CN110747355B - 一种粗白砷制备金属砷的工艺及其设备 - Google Patents

一种粗白砷制备金属砷的工艺及其设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种粗白砷制备金属砷的工艺及其设备,包括以下工艺步骤:含As2O3≥90%的粗三氧化二砷烟灰经过600℃~700℃挥发得到三氧化二砷蒸汽,三氧化二砷蒸汽经过装有被加热至700℃~800℃机制炭的还原炉被还原为砷蒸汽,砷蒸汽通过350℃~420℃的结晶器冷凝为含As≥99.5%金属砷。该工艺将微波冶金技术应用粗白砷制备金属砷工艺中,具有生产成本低、热效率高,环保节能,产品品质好。设备自动化程度高,生产效率高等显著特点。

Description

一种粗白砷制备金属砷的工艺及其设备
技术领域
本发明属于微波冶金技术领域,具体地说涉及一种粗白砷制备金属砷的工艺及其设备。
背景技术
单质砷的制取,国内外现有的技术主要有:氢还原法、碳还原法和硫砷铁矿热分解法。氢换原法使用还原剂为氢气,存在爆炸风险。美国专利US3,567,379提出氨气为还原剂的还原工艺,该工艺利用氨气分解产出氢气还原三氧化二砷产出砷,工艺过程和设备复杂,能耗大,成本高;碳还原法分为两类,一种是将三氧化二砷与炭混合,在坩埚或电炉中加热还原,再冷凝收集,此工艺直收率低、产品质量差、原料损失大、环境污染严重、投资大。一种是三氧化二砷不与炭混合,在一个不锈钢竖罐中分为两层,下层铺三氧化二砷粉末,上层铺炭,在竖罐外侧有电阻丝加热,上下部分别加热,使三氧化二砷蒸汽通过炽热炭层(炭层温度控制750℃~800℃)被还原为砷蒸汽,砷蒸汽在炉体上部冷凝器中冷凝成金属砷产品。我国专利(ZL 89101045.9、92110735.8)在微负压条件下,将木炭置于内热电炉炉膛还原区,三氧化二砷逐渐挥发,通过炽热的碳层被还原为金属砷,冷凝后得到99%左右的金属砷。该类工艺简单可靠,原料适应性强,但是存在炉体腐蚀严重、作业环境差、劳动强度大、生产成本高等问题。
本发明与上述工艺相比,三氧化二砷蒸馏、碳还原、金属砷结晶三个过程独立,采用微波加热,加料排渣全部自动控制,无人接触含砷物料,具有自动化程度高、直收率高、环境友好、劳动强度低、运行成本低等优点,尚未见国内外的相关报道。
发明内容
本发明为了解决上述问题而提供了一种粗白砷制备金属砷的工艺及其设备。
本发明的技术方案是这样实现的:一种粗白砷制备金属砷的工艺,包括以下步骤:
a、微波蒸馏:将微波蒸馏炉加热至600℃~700℃,微波蒸馏炉加料和排渣处通过氮气保护,开启微波蒸馏炉传动链板,将粗白砷加入料斗中,通过绞龙将粗白砷铺在微波蒸馏炉链板上,粗白砷随链板传动进入微波加热区开始挥发,挥发出的三氧化二砷蒸汽通过烟气管道进入还原炉,剩余的三氧化二砷残渣冷却后经排砷渣绞龙排至砷渣灰斗;
b、热碳还原:还原炉内衬石英管,石英管内装有机制木炭,采用微波加热至700℃~800℃,进入石英管的三氧化二砷蒸汽通过碳层时被木炭或一氧化碳还原为单质砷蒸汽,砷蒸汽进入金属砷结晶器,机制炭灰由还原炉底部炭灰绞龙排出;
c、降温结晶:金属砷结晶器由不锈钢的结晶器列管组成,有振打清理装置,运行时维持不锈钢列管温度在350℃~420℃,当单质砷蒸汽缓慢进入列管,降温结晶转变为金属砷晶体,开启振打装置,清理掉金属砷结晶,在不锈钢列管底部收集金属砷,金属砷产品先进入缓冲仓再进入收集仓放出,为防止金属砷氧化,各段均通有氮气保护;
优选的,所述步骤a中蒸馏温度620℃~680℃,粗白砷含As2O3≥90%,蒸馏炉出口相对压力﹣10 Pa~50Pa,蒸馏炉加料口和排渣口通入氮气流量0.5 L/min~2L/min,避免氧气进入蒸馏炉;
优选的,所述步骤b中还原温度720℃~760℃,机制木炭固定碳含量≥85%,蒸馏炉出口相对压力﹣60 Pa~0Pa,还原炉加木炭口和排炭灰口通入氮气流量0.5 L/min~2L/min,避免氧气进入还原炉;
优选的,所述所述步骤c中结晶温度370℃~400℃,结晶器出口相对压力﹣100 Pa~﹣50 Pa,结晶器产品收集仓内通入氮气流量0.5 L/min~2L/min,防止金属砷被氧化;
一种粗白砷制备金属砷的设备,包括微波蒸馏炉、还原炉和结晶器,所述微波蒸馏炉内设有微波发生器Ⅰ,微波发生器Ⅰ上方设有蒸馏炉传动链板,微波蒸馏炉上方设有加料绞龙,加料绞龙上方设有加料灰斗,微波蒸馏炉末端设有水冷装置和排砷渣绞龙,排砷渣绞龙下方设有砷渣灰斗;微波蒸馏炉通过烟气管道与还原炉底部相连接,还原炉内衬为石英管,石英管内装有木炭,还原炉外侧设有微波发生器Ⅱ,还原炉上方排气口通过蒸汽管道与结晶器相连接,还原炉排气口上方设有气动插板阀Ⅰ,气动插板阀Ⅰ上方设有加木炭灰斗,还原炉下方排炭灰口下方设有炭灰绞龙,炭灰绞龙一侧下方设有炭灰灰斗;结晶器上设有结晶器列管,结晶器列管与振打装置相连接,结晶器列管底部设有收集仓,收集仓下方设有包装桶,收集仓上设有气动插板阀Ⅱ。
本发明的有益效果是:本工艺与其他工艺相比,具有以下几方面的优点:
(1)蒸馏炉和还原炉均采用微波加热,热效率高,可降低生产成本,金属砷生产成本由7000元/t~8000元/t降至3000元/t~4000元/t;
(2)还原炉采用石英内胆,外部微波加热,避免木炭与不锈钢接触反应腐蚀炉壳,延长炉体寿命;
(3)蒸馏、还原、结晶三个过程在三个独立的反应器中完成,蒸馏炉加原料粗白砷和排砷渣,还原炉加木炭和排炭灰,结晶器收集金属砷产品互不干扰,没有影响,可以实现粗白砷制备金属砷的连续性生产;
(4)设备自动化程度高,无需人工倒炉加料、清理残渣、收集金属砷产品,工人作业环境良好;
(5)加料、排渣、产品收集位置通入氮气密封,防止金属砷氧化,保证产品质量。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图;
图2为本发明的设备结构示意图。
零件说明:1、微波蒸馏炉,11、加料绞龙,12、加料灰斗,13、微波发生器Ⅰ,14、蒸馏炉传动链板,15、水冷装置,16、排砷渣绞龙,17、砷渣灰斗,2、还原炉,21、炭灰绞龙,22、炭灰灰斗,23、气动插板阀Ⅰ, 24、加木炭灰斗,25、微波发生器Ⅱ, 3、结晶器,31、包装桶,32、气动插板阀Ⅱ,33、结晶器列管,34、振打装置,35、收集仓,4、烟气管道,5、蒸汽管道。
具体实施方式
为了更好的理解与实施,下面结合实施例详细说明本发明。
实施例1:粗白砷以含有如下元素为例,其元素含量见表1:
Figure DEST_PATH_IMAGE001
采取如下工艺步骤:
a、微波蒸馏:
当微波蒸馏炉挥发段已预先达到660℃,蒸馏炉出口压力为-5Pa,控制加料口和排渣口氮气通过量为0.6L/min,将240kg粗白砷(含As2O3 92%)通过加料绞龙铺到蒸馏炉传动链板上,粗白砷随链板传动进入挥发区,粗白砷中的As2O3逐渐挥发以气态形式进入还原炉中;挥发后残余砷渣至炉尾排渣段处经水冷装置降温后由排渣绞龙排出,砷渣(含As2O35.19%)返炼铜系统富氧底吹炉配料。
b、热碳还原:
在还原炉内预先加入100kg(过量)机制炭,升温至730℃,恒温。当气态三氧化二砷从还原炉底部进气管进入还原炉石英管内,自下而上经过炽热的炭层,在此过程中,三氧化二砷蒸汽被还原为砷蒸汽,从还原炉顶部排烟口进入金属砷结晶器;炭渣或炭灰从还原炉底部排渣绞龙排出,此时还原炉出口压力为-30Pa,控制加木炭口和排炭灰口氮气通过量为0.6L/min。
c、降温结晶:
将自动结晶器预先升温至370℃,恒温,当金属砷蒸汽从结晶器进气管进入结晶管中慢慢冷凝结晶后,结晶器出口相对压力-65Pa,当结晶管内出现金属砷时,开启振打装置的气动锤,将结晶管内的金属砷清理下来,金属砷晶体进入收集仓,向收集仓通入1L/min氮气,待金属砷晶体被通入氮气冷却后放出封装,收集金属砷144.7kg(外观为块状银灰色),检测其纯度为99.72%,其元素含量见表2。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
一种粗白砷制备金属砷的设备,包括微波蒸馏炉1、还原炉2和结晶器3,微波蒸馏炉1内设有微波发生器13,微波发生器Ⅰ13上方设有蒸馏炉传动链板14,微波蒸馏炉1上方设有加料绞龙11,加料绞龙11上方设有加料灰斗12,微波蒸馏炉1末端设有水冷装置15和排砷渣绞龙16,排砷渣绞龙16下方设有砷渣灰斗17,微波蒸馏炉1通过烟气管道4与还原炉2底部相连接,还原炉2内衬为石英管,石英管内装有木炭,还原炉2外侧设有微波发生器Ⅱ25,还原炉2上方排气口通过蒸汽管道5与结晶器3相连接,排气口上方设有气动插板阀Ⅰ23,气动插板阀Ⅰ23上方设有加炭灰斗24,还原炉2下方排炭灰口下方设有炭灰绞龙21,炭灰绞龙21一侧下方设有炭灰灰斗22,结晶器3上设有多个结晶器列管3,结晶器列管3与振打装置34相连接,结晶器列管3底部设有收集仓35,收集仓35下方设有包装桶31,收集仓35上设有气动插板阀Ⅱ32。气动插板阀Ⅰ23是控制加木炭的阀门,防止砷蒸汽进入加炭料斗,气动插板阀Ⅱ32起隔绝空气防止金属砷氧化的作用。
具体地,启动微波发生器Ⅰ13将微波蒸馏炉1加热至660℃,粗白砷加入加料灰斗12内,通过加料绞龙11铺到蒸馏炉传动链板14上,粗白砷随链板传动进入挥发区,粗白砷中的As2O3逐渐挥发以气态形式进入还原炉2中,挥发后残余砷渣至炉尾排渣段处经水冷装置15降温后由排砷渣绞龙16排出;
在还原炉2内加入机制炭,启动微波发生器Ⅱ25将机制炭加热至730℃,当气态三氧化二砷从还原炉2底部进气管进入还原炉石英管内,三氧化二砷蒸汽自下而上经过炽热的炭层,在此过程中,三氧化二砷蒸汽被还原为砷蒸汽,从还原炉顶部排气口及蒸汽管道5进入金属砷结晶器3,炭渣或炭灰从还原炉底部炭灰绞龙21排出至炭灰灰斗22;
将结晶器3预先升温至370℃,当金属砷蒸汽从结晶器进气管进入结晶器列管33中慢慢冷凝结晶,当结晶器列管33内出现金属砷时,开启振打装置的气动锤34,将结晶管内的金属砷清理下来,金属砷晶体进入收集仓35,向收集仓通入1L/min氮气,待金属砷晶体被通入氮气冷却后放出至包装桶31封装。

Claims (4)

1.一种粗白砷制备金属砷的工艺,其特征包括以下步骤:
a、微波蒸馏:将微波蒸馏炉加热至600℃~700℃,微波蒸馏炉加料和排渣处通过氮气保护,开启微波蒸馏炉传动链板,将粗白砷加入料斗中,通过绞龙将粗白砷铺在微波蒸馏炉链板上,粗白砷随链板传动进入微波加热区开始挥发,挥发出的三氧化二砷蒸汽通过烟气管道进入还原炉,剩余的三氧化二砷残渣冷却后经排砷渣绞龙排至砷渣灰斗;
b、热碳还原:还原炉内衬石英管,石英管内装有机制木炭,采用微波加热至700℃~800℃,进入石英管的三氧化二砷蒸汽通过碳层时被木炭或一氧化碳还原为单质砷蒸汽,砷蒸汽进入金属砷结晶器,机制炭灰由还原炉底部炭灰绞龙排出;
c、降温结晶:金属砷结晶器由不锈钢的结晶器列管组成,有振打清理装置,运行时维持不锈钢列管温度在350℃~420℃,当单质砷蒸汽缓慢进入列管,降温结晶转变为金属砷晶体,开启振打装置,清理掉金属砷结晶,在不锈钢列管底部收集金属砷,金属砷产品先进入缓冲仓再进入收集仓放出,为防止金属砷氧化,各段均通有氮气保护。
2.如权利要求1所述的一种粗白砷制备金属砷的工艺,其特征在于所述步骤a中蒸馏温度620℃~680℃,粗白砷含As2O3≥90%,蒸馏炉出口相对压力﹣10 Pa~50Pa,蒸馏炉加料口和排渣口通入氮气流量0.5 L/min~2L/min,避免氧气进入蒸馏炉。
3.如权利要求1所述的一种粗白砷制备金属砷的工艺,其特征在于所述步骤b中还原温度720℃~760℃,机制木炭固定碳含量≥85%,蒸馏炉出口相对压力﹣60 Pa~0Pa,还原炉加木炭口和排炭灰口通入氮气流量0.5 L/min~2L/min,避免氧气进入还原炉。
4.如权利要求1所述的一种粗白砷制备金属砷的工艺,其特征在于所述步骤c中结晶温度370℃~400℃,结晶器出口相对压力﹣100 Pa~﹣50 Pa,结晶器产品收集仓内通入氮气流量0.5 L/min~2L/min,防止金属砷被氧化。
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