文章摘要：劉傳義 奚天鵬 何士安 （南京工業大學造粒機（jī）械研究所 江蘇 南京 210009） 摘 要：本文從討論粉體幹燥、粉體造粒、顆粒幹燥等技術特性出發（fā），試（shì）圖科學地建立一條（tiáo）新的粉體前期幹燥—造粒—微波加熱幹燥工藝路（lù）線。即開始將物料進行恒速階段的幹燥，使物料除去大（dà）部…
劉傳義 奚天鵬 何士安
（南京工業大（dà）學造粒機械研究所 江蘇 南（nán）京（jīng） 210009）
摘 要：本文從討論（lùn）粉體幹燥（zào）、粉體造粒、顆粒幹燥等技術特性出發，試圖科學地建立一條新的粉體（tǐ）前期幹燥—造（zào）粒—微波加熱幹燥工藝路線。即開始將物料進行恒速階段的幹燥（zào），使（shǐ）物料（liào）除去大（dà）部分的濕（shī）分，成為濕（shī）含量（liàng）低於20%（濕基）的物料。低（dī）濕含量（liàng）的物料用壓力（lì）法造粒，此時不僅（jǐn）易於成（chéng）粒，成粒率高，且顆（kē）粒粒度均勻，強度高。低濕含量（liàng）的顆粒物（wù）料，用微波加熱進行幹燥。微（wēi）波加熱的特點使顆粒內部的濕分迅速排除，從而獲得合格濕分要求的產品。文章全麵地討論了新工藝路線的科學性、技（jì）術性、可靠性和（hé）經濟性。
關鍵詞：粉體幹燥；造粒；微波幹燥
1. 概述
隨著工業（yè）發展的需要，在化（huà）工，食品，醫藥，電子，塑料生物化工等工業部門應用粉體物料種類越來越多，且（qiě）粒度越來越細。如超細碳酸鈣的顆粒度為5μm，二氧化鈦3μm，食品黃、酒石黃10μm，白雲石15μm，黃（huáng）色氧化鐵5μm，矽（guī）酸鋁20μm，澱（diàn）粉白（bái）碳黑45μm等等。現代快速發展超細粉體——納米粉體。粒度很細的粉料其堆積密度很小（xiǎo），重量輕，在操作過程中易（yì）飛（fēi）揚，不僅造成物料損（sǔn）失且汙染了環境，其中有刺激有毒的細（xì）粉逸出，對環境會造成嚴重危害。因為細粉末的堆積密度小（xiǎo），不便運輸（shū）。微細的化學肥料施於田裏易於流失，這樣就產生了不（bú）利的一麵，那麽（me）就有了把細小粉末（mò）聚集成較大的實體——造粒的需求。造粒方法有滾（gǔn）動法和壓力法。滾動造（zào）粒是將鬆散的濕物料（細粉和適（shì）量的潤濕液）加入製粒裝置內，攪拌（bàn）翻動，初（chū）始形成團粒核心。隨（suí）後，核心以團聚和包層兩種方式（shì）長大，團聚的顆（kē）粒球形不規則，表麵粗糙。包層製粒表麵光滑呈球形，斷麵為一層包一層（céng）的“洋蔥皮”結構，可以控（kòng）製操作條件（jiàn），使其中一種方式成為造粒的主導，形成（chéng）光滑規則的（de）強度高的球形顆粒。攪拌混（hún）合造粒、噴霧流化造（zào）粒等方法均是鬆散濕物料或膏狀或熔融的物料、溶液、漿狀的物料。壓（yā）力法造粒是將（jiāng）濕（shī）含量較低的細粉物料在壓片機、滾壓機、輥壓機、螺旋擠壓機等造粒（lì）機中受壓力或主要受剪切力（lì）被壓實成粒。其中輥壓機可實現強（qiáng）壓造粒。壓力範圍為2.5MPa~560MPa，可將粉末壓得很密實，使粉末（mò）間分子力起主導作用，使顆粒獲得較大的抗（kàng）拉（lā）、抗壓、抗磨耗強度（dù）。近四十年來對上（shàng）千種細粉幹物（wù）料進行強壓造粒（lì）實驗，均獲得造（zào）粒成功的數據。但對（duì）那些濕含量很低（如低於0.2%）、粒度很細（d97<45um）、堆積密（mì）度很小(<200kgm-3)、孔隙率大、內摩擦力小、流動性好的細粉物料進行壓力法造粒是較困難的。不但耗能大，且成粒率低，單機產量低。如果在上述特性的物料中加入相應的適量的濕潤劑，則造粒條件大為改善，如無需很強的造粒壓（yā）力就能實現成粒率高，單機產量大，環境無（wú）粉塵飛揚等目的。不過（guò）顆粒中會含（hán）有一定量的濕分。顆粒表（biǎo）麵沒（méi）有自由水分，內（nèi）部濕（shī）分的遷移成為控（kòng）製因素，此時外部（bù）可（kě）變條件無法改變強化幹燥速率，即顆粒幹燥需要很（hěn）長時間，耗費很多能量。如果采用微波加熱幹燥低（dī）濕含量的顆粒（lì）物料，可快速得到所（suǒ）需的幹度均勻的顆粒成（chéng）品。據此提出（chū）如下粉體前期恒速幹燥階段（即將粉體幹（gàn）至含水量低於20%）——對輥壓力法造粒——顆粒微波加熱幹燥的造粒幹燥路線。這樣的造粒幹燥路線科學合理、經濟效益高。
2. 粉體造粒前期幹燥——終濕含量（liàng）控製在10%~20%
多數粉體是由固體物料的溶液、濾餅、膏狀原料經幹燥後得（dé）到的平均粒徑小於100μm以下的幹粉。如化肥（féi）、染料及其助劑（jì）、食品及其助（zhù）劑、聚合物樹脂等粉體，它（tā）們都由初含濕量（30%~80%）幹燥為終含（hán）濕量0.02%~9%的幹粉，其平均粒徑在5μm~50μm範圍內，要求幹燥器蒸發強度很高。大部分時間是花費（fèi）幹燥^後的20%水分。如白炭黑粉，由（yóu）膏狀含水80%，幹燥至含水（shuǐ）為6%的粉體，其（qí）粒徑為45μm，堆積密（mì）度為240kgm-3，在強化沸騰幹燥器中進（jìn）行幹燥，幹燥器直徑（jìng）為150mm，進氣溫度為300oC，每小時（shí）產量（liàng）為5kg。黑炭黑由膏狀含水92%幹燥至含水為2%的粉體，在強化沸騰幹燥器進行幹燥，幹燥直徑為150mm，進氣溫度為300oC，每小時僅能（néng）獲得1.3kg的幹粉（fěn）。根據幹燥機理和實驗幹燥曲線分析（xī）可知，恒速幹燥階段（duàn），熱空氣的熱量傳（chuán）至物料表麵（miàn），使表（biǎo）麵自由水分迅速蒸發，表皮水分降低，物料開始升（shēng）溫，並在其內（nèi）部形成溫度梯（tī）度，熱（rè）量由外部傳至內部，濕（shī）分從物料內部向表麵遷移（yí），濕分遷移的動力主要靠擴散、毛細流（liú）和由於幹燥過（guò）程物料體積收縮而產生的內部（bù）壓力。所以在臨界濕含（hán）量出現至物料幹燥到很低的^終濕含量時，內部濕分遷（qiān）移成為控製因素。一些外（wài）部可變量如熱空氣的用（yòng）量，溫度無法強化其濕分遷移速率，隻有施加振動、脈衝、超聲波等（děng）手段促進其內部濕分的擴散。所以一般物料在濕含量低於（yú）20%時，幹燥是困難的（de），稱為降速幹燥階段。在此階段幹燥時間長，消耗能源多。為降低一般幹燥器的負荷，另一方麵為保有物料特定（dìng）濕（shī）含量要求，已便於加工（gōng）、成型或（huò）造粒。目（mù）前世界各國為減（jiǎn）少原材料的損失和粉塵對（duì）環境的（de）汙染，要求將粉體原料進行（háng）造粒，粒度在20目至8mm範圍內。當粉體物料含濕量在10%~20%^有利於壓力法造粒。對高濕含量的物料用對流、傳導、輻射對物料加熱幹燥，完成恒速幹燥（zào）階段（即終含水量在10%~20%間）即終止，得到的鬆散（sàn）的濕物料（liào）進行造粒（lì）。此種物料易於成粒，而（ér）且顆粒均勻，無粉塵飛（fēi）揚，即物料損失小，環境^。
3. 粉料壓力法造粒
20世（shì）紀70年代開始進行粉體的造粒研究，上千家客戶送來（lái）幾千種（zhǒng）幹（gàn）粉物料進行造粒實驗，當時對這些物料不加任（rèn）何粘結劑進行造粒實驗，稱為強壓幹法造（zào）粒，取得了可喜（xǐ）成果（guǒ）。絕大部分幹粉能製強度合格的各種不同尺（chǐ）寸的顆粒，但成粒率不是（shì）很高（gāo），有些幹粉在強壓下（350MPa~560MPa）進行造粒，其成粒率不到70%，返（fǎn）料在30%以上，因此單機造（zào）粒產量受（shòu）到影響，而且在造粒工程中，篩分時粉塵（chén）飛揚（yáng），環境受到汙染。如果在幹粉中加入10%左右的液體粘結劑（jì）（如水、有機溶劑等），用對輥壓力機連續輥壓造粒（lì）過程^順利，不但成粒率高，且粒（lì）度均勻、強度高，製粒過程無（wú）粉塵飛（fēi）揚。
另外濕法（fǎ）滾動造粒時，要求鬆散的（de）濕（shī）物料含濕量在10%到（dào）20%，^多達30%，粉（fěn）料的粒度分布有嚴格的要求，如^大粒徑為30~50目，至少（shǎo）要有25%細粉粒徑小於200目。鐵礦石造粒的給料中，小於325目細粉（fěn）應占40%~80%。而濕含量（liàng）為10%左右細粉用輥壓力機連續造粒就沒有這方麵的（de）要（yào）求。壓力範（fàn）圍在（zài）2.5~140MPa，即可成粒，能耗大大降低，耗能量（liàng）為（2~4）kw/ht。如果不在造粒前另加粘結劑、潤滑劑、增塑劑、潤濕劑、殺菌劑等，而直接用未幹透的濕物料（濕量在10%~20%間）用（yòng）輥壓連續造粒不僅科（kē）學合理且具有（yǒu）很明（míng）顯（xiǎn）的經濟效益。
4. 微波加熱對（duì）顆粒物料（liào）進行^終幹燥
微波加熱人們（men）已不陌（mò）生，家（jiā）用微波爐，城市居民應用得非常熟練。尤其對熟食品的再加熱，大家都體會到微波加熱速度快，如加熱饅頭、麵包、包子時，會對上述食品先在水中浸一（yī）下，再放在微波爐加熱，這樣不但（dàn）加熱時間短，而且包子、饅頭鬆軟（ruǎn）不會變硬。在微波爐內為什麽濕饅頭比幹饅頭熱（rè）及快？為（wéi）什麽鬆軟而不變硬？要回答這些問題，應了解微波與物料相互關係及（jí）微（wēi）波加熱的特點。
所謂微（wēi）波就是頻率範圍在3×108Hz~3×1011Hz間，波長在1m~1mm間的電磁波。物質與電磁波間（jiān）有下列相互關（guān）係（xì）：
（1）導（dǎo）體：這（zhè）類物質反射電磁波，如微波爐的金屬殼體，貯存微波能，使微波不泄露。
（2）絕緣體：這類物質（zhì）不反射也不吸收微波，對微波是透明的，如微波碗、盒，都用絕緣體（tǐ）如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯樹脂等（děng）做成的。
（3）介電體：這類物（wù）質不同程度吸收（shōu）微波能轉換為熱能，其中水的介電參數^大，即^易吸收微（wēi）波能轉（zhuǎn）換（huàn）為熱能。
（4）鐵氧體：這類（lèi）物質也吸收、反射、穿透電磁波，同電磁波的磁場（chǎng）分量發生作用，產生熱量。
一般的粉體物料均為介電（diàn）體，其濕分（fèn）多（duō）為水或有機溶劑，如乙醇等，濕分的（de）介電參（cān）數遠遠大於固體的介電參數，如（rú）水在80左右而幹砂隻有2.55，可以簡單地說，水吸收微波能（néng）的能（néng）力比幹砂高（gāo）30多倍。可認為微波加熱幹燥時，微波能大部分（fèn）消耗在欲除去的濕分中。
微波具有波粒二象性，根（gēn）據量子理論，電（diàn）磁輻射的能量不是連續的，而是一個個的“能量子”所組（zǔ）成，每個量子具有（yǒu）與其（qí）頻率成正比能量。
E=hf
式中（zhōng）h=6.626×10-34J.S 普朗克常數（shù）。這（zhè）種能量在介電體（tǐ）可以轉為熱能。能量（liàng）轉化的機理有（yǒu）許多種，如離子傳導、偶極子轉動、界麵磁化、磁滯、壓電、電致伸縮（suō）、核磁共振等。其中離子傳（chuán）導（dǎo）和（hé）偶極（jí）子（zǐ）轉（zhuǎn）動是介電加熱（rè）主導原因。
離子傳導：帶電荷的粒子（如氯化鈉溶（róng）液中含有Na+、Cl-1 、(H3O)+、OH-1四種離子（zǐ））在外（wài）電場（chǎng）作用下不（bú）會被加速，沿與它極性相反的方向運動，在（zài）宏觀上表現為傳導電流，這些離子在運動過程會與其（qí）周圍的（de）其（qí）它粒子相碰撞（zhuàng），同時將動能傳給這些粒子，使其運動加劇（jù）。如果是在（zài）高頻交變電場中，物（wù）料中的（de）粒子就（jiù）會發生反複的變向（xiàng）運動，致使碰撞加劇，產生耗（hào）散熱而發（fā）生能量轉化，單位體積所產生（shēng）的功率為：
式中：PV：單位體積（jī）內（nèi）所產生的功率，W/m3；E：為電磁場強（qiáng）度矢量，V/m；σ：為（wéi）導電率，S/m；
偶極子轉動：介電（diàn）質在外電場的作用下會產生位移極化（無極分子（zǐ）介電質）和轉（zhuǎn）向極化（有極分子介電質），如果在（zài）交變的外電場（chǎng）中，介電質被反複極（jí）化，偶極子不斷（duàn）地發生“取向”和“弛豫（yù）”，如此，由於分子的原有的熱運動和相鄰分子間的相互作用（yòng），使分子隨外電場（chǎng）的規則運動受到幹擾和阻礙，產生“摩擦效（xiào）應”，結果一部分能量轉化為（wéi）分（fèn）子熱運動的動能，以熱的形式表現（xiàn）出來，使物料溫度升高。
單位體積變（biàn）化的（de）功率為：
水是極性（xìng）分（fèn）子（zǐ），它的相對介電常數遠遠（yuǎn）高於其它介電質的相對（duì）介電常數，水的損（sǔn）耗因子與其它的（de）介電質的損（sǔn）耗因子相近，所以水的tanδ值^大，其它（tā）液（yè）體（如乙醇等一些（xiē）有機（jī）溶劑）也呈較強介電特性。故含（hán）水和（hé）溶劑的濕物料均適合微波加熱幹燥。這類濕物料在微波場（chǎng）中能（néng）“就地發熱，內外（wài）同熱”濕物料中水分的溫度迅速升高，汽化。而固體粉料（liào）隻消耗少量的微波能。
前文敘述的用（yòng）輥壓法對濕含量為10%~20%的鬆散濕物料進行連續（xù）製粒，既科學又經濟，但（dàn）顆粒中所含的濕分（fèn）用什麽加熱方法（fǎ）對其進行（háng）幹（gàn）燥呢？據本文第二部論述已知，當物料幹燥恒（héng）速階段（duàn）結束時，就（jiù）進入降速幹燥階段，用對流、傳導、輻射加熱，無法強化幹燥（zào），隻有微波能可有效地使內部水分汽化。因（yīn）為物料在微波場中“內外同熱”，物（wù）料內部的（de）水分很快達到沸點，發生高強（qiáng）度蒸發，物料（liào）的質構阻礙水（shuǐ）分流動，故在物料內（nèi）部形（xíng）成壓力梯度，由於“內外同熱”表麵（miàn）熱量易散失，物料內部形成正的溫度（dù）梯度和濕度（dù）梯（tī）度，三種狀態均能促使水（shuǐ）分以液態、汽（qì）態或分子流（liú）的形式向物（wù）料表麵移動。大大（dà）提高降速幹燥階段的幹燥速度，使（shǐ）很（hěn）難幹燥的物（wù）料能快速得到均勻的幹燥。
微波（bō）加熱對顆粒狀、低濕含量的物料進（jìn）行幹燥具有（yǒu）很多（duō）優點（diǎn），如幹燥速度快，幹燥均（jun1）勻，節能，濕含量控製^。改善（shàn）品質（食品，藥品不會發生二（èr）次汙染，且（qiě）能滅（miè）菌）。那麽微波幹燥在國內的發展情況如何呢？
