刘传义 奚天鹏 何（hé）士安
（南京工业大学造粒机械研究所 江苏（sū） 南京（jīng） 210009）
摘 要：本文从讨论粉体干燥、粉（fěn）体造粒、颗粒干燥等技术特性出发，试图科学地建立（lì）一条新的粉体前期干燥（zào）—造粒—微波加热干燥工艺路线。即开始将物料进行恒速阶段的干燥（zào），使物（wù）料除去大部分的湿分，成为湿（shī）含（hán）量低于20%（湿基）的物料。低湿含量的物（wù）料用压力法造（zào）粒，此时不仅（jǐn）易于成粒（lì），成（chéng）粒率高，且颗粒粒度均匀，强度（dù）高。低湿含量的颗粒物料，用微波加热进行干燥。微波加（jiā）热的特点使颗粒内（nèi）部的湿（shī）分迅速排除，从而获（huò）得合格湿分要（yào）求的产品（pǐn）。文章全面地讨论了新工艺路线的科学性、技术性、可靠性和经济性。
关键词：粉体干燥；造粒；微波干燥（zào）
1. 概述
随着工业发展的需要，在化工，食品，医药，电子，塑料生物（wù）化工等（děng）工业部门应用粉体物（wù）料种类越来越多，且粒度越来越细。如超细碳酸（suān）钙的颗粒度为5μm，二（èr）氧化钛3μm，食品黄、酒石黄10μm，白云石15μm，黄色氧化铁5μm，硅酸铝20μm，淀粉白碳黑45μm等等。现代快速发展超细粉（fěn）体——纳米粉体。粒（lì）度很细的粉料其堆（duī）积密度很小，重量轻，在操作过程中易飞扬，不仅造成（chéng）物料损失且污染了环境，其中（zhōng）有刺激有毒（dú）的细粉逸出，对环境（jìng）会造成严重危害（hài）。因为细粉末的（de）堆积密（mì）度小，不便运输。微细的化学肥（féi）料施于田里易于流失，这样就产生了不利的一面，那（nà）么就有了把细小粉末聚集（jí）成较大的实（shí）体——造粒的需求。造粒方法有滚动法（fǎ）和压力法。滚动造粒是将松散的湿物料（细粉和适量的润（rùn）湿液）加（jiā）入制粒装置内，搅拌翻动，初始形成团粒核心。随后（hòu），核心以团聚和包层两种（zhǒng）方式长大，团聚的（de）颗粒球形不规则，表面粗糙。包层制粒表面（miàn）光滑（huá）呈球形，断面为一层包一层的“洋葱皮”结构（gòu），可以控制操作条件，使其（qí）中一种方式成为造粒的主导，形成光滑规则（zé）的强（qiáng）度高的球形（xíng）颗粒（lì）。搅（jiǎo）拌混（hún）合造粒、喷雾流化造粒（lì）等方法（fǎ）均是松散湿物料或膏状或熔融的物料、溶液（yè）、浆状的（de）物料。压力法造粒是将湿含量较（jiào）低的细粉物料在压片机、滚（gǔn）压机、辊压机、螺旋挤压机等造粒（lì）机中受压力或主要受剪切力被压实成粒。其中辊压机可实现强压造粒。压力范围为2.5MPa~560MPa，可将粉（fěn）末压得很密实，使粉末间分子力（lì）起主导作用，使颗粒获得较大的抗（kàng）拉、抗压、抗磨耗强度。近四十年来对上千种细粉干物料进行强压造粒实验，均获得造粒成功的数据。但对那些湿含（hán）量很低（如低于0.2%）、粒度很细（d97<45um）、堆积（jī）密度很小(<200kgm-3)、孔隙（xì）率大、内摩擦力小、流动性好的细粉（fěn）物料进行压力法造粒（lì）是较（jiào）困（kùn）难的。不但耗能（néng）大，且成粒率低，单机产（chǎn）量低（dī）。如果在上述特性（xìng）的物（wù）料中加入相应的适量的湿润剂，则造粒条件大为改善，如无需很强的造粒压力就能实现（xiàn）成粒率高，单机产量大（dà），环境无粉尘飞扬等目的。不过颗粒中会含有一定量的（de）湿分。颗粒（lì）表面没有自由水分，内部湿分的迁移成为控制（zhì）因素，此时外部可变条件无法改变强化干燥速率，即颗粒干燥需要很长时间，耗费很多能量。如果采用微波加热干（gàn）燥低湿含量的颗粒物料（liào），可快速得到所需（xū）的干度均匀的颗（kē）粒（lì）成品。据此提出如下粉体前期恒速干燥阶段（即将粉体干至含水量低于20%）——对辊压力法造粒——颗粒微波加（jiā）热干燥的造粒干燥路线。这样的造粒干燥（zào）路线（xiàn）科学（xué）合理、经济效益高。
2. 粉体造粒前期干燥——终湿含量控制在10%~20%
多数粉体（tǐ）是由固体物料的（de）溶液、滤饼、膏状（zhuàng）原料经干燥后得到的平均粒径小于100μm以下的干粉。如化肥、染（rǎn）料（liào）及其助剂、食品及其助剂、聚合物树脂等粉体，它们都由初含（hán）湿量（30%~80%）干燥为终含湿量（liàng）0.02%~9%的干粉，其平均粒径在5μm~50μm范围内，要求（qiú）干燥器蒸发强度很高。大部分时间是花费干燥后的20%水分。如白炭黑粉（fěn），由膏状含水80%，干燥至含水为6%的粉体，其粒径为（wéi）45μm，堆积密度为（wéi）240kgm-3，在强化沸腾干（gàn）燥器中进行干燥，干燥（zào）器直径为150mm，进气温度为300oC，每小时产量为5kg。黑炭黑由膏状含（hán）水92%干燥至含水为2%的粉（fěn）体，在强化沸腾干燥器进行干燥，干燥直径为150mm，进气温度为300oC，每小时仅能获得1.3kg的干粉。根据干（gàn）燥机（jī）理和（hé）实验干燥（zào）曲线分析可知，恒速干燥阶（jiē）段，热空气的热量传至物料表面，使表面自由水分（fèn）迅速蒸发，表皮水分降低，物料开始升温，并在其内（nèi）部（bù）形成温度梯度，热量由外部传至内部，湿分从（cóng）物（wù）料内部向表面迁移（yí），湿分迁移的动力主要靠扩散（sàn）、毛细流和由于干燥过程物（wù）料体积收缩而产生的内部压力。所以在临界湿含量出现至物料干燥到很低的终湿含量时，内部湿分迁移成（chéng）为控制因素。一些外部可变（biàn）量如热空气的用量（liàng），温度无法强化其湿分迁移速率，只有施加振（zhèn）动、脉（mò）冲、超声（shēng）波等手段促进其内部湿分的扩散。所以一般物料在湿含量低于20%时，干燥是困难的，称为降速干（gàn）燥阶段。在（zài）此阶段干（gàn）燥时间长，消耗能源多。为降低一般干燥器的负荷，另一方面为保（bǎo）有物（wù）料特定湿含量要求，已（yǐ）便于加工、成型或造粒。目前世界（jiè）各国为减少原材料的损（sǔn）失和粉尘对环境的污染，要求将（jiāng）粉体原料进行造粒，粒度在20目至8mm范围内。当粉体物料含湿量在10%~20%有利于压力（lì）法造（zào）粒。对高湿含量的（de）物料用对流、传导、辐射对物料（liào）加热干燥，完成（chéng）恒（héng）速干燥阶段（即终（zhōng）含水量在10%~20%间（jiān））即终止，得到的松散的湿物料进行造粒。此种物料易于成粒，而且（qiě）颗粒（lì）均匀，无（wú）粉（fěn）尘飞扬，即物料损失小，环境^。
3. 粉料压力法造粒
20世纪70年代开始进行粉体的造粒研究，上千家客户送来几千种干粉物料进行造粒实验，当时对（duì）这些物料不加任何粘结剂进行造粒实验，称为强压干（gàn）法造粒，取得了（le）可喜成果。绝大部（bù）分干粉能制强度合格（gé）的各（gè）种不同（tóng）尺寸的颗粒，但（dàn）成粒率不是很高，有（yǒu）些干粉在强压下（350MPa~560MPa）进行（háng）造粒，其成粒（lì）率（lǜ）不到70%，返料在30%以上，因此单机造粒产量受到影响，而且在造粒工程（chéng）中，筛分时粉尘飞扬，环境受到污染。如果在干粉中加入10%左（zuǒ）右的液体粘结剂（如水、有机溶剂等），用对（duì）辊压力机连续辊压造粒过程^顺利，不但成粒率高，且粒度均匀、强度高，制粒过程无粉尘飞（fēi）扬。
另外湿法滚动造（zào）粒时，要求松散的湿物料含湿（shī）量在10%到20%，多达30%，粉料的粒度分布有严格的要求，如粒径上限为30~50目，至少（shǎo）要有25%细粉粒（lì）径（jìng）小于200目（mù）。铁矿（kuàng）石造粒的给料中，小于325目细粉应占40%~80%。而湿含量为10%左右细粉用辊压力机连续造粒就没有（yǒu）这方面的要求。压力范（fàn）围在2.5~140MPa，即可成粒，能耗大大降低，耗能量为（2~4）kw/ht。如果不在造（zào）粒前另加粘（zhān）结剂、润滑剂、增塑剂、润湿剂、杀菌剂等，而直接（jiē）用未干透（tòu）的湿物料（湿量在10%~20%间）用辊压连续造粒不仅科学合（hé）理且具有很明显的经济效益。
4. 微波加热（rè）对颗粒物料进行终干（gàn）燥
微波加热人们已不陌生，家用微波炉（lú），城市居民应用得非常（cháng）熟练。尤其（qí）对熟（shú）食品的再加热，大家都体会到微波（bō）加热速度快，如（rú）加热馒头、面（miàn）包、包子时，会对（duì）上述食品先（xiān）在水中浸一下，再放在（zài）微波（bō）炉加热，这样不但加热时间短（duǎn），而且包子、馒头松软不会变硬（yìng）。在微波炉内为什么湿馒头比干馒头热及快？为什（shí）么松软而不变硬？要回答这些问题，应了解微波与物料相互关系及微波加热的（de）特点。
所谓微波就（jiù）是频率范围在3×108Hz~3×1011Hz间，波长在1m~1mm间的（de）电磁波。物质与电磁波间有下列相互关系：
（1）导体：这类物质反射电磁波，如（rú）微波炉的金属壳（ké）体（tǐ），贮存微波能（néng），使微（wēi）波不泄（xiè）露。
（2）绝缘体：这类（lèi）物质不反（fǎn）射也不吸收微波，对微波是透明（míng）的，如微（wēi）波碗、盒（hé），都用绝缘（yuán）体如玻璃、陶瓷、聚四氟乙（yǐ）烯树脂等做成的。
（3）介电体：这类物质不（bú）同程度吸（xī）收微波能转换为热能，其中水的介电参数大，即（jí）易吸收微波能（néng）转换为热能。
（4）铁氧体：这类（lèi）物质也吸（xī）收、反射、穿透电磁波，同电磁波的磁场分量发生作用（yòng），产生热量。
一般的粉体物料均为（wéi）介电体，其湿分多为水或有机溶（róng）剂，如乙醇等，湿（shī）分的介电参数远远大于固体的介电参数，如水在80左（zuǒ）右而干砂只有2.55，可以简单地说（shuō），水吸收（shōu）微波能的能力比干砂高30多倍（bèi）。可认为微波加热干（gàn）燥时，微波能大部分消耗（hào）在欲除去的湿分中（zhōng）。
微波具有波粒二象（xiàng）性，根据量子理论，电磁辐射的能量不是连（lián）续（xù）的，而是（shì）一个个的（de）“能量子”所组成，每个量子具有与其频率成正比能量。
E=hf (1)
式中h=6.626×10-34J.S 普朗克（kè）常（cháng）数。这种能量在介电体可以转为热能。能量转化的机（jī）理有许多种，如（rú）离（lí）子传导、偶极子转动、界面磁化、磁滞、压电、电致伸缩、核磁（cí）共振（zhèn）等。其中离（lí）子传导和偶极子转动是介电加（jiā）热主导原（yuán）因。
离子传导：带电荷的粒子（如（rú）氯化钠溶液中含有（yǒu）Na+、Cl-1 、(H3O)+、OH-1四种（zhǒng）离子）在外电场作用（yòng）下不会被（bèi）加速，沿与它极性（xìng）相反的方向运动，在宏观上表现为传导电流，这（zhè）些（xiē）离子（zǐ）在运动过程会与其周围（wéi）的其它粒子相碰撞，同（tóng）时将动能传给这些粒子，使其运动加剧。如（rú）果是在高频交（jiāo）变电场中，物料中的粒子就会发生反复的变向运动，致使碰撞加剧，产生耗（hào）散热而发生能量转化，单位体积所产生的功率为：
hg (2)
式中：PV：单位体积内所产生的功率，W/m3；E：为电磁（cí）场强（qiáng）度矢量，V/m；σ：为导（dǎo）电（diàn）率，S/m；
偶极子转动：介电质（zhì）在外电场的（de）作用下会产生位移极化（无极分子介电质）和转向极化（有极分子介电质），如（rú）果在交（jiāo）变的外电（diàn）场中，介电质被反（fǎn）复极化，偶极子不断（duàn）地发生“取向”和“弛豫（yù）”，如此，由于分子的原有的热运动和相邻分子间的相互作用，使分子随外电场的（de）规则（zé）运动受到（dào）干扰和阻碍，产生“摩擦效应”，结果一部分能量转化为分子热运动的动（dòng）能，以热的形式表现出来，使物料温度升高。
单位（wèi）体积（jī）变化的（de）功率为：
dg
水是极性分子，它的相对介电常数远远高于其（qí）它介电质的相对（duì）介电常数，水的损耗（hào）因子与其它的介电质的损耗因子相近，所以水的tanδ值大，其它液体（如（rú）乙醇等一些有（yǒu）机溶剂）也呈较强介电特性。故含水和溶剂的湿物料均适合微波加热干燥。这类湿物料（liào）在微波场中能“就地发热，内外同热（rè）”湿物料中（zhōng）水（shuǐ）分的温度迅速升高，汽化。而固体粉料只消耗少（shǎo）量的（de）微波能。
前文（wén）叙述的用辊压法对湿含量为10%~20%的松散（sàn）湿物料进行连续（xù）制粒，既科（kē）学又经济，但颗粒中所含的湿分用（yòng）什么（me）加热方法对其进行干燥呢？据（jù）本文（wén）第二部（bù）论（lùn）述已知，当物料干燥恒速（sù）阶段结（jié）束时，就进入降速干燥阶段，用对流（liú）、传导、辐射加热，无法强化干燥，只有微波能可有效地使内部水分汽化。因为物料（liào）在微（wēi）波场中“内外同热”，物料内部的水分很快达（dá）到沸点，发生高强度蒸发，物料的质构阻碍水（shuǐ）分流动，故在物料内部形成压力梯度，由于（yú）“内外同热”表面热量易散失，物料内部形成正的温度梯度和湿（shī）度梯度，三种状态均能促使水分以液态、汽态或分子（zǐ）流的形式向物料表（biǎo）面移动。大大提高降速干燥阶段的干燥速度，使很难干燥的物料能快速得到均匀的干（gàn）燥。
微波加热对颗粒状、低湿含量的物料进（jìn）行干燥（zào）具有很多优（yōu）点（diǎn），如干燥速度快，干燥均匀，节能，湿含量控制^。改善品质（食品，药品不会发生二次污染，且能灭菌）。那么微波干燥在国内的发展情况如何呢？
