劉傳義 奚天鵬 何士安
（南京工業大學造粒機械研究所 江蘇 南京 210009）
摘（zhāi） 要：本文從討論粉體幹燥、粉體造粒、顆粒（lì）幹燥等技術（shù）特性出發，試圖科學地建立一條新的粉（fěn）體前（qián）期幹燥—造粒—微波加熱幹燥工藝路線。即開（kāi）始將物（wù）料進行恒速階段的幹燥，使物料除去大部分的濕分，成為濕含量低（dī）於20%（濕基）的物料。低濕含量的物料（liào）用壓力法造粒，此時（shí）不僅（jǐn）易於（yú）成粒，成粒率高，且顆粒粒度均勻，強度高（gāo）。低濕含（hán）量的顆粒物料，用微波加熱進行幹燥。微波加熱的特點（diǎn）使顆粒內部的濕分（fèn）迅速排除，從而獲（huò）得合格濕（shī）分要求（qiú）的產（chǎn）品。文章全麵地討論了新工藝路線的科學性、技術性、可靠（kào）性和經濟性。
關鍵詞：粉體幹燥；造粒；微波幹燥
1. 概述
隨著工業發展的需要，在化工，食品，醫藥，電子，塑（sù）料生物化工等工業部門應用粉體（tǐ）物料種類越來越（yuè）多，且粒度越來越細。如超細碳酸鈣的顆粒（lì）度為5μm，二氧化鈦3μm，食品黃、酒石黃10μm，白雲石15μm，黃色氧化（huà）鐵5μm，矽酸鋁20μm，澱粉白（bái）碳黑45μm等等。現代快（kuài）速發展超細粉體——納米粉體。粒（lì）度很細的粉料其堆積密度很小，重量輕，在操作過程中易飛揚，不僅造成物料損（sǔn）失且汙染了環境，其中有刺激有毒的細粉逸出（chū），對環境會造成嚴（yán）重危害（hài）。因（yīn）為細（xì）粉（fěn）末的堆積密度小，不便運輸。微細的化（huà）學肥料施於田裏易於流失，這樣就（jiù）產生了不利的（de）一（yī）麵，那麽就有了把細（xì）小（xiǎo）粉末聚集成較大的（de）實體——造粒的需求。造（zào）粒方法有（yǒu）滾動法和壓力法。滾動造粒是將（jiāng）鬆散的濕（shī）物料（liào）（細粉和適量的潤（rùn）濕液）加入製（zhì）粒裝置內，攪拌翻動（dòng），初始形成團粒核心。隨（suí）後，核心以團聚和包層兩種方式長大，團聚的顆粒球形不規則，表（biǎo）麵粗糙。包層製粒表（biǎo）麵光（guāng）滑呈球形（xíng），斷麵為一層包一層的“洋蔥皮”結構，可以控製操作條件，使其中一種方式成為造粒的（de）主導，形成光滑（huá）規（guī）則的強度（dù）高的球形顆粒（lì）。攪拌混合造粒、噴（pēn）霧流化（huà）造粒等方法均是鬆散濕物料（liào）或膏狀或熔融的物料、溶液、漿狀的物（wù）料。壓力法（fǎ）造粒是將濕含量較低的細粉物料在壓（yā）片機、滾壓機、輥壓機、螺旋擠（jǐ）壓機等造粒機中受壓力或主要受剪切力被壓實成粒（lì）。其中輥壓機可實現強（qiáng）壓造粒。壓力範圍（wéi）為2.5MPa~560MPa，可將粉末壓（yā）得很密實，使（shǐ）粉末間分子力起主導作用，使顆粒獲得較（jiào）大的抗拉、抗（kàng）壓、抗磨耗強度。近（jìn）四十年來對上千種（zhǒng）細粉幹物料進（jìn）行強壓造粒實驗，均獲得造粒成功的數（shù）據。但對（duì）那些濕含量很低（如低於0.2%）、粒度很細（d97<45um）、堆積密度很小(<200kgm-3)、孔隙率大、內摩擦力小、流動性好的細粉（fěn）物料（liào）進行壓力法（fǎ）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（shàng）述特性的物料中加入相應的適量的濕潤劑，則造粒條件（jiàn）大為改善，如無需很強的造粒壓力就能實（shí）現成（chéng）粒（lì）率高，單機產量大，環境無（wú）粉塵飛（fēi）揚等目的。不過顆粒中會含有一定量的濕分。顆粒表麵（miàn）沒有自由水分，內部濕分的遷移成為控製因素，此時外部可變條件無法改變強化幹燥速率，即顆粒幹燥（zào）需要很（hěn）長時間，耗（hào）費很多能量。如果采用微波加（jiā）熱幹燥低濕含（hán）量（liàng）的顆粒物料，可快速得到所需的幹度均勻的顆粒成品。據此提出（chū）如下粉體（tǐ）前期恒速幹燥階段（即將粉體幹至含水量低於20%）——對輥壓力法造（zào）粒——顆粒微波加熱（rè）幹燥的造粒幹燥（zào）路線。這樣（yàng）的造粒幹燥路線科（kē）學合理、經濟效益高。
2. 粉體造粒前期幹燥——終濕含量控製在10%~20%
多數粉（fěn）體是由固體物料的溶（róng）液、濾（lǜ）餅、膏狀原料經幹（gàn）燥後得到的平均粒徑小於100μm以下的幹粉。如化肥、染料及其助劑、食品及其助劑（jì）、聚合物樹脂等粉體，它們都由初含濕量（30%~80%）幹燥為終含濕量0.02%~9%的幹粉，其平均粒徑在5μm~50μm範圍內，要（yào）求幹燥器蒸（zhēng）發強度（dù）很高。大部分時間是花費幹燥後的20%水分。如（rú）白炭黑（hēi）粉，由膏狀含水80%，幹燥至含水為6%的粉（fěn）體（tǐ），其粒徑為45μm，堆積密度為240kgm-3，在（zài）強化沸（fèi）騰幹燥器中進行幹燥，幹燥器直徑為（wéi）150mm，進氣溫度為300oC，每小時（shí）產量為5kg。黑炭黑由膏狀含（hán）水92%幹（gàn）燥至（zhì）含水為2%的粉體，在強化沸（fèi）騰幹（gàn）燥器進行幹燥，幹燥直（zhí）徑為150mm，進氣溫（wēn）度為（wéi）300oC，每小時僅（jǐn）能獲得（dé）1.3kg的（de）幹粉。根據幹燥機理（lǐ）和實驗幹燥曲線分析可知，恒速幹燥階段（duàn），熱空氣的熱量傳至（zhì）物料表麵，使表麵自由水分迅速蒸發，表皮水分（fèn）降低，物料開始升溫，並在其內部形成溫度梯度，熱量由外部（bù）傳至內部，濕分從物料（liào）內部向表麵遷移，濕分遷移的動（dòng）力主要靠擴散、毛細流（liú）和由於幹燥過程物料體積收縮而（ér）產生（shēng）的內部壓力。所以在臨界濕含量出現至物料幹燥到很低的終濕含量時，內部濕（shī）分遷移成為控製因素。一些外（wài）部可變（biàn）量如熱空氣的用量，溫度無法強（qiáng）化（huà）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（fèn）的擴散。所以一般物料在濕含量低於20%時，幹燥是困難（nán）的，稱為降速幹燥階段。在此階段幹燥時間長（zhǎng），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濕（shī）含量（liàng）要求，已便於加工、成型或造粒。目前世界各國為（wéi）減少原材料的（de）損失和粉塵對環境的汙染，要求將粉體原（yuán）料進行（háng）造粒，粒度在20目（mù）至8mm範圍內。當粉體物料含濕量在10%~20%有利於壓力（lì）法造粒。對高濕含量的物料用（yòng）對流、傳導、輻射對物料加熱幹燥（zào），完（wán）成（chéng）恒速幹燥階（jiē）段（即終含水量在（zài）10%~20%間）即（jí）終止，得到的鬆散的濕物料進行造粒。此種物料易於成（chéng）粒，而且顆粒均勻，無粉（fěn）塵飛揚（yáng），即物料損失小，環境（jìng）^。
3. 粉料壓力法造（zào）粒
20世紀70年代開（kāi）始（shǐ）進行粉體的造粒研究，上千家客戶送來幾千種幹粉物料進行造（zào）粒實驗，當時對這些（xiē）物料不加任何（hé）粘結劑進行（háng）造粒實驗，稱為強壓幹法造粒，取得了可喜成果。絕大部分幹（gàn）粉能製強度（dù）合格的各種不同尺寸的顆粒，但成粒率不是很高，有些幹粉（fěn）在強壓下（350MPa~560MPa）進行造粒，其成粒率不到70%，返料在30%以上，因此單機造粒產量受到影響，而且在造粒工程中，篩分時粉塵飛揚，環境受到汙（wū）染。如果在幹粉中加（jiā）入10%左（zuǒ）右的液體粘結劑（如水、有機溶劑等），用（yòng）對輥（gǔn）壓力機連續輥壓造粒過（guò）程^順利，不但成粒率高，且粒度均勻、強度高，製粒過程無粉塵飛（fēi）揚（yáng）。
另外濕法滾動造粒時，要求鬆散的濕物料含濕量在10%到20%，多達30%，粉料的粒度分布有嚴格的要（yào）求，如粒徑（jìng）上限為30~50目，至少（shǎo）要有25%細粉粒徑小於200目（mù）。鐵礦石造粒的給料中，小於325目細粉應占40%~80%。而濕（shī）含（hán）量為（wéi）10%左右細粉用輥壓力機連續造粒就（jiù）沒（méi）有這方麵的要求。壓力範圍在2.5~140MPa，即可成粒，能耗大大降低，耗能量為（2~4）kw/ht。如果不在造粒前另加粘結劑、潤滑劑、增塑劑、潤濕（shī）劑、殺菌劑等，而直接用未幹透的（de）濕物料（濕量在10%~20%間）用輥壓連續造粒不僅科學合理且具有很明顯的經濟效益。
4. 微波加熱對顆粒物料進行（háng）終幹燥（zào）
微波加熱人們（men）已不陌生（shēng），家（jiā）用微波爐（lú），城市居民應用得非常熟練。尤其對熟（shú）食品的再加熱，大家都體會到微波加熱速度快，如加熱（rè）饅頭、麵包、包子時，會對上述食品先在水中浸一下（xià），再放在微波爐加熱，這樣不但（dàn）加熱時間短，而且包子、饅頭鬆軟不會變硬。在微波（bō）爐內為什麽濕饅頭比幹饅頭熱（rè）及快？為什麽鬆軟而不變（biàn）硬（yìng）？要回答這些問題，應了解微波與物料相互關係及微波加熱的特點。
所謂微波就是頻（pín）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（bō）間有下列相互關（guān）係：
（1）導（dǎo）體：這類物質反射電磁波，如微波爐的金屬殼體，貯存微（wēi）波能，使微波不泄露（lù）。
（2）絕緣（yuán）體：這（zhè）類（lèi）物質不反射也（yě）不（bú）吸收微波，對微波是透明的，如微波（bō）碗、盒，都用絕緣體如玻（bō）璃、陶瓷、聚四氟（fú）乙烯（xī）樹脂（zhī）等做成的。
（3）介電體：這類物質不同程度吸收微波能轉換為熱能，其中水的介電參數大，即易吸收微波能轉換為熱能。
（4）鐵氧體：這類物質也吸收、反射、穿透電（diàn）磁（cí）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，其濕分多為水或有機溶劑，如乙醇等，濕分的介電參（cān）數遠遠大於固體（tǐ）的介電參數（shù），如水在80左右而幹砂隻有2.55，可以簡單地說，水吸收微波能的能力比（bǐ）幹砂（shā）高30多（duō）倍（bèi）。可認為微波加熱幹燥時，微波能大（dà）部分消耗在欲除去的濕分中。
微波具有波粒二（èr）象性，根據（jù）量子理論，電磁輻射的（de）能量不是連續的，而是一個個（gè）的（de）“能（néng）量子”所組成，每個（gè）量子（zǐ）具有與其頻率成正比（bǐ）能（néng）量。
E=hf (1)
式中h=6.626×10-34J.S 普朗克常數。這種能量在介（jiè）電體可以轉為熱能。能量轉化的機（jī）理有許多（duō）種，如離子傳導、偶極子轉動、界麵磁（cí）化、磁滯、壓（yā）電、電致伸縮、核磁共振等。其中離子傳導和偶極子（zǐ）轉動是介電加熱主導原（yuán）因。
離子傳導（dǎo）：帶電荷的粒子（如氯化鈉溶液中含有Na+、Cl-1 、(H3O)+、OH-1四（sì）種離子）在外電場作用下不會（huì）被加速，沿與它極性相反的方向運動，在宏觀上表現為傳導電流，這些離子（zǐ）在運動過程會與其周圍的其它粒子相碰（pèng）撞，同時（shí）將動能傳給這些粒（lì）子，使其運動加劇。如果是在高頻交變電場中，物料中的粒子就會發生反複的變（biàn）向運動，致使碰撞加劇，產生耗散熱而發生能（néng）量轉化，單位體積所（suǒ）產生的（de）功率為：
hg (2)
式中：PV：單位體積內所產生的功率，W/m3；E：為電磁（cí）場強度矢量，V/m；σ：為導電率，S/m；
偶極子轉（zhuǎn）動：介電質（zhì）在外電場的作用（yòng）下會產（chǎn）生位移極（jí）化（無極分子介電質）和轉向極化（有極分子介電質），如果在交變的外電場中，介電質（zhì）被反複極化，偶（ǒu）極子不斷地發（fā）生（shēng）“取（qǔ）向（xiàng）”和“弛豫”，如此，由於分子（zǐ）的原有的熱運動和相鄰分子間的相互作用，使分子隨外電場的規則運動受到幹擾和阻礙，產生“摩擦效應”，結果一部（bù）分能（néng）量轉化為分子熱運動的動能，以熱的形式表現出來，使物料（liào）溫度升（shēng）高。
單位體積變化的（de）功率為：
dg
水是極性分子，它的相對（duì）介電常數遠遠高（gāo）於其它介電質的相對介電常數，水的損耗因子與其它的介電質的損耗（hào）因子相近，所以水的tanδ值大，其它液體（如乙醇等一些有機溶劑）也呈較強介電特性。故含水和溶劑（jì）的濕物料均適合微波加熱幹燥。這類濕物料在微波場中能“就地發熱，內外同熱”濕物料中水分的溫度（dù）迅速升高（gāo），汽化。而固體粉（fěn）料隻消耗少量的微波能。
前文敘述的用輥壓法對濕含量為10%~20%的鬆散濕物料進行（háng）連續製粒，既科學又經（jīng）濟，但顆粒中所（suǒ）含的濕分用什麽（me）加熱方法對其進行幹燥呢？據本文第二部論述已知，當物料幹燥（zào）恒速階段結束時，就進入降速幹燥階段，用對流、傳導、輻射加熱，無法強化（huà）幹（gàn）燥，隻（zhī）有微波能可有效地使內部水分汽化。因為物料在微波場中“內外（wài）同熱”，物料內部的水分很快達到（dào）沸點，發生高（gāo）強度蒸發，物料的（de）質構阻礙水分（fèn）流動，故在物料內（nèi）部形成壓力梯度，由（yóu）於“內外同熱（rè）”表麵（miàn）熱量易散失，物料內部形成（chéng）正（zhèng）的溫度梯（tī）度和濕度梯度，三種狀態（tài）均能促使水分以液態（tài）、汽態或分子流的形式（shì）向物料表麵移動。大大提高降速幹燥階段的幹燥速（sù）度，使很（hěn）難幹（gàn）燥的物料能快速得到均勻的幹（gàn）燥。
微波（bō）加熱對（duì）顆粒狀、低濕（shī）含量（liàng）的物料進行幹燥具有很多優點，如幹燥速度快，幹燥均勻，節能，濕含量控製（zhì）^。改善品質（食品，藥品不會發生二次汙染，且能滅菌）。那麽微（wēi）波幹燥在國（guó）內的發展情況如（rú）何呢？
