劉傳義 奚天（tiān）鵬 何士安
（南京工業大學造粒機械研究所 江蘇 南京 210009）
摘 要（yào）：本文（wén）從（cóng）討論粉體幹燥、粉體造粒、顆（kē）粒幹燥等技術特性（xìng）出發（fā），試圖科學地建（jiàn）立一條新的粉體前期幹燥（zào）—造粒—微波加熱（rè）幹燥工藝路線。即開始將物料進（jìn）行恒速階段的幹燥，使物料除去大部（bù）分的濕分，成為濕含量（liàng）低（dī）於20%（濕基）的物料。低濕（shī）含（hán）量的（de）物（wù）料用壓力（lì）法造粒，此時不僅易於成粒，成粒率高，且顆粒粒度（dù）均勻，強（qiáng）度高。低濕含量的（de）顆粒物料，用微波加熱進行幹燥（zào）。微波加（jiā）熱的（de）特（tè）點使顆粒內部的濕分（fèn）迅速排除，從而獲得合格（gé）濕分要求（qiú）的產品。文章全麵（miàn）地討論了新工藝路線的科學性、技術性（xìng）、可靠性和經濟性。
關鍵詞：粉體幹燥；造粒；微（wēi）波幹燥
1. 概述
隨著工業（yè）發展的需要，在化工，食品，醫（yī）藥，電子，塑料生物化工等工業部門（mén）應用粉體物料種類越來越多，且粒度越來越細。如超細碳酸鈣的顆粒（lì）度為（wéi）5μm，二氧化鈦3μm，食品黃（huáng）、酒石黃10μm，白雲石15μm，黃色氧化鐵5μm，矽酸鋁20μm，澱粉白碳（tàn）黑45μm等等。現代快速發展超細粉體——納米粉體（tǐ）。粒度很細的（de）粉料（liào）其堆積密度很小，重量輕，在操作過程中易飛揚，不僅（jǐn）造成（chéng）物（wù）料損（sǔn）失且汙染了環境，其中有刺激有毒（dú）的細粉逸（yì）出，對環境會造成嚴重危害（hài）。因為細粉末的堆積（jī）密度小，不便（biàn）運輸。微細的化學肥料施於田裏易於流失，這樣就產生了不利的一麵，那麽（me）就有了把細小粉末聚（jù）集成較（jiào）大的實（shí）體——造粒的需求（qiú）。造粒方法有滾動法和壓力（lì）法。滾（gǔn）動造粒（lì）是將鬆散的濕物（wù）料（細粉和適量的潤濕液（yè））加入製粒裝（zhuāng）置內，攪拌翻動，初始形成團（tuán）粒核心。隨後，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。包層製粒表麵光滑呈球形（xíng），斷麵為一層包（bāo）一層的“洋蔥皮”結構，可以控製（zhì）操作條件，使其中一種方（fāng）式成為造粒的（de）主導，形成光滑規則的強度高的球形顆粒。攪拌混合造粒、噴霧流化造粒（lì）等方法（fǎ）均是鬆散濕（shī）物料（liào）或膏狀或熔融（róng）的物料、溶液、漿狀的物料。壓力法造粒是將濕含量較低的細粉物料在（zài）壓片機、滾壓機、輥（gǔn）壓機、螺旋擠壓機等造粒機中受壓力或主要受剪切力被壓實（shí）成粒。其中輥壓機可實現強壓造粒。壓力範圍為2.5MPa~560MPa，可將粉末壓得很密實，使粉末間分子力起主導作用，使顆粒獲得（dé）較大的抗拉、抗壓（yā）、抗磨耗強度。近四十年來對上千種細粉（fěn）幹物料進行強壓造粒實驗，均獲得造粒成功的數據（jù）。但對那些（xiē）濕含量很低（如低於0.2%）、粒度很細（xì）（d97<45um）、堆積密度很小(<200kgm-3)、孔隙率大、內摩擦力小、流動性好的細粉物料進行壓力法（fǎ）造粒是較困難的。不但耗能大，且成粒率低，單機產量低。如果在上述特性的（de）物料中加入相應（yīng）的適量的濕潤劑，則造粒條件大為改善，如（rú）無需很強的造粒壓力就能實現成粒率高，單機（jī）產量大，環境（jìng）無粉塵飛揚等目的（de）。不過（guò）顆（kē）粒中會含有一定（dìng）量（liàng）的（de）濕分。顆（kē）粒表麵沒有自由水分，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，即顆粒幹燥需要很長時間，耗費很多能量。如果采用（yòng）微波加熱幹燥低濕含量（liàng）的顆粒物料，可快速（sù）得到所需的幹度均勻的顆粒（lì）成品。據（jù）此提出如下（xià）粉體前期恒速幹燥（zào）階段（即將粉體幹至含水量低於20%）——對（duì）輥壓力法造（zào）粒——顆粒微（wēi）波（bō）加熱幹燥的造粒（lì）幹燥路線。這樣的（de）造粒幹燥路線科學合理、經濟效益高。
2. 粉體造（zào）粒（lì）前期幹燥——終濕含量控製在10%~20%
多數粉體是由（yóu）固體物料的溶液、濾餅、膏狀原料經（jīng）幹燥後得到的平（píng）均粒徑小於100μm以下（xià）的幹粉。如化肥、染料及其助劑、食品及其助劑、聚（jù）合物樹脂等粉體，它們都由初（chū）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，要求幹燥器蒸發（fā）強度很高。大部分時間是花費（fèi）幹燥後的20%水（shuǐ）分。如白炭黑粉，由膏狀含水80%，幹燥至含水為6%的粉體，其粒徑為45μm，堆積（jī）密（mì）度為240kgm-3，在強化沸騰幹燥器（qì）中進行幹燥，幹燥（zào）器直徑為150mm，進氣溫度為300oC，每小時（shí）產量為5kg。黑炭黑由膏狀含水92%幹燥至含水為2%的粉體，在強（qiáng）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（shí）僅能獲得1.3kg的幹粉。根據幹（gàn）燥機理和實驗幹（gàn）燥曲線分（fèn）析可知，恒速幹燥（zào）階段，熱空氣的熱量（liàng）傳（chuán）至物料（liào）表麵，使表麵自由（yóu）水分迅（xùn）速蒸發，表皮水分降低，物料開始升溫，並在其內部形成溫度梯度，熱量（liàng）由外部傳至內部，濕分從（cóng）物（wù）料內部向表麵遷移，濕分遷移（yí）的動力主要靠擴散（sàn）、毛細（xì）流和由（yóu）於幹燥過（guò）程物料體積（jī）收縮而產生的內部壓力。所以在臨（lín）界濕含量出現至物料幹燥到很低的終（zhōng）濕含量時，內部濕（shī）分遷移成為控製因素。一（yī）些（xiē）外部可變量（liàng）如（rú）熱空氣的用量，溫度無法強化其濕分遷移速率，隻（zhī）有施加振動、脈衝、超聲波等手段促進其（qí）內部濕分的擴散。所以一（yī）般物料在濕含（hán）量（liàng）低於20%時，幹燥是困難（nán）的，稱為（wéi）降速幹燥階段。在此階段幹燥時間長，消耗（hào）能源多。為降低一般幹燥器的負荷，另一方麵為（wéi）保有物料特定濕含（hán）量（liàng）要求，已便於加工、成型或造粒。目前世界各（gè）國為減少原材料的（de）損失和粉塵對環境的汙染，要（yào）求將粉體原料進行造粒，粒度在20目至8mm範圍內。當粉（fěn）體物（wù）料含（hán）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（wán）成恒速幹燥階段（即終含（hán）水量在10%~20%間）即終止，得到的（de）鬆散的（de）濕物料進行造粒。此種（zhǒng）物料易於成（chéng）粒，而且顆粒均（jun1）勻（yún），無粉塵飛揚，即物料損失小，環境^。
3. 粉料壓力法造粒
20世紀70年代開始進（jìn）行粉體的造粒研（yán）究，上千家客戶送（sòng）來幾千種幹粉物（wù）料進行造粒實驗（yàn），當時對這些物料不加任何粘結劑進行造粒實（shí）驗，稱為強壓幹法造粒，取得了可喜成果（guǒ）。絕大部分幹粉能製強度合格的各種不同尺寸的顆粒，但成粒（lì）率不是很高，有些幹粉在（zài）強壓（yā）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（qiě）在造粒工程中，篩分時粉塵（chén）飛揚，環境受到汙染。如果在幹粉中加入10%左右的液體粘結（jié）劑（如水、有機溶劑等（děng）），用對（duì）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，製粒過程無粉塵飛揚。
另外濕法滾動造粒時，要求（qiú）鬆散的濕物料含濕（shī）量在10%到20%，多達30%，粉料的粒（lì）度分布有嚴格的要求，如粒徑上限為30~50目，至少要有25%細粉粒徑（jìng）小於200目。鐵礦石（shí）造（zào）粒的給（gěi）料中，小於325目細（xì）粉應占40%~80%。而濕含量為10%左右細粉用輥壓力機連續造粒（lì）就（jiù）沒有這方麵的要求。壓（yā）力範圍在（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（jì）、增塑劑（jì）、潤濕（shī）劑、殺菌劑等（děng），而直接用未幹透的濕物（wù）料（濕量在10%~20%間）用輥壓連續造（zào）粒不僅科學合理且具（jù）有很明顯的經（jīng）濟效益（yì）。
4. 微波加熱對顆粒物料進行終幹燥
微波加熱（rè）人們已不陌生，家用微波爐，城市居民應用得非常熟練。尤（yóu）其對熟食品的再加熱，大家都體會到微（wēi）波加熱（rè）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，再放在微波爐加熱，這（zhè）樣不但加（jiā）熱時間短，而且包子、饅頭（tóu）鬆軟不會變硬。在微波爐（lú）內為什麽濕（shī）饅頭比幹饅頭熱及快？為什麽鬆軟而不變硬？要回答（dá）這些問題，應了解微波與物料相互關係及微波加熱的特點。
所謂微波就是頻率範圍在3×108Hz~3×1011Hz間，波長在1m~1mm間的電磁（cí）波。物（wù）質與電磁波間有下列相（xiàng）互關係：
（1）導體：這類物質反射電磁波，如微波爐的金屬殼體，貯存微波能，使微（wēi）波不泄露。
（2）絕緣體：這類物質不反射也不吸收微波，對微波是透明的（de），如微波（bō）碗、盒，都用絕緣（yuán）體如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯樹脂等做成的。
（3）介電體：這類（lèi）物質不同（tóng）程度吸收微波能轉換（huàn）為熱能，其中水（shuǐ）的介電參數大，即（jí）易吸收微波能（néng）轉換為熱能（néng）。
（4）鐵氧體：這類物（wù）質也吸收、反（fǎn）射、穿透（tòu）電磁波，同電（diàn）磁波的磁場分量發生作用，產生熱量（liàng）。
一般的粉體物料（liào）均為介電體，其濕分多為水或有機溶劑（jì），如乙醇等，濕分的介電參數遠遠大於（yú）固體的（de）介電參數，如水在80左右（yòu）而幹砂隻有2.55，可以簡單地說，水吸收微波能的能力比幹（gàn）砂高30多倍。可認為微波加熱幹燥（zào）時，微波能大部（bù）分消耗在欲除（chú）去的濕（shī）分中。
微波具（jù）有波粒二象性，根據量子理論，電磁輻射的能（néng）量不是連續的，而是一個（gè）個的“能（néng）量子”所（suǒ）組成，每個量子具有（yǒu）與其頻率成正比能量（liàng）。
E=hf (1)
式中h=6.626×10-34J.S 普朗克常數。這種（zhǒng）能量在介電體可以轉為熱能。能量轉化的機理有許多種，如離子傳導、偶極子轉動、界麵磁化、磁滯、壓電、電致伸縮、核磁共振等。其中（zhōng）離子傳導和偶極子轉動是介電加熱主（zhǔ）導原因。
離子傳導：帶電荷的粒子（如（rú）氯化鈉溶液中含有Na+、Cl-1 、(H3O)+、OH-1四種離子）在外電場（chǎng）作用下不會被（bèi）加速，沿與它極性相反的方向運動，在宏（hóng）觀上表現為傳導電流，這些離子在運動過程會與其周圍的其它粒子相（xiàng）碰撞，同時將動能傳給這些粒（lì）子，使其運動加劇。如果是在高頻交變電場中，物料（liào）中的（de）粒子就會發生反複的變向運動，致使碰撞加劇，產生耗散熱而發生能量轉化，單位體積所產生的功率為：
hg (2)
式中：PV：單位體積內所產生的功率，W/m3；E：為電磁場強度矢量，V/m；σ：為導電率，S/m；
偶極子轉動：介電質在外（wài）電場的（de）作用（yòng）下（xià）會產生位（wèi）移極化（無極分（fèn）子介電質（zhì））和轉向極化（有極分子介（jiè）電質），如果在交變的外電場中，介電質被反複極化，偶極子不斷地（dì）發生“取向”和“弛豫”，如此，由於（yú）分（fèn）子的原有的熱運動（dòng）和相鄰分子間的（de）相互作用，使分子（zǐ）隨外電場的規則運（yùn）動受到幹擾和阻礙，產生“摩擦效應”，結果一部分能量轉化（huà）為分子（zǐ）熱運動的動能，以熱的形式（shì）表現出來，使物料溫度升高。
單位體積（jī）變化的功率（lǜ）為：
dg
水（shuǐ）是極性分子，它的相對介電常（cháng）數遠遠高（gāo）於其它介（jiè）電質的（de）相（xiàng）對介電常數，水（shuǐ）的損耗因子與其它的介電質的損耗因子相近，所以水的（de）tanδ值大，其它液體（如乙醇等（děng）一些有機溶劑）也呈較強介電特性。故含水和溶劑的濕物料均適合微（wēi）波加熱幹燥。這類濕物料在微（wēi）波場中能“就地發熱，內（nèi）外同熱”濕物料中（zhōng）水分的溫度迅速升高，汽化。而固（gù）體粉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，既科學又經濟，但顆粒中所含的（de）濕分用什麽加熱方法對其進行幹燥呢？據本文第二部論述已知（zhī），當物料幹燥恒速階段結束時，就進入降速（sù）幹燥階段，用對（duì）流、傳導（dǎo）、輻射加熱，無法強化幹燥，隻有微波能可有效地使內部水（shuǐ）分汽化。因為物料在微波場（chǎng）中“內外同熱（rè）”，物料內部的水分很快達到（dào）沸點，發生高強度蒸發，物（wù）料的質（zhì）構（gòu）阻礙水（shuǐ）分（fèn）流動，故在（zài）物料內部形（xíng）成壓力梯度，由於“內外同熱”表麵熱量易散失，物料內部形成正的溫（wēn）度梯度和濕度梯（tī）度，三（sān）種狀態均能促使水（shuǐ）分以液態、汽態或分子流（liú）的形式向物料表麵移動。大大提（tí）高降速幹（gàn）燥階段的幹燥速度（dù），使（shǐ）很難幹燥的物料能快速得到均勻的幹燥。
微波加熱對顆粒（lì）狀、低濕含量的物料進行（háng）幹（gàn）燥具有很多優點，如幹燥速度快，幹燥（zào）均（jun1）勻，節能，濕含量控製^。改善品（pǐn）質（食（shí）品，藥品不會發生二次（cì）汙染，且能滅菌）。那麽微波幹燥在（zài）國（guó）內的發展情況如何呢？
