高氯氧化鋅煙塵微波介電特性及溫升特性

馬愛元，張利波，孫成余，彭金輝，劉秉國，劉晨輝，左勇剛

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高氯氧化鋅煙塵微波介電特性及溫升特性

馬愛元1, 2, 3，張利波1, 2, 3，孫成余3, 4，彭金輝1, 2, 3，劉秉國1, 2, 3，劉晨輝1, 2, 3，左勇剛1, 2, 3

(1. 云南省特種冶金重點實驗室，云南 昆明，650093；2. 昆明理工大學 非常規(guī)冶金教育部重點實驗室，云南 昆明，650093；3. 昆明理工大學 冶金與能源工程學院，云南 昆明，650093；4. 云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖，655011)

為了研究微波焙燒處理氧化鋅煙塵脫氯的可行性，采用諧振腔微擾法測量鋅浸出渣經回轉窯揮發(fā)產氧化鋅煙塵的微波介電特性，并考查其在不同物料量和不同微波功率條件下的溫升特性。研究結果表明：氧化鋅煙塵的介電常數(shù)、介電損耗與表觀密度呈正比，同時擬合得到氧化鋅煙塵表觀密度與介電參數(shù)、微波穿透深度的線性函數(shù)關系式；氧化鋅煙塵具有良好的吸波性能，在微波場加熱條件下，物料溫度迅速升高，在6 min左右可達到 800 ℃，其表觀升溫速率隨微波焙燒功率的增加而增大，隨物料質量的增加而減小。

氧化鋅煙塵；表觀密度；介電特性；溫升行為

氧化鋅煙塵作為鋅浸出渣焙燒揮發(fā)產物[1?3]，通常含有鋅、鉛、鎘、鉻、鎳、銦、鍺等有價金屬元素[4?6]，也含有有害雜質氯，其含量過高會給后續(xù)的鋅電積工藝帶來嚴重危害。為了避免氯對鋅電解過程的影響，需對氧化鋅煙塵進行脫氯處理，現(xiàn)階段氯的脫除方法主要有預處理脫除和浸出液中脫除2種[7?12]。針對高氯氧化鋅煙塵物料，多膛爐、回轉窯是國內大型企業(yè)處理含氯氧化鋅煙塵最有效的方法，兩者脫氯的原理基本一致，然而多膛爐、回轉窯等焙燒方式存在處理溫度高、能耗高等問題[13?14]；水洗滌脫氯進行多級逆流洗滌，溫度高對洗滌效果較好，但是用水量大且大量的有價金屬鋅和鎘進入洗滌水，有必要增加鋅鎘的回收成本[15]；堿洗方式脫氯工藝、設備簡單，但物料經堿洗后需進行水洗脫堿，堿洗液和脫堿液需消耗硫酸導致廢水難以治理、固液難以分離等諸多難題[16]，因此，急需探索一種脫氯的新方法。微波作為一種高效、清潔的新型能源，在冶金中得到廣泛應用[17?19]。微波具有加熱速率快、選擇性加熱、無環(huán)境污染和容易自動化控制等優(yōu)點，利用微波獨特的加熱方式，即有可能探索出氧化鋅煙塵在常規(guī)條件下脫氯難以實現(xiàn)的新工藝。然而，目前氧化鋅煙塵在微波場中的升溫特性及氧化鋅煙塵介電特性的研究尚未見文獻報道，因此，開展高氯氧化鋅煙塵微波介電特性及溫升行為研究有重要意義。本文作者基于諧振腔微擾法探討高氯氧化鋅煙塵的介電特性及物料在微波場中的溫升特性，以便為微波處理氧化鋅煙塵脫氯提供參考。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗所用氧化鋅煙塵為某鉛鋅冶煉企業(yè)鋅浸出渣焙燒揮發(fā)產物。表1所示為氧化鋅煙塵主要化學組成，氧化鋅煙塵樣品的XRD譜圖如圖1所示。

表1 氧化鋅煙塵的主要化學成分(質量分數(shù))

圖1 氧化鋅煙塵樣品的XRD譜圖

由表1及圖1可見：該氧化鋅煙塵中鉛鋅含量高，鋅主要以ZnO和ZnFe2O4形式存在，鉛的物相主要為PbSO4和PbS的形式存在。

1.2 微波場中溫升測試裝置

本實驗采用昆明理工大學非常規(guī)冶金教育部重點實驗室研制的功率為3 kW的箱式微波反應器，實驗裝置示意圖如圖2所示。

1—測溫系統(tǒng)；2—熱電偶；3—微波腔體；4—微波控制系統(tǒng)；5—氧化鋅煙塵；6—保溫棉

該裝置可實現(xiàn)自動控溫，微波加熱頻率為2 450 MHz，功率為0~3 kW，連續(xù)可調；可采用帶有屏蔽套的熱電偶對實驗物料進行測溫，測溫范圍為0~1 300 ℃；物料承載體為透波性能和耐熱沖擊性能良好的莫來石坩堝，內徑為90 mm，高度為120 mm。

1.3 諧振腔微擾法測試原理

諧振腔微擾法測試原理[20]是將微波饋入微波諧振型傳感器，在傳感器內微波與物質相互作用。引入諧振腔(假設諧振腔為理想導體)的樣品很少時，微擾理論[21]成立，則有

式中：Δ為角頻率偏移；0為未加樣品時諧振傳感器的諧振角頻率；為樣品相對復介電常數(shù)的實部；為樣品相對復介電常數(shù)的虛部；0為真空中的復介電常數(shù)；和分別為微擾前諧振傳感器內電場強度和磁場強度的復共軛；為諧振傳感器內樣品的場強：0和0分別為微擾前電位移和磁感應強度的復共軛；0和1分別為諧振傳感器的無載和有載時的品質因素；為諧振傳感器存儲的能量：l和1分別為微擾后樣品中電位移和磁感應強度的增加值；e為諧振傳感器內樣品的體積；為諧振傳感器的體積。

因此，只需將一定表觀密度的氧化鋅煙塵樣品放入微波諧振腔傳感器內，通過測量樣品放入前后的微波輸出幅度和諧振頻率的變化量，即可推演出被測樣品的吸波特性。氧化鋅煙塵的表觀密度可通過裝入標準管的樣品質量及體積計算得到。

2 結果與討論

微波加熱是利用微波場中冶金物料的介電損耗使物料整體加熱，加熱效果由物料的介電參數(shù)(復介電常數(shù))決定，在微波領域常采用復介電常數(shù)來表述[22?26]：

式中：為復介電常數(shù)，′為介電常數(shù)，描述物質吸收儲存微波的能力；″為介電損耗因子，描述物質將吸收的微波能轉化為熱能的能力；為損耗角；tan表示1個周期內物質產生的熱能與儲存的微波能的 比值。

2.1 氧化鋅煙塵表觀密度對介電特性的影響

將樣品放置在諧振腔內，通過比較測試前后的諧振頻率()、品質因數(shù)()得到不同氧化鋅煙塵表觀密度對介電常數(shù)(′)、介電損耗(″)、損耗角正切(tan)的影響見圖3。

(a) 表觀密度與ε′關系；(b) 表觀密度與ε″關系；(c) 表觀密度與tanδ關系

由圖3(a)和3(b)可知：氧化鋅煙塵的介電特性(′和″)與物料密度成良好的線性關系(見表2)；伴隨著氧化鋅煙塵的表觀密度增加，氧化鋅煙塵介電常數(shù)、介電損耗呈線性增加的趨勢。由圖3(c)可知：當表觀密度較小時(＜2.8 g/cm3)，tan隨表觀密度增大呈遞增關系，變化較為顯著，而后tan變化較為緩慢，趨于一個定值。這主要是因為表觀密度的增加導致微波能穿透物料受阻，在微波穿透過程中，微波能不斷衰減致使微波穿透深度減小，以至于物料將吸收的微波能轉化為內能的效率降低。氧化鋅煙塵的表觀密度與tan的關系見表2。

表2 不同密度下氧化鋅煙塵的介電特性回歸方程

2.2 物料密度對其微波穿透深度的影響

微波的穿透深度為當微波的場強在物料內降低到原來場強的1/時離物料表面的距離，表達式[27?29]如下：

式中：P為微波穿透深度；p決定物料被微波加熱的均勻性；在2.45 GHz處，0=12.24 cm。

根據式(6)可計算不同表觀密度下的微波穿透深度，表觀密度對微波穿透深度的影響見圖4。

圖4 表觀密度對微波穿透深度的影響

由圖4可知：微波穿透深度p隨表觀密度的增加呈遞減趨勢。依據曲線及回歸方程(表2)，當表觀密度達2.8 g/cm3時，微波穿透深度基本保持不變。這是因為當微波進入物料時，物料表面的能量密度最大，隨著微波向物料內部的滲透，物料吸收微波能并將其轉變?yōu)闊崮?，微波場強不斷衰減，場強的衰減程度決定了微波對物料的穿透能力。這與彭金輝等[17]的結論相吻合：當物質的穿透深度大于加熱樣品的尺寸時，其穿透深度的影響較?。幌喾?，當穿透深度小于被加熱樣品的尺寸時，微波能的穿透將受限制，產生不均勻加熱。所以，在微波加熱條件下選擇適當?shù)奈锪厦芏戎陵P重要，是確保微波均勻加熱的關鍵。

2.3 氧化鋅煙塵在微波場中的升溫特性

2.3.1 不同物料量對氧化鋅煙塵升溫行為的影響

物料在微波場中的升溫特性與其物料量密切相關。微波輸出功率為900 W的微波場中，不同氧化鋅煙塵物料質量對其升溫行為的影響如圖5所示。

氧化鋅煙塵物料質量/g：1—300；2—200；3—100

從圖5可以看出：對氧化鋅煙塵進行微波加熱處理，控制微波輸出功率為900 W，樣品溫度迅速升高，100，200和300 g氧化鋅煙塵在微波場中的表觀平均升溫速率分別為135，122，110 ℃/min。由此可見：被加熱的氧化鋅煙塵質量越小，其表觀升溫速率越大。在微波場中加熱6 min即可達到800 ℃左右的高溫。物料質量越大，其升溫速率越小，這與陳津等[30]的實驗所得結果一致。一方面，物料質量越大，單位質量的微波功率密度比則有所減小，同時物料與外界的接觸面積加大，向外界環(huán)境的散熱量增加；另一方面，微波功率一定，氧化鋅煙塵物料量越大，微波越難均勻地滲透到物料的內部。因此，在實驗范圍內，隨著煙塵質量的增加，升溫速率有所減緩。

2.3.2 不同微波功率對氧化鋅煙塵升溫行為的影響

300 g氧化鋅煙塵在微波功率分別為500，700和900 W下的升溫曲線如圖6所示。

微波功率/W：1—500；2—700；3—900

由圖6可見：控制微波處理氧化鋅煙塵物料量為300 g，微波功率對物料升溫行為的影響主要體現(xiàn)為隨著微波功率的增大，氧化鋅煙塵表觀平均升溫速率增大，達到相同溫度的時間縮短。這與華一新等[31]用微波加熱低品位氧化鎳礦石試驗的結論相似，在一定范圍內，增加微波的輸出功率可以提高物料的溫度。

在其他條件不變的情況下，提高微波加熱功率意味著增加電場強度。隨著電場強度的增大，微波能更均勻地滲透到物料的內部，溫度也隨之升高。因此，適當增大微波加熱功率可以縮短加熱時間，提高煙塵的表觀平均升溫速率。另外，實驗結果表明，不同表觀密度下的物料介電損耗因子(")不同，所以，研究不同表觀密度下的介電特性變化對微波加熱物料溫升特性的研究具有指導性意義。

3 結論

1) 氧化鋅煙塵表觀升溫速率隨微波焙燒功率的增加而增大，隨物料質量的增加而減小，在微波場中加熱6 min即可達到800 ℃，適當增大微波輸出功率可以縮短加熱時間，提高煙塵的表觀平均升溫速率。

2) 氧化鋅煙塵的介電特性均隨表觀密度的增加而增大，微波穿透深度(p)隨物料密度的增加而降低。在一定范圍內，當氧化鋅煙塵表觀密度達2.8 g/cm3時，微波穿透深度達到恒定值。

3) 氧化鋅煙塵具有良好的吸波性能，微波加熱處理高氯氧化鋅煙塵是可行的。

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Microwave dielectric properties and temperature increasing characteristics on zinc oxide dust with high content of Cl

MA Aiyuan1, 2, 3, ZHANG Libo1, 2, 3, SUN Chengyu3, 4, PENG Jinhui1, 2, 3,LIU Bingguo1, 2, 3, LIU Chenhui1, 2, 3, ZUO Yonggang1, 2, 3

(1. Yunnan Provincial Key Laboratory of Intensification Metallurgy, Kunming 650093, China;2. Key Laboratory of Unconventional Metallurgy, Ministry of Education,Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;3. Faculty of Metallurgy and Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093, China;4.Yunnan Chihong Zn & Ge Co. Ltd., Qujing 655011, China)

To study the technological possibility of removing chlorine from microwave roasting zinc oxide dust, the dielectric properties of zinc oxide dust with high content of Cl, which was derived from zinc leading residue treated in rotary kiln, was measured using a microwave cavity perturbation method, and the temperature increasing characteristics of oxide zinc dust were studied under different material quantities and different microwave powers, respectively. The results show that zinc oxide dust dielectric constant and dielectric loss are proportional to the apparent density. Meanwhile, apparent density of zinc oxide dust exhibits a linear function relationship with dielectric parameters and the microwave penetration depth. Zinc oxide dust has a strong microwave absorbing ability, and can reach 800 ℃ in 6 min under microwave heating. The heating rate increases with the increase of microwave roasting power and decreases with the increase of material quantity.

zinc oxide dust; apparent density; dielectric properties; temperature increasing characteristics

TF09

A

1672?7207(2015)02?0410?06

2014?02?13；

2014?04?20

國家自然科學基金資助項目(51104073)；國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973計劃)項目(2014CB643404)；云南省中青年學術技術帶頭人后備人才資助項目(2012HB008)；2014年度云南省博士研究生學術新人獎資助項目(2014)(Project (51104073) supported by the National Natural Science Foundation; Project (2014CB643404) supported by the National Program on Key Basic Research of China (973 Program); Project (2012HB008) supported by the Young Academic Technology Leader Reserve Talents of Yunnan Province of China；Project (2014) Supported by the 2014 PhD Newcomer Award in Yunnan Province)

張利波，教授，從事微波冶金新技術開發(fā)、微波高溫反應器的研發(fā)；E-mail：lbzhang@kmust.edu.cn

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.005

(編輯 趙俊)