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颗粒饲料使动物（包括肉鸡、猪、牛、蛋鸡等）的生产表现总体提高5%~10%。颗粒饲料加工成本在美国是5～20美元/t，因饲料种类、加工设备及生产管理而异。鱼类颗粒饲料，特别是虾饲料，加工成本更高，但它带来的效益也更高，不论是水产养殖本身还是环境保护,制粒都成了“必要”手段。在美国为了更好地控制污染、节省劳力，从上世纪80年代到90年代的10年之间，制粒加工的鱼类饲料几乎全被挤压（膨化）加工的鱼饲料代替。然而在中国，仍然以制粒加工的鱼类饲料为主，鱼类饲料从制粒加工转变为挤压加工可能需要较长时间；关于虾饲料的制粒与挤压的优劣比较问题，看来一时难以得出结论，制粒的虾饲料在市场上更为普遍。
颗粒饲料质量一般用颗粒稳定性（Pellet durability index，PDI）或出粉率[（100-PDI）/100]表示。畜禽饲料PDI的测定多以KSU的方法（AFMA，1976）为基础,但一些实验室作了不同的改进（如加入数量、大小不同的镙母），对此在比较不同实验室的报告时要加以注意。至于水产饲料的水稳性的测定方法，则有待于对现有方法加以分析比较，使之逐步规范化。颗粒饲料的稳定性不仅关系动物生产表现，而且影响饲料输送和养殖场的环境，是饲料用户十分关注的一项质量指标。据生产方面的经验，制粒作业之前的因素如配方、原料、粉碎等，对颗粒饲料质量的影响占60%。但是，从制粒作业本身来看，影响颗粒饲料质量的主要因素是蒸汽调制(Remer,1992)。根据笔者的经验，蒸汽系统调节得好， 往往可以显著改善颗粒饲料质量，提高产量和降低能耗（通常达20%或更高）；并且，由于减少了摩擦，环模的使用寿命可以延长1～2倍(熊易强，2005)。为了解决制粒作业中蒸汽调制的各种各样的实际问题, 首先要深入理解和掌握有关蒸汽调制的基本原理。 1 制粒的蒸汽调制机理 关于蒸汽调制机理，或者说蒸汽调制如何改善制粒效果的，需要加以重新思考。传统的看法，如多数教科书中所讲,都是强调淀粉糊化的作用,甚至将其视为唯一的机理。但是,对于常规作业条件,即：调制时间不到15 s,物料温度不超过80 ℃,物料水分不超过16%,据作者多次进行的现场测定结果，在此条件下的蒸汽调制很少能发生可测出的淀粉糊化。另一方面,用高蛋白浓缩料和粉碎的饲草(如苜蓿)往往制成很好的颗粒饲料（半干饲草制粒时可不用蒸汽）,二者都几乎不含淀粉。美国堪萨斯州立大学的一项研究（Stevenson,1987）表明， 如果以提高调制物料的温度和水分来表示提高调制程度，则提高调制程度反倒降低了糊化程度（见表1）。
另一方面, 制粒温度（出模时的颗粒温度）却随蒸汽量的减少而提高，这是由于颗粒被推出压模时加大摩擦而产生的热所造成的，淀粉糊化度也随之上升。但这种方式造成的淀粉糊化大部分发生在颗粒表面，不仅不能改善颗粒饲料的质量，反而使得颗粒饲料质量更为低劣。而且，摩擦产生的过热还使得维生素、氨基酸等营养成分遭到破坏。在湿润的状态下，高温、长时间的蒸汽调制可使得部分淀粉粒水合、膨胀、丧失双折射现象，也就是所谓糊化显现的经典陈述。湿润的状态下这一糊化过程，有助于饲料（粉状饲料的）颗粒粘结在一起，加强颗粒饲料的稳定性（PDI），同时，颗粒被推出压模时的摩擦生热也很少。小麦面筋或其它功能性蛋白在蒸汽调制过程中也会水合，起到“胶粘”作用,从而加强颗粒的稳定性。这就是不含淀粉的高蛋白浓缩料之所以可以制成良好颗粒饲料的缘故。人工颗粒粘合剂如磺酸木质素和某些膨润土也可以起到这种作用，使化合物中的功能性基团在蒸汽调制过程中水合。将饲草（如苜蓿）制粒时，经过软化湿润的饲草碎粒在通过压模时被压在一起，饲草的纤维组分将饲草碎粒联结一起形成颗粒，保持良好的稳定性。基于以上讨论，可以对蒸汽调制的作用或机理作出较为全面的描述：蒸汽调制过程中，热交换和水凝结使物料碎粒软化，还可使物料碎粒中的淀粉糊化和（或）使面筋之类的功能性蛋白及其它亲水基团水合；从而使得物料碎粒在通过压模时压紧而粘结在一起 。正确的蒸汽调制在提高PDI、减少含粉量的同时，还降低了电耗，提高了产量，延长了压模寿命，并使因摩擦产生过热引起的营养物损失减少到最小程度。 饱和蒸汽（气态H2O）的焓或含热量包含两部分：显热（表观热）（hf）和潜热（hfg）。显热与蒸汽温度直接有关。举例来说，一个大气压（蒸汽表读数或表压为0 kg/cm2，下同）时，每千克 100 ℃的饱和蒸汽含有418 kJ显热。潜热是从水（液态H2O）转移或蒸发为蒸汽（气态H2O）所需要的热量或能量。也可以说，潜热是气态H2O（蒸汽）转化或凝结为液态（水）所释放的热量或能量。例如，上述100 ℃饱和水蒸气的潜热是2 253 kJ/kg。水不含潜热，故每千克100 ℃的水只含418 kJ显热。另一方面，每千克100 ℃饱和水蒸气含有418 kJ显热加上2 253 kJ潜热。因此，其蒸汽的总热或蒸汽焓是2 671 kJ/kg。如简化的蒸汽表（见表2）所示，饱和水蒸气的显热和潜热的能量是蒸汽压力的函数；更详细的蒸汽表格见附录2。蒸汽压力上升，则蒸汽温度提高，显热增大，但潜热减少；总热量只随蒸汽压力上升而略微加大，因为减少的潜热抵消了加大的显热。例如，在蒸汽压力（蒸汽表读数，下同）为1 kg/cm2时，显热是502 kJ/kg，潜热是2 199 kJ/kg，总热量是2 701 kJ/kg。蒸汽压力升为4 kg/cm2时，显热加大到635 kJ/kg（比1 kg/cm2蒸汽压时的显热增加27%），潜热减少到2 107 kJ/kg（比1 kg/cm2蒸汽压时的潜热减少4%），总热量是2 742 kJ/kg，比1 kg/cm2蒸汽压时的总热量只增加了1.5%（见表2）。 蒸汽调制基本上是将锅炉产生的蒸汽能量通过蒸汽在物料上凝结而转移给物料的过程。与此同时，水也转移给物料，使物料水分和温度升高。下面举例量化说明蒸汽调制中的热量-物质转移。
设蒸汽压力为1 kg/cm2, 40 kg蒸汽（调制前物料重量的4%）全部凝结到1 000 kg加工的物料中，物料的初水分为12.5%，物料终水分应为：(1 000×0.125+40)/(1 000+40)=15.9%。 为了推算调制后的物料温度，需要了解物料的比热和初始温度。水的比热是4.18 kJ/(kg·℃)，饲料原料比热范围是1.129～2.466 kJ/(kg·℃)(Pfost,1976)，可见，物料比热是因含水量和原料组成或配方而异的。Pfost(1976)建议以1.672 kJ/(kg·℃)作为调制前物料比热平均值。根据笔者的观察,设比热为1.463 kJ/(kg·℃)可能更适用于大多数畜禽饲料的蒸汽调制。采用这一数值[1.463 kJ/（kg·℃）]，并假设调制前物料温度T1=30 ℃，调制后的物料温度T2和物料温度升幅（下称“温升”）ΔT (T2-T1)即可计算得出。 设调制过程的热交换（转移）量为ΔQ。ΔQ包括蒸汽中的全部潜热（hfg）和部分显热（hf），这部分显热是蒸汽的显热总量减去留在凝结水中的显热，应为凝结的蒸汽量乘以在最终物料温度T2下的显热。就上例而言， hfg=2 199 kJ/kg，hf=502 kJ/kg, ΔQ(kJ/kg)=(40×2 199+40×502)/1 000-40×4.18T2/1 000(1) 而物料温升ΔT=T2-T1=T2-30=ΔQ/1.463, 则ΔQ=1.463(T2-30)(2) 解以上联立方程， T2=93 ℃。 ΔT=T2-T1=93-30=63 ℃。 在初始（调制前）物料上凝结每一个百分点的蒸汽相应的温升为： 63/4=15.8 ℃。 物料水分每上升一个百分点相应的温升为：63/(15.8-12.5)=19.1 ℃。 以上为理论计算，用以说明在“理想条件”下进行蒸汽调制的热量和物质转移。“理想条件”所假设的情况是在全过程中没有任何热量损失，蒸汽是100%的纯干饱和蒸汽。但在实际情况下，蒸汽调制中的热损失是不可避免的，蒸汽质量也很少达到理想水平。从实用角度来说，生产方面的经验是物料水分每升高一个百分点会造成14.5～15 ℃的物料温升，也就是在理想条件下理论计算的78%（14.5/18.5）至 81%（15/18.5）。 3 蒸汽质量 蒸汽质量对成功的蒸汽调制至关重要。广义地说，高质量蒸汽的概念应包括：供汽量、蒸汽温度和压力均符合要求，清洁、干燥，且不含空气。下面讨论在饲料厂蒸汽调制中常见的蒸汽质量问题。 3.1 湿蒸汽 湿蒸汽一般指的是混有悬浮水滴的蒸汽。水滴往往来自锅炉（如果未安装有效的汽水分离器或没有进一步加热）；蒸汽到达调制器之前，中途也会凝结水滴。水滴使蒸汽的热能减少，因为水不含潜热，而潜热占蒸汽能量的一大部分。假定蒸汽中有10%（重量）水滴，在1 kg/cm2蒸汽压时总能量就会从2 700 kJ/kg降到2 479 kJ/kg(2 700-2 199×10%)。湿蒸汽的问题不仅仅在于含热能较少，还导致物料水分分布不均，使物料容易打滑、堵塞环模,造成塞机。水滴还会腐蚀管道和蒸汽系统的相应部件。系统中凝结过多水滴会积聚起来被高速流动的蒸汽推动，变成所谓的“水锤”。“水锤”会严重损坏调制系统的阀门和其它部件。出现水锤的信号是有撞击声，蒸汽管道发生颤动。为了防止出现过多水滴，必须使整个蒸汽管线良好隔热；为了将水滴从蒸汽中分离排出，必须沿蒸汽管线安装相应的硬件设施。 蒸汽质量指数（Steam Quality Index，SQI)是饲料工业用来表示饱和蒸汽干燥程度的用语，其定义是蒸汽混合物中“真蒸汽”或气态H2O百分率。在以上举例中，SQI 是90%。SQI 测定方法相当简易，结果准确且重复性好(Xiong,1994)。测定基本过程如下。 将一定量的蒸汽注入已知温度（T1）和已知重量(W1)的水中，注入蒸汽后立即测定水温(T2)并称重(W2)，按下式计算SQI： SQI={[(W2×温度为T2的hf*-W1×温度为T1的hf*)/(W2-W1)-hf]/hfg}×100% 式中：W1——注入蒸汽前水的净重； T1——注入蒸汽前水的温度； W2——注入蒸汽后水的净重； T2——注入蒸汽后水的温度； hf——蒸汽表格中在测定SQI的压力下的显热； hfg——蒸汽表格中在测定SQI的压力下的潜热。 注：使1 kg水温度上升1 ℃所需要的热量为4.18 kJ。当水温在冰点以上, 以摄氏度表达温度时, 温度为T2的hf 可按T2×4.18 kJ/（kg·℃）计算; 温度为T1的hf可按T1×4.18 kJ/（kg·℃）计算。 测定SQI详细的操作规程见附录1。 饲料工业中说的“湿蒸汽”往往是指含相当多水滴的蒸汽（例如，SQI<90%），这样的蒸汽使蒸汽调制和制粒作业明显恶化。如果物料温度达不到预期水平，注入的蒸汽稍微多一点制粒机即堵塞，这种情况即表明是湿蒸汽。 3.2 过热蒸汽 蒸汽温度高于饱和蒸汽表格中给定蒸汽压力下的蒸汽温度（见表2）时，这样的蒸汽称作过热蒸汽。将锅炉蒸汽经热交换器加热可以产生过热蒸汽。 过热蒸汽有其用途，例如用于发电厂的涡轮发电，利用过热蒸汽的动能使涡轮的转子转动发电。在这样的能量转移过程中，过热蒸汽的温度相应下降，但出涡轮时应当仍高于饱和蒸汽。这种情况下如用的是饱和蒸汽，就会发生凝结，水的凝结会促使水锤产生，水滴会使涡轮内部严重腐蚀；而且能效也远低于过热蒸汽，因为释放的潜热根本不能推动转子，完全是一种浪费。过热蒸汽实际上是不饱和蒸汽。当一种过热蒸汽的温度降到其饱和点或“露点”时，就变成了饱和蒸汽，并可能开始凝结。这就是为什么发电厂必须用过热蒸汽注进涡轮的入口，出涡轮机时蒸汽温度必须略高于饱和蒸汽的缘故。 然而，对于大多数直接蒸汽热交换作业，如饲料厂的蒸汽调制，不宜使用过热蒸汽。这是因为过热蒸汽需要更多的热交换空间，凝结释放潜热(蒸汽调制中是主要热源)也要更长的时间，尽管在同样蒸汽压力下过热蒸汽比饱和蒸汽含有的能量（显热）略多。 当发现蒸汽温度高于所观察的蒸汽压力下的表列蒸汽温度时，即表明是过热蒸汽。在饲料厂出现蒸汽压力骤降，而压力下降前蒸汽质量已经很高（例如，SQI=99%）的情况时，可能出现过热蒸汽。另一方面，在蒸汽较湿的情况下，蒸汽压力下降有助于水滴转回成蒸汽,从而导致蒸汽质量改善。下面事例量化解释以上的讨论。 例1：饱和蒸汽在6 kg/cm2蒸汽压力时的蒸汽温度为164 ℃，显热是694 kJ/kg(见表 2)，该蒸汽的干燥程度如果是99.5%(SQI=99.5%)，其潜热为2 057 kJ/kg(2 065×0.995),总热量为2 750 kJ/kg(694+2 057)(见表2)。如蒸汽压力从6 kg/cm2 降到1 kg/cm2，由于降压前后焓值不变，该蒸汽总热量(2 750 kJ/kg)超过了1 kg/cm2 100%饱和蒸汽的总热量(2 701 kJ/kg,见表2),多出的热量导致过热蒸汽形成。从有关过热蒸汽的资料查得：当压力为表压1 kg/cm2，焓值2 750 kJ/kg时，过热蒸汽温度为143 ℃（http://www./esc/SH_ Properties.aspx）。过热温度为23 ℃的过热蒸汽就这样产生了。10 ℃以上的过热蒸汽不利于蒸汽调制，相当一部分过热蒸汽会径直通过调制器逸散到空气中；另一方面，物料温度和水分达不到预期水平，因为没有足够的空间和时间让蒸汽凝结实现热交换。纠正这种情况的一个办法是减少压力下降的幅度。 例2：如果饱和蒸汽在6 kg/cm2蒸汽压时的干燥程度（或 SQI）是95%，其显热、潜热、总热量分别是694、1 960（2 065×0.95）、2 654（694+1 960） kJ/kg，而在1 kg/cm2蒸汽压下，100%干燥的饱和蒸汽的总热量是2 701 kJ/kg(见表2)，因此该蒸汽没有多余的能量使蒸汽温度升高，该蒸汽在1 kg/cm2蒸汽压下的显热和潜热则分别是502 kJ/kg和2 152 kJ/kg（2 654-502）。蒸汽干燥程度或SQI 则从95%(在6 kg/cm2蒸汽压时)提高到98%(2 152/2 199)，蒸汽质量得到了改善。换句话说,由于压力从6 kg/cm2降到1 kg/cm2， 3个百分点的水滴“闪蒸”回蒸汽。 近来饲料界有人推出“过热蒸汽发生器（superheated steam generator）”,认为该装置可改善饲料的质量（与美国堪萨斯州立大学Behnke 博士的私人交谈，2005年10月）。笔者认为,过热蒸汽发生器基本上是一个装在蒸汽管道上的热交换器。如果将进入调制器前的过热蒸汽的过热程度控制在最低限度(例如2～3 ℃),该装置可以提供优质蒸汽并可能节省汽-水分离器、阻汽排水阀及凝结水排除回收等装置。为实现这一点，在接近调制器的蒸汽管道入口处应设一温度传感器并使其与热交换器之间建立反馈控制。 3.3 蒸汽中的空气 蒸汽系统从起动一开始就有空气，即使上次作业过程在系统中充满的是纯蒸汽，在作业停机时蒸汽会凝结而形成真空，空气就会被吸入。下次作业一开始，蒸汽即进入系统，迫使空气移向系统的排水点或系统的远端。必须在这些部位采取相应的措施（例如设置排气孔）让空气释放。 蒸汽可能因为某种紊流而混入空气，这时，表压（蒸汽表压力,下同）实际上是蒸汽分压与空气分压之和，因此，真实或有效的蒸汽压(蒸汽分压)低于表压。 有效蒸汽压=蒸汽份额（容积%）×表压 当发现蒸汽温度低于蒸汽表格所列一定蒸汽压时的温度时，说明蒸汽中有空气。蒸汽有空气混入不仅降低蒸汽能量，还会对系统造成其它损害。空气中的氧和二氧化碳可以溶解到凝结水中，腐蚀系统中的锅炉、管道及其它金属部件。 3.4 粉尘或固体颗粒 由于生锈或使用硬水时碳酸盐沉积，管壁会有一层层的铁鳞，还可能发现其它污垢，如焊渣及附着很紧的金属等等。这些固体污垢会加速系统部件的腐蚀，必须从蒸汽流中清除，以保证蒸汽清洁。正确的水处理可以将系统中的碳酸盐积累减少到最小限度。 总之，理想的蒸汽是100%饱和的“纯”或“净”（没有空气和固体物）蒸汽。过热或不饱和蒸汽对制粒作业的蒸汽调制一般是不适宜的。纯而干的饱和蒸汽必须以正确的数量和正确的压力输送到使用位置。 附录1 蒸汽质量指数（Steam Quality Index,缩写SQI）的测定 ① 测试准备 将一个“T”形管安置在要测定SQI的蒸汽管线上，蒸汽管出口安装一个截止阀，该蒸汽管的出口与一个抗高压-高温软管连接。在同样位置安装一个压力表，在整个测试过程中要保持稳定的蒸汽压。测试人员进行测试时要佩戴手套和安全眼镜。 ② 操作程序 将70~100 kg自来水加到一个100~150 L的塑料桶内，记录最初水重(W1)和水温(T1)。打开截止阀排出凝结水后，通过软管将蒸汽引入塑料桶的水中，让蒸汽凝结在水里。水温上升幅度达到28~30 ℃立即关闭蒸汽。记录最后水温(T2)和水重(W2)。从蒸汽表格查出在测试时的蒸汽压下的显热(hf)和潜热(hfg)数值。按下式计算蒸汽质量指标(SOI)： SQI（%）={[(W2×温度为T2的hf*-W1×温度为T1的hf*)/(W2-W1)-hf]/hfg}×100% 注：使1 kg水温上升1 ℃所需要的热量为4.18 kJ。当水温在冰点以上, 以摄氏表达温度时, 温度为T2的hf 可按T2×4.18 kJ/（kg·℃）计算；温度为T1的hf可按T1×4.18 kJ/（kg·℃）计算。【作者：熊易强】 |
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