铁渣的微波干燥过程及机制研究_张路飞.pdf

张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用中国是最大的锌生产和消费国，也是锌冶炼固废的最大产出国，发展循环经济需求的需求十分迫切，且空间巨大1。锌冶炼固废中产量最大的铁渣含有大量 As、F、Cl 等有害元素，若不经过适当的处理而直接堆存，不仅会占用土地资源，还极易造成水源和土地的重度污染，进而危害人体健康。工业生产上通常干燥后进行无害化处理2。目前干燥湿法冶炼固废的方法主要包括回转窑干燥3-6、流化床干燥7-9、太阳能干燥10，这几种干燥方法各有所适应的环境特点，但多数手段都面临的一个问题就是干燥效率低下、能耗高，这就不可避免造成处理周期长、环境污染大的现状。微波作为一种清洁能源，相比常规干燥手段具有干燥速率大、节能、生产效率高、干燥均匀、清*收稿日期：2022-11-28作者简介：张路飞（1989-），男，云南曲靖人，助理工程师，主要从事有色冶金工作。通信作者：杨坤（1985-），女，河北保定人，讲师，主要研究方向为特种冶金，E-mail：。基金项目：国家重点研发计划课题（2019YFC1904204）。Feb.2023Vol.52.No.1（Sum 298）2023 年 2 月第 52 卷第 1 期（总第 298 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY铁渣的微波干燥过程及机制研究*张路飞1，陈波1，杨坤2（1.云南驰宏锌锗股份有限公司，云南 曲靖 655011；2.昆明理工大学 冶金与能源工程学院，云南 昆明 650093）摘要：在分析原料主要物相组成和元素分布状态的基础上，对微波干燥过程的机制进行了深入分析。采用热重和热干燥分析方法确定了铁渣中水分存在形式，并对原料的高温介电特性和影响微波干燥的主要因素进行了探究。研究结果表明，铁渣含有结晶水的物相为 CaSO4 0.5（H2O）和 CaH（AsO4）2H2O，自由水含量为 17.6%，结晶水含量为 11.1%，自由水含量高于结晶水，微波干燥具有优势。微波干燥的最佳技术参数为：微波加热功率900 W，干燥时间 90 s，物料厚度 1.5 cm，此时，温度为 93，主要为自由水的脱除，脱水率为 18.42%。微波干燥比同等程度常规干燥节约 91.67%时效。关键词：铁渣；微波；介电特性；干燥机制中图分类号：TF19文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）01-0061-06Study on Microwave Drying Process and Mechanism of Iron ScumZHANG Lu-fei1,CHEN Bo1,YANG Kun2(1.Yunnan Chihong Zn&Ge Co.,Ltd.,Qujing,Yunnan 655011,China;2.Faculty of Metallurgy and Energy Engineering,Kunming University of Scienceand Technology,Kunming,Yunnan 650093,China)ABSTRACT：The drying process of iron scum under microwave condition is studied,the mechanism of microwave drying process isanalyzed deeply on the basis of analysis of major phase composition and element distribution state.Thermogravimetry and thermal dryinganalysis method was adopted to confirm the existing form of moisture of iron scum,main factors for high temperature dielectric propertiesand microwave drying of raw ore were studied.Study results show,the phase of iron scum with crystallization water is CaSO4 0.5(H2O)and CaH(AsO4)2H2O,the free water content is 17.6%,crystallization water content is 11.1%,the cotent of free water is higher thancrystallization water,microwave drying has advantages.The best technical parameters of microwave drying are:microwave heating power is900 W,drying time is 90 s,material thickness is 1.5 cm,then the dehydration rate is 18.42%,temperature is 93,free water wasremoved mainly.Microwave drying is more economical than conventional drying to the same extent,it saves about 91.67%aging.KEY WORDS：iron scum;microwave;dielectric property;drying mechanism61Feb.2023Vol.52.No.1(Sum 298)2023 年 2 月第 52 卷第 1 期(总第 298 期)云南冶金YUNNAN METALLURGYS Ka1O Ka1Fe Ka1As La1,2Ca Ka1图 2铁渣 SEM-EDAX 分析（1 500）Fig.2SEM-EDAX analysis of iron scum（1 500）洁生产等优点，将作为一种新型干燥手段在各行业应用11-13。本文采用微波高温介电测试参数测试系统测量铁渣在不同温度下的介电特性，确定不同温度段物料的吸波能力，并研究物料的含水率随微波加热时间、加热功率的变化趋势。1试验1.1试验原料本试验原料铁渣来自云南某铅锌冶炼企业，XRD 如图 1 所示，主要物相依次为 CaSO4 0.5（H2O）、Mg3O（CO3）2、CaH（AsO4）2H2O，其中CaSO4 0.5（H2O）和 CaH（AsO4）2H2O 分别含有 6.20%和 16.68%的结晶水，为铁渣中结晶水的来源。铁渣的 SEM-EDAX 分析如图 2 所示。依据图 2，铁渣呈现碎屑堆叠状，容易形成水的包裹，使得传统干燥困难。面扫中 O、Ca、S 分布一致，即证明了 XRD 谱中硫酸钙的存在，同时铁渣中还存在少量 Fe、As 等元素，与硫酸钙共同分布。当干燥铁渣内部时，也需要同时干燥 As 元素，造成环境危害。依据铁渣 EDAX 谱，O 元素含量是 S 元素含量的 702.67 倍，即证明了 XRD 中结晶水和其他物相的存在。铁渣红外光谱如图 3 所示。从中可以看出铁渣红外光谱透射峰波数主要包括 3 404.62 cm-1、2 231.67 cm-1、1 620.69 cm-1、1 148.15 cm-1。根据文献，3 404.62 cm-1和 1 620.69 cm-1处的振动峰分别属于水中羟基的伸缩峰和振动峰。波数 1 148.15 cm-1为 SO42-吸收峰波数范围。2 231.67 cm-1处的吸收峰应为三键或者累积双键，判断为 CaSO4 0.5（H2O）或（CO3）2-。铁渣的红外分析结果也证实 XRD 分析结果。1.2试验及设备本文对比常规和微波条件下干燥过程及状态，明确超声强化干燥机理及能耗降低，试验所用常规干燥设备为烘箱，微波干燥设备为自行研制的智能微波加热设备，功率在（01.5）kW 连续可调，主要由微波加热系统、循环水冷却系统和控温系统所组成，如图 4 所示。图 1铁渣的 XRD 图谱Fig.1XRD spectrogram of iron scum强度/a.u2/（）62张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用1.控温系统;2.微波加热系统;3.循环水冷却系统123图 4智能微波加热系统Fig.4Intelligent microwave heating system图 5微波高温介电测试系统Fig.5Microwave high-temperature dielectric test system图 3铁渣红外光谱图Fig.3Infrared spectrogram of iron scum波数/（cm-1）1.3检测与分析研究所用 X 射线衍射分析仪为 X Pert3 Powder多功能粉末 X 射线衍射仪，扫描电子显微镜（SEM-EDAX）采用荷兰 Philips 公司的 Nova-Nano-SEM450 型电子显微镜，热重分析（TG-DSC）采用梅特勒 TGA/DSC/1600LF 同步热分析仪。物料介电特性采用实验室自制微波高温介电测试系统进行检测，基于谐振腔微扰法，通过测量、分析样品放入微波谐振腔前后的微波输出幅度的变化和谐振频率的移动情况，即可测定物料的微波吸波特性。微波高温介电测试系统如图 5所示，同时可计算获得物料介电常数（）、介电损耗（）和损耗角正切（tan）。2结果与讨论2.1物料中水分存在形式2.1.1热重分析铁渣 TG-DSC 曲线如图 6 所示。从铁渣的 TG 曲线可以看出，随温度升高质量在逐渐变小，（2580）左右物料质量下降迅速，之后略有减缓。第一阶段的 DSC 曲线为正值并在78 出现第一个峰值，可以判断该过程为自由水的脱除过程。从图中 DTG 曲线可以看出在温度在56 时铁渣质量减少最快，此时铁渣自由水脱除最快。在（80120）质量变化速率减慢，此阶段应为自由水和结晶水的共同脱除。在 120 以后质量又出现下降趋势，并在 136 左右出现 DTG 峰图 6铁渣的热重曲线图Fig.6Thermogravimetric curve diagram of iron scum张路飞，等：铁渣的微波干燥过程及机制研究63Feb.2023Vol.52.No.1(Sum 298)2023 年 2 月第 52 卷第 1 期(总第 298 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY图 7（a）水的高温介电特性；（b）铁渣的高温介电特性Fig.7(a)High temperature dielectric properties of water;(b)High temperature dielectric properties of iron scum谷，对应 DSC 线出现一个吸热峰，可以判断为铁渣结晶水脱除过程。在 400 以后，其质量基本保持不变，物料基本干燥完全。第一阶段铁渣质量减 少 了 14.85%，第 二 阶 段 铁 渣 质 量 减 少 了12.73%，即自由水和结晶水含量分别应在 15%和13%左右。依据 GB/T 2007.6-87 散装矿产品取样、制样通则水分测定方法-热干燥法 ，在恒温干燥温度为 80 和 200 进行热干燥分析铁渣水分，确定了铁渣中自由水含量为 17.6%，结晶水含量为 11.1%，其中自由水含量基本与热重分析结果一致。2.2高温介电分析采用微波高温介电测试系统测量铁渣的介电特性，以确定铁渣的吸波性能及能量转化的效率。水及铁渣的高温介电如图 7（a）和 7（b）所示。从中可以看出，从常温到 100 之间，水的介电常数（66.76）约为铁渣（5.2）的 12.84 倍，微波干燥时主要吸波物质为水。铁渣介电常数、介电损耗及损耗角正切随温度升高快速增大，即在此阶段铁渣吸收微波、微波加热能力、微波加热效率都逐渐增大，应为自由水的加热阶段；此后在 200 之间，铁渣介电常数、介电损耗及损耗角正切随温度升高逐渐降低，应为结晶水的加热脱除阶段；在（200400）之间，介电常数、介电损耗及损耗角正切随温度增加出现先增加后降低的趋势，应为加热中铁渣 Mg3O（CO3）2加热分解。根据铁渣的高温介电特性，（25200）之间为自由水和结晶水脱除阶段，且自由水吸波性能优于结晶水。2.4微波加热影响研究微波功率及加热时间对铁渣脱水率的影响分别如图 8（a）和 8（b）所示，其中图 8（a）为 90 s加热时间不同厚度铁渣在不同微波功率下的脱水率，图 8（b）为 900 W 加热功率不同厚度铁渣在不同加热时间下的脱水率。依据图 8（a），（300900）W 内，随着微波功率的增加，不同厚度铁渣脱水率都呈现逐渐增加的趋势，900 W 以后，铁渣脱水率基本保持不变，即干燥铁渣的微波功率以控制在 900 W 为宜。900 W 微波加热 90 s 条件下，1 cm、1.5 cm、2 cm、2.5 cm、3 cm 厚度铁渣的脱水率分别为14.79%、18.42%、14.9%、11.73%、10.68%。厚度1 cm 铁渣脱水率小于厚度 1.5 cm 铁渣脱水率，归因于铁渣厚度较薄，周围冷空气与微波加热水分接触，阻碍水分的脱除；厚度大于 1.5 cm 后，脱水率逐渐降低，主要为微波功率与料层穿透深度为定值关系，厚度过厚，微波较难穿透，影响水的脱除。为了强化铁渣中水的脱除，铁渣厚度需控制在 1.5 cm，微波功率需控制在 900 W。依据图 8（b），随着加热时间的增加，不同厚度铁渣脱水率也呈现逐渐增加的趋势，且随着时间增加，脱水率增长出现先增加而后变缓的趋势，且 1.5 cm 厚度铁渣失重率明显快于其他厚度64张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用图 8（a）90 s 加热时间铁渣脱水率随加热功率变化；（b）900 W 加热功率时铁渣脱水率随加热时间变化Fig.8(a)dehydration rate change of iron scum along with heating power change with 90 s heating time;(b)dehydration rate change of iron scum along with heating time change with 900 W heating power铁渣。在 900 W 条件下，1.5 cm 厚度铁渣 30 s、60 s、90 s、120 s、150 s 脱水率分别为 8.96%、15.61%、18.42%、19.62%、19.92%。为了强化微波作用效率，铁渣加热时间以 90 s 为宜，脱水率为 18.42%，此时主要去除铁渣中的自由水，与酸渣高温介电分析一致，即矿物中自由水吸波性能高于结晶水。以 900 W 微波干燥 1.5 cm 厚度酸渣 90 s，测定铁渣温度为 93 （图 9（a），以此温度常规干燥等质量铁渣 1 h，酸渣失重率如图 9（b），可以看到常规干燥时，干燥 18 min 铁渣失重率才能达到 18.52%，即微波干燥能节省 91.67%的干燥时间。图 9（a）微波干燥温度；（b）93 常规干燥铁渣脱水率随加热时间变化Fig.9(a)microwave drying temperature;(b)dehydration rate change of conventional dry iron scum alongwith the heating time change under 93 3结 语1）本研究在分析铁渣矿物性质的基础上，利用热重分析和热干燥分析，明确了铁渣中自由水及结晶水的含量，自由水含量为 17.6%，结晶水含量为 11.1%；2）通过分析铁渣的高温介电特性，明确了结晶水吸波性能优于结晶水，微波干燥铁渣具有优势；3）通过对原料在微波加热条件下的主要影响因素进行探究，明确了微波干燥的最佳技术参数为：微波干燥功率 900 W，干燥时间 90 s，物料厚张路飞，等：铁渣的微波干燥过程及机制研究65Feb.2023Vol.52.No.1(Sum 298)2023 年 2 月第 52 卷第 1 期(总第 298 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY度 1.5 cm 此时脱水率为 18.42%，温度为 93，主要为自由水的脱除。微波干燥比同等程度常规干燥节约 91.67%时效，能有效缩短处理周期，降低环境污染。参考文献：1 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