粉體幹燥-造粒-微波加（jiā）熱幹燥新工藝路線的探討（1）
信息來源： | 發（fā）布（bù）日期：
2026-08-31 03:29:42
| 瀏覽（lǎn）量：765026
劉傳（chuán）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（cóng）討論粉體幹燥、粉體造（zào）粒、顆粒幹（gàn）燥等技術特性出發，試圖科學地建立一條新的粉體前期幹燥—造粒—微波加熱幹燥（zào）工（gōng）藝路線。即開始將物料進行恒速階（jiē）段的幹（gàn）燥，使物料除去大部（bù）分的濕分，成為（wéi）濕含量低於20%（濕基）的物（wù）料。低濕含量的物料用壓力法造粒，此（cǐ）時不僅易於成粒，成粒率高（gāo），且顆（kē）粒粒度均勻，強度高。低濕含量的顆粒物料，用微波加熱進行幹燥。微波加熱的特點使顆粒內部的濕分迅速排（pái）除，從而獲得合（hé）格濕分要求的產品。文章全麵（miàn）地討論了新工藝路線的科（kē）學性、技術性、可靠性和經濟性。
關鍵詞：粉體幹燥（zào）；造粒；微波幹燥
1. 概述
隨著工業發展的需要，在化工（gōng），食品，醫藥，電子，塑料生物化（huà）工等（děng）工（gōng）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（gài）的顆粒度為5μm，二氧化鈦3μm，食品（pǐn）黃、酒石黃10μm，白雲石15μm，黃（huáng）色氧化鐵5μm，矽酸鋁20μm，澱粉白碳黑45μm等等。現代快速發展超細粉體——納米粉體。粒（lì）度很細（xì）的粉料其堆積密度很（hěn）小，重（chóng）量輕，在操作過程中易飛揚，不僅造成物料損失且汙染了環境（jìng），其中有刺激有毒的（de）細粉逸出，對環境會（huì）造成嚴重危害。因為細粉末的（de）堆積密度小，不便運輸。微細（xì）的（de）化學肥料施於田裏易於流失，這（zhè）樣（yàng）就產生了不利的一麵，那麽就有了把細小粉末聚集成較大的實體（tǐ）——造粒的需求。造粒方法有滾動法（fǎ）和壓力法。滾動造粒是將鬆散的濕物料（細粉和適量的潤濕液）加入（rù）製（zhì）粒裝置內，攪拌翻動，初始形成團粒核（hé）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，表麵粗糙。包（bāo）層製（zhì）粒表麵光滑呈球形，斷麵為一層包一層的“洋蔥皮”結構，可以控（kòng）製操作條件，使其中一種方（fāng）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（zào）粒等方法均是鬆散濕物料（liào）或膏狀（zhuàng）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（xì）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（lì）或主要（yào）受剪切力被壓實（shí）成粒。其（qí）中輥壓機可實現強壓造粒。壓力範圍（wéi）為2.5MPa~560MPa，可將粉末壓得很密實，使粉末間分（fèn）子力起（qǐ）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（qiān）種細粉幹物料（liào）進行強壓造粒實驗，均獲得造粒成（chéng）功的數據。但對那些濕含量很低（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（hǎo）的細粉物料進行壓力法造粒是較（jiào）困難的。不但耗能大，且成粒率低，單機（jī）產量低。如果在上述（shù）特性的（de）物料中加入相應（yīng）的適量的濕潤劑（jì），則造粒條件大為改善，如無需很強的造粒壓力就能實現成（chéng）粒率高，單機產量大，環境（jìng）無粉塵（chén）飛揚（yáng）等目的。不過顆粒中會含有一定量的（de）濕分。顆粒表麵沒有自由水（shuǐ）分，內（nèi）部濕分的遷移成為控製因素，此時外部可變條（tiáo）件無法改變強化幹燥速率，即（jí）顆粒幹燥需要很長（zhǎng）時間，耗費很多能量。如（rú）果（guǒ）采用微波加熱幹燥低濕含量（liàng）的顆粒物料，可快速得到所需的幹度均勻的（de）顆粒成品。據此提出如下粉體前（qián）期（qī）恒速幹燥階段（即將粉體幹至含水量低於20%）——對輥壓力法造粒——顆粒微波加熱幹燥（zào）的造粒幹燥路線。這樣的造粒幹（gàn）燥路線科學合理、經濟效（xiào）益高。
2. 粉（fěn）體造粒前期幹燥——終濕（shī）含量控製在10%~20%
多數粉體是由（yóu）固體物料的溶液、濾餅、膏狀原料經幹燥後得（dé）到的平均粒（lì）徑小於100μm以下的幹粉。如化肥、染（rǎn）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（liàng）（30%~80%）幹燥為（wéi）終含濕量0.02%~9%的幹粉，其平均粒徑（jìng）在（zài）5μm~50μm範圍內，要（yào）求幹燥器蒸發強度很高。大部分時間是花費幹燥^後（hòu）的20%水分。如（rú）白炭（tàn）黑粉，由膏狀含水80%，幹燥（zào）至含水為6%的粉體，其（qí）粒徑（jìng）為45μm，堆積密度為240kgm-3，在強化沸騰幹（gàn）燥器中進行（háng）幹燥，幹燥器直徑為（wéi）150mm，進氣溫度為300oC，每小時產量為5kg。黑炭黑由膏狀含水92%幹（gàn）燥至含水為2%的粉體，在強化沸（fèi）騰幹燥器進行幹燥，幹燥直徑為150mm，進氣溫度為300oC，每小時僅能獲得1.3kg的幹粉。根據（jù）幹燥機理和實驗幹燥曲線分析可知，恒速幹燥階段，熱空氣（qì）的（de）熱量傳至物料表麵，使表麵自由水分迅速蒸（zhēng）發，表皮水分降低（dī），物料開（kāi）始（shǐ）升（shēng）溫，並在其內部形成溫度（dù）梯度，熱量由外部傳（chuán）至內部，濕分從（cóng）物（wù）料內部向表麵（miàn）遷（qiān）移，濕分遷移的動力主要靠擴散、毛細流和由於幹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幹燥到很低（dī）的^終濕含量時，內部濕分遷移成為控製因（yīn）素。一些外部可變量如熱空氣的（de）用量，溫度無法強化其濕分遷移速率，隻有施（shī）加振動、脈衝（chōng）、超（chāo）聲波等手段促（cù）進（jìn）其內（nèi）部濕分的擴散。所以（yǐ）一般物料在濕含量（liàng）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，消耗能源多。為降低一（yī）般幹（gàn）燥器的負荷，另一方麵為保有物料特定濕（shī）含量要求，已便於加工、成型或造粒（lì）。目前世界各國（guó）為減少原材料（liào）的損失和粉塵對環境的汙染，要求將粉體原料進行造粒，粒度在20目至8mm範圍內。當粉體物料含濕量（liàng）在10%~20%^有利於壓力法造粒。對高濕（shī）含（hán）量的物料用對流、傳導、輻射對物料加熱幹燥，完成（chéng）恒速幹燥階（jiē）段（即終含（hán）水量在（zài）10%~20%間）即終止，得到（dào）的鬆散的濕（shī）物料進行造粒。此種物料易於成粒，而且顆粒均勻，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年代開始進行粉體的造粒研究，上千家客戶送來幾（jǐ）千種幹粉物料進行造（zào）粒實驗，當（dāng）時對這些物料不加任何粘結劑進行造粒實驗，稱為強壓幹法造粒，取得了可喜成果。絕大部分（fèn）幹粉能製（zhì）強度合格的各種不（bú）同尺寸的顆粒，但成粒率不（bú）是很高，有些幹粉在（zài）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，環境受到汙染。如果在幹粉中加入（rù）10%左右的（de）液體粘結（jié）劑（jì）（如水、有機溶劑等），用對輥壓力機連續（xù）輥壓造粒過程^順利，不（bú）但成粒率（lǜ）高，且粒度均勻、強度高，製（zhì）粒過程無（wú）粉塵飛揚（yáng）。
另外濕法滾動造粒時，要求鬆（sōng）散的濕物料含濕量在10%到（dào）20%，^多達30%，粉料的粒度分布有嚴格的要求，如^大粒徑為30~50目，至少要有25%細粉粒徑小於200目。鐵礦石造粒的給料中，小於（yú）325目（mù）細粉應占40%~80%。而（ér）濕含量為10%左右細粉用輥壓（yā）力機連續造粒就沒有這方麵的要求。壓力範（fàn）圍在2.5~140MPa，即（jí）可成粒，能耗大大降低，耗能量為（2~4）kw/ht。如果不在（zài）造粒前另（lìng）加（jiā）粘結劑、潤滑劑、增塑劑、潤濕劑、殺菌劑等，而（ér）直（zhí）接用（yòng）未幹透的濕物料（濕量（liàng）在10%~20%間）用輥壓連續造粒不僅科學（xué）合理且具有很明顯的經濟效益（yì）。
4. 微波加熱對顆粒物料進行^終幹（gàn）燥
微波加熱人們已不陌生，家用微波爐，城市居民應用（yòng）得非常熟練。尤其對熟食品的再加熱，大家（jiā）都（dōu）體（tǐ）會到微波加熱速度快，如加熱饅頭、麵包、包子時，會對上述食（shí）品先在水中浸（jìn）一下，再放在微波爐加熱，這樣不但加（jiā）熱時間短，而且（qiě）包（bāo）子、饅頭鬆軟不會變（biàn）硬。在微波爐內（nèi）為什麽濕饅頭比（bǐ）幹饅頭熱及快？為什麽鬆軟而不變（biàn）硬？要回答這些問（wèn）題（tí），應（yīng）了解微波與物料相互關係及微波加熱的特點。
所（suǒ）謂微波就是頻率範圍在（zài）3×108Hz~3×1011Hz間，波長在1m~1mm間的（de）電磁（cí）波（bō）。物質與（yǔ）電磁波間有下（xià）列相互關係：
（1）導體：這類物質反射電磁波，如微波爐的金屬殼體，貯存微（wēi）波能（néng），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（bō）是透明的，如微波碗、盒，都用絕緣體如玻（bō）璃、陶瓷、聚四氟乙烯樹（shù）脂等（děng）做成的。
（3）介電體：這類物質不同程度吸收（shōu）微波能轉換（huàn）為熱能，其中水的介電參（cān）數^大，即^易吸收微波能轉換為熱能。
（4）鐵氧體：這類（lèi）物質（zhì）也（yě）吸收、反射、穿透電磁波，同電磁波的磁場分量發生（shēng）作用，產生熱（rè）量。
一般（bān）的粉體物料均為介電（diàn）體，其濕分多為水（shuǐ）或（huò）有（yǒu）機溶（róng）劑，如乙醇等，濕分的介電參數遠遠大於固（gù）體的介電（diàn）參數，如水在80左右而幹砂（shā）隻有2.55，可以簡單地說，水吸收微（wēi）波能的能力比幹（gàn）砂高30多倍。可認為微波加熱幹燥時，微波能大部分（fèn）消耗在（zài）欲除去的濕分中。
微波具有波粒二象性，根據量子（zǐ）理論，電磁（cí）輻射的能量不是（shì）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（zhōng）h=6.626×10-34J.S 普朗克常數。這種能量（liàng）在介電體可以轉為熱能。能量轉（zhuǎn）化（huà）的機理有許多種，如離子（zǐ）傳導、偶極（jí）子轉動、界麵磁化、磁滯、壓電（diàn）、電致伸縮、核磁共振等。其中離子傳導和偶極子轉動是（shì）介電加熱主導原因。
離子（zǐ）傳導：帶電荷的粒子（如氯化（huà）鈉溶液中含有Na+、Cl-1 、(H3O)+、OH-1四種離子）在（zài）外電場（chǎng）作用下不會（huì）被（bèi）加速，沿與它極性相反的方向運動，在宏觀上表現（xiàn）為（wéi）傳導電流，這些離子在運動過（guò）程會與其周圍的（de）其它粒（lì）子相碰撞，同時將動能傳給這些（xiē）粒子，使（shǐ）其（qí）運動加劇。如果是在高頻交（jiāo）變電場中，物料中的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（tǐ）積所產生的（de）功率為：
(2)
式中：PV：單位體積內所產生的功率，W/m3；E：為電（diàn）磁場強度矢量，V/m；σ：為導電率，S/m；
偶極子轉動（dòng）：介電質（zhì）在外電場的作用下會產生位移極化（無極分子介（jiè）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（jiè）電質被（bèi）反（fǎn）複極化，偶極子不斷地發生“取向”和“弛豫”，如此，由於分子的原有的熱運動和相鄰分子間（jiān）的（de）相互作用（yòng），使（shǐ）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（jié）果（guǒ）一部分能量轉化為分子熱運動的動能，以熱的形式（shì）表現出來，使物料溫度升高。
單位體積變化的功率為：
水是極性分子（zǐ），它的相對介電常數遠遠高於其它介電質（zhì）的相對介電常數，水的損耗因子與其它的（de）介電質的損耗因子相近，所以水的tanδ值^大，其它液體（tǐ）（如乙醇（chún）等一些有機溶劑）也呈較強介電特性。故（gù）含水和溶（róng）劑的（de）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（de）溫度迅速升高，汽化。而固體粉料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（wù）料進（jìn）行連續製粒，既科學又經濟，但顆粒中（zhōng）所含的濕分用什麽加熱方法（fǎ）對其進行幹燥呢？據本文第二部論述已知，當物（wù）料幹燥恒速階段結束時，就進入降速幹燥階段，用對流、傳導、輻射加熱，無法強化幹燥，隻有微波能可有效地使內部水分汽化。因為物料在（zài）微波場中“內外同熱”，物料內（nèi）部的水分很（hěn）快達到沸點，發（fā）生高強度蒸發（fā），物料的（de）質構阻礙水分流（liú）動（dòng），故在物（wù）料內部形成壓力梯度，由（yóu）於“內外同熱”表麵熱量易散失，物料內部形成正的溫度梯度和濕度（dù）梯度，三種狀態均能（néng）促（cù）使水分以液態（tài）、汽（qì）態或（huò）分子流的形式向物料表麵移動（dòng）。大大提高降（jiàng）速幹燥階段的幹（gàn）燥速度，使很難幹燥的物料能快速得（dé）到均勻的幹燥。
微（wēi）波加熱對（duì）顆粒狀、低濕含量的物料進行幹燥具有很多（duō）優點，如幹燥（zào）速度快，幹燥均勻，節能，濕含（hán）量控製^。改善品質（食品，藥品不會（huì）發生二次汙染，且（qiě）能滅菌）。那麽微波幹燥在國內的發展情況如何呢？
