Не загрязняющий окружающую среду способ вакуумной экстракции мышьяка и оборудование для его осуществления
Изобретение относится к металлургии, а именно к извлечению мышьяка из руд и концентратов. Предложен способ экстракции мышьяка, в котором температуру в плавильной камере доводят до 100-300°С и затем поддерживают ее, чтобы удалить пар и небольшое количество пыли, содержащейся в концентрате мышьяка; при остаточном давлении ≤50 Па доводят температуру в плавильной камере и кристаллизационной камере до 300-500°С и затем поддерживают ее, чтобы удалить испарившиеся сульфиды мышьяка; поддерживают температуру в кристаллизационной камере, доводят температуру в плавильной камере до 500-600°С и затем поддерживают ее, чтобы удалить распавшуюся газообразную серу; доводят температуру в плавильной камере до 600-760°С и затем поддерживают ее, снижают температуру в кристаллизационной камере до 270-370°С и затем поддерживают ее, чтобы получить мышьяк; останавливают процесс, снижают температуру, подают воздух, извлекают мышьяк и удаляют шлак, экстрагируют чистый мышьяк обычным способом. В данном изобретении также предложено оборудование для осуществления упомянутого способа, содержащее индукционное нагревательное оборудование, плавильное устройство, кристаллизационное устройство, автоматическое гидравлическое устройство удаления шлака, пылеулавливающее устройство, автоматическое устройство регулирования температуры, устройство для измерения вакуума и вакуумную установку. Как показали широкомасштабные промышленные эксперименты настоящее изобретение полностью решает проблему загрязнения окружающей среды мышьяком и проблемы безопасности, которые долгое время существовали в области плавления мышьяка, и упрощает данный процесс. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 3 ил., 5 табл.
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу экстракции мышьяка, более точно изобретение относится к способу непосредственной экстракции мышьяка из концентрата арсенопирита или концентрата, содержащего выбракованные отходы мышьяка. Изобретение также относится к системе для экстракции мышьяка.
Предпосылки создания изобретения
Все существующие способы плавления мышьяка предусматривают обжиговую и восстановительную плавку при нормальном давлении. Так называемое нормальное давление означает, что давление воздуха в печи равно атмосферному давлению за пределами печи, при этом пространство внутри и снаружи печи сообщается при помощи воздушного потока. Так называемое средство восстановления означает, что в печи для экстракции мышьяка в качестве сырья должен использоваться As2О3. Иными словами, минералы должны быть сначала подвергнуты окислительному обжигу с целью получения As2O3, который затем при высокой температуре восстанавливают до мышьяка с использованием электрической печи с восстановительной атмосферой и углерода.
Такому способу экстракции мышьяка присущи следующие недостатки: (1) высокая токсичность окислов мышьяка, содержащихся в отвальном шлаке, что неизбежно приводит к загрязнению грунтовых вод и воздуха; (2) арсенат железа и окислы мышьяка, образующиеся в процессе обжига, остаются в шлаке, результатом чего является высокая токсичность шлака и низкой уровень регенерации мышьяка; (3) содержание SO2, образующегося в процессе обжига, не отвечает требованиям получения кислоты. Обычный способ очистки SO2 путем распыления известковой воды не способен обеспечить норму удаления SO2; (4) каждая стадия процесса осуществления обжига минералов до образования мышьяка неизбежно связана с загрязнением окружающей среды.
Для преодоления названных недостатков, связанных с применением As2O3 в качестве сырья для получении мышьяка в восстановительной печи нормального давления, некоторые исследователи в ходе испытаний извлекали мышьяк непосредственно из концентрата, содержащего мышьяк, вакуумным способом, таким как kilo ram level test, с целью извлечения мышьяка из кобальтовой руды с использованием существующих технологий (Китайский журнал по цветным металлам, книга 4, выпуск 1), рассчитанных на создание условий для осуществления мокрого способа экстракции кобальта. Теоретическая задача испытаний состояла в том, чтобы в условиях вакуума обеспечить термическое разложение Со, Fe, Ni и соединения As в концентрате кобальта и выделить мышьяк. Эксперимент проводился в следующих условиях: остаточное давление 6-10 Па, температура 1100-1200°C. Тем не менее, полученные результаты вызвали много вопросов. Степень чистоты мышьяка не отвечала международным требованиям о 99% содержании мышьяка и составляла лишь 76-92% в пересчете на сырой мышьяковистый ангидрид. Даже дополнительная очистка едва обеспечивала выполнение требований к продукту и была сопряжена со значительными затратами. С учетом температуры плавления, достигавшей 1100-1200°C, и полурасплавленного состояния, в котором находились материалы, возникала проблема выгрузки шлака для применения в промышленных целях. Не была решена проблема выбросов. Образующиеся в печи пары мышьяка и водяной пар вызывали разбрызгивание расплавленных материалов и образование большого количества пыли, загрязняющей мышьяк и затрудняющей получение высококачественного мышьяка. Содержание мышьяка в шлаке составляло до 10-18%, что создавало не только проблему низкого уровня восстановления мышьяка, но также проблему дополнительного удаление мышьяка на последующих стадиях плавления.
Другим примером являются испытания способа с использованием для экстракции мышьяка из содержащей арсенопирит руды существующей вакуумной вращающейся печи горизонтального типа, в ходе осуществления которого также возник ряд проблем и который до настоящего времени не был применен в промышленном масштабе. Названному способу присущи следующие недостатки. Не была решена проблема коррозии вращающейся печи под воздействием мышьяка, в результате чего срок службы печей слишком мал и они не применимы в промышленности. При вращении печи в процессе непрерывного перемешивания материалов образуется большое количество пыли, которая серьезно загрязняет продукт и является вторым неустранимым недостатком. Не была решена проблема выбросов. Пар, образующийся при высокой температуре из кристаллизационной влаги, содержащейся в материалах, непосредственно попадает в вакуумную установку, что часто создает невозможные условия для нормальной работы вакуумного насоса и также приводит к отказам вакуумного электромагнитного клапана. Не гарантировано выполнение требования к степени разрежения. Иногда вода, накопившаяся в вакуумном насосе, вызывает окисление деталей насоса и отказ вакуумного насоса. В результат часто имевших место аварий происходили утечки из вакуумной системы и загрязнение окружающей среды As2O3. Из-за непрерывного вращения кожуха печи очень сложно измерить фактическую температуру внутри печи. Кроме того, печи такого типа оснащены плавильной камерой и кристаллизационной камерой, которые встроены в общий кожух печи. На стыке двух камер более сложно регулировать температуру. Невозможно одновременно осуществлять удаление шлака и извлечение продукта. Сначала необходимо произвести извлечение продукта, а затем удаления шлака, что значительно увеличивает время выполнения операции. Полезный объем загрузки плавильной камеры (камеры для материала) вращающейся печи горизонтального типа мал и должен не превышать половину фактического объема плавильной камеры, в противном случае в процессе вращения материалы вытекут из вентиляционного отверстия (т.е. загрузочного отверстия) и будут непрерывно попадать в кристаллизационную камеру и смешиваться с продуктом. Перечисленные недостатки являются причиной того, что вращающиеся вакуумные печи горизонтального типа не могут применяться в промышленности.
В другом примере было использовано 100 г содержащей арсенопирит руды, которую в условиях вакуума подвергли термическому разложению, и извлекли мышьяк. В качестве руды использовали руду, содержащую чистый арсенопирит. С этой целью руду сначала подвергли очистке с целью удаления большей части примесей и выщелачиванию с использованием сульфата железа (III) с целью удаления FeS2 и других сульфидов и получения содержащей чистый арсенопирит руды в качестве исходного материала. Способ легко осуществим в рамках небольших испытаний с использованием в качестве исходного материала содержащей чистый арсенопирит руды, однако данные жесткие условия невозможно соблюсти в промышленности, несмотря на возможность получения высококачественного мышьяка. Вакуумная печь объемом 100 г имеет встроенную плавильную камеру, кристаллизационную камеру и пылеулавливающую камеру. После остановки печи и снижения температуры частицы мышьяка удаляют со стенки кожуха (стенки тигля). Такие испытания лишь подтверждают известные данные о вакуумном термическом разложении и экстракции мышьяка.
Также проводились испытания с использованием небольшого отрицательного давления в печи с целью вызвать термическое разложение содержащей арсенопирит руды и осуществить экстракцию мышьяка. Так называемое небольшое отрицательное давление означает разность давлений внутри и снаружи печи порядка 10 мм водяного столба. Тем не менее, испытания с использованием небольшого отрицательного давления способны лишь подтвердить известные данные о вакуумном термическом разложении и экстракции мышьяка, но не способны исключить условия, вызывающие образование As2О3, и далеки от промышленного применения.
Краткое изложение сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа вакуумной, не загрязняющей окружающую среду экстракции мышьяка; еще одной задачей изобретения является создание системы, используемой для осуществления способа вакуумной, не загрязняющей окружающую среду экстракции мышьяка.
Для преодоления вышеперечисленных недостатков в настоящем изобретении предложен способ экстракции мышьяка, включающий последовательные стадии, на которых:
(1) осуществляют загрузку концентрата мышьяка и железного порошка в плавильную камеру;
(2) доводят температуру в плавильной камере до 100-300°C и затем поддерживают температуру с целью удаления из материала пара и небольшого количества пыли;
(3) при остаточном давлении ≤50 Па доводят температуру в плавильной камере и кристаллизационной камере до 300°-500° и затем поддерживают температуру с целью удаления из материала летучих сульфидов мышьяка;
(4) доводят температуру в плавильной камере до 500-600°C и затем поддерживают температуру с целью удаления из материала разложившейся газообразной серы;
(5) доводят температуру в плавильной камере до 600-760°C и затем поддерживают температуру, одновременно доводя температуру в кристаллизационной камере до 270-370°C, после чего поддерживают температуру с целью кристаллизации паров мышьяка, выделившихся из материала, в кристаллизационной камере, и получения мышьяка;
(6) доводят температуру в плавильной камере и кристаллизационной камере до уровня ниже 150°C и подают воздух, после преимущественного выравнивания внутреннего и наружного давлений воздуха осуществляют извлечение мышьяка и удаление шлака.
Концентрат мышьяка помещают в тигель. Для ограничения выброса серы, загрязняющей мышьяк, в материал добавляют некоторое количество железного порошка, чтобы зафиксировать серу, т.е. Fe+S=FeS, оставляют серу в шлаке до образования FeS, затягивают крепежные гайки 12 кристаллизационной камеры, запускают индукционное нагревательное оборудование. Доводят температуру до уровня 100-300°C и затем поддерживают температуру, собирают образовавшийся пар и небольшие количества пыли внутри коллекторной и выпускной трубы 9 с множеством наклонных отверстий и соединяют пароотводную трубу 1 с вытяжным вентилятором, за счет чего пар вместе с небольшим количеством пыли выводится из печи через нижний зажимной винт 27 и пароотводную трубу 1, благодаря чему исключается загрязнение кристаллизационной камеры и вакуумной системы паром и пылью. После удаления пара пароотводное отверстие перекрывают и продолжают повышать температуру.
При помощи индукционного нагревательного оборудования температуру в плавильной камере и кристаллизационной камере доводят до 300-500°C и затем поддерживают до тех пор, пока содержащийся в материале сульфид мышьяка не перейдет в газообразное состояние (такое как As2S2, As4S4, AsS3 и т.д.), не соберется внутри коллекторной и выпускной трубы 9 через ее наклонный ствол и не начнет непрерывно поступать в кристаллизационную камеру. Поскольку температура в кристаллизационной камере находится на уровне 300-500°C, парообразный сульфид мышьяка не может оставаться в кристаллизационной камере из-за высокого давления пара и продолжает поступать в пылеулавливающую камеру, из которой через откачное отверстие пылесборника пыль регулярно удаляют и повторно используют в качестве побочного продукта.
Температуру в кристаллизационной камере поддерживают на уровне выше 300-500°C, повышают температуру в плавильной камере до 500-600°C и затем поддерживают ее на этом уровне, чтобы произошло разделение серы из FeS2: FeS2=FeS+S (газ), соединяют серу и железный порошок, содержащийся в сырье, с FeS и оставляют серу в шлаке в виде FeS.
После полного затвердения серы и выгрузки сульфидов мышьяка в пылеулавливающую камеру продолжают повышать температуру материала до 600-760°C. Начинается выраженный распад материала и образование паров мышьяка:
FeAsS=FeS+As (газ) FeAsS2=FeS+As (газ)+S (газ)
Далее температуру в плавильной камере поддерживают на уровне 600-760°C, а температуру в кристаллизационной камере на уровне 270°-370°. За счет коллекторной и выпускной трубы 9 с множеством наклонных отверстий пары мышьяка, находящиеся где-либо в материале, могут попадать внутрь выпускной трубы через ближайшие наклонные отверстия и образовывать непрерывный поток газообразного мышьяка, который перемещается вверх в кристаллизационную камеру, где происходит его кристаллизация на кристаллизационной пластине 15 с множеством отверстий и образование α мышьяка. На протяжении всего процесса непрерывного поступления паров мышьяка в кристаллизационную камеру в ней необходимо поддерживать температуру в пределах 270-370°C. При слишком высокой температуре пары мышьяка будут попадать в пылеулавливающую камеру и целевой продукт не будет получен. При слишком низкой температуре будет получен β мышьяк и γ мышьяк, а не α мышьяк.
Процесс останавливают, снижают температур и извлекают целевой продукт. После полного распада содержащегося в материале арсенопирита без выхода паров мышьяка принимают меры для снижения температуры как внутреннего, так внешнего кожухов кристаллизационной камеры. После снижения температуры до уровня ниже 150°C через воздушный загрузочный клапан 11 подают воздух до тех пор, пока показатель разности высот ртутного столба П-образного датчика давления не достигнет нулевой отметки, после чего открывают кристаллизационную камеру, чтобы извлечь целевой продукт и удалить шлак. Затем проводят подготовку к следующему циклу работы.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка перед загрузкой концентрата в плавильную камеру осуществляют измельчение концентрата мышьяка в частицы размером 0,1 - 2 мм.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка вес железного порошка составляет 2-4% от веса концентрата мышьяка.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка время выдержки на стадии (2) составляет 1-2 часа.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка время выдержки на стадии (3) составляет 1-2 часа.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка время выдержки на стадии (4) составляет 1-3 часа.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка время выдержки в каждой из плавильной и кристаллизационной камер на стадии (5) составляет 3-7 часов.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка температура в плавильной камере на стадии (2) составляет предпочтительно 200-300°C, более предпочтительно 250-300°C.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка температура в плавильной камере на стадии (3) составляет предпочтительно 450-500°C.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка температура в кристаллизационной камере на стадии (3) составляет предпочтительно 450-500°C.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка температура в плавильной камере на стадии (4) составляет предпочтительно 550-600°C.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка температура в кристаллизационной камере на стадии (4) составляет предпочтительно 400-450°C.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка температура в плавильной камере на стадии (5) составляет предпочтительно 650-750°C, более предпочтительно 700-750°C.
Согласно описанному выше способу экстракции мышьяка температура в кристаллизационной камере на стадии (5) составляет предпочтительно 300-360°C.
В изобретении предложена система для экстракции мышьяка, содержащая индукционное нагревательное оборудование, вакуумную печь с плавильным устройством, имеющим плавильную камеру, кристаллизационное устройство, автоматическое устройство удаления шлака, устройство улавливания пыли, автоматическое устройство регулирования температуры, вакуумную установку и устройство для измерения вакуума. Названное кристаллизационное устройство закреплено на названном плавильном устройстве при помощи съемного устройства. Его плавильная камера соединена с кристаллизационной камерой кристаллизационного устройства. Дно последнего соединено с автоматическим устройством удаления шлака. Между плавильным устройством, кристаллизационным устройством и автоматическим устройством удаления шлака предусмотрено вакуумное уплотнение. Кисталлизационное устройство соединено с устройством улавливания пыли при помощи пылеулавливающей впускной трубы. Устройство улавливания пыли соединено с вакуумной установкой посредством трубы, снабженной устройством для измерения вакуума. Дроссель индукционного нагревательного оборудования установлен на названном плавильном устройстве. Термопары автоматического устройства регулирования температур расположены соответственно на плавильном устройстве и кристаллизационном устройстве.
В описанной системе экстракции мышьяка плавильное устройство состоит из тигля, имеющего съемное дно 8', крышку и стенку 8, кожуха 7 вакуумной печи, расположенного снаружи тигля, а также полой коллекторной и выпускной трубы 9, вертикально установленной по центру дна 8' тигля. Внутренняя стенка тигля и наружная стенка коллекторной и выпускной трубы 9 образуют плавильную камеру, соединенную с кристаллизационной камерой через верх коллекторной и выпускной трубы 9. По стенке коллекторной и выпускной трубы 9 равномерно распределены проходящие вниз наклонные отверстия. Под коллекторной и выпускной трубой 9 также находится пароотводная труба 1, которая пересекает дно дна 8' тигля и соединена с вытяжным вентилятором.
В описанной системе для экстракции мышьяка осевая линия каждого наклонного отверстия коллекторной и выпускной трубы 9 и осевая линия коллекторной и выпускной трубы 9 проходят в общей плоскости и образуют угол 20-40 градусов с нижней торцевой поверхностью коллекторной и выпускной трубы 9.
В описанной системе для экстракции мышьяка тигель выполнен из коррозионно-стойкого и теплопроводного материала, предпочтительно графита.
В описанной системе для экстракции мышьяка дроссель индукционного нагревательного оборудования представляет собой дроссель промежуточной частоты. Такой дроссель промежуточной частоты выполнен из цельной отливки в изоляционном материале и помещен в кожухе 7 вакуумной печи снаружи тигля. Индукционное нагревательное оборудование также включает источник питания промежуточной частоты, конденсатор индукционной электронагревательной системы, изолирующий трансформатор промежуточной частоты. Изолирующий трансформатор промежуточной частоты расположен между токоподводом дросселя промежуточной частоты и источником питания промежуточной частоты.
В описанной системе для экстракции мышьяка дроссель индукционного нагревательного оборудования представляет собой дроссель промежуточной частоты. Такой дроссель расположен снаружи кожуха 7 вакуумной печи. Индукционное нагревательное оборудование также включает источник питания промежуточной частоты и конденсатор индукционной электронагревательной системы.
В описанной системе для экстракции мышьяка кожух 7 вакуумной печи выполнен из жаропрочного, изоляционного, немагнитного, непроводящего и не допускающего утечек материала, предпочтительно керамического материала или пластиковой проволочной сетки из 4-флуорантена.
В описанной системе для экстракции мышьяка для заполнения зазора между стенкой 8 тигля и кожухом 7 вакуумной печи размещен изоляционный материал.
В описанной системе для экстракции мышьяка кристаллизационное устройство включает не имеющий дна кожух 14 и внутренний кожух 13, множество кристаллизационных пластин 15 с множеством отверстий, установленных на общей опоре, а также центральную нагревательную трубу 16, установленную на кожухе 14 и вертикально проходящую по центру кожуха. Пространство внутреннего кожуха 13 образует кристаллизационную камеру. Внутренний кожух 13 и опора кристаллизационной пластины 15 с множеством отверстий прикреплены к кожуху 14 при помощи съемного устройства.
В описанной системе для экстракции мышьяка между кожухом 14, не имеющим дна, и внутренним кожухом 13 названного кристаллизационного устройства выполнены небольшие кольцевые щели. Внутрь названных кольцевых щелей помещены огнеупорные материалы.
В описанной системе для экстракции мышьяка автоматическое устройство регулирования температуры включает: термопару 5, установленную на кожухе 14 кристаллизационной камеры, не имеющем дна, для измерения температуры в кристаллизационной камере, термопару 5, установленную на дне 6 вакуумной печи для измерения температуры в плавильной камере, а также регулятор температуры, соединенный с двумя названными термопарами и названным индукционным нагревательным оборудованием при помощи компенсационного кабеля и служащий для регулирования температуры в вакуумной печи и кристаллизационной камере, соответственно.
В описанной системе экстракции мышьяка плавильное устройство установлено на опоре 24. Такое плавильное устройство также имеет дно 6 вакуумной печи, соединенное со съемным дном 8' тигля; названное автоматическое устройство удаления шлака имеет бункер 4, шлаковую тележку 3, а также гидравлический подъемник 2, установленный на бункере 4. Дно 6 вакуумной печи соединено с кожухом 7 вакуумной печи посредством верхней опоры гидравлического подъемника 2 с использованием вакуумных уплотнительных полос для герметизации. При снижении гидравлического подъемника 2 дно 6 печи и съемное дно 8' тигля отделяются от стенки 8 тигля.
В описанной системе экстракции мышьяка между съемным дном 8' тигля и дном 6 вакуумной печи находится теплоизоляционный материал.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана блок-схема экстракции мышьяка по настоящему изобретению,
на фиг.2 проиллюстрирована конструкция системы для экстракции мышьяка по настоящему изобретению,
на фиг.3 проиллюстрирован еще один вариант конструкции системы для экстракции мышьяка по настоящему изобретению.
Подробное описание вариантов осуществления
Далее со ссылкой на чертежи следует более подробное описание способа экстракции мышьяка по настоящему изобретению и системы для экстракции мышьяка по настоящему изобретению.
Рассмотрим один из вариантов конструкции экстракции мышьяка по настоящему изобретению, проиллюстрированный на фиг.2, на которой схематически представлены конструктивные признаки и принципы действия основного оборудования.
В системе экстракции мышьяка по настоящему изобретению плавильное устройство при помощи болтов и гаек соединено с кристаллизационным устройством с использованием резиновых полосок для герметизации; плавильное устройство посредством гидравлического подъемника 2 соединено с автоматическим устройством удаления шлака через дно печи с гидравлическим приводом; кристаллизационная камера посредством левого фланца впускной пылеулавливающей трубы 17 соединена с пылеулавливающим устройством, при этом между правым и левым фланцем находится резиновое уплотнительное кольцо, обеспечивающее герметизацию. Устройство улавливания пыли посредством трубы из нержавеющей стали и электромагнитного клапана 23 соединено с вакуумной установкой; индукционное нагревательное оборудование промежуточной частоты посредством дросселя 10 соединено с плавильным устройством; дроссель 10 и нагревательное оборудование промежуточной частоты соединены гибким кабелем; устройство регулирования температуры посредством термопар 5 и гибкого компенсационного проводника соединено со всеми регулирующими температуру приборами. Для автоматической регулировки питания и температуры используется тиристор, которым посредством информационной обратной связи управляют термопары 5; устройство для измерения давления при помощи вакуумного шланга и чувствительной к давлению соединительной трубы 20 соединено с манометром Мак-Леода и датчиком давления П-образного типа для считывания степени разрежения.
Дроссель 10 промежуточной частоты расположен внутри выполненного из нержавеющей стали кожуха 7 вакуумной печи на опоре 24. С целью предотвращения разряда в вакууме весь дроссель промежуточной частоты должен быть литым и покрыт изоляционным материалом во избежание замыкания дросселя на землю. Между электроподводом дросселя промежуточной частоты и источником питания расположен изолирующий трансформатор промежуточной частоты, снижающий выходное напряжение промежуточной частоты и дополнительно предотвращающий возникновение в печи разряда в вакууме.
По центру дна 8' графитового тигля установлена полая коллекторная и выпускная труба 9. Ее верх соединен с кристаллизационным устройством, что обеспечивает прочное соединение между коллекторной и выпускной трубой 9 с множеством наклонных отверстий и дном 8' графитового тигля. Проходящие вверх наклонные отверстия равномерно распределены по поверхности коллекторной и выпускной трубы. Каждое наклонное отверстие образует угол 30 градусов с нижним торцом коллекторной и выпускной трубы. Такие наклонные отверстия способствуют тому, что различные газообразные вещества, выделяющиеся из материалов в печи, по кратчайшему пути и с минимальным сопротивлением потока собираются в коллекторной и выпускной трубе, из коллекторной и выпускной трубы попадают на кристаллизационную пластину 15 с множеством отверстий кристаллизационной камеры и кристаллизуются, образуя целевой мышьяк. Центральная коллекторная и выпускная труба способна значительно уменьшать сопротивление потока различных газообразных веществ, выделяющихся из расплавленных материалов, таких как пары мышьяка, водяной пар, пары различных сульфидов мышьяка и так далее, а также сводить к минимуму содержание мышьяка в шлаке. Под коллекторной и выпускной трубой 9 расположена пароотводная труба 1, которая пересекает упомянутое дно 8' графитового тигля и соединена с вытяжным вентилятором.
Автоматическое устройство удаления шлака вместе с дном печи с гидравлическим приводом включает шлаковую тележку 3, бункер 4 для шлака, гидравлический подъемник 2 и поднимающееся дно 6 печи. Такое поднимающееся дно 6 вакуумной печи соединено со съемным дном 8' графитового тигля слоем изоляционного материала. Дно 6 вакуумной печи посредством опоры гидравлического подъемника 2 соединено с выполненным из нержавеющей стали кожухом 7 вакуумной печи с использованием резиновых полосок для герметизации. Гидравлический подъемник 2 приводит в действие дно 6 вакуумной печи и дно 8' графитового тигля, которое отделяется от упомянутой выше стенки 8 графитового тигля. Гидравлический подъемник 2 поднимает дно 6 вакуумной печи, которое заставляет резиновые уплотнительные полоски, расположенные между дном 6 печи и выполненным из нержавеющей стали кожухом 7 вакуумной печи, сжиматься и обеспечивать герметизацию. Подъем дна вакуумной печи предусмотрен для автоматического удаления шлака. Удаление шлака осуществляется путем подъема дна печи, поскольку температура плавления составляет ≤760°C, все вещества, содержащиеся в концентрате, находятся в условиях далеких от режима плавки, а шлак является сухим и его текучесть не отличается от текучести исходного материала.
По центру кристаллизационной камеры на кожухе 14 кристаллизационной камеры установлена вертикальная центральная нагревательная труба 16. На трубчатой опоре на одинаковом расстоянии друг от друга установлено несколько кристаллизационных пластин 15 с множеством отверстий. Такая трубчатая опора также расположена снаружи упомянутой центральной нагревательной трубы 16. Внутренний кожух 13 кристаллизационной камеры и кристаллизационная пластина 15 с множеством отверстий при помощи болтов и гаек 12 прикреплены к наружному корпусу 14 кристаллизационной камеры. Для извлечение продукта отвинчивают гайку 12 и удаляют все кристаллизационные пластины 15 с множеством отверстий и внутренний кожух 13 кристаллизационной камеры. Между внутренним кожухом 13 кристаллизационной камеры и наружным кожухом предусмотрена небольшая кольцевая щель, облегчающая удаление внутреннего кожуха 13 кристаллизационной камеры. Парообразный мышьяк не должен попадать в щель и кристаллизоваться, иначе внутренний кожух 13 будет заблокирован. С целью предотвращения такую кольцевую щель уплотняют губчатыми огнеупорными материалами.
Регулирование температуры в плавильной камере осуществляют при помощи термопар 5, установленных на поднимающемся дне 6 вакуумной печи и передающих информацию устройству регулирования температуры индукционного нагревательного оборудования промежуточной частоты. Тиристор устройства регулирования температуры автоматически регулирует напряжение промежуточной частоты на основании поступившей информации, т.е. регулирует выходную мощность промежуточной частоты с целью обеспечить регулирование температуры. Кристаллизационная камера имеет специальное независимое устройство регулирования температуры. Оно действует по принципу устройства регулирования температуры в плавильной камере и использует термопары 5, установленные на наружном корпусе кристаллизационной камеры для обеспечения информационной обратной связи. Устройство регулирования температуры на основании меняющейся информации автоматически регулирует силу нагрева электрических нитей накала печи, навитых на центральную нагревательную трубу 16, с целью регулирования температуры в кристаллизационной камере. Электрические нити накала печи, навитые на нагревательную трубу, должны быть полностью изолированы во избежание их коррозии под действием паров мышьяка. Упомянутая выше трубчатая опора играет роль средства, предотвращающего попадание паров мышьяка в центральную нагревательную камеру.
Наружный кожух 14 кристаллизационной камеры посредством впускной пылеулавливающей трубы 17 соединен с кожухом 18 пылеулавливающего устройства. При температуре 300-500°C различные сульфиды мышьяка улетучиваются из материалов и попадают в пылеулавливающую камеру, откуда их выводят через откачное отверстие в качестве побочных продуктов.
Верх пылеулавливающей камеры 18 соединен с вакуумной установкой при помощи вытяжной трубы из нержавеющей стали. После запуска вакуумной установки 22 вся система переходит в состояние вакуума посредством вакуумного электромагнитного клапана 23 и вытяжной трубы из нержавеющей стали. Для проверки герметичности загрузки системы может использоваться воздушный загрузочный клапан 21. Степень разрежения системы может быть измерена при помощи датчика давления П-образного типа и манометра Мак-Леода, установленных на трубе 20 для измерения давления.
Рассмотрим проиллюстрированный на фиг.3 другой вариант конструктивного решения системы для экстракции мышьяка, конструктивные признаки и принципы работы которой кратко пояснены ниже. Описание других устройств совпадает с описанием со ссылкой на фиг.2.
Система помещается внутри керамического кожуха 7 вакуумной печи на опоре 24 и закреплена винтом 13 и крепежным винтом 17 кожуха. Поскольку керамический кожух промышленной печи специальной конструкции не только отвечает требованиям отсутствия утечек при сильном разрежении, но также соответствует специальным требованиям отсутствия магнитной проводимости, непроводимости, жаропрочности и высокой прочности, что необходимо при электромагнитом индукционном нагреве, дроссель 10 может быть помещен снаружи керамического кожуха 7 промышленной печи. Такое конструктивное решение полностью исключает феномен разряда в вакууме, улучшает эксплуатационную надежность нагревательной системы, а также делает излишним изолирующий трансформатор промежуточной частоты, который необходим в обычной вакуумной печи для предотвращения разряда в вакууме, и обеспечивает экономию энергии, потребляемой изолирующим трансформатором. Более важно, что в случае использования нержавеющей стали для кожуха вакуумной печи дроссель должен помещаться внутри кожуха, что приводит к магнитному индукционному нагреву кожуха из нержавеющей стали и увеличению бесполезного потребления энергии. В настоящем изобретении используется керамический кожух вакуумной печи специальной конструкции, общее потребление энергии у которой может быть снижено на 20-30% при такой же мощности.
В керамическом кожухе 7 вакуумной печи находится стенка 8 графитового тигля, дно 8' графитового тигля и крышка 26 графитового тигля.
По центру дна 8' графитового тигля установлена полая коллекторная и выпускная труба 9. Кольцевая щель между керамическим кожухом и графитовым тиглем заполнена изоляционным материалом 4.
Далее изобретение описано на примере данных следующих экспериментов, в которых в качестве исходного материала использовался концентрат арсенопирита.
| Таблица 1. | |||||
| Влияние крупности частиц концентрата мышьяка на степень спарения мышьяка | |||||
| Степень испарения мышьяка | кг | 650 | 740 | 796 | 848 |
| % | <75 | <85 | ≤91 | 97 | |
| Крупность частиц (мм) | 5-10 | 3-5 | 1-3 | 0.1-2 | |
| Температура (°С) | 750 | ||||
| Остаточное давление (Па) | 1-50 | ||||
| Загрузка (кг) | 2500 | ||||
| Время дистилляции (ч) | 4 | ||||
| Степень чистоты концентрата мышьяка (%) | 35 |
Как следует из таблицы 1, оптимальные результаты дистилляции получены при постоянных 5 параметрах, таких как температура и остаточное давление и при крупности частиц 0,1-2 мм.
Чтобы показать взаимосвязь между испарением сульфида мышьяка и температурой, было проведено испытание в вакуумной мини-печи. Результаты испытания приведены в таблице 2.
| Таблица 2. | |||||
| Влияние температуры на степень испарения сульфида мышьяка | |||||
| Степень испарения сульфида мышьяка | г | 1 | 5 | 9.5 | 9.8 |
| % | 10 | 50 | 95 | 100 | |
| Температура (°С) | 300 | 400 | 450 | 500 | |
| Крупность частиц (мм) | 0-2 | ||||
| Остаточное давление (Па) | 50 | ||||
| Загрузка (г) | 100 | ||||
| Время дистилляции (мин) | 30 | ||||
| Степень чистоты сульфида мышьяка (%) | 10 |
Как следует из таблицы 2, при температуре 450°C в течение 30 минут произошло испарение 95% сульфидов мышьяка. В дальнейшем достигается 100% испарение. Таким образом, температура 450-500°C является оптимальной для распада сульфидов мышьяка.
Чтобы показать зависимость между распадом FeS2 и температурой, было также проведено испытание в вакуумной мини-печи. Результаты испытания приведены в таблице 3.
| Таблица 3 | ||||||
| Зависимость между распадом FeS2 и температурой | ||||||
| Количество выделившейся серы | г | 0 | 0.53 | 4.24 | 5.2 | 5.3 |
| % | 0 | 10 | 80 | 98 | 100 | |
| Температура (°С) | 300 | 450 | 500 | 550 | 600 | |
| Крупность частиц (мм) | 0.1-2 | |||||
| Остаточное давление (Па) | 50 | |||||
| Загрузка (г) | 100 | |||||
| Время дистилляции (ч) | 1 | |||||
| Степень чистоты FeS (%) | 20 |
Как следует из таблицы 3, при температуре 550°C происходит распад большого количества FeS2:FeS2=FeS+S (газ), до 98% при данной температуре. В дальнейшем происходит 100% распад. Таким образом, температура 550-600°C является оптимальной для распада FeS2.
| Таблица 4. | |||||
| Влияние температуры на степень испарения мышьяка | |||||
| Степень испарения мышьяка | кг | 175 | 350 | 700 | 860 |
| % | 20 | 40 | 80 | >98 | |
| Температура (°С) | 550-600 | 600-650 | 650-700 | 700-750 | |
| Крупность частиц (мм) | 0.1-2 | ||||
| Остаточное давление (Па) | 1-50 | ||||
| Загрузка (г) | 2500 | ||||
| Время дистилляции (ч) | 4 | ||||
| Степень чистоты концентрата мышьяка (%) | 35 |
Как следует из таблицы 4, максимальная степень испарения мышьяка до 80% наблюдалась при постоянных 5 параметрах, таких как крупность частиц и остаточное давление и при температуре 650-700°C. Шлак в данном случае по-прежнему состоял лишь из сухого шлака без спекания и оплавления. Он сохранял хорошую текучесть в сочетании с исходным материалом. Очевидно, если время дистилляции продлить, степень испарения повыситься.
1-й вариант осуществления
Рассмотрим показанную на фиг.1 блок-схему способа экстракции мышьяка по настоящему изобретению. 2,5 т арсенопирита измельчили в частицы размером 1 мм и поместили в графитовый тигель. Добавили 62 кг порошка железного лома, чтобы зафиксировать серу и способствовать образованию FeS при шлакообразовании. Затянули монтажную гайку 12 кристаллизационной камеры. Запустили нагревательное устройство промежуточной частоты. В таблице 5 приведены условия проведения эксперимента. Повысили температуру до 100°C и затем в течение 2 часов поддерживали температуру, чтобы удалить пар и небольшое количество пыли из концентрата арсенопирита. Пар и небольшое количество пыли, образовавшейся из концентрата, собралось в центральной коллекторной и выпускной трубе 9. Пароотводную трубу 1 соединили с вытяжным вентилятором, чтобы удалить пар и небольшое количество пыли через зажимной винт 27 дна печи и пароотводную трубу 1. После отвода пара перекрыли пароотводное отверстие; продолжили повышать температуру, чтобы удалить испарившиеся сульфиды мышьяка, содержавшиеся в концентрате арсенопирнта, повысили температуру в плавильной камере и кристаллизационной камере до 300°C и затем поддерживали ее в течение 2 часов, чтобы дать возможность сульфидам мышьяка, содержащимся в концентрате, перейти в газообразное состояние (такое как As2S2, As4S4, As2S3 и т.д.) и собраться в центральной коллекторной и выпускной трубе 9 через ее наклонные отверстия, попасть в кристаллизационную камеру, затем в пылеулавливающую камеру; чтобы удалить распавшуюся газообразную серу, содержащуюся в концентрате арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере поддерживали на уровне 300°C, при помощи нагревательного устройства промежуточной частоты повысили температуру в плавильной камере до 500°C, после чего в течение 2 часов поддерживали температуру. Распавшуюся серу соединили с порошком железного лома, содержащимся в сырье, чтобы получить FeS, оставили серу в шлаке до момента образования FeS; чтобы выделить мышьяк из концентрата арсенопирита, продолжили повышать температуру в плавильной камере до 600°C, затем поддерживали температуру в течение 7 часов, снизили температуру в кристаллизационной камере до 270°C, после чего поддерживали температуру в течение 7 часов. Полученный мышьяк через ближайшее наклонное отверстие отвели в центральную коллекторную и выпускную трубу, чтобы создать поток газообразного мышьяка, который непрерывно поступает в кристаллизационную камеру с постоянной температурой и кристаллизуется на кристаллизационной пластине 15 с множеством отверстий, образуя α мышьяк.
Снизили температуру до внутреннего и наружного кожухов плавильной камеры и кристаллизационной камеры. После снижения температуры до уровня ниже 150°C стали подавать воздух в воздушный загрузочный клапан 11 до тех пор, пока показатель разности высот ртутного столба П-образного датчика давления не достигнет нулевой отметки, после чего открывали кристаллизационную камеру, чтобы извлечь целевой продукт и удалить шлак. Результаты эксперимента приведены в таблице 5. Степень чистоты мышьяка составила 80%, а степень удаления мышьяка из концентрата 50%.
2-й вариант осуществления
Были осуществлены такие же стадии эксперимента, как и в 1-м варианте осуществления. Разница состояла в том, что для удаления пара и небольшого количества пыли, содержащейся в концентрате арсенопирита, температуру повысили до 150°C, после чего поддерживали ее в течение 2 часов; чтобы удалить испарившиеся сульфиды мышьяка, содержавшиеся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в плавильной камере и кристаллизационной камере до 320°C, после чего поддерживали ее в течение 2 часов; чтобы удалить распавшуюся газообразную серу, содержащуюся в концентрате арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере снизили до 300°C и повысили температуру в плавильной камере до 530°C, после чего поддерживали ее в течение 2 часов; чтобы выделить мышьяк из концентрата арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере в течение 7 часов поддерживали на уровне 300°C, продолжили повышать температуру в плавильной камере до 630°C, после чего поддерживали ее в течение 7 часов. α мышьяк кристаллизовался на кристаллизационной пластине 15 с множеством отверстий. Результаты эксперимента приведены в таблице 5, Степень чистоты мышьяка составила 82%, а степень удаления мышьяка из концентрата 55%.
3-й вариант осуществления
Были осуществлены такие же стадии эксперимента, как и в 1-м варианте осуществления. Разница состояла в том, что для удаления пара и небольшого количества пыли, содержащейся в концентрате арсенопирита, температуру повысили до 200°C, после чего поддерживали ее в течение 1,5 часов; чтобы удалить испарившиеся сульфиды мышьяка, содержавшиеся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в плавильной камере до 350°C и в кристаллизационной камере до 300°C, после чего поддерживали ее в течение 1,5 часов, чтобы удалить распавшуюся газообразную серу, содержащуюся в концентрате арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере повысили до 320°C, повысили температуру в плавильной камере до 570°C, после чего поддерживали ее в течение 1,5 часов, чтобы выделить мышьяк из концентрата арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере снизили до 300°C и поддерживали ее в течение 6 часов, продолжили повышать температуру в плавильной камере до 650°C, после чего поддерживали ее в течение 6 часов. α мышьяк кристаллизовался на кристаллизационной пластине 15 с множеством отверстий. Результаты эксперимента приведены в таблице 5. Степень чистоты мышьяка составила 85%, а степень удаления мышьяка из концентрата 60%.
4 вариант осуществления
Были осуществлены такие же стадии эксперимента, как и в 1-м варианте осуществления. Разница состояла в том, что для удаления пара и небольшого количества пыли, содержащейся в концентрате арсенопирита, температуру повысили до 200°C, после чего поддерживали ее в течение 1,5 часов; чтобы удалить испарившиеся сульфиды мышьяка, содержавшиеся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в плавильной камере до 400°C и в кристаллизационной камере до 350°C, после чего поддерживали ее в течение 1,5 часов; чтобы удалить распавшуюся газообразную серу, содержащуюся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в кристаллизационной камере до 400°C, повысили температуру в плавильной камере до 600°C, после чего поддерживали ее в течение 1,5 часов; чтобы выделить мышьяк из концентрата арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере снизили до 320°C и поддерживали ее в течение 6 часов, продолжили повышать температуру в плавильной камере до 670°C, после чего поддерживали ее в течение 6 часов. α мышьяк кристаллизовался на кристаллизационной пластине 15 с множеством отверстий. Результаты эксперимента приведены в таблице 5. Степень чистоты мышьяка составила 97%, а степень удаления мышьяка из концентрата 70%.
5-й вариант осуществления
Были осуществлены такие же стадии эксперимента, как и в 1-м варианте осуществления. Разница состояла в том, что для удаления пара и небольшого количества пыли, содержащейся в концентрате арсенопирита, температуру повысили до 230°C, после чего поддерживали ее в течение 1,3 часа; чтобы удалить испарившиеся сульфиды мышьяка, содержавшиеся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в плавильной камере до 400°C и в кристаллизационной камере до 300°C, после чего поддерживали ее в течение 1,5 часа; чтобы удалить распавшуюся газообразную серу, содержащуюся в концентрате арсенопирита, поддерживали температуру в кристаллизационной камере на уровне 300°C, повысили температуру в плавильной камере до 570°C, после чего поддерживали ее в течение 2 часов; чтобы выделить мышьяк из концентрата арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере в течение 6 часов поддерживали на уровне 300°C, продолжили повышать температуру в плавильной камере до 680°C, после чего поддерживали ее в течение 6 часов, а мышьяк кристаллизовался на кристаллизационной пластине 15 с множеством отверстий. Результаты эксперимента приведены в таблице 5. Степень чистоты мышьяка составила 86%, а степень удаления мышьяка из концентрата 80%.
6-вариант осуществления
Были осуществлены такие же стадии эксперимента, как и в 1-м варианте осуществления. Разница состояла в том, что для удаления пара и небольшого количества пыли, содержащейся в концентрате арсенопирита, температуру повысили до 230°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа; чтобы удалить испарившиеся сульфиды мышьяка, содержавшиеся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в плавильной камере до 450°C и в кристаллизационной камере до 400°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа, чтобы удалить распавшуюся газообразную серу, содержащуюся в концентрате арсенопирита, поддерживали температуру в кристаллизационной камере на уровне 400°C, повысили температуру в плавильной камере до 600°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа; чтобы выделить мышьяк из концентрата арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере снизили до 350°C, после чего поддерживали ее в течение 5 часов, продолжили повышать температуру в плавильной камере до 700°C, после чего поддерживали ее в течение 5 часов. α мышьяк кристаллизовался на кристаллизационной пластине 15 с множеством отверстий.
Результаты эксперимента приведены в таблице 5. Степень чистоты мышьяка составила 99%, а степень удаления мышьяка из концентрата 90%.
7-й вариант осуществления
Были осуществлены такие же стадии эксперимента, как и в 1-м варианте осуществления. Разница состояла в том, что для удаления пара и небольшого количества пыли, содержащейся в концентрате арсенопирита, температуру повысили до 230°C, после чего поддерживали ее в течение 1,3 часа; чтобы удалить испарившиеся сульфиды мышьяка, содержавшиеся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в плавильной камере до 450°C и в кристаллизационной камере до 330°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа; чтобы удалить распавшуюся газообразную серу, содержащуюся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в кристаллизационной камере до 450°C, повысили температуру в плавильной камере до 550°C, после чего поддерживали ее в течение 2,5 часа; чтобы выделить мышьяк из концентрата арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере снизили до 320°C, после чего поддерживали ее в течение 4,5 часа, продолжили повышать температуру в плавильной камере до 730°C, после чего поддерживали ее в течение 4,5 часа. α мышьяк кристаллизовался на кристаллизационной пластине 15 с множеством отверстий. Результаты эксперимента приведены в таблице 5. Степень чистоты мышьяка составила 99%, а степень удаления мышьяка из концентрата 94%.
8-вариант осуществления
Были осуществлены такие же стадии эксперимента, как и в 1-м варианте осуществления. Разница состояла в том, что для удаления пара и небольшого количества пыли, содержащейся в концентрате арсенопирита, температуру повысили до 250°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа; чтобы удалить испарившиеся сульфиды мышьяка, содержавшиеся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в плавильной камере до 500°C и в кристаллизационной камере до 430°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа; чтобы удалить распавшуюся газообразную серу, содержащуюся в концентрате арсенопирита, снизили температуру в кристаллизационной камере до 400°C, повысили температуру в плавильной камере до 620°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа; чтобы выделить мышьяк из концентрата арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере снизили до 350°C, после чего поддерживали ее в течение 5 часов, продолжили повышать температуру в плавильной камере до 730°C, после чего поддерживали ее в течение 6 часов, α мышьяк кристаллизовался на кристаллизационной пластине 15 с множеством отверстий. Результаты эксперимента приведены в таблице 5. Степень чистоты мышьяка составила 99%, а степень удаления мышьяка из концентрата 97%.
9-вариант осуществления
Были осуществлены такие же стадии эксперимента, как и в 1-м варианте осуществления. Разница состояла в том, что для удаления пара и небольшого количества пыли, содержащейся в концентрате арсенопирита, температуру повысили до 280°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа, чтобы удалить испарившиеся сульфиды мышьяка, содержавшиеся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в плавильной камере до 480°C и в кристаллизационной камере до 450°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа; чтобы удалить распавшуюся газообразную серу, содержащуюся в концентрате арсенопирита, снизили температуру в кристаллизационной камере до 430°C, повысили температуру в плавильной камере до 620°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа; чтобы выделить мышьяк из концентрата арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере снизили до 320°C, после чего поддерживали ее в течение 3 часов, продолжили повышать температуру в. плавильной камере до 750°C, после чего поддерживали ее в течение 3 часов. α мышьяк кристаллизовался на кристаллизационной пластине 15 с множеством отверстий Результаты эксперимента приведены в таблице 5. Степень чистоты мышьяка составила 99%, а степень удаления мышьяка из концентрата 98%.
10-вариант осуществления
Были осуществлены такие же стадии эксперимента, как и в 1-м варианте осуществления Разница состояла в том, что для удаления пара и небольшого количества пыли, содержащейся в концентрате арсенопирита, температуру повысили до 300°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа; чтобы удалить испарившиеся сульфиды мышьяка, содержавшиеся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в плавильной камере до 500°C и в кристаллизационной камере до 450°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа; чтобы удалить распавшуюся газообразную серу, содержащуюся в концентрате арсенопирита, поддерживали температуру в кристаллизационной камере на уровне 450°C, повысили температуру в плавильной камере до 630°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа, чтобы выделить мышьяк из концентрата арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере снизили до 340°C, после чего поддерживали ее в течение 3 часов, продолжили повышать температуру в плавильной камере до 760°C, после чего поддерживали ее в течение 3 часов. α мышьяк кристаллизовался на кристаллизационной пластине 15 с множеством отверстий. Результаты эксперимента приведены в таблице 5. Степень чистоты мышьяка составила 99%, а степень удаления мышьяка из концентрата 98%.
11-й вариант осуществления
Были осуществлены такие же стадии эксперимента, как и в 1-м варианте осуществления. Разница состояла в том, что для удаления пара и небольшого количества пыли, содержащейся в концентрате арсенопирита, температуру повысили до 300°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа; чтобы удалить испарившиеся сульфиды мышьяка, содержавшиеся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в плавильной камере до 480°C и в кристаллизационной камере до 350°C, после чего поддерживали ее в течение 1 часа; чтобы удалить распавшуюся газообразную серу, содержащуюся в концентрате арсенопирита, повысили температуру в кристаллизационной камере до 420°C, повысили температуру в плавильной камере до 580°C, после чего поддерживали ее в течение 1,8 часа; чтобы выделить мышьяк из концентрата арсенопирита, температуру в кристаллизационной камере снизили до 350°C, после чего поддерживали ее в течение 3 часов, продолжили повышать температуру в плавильной камере до 750°C, после чего поддерживали ее в течение 3,5 часа. α мышьяк кристаллизовался на кристаллизационной пластине 15 с множеством отверстий.
Результаты эксперимента приведены в таблице 5. Степень чистоты мышьяка составила 99%, а степень удаления мышьяка из концентрата 98%.
Промышленная применимость
В настоящем изобретении предложен способ вакуумной, не загрязняющей окружающую среду экстракции мышьяка, в котором химическая реакция материалов в печи протекает в условиях вакуума без участия атмосферного воздуха, за счет чего полностью исключаются условия, приводящие к образованию опасного соединения As2O3, а также условия, приводящие к образованию отработавших газов и отработавшей воды. Образующийся шлак нетоксичен (не содержащие мышьяк окислы), а содержание железа в шлаке (>55%) позволяет осуществлять его повторное использование. Таким образом, в настоящем изобретении полностью решена проблема загрязнения окружающей среды мышьяком, которая в течение долгого времени существовала применительно к процессу плавления мышьяка. Способ по изобретению также может применяться для экстракции мышьяка из дыма с высоким содержанием мышьяка, который образуется в процесс плавления цветных металлов, чтобы извлекать содержащиеся в таком дыме ценные металлы; изобретение также может применяться для очистки от мышьяка материалов, требующих осуществления такой очистки, что является прорывом в области технологий охраны окружающей среды применительно к индустрии плавления мышьяка. Как показали широкомасштабные промышленные эксперименты, настоящее изобретение выполняет свою задачу и обеспечивает ожидаемый результат.
Стенка плавильной камеры в системе вакуумной, не загрязняющей окружающую среду экстракции мышьяка по настоящему изобретению выполнена из коррозионно-стойкого и теплопроводного материала, за счет чего решена проблема коррозии и малого срока службы существующих вращающихся вакуумных печей горизонтального типа; поскольку вакуумное плавильное устройство зафиксировано на опоре, исключено неизбежное образование продукта, который серьезно загрязняет окружающую среду вследствие большого количества пыли, выделяющейся из материала в процессе вращения печи, а также легко осуществляется измерение температуры; в плавильной камере вакуумного плавильного устройства установлена пароотводная труба 1, соединенная с вытяжным вентилятором, расположенным под коллекторной и выпускной трубой 9, за счет чего исключается ситуация, когда в материалы, находящиеся в вакуумной установке в условиях высокой температуры, непосредственно попадает выделившейся из кристаллизационной влаги пар, что делает невозможной нормальную работу вакуумного насоса и приводит к отказам вакуумного электромагнитного клапана и не обеспечивает соблюдения требований к степени разрежения, а также иногда приводит к накоплению воды в вакуумном насосе, что вызывает окисление деталей насоса и его отказы; система имеет плавильное устройство, кристаллизационное устройство с постоянной температурой, автоматическое устройство удаления шлака и пылеулавливающее устройство, за счет чего может быть получен чистый продукт, облегчается регулирование температуры в плавильной камере и кристаллизационной камере и одновременное удаление шлака и извлечение продукта; в системе применена вертикальная конструкция, за счет чего увеличивается полезное пространство плавильной камеры. Данная система преодолевает недостатки существующих вращающихся вакуумных печей горизонтального типа и применима для промышленного производства. Она имеет три функции: 1) обеспечивает полное разложение мышьяка, содержащегося в арсенопиритовой руде, при низкой температуре и получение мышьяка в соответствии с международными стандартами; 2) обеспечивает попадание серы, выделившейся из арсенопиритовой руды или пирита, и различных испарившихся сульфидов мышьяка в пылеулавливающей камере, в которой накапливается данный побочный продукт; 3) в процессе экстракции мышьяка не происходит выброса отработавшей воды, отработавших газов и токсичного шлака.
1. Способ экстракции мышьяка, включающий последовательные стадии, на которых:
(1) осуществляют загрузку концентрата мышьяка и железного порошка в плавильную камеру;
(2) доводят температуру в плавильной камере до 100-300°С и затем поддерживают температуру для удаления из материала пара и небольшого количества пыли;
(3) при остаточном давлении ≤50 Па доводят температуру в плавильной камере и кристаллизационной камере до 300-500°С и затем поддерживают температуру для удаления из материала летучих сульфидов мышьяка;
(4) доводят температуру в плавильной камере до 500-600°С и затем поддерживают температуру для удаления из материала разложившейся газообразной серы;
(5) доводят температуру в плавильной камере до 600-760°С и затем поддерживают температуру, одновременно доводя температуру в кристаллизационной камере до 270-370°С, после чего поддерживают температуру для кристаллизации паров мышьяка, выделившихся из материала, в кристаллизационной камере и получения мышьяка;
(6) доводят температуру в плавильной камере и кристаллизационной камере до уровня ниже 150°С и подают воздух и после преимущественного выравнивания внутреннего и наружного давлений воздуха осуществляют извлечение мышьяка и удаление шлака.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед загрузкой концентрата в плавильную камеру осуществляют измельчение концентрата мышьяка до частиц размером 0,1 - 2 мм.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вес железного порошка составляет 2-4% от веса концентрата мышьяка.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что время выдержки на стадии (2) составляет 1-2 ч.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что время выдержки на стадии (3) составляет 1-2 ч.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что время выдержки на стадии (4) составляет 1-3 ч.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что время выдержки в каждой из плавильной и кристаллизационной камер на стадии (5) составляет 3-7 ч.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура в плавильной камере на стадии (2) составляет 200-300°С.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура в плавильной камере на стадии (2) составляет 250-300°С.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура в плавильной камере на стадии (3) составляет 450-500°С.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура в кристаллизационной камере на стадии (3) составляет 400-450°С.
12. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура в плавильной камере на стадии (4) составляет 550-600°С.
13. Способ по. 1, отличающийся тем, что температура в кристаллизационной камере на стадии (4) составляет 400-450°С.
14. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура в плавильной камере на стадии (5) составляет 650-750°С.
15. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура в плавильной камере на стадии (5) составляет 700-750°С.
16. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура в кристаллизационной камере на стадии (5) составляет 300-360°С.
17. Система для экстракции мышьяка, содержащая индукционное нагревательное оборудование, вакуумную печь с плавильным устройством, имеющим плавильную камеру, кристаллизационное устройство, автоматическое устройство удаления шлака, устройство улавливания пыли, автоматическое устройство регулирования температуры, вакуумную установку и устройство для измерения вакуума; при этом кристаллизационное устройство размещено с помощью съемного устройства на плавильном устройстве, плавильная камера которого соединена с кристаллизационной камерой кристаллизационного устройства, дно которого соединено с автоматическим устройством удаления шлака, а между плавильным устройством, кристаллизационным устройством и автоматическим устройством удаления шлака имеется вакуумное уплотнение, кристаллизационное устройство соединено пылеулавливающей впускной трубой с устройством улавливания пыли, которое соединено с вакуумной установкой посредством трубы, снабженной устройством для измерения вакуума, дроссель индукционного нагревательного оборудования размещен на плавильном устройстве и термопары автоматического устройства регулирования температуры размещены соответственно на плавильном устройстве и кристаллизационном устройстве.
18. Система по п.17, отличающаяся тем, что плавильное устройство состоит из тигля, имеющего съемное дно, крышку и стенку, кожуха вакуумной печи, размещенного снаружи тигля, а также полой коллекторной и выпускной трубы, вертикально установленной по центру дна тигля, при этом внутренняя стенка тигля и наружная стенка коллекторной и выпускной трубы образуют плавильную камеру, соединенную с кристаллизационной камерой через верх коллекторной и выпускной трубы, и по стенке коллекторной и выпускной трубы равномерно распределены проходящие вниз наклонные отверстия, при этом под коллекторной и выпускной трубой также размещена пароотводная труба, пересекающая съемное дно тигля и соединенная с вытяжным вентилятором.
19. Система по п.18, отличающаяся тем, что осевая линия каждого наклонного отверстия коллекторной и выпускной трубы и осевая линия коллекторной и выпускной трубы проходят в общей плоскости и образуют угол 20-40° с нижней торцевой поверхностью коллекторной и выпускной трубы.
20. Система по п.18, отличающаяся тем, что тигель выполнен из коррозионно-стойкого и теплопроводного материала.
21. Система по п.18, отличающаяся тем, что тигель выполнен предпочтительно из графита.
22. Система по п.17, отличающаяся тем, что дроссель индукционного нагревательного оборудования представляет собой дроссель промежуточной частоты, выполненный из цельной отливки в изоляционном материале и помещающийся в кожухе вакуумной печи снаружи тигля, а индукционное нагревательное оборудование имеет также источник питания промежуточной частоты, конденсатор индукционной электронагревательной системы, изолирующий трансформатор промежуточной частоты, причем изолирующий трансформатор промежуточной частоты расположен между токоподводом дросселя промежуточной частоты и источником питания промежуточной частоты.
23. Система по п.17, отличающаяся тем, что дроссель индукционного нагревательного оборудования представляет собой дроссель промежуточной частоты, размещенный снаружи кожуха вакуумной печи, а индукционное нагревательное оборудование имеет также источник питания промежуточной частоты и конденсатор индукционной электронагревательной системы.
24. Система по п.17, отличающаяся тем, что кожух вакуумной печи выполнен из жаропрочного, изоляционного, немагнитного, непроводящего и не допускающего утечек материала.
25. Система по п.24, отличающаяся тем, что кожух вакуумной печи выполнен из керамического материала или пластиковой проволочной сетки из 4-флуорантена.
26. Система по п.23, отличающаяся тем, что для заполнения зазора между стенкой тигля и кожухом вакуумной печи размещен изоляционный материал.
27. Система по п.17, отличающаяся тем, что названное кристаллизационное устройство включает не имеющий дна кожух и внутренний кожух, множество кристаллизационных пластин с множеством отверстий, установленных на общей опоре, а также центральную нагревательную трубу, размещенную на кожухе и вертикально проходящую по центру кожуха, при этом пространство внутреннего кожуха образует кристаллизационную камеру, а внутренний кожух и опора кристаллизационной пластины с множеством отверстий прикреплены к не имеющему дна кожуху при помощи съемного устройства.
28. Система по п.27, отличающаяся тем, что между кожухом, не имеющим дна, и внутренним кожухом кристаллизационного устройства выполнены небольшие кольцевые щели, внутрь которых помещены огнеупорные материалы.
29. Система по п.17, отличающаяся тем, что автоматическое устройство регулирования температуры включает термопару, установленную на кожухе кристаллизационной камеры, не имеющем дна, для измерения температуры в кристаллизационной камере, термопару, установленную на дне вакуумной печи, для измерения температуры в плавильной камере, а также регулятор температуры, соединенный с двумя названными термопарами и индукционным нагревательным оборудованием при помощи компенсационного кабеля и служащий для регулирования температуры в вакуумной печи и кристаллизационной камере соответственно.
30. Система по п.17, отличающаяся тем, что плавильное устройство установлено на опоре, при этом оно имеет дно вакуумной печи, соединенное со съемным дном тигля, автоматическое устройство удаления шлака имеет бункер, шлаковую тележку, а также гидравлический подъемник, установленный на бункере, дно вакуумной печи соединено с кожухом вакуумной печи посредством верхней опоры гидравлического подъемника с использованием вакуумных уплотнительных полос для герметизации, причем при снижении гидравлического подъемника дно вакуумной печи и съемное дно тигля отделяются от стенки тигля.
31. Система по п.30, отличающаяся тем, что между съемным дном тигля и дном вакуумной печи находится теплоизоляционный материал.
