籽棉含水率控制

■ 史書偉 秦建鋒 譯

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計研究所，河南鄭州450004〕

籽棉水分含量對于棉花加工是非常重要的。籽棉水分含量過高，不適宜籽棉清理和軋花，并且籽棉將會難以開松而形成團狀，進而可能導(dǎo)致堵塞、軋花設(shè)備的損壞或完全停止工作；籽棉水分過低，棉纖維由于其表面產(chǎn)生的靜電而易于粘附在金屬的表面，進而導(dǎo)致設(shè)備堵塞和停止工作。棉纖維干燥到非常低的含水率時將會變得脆弱，被清理和軋花所需的機械力而損傷。當(dāng)含水率較低的棉纖維壓縮和成包時，如果不增加棉纖維含水率，獲得期望的棉包重量和密度通常是困難的。高溫干燥可能會損傷棉纖維。推薦一道干燥溫度不能超過200°F（93.33℃）（Bennett1932）。軋花生產(chǎn)線上每一道工藝所需要的含水率都對應(yīng)一個最優(yōu)值。籽棉含水率的有效控制將會提高生產(chǎn)效率和成包棉花的市場價值。

籽棉的主要成分棉纖維和棉籽是吸濕性的，但是兩者又有所不同，如圖1所示。在潮濕的空氣中，干燥的棉纖維將會吸濕；在干燥的空氣中，潮濕的棉纖維將會放濕。籽棉、棉纖維及棉籽在環(huán)境空氣溫度和相對濕度的每種組合下都對應(yīng)著含水率平衡值。例如，如果籽棉放在空氣相對濕度50%和溫度70°F（21.11℃）的環(huán)境下，棉纖維含水率（濕基）將會接近大約6%（回潮率6.38%）；棉籽含水率將會接近大約9%（回潮率9.89%）；籽棉的含水率將會接近大約8%（回潮率8.70%）。在給定的相對濕度下，含水率平衡值是溫度和大氣壓力的函數(shù)。

圖1 70°F（21.11℃）和30英寸（762mm）大氣壓時，棉纖維、籽棉和棉籽在不同的相對濕度下的含水率平衡值

水分不僅僅出現(xiàn)在棉纖維和棉籽中（吸收水），有時出現(xiàn)在它們的表面（吸附水）。吸收水和吸附水的比率變化較大，除非籽棉在一個相對濕度不變的穩(wěn)定的環(huán)境下儲藏較長時間。棉纖維、棉籽及籽棉含雜的含水率（包括吸收水和吸附水）受天氣、采收方式及采收與軋花之間的存儲時間的影響。在下雨和結(jié)露時采收的籽棉可能會較多的吸附水，然而在濕空氣中暴露較長時間的籽棉將會含有較高的吸收水。

籽棉采收時，環(huán)境條件的影響必須被考慮，尤其是相對濕度。就像前面談?wù)摰?，籽棉采收時的環(huán)境條件影響籽棉的含水率。環(huán)境相對濕度對棉花含水率的影響是相對簡單的、實用的及易于理解的，但是在軋花干燥系統(tǒng)中，由于空氣被加熱，環(huán)境相對濕度是不實用的及無意義的。由于空氣被加熱到高于水的沸點，相對濕度的術(shù)語不再合適，必須采用蒸汽壓力梯度去定義干燥過程中水分的移動。因此，棉花干燥的討論應(yīng)該基于干燥所采用的是環(huán)境空氣還是加熱的空氣。

一、籽棉干燥理論

棉花的吸收水和吸附水影響蒸汽分壓，蒸汽分壓是溫度的直接函數(shù)。如果周圍空氣的水蒸氣分壓低于棉花內(nèi)部的水蒸氣分壓，將會實現(xiàn)干燥。相反地，如果周圍空氣的水蒸氣分壓高于棉花內(nèi)部的水蒸氣分壓，將會實現(xiàn)加濕。

確定干燥效率的主要因素是蒸汽分壓梯度，其他的因素包括：（1）干燥空氣的溫度；（2）棉花和干燥空氣的重量比率；（3）被干燥籽棉的開松程度；（4）暴露時間；（5）干燥空氣和棉花的相對速度；（6）進入干燥設(shè)備的籽棉的含水率。開松、暴露時間和相對速度影響干燥系統(tǒng)高效利用干燥空氣的潛能。

環(huán)境空氣及熱空氣均能用來干燥棉花。當(dāng)采用環(huán)境空氣時，相對濕度（對應(yīng)的空氣的蒸汽分壓）必須等于或小于能夠獲得期望的棉纖維含水率平衡值的對應(yīng)相對濕度（圖1）。例如，為了被干燥棉纖維的含水率達到7%（回潮率7.53%），空氣的相對濕度必須不大于55%，大約0.4英寸（10.16mm）汞柱水蒸氣分壓。

大多數(shù)的軋花廠棉花干燥采用熱空氣實現(xiàn)。伴隨著空氣和籽棉穿過干燥設(shè)備，空氣溫度由于熱量的散失將會下降，熱量被用來提高棉花的溫度，棉花中水分進而被蒸發(fā)。棉纖維溫度將會提高，除非其溫度接近周圍的干燥氣體的溫度。熱量通常由熱空氣傳向棉纖維中的水分，進而提高棉纖維的蒸汽分壓并大于空氣的蒸汽分壓，從而棉纖維中的水分蒸發(fā)。驅(qū)使每一單位水分從棉纖維中排出的熱量必須被補充并保持棉纖維在相同的溫度。如果熱量沒有增加，水蒸氣的冷卻效果最終將會停止干燥過程?？諝饬鞔┻^整個棉花團對于去除被釋放的水蒸氣和補充由于蒸發(fā)而散失的熱量是有必要的。這個必要條件解釋了湍流在很多類型的籽棉烘干設(shè)備中的重要性。

在氣流干燥過程中，最快速的干燥出現(xiàn)在干燥的開始階段。空氣相比棉花具有較高的溫度，并快速地加熱棉花，提高棉花內(nèi)的水蒸氣分壓。由于被加熱的空氣含水率較低，因此，棉花和空氣內(nèi)的水蒸氣分壓的差別較大。伴隨著干燥過程，空氣溫度不斷降低、棉花溫度升高，熱量傳向棉花的速率降低。熱量傳遞速率減少、棉花含水量降低和空氣含水率提高，降低了蒸汽分壓梯度及干燥速率。伴隨著棉花含水率的降低，剩余水分是更緊密地受制于纖維素，并且驅(qū)除單位剩余水分需要的熱量顯著地提高。

在商品化的軋花干燥設(shè)備中，大多數(shù)水分是在短時間內(nèi)去除的，這些水分是來自棉纖維而不是棉籽和雜質(zhì)。棉籽占機采籽棉重量的60%。基于籽棉烘箱干燥的含水量結(jié)果不一定表明棉纖維的加工情況。從軋花的角度看，棉籽的含水率相比棉纖維的含水率不重要，除非棉籽是特別潮濕以至于柔軟或成糊狀。為了更便于軋花，棉籽含水率應(yīng)該不高于12%（回潮率13.64%）。

二、干燥對棉纖維質(zhì)量的影響

潮濕棉花適宜的干燥，對廠家、軋花工以及紡紗工這幾個方面是有益的。干燥設(shè)備通過去除過多的水分及抖動部分開松的籽棉團將籽棉變得更加平順和軋花車間操作更加連續(xù)。伴隨著籽棉的干燥增強，籽棉清理效率將會提高（CockeandGamer 1972）。然而，過度的干燥可能引起質(zhì)量問題。

“過度干燥”是一個模糊的并且濫用的術(shù)語。如果干燥過程是在低溫下進行的，棉纖維干燥到一個較低的含水率水平是沒有損害的。棉纖維仍然在田地里時，通常被干燥到大約4%（4.17%）或5%（5.23%）的含水率。過度干燥的損害來源于兩個方面：一是棉纖維變得太熱；二是棉纖維過干（纖維脆弱）時進行機械清理、軋花和鋸齒皮棉清理。

棉花應(yīng)盡量采用低溫干燥，從而軋花操作將會是令人滿意的。實驗測試表面：棉纖維在450°F～500°F（232.22℃～260.00℃）時將會燒焦，燃點是450°F（232.22℃），閃點是 550°F～600°F（287.78℃～315.56℃）（美國農(nóng)業(yè)部1964）。在任何情況下，在干燥系統(tǒng)的任何位置溫度都不能高于350 °F（176.67 ℃）。

棉纖維強力和短纖維含量受其自身含水率的影響。含水率15%（回潮率16.28%）的棉纖維強力是含水率4%（回潮率4.17%）的棉纖維的1.7倍（Moore andGriffin1964）。被干燥到極低含水率時的棉纖維變得易損傷和易碎，在加工過程中，其更可能被打斷。如果棉纖維從5%（回潮率5.23%）的含水率干燥到3%（回潮率3.09%），經(jīng)過兩道皮棉清理后，棉纖維的短纖維含量將會增加多達1.4倍。同樣地，長度測量值隨著含水率的降低而降低，例如主體長度或上四分位長度（MangialardiandGriffin1966）。

三、干燥實踐

干燥系統(tǒng)包括滾筒式、塔式、組合式干燥塔和無塔式。目前的干燥系統(tǒng)能夠嚴(yán)重地過度干燥棉花，為避免降低棉花質(zhì)量，必須合適地使用。長時間的低溫干燥相比快速的高溫干燥對于棉花的損傷小。這意味著，相對低溫的兩道干燥相比一道高溫干燥是更可取的。

適宜籽棉干燥所需的空氣速度和空氣體積變化較大，其依賴于干燥設(shè)備的類型和軋花速度。被用于干燥的空氣體積從塔式干燥的每磅籽棉20ft3（約每公斤籽棉1.25m3）變化到無塔式干燥的40ft3～50ft3（2.5m3～3.12m3）。在塔式干燥中，空氣的速度必須足夠保持棉花輸送，管道內(nèi)的速度在4000ft/min～5000ft/min（20.32m/s～25.4m/s）之間，塔體里面的速度在1500ft/min～2000ft/min（7.62m/s～10.16m/s）之間。

塔式干燥設(shè)備的棉花處理量在8包/h～30包/h，其取決于干燥塔的寬度、干燥塔的隔板空間、棉花初始狀態(tài)及穿過干燥系統(tǒng)的空氣的量。

摘錠摘取的棉花包含較少的雜質(zhì)，并且相比剝?nèi)∈秸彰薮┻^干燥塔更加迅速。雨天采收的棉花和其他相對密實的棉花必須處理以防止輸送系統(tǒng)的短暫的過載和堵塞。干燥系統(tǒng)最關(guān)鍵的位置包括避風(fēng)閥正下方的管道處（混合箱處）及塔體的上端和底部的幾個隔板處。在這些隔板處，由于棉花從管道流入或流出塔體，空氣的速度變化比較突然。

在氣力輸送系統(tǒng)中，棉花和干燥空氣的流動速度不同。潮濕的、重的及密實的棉花相比干燥空氣流動速度較慢。棉花由于水分的去除和機械作用而被開松，更便于其氣力輸送，并且棉花的最終速度是非常接近輸送氣體的速度。棉花通常在干燥塔體內(nèi)的時間在7s～10s。

典型的棉花干燥系統(tǒng)包括一個熱源、一個或更多風(fēng)機、管道、干燥塔及籽棉清理設(shè)備，籽棉清理設(shè)備的作用包括熱的潮濕的空氣與棉花的分離和棉花清理，如圖2所示。因為軋花廠具有較多不同的布局，所以各個軋花廠的干燥所需要的空氣以及干燥暴露時間應(yīng)該是不同的。

一個風(fēng)機和燃燒器輸送加熱后的空氣到空氣與棉花混合點，并且第二個風(fēng)機通常用來輔助輸送棉花通過該系統(tǒng)。

圖2 典型的棉花干燥系統(tǒng)

溫度傳感器的安裝位置是非常重要的。雖然傳感設(shè)備表明干燥溫度是安全的，但是許多棉包還是被過度干燥。例如當(dāng)溫度傳感器很好地安裝到了干燥系統(tǒng)—靠近干燥塔的底部，空氣與棉花的混合點的溫度相比傳感器檢測到的溫度高很多。

另外一個需要考慮的因素是積蓄在塔體隔板處的熱量的影響。當(dāng)溫度傳感器接近塔體底部時，積蓄的熱量通常引起自動控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)，即使采用了高質(zhì)量的調(diào)制控制器。控制器可能因此每幾分鐘起停干燥設(shè)備。然而，這種開關(guān)循環(huán)可能會被忽視。

一道塔式干燥系統(tǒng)的典型溫度變化如圖3所示，其中溫度控制傳感器安裝在沿塔體向下的三分之二處。當(dāng)溫度控制器設(shè)定在180°F（82.22℃），混合點溫度平均在422°F（216.67℃），瞬時最高溫度達到525°F（273.89℃）。溫度控制傳感器應(yīng)該安裝在充分接近混合點，從而快速響應(yīng)燃燒器的輸出變化。為了快速響應(yīng)，傳感器應(yīng)該安裝在空氣流速較高的地方，除了傳感器與籽棉干涉的地方。如果傳感器與潮濕的或結(jié)冰的棉花接觸，燃燒器將會反應(yīng)劇烈。

圖3 塔式干燥設(shè)備的溫度相對時間的變化（溫度傳感器安裝在塔體的底部）

乍一想，傳感器放置在混合點前的熱空氣管道上，這樣看上去是避免棉花燒焦的一種實用方式。如果這樣做，然而，控制器對棉花總量和潮濕程度的響應(yīng)將會丟失。燃燒器工作過程中熱量輸出將會一直不變，從而造成避風(fēng)閥處棉花瞬間點燃。同樣，如果僅僅喂入少量的棉花，棉花將會過度干燥或燒焦。采用雙傳感器是更可取的，這樣將會防止燒焦和棉花的過分損傷。主傳感器應(yīng)該安裝在混合點的下游，溫度限制開關(guān)設(shè)置在350°F（176.67℃），應(yīng)該安裝在混合點之前。在任何塔式干燥系統(tǒng)推薦應(yīng)用的方式是，溫度傳感器安裝在塔體的頂部，燃燒器高溫切斷開關(guān)（或至少警示裝置）安裝在混合點。

對于軋花工人來說，目前的軋花速度太快而不能檢測每一次喂入的棉花量來調(diào)節(jié)干燥系統(tǒng)。對于減少成包皮棉的含水率的變化量，自動化的干燥設(shè)備是有必要的。通過調(diào)節(jié)熱源燃料消耗與為去除棉花過多含水率實際所需要的相等，并且當(dāng)干燥系統(tǒng)內(nèi)沒有棉花時降低燃燒器火焰，自動控制能夠節(jié)省相當(dāng)大的能量。

表1 籽棉含水率單位：%

研究證明，干燥系統(tǒng)保溫對減少熱量散熱是非常重要的。保溫材料的測試范圍從1英寸（25.4mm）厚的玻璃纖維到3英寸（76.2mm）厚的保溫棉?；旌宵c的溫度測試范圍是從160°F（71.11℃）到350°F（176.67℃），并且燃料的節(jié)省范圍從21%～28%?；旌宵c的溫度越高，在一種給定的保溫條件下，燃料的節(jié)省越少。這種關(guān)系表明，高溫需要更好的保溫措施。盡管燃料和保溫的費用各個地方均有不同，僅僅加工10000包皮棉后，干燥設(shè)備的保溫費用就可以回本（按燃料消耗節(jié)省25%）。

另外研究表面，通過設(shè)置加熱系統(tǒng)的空氣進口在較高的水平位置，可以回收干燥系統(tǒng)和電機冷卻的熱量，從而獲得顯著的熱量節(jié)?。ù蠹s15%）（LairdandBaker1985）。

從上邊的這個表可以看出棉花進入相同的籽棉干燥系統(tǒng)，并且混合點的溫度保持在250°F（121.11℃）穿過18層隔板后的棉花含水率（濕基）的變化。

在運棉車上測量的棉花的原始含水率變化范圍在10%之內(nèi)，然而干燥后的皮棉（檢測位置在皮棉滑倒處）的含水率變化范圍在4%之內(nèi)。伴隨著在運棉車上檢測的籽棉含水率降低，干燥后含水率減少值也降低。

四、無塔干燥系統(tǒng)

無塔干燥系統(tǒng)分成三大類：

該種方式，塔式干燥設(shè)備被移除并更換為管道。通常在一道干燥，為了適應(yīng)較高的空氣/棉花混合比率，這些管道的尺寸加大，空氣的流動增強。鼓風(fēng)機被移除，僅剩下引風(fēng)機。一道干燥和二道干燥共用一臺燃燒器。

與第一種方式類似，但是該方式在一道干燥處增加了干燥設(shè)備，該設(shè)備能夠在壓力降低很少的情況下處理較大的空氣量。

與第一種方式類似，但不采用負壓輸送方式，而是在一道和二道干燥混合點處設(shè)置特殊的帶有高速空氣噴嘴的橫向流式混合箱。

無塔式干燥系統(tǒng)設(shè)計原理是只要空氣與籽棉的速度相差較大，干燥時間就會較短，比如，空氣與籽棉速度差較大的位置出現(xiàn)在混合箱混合點處或干燥式清理機空氣與籽棉分離的地方。

五、燃料和燃燒器

軋花干燥系統(tǒng)消耗的燃料的總量，可以采用幾種方式估算出來。最簡單的方式是建立購買的燃料與加工的棉包的關(guān)系，考慮到不被干燥設(shè)備使用的燃料。若已知流過干燥系統(tǒng)的風(fēng)速（風(fēng)速可以通過“氣力輸送和機械輸送系統(tǒng)”來確定），圖4能夠用來確定加熱空氣所需要的熱量。圖4也能夠通過測量熱源前后的空氣流的溫度校驗已經(jīng)安裝的熱源最大輸出。例如，如果干燥系統(tǒng)鼓入8000ft3/min（13592.09m3/h）的空氣，加熱后空氣的溫度是300°F（148.89℃），可以知道熱源提供的熱量是2000000 Btu/hr（2110112kJ，503991.59kcal）。圖 4 的值是基于下面的方程：

式中：Q—每小時消耗的能量，Btu/hr；

V—空氣的流量，ft3/min;

T1—空氣的溫度，°F；

T2—加熱后空氣的溫度，°F。

圖4 通過軋花干燥系統(tǒng)的氣流初始溫度70°F（21.11℃）時，加給氣流的熱量與氣流溫度的關(guān)系

干燥棉花的典型熱量來源于干燥空氣流中燃燒器的火焰。由于燃燒的產(chǎn)物和一些未燃燒的燃料將會混入到棉花之中，空氣加熱器的選擇對于燃燒器的安全運行和高效燃燒很重要。高效燃燒能夠使干燥消耗較少的燃料，并且不產(chǎn)生煙霧繚繞的火焰而使棉花變色。另外一個重要選擇準(zhǔn)則是燃燒器的最大輸出是否充足。在燃燒器最大輸出時燃料流量與能夠提供最低可靠的火焰時燃料流量的比值被稱為“調(diào)節(jié)比”。這個比值是對于棉花干燥非常重要。如果燃燒器不能降低到較小的火焰，將會導(dǎo)致過度干燥和浪費燃料。一個好的干燥燃燒器應(yīng)該有一個可以保證的調(diào)節(jié)比，并且不小于15，但是該比值制造商能夠高達35∶1。

通常應(yīng)用在棉花干燥的燃料包括天然氣和液態(tài)丙烷。表2中給出了棉花干燥系統(tǒng)常用燃料名義上的熱值（低熱值）。

表2 棉花干燥系統(tǒng)常用燃料名義上的熱值

假設(shè)95%的燃燒效率，產(chǎn)生3000000Btu熱量（755987kcal）需要的燃料量是3500ft3（99.11m3）的天然氣或大約36.6gal（0.139m3）的液態(tài)丙烷。

1988年中北部230個棉花加工廠抽樣表明：在1987年采收季節(jié)，干燥加工一包皮棉需要的燃料平均是248ft3（7.02m3）的天然氣或2.3gal（0.0087m3）的液態(tài)丙烷（Anthony1988）。根據(jù)表2中給出的熱值，一般的軋季，加工每包皮棉可能會需要300ft3（8.50m3）的天然氣或 3.3gal（0.0087m3）的液態(tài)丙烷。

六、加濕

美國大多數(shù)的棉花在低濕度期間采收，并且進入軋花廠時棉花的含水率在4%～5%（回潮率4.17～5.26%）之間。籽棉含水率較低時（5%）（回潮率5.26%），清理效率最高（Hughs1985），但是，棉纖維和棉籽分離時，較少損害棉纖維所適宜的含水率稍高一點（6%～7%）（回潮率6.38%～7.53%）。由于在軋花和皮棉清理中，纖維折斷率與纖維含水率成反比，通過控制纖維與棉籽分離時和皮棉清理過程中的含水率在適當(dāng)?shù)妮^高水平，纖維的折斷數(shù)量將會最小化（Leonardetal.1970）。在纖維與棉籽分離和皮棉清理前，通過增加含水率，過度干燥后的棉花的平均長度可以得到保持。然而，增加軋花后皮棉的含水率將不能夠提高纖維長度（GriffinandHarrell1957）。加濕的其他好處包括降低棉花的靜電和減少棉花打包所需要的力。

已經(jīng)被用來棉纖維加濕的方式有好多種。方式之一是霧化水直接噴射到棉花上。有時，在水中添加潤濕劑加快水穿過棉花后的分布。一些軋花廠在皮棉滑道處噴射水在棉花上。

另外一種方式是采用濕空氣來加濕棉花。加熱后的空氣攜帶充足的水分到棉纖維之中。每磅的空氣在130°F（54.44℃）時能夠攜帶水蒸氣的量相比在60°F（15.56℃）時多達10倍。濕空氣的蒸汽分壓必須高于纖維內(nèi)的，并且將水蒸氣流入纖維內(nèi)部需要較高的溫度。就像干燥一樣，空氣和棉花的速度差是非常重要的。

第一個安裝在生產(chǎn)線上的濕空氣系統(tǒng)采用了蒸汽機。來自鍋爐的水蒸氣引入到干燥空氣的管道內(nèi)用于消除靜電。一些廠仍然采用這種加濕方式。今天，加濕系統(tǒng)是市場上可以買到的并且能夠產(chǎn)生相對濕度可控的熱濕空氣。加濕的方式包括將濕空氣引入到最后一道塔式干燥設(shè)備之中，提凈式喂花加濕，移動床式加濕器、集棉機加濕、帶有格柵的皮棉滑道加濕和配棉絞籠下的箱體加濕。

籽棉增加的水分的量是有實際的物理規(guī)律的限制。通過不可控的噴射或設(shè)備和管道內(nèi)部意想不到的冷凝必須被阻止，否則將會導(dǎo)致堵塞。如果液態(tài)水呈現(xiàn)在籽棉團的表面，軋花運轉(zhuǎn)將會變得無規(guī)律和完全停止。含水率在9%（回潮率9.89%）或以上的棉花外觀可能是粗糙的，并且當(dāng)皮棉清理時，棉花將不能夠順利地出來。因此，基于棉花加工產(chǎn)量和質(zhì)量，推薦的纖維含水率6%～7%（回潮率6.38%～7.53%）。

注：1.原文中棉花水分均采用含水率M表示，對應(yīng)后面括號內(nèi)為對應(yīng)回潮率。含水率M與回潮率W之間的關(guān)系：。

2.譯文出處：Anthony WS，Mayfield WD.cottonginners hardbook[M].DIANEPublishing，1994.