籽棉干燥工藝與設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

〔中華全國(guó)供銷合作總社鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，鄭州450004〕

一、引言

回潮率是影響棉花加工品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。籽棉回潮率過(guò)大會(huì)使棉纖維與雜質(zhì)及棉纖維與機(jī)械表面的摩擦力增大，會(huì)造成籽棉清理效率較低和設(shè)備堵塞。在外力作用下，纖維之間會(huì)更多地纏繞、扭曲，從而產(chǎn)生較多的棉結(jié)、索絲，進(jìn)而影響皮棉質(zhì)量。籽棉回潮率過(guò)低、棉纖維強(qiáng)力降低、剛性增加，在外力作用下易折斷，造成棉纖維長(zhǎng)度降低、短絨率增加[1-4]。新疆是我國(guó)的主產(chǎn)棉區(qū)，其棉花產(chǎn)量占全國(guó)的70%以上，棉花的采收一般集中在九月下旬到十月下旬，此時(shí)環(huán)境溫度降低，相對(duì)濕度高。采收后的棉花回潮率在15%左右[5]，而適宜于籽棉加工的棉花回潮率在6.5%到8.5%之間[6，7]，這就要求在棉花加工過(guò)程中對(duì)籽棉進(jìn)行精確干燥[8]。目前的籽棉干燥設(shè)備能耗高、能源利用率較低，并且自動(dòng)化程度低，過(guò)度干燥與干燥不足嚴(yán)重影響棉花的加工質(zhì)量[9]。為此，本文歸納了國(guó)內(nèi)棉花加工過(guò)程中的籽棉干燥工藝與設(shè)備的現(xiàn)狀，介紹了籽棉干燥機(jī)的幾種機(jī)型及結(jié)構(gòu)、工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)，論述了籽棉干燥發(fā)展現(xiàn)狀及目前存在的問題，同時(shí)探討了籽棉干燥的發(fā)展趨勢(shì)。

二、籽棉干燥工藝的現(xiàn)狀

籽棉干燥是利用棉纖維的放濕性，以空氣為介質(zhì)，先對(duì)空氣加熱來(lái)提高空氣的溫度和降低空氣的相對(duì)濕度；或直接加熱物料籽棉，然后使空氣與籽棉相混合，在空氣與棉纖維之間形成一個(gè)溫度差、濕度差和壓強(qiáng)差，迫使纖維中吸附水分子逐漸向外轉(zhuǎn)移，被熱空氣所吸收，達(dá)到籽棉干燥的目的[2，9，10]。籽棉干燥工藝根據(jù)籽棉干燥過(guò)程中籽棉輸送的方式不同可以分為兩類：氣力輸送式干燥工藝和機(jī)械輸送式干燥工藝。

（一）氣力輸送式干燥工藝

氣力輸送式籽棉干燥工藝主要包括離心風(fēng)機(jī)、熱源、喂料器、籽棉干燥機(jī)、卸料器及測(cè)控系統(tǒng)等[11，12]。如圖1所示的工藝流程：根據(jù)籽棉回潮率，干燥介質(zhì)空氣在離心風(fēng)機(jī)正壓的作用下經(jīng)熱源加熱到一定溫度，加熱后的空氣溫度低于120 ℃，加熱后的空氣帶動(dòng)由喂料器供給的籽棉進(jìn)入籽棉干燥機(jī)，干燥后籽棉和空氣進(jìn)入卸料器實(shí)現(xiàn)籽棉和空氣的分離。

氣力輸送式籽棉干燥過(guò)程中，干燥介質(zhì)空氣一方面參與籽棉的輸送，一方面在輸送過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)籽棉的干燥。氣力輸送式干燥工藝具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積少、生產(chǎn)率高的特點(diǎn)，干燥機(jī)沒有運(yùn)轉(zhuǎn)部件，操作維修方便，在國(guó)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，占到95%以上。由于空氣參與籽棉輸送，因此，氣力輸送式籽棉干燥工藝干燥過(guò)程中需要大量的干燥介質(zhì)如空氣，另外干燥后的空氣中含塵濃度較高，經(jīng)過(guò)除塵處理后直接排到大氣中。氣力輸送式干燥工藝的能耗較高，能量利用率較低。

圖1 氣力輸送式籽棉干燥工藝示意圖

（二）機(jī)械輸送式干燥工藝

機(jī)械輸送式籽棉干燥工藝主要包括供熱風(fēng)機(jī)、熱源、喂料器、籽棉干燥機(jī)及測(cè)控系統(tǒng)。與氣力輸送式干燥工藝的不同之處在于：干燥過(guò)程中籽棉輸送為機(jī)械輸送方式，干燥介質(zhì)空氣不參與籽棉的輸送，只起干燥的作用。

相比氣力輸送式籽棉干燥工藝，機(jī)械輸送式籽棉干燥工藝所需的干燥介質(zhì)空氣量較少，干燥后空氣的含塵濃度較低且易于熱量回收再利用。但機(jī)械輸送式籽棉干燥工藝具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、生產(chǎn)率低、干燥機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部件較多、操作維修困難、干燥均勻性差的缺點(diǎn)。目前相比氣力輸送式干燥工藝，機(jī)械輸送式干燥工藝的能耗稍低，能量利用率稍高一些。

三、籽棉干燥機(jī)的類型及現(xiàn)狀

根據(jù)籽棉干燥工藝的不同，籽棉干燥設(shè)備可以分為兩類：機(jī)械輸送式籽棉干燥機(jī)和氣力輸送式籽棉干燥機(jī)。常見的籽棉干燥機(jī)的類型[13]，如表1所示。

表1 籽棉干燥機(jī)的類型與分類

（一）氣力輸送式籽棉干燥機(jī)

1.塔式籽棉干燥機(jī)。

塔式干燥機(jī)是我國(guó)在引進(jìn)、消化、吸收的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。目前塔式干燥機(jī)主要有兩種形式：標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)和擱板增熱式干燥機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)主要由“S”形籽棉通道、塔體及進(jìn)出料口等部分組成[1]，塔式干燥機(jī)如圖2所示。工作時(shí)，籽棉和熱空氣從進(jìn)口進(jìn)入塔體內(nèi)的“S”形通道，從上到下不斷地折返流動(dòng)，籽棉和熱空氣之間的速度差不斷地改變，在流動(dòng)過(guò)程中完成熱量和質(zhì)量的傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)籽棉的干燥，干燥后籽棉與空氣分離。與標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)不同，擱板增熱式籽棉干燥機(jī)增加了保溫通道，保溫通道位于“S”形籽棉通道之間，起到補(bǔ)充干燥過(guò)程中熱量的消耗[14]，如圖3所示。另外，標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)的擱板層數(shù)較多，一般最多有24層，其風(fēng)壓損失較大；擱板增熱式干燥機(jī)層數(shù)一般為6層，其壓力損失較小[15]。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)塔式籽棉干燥機(jī)

塔式干燥機(jī)是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為普遍的籽棉干燥方式，使用率占90%以上。塔式干燥機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積少、生產(chǎn)率高、沒有傳動(dòng)部件、操作維修方便等優(yōu)點(diǎn)。但是由于空氣還參與籽棉輸送，因此，塔式干燥機(jī)所需的空氣量較大。另外，目前塔式干燥機(jī)干燥后的空氣通常沒有有效的熱回收裝置，這樣塔式干燥機(jī)的熱能利用率低，系統(tǒng)動(dòng)力消耗大。

圖3 隔板增熱式籽棉干燥機(jī)

2.脈沖—轉(zhuǎn)筒組合式干燥機(jī)。

脈沖—轉(zhuǎn)筒組合式干燥機(jī)由脈沖管和轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)組合而成[16]，如圖4所示。脈沖管為不同管徑的籽棉輸送管道，通過(guò)改變籽棉氣力輸送管道的直徑，改變籽棉和熱空氣的速度差，增加籽棉與熱空氣之間的傳熱和傳質(zhì)。轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)主要有轉(zhuǎn)筒及轉(zhuǎn)筒兩端的進(jìn)口和出口，轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁上交錯(cuò)分布弧形抄板，起到均勻籽棉和引導(dǎo)籽棉運(yùn)動(dòng)作用。籽棉和熱空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)筒后，氣流速度下降，依靠轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)和弧形抄板的作用，籽棉不斷地被拋起后下落。在這過(guò)程中，籽棉中的水分不斷地被熱空氣帶走。

圖4 脈沖—轉(zhuǎn)筒組合式干燥機(jī)

脈沖-轉(zhuǎn)筒組合式干燥機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：籽棉干燥均勻、工作可靠，相比塔式干燥機(jī)，其熱能消耗低。其缺點(diǎn)是：占地面積大、設(shè)備維護(hù)困難。

（二）機(jī)械輸送式籽棉干燥機(jī)

1.清理干燥一體式籽棉干燥機(jī)。

清理干燥一體式干燥機(jī)主要是由豎向籽棉通道、清雜單元及排雜通道組成，其中清雜單元上下交錯(cuò)布置于籽棉通道內(nèi)部，清雜單元包括刺釘輥、格條柵漏底和落雜斜板[17]，如圖5所示。工作過(guò)程中，籽棉由喂料口進(jìn)入籽棉通道，熱空氣由左右兩邊的熱空氣進(jìn)口進(jìn)入籽棉通道，籽棉下落后在刺釘輥擊打、清雜及開松后被斜向上拋射出來(lái)，又在重力及熱空氣的作用下向下落，在這過(guò)程中不斷完成熱量和質(zhì)量的傳遞，廢氣由排雜通道向上排出，籽棉由下閉風(fēng)閥排出。

圖5 清理干燥一體式籽棉干燥機(jī)

清理干燥一體式干燥機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：減少了熱空氣的流量，籽棉干燥過(guò)程中的開松程度較好，干燥效率高。其缺點(diǎn)包括：（1）在籽棉未達(dá)到清理所需的回潮率時(shí)進(jìn)行多次打擊，棉纖維易出現(xiàn)索絲、棉結(jié)，影響棉花加工質(zhì)量；（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)部件多、設(shè)備穩(wěn)定性差、設(shè)備維護(hù)困難[18]。

2.帶式籽棉干燥機(jī)。

帶式籽棉干燥機(jī)主要由干燥箱體、多層輸送帶、進(jìn)料裝置、出料裝置、抽風(fēng)機(jī)及吸濕器等組成[19]，如圖6所示。工作過(guò)程中，籽棉由進(jìn)料裝置均勻地鋪在輸送帶的網(wǎng)板上，籽棉在輸送帶上移動(dòng)并落在下層輸送帶上，熱風(fēng)穿過(guò)物料，完成熱量的傳遞。

圖6 帶式籽棉干燥機(jī)

帶式干燥機(jī)的特點(diǎn)：干燥過(guò)程中熱空氣中的塵雜較少，通過(guò)吸濕器除濕后可以循環(huán)利用，這樣就大大提高了熱量利用率，通過(guò)多次翻轉(zhuǎn)，干燥均勻性較好。但由于棉花的多孔熱性，帶式干燥中的空氣速度較低，相比塔式干燥機(jī)干燥效率低、設(shè)備占地面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且安裝維護(hù)困難。

3.微波式籽棉干燥機(jī)。

微波式籽棉干燥機(jī)主要由進(jìn)料裝置、干燥箱、抽濕系統(tǒng)、出料裝置、控制系統(tǒng)、波導(dǎo)裝置及單管微波源組成[20]，如圖7所示，其中抽濕系統(tǒng)包括抽風(fēng)機(jī)和抽風(fēng)道，抽風(fēng)道設(shè)置于干燥箱體外側(cè)并通過(guò)多孔板與箱體內(nèi)部連通。工作過(guò)程中，籽棉由進(jìn)料裝置進(jìn)入，籽棉自由下落，在下落過(guò)程中，微波對(duì)籽棉加熱，由干燥箱體下方的喂棉輥調(diào)節(jié)加熱時(shí)間，抽濕系統(tǒng)將汽化后的水分帶走，籽棉由出料裝置排出，實(shí)現(xiàn)對(duì)籽棉的干燥。

微波籽棉干燥機(jī)具有效率高、干燥速率快、干燥均勻、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及熱量利用率高的優(yōu)點(diǎn)。但是由于籽棉處理量大、空間密集及棉花多孔特性，汽化后的水分與棉花混合在一起，很難在短時(shí)間內(nèi)將汽化水排出。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，出料口排出的籽棉往往會(huì)出現(xiàn)再次回潮的現(xiàn)象[21]。

四、籽棉干燥工藝與設(shè)備存在的問題

（一）籽棉干燥理論薄弱

我國(guó)籽棉干燥工藝與設(shè)備是在消化吸收的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，對(duì)籽棉干燥理論的基礎(chǔ)的認(rèn)知較為薄弱，目前缺乏對(duì)籽棉干燥工藝及設(shè)備的系統(tǒng)性研究。設(shè)計(jì)者往往是憑借其工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行干燥工藝和設(shè)備的設(shè)計(jì)，因而很難達(dá)到最優(yōu)的干燥工藝參數(shù)。

（二）熱能利用率低

由于廢氣中含有大量塵雜，不便于熱回收，因此，目前軋花車間普遍使用的是開環(huán)籽棉干燥工藝，干燥后的廢氣經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單除塵后排入大氣中，導(dǎo)致很大一部分熱量被浪費(fèi)。另外，軋花廠對(duì)保溫的認(rèn)識(shí)不到位、管道漏氣、擋車工的業(yè)務(wù)素養(yǎng)不高等也是造成熱能利用率低的原因。

（三）自動(dòng)化程度低

烘干過(guò)程中的籽棉含雜率高、雜質(zhì)類型多樣，籽棉回潮率在線檢測(cè)難度較大。雖然目前國(guó)內(nèi)已研制出在線式籽棉回潮率檢測(cè)裝置，但其檢測(cè)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性較低，很難應(yīng)用于籽棉回潮率的調(diào)控。目前籽棉干燥過(guò)程中，通常是憑借擋車工的經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)節(jié)用于干燥的熱空氣溫度，籽棉干燥過(guò)程中往往出現(xiàn)過(guò)度干燥和干燥不足的情況。

五、籽棉干燥工藝與設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)目前干燥工藝與設(shè)備的特點(diǎn)，籽棉干燥工藝與設(shè)備將向著降低籽棉干燥的熱量消耗、提高干燥效率、干燥品質(zhì)和提高籽棉干燥自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）深入研究籽棉干燥過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)機(jī)理，量化籽棉干燥過(guò)程中的工藝參數(shù)，研究最適宜籽棉干燥的干燥工藝與設(shè)備。

（二）開展籽棉干燥廢氣中潛熱與顯熱的回收及干燥物料顯熱的回收，充分提高熱能利用率，形成閉環(huán)式或半閉環(huán)式籽棉干燥工藝。

（三）開展不同類型籽棉干燥設(shè)備的關(guān)鍵零部件與干燥效率關(guān)系的研究，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并在進(jìn)一步完善國(guó)內(nèi)現(xiàn)有干燥工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)新型干燥設(shè)備，在降低籽棉干燥的熱量消耗、提高干燥效率、干燥品質(zhì)等方面有所創(chuàng)新。

（四）由于棉花加工過(guò)程中回潮率不能過(guò)高和過(guò)低，因此，應(yīng)加快高精度高可靠性的棉花回潮率在線檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)，開發(fā)籽棉干燥自動(dòng)控制系統(tǒng)，高效動(dòng)態(tài)地調(diào)控棉花回潮率，保證棉花加工品質(zhì)。

六、結(jié)語(yǔ)

籽棉干燥是提高棉花生產(chǎn)效率和加工品質(zhì)的重要途徑。近年來(lái)我國(guó)棉花加工籽棉干燥設(shè)備取得了一定的發(fā)展，但由于棉花加工單位時(shí)間處理量大、塵雜含量大的特點(diǎn)及棉纖維吸濕的特性，干燥工藝與設(shè)備的研究還不夠成熟、技術(shù)含量較低，因此，在研制節(jié)能環(huán)保的籽棉干燥系統(tǒng)時(shí)，需要研究適宜于籽棉的閉環(huán)式干燥工藝，進(jìn)一步打好籽棉干燥理論基礎(chǔ)，開展關(guān)鍵零部件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研制高精度籽棉回潮率在線檢測(cè)裝置，開發(fā)自動(dòng)化、智能化控制系統(tǒng)。