一种含砷废渣的处理装置及处理含砷废渣的方法与流程

1.本发明属于固体废物处理领域，尤其涉及一种含砷废渣的处理设备以处理含砷废渣的方法。


背景技术：

2.砷广泛存在于自然界，但分布较为分散，主要以硫化物形式与金、铜、铅、锡、锌、镍、钴矿伴生存在，在这些矿物开采冶炼过程中，会产生一部分的含砷废渣及含砷烟尘，另外也会有一部分砷进入到废水中。目前，针对含砷废水，沉淀固化是最常用的方法，因此冶金工业生产中会产生大量的含砷废渣。针对含砷废渣大多数企业都采用填埋或堆存的方式处理，但砷的化合物具有剧毒，不加处理会对环境和人体产生巨大危害。此外，砷也是一种重要的资源，可被用来制作木材防腐剂、农药，在合金工业中可以作为合金添加剂制造砷铅合金、砷铜合金等；并且，高纯砷是制取化合物半导体砷化铟、砷化镓等的原料，也是半导体材料硅和锗的掺杂元素；还有，砷同样具有药理和生理作用，被广泛应用于医药卫生领域。砷化合物均有剧毒，但单质砷无毒，因此，从含砷废渣中提取回收无毒且有用的单质砷是对二次资源的充分利用，同时也是为保护环境贡献力量。
3.目前针对含砷废渣主要的处理方法有稳定固化和资源化利用两大类。稳定固化是利用惰性材料包裹住含砷废渣中砷，使其拥有良好的密封性或改变废渣中砷存在形式使其以砷酸盐等化学性质稳定的形式存在，但固定效果不好，容易发生二次污染，且需要大量空间填埋。资源化利用是采用火法处理或湿法处理回收含砷废渣中铜、锌、砷等有价资源。火法处理主要是将砷化合物转化为三氧化二砷，从烟气中回收砷，但此法产品纯度低，二次污染严重。湿法主要采用酸浸或碱浸等进行不同有价元素间分离，而后再进一步回收铜、锌、砷等产品，但湿法处理流程较长，处理过程中会产生大量废水，生产成本一般较高。
4.针对含砷废渣，专利cn111304447a公布了一种从钛砷渣中回收砷的方法和设备，以钛砷渣为原料，首先将钛砷渣热解，得到氧化砷蒸汽，而后利用碳层将氧化砷蒸汽还原得到砷蒸汽，再进行冷凝，得到单质砷。该方法以及设备处理过程简单，但处理量少，无法满足大量工业成产；并且，该方法以及设备仅仅是粗放对砷蒸汽进行冷凝，冷凝得到的单质砷的纯度难以保证。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种产品纯度高、利于工业化生产的含砷废渣的处理装置以及利用上述处理装置处理含砷废渣的方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
7.一种含砷废渣的处理装置，包括密封管，所述密封管包括加热还原段与冷凝段，所述加热还原段位于所述冷凝段上方，所述加热还原段中设有反应物承载部，所述加热还原段与冷凝段外分别设有用于控制加热还原段温度与冷凝段温度的还原控温部与冷凝控温
部。
8.本发明充分利用砷蒸汽密度大，会受重力自然沉降这一特点，将冷凝段设于加热还原段下方，利于砷蒸汽的高效冷凝。并且，本发明将加热还原段与冷凝段集成于一个密封管中，加热还原段产生的砷蒸汽会直接落下进入冷凝段中，无需采用外加过渡连接装置，无需对外加过渡连接装置进行保温处理，整体装置更加简洁，更加有利于冷凝段的温度控制，更有利于生成更加纯净的砷单质。
9.上述含砷废渣的处理装置中，优选的，所述冷凝段中设有用于收集冷凝产物的产物收集部。通过产物收集部便于砷蒸汽的冷凝附着，有利于砷蒸汽的高效冷凝富集，可以避免砷蒸汽直接在密封管内壁上冷凝，不利于砷的收集。
10.上述含砷废渣的处理装置中，优选的，所述产物收集部为一贴设于所述冷凝段管壁上的收集套筒。上述收集套筒可采用不锈钢收集套筒，不锈钢收集套筒贴壁安装于冷凝段的内壁上，有利于砷蒸汽的冷凝富集。当砷蒸汽冷凝完毕后，直接将不锈钢收集套筒取下，再剥离其上附着的砷单质即可。
11.上述含砷废渣的处理装置中，优选的，所述产物收集部包括收集套筒和圆锥形筒，所述收集套筒贴设于所述冷凝段的管壁上，所述圆锥形筒设于所述冷凝段中，所述圆锥形筒下大上小，且所述圆锥形筒上部留有排气口，所述圆锥形筒与所述收集套筒的底部无缝连接。本发明若直接采用收集套筒，为了保证砷蒸汽的回收率，一般需要将冷凝段设置的较长，否则会造成部分砷蒸汽未冷凝就直接排出降低回收率或未在本发明要求的温度范围内冷凝而得到非α-单质砷，产物纯度下降。同时，若收集套筒上产物附着的较多，砷单质可能会剥离脱落，造成产物浪费。此外，将冷凝段设置的较长，这样会造成设备尺寸较大，相应保温装置的配套成本也会增加，尤其是工业化生产时，对生产场所、生产成本的要求更高。本发明的产物收集部采用相互连接的收集套筒和圆锥形筒，通过圆锥形筒的引流、限制作用，从加热还原段进入冷凝段的砷蒸汽的流向会呈现由下至上再外排的趋势，可以大大增加砷蒸汽在冷凝段的停留时间，有利于砷蒸汽全部在冷凝段高效冷凝富集，产品纯度更高，产品回收率更高，可以降低冷凝段的长度且达到更好的冷凝效果。同时，由于产物收集部采用相互连接的收集套筒和圆锥形筒，可以增加用于砷蒸汽富集的面积，也便于砷蒸汽的冷凝。此外，由于圆锥形筒与收集套筒的底部无缝连接，其二者底部相当于一个产品收集槽，可以收集从筒壁上剥离下来的产物，避免产物浪费。为了更好的收集产品，收集套筒和圆锥形筒之间可通过一底板过渡连接，以形成一类似方形的槽。
12.本发明中，产物收集部采用收集套筒和圆锥形筒的结构，可以对其他部件进行针对性的改进优化如下：1、使反应锅开口向上，控制反应锅的外径大小，使其与密封管的内径大小相差不大，如反应锅的外径为密封管内径的4/5，以使加热还原段产生的砷蒸汽大部分沿冷凝段内壁向下流动，有利于更好的与产物收集部相配合。2、可以将圆锥形筒与反应物承载部的支撑架直接连接(优选为可拆卸连接)，如圆锥形筒套设于支撑架上，圆锥形筒的顶部与支撑架连接，其二者固接位置预留排气口。此种情况下，产物收集部与反应物承载部为一个整体结构，其二者上下料同时进行，也减少了分步上下料的操作步骤。3、圆锥形筒基本覆盖处于冷凝段的支撑架，避免砷蒸汽在支撑架上冷凝富集。
13.上述含砷废渣的处理装置中，优选的，所述反应物承载部包括反应锅与支撑架，所述支撑架底部设有下法兰，所述密封管底部设有上法兰，所述反应物承载部通过上法兰与
下法兰的连接而可拆卸的设于所述密封管中。上述下法兰上可设置对接波纹管，对接波纹管的作用是使管道的对接为弹性对接，保护密封管以及方便对接。通过上下法兰的连接，可以便于反应物承载部的上下料，拆卸更加方便。
14.上述含砷废渣的处理装置中，优选的，所述密封管通过一密封管支撑并列固设有两个，并列设置的两个所述密封管中部设有一根向下延伸的导向支撑柱，所述反应物承载部设有四个两组，每组两个所述反应物承载部下方的下法兰通过一下法兰支撑连接成一整体，每组两个所述反应物承载部通过下法兰支撑可上下滑动、可转动的设于所述导向支撑柱上。上述结构形式的处理装置，包括两个还原-冷凝系统，四个进出料系统，两个还原-冷凝系统反应的同时可在另外两个进出料系统进行装料，提高生产效率。具体的，一组两个反应物承载部工作时，另一组两个反应物承载部处于加料或卸料状态，当前一组两个反应物承载部工作完成，通过法兰将其从密封管底部拆卸，并通过导向支撑柱向下滑动、转动以不影响另一组两个反应物承载部与密管的对接工作。前一组两个反应物承载部拆卸完毕，另一组两个反应物承载部再转动、上下滑动以与密封管对接，通过法兰密封，继续工作，前一组拆卸下来的两个反应物承载部进行卸料、加料工作。如此，可以实现装置的高效、连续工作。当然，为了进一步增加效率，还可以考虑增加更多的密封管与反应物承载部。
15.上述含砷废渣的处理装置中，优选的，所述还原控温部包括第一加热部、第一保温层和第一外壳体，所述第一加热部直接与所述密封管外壁接触，所述第一保温层包裹设于所述第一加热部外，所述第一外壳体包裹设于所述第一保温层外；所述冷凝控温部包括第二加热部、第二保温层和第二外壳体，所述第二加热部直接与所述密封管外壁接触，所述第二保温层包裹设于所述第二加热部外，所述第二外壳体包裹设于所述第二保温层外。上述还原控温部与冷凝控温部可采用一体式结构，即其二者的外壳为一个整体，更加美观且更加方便管理，且第一加热部产生的热量向下扩散，有利于减小第二加热部的能耗。上述还原控温部与冷凝控温部可采用立式对开加热炉，可以环绕在密封管(如单口石英管)外，采用电阻丝环绕耐火材料式连接，可对单口石英管内部加热，保温层环绕在电加热层外，可在加热停止后保证石英管内部温度恒定；外壳又环绕在保温层外，起到进一步保护、保温作用。
16.上述含砷废渣的处理装置中，优选的，所述密封管顶部呈圆弧状，所述密封管底部设有尾气排放口。圆弧状的顶部更加有利于砷蒸汽向下移动。设置尾气排放口便于对未冷凝尾气进行处理，尾气排放口可连接尾气处理装置。
17.上述含砷废渣的处理装置中，密封管可采用单口石英管等耐热材质。
18.作为一个总的技术构思，本发明还提供一种利用上述的含砷废渣的处理装置处理含砷废渣的方法，包括以下步骤：将含砷废渣与还原剂混合，加入所述反应物承载部中，再密封所述密封管；利用所述还原控温部与冷凝控温部分别控制所述加热还原段与冷凝段的温度，所述反应物承载部产生的含砷蒸气由所述加热还原段向所述冷凝段移动并在所述冷凝段冷凝富集，收集即得到单质砷。
19.上述处理含砷废渣的方法中，优选的，所述含砷废渣主要由砷酸钙、砷酸钠或砷酸铁组成，所述还原剂包括碳粉；控制所述加热还原段的温度不低于700℃，控制所述冷凝段的温度为350-450℃。
20.上述处理含砷废渣的方法中，优选的，将含砷废渣和碳粉混合均匀后装入到反应物承载部的反应锅内时，总的物料不少于反应锅容积的三分之二且不超过反应锅容积的四
分之三。
21.本发明中，通过还原控温部与冷凝控温部分别控制加热还原段与冷凝段的温度，含砷废渣与还原剂在反应物承载部中反应产生co/co2和砷蒸汽，砷蒸汽由于密度较重，通过重力作用向下沉降，在冷凝段被冷凝得到单质砷，并收集到砷收集罐中。通过冷凝段温度的控制，可以实现砷蒸汽在一定温度范围内冷凝得到α-单质砷，单质砷的纯度更高。
22.与现有技术相比，本发明的优点在于：
23.1、本发明的含砷废渣的处理装置包括集成于一体的加热还原段与冷凝段，加热还原段产生的砷蒸汽直接进入冷凝段冷凝，并通过还原控温部与冷凝控温部分别控制加热还原段与冷凝段的温度，可以实现砷蒸汽在一定温度范围内冷凝得到α-单质砷，单质砷的纯度更高。
24.2、本发明的处理装置以及处理方法在较短流程的工艺条件下使得含砷废渣中的砷被还原为单质砷产品，一次性处理量大，结构简单，满足工业成产需要，该工艺和设备为冶金行业的含砷废渣短流程开路处理和资源化回收提供了技术基础。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明的含砷废渣的处理装置的主视图。
27.图2为本发明的含砷废渣的处理装置的侧视图。
28.图3为本发明的含砷废渣的处理装置的俯视图。
29.图4为图1中a-a面的剖面图。
30.图5为图1中另一种结构形式的a-a面的剖面图。
31.图例说明：
32.1、密封管；101、加热还原段；102、冷凝段；2、反应物承载部；201、反应锅；202、支撑架；3、还原控温部；301、第一加热部；302、第一保温层；303、第一外壳体；4、冷凝控温部；401、第二加热部；402、第二保温层；403、第二外壳体；5、收集套筒；6、圆锥形筒；7、下法兰；8、上法兰；9、密封管支撑；10、导向支撑柱；11、下法兰支撑；12、尾气排放口；13、对接波纹管。
具体实施方式
33.为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
34.除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
35.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
36.实施例1：
37.如图1-图3所示，本实施例的含砷废渣的处理装置，包括密封管1，密封管1包括加热还原段101与冷凝段102，加热还原段101位于冷凝段102上方，加热还原段101中设有反应物承载部2，加热还原段101与冷凝段102外分别设有用于控制加热还原段101温度与冷凝段102温度的还原控温部3与冷凝控温部4。
38.本实施例中，冷凝段102中设有用于收集冷凝产物的产物收集部。
39.具体的，如图4所示，本实施例中，产物收集部为一贴设于冷凝段102管壁上的收集套筒5。上述收集套筒5具体可为不锈钢套筒。
40.具体的，如图5所示，还可为另一种结构形式的产物收集部，产物收集部包括收集套筒5和圆锥形筒6，收集套筒5贴设于冷凝段102的管壁上，圆锥形筒6设于冷凝段102中，圆锥形筒6下大上小，且圆锥形筒6上部留有排气口，圆锥形筒6与收集套筒5的底部无缝连接。上述收集套筒5和圆锥形筒6均可采用不锈钢筒，圆锥形筒6的顶部可直接与支撑架202连接，实现与反应物承载部2同步上下料。采用如图5中的产物收集部可以节约冷凝段102的长度，有利于工业化生产。
41.本实施例中，反应物承载部2包括反应锅201与支撑架202，支撑架202底部设有下法兰7，密封管1底部设有上法兰8，反应物承载部2通过上法兰8与下法兰7的连接而可拆卸的设于密封管1中。上述下法兰7上可设置对接波纹管13，起到保护密封管1以及方便对接的作用。
42.本实施例中，密封管1通过一密封管支撑9并列固设有两个，并列设置的两个密封管1中部设有一根向下延伸的导向支撑柱10，反应物承载部2设有四个两组，每组两个反应物承载部2下方的下法兰7通过一下法兰支撑11连接成一整体，每组两个反应物承载部2通过下法兰支撑11可上下滑动、可转动的设于导向支撑柱10上。
43.本实施例中，还原控温部3包括第一加热部301、第一保温层302和第一外壳体303，第一加热部301直接与密封管1外壁接触，第一保温层302包裹设于第一加热部301外，第一外壳体303包裹设于第一保温层302外；冷凝控温部4包括第二加热部401、第二保温层402和第二外壳体403，第二加热部401直接与密封管1外壁接触，第二保温层402包裹设于第二加热部401外，第二外壳体403包裹设于第二保温层402外。上述还原控温部3和冷凝控温部4可采用一体式结构。
44.本实施例中，密封管1顶部呈圆弧状，密封管1底部设有尾气排放口12。
45.本实施例的利用上述的含砷废渣的处理装置处理含砷废渣的方法，包括以下步骤：将含砷废渣与炭黑或活性碳混合，加入反应物承载部2的反应锅201中，通过法兰密封；利用还原控温部3与冷凝控温部4分别控制加热还原段101与冷凝段102的温度分别为900℃和370℃，反应锅201中产生的含砷蒸汽由加热还原段101向冷凝段102移动并在冷凝段102冷凝，通过贴设于冷凝段102内壁上的不锈钢套筒富集，收集即得到α-单质砷(纯度99.99％以上)，整个还原-冷凝工艺时间为60min，砷的回收率为98.03％。
46.上述含砷废渣的化学成分如下表1所示：
47.表1：实施例1中含砷废渣的化学成分
[0048][0049]
实施例2：
[0050]
本实施例的含砷废渣的处理装置同实施例1。
[0051]
本实施例的利用上述的含砷废渣的处理装置处理含砷废渣的方法，包括以下步骤：将含砷废渣(其成分同实施例1)与炭黑或活性碳混合，加入反应物承载部2的反应锅201中，通过法兰密封；利用还原控温部3与冷凝控温部4分别控制加热还原段101与冷凝段102的温度分别为1000℃和370℃，反应锅201中产生的含砷蒸汽由加热还原段101向冷凝段102移动并在冷凝段102冷凝，通过贴设于冷凝段102内壁上的不锈钢套筒富集，收集即得到α-单质砷(纯度99.99％以上)，整个还原-冷凝工艺时间为60min，砷的回收率为99.3％。