國內外籽棉加濕系統的研究現狀與發展趨勢

秦建鋒 孟永法 向天明

（中華全國供銷合作總社鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州，450004）

在棉花加工過程中，回潮率是影響棉花加工質量的重要因素之一［1］。棉纖維是吸濕性物質，回潮率的大小會影響其物理特性，回潮率過大，棉纖維與雜質、機械表面的摩擦力增大，造成籽棉清理效率較低和設備易堵塞，且在外力的作用下，纖維之間會更多地纏繞、扭曲，致使產生較多的棉結、索絲［2‐3］。一般采收后的籽棉回潮率較高，尤其是機采籽棉。為提高籽棉清理效率，通常對籽棉進行干燥，將籽棉回潮率降低到5.0%～6.0%［4‐6］。同時，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。研究表明，適宜軋花環節的棉纖維回潮率在7.5%左右［7‐8］。為此，在軋花前需要將棉纖維的回潮率從5.0%～6.0% 提升到7.5%左右，這就需要在軋花前對清理后的籽棉進行加濕處理［9］。目前國內外采用的籽棉加濕方式可以分為熱加濕和冷加濕兩種類型，其中熱加濕的應用更為廣泛，國內外部分棉花加工廠也嘗試采用了冷加濕的方式。在實際應用過程中，冷加濕、熱加濕均表現出了一定的問題。熱加濕存在能耗高、能源利用率低、設備復雜和占地面積大的問題；冷加濕存在加濕均勻性差、加濕能力可控性差和對環境適應性較差的問題。

為此，我們對國內外棉花加工過程中籽棉加濕系統的研究現狀，以及使用的幾種籽棉加濕系統的結構、工作原理進行總結歸納，分析不同籽棉加濕系統的優缺點。結合我國籽棉加濕系統的發展現狀和趨勢，提出系統優化和創新研發建議。

1 籽棉加濕系統的作用和類型

1.1 籽棉加濕的作用

將軋花前棉花回潮率提高到適宜軋花的回潮率，減少軋花過程中鋸齒勾拉力對棉纖維的損傷，提高皮棉的纖維長度、強力和長度整齊度指數，進而提高棉花加工質量［10‐12］。此外，籽棉加濕還能提高棉纖維的防靜電性能。

1.2 籽棉加濕的類型

籽棉加濕方法主要包括熱加濕和冷加濕兩種。在實際應用中，國內外籽棉加濕系統以熱加濕為主。熱加濕是通過將濕熱空氣與籽棉充分混合，濕空氣進入到纖維間的空隙中，濕空氣在溫度梯度的作用下冷凝形成棉纖維表面的吸附水，完成對籽棉的加濕。籽棉熱加濕系統類型主要包括塔式籽棉加濕系統、管道式籽棉加濕系統和儲棉箱籽棉加濕系統3 種。籽棉熱加濕系統主要由供熱風機、熱源、霧化裝置和籽棉加濕裝置組成。冷加濕是通過物理方式將水霧化成微小顆粒，將霧化水噴灑在籽棉表面，完成對籽棉的加濕。籽棉冷加濕系統主要包括超聲波霧化加濕、高壓霧化加濕和高壓氣水混合加濕3 種。相比熱加濕，籽棉冷加濕設備組成簡單，主要包括水霧化裝置。籽棉加濕方法歸類及對應機型如下。

熱加濕：MJZT‐A 型塔式籽棉加濕系統，MJZT‐B 型塔式籽棉加濕系統，MJZ‐A 型儲棉箱式籽棉加濕系統，MJZ‐12 型儲棉箱式籽棉加濕系統，Samuel Jackson 公司儲棉箱式籽棉加濕系統，烏茲別克斯坦清理機卸料出口籽棉加濕系統。

冷加濕：CH‐R105 型超聲波霧化棉花加濕器。

我國籽棉加濕技術起步較晚，是在學習國外先進產棉國棉花加工技術的基礎上發展起來的。目前，我國籽棉加濕系統的研究已取得了較大的進展，開發出了具有自主知識產權的產品。我國籽棉加濕系統主要有鄭州棉麻工程技術設計研究所研制的塔式籽棉加濕和儲棉箱籽棉加濕，山東天鵝棉業機械股份有限公司研制的儲棉箱籽棉加濕及鄭州格潤加濕設備有限公司研制的超聲波霧化籽棉加濕，其中超聲波霧化籽棉加濕應用較少。國外籽棉加濕技術的研究和籽棉加濕系統的應用較早，加濕設備的類型比較多。以美國為代表的先進產棉國目前以Samuel Jackson 公司研制的儲棉箱籽棉加濕為主。烏茲別克斯坦研制了安裝在籽棉卸料口的籽棉加濕裝置。

2 國內籽棉加濕系統的發展現狀

國內籽棉加濕系統主要包括塔式籽棉加濕、二道塔式籽棉加濕、儲棉箱籽棉加濕和超聲波霧化籽棉加濕。

2.1 塔式籽棉加濕系統

MJZT‐A 型塔式籽棉加濕系統是由鄭州棉麻工程技術設計研究所在國內較早推出的籽棉加濕系統，其為熱加濕方式，加濕環節設置在末道籽棉清理后和配棉絞籠之間。塔式籽棉加濕主要包括供熱風機、熱源、霧化器、籽棉回潮率在線檢測裝置、自控箱、閉風閥、混合箱、加濕塔、卸料器和輸棉絞籠，其工藝流程如圖1 所示。輸棉絞籠設置在配棉絞籠一側，自控箱設置在輸棉絞籠的出料口，自控箱底部依次設置閉風閥和混合箱，供熱風機、熱源、霧化器依次通過管路連接于混合箱進口，混合箱的出口通過管路連接于加濕塔的進口，加濕塔的出口連接于卸料器的進口，卸料器設置在配棉絞籠的上側［13］。

圖1 MJZT‐A 型塔式籽棉加濕系統工藝流程

工作過程中，末道籽棉清理出口的籽棉經輸棉絞籠進入自控箱，熱源加熱后的空氣進入霧化器與經水泵加壓后噴淋水混合形成熱濕空氣，籽棉經自控箱、閉風閥進入混合箱后，在熱濕空氣的帶動下進入加濕塔，籽棉與熱濕空氣混合、流動的過程中完成對籽棉的加濕，加濕后的籽棉經卸料器進入配棉絞籠。

該種籽棉加濕系統能夠較好完成對籽棉的加濕，但其工藝、設備復雜，成本較高，占地面積大，不適宜在車間改造。

2.2 二道塔式籽棉加濕系統

針對采用復合式籽棉清理機的棉花加工生產線，鄭州棉麻工程技術設計研究所在MJZT‐A 型塔式籽棉加濕系統的基礎上設計推廣了MJZT‐B型二道塔式籽棉加濕系統，加濕環節設置在典型棉花加工工藝的二道干燥塔的位置。二道塔式籽棉加濕系統主要在現有棉花加工生產線的二道干燥環節基礎上改造而成，其工藝圖如圖2 所示。在原有二道干燥環節的熱源和混合箱之間安裝霧化器，在二道加濕塔的出口處安裝籽棉回潮率在線檢測裝置［14］。

圖2 MJZT‐B 型二道塔式籽棉加濕系統工藝流程

工作過程中，根據籽棉回潮率在線檢測裝置檢測的回潮率數據，通過調節熱空氣溫度調節霧化器形成的濕空氣溫濕度，進而調節籽棉回潮率，將回潮率調控在適宜軋花的7.5%左右。

該種籽棉加濕系統適用于安裝有復合式籽棉清理機的棉花加工生產線。對于沒有安裝復合式籽棉清理機的生產線，由于籽棉加濕位置設置在二道籽棉清理之前，該加濕系統在一定程度上影響二道籽棉清理效率。

2.3 儲棉箱籽棉加濕系統

我國儲棉箱籽棉加濕系統是在借鑒美國儲棉箱籽棉加濕技術的基礎上發展起來的。儲棉箱籽棉加濕系統通過將熱濕空氣從四周或兩側引入到儲棉箱內與棉花混合實現籽棉加濕。國內研制并在生產線上應用的有MJZ‐A 型和MJZ‐12（MY171）型儲棉箱加濕系統工藝流程。這兩種儲棉箱籽棉加濕系統有近似的部分，但也有很大區別。

圖3 為MJZ‐A 型儲棉箱加濕系統工藝流程，其主要包括熱風爐、供熱風機、霧化器和籽棉加濕裝置［15］。工作過程中熱風爐產生的熱風進入霧化器內與噴淋水混合形成熱濕空氣，根據籽棉回潮率在線檢測裝置檢測的籽棉回潮率值調控熱濕空氣的溫濕度，熱濕空氣進入籽棉加濕裝置的前后側，通過多孔網板進入籽棉通道與籽棉混合實現籽棉加濕。

圖3 MJZ‐A 型儲棉箱加濕系統工藝流程

圖4 為MJZ‐12（MY171）型儲棉箱加濕系統工藝流程，其主要包括蒸汽爐、風機、熱風蒸汽混合箱、蒸汽加壓裝置和籽棉加濕裝置［16］。工作過程中蒸汽爐產生的蒸汽一部分通過換熱器加熱空氣形成熱空氣，一部分蒸汽通過蒸汽加壓裝置加壓后在熱風蒸汽混合箱內噴射后與熱風混合形成熱濕空氣，熱濕空氣被引入到籽棉加濕裝置的前后側，通過扣板進入籽棉通道與籽棉混合實現籽棉加濕。

圖4 MJZ‐12（MY171）型儲棉箱加濕系統工藝流程

對比這兩種儲棉箱籽棉加濕系統，所采用的技術不盡相同，對比如表1 所示。最大的區別在于熱濕空氣的形成不同，圖5 為濕空氣形成裝置的實物對比。

圖5 兩種儲棉箱籽棉加濕系統濕空氣形成裝置對比

表1 國內不同型號儲棉箱籽棉加濕系統對比

相比塔式籽棉加濕系統，儲棉箱籽棉加濕系統工藝簡單、結構緊湊，節省能源，適宜于老舊車間的改造，但也存在籽棉穿透不足、加濕均勻性差的問題。

2.4 超聲波霧化籽棉加濕器

CH‐R105 型超聲波霧化籽棉加濕器屬于冷加濕。超聲波霧化是采用霧化片產生的高頻振蕩（振蕩頻率為1.7 MHz 或2.4 MHz，超過人的聽覺范圍，該電子振蕩對人體及動物無傷害），使得水被拋離水面產生飄逸的水霧。在我國新疆棉區，部分棉花加工廠在環境溫度較高時，將超聲波霧化器霧化后的水霧引入到配棉絞籠位置與籽棉混合，實現籽棉加濕，如圖6 所示。

圖6 CH‐R105 型超聲波霧化籽棉加濕器

超聲波霧化加濕器結構簡單，易于安裝。在環境溫度較高時，超聲波霧化加濕對籽棉有一定的加濕效果。但隨著環境溫度的降低，霧化水僅對表層籽棉和籽棉的外表有一定的加濕效果，加濕均勻性較差，霧化水大量積聚在設備的表面，影響籽棉的輸送和加工。并且，即使是環境溫度較高時，很難準確控制加濕后的籽棉回潮率，回潮率過高也會降低棉花加工質量［17］。

3 國外籽棉加濕系統的發展現狀

3.1 儲棉箱籽棉加濕系統

Samuel Jackson 公司儲棉箱籽棉加濕系統工藝與國內相關產品基本一致，其主要由風機、熱濕空氣形成裝置和加濕裝置組成［18］，如圖7 和圖8所示。熱濕空氣形成裝置產生的熱濕空氣在風機的帶動下進入加濕裝置的腔體之內與棉花混合，實現籽棉加濕［19‐20］。與國內相關產品的最大不同在于熱濕空氣形成方式不同，該廠家的熱濕空氣形成裝置為一體式，結構緊湊，其主要包括天然氣、燃油燃燒器和噴淋裝置，噴淋裝置包括水泵和噴嘴。熱濕空氣形成裝置工作過程中，天然氣燃燒器加熱空氣，被加熱后的空氣進入噴淋室，部分火焰直接與噴淋水接觸，經過熱質轉換后形成熱濕空氣，另外對噴淋后的回流水采用水力沙克龍進行凈化。

圖7 Samuel Jackson 公司儲棉箱籽棉加濕系統工藝流程

圖8 Samuel Jackson 公司儲棉箱籽棉加濕系統實物圖

與國內相關產品相比，該廠家的儲棉箱籽棉加濕系統對籽棉回潮率的調控精度較高，主要表現在兩個方面：一是熱濕空氣形成裝置能夠精確地控制出口處濕空氣的溫度和相對濕度；二是回潮率在線檢測的穩定性、準確性較好。

3.2 清理機卸料口籽棉加濕系統

清理機卸料口籽棉加濕系統是由烏茲別克斯坦農業部研制的，其結構如圖9 所示，主要包括蒸汽發生器和籽棉加濕裝置，籽棉加濕裝置包括蒸汽噴嘴、卸料加濕腔體、加濕隔板、蒸汽回收管道和籽棉輸送管道［21］。工作過程中蒸汽發生器產生高壓蒸汽，噴嘴噴出的蒸汽通過加濕隔板進入卸料加濕腔體內與進入的籽棉混合，實現籽棉加濕，部分未被籽棉吸收的蒸汽通過蒸汽回收管進入籽棉輸送管道對棉花進一步加濕，籽棉輸送管道將棉花輸送到軋花機。

圖9 清理機卸料口籽棉加濕系統

該裝置結構比較簡單，但缺少回潮率檢測裝置，加濕能力可控性較差。另外，如果按照我國的棉花加工工藝，末道籽棉清理機距離軋花機比較近，沒有空間位置安裝該設備。

4 國內籽棉加濕系統存在的問題和發展趨勢

4.1 國內籽棉加濕系統存在的問題

（1）籽棉加濕機理研究薄弱。我國籽棉加濕技術及設備是在消化吸收國外先進經驗的基礎上發展起來的，對籽棉加濕機理的研究比較薄弱，尤其是熱加濕與冷加濕的區別和二者對棉花加工質量的影響。目前缺少對籽棉加濕技術及設備的系統性研究，設計者往往是憑借工作經驗進行設備的設計，因而很難達到最優的加濕工藝參數。

（2）加濕方式單一，能耗高，能源利用率低。目前國內開發的籽棉加濕系統以熱加濕為主。相比冷加濕，熱加濕的能耗較高。目前國內開發的籽棉加濕系統往往僅能兼顧一種加濕方式。我國籽棉加濕工藝是開環式的，加濕后的廢氣直接排出到大氣環境當中，造成一部分熱量的浪費。加濕系統的自動化、智能化程度低也是造成能耗高和能源利用率低的原因之一。

（3）設備自動化程度低、維護困難。影響國內籽棉加濕系統自動化程度的關鍵因素是在線式籽棉回潮率檢測。雖然國內已研制出籽棉在線式回潮率檢測裝置，但相比國外先進技術，國內在線式籽棉回潮率檢測裝置的種類少，對不同環節的適應性差和檢測穩定性一般。國內在籽棉加濕系統控制系統的開發中缺少滿足我國棉花加工要求的基礎試驗研究作為指導。另外，國內由于籽棉加濕系統的工藝復雜，設備集成度較低，維護困難。

4.2 國內籽棉加濕系統的發展趨勢

目前我國棉花加工熱源處于一個轉型期，由燃煤熱源轉向電熱源，熱源使用費在棉花加工總費用中的占比增加。結合我國現有籽棉加濕工藝和設備，籽棉加濕系統將向著降低籽棉加濕的能量消耗、提高加濕效率和提高籽棉加濕自動化、智能化方向發展，具體表現在以下幾個方面。

（1）深入研究籽棉加濕機理，研究之前加濕過程中的傳熱、傳質機理，量化籽棉加濕過程中的工藝參數，研究最適宜軋花前籽棉加濕的工藝與設備。

（2）開展籽棉加濕廢氣中潛熱與顯熱的回收，充分提高能源利用率，形成閉環式或半閉環式籽棉加濕工藝，研究適應不同環境條件且能夠兼容熱加濕和冷加濕的加濕工藝，降低籽棉加濕的熱量消耗。

（3）開展不同類型籽棉加濕設備的關鍵零部件與加濕效率關系的研究，對結構參數進行優化，并在進一步吸收國內先進籽棉加濕技術的基礎上，開發新型加濕裝備，在降低籽棉加濕的熱量消耗、提高加濕效率等方面有所創新。

（4）棉花加工過程中回潮率不能過高或過低，應加快高精度、高可靠性的棉花回潮率在線檢測裝置的研發，開發籽棉加濕自動控制系統，高效動態地調控棉花回潮率，保證棉花加工品質。

5 結語

籽棉加濕是棉花加工過程中通過調控軋花前籽棉回潮率提高皮棉加工質量的重要途徑。雖然近年來我國籽棉加濕系統的研制取得了一定的發展，但仍存在能耗高、能源利用率低，加濕工藝與設備的研究還不夠成熟、技術含量較低等問題。因此，在研制節能環保的籽棉加濕系統時，需要更深入研究籽棉加濕機理和加濕工藝，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，加速籽棉加濕系統在我國棉花加工過程中的應用和推廣，提高我國棉花加工質量。