過熱蒸汽干燥技術研究進展

李少斌 - 方 婷 蘇煌杰 - 劉斌雄U -

(福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002)

過熱蒸汽干燥技術是指具有較高焓值的過熱蒸汽可以快速地將熱量傳遞給被加工的物料，使物料水分快速蒸發。其優點：熱效率高，節能效果明顯[1]；傳熱系數高，無傳質阻力[2]；有效減少危害物質的二次污染和防止爆炸發生[3]。過熱蒸汽干燥室是一個密封環境，廢氣排出后會在冷凝器中冷凝，整個過程不會對環境造成影響；其干燥介質為過熱蒸汽，干燥時整個干燥室充滿過熱蒸汽，沒有氧氣參與，物料不會發生氧化或燃燒反應[4]。該干燥技術已被廣泛應用于電廠[5]、污泥干燥[6]、罐頭加工[7]、木材干燥[8]、食品殺菌[9]等領域。

目前有關過熱蒸汽干燥技術的研究較多，但僅局限于干燥工藝優化、數學模型建立以及品質分析等方面。文章擬分析不同處理室的過熱蒸汽干燥設備的應用進展，概述其設備原理及應用的關鍵問題，總結其優勢，旨在為過熱蒸汽設備的進一步研究提供依據。

1 過熱蒸汽干燥設備

20世紀80年代以來，過熱蒸汽技術已被美國等西方國家廣泛應用至食品工業[10]。圖1為傳統過熱蒸汽干燥系統示意圖，其中尾氣回收循環是實現節能環保的關鍵步驟。根據操作壓力的不同，過熱蒸汽干燥設備可分為常壓、低壓以及高壓過熱蒸汽干燥設備。

1.1 常壓過熱蒸汽干燥設備

1.1.1 流化床過熱蒸汽干燥設備 常壓過熱蒸汽干燥技術是指干燥環境的壓力接近一個標準大氣壓的干燥技術。目前已在果蔬、農產品、水產品等方面被廣泛應用[11]。肖志鋒等[12]為了提高干燥效率、耗能、物料品質，結合過熱蒸汽干燥和流化床干燥的各自優勢，研制了臥式過熱蒸汽流化床干燥設備(圖2)。

由圖2可知，整個設備完全封閉，干燥時無需額外通入蒸汽，避免干燥初期過熱蒸汽與濕物料接觸而出現冷凝現象。該設備需先排空氣并維持干燥腔體壓力后進行濕物料干燥，干燥室上部的過熱蒸汽中混有物料的細顆粒，這些細顆粒可以通過旋風分離器重新回收再利用。通過試驗結果比較，該設備比傳統熱空氣流化床干燥在干燥速率、耗能、物料品質等方面均有較好的效果。

1. 蒸汽發生器 2. 加熱器 3. 干燥室 4. 風機 5. 熱交換器 6. 蒸汽回收器

圖1 過熱蒸汽干燥基本操作系統

Figure 1 Superheated steam drying system

Cheevitsopon等[13]為了最大限度地減少加熱時間對谷物中γ-氨基丁酸含量的影響，提高稻谷的糊化程度，研制了一臺過蒸汽流化床設備(見圖3)，該設備在閉環中運行。由一個內徑為15 cm、高為120 cm的不銹鋼圓筒形干燥室、一個15 kW的電加熱器、7.5 kW電蒸鍋和直徑為7.62 cm不銹鋼管道系統組成。該過熱蒸汽干燥稻谷的整精米率高于熱風干燥；并且可在短時間內鈍化糙米的過氧化物酶，抑制淀粉糊化[14-15]，稻谷的蒸煮和干燥結合成一個單一的階段，可以減少操作步驟，最大限度減少加熱時間對谷物中γ-氨基丁酸含量的影響。

過熱蒸汽流化床工作原理是將散狀物料置于孔板上，由離心風機輸送氣體，引起物料顆粒在氣體分布板上運動，在氣流中呈懸浮狀態，產生物料顆粒與氣體的混合底層，物料顆粒在此混合底層中與氣體充分接觸，進行物料與氣體之間的熱傳遞與水分傳遞。該設備的優點為：適用于初始濕度高、加工附加值低的顆粒狀物料，如大豆[16]、油菜籽[17]等；結構簡單，檢修方便，操作方便，運行平穩；傳熱速度快，熱效率高；設備維護費用低。缺點為：鼓風機能量消耗大；部分物料在干燥過程中可能會直接從進料口飛向出料口，造成物料干燥不均勻；物料被沾污的可能性大，產品質量差。

1. 流化干燥室 2. 進料口 3. 玻璃窗 4. 蒸汽進管 5. 孔板 6. 出料口 7. 換熱器 8. 循環風機 9. 細顆粒儲盒 10. 旋風分離器 11. 安全閥 12. 冷凝裝置

1. 蒸汽發生器 2. 離心風機 3. 電加熱器 4. 干燥室 5. 控制面板

1.1.2 旋轉式過熱蒸汽干燥設備 Speckhahn等[18]為了解決牛肉在干燥過程中引起的表面硬化，制造了一臺中試規模的旋轉過熱蒸汽干燥器(見圖4)，該設備通過插入一個旁路來進行小規模的干燥試驗，并確定干燥參數，如重量損失、溫度和質量流量。試驗表明，降低干燥溫度和干燥介質(過熱蒸汽)的流速，可縮短干燥時間，減少表面硬化現象，使牛肉的品質更好。

過熱蒸汽滾筒干燥設備通常用于干燥糊狀或漿狀的飼料，如甜菜漿[19]、啤酒糟[20]等。該設備包括一個在軸承上旋轉的干燥滾筒，干燥滾筒內含有刮刀，通過刮刀將達到干燥要求的物料刮下，該滾筒略平行于水平表面，在轉動裝置的驅動下，按規定的轉速轉動，使物料可以受熱均勻。過熱蒸汽滾筒干燥設備的結構比較簡單，干燥速度快，熱利用率較高，產品的干燥質量穩定，但是其設備投資較高，刮刀易磨損，使用周期短。

1.1.3 沖擊式過熱蒸汽干燥設備 Borquez等[21]為了獲得具有高水分去除率和低ω-3脂肪酸化學損失的干燥產品，通過射流沖擊式過熱蒸汽設備(見圖5)，將魚漿置于過熱蒸汽溫度135 ℃，蒸汽流速0.09 m3/s的環境下進行干燥試驗，結果表明此設備能夠干燥魚漿，且干燥效果較好，射流沖擊式過熱蒸汽干燥可以很好地保留魚漿中的ω-3脂肪酸。Moreira等[22]以玉米餅和土豆片為試驗原料，采用過熱蒸汽撞擊流干燥的方式生產的玉米餅質量更優，產品表面平整無氣孔，色澤鮮亮，營養成分高。

由圖5可知，該設備由兩個不銹鋼制成的圓柱腔體串聯而成，可以獨立運行。設備相對于水平方向成一定角度，并且傾斜角度可以從10°～20°根據需要進行調整，從而控制物料在干燥室中的停留時間，物料從進料口進入沿干燥室運動至出料口。過熱蒸汽沿干燥室切向方向的氣槽進入，與物料在干燥室內做螺旋運動(圖6)并通過上部縱向氣體出口排出。由于流體阻力和重力迫使物料以螺旋運動前進，以此來達到干燥的目的。沖擊式(或稱噴流式)過熱蒸汽干燥設備適用于干燥織物、煙葉、基材的表面涂層及薄片狀物料，如大豆殘渣[23]、魚餅。

1. 旋轉干燥箱 2. 控制器 3. 溫度表 4. 壓力表 5. 控制面板 6. 冷凝器 7. 真空風機 8. 加熱管

綜上，過熱蒸汽干燥雖然可以保留食品中營養成分，但是干燥后物料的質量可能會差于熱風干燥的。例如銀耳在過熱蒸汽干燥后，雖然部分水分蒸發了，但是物料發生熟化，導致后續的水分無法蒸發，最終得不到干銀耳。過熱蒸汽干燥在食用菌方面的應用具有局限性，因此過熱蒸汽干燥對物料的干燥具有一定的針對性。

1.2 低壓過熱蒸汽干燥設備

低壓過熱蒸汽干燥通常是指待干燥物料在比常壓低的全密封容器中。一般情況下，采用過熱蒸汽干燥時，過熱蒸汽的溫度超過100 ℃，如果熱敏性物料長時間暴露在高溫環境中，容易破壞物料中的營養成分，因此對于一些熱敏性物料，可以降低干燥環境的壓力。低壓環境下，飽和蒸汽溫度下降，能夠防止一些熱敏性物料營養成分流失，同時可以降低冷凝結露現象，避免待干燥物料外觀不良的情況。低壓過熱蒸汽干燥的干燥壓力一般為9～20 kPa，目前已被應用于芒果[24]、洋蔥片[25]、芫荽[26]和胡椒種子[27]等農產品干燥中。

1. 干燥室 2. 入口通道 3. 旋轉閥 4. 進料槽 5. 氣體出口 6. 出料口

1. 膨脹室 2. 干燥室 3. 固體顆粒 4. 狹槽 5. 氣體入口

Barbieri等[28]以羅勒為干燥對象，利用低壓過熱蒸汽干燥與熱風干燥進行對比，試驗發現低壓過熱蒸汽干燥技術可以最大程度保留羅勒的香氣物質，設計并制作了一臺臺式低壓過熱蒸汽干燥設備，其斷面圖如圖7所示，其由圓柱形鋼材質制成，外部覆蓋隔熱層，內部有一個由金屬絲網制成的環形樣品籃用來容納樣品。

如圖8所示，低壓過熱蒸汽干燥設備由連接到電動機的軸驅動的離心風機使過熱蒸汽流過樣品，設備配有壓力傳感器，通過數字顯示器讀取，溫度控制在-19.9～99.9 ℃，該設備內部有一根輸入功率為1 300 W的電阻絲用于加熱蒸汽。通過真空泵的作用，將蒸汽—香氣混合物抽出系統，使其通過由直徑為0.08 m，高度為0.30 m的玻璃圓柱體制成的冷凝器，使大部分水蒸氣分離，剩余的氣體被輸送到直徑為0.03 m，高度為0.40 m的玻璃圓柱體制成的冷阱中，該冷阱浸沒在15 ℃的乙二醇—水混合物中，幾乎所有化合物均能在其中冷凝。

李占勇等[29]采用低壓過熱蒸汽干燥設備干燥青蘿卜片，設備示意圖如圖8所示，該設備與傳統的過熱蒸汽干燥設備比較相似，只需增加干燥室的氣密性和真空泵。干燥后的青胡蘿卜維生素C的保留率高于真空干燥的，其樣品質量優于真空干燥的。

1. 連接管 2. 樣品籃 3. 離心風機 4. 加熱電阻絲 5. 真空泵

1. 蒸汽發生器 2. 蒸汽調節閥 3. 蒸汽過熱器 4. 放空閥 5. 壓力表 6. 電加熱器 7. 物料托盤#1 8. 蒸汽分布器 9. 稱重傳感器 10. K型熱電偶 11. 物料托盤#2 12. 干燥箱 13. 質量采集器 14. 溫度采集器 15. PID控制器 16. 冷凝器 17. 冷凝液收集瓶 18. 真空泵

綜上，低壓過熱蒸汽干燥擁有許多優點，但也存在較多問題使其無法大范圍應用。由于大多數熱敏性農產品的附加值較低，設備成本高，需要在真空環境下進行，對干燥室的氣密性有非常高的要求，因此低壓過熱蒸汽干燥設備的制造、運行、維護成本較高。

1.3 高壓過熱蒸汽干燥設備

高壓過熱蒸汽干燥是指干燥環境的壓力高于大氣壓，通常干燥環境壓力為500～2 500 kPa。由于高壓過熱蒸汽技術對設備要求較高，目前，此類設備在國外應用比較多，中國比較少見。法國Nangis制糖廠研制了一款干燥機(見圖9)，該干燥機與渦輪發電機同時供應高壓蒸汽2 500 kPa，在干燥機中產生的蒸汽被送至蒸發器中對果汁進行干燥，每制取100 kg白糖所消耗的燃料大概為12 kg[30]，可以減少能量消耗。

閃蒸干燥設備(圖10)是由瑞典查爾默斯大學的GEA Exergy開發的。該第一臺工業閃蒸干燥設備于1979年在瑞典Rockhammar工廠成功建成并用于紙漿干燥[31-32]，同時可以干燥木屑、木纖維、糖和甜菜漿。過熱蒸汽從背壓式渦輪機中抽出，其中800～1 500 kPa的壓力作為間接加熱液；過熱蒸汽在200～500 kPa的加壓條件下通過許多平行管循環，收集一次蒸汽中所有的冷凝水(170～200 ℃)，抽回鍋爐重復利用。干燥產物與蒸汽的混合物進入旋風分離器，使用壓力旋轉閥從干燥機中回收分離出的固體。該干燥設備的凈能耗為0.4～0.7 GJ/t 紙漿，相比之下，使用空氣進行閃蒸干燥的能耗為3.0～3.5 GJ/t紙漿。

閃蒸過熱蒸汽干燥的原理是過熱蒸汽由管道入口以切線方向進入干燥室底部的環隙，并螺旋狀上升，同時，物料由加料器定量加入塔內，并與過熱蒸汽進行充分熱交換，較大、較濕的物料在攪拌器作用下被機械破碎，濕含量較低及顆粒度較小的物料隨旋轉氣流一并上升，輸送至分離器進行氣固分離。其優點是熱效率高、干燥時間短、節能效果好。對膏糊狀物料可直接干燥制成粉狀干燥產品，節省了干燥前預處理，干燥后粉碎、篩分等工序，閃蒸過熱蒸汽干燥設備尤其適用于干燥顆粒、晶體、糊狀、漿狀或黏性以及粉狀材料，如魚粉[33]、煙草[34]等。

1. 過熱蒸汽干燥機 2. 蒸發器 3. 渦輪 4. 過熱器 5. 高壓鍋爐

1. 濕漿螺旋給料機 2. 旋風分離器 3. 風扇 4. 渦輪 5. 過熱器 6. 高壓鍋爐

綜上，高壓過熱蒸汽干燥設備對于設備的強度、高壓鍋爐的產氣量以及技術要求非常高。相比于常壓與低壓過熱蒸汽設備，高壓過熱蒸汽設備蒸汽溫度過高，會使過熱器管、蒸汽管道、汽輪機高壓部分等產生額外熱應力，還會加快金屬材料的蠕變，縮短設備的使用壽命；發生超溫時甚至會造成過熱器爆管。高壓過熱蒸汽干燥比較適合于干燥化工類產品，因為過熱蒸汽的溫度為150～250 ℃，當達到過熱蒸汽的飽和溫度時，食品內部溫度超過100 ℃，其營養成分發生變化。因此高壓過熱蒸汽不適合于大部分食品物料干燥。

1.4 常壓過熱蒸汽聯合干燥設備

由于常壓過熱蒸汽工作溫度>100 ℃，因此對于熱敏性產品不適合，盡管低壓過熱蒸汽能夠克服這個難點，但是會造成延長干燥時間和降低干燥效率的新問題，因此將過熱蒸汽干燥與其他干燥方式進行聯合的干燥方法便應運而生，可以解決單一過熱蒸汽干燥帶來的弊端。

目前，聯合干燥技術已被廣泛應用于鮑魚[35]、馬鈴薯粉[36]、香蕉片[37]、羊腿[38]等方面。賈真等[39]將二次尾汽進行回收利用，真正實現了節能和環保，并制造了一臺物源性過熱蒸汽聯合余熱回收節能干燥設備(見圖11)。該干燥設備無需另設過熱蒸汽發生裝置，干燥所需的過熱蒸汽全部來源于物料，即物料在干燥室內受熱升溫，內部水分汽化，蒸發的水蒸氣與空氣相互混合，并通過排氣閥不斷被排出，隨著干燥的進行，干燥室內空氣逐漸被蒸汽取代，蒸汽在干燥室內被循環加熱，最終轉變為過熱蒸汽，并作為干燥介質去除物料中剩余水分。能量消耗方面，干燥相同質量的海帶，物源性過熱蒸汽聯合余熱回收節能干燥系統的總能耗比熱風干燥節省了44.29%。Chryat等[40-41]研究表明，聯合干燥可以降低干燥時間，提高能量效率和物料品質。

蘇煌杰等[42]將兩種完全不同干燥工藝的優點融合在一起，制造了過熱蒸汽與真空聯合干燥一體機(見圖12)。以竹筍為例進行經濟性分析，如表1所示，過熱蒸汽與真空聯合干燥的干燥時間和每蒸發1 kg水所需能量均比熱風干燥節省1/2以上，實現了干燥時間短、效率高、節能減排的目的。

綜上，將過熱蒸汽干燥與其他技術進行組合干燥能克服單一干燥方式所存在的弊端，提高產品質量，同時降低能耗。在性能評估和能量回收的基礎上，對幾種干燥技術進行對比(表2)，發現過熱蒸汽干燥能更有效地回收余熱。值得注意的是，在技術工作中，干燥機和干燥過程的能量性能可以用各種指標來表征，包括體積蒸發率、蒸發效率、蒸汽消耗、單位熱量消耗、能量效率和熱效率。由于這些不一致的性能參數，基于各種類型干燥器的能耗和能效的比較分析是復雜的。通過將過熱蒸汽與現有其他干燥技術的合理聯合干燥可以實現大部分產品的干燥要求。

1. 計算機 2. 溫度采集器 3. 熱電偶 4. 過熱蒸汽干燥箱體 5. 控制器 6. 加熱器 7. 渦旋離心風機 8. 導流板 9. S型稱重傳感器 10. 稱重數顯表 11. 排氣閥 12. 真空干燥箱體 13. 緊湊型換熱器 14. 渦旋式離心風機 15. 集水器 16. 散熱器 17. 真空泵 18. 集水器 19. 排水閥

2 過熱蒸汽干燥過程中的數學模型與傳熱傳質

過熱蒸汽干燥過程的數學模型可以分為兩種：① 利用數理統計方法，建立熱量、質量和能量傳遞的回歸模型；② 利用相流理論和計算流體力學(CFD)方法，模擬干燥室內相流動和溫度、濕度變化[47]。干燥數學模型的研究能夠為優化干燥工藝參數、設計改進干燥設備、降低干燥能耗提供理論依據。

Taechapairoj等[48]建立了過熱蒸汽流化床干燥稻谷的數學模型，用于預測稻谷的含水率和溫度。Hampel等[49]建立了描述過熱蒸汽干燥過程中米粒內部傳熱傳質的瞬態宏觀模型，該模型的控制方程是基于體積平均法導出的，為了提供模型輸入參數，測量糙米顆粒的某些熱物理性質。Bourassa等[50]對酒糟的干燥特性進行研究，根據Fick擴散定律，建立了酒糟有限圓柱體模型。這些酒糟用120 ℃的過熱蒸汽在水平和垂直兩個方向上干燥，用Page方程模擬的干燥特性表明不同取向的干燥特性存在顯著差異(P<0.05)。Kumbhar等[51-52]研究表明，Page模型比較適合于描述過熱蒸汽干燥過程。

1. 蒸汽發生器 2. 截止閥 3. 閘閥 4. 風機 5. 加熱器 6. 載物網盤 7. 承載傳感器 8. 溫度控制器 9. 壓力表(或真空度表) 10. 過熱蒸汽干燥箱 11. 壓力調節閥 12. 真空泵 13. 載物盤 14. 散熱器 15. 真空干燥箱 16. 冷凝水收集器 17. 放水龍頭 18. 減壓閥

表1 過熱蒸汽與真空聯合干燥與熱風干燥能耗對比表

表2 不同過熱蒸汽干燥設備的比較

值得注意的是，對過熱蒸汽為干燥介質在數學模型和試驗工作中的研究較少。由于干燥所用設備、干燥條件、物料物理特性存在較大差異，在實際應用時，各模型難以推廣應用。在絕大多數情況下，需要根據實際需要對數學模型進行相應的調整。

3 前景與展望

目前，過熱蒸汽干燥技術已被測試于各種類型的干燥器中，如流化床、旋轉干燥器、閃蒸和沖擊干燥器。過熱蒸汽干燥系統的發展已有較長時間，但其產業化僅限于少數幾種產品，其主要原因是由于缺乏實驗室研究工作，對蒸汽干燥動力學的理解較差。流化床、旋轉和沖擊式干燥機已成功應用于稻谷、種子、食品等少數產品的過熱蒸汽干燥測試中。這些烘干機(除旋轉烘干機外)是連續運轉的，可以蒸發掉大量的水，但是這些烘干機還未進行工業化，需進一步研究以證明其可行性。

中國的過熱蒸汽干燥設備仍處于實驗室研究階段，主要原因有：① 設備要求高，維護成本高；② 不適宜熱敏性物料干燥；③ 尾氣的回收轉化利用率低。由于干燥能耗占總能耗的比例逐年增加，因此，發展高效、節能的干燥設備具有經濟效益。