷酸鹽。湖南錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司在煉銻過程中產(chǎn)出的砷堿渣中含有砷和銻以及碳酸鈉、氫氧化鈉。砷堿渣綜合回收過程為:將砷堿渣破碎后進(jìn)入水浸,水浸后過濾得到一種含有金屬的渣,該渣返回生產(chǎn)系統(tǒng)用于回收有價(jià)金屬;濾液主要含有砷和堿,通過濃縮蒸發(fā)得到一種含有碳酸鈉、氫氧化鈉的砷酸鈉混合鹽,也就是試驗(yàn)要干燥的物料。處理1 t砷堿渣一般得到0.2～0.25 t砷酸鈉混合鹽。

1.2 主要設(shè)備

工業(yè)微波爐一臺(tái),型號(hào)為:L Y-45KW-SD型微波烘干殺菌機(jī)。主要參數(shù)為:總功率為60 kW,總微波加熱功率為45 kW。

2 微波干燥原理

選用微波干燥是基于砷酸鈉混合鹽中水具有良好的介電常數(shù),是一種良好的極性物質(zhì),對(duì)微波有很好的吸收性能。當(dāng)微波穿過物料時(shí),微波在物料內(nèi)以2 450 MHz的頻率快速震蕩,極性的水分子很快會(huì)因磨擦生熱而快速揮發(fā)。

用微波加熱干燥物料時(shí),因其內(nèi)部也同時(shí)被加熱,使整個(gè)物料受熱均勻,升溫速度也快。它以每秒24.5億次的頻率,深入物料內(nèi)部進(jìn)行加熱,加速分子運(yùn)轉(zhuǎn),克服了傳統(tǒng)加熱方式中的“冷中心”的現(xiàn)象。干燥過程不揚(yáng)塵,可實(shí)現(xiàn)安全環(huán)保作業(yè)。

3 干燥過程

將濕砷酸鈉放入微波干燥爐內(nèi),保持一定的濕料厚度,控制干燥時(shí)間,啟動(dòng)加熱電源進(jìn)行干燥,當(dāng)物料干燥到規(guī)定時(shí)間,取樣分析,物料中的水分小于5%時(shí),干燥完成。整個(gè)干燥過程中沒有任何揚(yáng)塵現(xiàn)象。

4 干燥結(jié)果與分析

采用L Y-45KW-SD型微波烘干殺菌機(jī)進(jìn)行烘干,設(shè)備的示意圖見圖1。

圖1 研究所用微波干燥機(jī)圖

整臺(tái)設(shè)備的裝機(jī)容量為60 kW,其中微波功率為45 kW,頻率為2 450 MHz,風(fēng)機(jī)及傳動(dòng)部分容量為15 kW。干燥投入濕砷酸鈉混合鹽為77.3 kg、120 kg、130.9 kg,鋪物料的厚度分別為20 mm、30 mm、40 mm。干品中的水分,按目前的要求定為5%以下。

試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 干燥試驗(yàn)結(jié)果

圖2為干燥1 t砷酸鈉混合鹽所需電耗值(含機(jī)械電耗等的綜合值)。圖中編號(hào)后面的數(shù)字為鋪料厚度。從試驗(yàn)來看,物料厚度由20 mm到40 mm,產(chǎn)品干燥達(dá)到要求后,電耗以20 mm最節(jié)能,此時(shí)干燥電耗最低只有929 kWh/t;40 mm次之,電耗1 032 kWh/t;30 mm厚度時(shí)電耗已經(jīng)達(dá)到 1 107 kWh/t,效果稍差。干燥過程中,砷酸鈉混合鹽產(chǎn)品在干燥傳動(dòng)帶上鋪設(shè)厚度為20～30 mm時(shí),即使表面溫度達(dá)到100℃,砷酸鈉混合鹽產(chǎn)品中的砷酸鈉也不會(huì)從濕物料中熔析出來。當(dāng)濕物料厚度達(dá)40 mm、濕物料表面干燥溫度達(dá)97℃以上時(shí),則有部分砷酸鈉從濕物料中以流態(tài)方式熔析出來,這影響干燥過程。出現(xiàn)流態(tài)物質(zhì)是因?yàn)楦稍锍鰜淼乃羝荒芗皶r(shí)排出去,而變成了水珠回落到物料表面。如果排氣及時(shí),將減少或消除這種現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 干燥1 t混合鹽的電耗試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)圖

圖3為每1 kWh電脫水或得到干燥品的量。

圖3 每1 kWh脫除水或得到干品量的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)圖

圖3表明:在水分為30%左右的砷酸鈉混合鹽,采用微波干燥時(shí),物料厚度為20 mm,效果最好: 1 kWh電可以干燥得到1.08 kg干品。每1 kWh微波功可以脫出1.08 kg水分,每1 kWh(含機(jī)械電耗)的功可以脫出0.47 kg水分。采用微波干燥砷酸鈉混合鹽的過程中,在短時(shí)間內(nèi)不僅脫去了物料中的物理水,而且脫去了物料中的結(jié)晶水。這是微波干燥的優(yōu)點(diǎn),也是傳統(tǒng)干燥所不能達(dá)到的地方。試驗(yàn)證明,干燥砷酸鈉混合鹽理想鋪設(shè)厚度應(yīng)是20 mm,干燥時(shí)間60 min,處理量大、電耗低、時(shí)間短、適應(yīng)性強(qiáng)。

5 與現(xiàn)有干燥工藝比較

5.1 砷酸鈉混合鹽現(xiàn)有干燥情況

因?yàn)樯樗徕c混合鹽含有較高的結(jié)晶水,外觀看起來為塊狀,但是加熱烘干,當(dāng)溫度大于86.3℃時(shí),塊狀物料就開始變成流體狀。這對(duì)一般的干燥設(shè)備都不合適。為此,經(jīng)過大量的試驗(yàn)后,選用蒸汽加熱,用帶螺旋葉片旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的真空干燥方式。目前,一臺(tái)該設(shè)備的攪拌軸電機(jī)功率為90 kW,真空泵的電機(jī)功率為20 kW。操作時(shí),一次加入濕料0.7 t到干燥器內(nèi),經(jīng)過18～22 h后得到0.5 t干品,干燥過程揚(yáng)塵。干燥1 t干品,電耗為3 584～5 376 kWh (0.28 kg干品/kWh),蒸汽消耗為32～48 t,干燥時(shí)間為18～22 h,設(shè)備占用空間為4×5×4 m3,干燥過程揚(yáng)塵。

5.2 兩種干燥方法比較

現(xiàn)將兩種干燥方式干燥情況進(jìn)行比較,具體見表2。

目前,砷堿渣綜合回收過程中,因?yàn)楦稍锬芎母?、時(shí)間長、揚(yáng)塵,導(dǎo)致該生產(chǎn)線一直處于微利或虧損狀態(tài)。

采用微波干燥1 t砷酸鈉混合鹽與現(xiàn)有干燥方式能耗降成本估算如下:(計(jì)算中,電耗和蒸汽消耗以目前最好的指標(biāo)進(jìn)行)

表2 兩種干燥工藝情況比較

電耗節(jié)約成本最低為:3 584-929=2 655 kWh,蒸汽節(jié)約32 t。計(jì)算得到降低成本為:電耗降成本1 725.75元/t干品;蒸汽降成本 32×150= 4 800元/t干品。合計(jì)降成本為:6 525.75元/t干品。年處理5 000 t砷堿渣,產(chǎn)出砷酸鈉混合鹽1 000 t,就能耗一項(xiàng)節(jié)約成本653萬元。

如果采用100 kW的微波干燥設(shè)備,每天可以得到干燥的砷酸鈉混合鹽2.152 t,(每天按20 h的干燥),由此可以得出,采用微波干燥砷酸鈉混合鹽應(yīng)是適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)能、快速、環(huán)保。微波干燥砷酸鈉混合鹽脫水效果非常好,原因在于水分子對(duì)微波非常敏感,無論是化合物的物理水還是結(jié)晶水都一樣,因而,微波干燥克服了傳統(tǒng)干燥過程中物料中心處很難接收到熱的對(duì)流的“冷中心”過程。

采用微波干燥砷酸鈉混合鹽使現(xiàn)有的砷堿渣綜合回收生產(chǎn)線的微利或虧損轉(zhuǎn)變?yōu)橛浅４蟮臓顟B(tài),同時(shí)節(jié)能、環(huán)保。

6 結(jié) 論

1.微波對(duì)砷酸鈉混合鹽的干燥是利用混合鹽中水分子強(qiáng)烈吸收微波效果,從整個(gè)物料里外兩個(gè)方面進(jìn)行干燥,與現(xiàn)有干燥方式相比,干燥時(shí)間大幅度縮短,即由20 h降到不到10 h;能耗大大降低,即由3.457 6～5.214 0 t標(biāo)煤/t干品降至0.114 2 t標(biāo)煤/t干品,能耗降低成本為6 525.75元/t干品。

2.該干燥方法將使目前砷堿渣綜合回收生產(chǎn)線處于盈利、節(jié)能、環(huán)保狀態(tài)之中。

[1] 李釩,張梅,王習(xí)東.微波在冶金過程中應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景[J].過程工程學(xué)報(bào),2007,(1):186-193.

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[3] 彭金輝.微波能技術(shù)新應(yīng)用[M].昆明:云南科技出版社, 1997.

Discussion on Microwave Drying of Salt-mixture of Sodium Arsenate

SHAN Tao-yun,J IN Cheng-yong,DENG Wei-hua,LIU Que-ming,GONG Fu-bao
(Hsikwangshan Twinkling Star Co.,Ltd,Lengshuijiang417500,China)

The paper studied the microwave drying of salt-mixture of sodium arsenate.The research proved that: adopting microwave drying of salt-mixture of sodium arsenate,it overcame the“cold center”phenomenon in traditional methods.Compared with the traditional drying method,microwave drying method can lower consume significantly,and the drying ability is greatly improved.At the same time,it doesn’t produce dust in drying process, which belongs to the energy-saving and environment-friendly drying type and has solved the bottleneck problem of alkali-arsenic residue recovery fundamentally.

sodium arsenate;microwave drying;energy-saving;environment-friendly

TF802+.64

A

1003-5540(2012)02-0035-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2010AA065204)

單桃云(1963-),男,高級(jí)工程師,主要從事冶煉、化工生產(chǎn)以及科研管理工作。

2012-02-02