籽棉干燥工藝與設備的現狀及發展趨勢

〔中華全國供銷合作總社鄭州棉麻工程技術設計研究所，鄭州450004〕

一、引言

回潮率是影響棉花加工品質的關鍵因素之一。籽棉回潮率過大會使棉纖維與雜質及棉纖維與機械表面的摩擦力增大，會造成籽棉清理效率較低和設備堵塞。在外力作用下，纖維之間會更多地纏繞、扭曲，從而產生較多的棉結、索絲，進而影響皮棉質量。籽棉回潮率過低、棉纖維強力降低、剛性增加，在外力作用下易折斷，造成棉纖維長度降低、短絨率增加[1-4]。新疆是我國的主產棉區，其棉花產量占全國的70%以上，棉花的采收一般集中在九月下旬到十月下旬，此時環境溫度降低，相對濕度高。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程中對籽棉進行精確干燥[8]。目前的籽棉干燥設備能耗高、能源利用率較低，并且自動化程度低，過度干燥與干燥不足嚴重影響棉花的加工質量[9]。為此，本文歸納了國內棉花加工過程中的籽棉干燥工藝與設備的現狀，介紹了籽棉干燥機的幾種機型及結構、工作原理及優缺點，論述了籽棉干燥發展現狀及目前存在的問題，同時探討了籽棉干燥的發展趨勢。

二、籽棉干燥工藝的現狀

籽棉干燥是利用棉纖維的放濕性，以空氣為介質，先對空氣加熱來提高空氣的溫度和降低空氣的相對濕度；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溫度差、濕度差和壓強差，迫使纖維中吸附水分子逐漸向外轉移，被熱空氣所吸收，達到籽棉干燥的目的[2，9，10]。籽棉干燥工藝根據籽棉干燥過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機、熱源、喂料器、籽棉干燥機、卸料器及測控系統等[11，12]。如圖1所示的工藝流程：根據籽棉回潮率，干燥介質空氣在離心風機正壓的作用下經熱源加熱到一定溫度，加熱后的空氣溫度低于120 ℃，加熱后的空氣帶動由喂料器供給的籽棉進入籽棉干燥機，干燥后籽棉和空氣進入卸料器實現籽棉和空氣的分離。

氣力輸送式籽棉干燥過程中，干燥介質空氣一方面參與籽棉的輸送，一方面在輸送過程中實現對籽棉的干燥。氣力輸送式干燥工藝具有結構簡單、占地面積少、生產率高的特點，干燥機沒有運轉部件，操作維修方便，在國內得到廣泛的應用，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程中需要大量的干燥介質如空氣，另外干燥后的空氣中含塵濃度較高，經過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）機械輸送式干燥工藝

機械輸送式籽棉干燥工藝主要包括供熱風機、熱源、喂料器、籽棉干燥機及測控系統。與氣力輸送式干燥工藝的不同之處在于：干燥過程中籽棉輸送為機械輸送方式，干燥介質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，機械輸送式籽棉干燥工藝所需的干燥介質空氣量較少，干燥后空氣的含塵濃度較低且易于熱量回收再利用。但機械輸送式籽棉干燥工藝具有結構復雜、占地面積大、生產率低、干燥機運轉部件較多、操作維修困難、干燥均勻性差的缺點。目前相比氣力輸送式干燥工藝，機械輸送式干燥工藝的能耗稍低，能量利用率稍高一些。

三、籽棉干燥機的類型及現狀

根據籽棉干燥工藝的不同，籽棉干燥設備可以分為兩類：機械輸送式籽棉干燥機和氣力輸送式籽棉干燥機。常見的籽棉干燥機的類型[13]，如表1所示。

表1 籽棉干燥機的類型與分類

（一）氣力輸送式籽棉干燥機

1.塔式籽棉干燥機。

塔式干燥機是我國在引進、消化、吸收的基礎上發展起來的。目前塔式干燥機主要有兩種形式：標準塔式干燥機和擱板增熱式干燥機。標準塔式干燥機主要由“S”形籽棉通道、塔體及進出料口等部分組成[1]，塔式干燥機如圖2所示。工作時，籽棉和熱空氣從進口進入塔體內的“S”形通道，從上到下不斷地折返流動，籽棉和熱空氣之間的速度差不斷地改變，在流動過程中完成熱量和質量的傳遞，實現對籽棉的干燥，干燥后籽棉與空氣分離。與標準塔式干燥機不同，擱板增熱式籽棉干燥機增加了保溫通道，保溫通道位于“S”形籽棉通道之間，起到補充干燥過程中熱量的消耗[14]，如圖3所示。另外，標準塔式干燥機的擱板層數較多，一般最多有24層，其風壓損失較大；擱板增熱式干燥機層數一般為6層，其壓力損失較小[15]。

圖2 標準塔式籽棉干燥機

塔式干燥機是目前國內應用最為普遍的籽棉干燥方式，使用率占90%以上。塔式干燥機具有結構簡單、占地面積少、生產率高、沒有傳動部件、操作維修方便等優點。但是由于空氣還參與籽棉輸送，因此，塔式干燥機所需的空氣量較大。另外，目前塔式干燥機干燥后的空氣通常沒有有效的熱回收裝置，這樣塔式干燥機的熱能利用率低，系統動力消耗大。

圖3 隔板增熱式籽棉干燥機

2.脈沖—轉筒組合式干燥機。

脈沖—轉筒組合式干燥機由脈沖管和轉筒干燥機組合而成[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。轉筒干燥機主要有轉筒及轉筒兩端的進口和出口，轉筒內壁上交錯分布弧形抄板，起到均勻籽棉和引導籽棉運動作用。籽棉和熱空氣進入轉筒后，氣流速度下降，依靠轉筒的旋轉和弧形抄板的作用，籽棉不斷地被拋起后下落。在這過程中，籽棉中的水分不斷地被熱空氣帶走。

圖4 脈沖—轉筒組合式干燥機

脈沖-轉筒組合式干燥機的優點是：籽棉干燥均勻、工作可靠，相比塔式干燥機，其熱能消耗低。其缺點是：占地面積大、設備維護困難。

（二）機械輸送式籽棉干燥機

1.清理干燥一體式籽棉干燥機。

清理干燥一體式干燥機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布置于籽棉通道內部，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。工作過程中，籽棉由喂料口進入籽棉通道，熱空氣由左右兩邊的熱空氣進口進入籽棉通道，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，又在重力及熱空氣的作用下向下落，在這過程中不斷完成熱量和質量的傳遞，廢氣由排雜通道向上排出，籽棉由下閉風閥排出。

圖5 清理干燥一體式籽棉干燥機

清理干燥一體式干燥機的優點：減少了熱空氣的流量，籽棉干燥過程中的開松程度較好，干燥效率高。其缺點包括：（1）在籽棉未達到清理所需的回潮率時進行多次打擊，棉纖維易出現索絲、棉結，影響棉花加工質量；（2）設備結構復雜、傳動部件多、設備穩定性差、設備維護困難[18]。

2.帶式籽棉干燥機。

帶式籽棉干燥機主要由干燥箱體、多層輸送帶、進料裝置、出料裝置、抽風機及吸濕器等組成[19]，如圖6所示。工作過程中，籽棉由進料裝置均勻地鋪在輸送帶的網板上，籽棉在輸送帶上移動并落在下層輸送帶上，熱風穿過物料，完成熱量的傳遞。

圖6 帶式籽棉干燥機

帶式干燥機的特點：干燥過程中熱空氣中的塵雜較少，通過吸濕器除濕后可以循環利用，這樣就大大提高了熱量利用率，通過多次翻轉，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，相比塔式干燥機干燥效率低、設備占地面積大、結構復雜且安裝維護困難。

3.微波式籽棉干燥機。

微波式籽棉干燥機主要由進料裝置、干燥箱、抽濕系統、出料裝置、控制系統、波導裝置及單管微波源組成[20]，如圖7所示，其中抽濕系統包括抽風機和抽風道，抽風道設置于干燥箱體外側并通過多孔板與箱體內部連通。工作過程中，籽棉由進料裝置進入，籽棉自由下落，在下落過程中，微波對籽棉加熱，由干燥箱體下方的喂棉輥調節加熱時間，抽濕系統將汽化后的水分帶走，籽棉由出料裝置排出，實現對籽棉的干燥。

微波籽棉干燥機具有效率高、干燥速率快、干燥均勻、便于實現自動控制及熱量利用率高的優點。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，很難在短時間內將汽化水排出。在實際應用過程中，出料口排出的籽棉往往會出現再次回潮的現象[21]。

四、籽棉干燥工藝與設備存在的問題

（一）籽棉干燥理論薄弱

我國籽棉干燥工藝與設備是在消化吸收的基礎上發展起來的，對籽棉干燥理論的基礎的認知較為薄弱，目前缺乏對籽棉干燥工藝及設備的系統性研究。設計者往往是憑借其工作經驗進行干燥工藝和設備的設計，因而很難達到最優的干燥工藝參數。

（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籽棉干燥工藝，干燥后的廢氣經過簡單除塵后排入大氣中，導致很大一部分熱量被浪費。另外，軋花廠對保溫的認識不到位、管道漏氣、擋車工的業務素養不高等也是造成熱能利用率低的原因。

（三）自動化程度低

烘干過程中的籽棉含雜率高、雜質類型多樣，籽棉回潮率在線檢測難度較大。雖然目前國內已研制出在線式籽棉回潮率檢測裝置，但其檢測準確性、穩定性較低，很難應用于籽棉回潮率的調控。目前籽棉干燥過程中，通常是憑借擋車工的經驗來調節用于干燥的熱空氣溫度，籽棉干燥過程中往往出現過度干燥和干燥不足的情況。

五、籽棉干燥工藝與設備的發展趨勢

根據目前干燥工藝與設備的特點，籽棉干燥工藝與設備將向著降低籽棉干燥的熱量消耗、提高干燥效率、干燥品質和提高籽棉干燥自動化、智能化方向發展，具體表現在以下幾個方面：

（一）深入研究籽棉干燥過程中的傳熱、傳質機理，量化籽棉干燥過程中的工藝參數，研究最適宜籽棉干燥的干燥工藝與設備。

（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，形成閉環式或半閉環式籽棉干燥工藝。

（三）開展不同類型籽棉干燥設備的關鍵零部件與干燥效率關系的研究，對結構參數進行優化，并在進一步完善國內現有干燥工藝的基礎上開發新型干燥設備，在降低籽棉干燥的熱量消耗、提高干燥效率、干燥品質等方面有所創新。

（四）由于棉花加工過程中回潮率不能過高和過低，因此，應加快高精度高可靠性的棉花回潮率在線檢測設備的研發，開發籽棉干燥自動控制系統，高效動態地調控棉花回潮率，保證棉花加工品質。

六、結語

籽棉干燥是提高棉花生產效率和加工品質的重要途徑。近年來我國棉花加工籽棉干燥設備取得了一定的發展，但由于棉花加工單位時間處理量大、塵雜含量大的特點及棉纖維吸濕的特性，干燥工藝與設備的研究還不夠成熟、技術含量較低，因此，在研制節能環保的籽棉干燥系統時，需要研究適宜于籽棉的閉環式干燥工藝，進一步打好籽棉干燥理論基礎，開展關鍵零部件的創新設計，研制高精度籽棉回潮率在線檢測裝置，開發自動化、智能化控制系統。