微波在工业中的应用

四、微波在工业中的应用

根据上面简单介绍的微波加热原理及其许多特点，这一高效节能的独特的加热方法正与其他许多传统的加热方法（如蒸汽加热、热风加热、红外或远红外加热等）一起在加热、干燥、脱水、煮白、膨化、松散、定形、固色、成形、灭菌、硫化、脱硫、烧结、催化、萃取、消解、合成、材料改性、熔解……领域中发挥着巨大的作用。在一定的条件下，采用微波加热方法的优点明显超过其他传统方法，因而在最近10～20年内，它在国民经济中的作用和地位将逐步得到更多工业领域的认同和肯定。尤其是从改革开放以来，旧有的工业企业不断得到改造，设备更新，在采用新技术提高效益的同时，人们更重视节能和环保，而微波加热方法却既能做到节能，又能做到环保，因此目前设计制造生产微波加热各种设备的工业企业不断涌现出来，几大公司生产的家用微波炉几乎占据了世界同类产品总产量的70%以上，而且这一比例还在不断增加，价格低廉，受到了国内外用户的欢迎。

谈到微波加热及其在工农业和医疗卫生事业中的应用，不得不回顾一下这一新技术在我国的发展历史。

早在20世纪70年代初，上海、南京等沿海城市中的几个电子管厂率先研制出了微波加热设备中的心脏部件即微波电子管—— 磁控管，与此同时，这些工厂及一些研究所也相互配合进行了一些在工业中应用的探索。

例如上海轻工业研究所与上海灯泡厂合作，设计一套45kW的微波功率设备（隧道式微波干燥机）用于上海儿童食品厂的乳儿糕（一种婴儿吃的粮食制品）生产线上。该生产线原采用蒸汽烘干，技术落后，厂房占地大，工人劳动强度高；采用微波加热方法后，占地面积大大缩小，环境清洁，加热烘干效率大大提高。原来的热风干燥需6～8h（小时），采用微波加热方法后，只需9min（分钟）的极短时间，还解决了产品破碎以及易于酸败等许多问题，同时还实现了生产过程的自动化，节省了50%的劳动力。唯一的不足是生产成本提高了（主要是生产设备的投资成本）。当时，为了宣传和推广微波新技术在轻工行业中的应用，上海市有关部门还请上海科学教育电影制片厂专门为该车间拍了科教纪录片。

美国、英国等西方发达国家在20世纪70～80年代，首先在食品和橡胶这两个行业中开始使用微波加热方法，在对它们的主食面包的发酵和烘烤，油炸食品，蔬菜的煮白，鸡肉、熏肉、火腿、鲱鱼、土豆片、肉馅等进行微波烹调和加工中取得了良好效益，对深度冷冻的肉制品的回原和解冻中效果显著。

对汽车轮胎的预加热，对橡胶条的硫化（使橡胶具良好弹性的一种必要的加工处理技术）是微波最具有优势的一种处理方法。在橡胶硫化中，由于微波加热是体积加热，它与常规硫化方法不同，温度上升速率不再取决于橡胶表面上的热流情况；根据产品的厚度，微波加热橡胶可以比常规加热方法快上几十甚至上百倍，从而大大缩短了处理时间，生产率的提高是通过低耗地增加流水线的速度来实现的。我国从20世纪80年代初开始相继从国外引进了一些微波橡胶硫化设备，不久后，自行研发成功的相应设备也应用在一些工厂中，目前，已有很多厂家能够生产这类设备。橡胶行业应该说是微波技术应用得最为成功、效益最为明显的一个行业之一。最近几年，我国的汽车工业快速发展，因此，像橡胶密封条等汽车配件量将会大量增加，这就使得在橡胶硫化技术中处于优势的微波橡胶硫化设备供不应求。

图4-3为橡胶微波硫化设备，图4-4为微波解冻设备。

图4-3　微波橡胶硫化设备

图4-4　微波解冻设备

在国外，微波另一种长期持久的应用是对蔬菜的煮白。所谓煮白就是中止蔬菜中酶的活动，否则在储存期中会降低蔬菜质量。通常，蔬菜和水果在冷冻前都需要用开水或蒸汽煮白，其目的是使过氧化氢酶和过氧化物酶灭活。因为它们是蔬菜中最耐热的氧化酶，由于它们的存在，会使冷冻或解冻后的产品产生颜色和口感风味上的变化。研究表明，为使蔬菜和水果内部的酶灭活，用常规的开水或蒸汽处理，不仅维生素C和液体的损失都比较大，而且由于表面过热，使外形和味道也受到一定程度的影响。利用微波煮白，上述损失就要小得多。与常规技术相比，利用微波的优点是温升快，而常规方法的主要缺点是由于长时间地暴露在水或蒸汽中，将会由于水分及营养物的滤出而失重过多，但在过去，主要认为对于这种季节性的廉价产品，微波设备的成本过高，折中的办法是做成组合系统，即用常规方法将蔬菜加热到60℃，然后在蒸汽环境中再用微波迅速将其加热到90℃，一台具有蒸汽注入的20kW的微波蔬菜煮白设备在英国制成后，每小时的处理速度约为300kg。该系统需要蒸汽提供20%的热量。与常规技术相比，组合系统的总处理时间减少，而且产品煮白均匀。

国外开发的另一个项目是利用微波从肉、骨头和脂肪残渣中炼油，用来生产油脂及动物饲料。这种高级油脂可用来生产人造奶油和优质肥皂。在微波炼油中，一旦油脂开始熔化和被熔解，它们就会从微波设备中直接流出，这与用常规加压熬煮方法相反，在后一方法中，油脂要一直处理到最后才能从设备中取出，这样，就会使油脂降级。微波熬油实际上没有初始的水分蒸发，只是把脂肪从骨头中分离出来。一台30kW功率的微波熬油机可以达到1500kg/h的产量，效率很高。

在日本，报道了采用微波和热风组合的加热设备（频率为915MHz，功率为125kW）对快煮鸡蛋面作最后的干燥之用，它以每小时600kg的速度处理面条，使面条中的含水量从30%下降到13%，而热风则维持在80℃的温度。另一个成功应用的例子就是干燥紫菜——一种具有良好风味的海藻产品。该产品像纸一样薄，只有0.3mm，故在传送带上通过干燥机，用12kW的功率从大约每秒6张的速度处理，最后的含水量为5%。最近10年来，我国在方便面的脱水干燥工艺中逐渐采用微波方法取代传统的油炸方法，收到了成效，节约了时间，提高了效率和产品的质量。现在上海等沿海厂商正在增产这种用于方便面干燥的自动生产线，以供市场上的急需。

在英国，报道了一台利用微波和热风组合的装置，在干燥洋葱中取得了显著的成效的事例。它先用常规热风将洋葱的含水量从80%烘干到10%，再利用微波使其含水量从10%降到5%。要知道在这一段含水量降低过程中，如果仍采用常规方法进行，那么其干燥过程将是十分漫长的，从而大大增加了能源成本。而采用微波加热技术方法后则要迅速得多，从而节约了30%的能源成本，并使含菌量减小90%。美国微波干燥公司研制了一条915MHz，60kW的通心面干燥机，该机先用71～82℃的热风在35min内将面条的含水量降到18%左右，然后采用微波加热方法，辅以温度为82～93℃、相对湿度为15%～20%的热风对流。利用微波快速升温，由里向外蒸发水分的优点，再用热风加速了表面水分的蒸发，在12min内将含水量再降到13%～13.5%，最后进行冷却。该机组比原有设备节能25%，加工时间从8h缩短到1.5h。日本也有类似的产品。用上述设备加工的产品其色泽、口味、口感等都比传统方法的好，这类加工设备还可干燥薯片等食品。

法国国际微波公司应用微波真空干燥生产速溶橘粉，它们设计了直径为1.5m，长度12m，高达3.3m的圆柱形真空室，馈入2450MHz，48kW的微波功率，使用玻纤增强聚四氟乙烯输送带的连续隧道式微波真空干燥机。其原理是先将含有63%固形物的橘浆抽吸并涂在宽为1.2m的传送带上，堆高至3～7mm，在1000～16 000Pa的低压强下输入微波功率，加热40min，可使产品膨化到厚度为80～100mm，制成含水量为20%的速溶橘粉。每小时产量为49kg，年生产能力为220t（吨）。该产品不仅保持了橘汁原有的颜色和风味，而且保留的维生素C含量是喷雾干燥方法不可能达到的。由此可见，微波加热方法的优点是其他任何传统加热方法无可比拟的。

日本成功地用16个2450MHz，5kW的微波源干燥蛋黃粉。加工的方法是把浆料分布在传送带上，先用远红外线预热到80℃，然后用微波加热，使浆料膨化至3～7cm厚，再急剧冷却到40℃，切碎后继续用常规方法干燥，最后制成蛋黄粉，每天产量可达1t。

我国在食品的微波加工和处理技术中应用更广泛。例如，南京某营养食品厂生产的天然花粉是一种高级滋补营养品，含有多种维生素及各种营养素，处理温度不能超过60℃。传统方法的工艺是采用冷冻干燥和钴-60放射线灭菌，生产效率低，能耗大，成本高。而采用2450MHz，10kW的隧道式微波干燥灭菌机后，实现了连续化生产，缩短了加工周期，提高了劳动生产率，效率提高了几十倍，节省电力92.5%，加热均匀，产品质量好，具有低温灭菌效果，改善了劳动条件，减少了占地面积。

利用微波对瓜子实现干燥—喷香—焙炒自动化生产后，具有膨化均匀，无焦痕，酥脆，香味浓厚，无菌等优点，比远红外焙烤节能50%，成为城乡人民喜好的传统炒货食品之一。

此外，还在软糖、方糖、魔芋片、槟榔芋、豆腐皮、鱼片、鱼丸、可可粉、盐水鸭等许多传统风味食品领域做了大量可喜的试验和探索，有的已经成功并已进行批量生产，有的有待改进提高。采用微波处理不仅节能明显，而且具有杀菌功效，这种灭菌机理与传统的巴氏高温灭菌机理不同，属于低温灭菌范围，因此对食品的营养成分损失很小。

在另一个工业领域即造纸工业中，很早就对纸张、浸渍纸、复合纸以及涂层油墨、胶合剂的微波干燥进行了大量研究，有的已成功地用于生产。用微波干燥纸张不仅速度快，而且由于微波具有选择性加热的特点，而使水分自动调平，干燥均匀能保证印刷质量。用微波干燥树脂浸渍纸，由于其内外同时被加热，使纸内部的树脂聚合较快，很少流动到表层，因此分布比较均匀，提高了纸的内部黏结强度与表面耐磨性能，折曲性能也大大提高。

利用微波和远红外组合机对瓦楞纸板进行干燥，不仅可以增加产量，提高产品质量，产品挺度和抗压强度都得到了提高，杀菌防霉效果明显，达到了外贸包装要求，并且大大节能。

此外，在纸板电池生产、彩色印刷品上光干燥过去都是采用红外线烘干，上光油与纸张黏合性能差，表面有皱纹而且不平整，光亮度也不够，而采用2450MHz，10kW组合加热器后，产量质量提高，色彩鲜艳，提高了劳动生产率，在耗电量相同情况下，产量提高了50%。在纺织工业中，微波的成功应用是印染固色，即在纤维中固定染料的颜色，使其不褪色。通常是将微波和饱和蒸汽一起把纺织纤维快速升温，在一定的温度和湿度条件下，使染料分子完全扩散到纤维内部，发生化学反应而结合，达到固色的效果。微波所需的能量仅为远红外的20%，加工速度可提高2.7倍，而且各项物理指标色泽等都有一定程度的提高。

我国一些工厂在染料、化肥、药品特别是中成药的干燥灭菌工艺中积累了丰富的经验，特别是最近若干年来，微波在中药和一些植物根茎的萃取和提取工艺中取得了惊人的进展，有的已有成套提取装置在药械市场上销售。常规的提取原理是将天然产物与适当的溶媒混合加热，其中可溶性成分在浓度差推动下，依靠热的作用，从物质内部逐步迁移到表面，再转移到溶媒中。而微波的提取技术则不同，当被提取物和溶媒共同处在微波电场中时，物质及溶媒分子都将受到微波场的作用，并将产生剧烈的分子运动，分子本身获得了巨大的能量（活化能），它们会挣脱周边环境的束缚，当环境存在浓度差时，可溶性分子在非常短的时间内，实现分子自内向外的迁移，从而完成提取过程。另外还有一种观点认为，强的微波电场可能会使某些分子的细胞壁穿透，从而使细胞膜内一些通常无法渗透出来的有效成分得以提取。除了像天麻、当归、薄荷、人参、灵芝……中药外，还可对芥菜籽、花生、黄豆、芝麻、海带……各种作物进行提取。

近年来，在烟草工业中利用微波进行烟叶复烤、烟丝及烟梗的膨化、烟草的灭虫、整捆烟叶的松包等技术中取得了突破，正在进行试生产和推广应用。这几项技术很多都具有自主知识产权，有些还申报了国家专利，对烟草工业的技术革新和品质提高都发挥了重要的作用。由于目前世界各国的烟厂，普遍采用将过去丢弃的烟梗等没有充分利用的原料重新利用，以减少资源的浪费，因此近年来，烟草行业已经采用许多能使烟梗膨化的技术和方法；但实验证明，采用微波膨梗技术效果很好，膨化后的膨化率很高，没有木质等异味，图4-5、图4-6和图4-7中示出了利用微波膨化前后的对比照片。从照片中可以看出体积比超过3～10倍！膨化后的烟梗还要经过回潮、打碎、再烘干等一系列工序，与其他烟丝一起混合后才能卷成烟支。

图4-5　烟梗膨化前的照片

烟叶打包后运往烟厂进行进一步加工时遇到的第一个难题是，如何将加压打捆成近1m³体积的成梱烟叶松散开来？过去采用过不少方法，但效果不佳，破碎率高。几年前，我国某公司发明了利用微波方法来松包的技术，效果很好，效率高，烟叶完整，得到了烟厂的认可，目前已形成批量生产能力，为许多烟厂提供了这一松包新技术设备。图4-8、图4-9示出了微波松包机的外形，图上可见出口处的整梱烟包。图4-10示出了松散后的烟叶照片。可以看到这些烟叶的颜色和光泽都是非常漂亮的。

图4-6　烟梗膨化后的照片

图4-7　某根烟梗膨化前后的对比照片

图4-11示出了烟草薄片微波烘干设备，其微波功率连续可调，以适应不同含水量的烘干要求。在出口处配有水分仪，可对出口的物料含水量自动实时监控。这种设备适用于造纸法和辊压法制成的烟草薄片的均匀高效烘干，在烘干过程中能去除木质味及其他杂味，纯化烟草香味，使薄片起泡膨化，有利于提高填充值。这是微波方法所独有的。

图4-8　微波松散烟包的连续生产线（915MHz，200kW）

图4-9　在微波松包机经松包后在出口处的烟包

图4-10　经微波松包后自行落下的松散烟叶

图4-11　烟草薄片烘干机

近年来，我国又在进行一种高效节能而又符合环保要求的修补公路沥青路面沟缝和坑洼的微波新方法，即微波再生沥青修补技术。这种方法早在20多年前就已在美国和法国出现，但未得到推广应用，原因不详。目前我国研发的微波方法显然与过去出现过的不同，不仅使用的频段不同，输出功率也大大超过国外的设备。它既适用于旧沥青路面沟缝和坑洼的修补，也可用于大面积老化沥青路面的重新铺设。其工序是用微波天线阵将沟缝局部路面烤软、剥离和破碎，加入少量新的沥青混合物后就地拌匀和摊铺，整形和压实，一次性完成路面的修补。其优点是可连续作业，一次性就可就地完成20～100cm沟缝和坑洼路面的修补。微波可加热至12.7cm深，深部温度达到93～150℃，使新旧沥青混合料中的黏结剂熔化，其黏结强度远远超过传统的热搅拌法，还可节省35%～65%的材料及40%～50%的能源，不会氧化沥青，施工过程中无环境污染，大大减轻了工人的劳动强度，并且还可不受环境和天气的影响，可在雨天和寒冷天气中作业，如图4-12所示。在这种专用的车上，必须配备有柴油发电机组，磁控管用高压电源，供磁控管阳极冷却用的水流的循环设备，以及其他的辅助设备。微波通过阵列式天线辐射器向地面定向辐射，同时也应防止微波的功率泄漏，因为在这类大型微波加热设备中，输出总功率可达150～200kW，不采取一定的隔离防范措施是很难保证满足对微波泄漏的国家标准的（即小于5mW/cm²）。

图4-12　修补沥青路面的微波专用车

当前，我国各地都在加快交通运输事业的发展，新公路特别是高速公路的大量修建，每年需要返修和养护的里程数数量巨大，微波这一新技术的使用范围将得到大大的扩展。

在工业应用中还有很多，如皮革、木材、木板、家具等的烘干，塑料发泡、尼龙丝的热定形，铸造工业中的砂芯干燥、精密石蜡铸造中的快速熔蜡、石膏模型的干燥，矿石或混凝土的破碎、矿山开采等领域都有微波加热发挥巨大效能的应用场所和市场。

利用微波干燥砂芯可以大大缩短时间，减少固化剂的用量，改善劳动条件。对于复杂的砂型，可以采用分割制作的方法，然后用胶合剂粘接起来，并在加压条件下用微波在很短时间内加热接合。在精密石蜡铸造中，可以在蜡中掺入吸收微波性能较好的碳粉、铁磁粉、石墨粉等作为触媒剂，从而使得微波能够快速熔化石蜡。其优点是外壳破损率小，质量上乘，石蜡容易回收。

20世纪80年代中后期，美国政府部门根据微波快速加热矿物能急剧膨胀产生热应力的机理，对矿石破碎试验取得明显效果。这种作业方法具有快速、节能、选择性加热、便于控制范围及加热速度等优点。这种方法使破碎效率从一般的火药破碎率为1%～5%、机械破碎效率的15%～20%提高到60%～70%，尤其适合于铁矿石的破碎。用微波法破碎岩石或混凝土还具有无声、无尘、无震的好处。

此外，在煤的脱硫、油田开采、原油输送、原油乳化、废橡胶脱硫和炼油、炭黑生产、粉末冶金、化学工业中的催化、合成、萃取、消解……中有的已经采用了微波方法并已投产，有的正在大力研发进行工艺试验。

用微波处理化工产品，应用的范围极其广泛。在塑料制品的生产中，英国最早将微波用于泡沫塑料汽车坐垫的生产，近几年来利用微波生产传热率极差的发泡塑料的研究和发展更为迅速。日本东芝公司很早就将微波用于尼龙绳的热定形生产中。上海的企业也曾对降落伞绳-锦纶丝作热定形处理，从而解决了绳子延伸不均匀的技术难题，提高了产品技术等级，并曾获重大科研成果奖。

总之，到目前为止，微波在工业中的应用领域正在不断拓宽，效益极为显著。这一新技术正在得到各行各业人们的关注和认可，相信它会成为微波功率应用的后起之秀，为国民经济的发展服务。