國外籽棉干燥設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

■ 賈 勉 楊亞麗 秦建鋒

〔1河南輕工職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450002〕

〔2北京智棉科技有限公司，北京 100089〕

〔3鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州 450004〕

一、引言

籽棉干燥是棉花加工過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。籽棉回潮率過高會(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，其造成籽棉清理困難，清理效率較低；另外，棉纖維回潮率高而變軟，在外力作用下，纖維之間會(huì)更多地纏繞、扭曲，致使籽棉中產(chǎn)生較多的棉結(jié)、索絲，進(jìn)而影響皮棉質(zhì)量[1]。目前我國主要產(chǎn)棉區(qū)新疆產(chǎn)棉區(qū)的籽棉采收一般在九月中下旬，機(jī)采籽棉的回潮率在12%左右，而適宜于清理的籽棉回潮率在5%～6%之間，這就需要對(duì)籽棉進(jìn)行干燥[2]。籽棉干燥在棉花加工中的能耗占比較高，我國普遍采用的是燃煤熱風(fēng)爐作為熱源。隨著我國環(huán)保政策的加強(qiáng)，燃煤型熱源已不能達(dá)到環(huán)保要求，電熱源和燃?xì)鉄嵩唇鼉赡甑玫酵茝V和應(yīng)用，但是在現(xiàn)有籽棉干燥工藝與設(shè)備的條件下，籽棉干燥成本增加了2～3倍。為降低籽棉干燥成本，亟需研究和開發(fā)節(jié)能環(huán)保高效的干燥工藝與設(shè)備。筆者力求通過對(duì)國外棉花加工過程中的籽棉干燥設(shè)備的現(xiàn)狀和國外常用籽棉干燥機(jī)的幾種機(jī)型及結(jié)構(gòu)、工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)的介紹和分析，明確國外籽棉干燥設(shè)備近年來的發(fā)展趨勢(shì)，以期為我國環(huán)保節(jié)能型籽棉干燥設(shè)備的研發(fā)提供參考。

二、籽棉干燥的作用

棉花加工過程主要包括喂花、干燥、籽棉清理、軋花、皮棉清理及打包等工藝環(huán)節(jié)。通常采收后的棉花回潮率高于籽棉清理環(huán)節(jié)最適宜的回潮率，需要對(duì)籽棉進(jìn)行干燥。籽棉干燥系統(tǒng)通常包括熱源、干燥機(jī)、檢測(cè)控制系統(tǒng)、管道和輔助設(shè)備等。籽棉干燥過程中利用棉纖維的放濕特性，以空氣為介質(zhì)，將空氣與籽棉混合，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，迫使纖維中吸附水逐漸向外轉(zhuǎn)移，熱空氣吸收多余的水分，將籽棉的回潮率降到5%～6%之間[1]。

三、國外籽棉干燥設(shè)備的類型及現(xiàn)狀

20世紀(jì)20年代末，美國軋花廠出現(xiàn)了第一臺(tái)籽棉干燥設(shè)備。美國農(nóng)業(yè)部在1926年開始研究籽棉干燥工藝規(guī)程，并在1932年研制出第一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)塔式籽棉干燥系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥系統(tǒng)是采用氣流干燥的方法，環(huán)境溫度下的空氣在熱源的作用下形成干燥空氣，干燥空氣溫度一般不高于120 ℃，干燥空氣輸送將要干燥的籽棉進(jìn)入干燥機(jī)，干燥空氣攜帶走多余的水分實(shí)現(xiàn)籽棉的干燥。標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥設(shè)備研發(fā)于能源價(jià)格低廉且儲(chǔ)量豐富的時(shí)期。從20世紀(jì)30年代起，隨著能源價(jià)格的提高與棉花加工技術(shù)的深入研究，繼標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)之后，其他各種類型的籽棉干燥機(jī)也陸續(xù)開發(fā)出來。但由于籽棉物料自身的物理特性，相繼開發(fā)出來并且在市場(chǎng)上推廣應(yīng)用的籽棉干燥機(jī)仍然以氣流干燥方法為主。相繼開發(fā)的常用干燥機(jī)包括：熱隔板塔式干燥機(jī)、大容量塔式干燥機(jī)、帶式干燥機(jī)、對(duì)撞式干燥機(jī)及微波式干燥機(jī)等[3]。

（一）塔式籽棉干燥機(jī)

塔式籽棉干燥機(jī)是最早開發(fā)的干燥設(shè)備，也是應(yīng)用最為廣泛的。塔式干燥機(jī)目前仍然是美國軋花廠使用最為普遍的籽棉干燥機(jī)之一。塔式干燥機(jī)的最初形式為標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)，主要由閉風(fēng)閥、混合箱、塔體、籽棉S形通道及籽棉出口組成，其中S形通道由多層交錯(cuò)開口的擱板組成，如圖1所示。政府塔式干燥機(jī)的層數(shù)為13～20層，其長1.60 m（5.25英尺），寬1.22 m（4英尺），擱板層高度381 mm（15英寸）。標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)是根據(jù)當(dāng)時(shí)4臺(tái)80型鋸齒軋花機(jī)的產(chǎn)量而設(shè)計(jì)的。隨著鋸齒軋花機(jī)產(chǎn)量的不斷提高和棉花干燥技術(shù)研究的深入，塔式干燥機(jī)被改進(jìn)成多種形式。目前常用的塔式干燥機(jī)主要有三種形式：二十四層擱板式、大容量式和隔板增熱式。

二十四層擱板塔式干燥機(jī)的層數(shù)最多為24層。其中大陸公司的該種干燥機(jī)有兩種型號(hào)，一種模型寬1.83 m（6英尺），長1.83 m（6英尺），第二種模型寬1.83 m（6英尺），長3.35 m（11英尺），它們的層數(shù)在11～24層之間，并且可以通過改變棉花的出口位置來改變干燥時(shí)間[4]。

大容量塔式干燥機(jī)是由拉馬斯公司研制的，該干燥機(jī)共六層，每層間距為685.8 mm（27英寸），入口過渡部分則作為第七個(gè)架子，如圖2所示。層數(shù)減少和層間距增加后，干燥過程中空氣的壓力損失降低，這樣就可以僅采用一臺(tái)引風(fēng)風(fēng)機(jī)，省去鼓風(fēng)機(jī)。棉花加工過程中通常采用兩道大容量塔式干燥機(jī)。大容量塔式干燥機(jī)用在一道干燥時(shí)，風(fēng)速為10.16 m/秒，每千克籽棉的空氣量為1.56 m3。湍流式重雜分離器設(shè)置于大容量塔式干燥機(jī)的前端，以進(jìn)行初始湍流干燥，并清除石頭等大雜。二道干燥時(shí)，熱空氣的溫度和體積會(huì)有所減少，并且不使用湍流式重雜分離器。大容量塔式干燥機(jī)有兩種規(guī)格：一種是寬度為1.22 m（48英寸），并帶有1.02 m的湍流式重雜分離器；一種是寬度為1.83 m（72英寸），并帶有1.52 m的湍流式重雜分離器。寬度為1.22 m（4英尺）和1.83 m（6英尺）塔式干燥機(jī)的風(fēng)量分別為30 582.19 m3/h和45 873.29 m3/h[5]。

相比其他塔式干燥機(jī)，隔板增熱塔式干燥機(jī)在每層籽棉通道之間增加了熱風(fēng)通道，用于彌補(bǔ)干燥過程中熱風(fēng)溫度的降低，如圖3所示。由于增熱層避免了整個(gè)系統(tǒng)的溫度下降，隔板增熱塔式干燥機(jī)使用的空氣量少于其他塔式干燥系統(tǒng)。工作過程中，籽棉從頂部進(jìn)入塔體，然后從底部離開干燥機(jī)，通常，熱空氣在干燥機(jī)的底部進(jìn)入，并在塔頂附近排出。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)

圖2 大容量塔式籽棉干燥機(jī)

（二）對(duì)撞式籽棉干燥機(jī)

塞繆爾·杰克遜的對(duì)撞式干燥機(jī)是對(duì)噴泉式干燥機(jī)的改進(jìn)，其主要由籽棉熱空氣進(jìn)口、熱空氣進(jìn)口、干燥腔體、籽棉空氣出口及空氣出口組成，如圖4所示。這是一種負(fù)壓干燥機(jī)，旨在利用熱空氣和籽棉的混合達(dá)到最大的湍流度。在負(fù)壓的作用下，棉花和熱空氣混合物進(jìn)入上部腔室，在上部腔室中與另外一個(gè)管道進(jìn)入的干燥空氣直接發(fā)生碰撞。在這一湍流點(diǎn)之后，籽棉和熱空氣混合物分開，并在出口正上方產(chǎn)生第二次碰撞。對(duì)撞式干燥機(jī)的壓降比傳統(tǒng)的噴泉式干燥機(jī)稍高，但由于多次碰撞和湍流，干燥效果較好[6]。

（三）熱箱式籽棉干燥機(jī)

熱箱式籽棉干燥機(jī)主要包括籽棉輸送帶、干燥空氣進(jìn)口、氣流與籽棉出口、擺動(dòng)門及箱體，如圖5所示，該干燥機(jī)設(shè)置于喂花機(jī)輸送帶與外吸棉管道之間。喂花機(jī)開松后的棉花在輸送帶的帶動(dòng)下經(jīng)過擺動(dòng)門進(jìn)入箱體之內(nèi)，正壓或負(fù)壓的作用下干燥空氣進(jìn)入箱體之內(nèi)帶動(dòng)籽棉通過氣流與籽棉出口進(jìn)入籽棉輸送管道。熱箱式籽棉干燥機(jī)一般作為輔助干燥單元或一道干燥。相比其他干燥設(shè)備，熱箱式籽棉干燥機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是干燥時(shí)間充足。但是，其缺點(diǎn)也比較明顯，干燥溫度一般較低，通常籽棉輸送管道沒有保溫層，箱體內(nèi)部與外部密封較差，熱量散失也比較多。

圖5 熱箱式籽棉干燥機(jī)

（四）清理干燥一體式籽棉干燥機(jī)

清理干燥一體式籽棉干燥機(jī)采用的原理是使棉花和熱空氣以相反的方向通過垂直干燥機(jī)，其主要由卸料器、豎直清雜干燥部件、傾斜清雜部件及排雜等組成，如圖6所示。工作過程中，當(dāng)籽棉離開干燥機(jī)卸料器時(shí)，它落在拋射輥上，該拋射輥將棉團(tuán)打碎，然后將松散的棉花拋撒開。棉花沿著格條柵和開松輥滑落，在該部分進(jìn)行再次開松。熱空氣從干燥設(shè)備外殼的下端進(jìn)入，向上穿過下落的棉花流，并通過頂部的空氣口排出。由于熱空氣不用于棉花輸送，因此去除的水分無法重新回到棉花中。干燥機(jī)下端的三輥清雜部分可清除光滑的圓形網(wǎng)格條之間的一些松散垃圾。該干燥機(jī)僅需3 398.02 m3/h的熱空氣即可進(jìn)行有效干燥，而傳統(tǒng)塔式干燥機(jī)則約為10 194.06 m3/h。因此，熱源消耗的燃料和驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇所需的功率減少了一半以上。

圖6 熱風(fēng)清理式籽棉干燥機(jī)

（五）帶式籽棉干燥機(jī)

帶式籽棉干燥機(jī)主要由進(jìn)料裝置、籽棉、輸送帶、出料口、熱風(fēng)進(jìn)口及出風(fēng)口等組成，如圖7所示。工作過程中，籽棉由進(jìn)料裝置均勻地鋪在輸送帶的網(wǎng)板上，熱風(fēng)由網(wǎng)板底部向上穿過物料，完成熱量和質(zhì)量的傳遞。研究表明，帶式干燥機(jī)將水平運(yùn)行或傾斜至20°，最大傾斜角度為25°。相比于塔式干燥，熱空氣與籽棉的接觸時(shí)間可達(dá)到90 s以上，干燥更加充分。在塔式干燥中，熱空氣通常被用來輸送籽棉，而此設(shè)備所需的熱空氣僅是穿透籽棉層，故所需壓力較小，可以達(dá)到節(jié)能的目的[7]。

圖7 帶式籽棉干燥機(jī)

四、國外籽棉干燥設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)國外主要籽棉干燥設(shè)備的特點(diǎn)，其發(fā)展趨勢(shì)可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（一）籽棉干燥工藝及設(shè)備多樣化。在喂花、清理前、清理后、清理過程中都有相應(yīng)的干燥設(shè)備，并且籽棉輸送方式不局限于氣力輸送，籽棉帶式輸送也能達(dá)到較好的干燥效果。

（二）不論哪種干燥方式，籽棉干燥的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是不變的，主要的技術(shù)點(diǎn)是最大化籽棉和熱空氣之間的速度差，最大化籽棉的開松程度和籽棉在熱空氣中的暴露時(shí)間。

（三）沒有針對(duì)所有軋花廠的最佳干燥設(shè)備。最佳的干燥設(shè)備只是為滿足特定的軋花廠的需求而設(shè)計(jì)的。選擇干燥設(shè)備需要考慮的兩個(gè)問題是軋花廠的位置和要加工的籽棉的狀況。與在干旱地區(qū)相比，位于潮濕地區(qū)的軋花廠需要更加苛刻和高效的干燥設(shè)備。

（四）降低能量消耗，籽棉干燥設(shè)備不斷的改進(jìn)，往往是由能耗帶動(dòng)的，降低能耗也將是未來長期的發(fā)展目標(biāo)。

五、結(jié)語

國內(nèi)從20世紀(jì)80年代中期開始引進(jìn)美國塔式籽棉干燥相關(guān)技術(shù)和設(shè)備。在消化吸收基礎(chǔ)上，雖然取得了一定的成就，在一定的時(shí)間內(nèi)滿足了國內(nèi)棉花加工的需求，但是隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，現(xiàn)有塔式干燥設(shè)備勢(shì)必需要進(jìn)一步的完善，亟需研究和開發(fā)新型的籽棉干燥技術(shù)及設(shè)備。籽棉干燥設(shè)備的開發(fā)需要設(shè)計(jì)人員借鑒先進(jìn)產(chǎn)棉國干燥技術(shù)及設(shè)備，結(jié)合我國能源結(jié)構(gòu)和棉花加工行業(yè)的特點(diǎn)，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的節(jié)能環(huán)保型棉花干燥設(shè)備。