综述：生物质间歇干燥的节能效果系统综述

《Biomass and Bioenergy》：Intermittent drying of biomass: A systematic review of energy savings

本文对生物质间歇干燥（ID）相较于连续干燥（CD）的节能潜力进行了系统性综述与元分析。作者通过严格的文献筛选与数据重估，在“公平比较”（总干燥时间相同、终末含水率可比）条件下重新审视了ID的节能主张。核心结论指出，ID的节能效果并非普遍成立，而是强烈依赖于生物质初始湿度和厚度、以及干燥温度三个关键参数。该文首次从热力学极限与实际烘干机“能量河流”运行状态的角度，阐释了ID节能的内在机理，并提出了判断ID是否优于CD的参数化判据，为评估干燥能效与优化工艺提供了新的理论框架。

　　

1. 引言

1.1. 背景与动机

干燥是生物质与食品加工中最为耗能的环节之一，在一些生物质产业大国，干燥工序可占总工业能耗的10-25%。对于海藻等高含水量材料，能耗问题尤为突出，已成为制约其经济可行性的主要障碍之一。然而，工业生产中，产品品质（如营养素、色泽）往往优先于能耗成本，这通常要求限制峰值干燥温度。间歇干燥（ID）是一种能够有效降低峰值干燥温度的技术，因此在防止热敏性产品遭受热损伤、提升产品质量方面，拥有大量且一致的文献支持。除了品质优势，ID也常被报道能比连续干燥（CD）节省能耗。为了审慎检验这些节能主张，首先需要清晰定义和区分ID与CD的操作特性。

1.2. 连续干燥与间歇干燥

为实现研究间的可比性，本文对CD和ID进行了明确的定义。ID是指周期性施加或改变热量和/或对流（如风扇）以加速干燥的过程。每个周期包含一个“加热开启”时段（t_on）和一个被称为“回火”或“静置”的“加热关闭”时段（τ），周期时长t_p= t_on+ τ。周期可重复多次（n > 1）。通常定义“间歇比”α = τ/t_p。而CD可视为ID在n = 1时的特例。在加热阶段，水分在温度和浓度梯度驱动下蒸发去除；在回火阶段，尽管没有外部供热，但由于扩散效应，内部水分可能继续重新分布。这种循环操作的热力学和传递学后果，构成了ID声称具有节能优势的基础。

1.3. 研究空白、目标与本研究的贡献

早期对ID的研究（如20世纪70年代对烟草、花生的研究）主要关注降低能耗，但结果不一。近十年来，尽管ID在限制峰值温度、改善热敏性生物质品质方面的益处得到广泛支持，但其节能主张的一致性较差。许多声称“ID总能节能”的报告可能源于方法学错误而非真实的效率提升。因此，本系统性综述重新审视了ID与CD的比较，特别关注与节能相关的假设、证据和机制。本研究通过结构化检索、筛选文献，并对报告数据进行定量重估（在消除干燥时间不等和过度干燥等伪影的“公平比较”框架下），旨在稳健地回答核心问题：在何种条件下，ID能真正实现比CD更优的节能效果？研究引入了概念性解释，链接了热力学极限与实验表现，重新定义了评估干燥效率的标准。

2. 方法学

2.1. 文献检索与筛选

研究在2023年7月至2025年9月期间，使用Google Scholar对1970-2025年间发表的英文文献进行了系统检索。检索策略限定标题中包含“间歇干燥”、“周期干燥”等相关术语，并与“连续干燥”、“能耗”等组合。通过标题、摘要和全文筛选，最终有29项研究被纳入系统性综述，其中10个实验案例（来自4篇出版物）因提供了足够的定量数据而被纳入定量元分析。筛选流程遵循PRISMA 2020指南。

2.2. 数据提取与效应量定义

从每项纳入研究中提取实验参数，包括生物质类型、初始含水率、材料厚度、入口空气温度、干燥方案等。计算了比能耗（ē，即总能耗与去除水质量之比）。用于比较的主要效应量是比能耗比：r = ē_CD/ē_ID。评估了两种效应量：“报告比值”（直接基于发表数据计算）和“调整比值”（在标准化“公平比较”条件下重估，强制执行相等的总干燥时间和可比的最終含水率）。

2.3. 统计解读与敏感性评估

由于符合条件的独立研究数量有限（n=4）且存在显著的异质性，未进行汇总的元分析模型。效应量（r值）针对每个实验案例单独分析，并根据初始含水率、材料厚度和入口温度等关键工艺参数进行解读。进行了敏感性分析，定性结论在排除极端值后保持一致。

3. 文献中报告主张的定性综合

对全部29篇综述文献的分析显示，所有研究都报告ID可以实现节能。但进一步分类发现，大多数研究（20/29）的结论建立在ID总干燥时间长于CD的条件下。只有三项研究明确声称，即使在总干燥时间或加热时间相同的情况下，ID也能提供节能。分析还揭示了回火期间材料管理的两种不同策略：“封闭”配置（使用干燥剂或密封室）和“开放”配置（置于环境条件下）。文献中的主张存在不一致性，且许多研究忽略了总干燥时间对ID性能评估的影响。

4. 已发表数据的定量重估

4.1. 先前研究的元分析

对10个可进行定量计算的实验案例的分析表明，ID存在真实的节能证据，但这类案例在报告节能益处的研究中占少数。分析聚焦于对流干燥系统。比能耗（ē）根据报告值或由报告的电功率和有效加热时间计算得出。“调整节能比”提供了相对节能的最可靠估计，其计算过程确保了ID和CD样品具有相同的总干燥时间，并将CD回火期间的额外干燥考虑在内。

4.2. 厚度与湿度——强正相关关系

数据显示，生物质厚度和初始含水率两列参数呈现一致的从深到浅的颜色梯度，表明CD与ID的比能耗比与这两个参数强相关。这意味着，要使ID相对于CD实现节能，生物质必须相对较厚或较湿，或者两者条件均需满足才能产生显著的ID优势。

4.3. 温度

实验案例5偏离了上述总体趋势，该案例使用了最低的入口空气温度（40°C）。这表明入口温度在决定ID方法的效率方面扮演了额外且可能是必要的角色。从数学角度看，当T_inlet→ T_ambient时，CD与ID的差异将消失。因此，可用数据表明，T_inlet> T_ambient是观察到ID优于CD的必要前提，且可能存在一个阈值（例如ΔT > 20°C），一旦超过该阈值，初始含水率和材料厚度对ID节能的影响将超过峰值干燥温度的任何额外增加。

4.4. 频率

表中数据未显示ID开关频率（或回火期长度）与ID相对于CD的节能效果之间存在显著或强相关性。数学论证表明，如果ID确实在某些条件下比CD节能，那么节能比r与频率f之间的关系必然是平滑的，并且在f_CD到无穷大的区间内会存在一个有限的最大值或渐近极限，即存在一个最优频率。因此，相关性可能很弱，而非完全不存在。

5. 机理阐释与状态分析

5.1. 热力学极限：热风干燥机的过剩能量与“能量河流”状态

蒸发液态水所需的最小能量（汽化焓）约为2.3-2.5 MJ/kg。然而，实践中实验室和工业干燥机的能耗远高于此热力学最小值，报道的比能耗范围通常在7.5至27 MJ/kg以上，甚至更高。这表明干燥机主要在两种状态下运行：状态1（理论或“超高效”干燥机，供热量接近热力学最小值）和状态2（过剩能量干燥机，能量输入远超过热力学要求）。现实中，几乎所有已发表的实验和商业干燥机都运行在状态2，其能耗通常是最小值的10-100倍。研究这种“能量河流”系统并非方法学局限，而是工业现实的反映。一个关键启示是，可测量的ID-over-CD节能只能出现在这种过剩能量状态中。随着系统效率接近热力学极限（状态1），进一步节能的潜力必然消失。

5.2. 与现有干燥模型的一致性

5.2.1. 对流-扩散模型

描述生物质干燥最广泛使用的数学模型是基于连续介质物理的标准扩散-对流模型。该模型假设水分在生物质内部服从菲克扩散定律，而表面蒸发由对流边界条件控制。尽管有效扩散系数D_eff(T, C_H2O)是一个关键且可能难以测量的材料参数，但该模型通常在中等干燥条件（T < 100°C）下能准确预测水分演变和产品质量。

5.2.2. 回火诱导的ID传质“提升”

文献中一个普遍的假设是，ID相对于CD节能的核心机制在于通过加速水分从生物质中的传质，产生所谓的“提升”或“尖峰”。在回火期，干燥速率迅速衰减至零，但在加热重新开始后，通常能观察到干燥速率的“提升”，因为回火期间水分向表面扩散，使得再次加热时，表面附近的水分更容易蒸发。虽然这种蒸发提升在许多系统中已被实验证实，但本次元分析的数据表明，蒸发提升的假设并不总能转化为可测量或有实际意义的节能效果。在几个案例中，增强的瞬时干燥速率并未在考虑相等总干燥时间和可比終末含水率时，对应更低的整体比能耗。

5.2.3. 浓度梯度瓶颈与传输常数的温度依赖性

ID能节能的预期与相反的结局（CD表现更高效）都可能发生，其决定因素在于两种竞争机制的相互作用：1) 生物质内部水分浓度梯度是主要限速因素的案例；2) 传输系数（即扩散系数和传质系数）的温度依赖性占主导影响的案例。在典型的“能量河流”状态（能耗 > 3倍理论最小值）下，可以提出一个启发式的“决策树”来预测哪种操作模式（ID或CD）可能更节能。如果CD中较高的温度足以增加扩散限制型生物质的有效扩散系数（D_eff），并且这种增强超过了循环回火阶段发生的扩散，那么CD可能在更短的“开启时间”内完成相同的干燥任务，系统就处于状态ii。同样，在表面蒸发而非整体扩散是限速步骤的干燥状态中，较高的CD温度可能提供类似优势。当一种或两种温度效应超过回火扩散带来的益处时，CD可能再次在比ID更短的“开启”时间内完成相同的干燥任务，从而使系统处于状态ii。

5.2.4. 文献中的模型与参数值——有谁正确预测了元分析结果？

大多数纳入综述的研究只报告了单一生物质类型的ID节能效果。在已综述的文献中，Van England等人的建模研究正确地预测了本元分析总结的主要趋势。他们的数值模拟基于经典扩散-对流模型，预测ID-over-CD节能最大的情况发生在水果和蔬菜类产品上。这一定性预测与本元分析中节能效果最显著的案例（厚湿水果）相符。

6. 结论

本系统性综述与元分析表明，间歇干燥（ID）相对于连续干燥（CD）的节能效果并非普遍适用，而是严格取决于生物质的物理特性（初始湿度、厚度）和干燥工艺参数（温度）。只有在“公平比较”框架下，才能甄别出真实的节能效益。研究揭示了三个关键参数的主导作用，并引入了“能量河流”状态的概念来解释节能发生的条件。ID在保护热敏性产品品质方面具有明确优势，但其作为节能技术的应用，需要针对具体的物料和干燥系统进行细致的参数优化与评估。未来的研究应致力于在更广泛的参数空间内验证这些状态，并探索CD在特定条件下可能更具能效的假设。