粉體干燥-造粒-微波加熱干燥新工藝路線的探討（1）
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 要：本文從討論粉體干燥、粉體造粒、顆粒干燥等技術特性出發，試圖科學地建立一條新的粉體前期干燥—造粒—微波加熱干燥工藝路線。即開始將物料進行恒速階段的干燥，使物料除去大部分的濕分，成為濕含量低于20%（濕基）的物料。低濕含量的物料用壓力法造粒，此時不僅易于成粒，成粒率高，且顆粒粒度均勻，強度高。低濕含量的顆粒物料，用微波加熱進行干燥。微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。文章全面地討論了新工藝路線的科學性、技術性、可靠性和經濟性。
關鍵詞：粉體干燥；造粒；微波干燥
1. 概述
隨著工業發展的需要，在化工，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，白云石15μm，黃色氧化鐵5μm，硅酸鋁20μm，淀粉白碳黑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，重量輕，在操作過程中易飛揚，不僅造成物料損失且污染了環境，其中有刺激有毒的細粉逸出，對環境會造成嚴重危害。因為細粉末的堆積密度小，不便運輸。微細的化學肥料施于田里易于流失，這樣就產生了不利的一面，那么就有了把細小粉末聚集成較大的實體——造粒的需求。造粒方法有滾動法和壓力法。滾動造粒是將松散的濕物料（細粉和適量的潤濕液）加入制粒裝置內，攪拌翻動，初始形成團粒核心。隨后，核心以團聚和包層兩種方式長大，團聚的顆粒球形不規則，表面粗糙。包層制粒表面光滑呈球形，斷面為一層包一層的“洋蔥皮”結構，可以控制操作條件，使其中一種方式成為造粒的主導，形成光滑規則的強度高的球形顆粒。攪拌混合造粒、噴霧流化造粒等方法均是松散濕物料或膏狀或熔融的物料、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壓片機、滾壓機、輥壓機、螺旋擠壓機等造粒機中受壓力或主要受剪切力被壓實成粒。其中輥壓機可實現強壓造粒。壓力范圍為2.5MPa~560MPa，可將粉末壓得很密實，使粉末間分子力起主導作用，使顆粒獲得較大的抗拉、抗壓、抗磨耗強度。近四十年來對上千種細粉干物料進行強壓造粒實驗，均獲得造粒成功的數據。但對那些濕含量很低（如低于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力就能實現成粒率高，單機產量大，環境無粉塵飛揚等目的。不過顆粒中會含有一定量的濕分。顆粒表面沒有自由水分，內部濕分的遷移成為控制因素，此時外部可變條件無法改變強化干燥速率，即顆粒干燥需要很長時間，耗費很多能量。如果采用微波加熱干燥低濕含量的顆粒物料，可快速得到所需的干度均勻的顆粒成品。據此提出如下粉體前期恒速干燥階段（即將粉體干至含水量低于20%）——對輥壓力法造粒——顆粒微波加熱干燥的造粒干燥路線。這樣的造粒干燥路線科學合理、經濟效益高。
2. 粉體造粒前期干燥——終濕含量控制在10%~20%
多數粉體是由固體物料的溶液、濾餅、膏狀原料經干燥后得到的平均粒徑小于100μm以下的干粉。如化肥、染料及其助劑、食品及其助劑、聚合物樹脂等粉體，它們都由初含濕量（30%~80%）干燥為終含濕量0.02%~9%的干粉，其平均粒徑在5μm~50μm范圍內，要求干燥器蒸發強度很高。大部分時間是花費干燥最后的20%水分。如白炭黑粉，由膏狀含水80%，干燥至含水為6%的粉體，其粒徑為45μm，堆積密度為240kgm-3，在強化沸騰干燥器中進行干燥，干燥器直徑為150mm，進氣溫度為300oC，每小時產量為5kg。黑炭黑由膏狀含水92%干燥至含水為2%的粉體，在強化沸騰干燥器進行干燥，干燥直徑為150mm，進氣溫度為300oC，每小時僅能獲得1.3kg的干粉。根據干燥機理和實驗干燥曲線分析可知，恒速干燥階段，熱空氣的熱量傳至物料表面，使表面自由水分迅速蒸發，表皮水分降低，物料開始升溫，并在其內部形成溫度梯度，熱量由外部傳至內部，濕分從物料內部向表面遷移，濕分遷移的動力主要靠擴散、毛細流和由于干燥過程物料體積收縮而產生的內部壓力。所以在臨界濕含量出現至物料干燥到很低的最終濕含量時，內部濕分遷移成為控制因素。一些外部可變量如熱空氣的用量，溫度無法強化其濕分遷移速率，只有施加振動、脈沖、超聲波等手段促進其內部濕分的擴散。所以一般物料在濕含量低于20%時，干燥是困難的，稱為降速干燥階段。在此階段干燥時間長，消耗能源多。為降低一般干燥器的負荷，另一方面為保有物料特定濕含量要求，已便于加工、成型或造粒。目前世界各國為減少原材料的損失和粉塵對環境的污染，要求將粉體原料進行造粒，粒度在20目至8mm范圍內。當粉體物料含濕量在10%~20%最有利于壓力法造粒。對高濕含量的物料用對流、傳導、輻射對物料加熱干燥，完成恒速干燥階段（即終含水量在10%~20%間）即終止，得到的松散的濕物料進行造粒。此種物料易于成粒，而且顆粒均勻，無粉塵飛揚，即物料損失小，環境無污染。
3. 粉料壓力法造粒
20世紀70年代開始進行粉體的造粒研究，上千家客戶送來幾千種干粉物料進行造粒實驗，當時對這些物料不加任何粘結劑進行造粒實驗，稱為強壓干法造粒，取得了可喜成果。絕大部分干粉能制強度合格的各種不同尺寸的顆粒，但成粒率不是很高，有些干粉在強壓下（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，環境受到污染。如果在干粉中加入10%左右的液體粘結劑（如水、有機溶劑等），用對輥壓力機連續輥壓造粒過程十分順利，不但成粒率高，且粒度均勻、強度高，制粒過程無粉塵飛揚。
另外濕法滾動造粒時，要求松散的濕物料含濕量在10%到20%，最多達30%，粉料的粒度分布有嚴格的要求，如最大粒徑為30~50目，至少要有25%細粉粒徑小于200目。鐵礦石造粒的給料中，小于325目細粉應占40%~80%。而濕含量為10%左右細粉用輥壓力機連續造粒就沒有這方面的要求。壓力范圍在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、潤濕劑、殺菌劑等，而直接用未干透的濕物料（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最終干燥
微波加熱人們已不陌生，家用微波爐，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、面包、包子時，會對上述食品先在水中浸一下，再放在微波爐加熱，這樣不但加熱時間短，而且包子、饅頭松軟不會變硬。在微波爐內為什么濕饅頭比干饅頭熱及快？為什么松軟而不變硬？要回答這些問題，應了解微波與物料相互關系及微波加熱的特點。
所謂微波就是頻率范圍在3×108Hz~3×1011Hz間，波長在1m~1mm間的電磁波。物質與電磁波間有下列相互關系：
（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，如微波碗、盒，都用絕緣體如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯樹脂等做成的。
（3）介電體：這類物質不同程度吸收微波能轉換為熱能，其中水的介電參數最大，即最易吸收微波能轉換為熱能。
（4）鐵氧體：這類物質也吸收、反射、穿透電磁波，同電磁波的磁場分量發生作用，產生熱量。
一般的粉體物料均為介電體，其濕分多為水或有機溶劑，如乙醇等，濕分的介電參數遠遠大于固體的介電參數，如水在80左右而干砂只有2.55，可以簡單地說，水吸收微波能的能力比干砂高30多倍。可認為微波加熱干燥時，微波能大部分消耗在欲除去的濕分中。
微波具有波粒二象性，根據量子理論，電磁輻射的能量不是連續的，而是一個個的“能量子”所組成，每個量子具有與其頻率成正比能量。
E=hf (1)
式中h=6.626×10-34J.S 普朗克常數。這種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、界面磁化、磁滯、壓電、電致伸縮、核磁共振等。其中離子傳導和偶極子轉動是介電加熱主導原因。
離子傳導：帶電荷的粒子（如氯化鈉溶液中含有Na+、Cl-1 、(H3O)+、OH-1四種離子）在外電場作用下不會被加速，沿與它極性相反的方向運動，在宏觀上表現為傳導電流，這些離子在運動過程會與其周圍的其它粒子相碰撞，同時將動能傳給這些粒子，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復的變向運動，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：介電質在外電場的作用下會產生位移極化（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，介電質被反復極化，偶極子不斷地發生“取向”和“弛豫”，如此，由于分子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干擾和阻礙，產生“摩擦效應”，結果一部分能量轉化為分子熱運動的動能，以熱的形式表現出來，使物料溫度升高。
單位體積變化的功率為：
dg
水是極性分子，它的相對介電常數遠遠高于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因子相近，所以水的tanδ值最大，其它液體（如乙醇等一些有機溶劑）也呈較強介電特性。故含水和溶劑的濕物料均適合微波加熱干燥。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迅速升高，汽化。而固體粉料只消耗少量的微波能。
前文敘述的用輥壓法對濕含量為10%~20%的松散濕物料進行連續制粒，既科學又經濟，但顆粒中所含的濕分用什么加熱方法對其進行干燥呢？據本文第二部論述已知，當物料干燥恒速階段結束時，就進入降速干燥階段，用對流、傳導、輻射加熱，無法強化干燥，只有微波能可有效地使內部水分汽化。因為物料在微波場中“內外同熱”，物料內部的水分很快達到沸點，發生高強度蒸發，物料的質構阻礙水分流動，故在物料內部形成壓力梯度，由于“內外同熱”表面熱量易散失，物料內部形成正的溫度梯度和濕度梯度，三種狀態均能促使水分以液態、汽態或分子流的形式向物料表面移動。大大提高降速干燥階段的干燥速度，使很難干燥的物料能快速得到均勻的干燥。
微波加熱對顆粒狀、低濕含量的物料進行干燥具有很多優點，如干燥速度快，干燥均勻，節能，濕含量控制精確。改善品質（食品，藥品不會發生二次污染，且能滅菌）。那么微波干燥在國內的發展情況如何呢？
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