籽棉加濕箱的改進設(shè)計

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計研究所，河南鄭州450004〕

一、籽棉水分含量對棉花加工的影響

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，籽棉難以開松，黏附的雜質(zhì)被棉團牢牢裹住而不能在開松、除雜設(shè)備中被抖落，在生產(chǎn)中容易導(dǎo)致堵塞、損壞軋花設(shè)備。由于籽棉水分含量過高是生產(chǎn)線產(chǎn)生火災(zāi)的一大誘因，因此，籽棉水分含量過高不適宜籽棉清理和軋花。而籽棉水分過低時，棉纖維因其表面產(chǎn)生的靜電而易于黏附在金屬的表面，進而導(dǎo)致設(shè)備堵塞停止工作。棉纖維強力和短纖維含量受其自身回潮率的影響較大。回潮率15%的棉纖維強力是回潮率4%的棉纖維的1.7倍。被干燥到極低回潮率水平的棉纖維變得易損壞和易碎，在加工過程中更容易被打斷。如果棉纖維的回潮率從5%干燥到3%，經(jīng)過兩道皮棉清理后，棉纖維的短纖維含量將會增加1.4倍。同樣，棉纖維長度值也隨著回潮率的降低而降低。

二、不同工藝環(huán)節(jié)對回潮率的要求不同

棉花加工過程中，不同工藝環(huán)節(jié)對回潮率的要求是不同的。研究表明：籽棉回潮率在5%～6.5%時，籽棉清理機的清雜效率較高，可以充分清除籽棉中的雜質(zhì)；籽棉回潮率在6.5%～8.5%時可有效降低軋花機與鋸齒皮清機對棉纖維的損傷，獲得最佳的軋工質(zhì)量，并體現(xiàn)出纖維在最佳狀態(tài)下的天然色澤。

因為機采棉的水分和含雜都遠大于手摘棉，所以在加工過程中要充分、正確使用烘干和加濕的工藝，才能在清理階段盡量提高清雜率，使纖維在軋花階段少受損傷。

機采棉進場水分較大，一般在10%～14%，為了提高清雜率，加工企業(yè)必須使用烘干系統(tǒng)，根據(jù)水分的多少進行一次烘干或二次烘干，然后再進行一系列的除雜工藝。當(dāng)有效去除雜質(zhì)后，籽棉在進入軋花機前受到烘干和風(fēng)運的影響，回潮率一般會降到4.5%～5.5%。有的企業(yè)為了降低皮棉含雜率指標，盲目將烘干溫度提得過高，將籽棉的回潮率降在4.5%以下，這樣在軋花階段纖維會“脆斷”，皮棉的平均長度變短、整齊度降低。棉纖維的有效長度、長度整齊度是影響紡織成紗質(zhì)量的重要因素，也是影響皮棉銷售價格的重要指標。

三、籽棉加濕箱的設(shè)計

圖1是國內(nèi)目前最常用典型的機采棉工藝流程，使用了二次烘干的工藝。在第一次烘干后用刺釘輥筒清花機6、清鈴機7進行了初步除雜和去鈴殼；進入二次烘干后，刺釘輥筒清花機9和回收式清花機10又進行了更加精細的除雜。此時經(jīng)烘干、清理、風(fēng)運后的籽棉回潮率一般在4.5%～5.5%，更低的在4.5%以下，從配棉輸送機11進入鋸齒軋花機12上部的儲棉箱，準備進行軋花。軋花機的鋸齒對籽棉強力鉤拉，軋花工藝點對棉纖維損傷最嚴重。為了提高纖維強度，防止過度損傷纖維，在進入軋花前必須增加籽棉的水分來提高纖維強度，保證軋工質(zhì)量。籽棉回潮率在6.5%～8.5%之間時，是軋花機的最佳工作和皮棉品質(zhì)最好的狀態(tài)。從圖1可以看出，軋花前能進行籽棉加濕的工藝點不多，在沒有充分除雜前加濕則會影響除雜效率。為此，最佳的籽棉加濕工藝點是在進入鋸齒軋花機12之前上部的儲棉箱處，此時被烘干的籽棉已經(jīng)完成了清理的工藝，落雜充分；在這個工藝點后續(xù)也沒有風(fēng)運；籽棉回潮率已經(jīng)處于最低點，同時儲棉箱中籽棉運動速度較低，為棉纖維充分吸收水分提供了時間的條件。

圖1 國內(nèi)目前最常用典型的機采棉工藝流程

筆者查閱資料，美國很早已經(jīng)應(yīng)用了籽棉箱式加濕系統(tǒng)（圖3、4、5）。其主要包括：燃燒器、霧化器、管路系統(tǒng)、加濕箱（圖2）、電氣控制系統(tǒng)等組成。燃燒器提供熱能，一般是燃氣直燃式氣爐，無需換熱器對空氣直接加熱，燃燒充分，產(chǎn)生的熱量高、廢氣少。被燃燒器加熱的高溫氣流進入霧化器，霧化器內(nèi)設(shè)置有高壓噴頭，將足夠的水量以水霧的狀態(tài)高速噴出。高溫氣流在霧化器內(nèi)和高壓水霧相遇，高溫氣流充分吸收水分并通過管路系統(tǒng)進入軋花機籽棉箱兩側(cè)，通過箱壁兩側(cè)開的縫隙進入箱體內(nèi)，對儲存并向下緩慢流動的籽棉進行加濕。電氣控制系統(tǒng)根據(jù)回潮值、棉箱內(nèi)籽棉狀態(tài)等參數(shù)，自動控制燃燒器產(chǎn)生的溫度、霧化器水泵的頻率和各閥門的開啟。

圖2 籽棉加濕箱

圖3 加濕箱安裝簡圖

圖4 加濕箱在軋花機上的應(yīng)用

圖5 多臺加濕箱成組應(yīng)用

近幾年，機采棉的迅速發(fā)展也大大刺激了對機采棉加工工藝的研究。機采棉含雜率大、回潮率高、加工量大的特點，使加工企業(yè)很難平衡產(chǎn)量與質(zhì)量的關(guān)系。因棉花提質(zhì)升級的需要，國內(nèi)棉花業(yè)界也逐步重視到了籽棉加濕的必要并進行了研究。業(yè)界認同在籽棉箱處加濕的國外先進加濕經(jīng)驗，也研發(fā)了相關(guān)設(shè)備。圖6所示為籽棉箱的原理圖，其工作過程：燃燒器（熱源）將高溫氣流通入霧化器形成高溫?zé)釢駳饬?，高溫?zé)釢駳饬鲝膬蓚?cè)籽棉加濕箱4的兩個熱濕氣流進口5進入儲棉箱2對籽棉3進行加濕，加濕后籽棉3通過給棉輥7進入軋花機8中進行軋花，加濕后的尾氣從籽棉輸送機1自由排放到空氣中。

圖6 籽棉加濕箱（籽棉密度大）

圖7 籽棉加濕箱（籽棉密度小）

2015年和2016年，多個廠家研制的籽棉箱式加濕投入了現(xiàn)場實驗使用。據(jù)追蹤觀察，軋花廠在2017和2018年度基本沒有再啟動使用。據(jù)筆者了解分析，可能有以下原因：1.使用單位對籽棉加濕的作用從思想上重視不夠，嫌操作麻煩，增加了成本和人工；2.籽棉箱內(nèi)籽棉密度較大時（圖6），兩側(cè)的熱濕氣流不能穿透棉層，這樣就會造成靠近兩側(cè)箱壁的籽棉非常濕，而中間大部分的籽棉幾乎沒有被加濕；3.籽棉箱內(nèi)籽棉較少或剛從輸送機內(nèi)落棉時（圖7），兩側(cè)的熱濕氣流進入箱體內(nèi)，由于箱體下部有軋花機的喂棉羅拉和部分籽棉，因此，下部相當(dāng)于密封，氣流則向上冒出，正好頂著籽棉下落方向，使籽棉不能順利落入箱中，造成輸送機內(nèi)產(chǎn)生“堵車”現(xiàn)象。而正向氣流不受控制，偏偏向阻力小的地方運行，“繞”過了需要加濕的籽棉，使加濕效果不好；4.熱濕空氣遇到溫差較大的情況（冬季尤為明顯）會迅速產(chǎn)生大量冷凝水吸附在箱壁上，造成籽棉黏附箱壁在籽棉箱內(nèi)造成堵塞。而大量冷凝水還會流到軋花機內(nèi)，造成機件銹蝕、“堵車”、污染棉花等情況的出現(xiàn)。

四、籽棉加濕箱的改進設(shè)計

根據(jù)籽棉箱式加濕的生產(chǎn)線使用情況，筆者做了改進設(shè)計（如圖8所示），其工作過程：燃燒器（熱源）將高溫氣流通入霧化器形成高溫?zé)釢駳饬鳎邷責(zé)釢駳饬鲝囊粋?cè)籽棉加濕箱4的熱濕氣流進口5進入儲棉箱2對籽棉3進行加濕。在對面下方設(shè)置抽吸箱9，抽吸箱9內(nèi)有熱濕氣流出口10、給棉輥組11。熱濕氣流從籽棉加濕箱4的隔條柵6噴出對籽棉3進行加濕。抽吸箱9內(nèi)有負壓，將熱濕氣流導(dǎo)向斜向下穿過籽棉，增加加濕路程和時間。尾氣通過給棉輥組11每兩輥之間的縫隙后，從熱濕氣流出口10被負壓引出。加濕后的含余熱尾氣重新回到加熱器中加熱，再進行循環(huán)。

圖8 籽棉加濕箱改進示意圖

主要改進和設(shè)計特點：1.籽棉由不確定的被動加濕改為強制穿透式主動加濕。強力穿透式加濕不會產(chǎn)生緊靠兩側(cè)壁的籽棉表面濕，而內(nèi)側(cè)加不進去水分的情況；強力穿透式加濕均勻，加濕量大且可靠；2.強制穿透式主動加濕由負壓吸引導(dǎo)向，氣流方向可控，不會產(chǎn)生大量冷凝水黏附到兩側(cè)箱壁上或流到軋花機內(nèi)；3.由于負壓吸引導(dǎo)向，因此，熱濕氣流不再向上“頂出”，避免了落棉不順堵塞輸送機的情況；本設(shè)計加濕箱在上，抽吸箱在對側(cè)下方，增加了加濕的路線和時間，氣流斜向下的方向與籽棉運動方向基本一致，不會產(chǎn)生阻力出現(xiàn)堵車現(xiàn)象；4.本設(shè)計在抽吸箱內(nèi)設(shè)計了給棉輥組，每兩輥之間的縫隙形成負壓吸口，當(dāng)運行時輥組向下轉(zhuǎn)動將籽棉向下運送，防止了負壓抽吸時籽棉貼附在箱壁上導(dǎo)致堵車的狀況；5.本結(jié)構(gòu)的輥組直徑合理，不會發(fā)生“繞輥”現(xiàn)象。每兩輥間的負壓抽吸縫隙尺寸設(shè)計不會使棉花進入，總面積還能完全吸收加濕箱的濕熱氣流并控制所需要的風(fēng)速。本結(jié)構(gòu)輥組傳動需要功率很小，可直接利用軋花機的給棉電機無需再設(shè)置電機傳動，輥組的線速度等于或稍大于軋花機給棉羅拉的線速度即可；6.原設(shè)計的尾氣排放到大氣，尾氣帶有一定的溫度，直接排放造成了能源浪費。本設(shè)計很好地解決了這一問題，使帶有一定溫度的尾氣被負壓抽吸送到熱源重新加熱，形成了閉環(huán)風(fēng)運系統(tǒng)，初步估算可節(jié)約能源20%～30%；7.本設(shè)計加濕可控，風(fēng)運系統(tǒng)形成了閉環(huán)，工作狀態(tài)穩(wěn)定，使得自動控制能順利實現(xiàn)。

五、結(jié)語

美國雖然很早就已經(jīng)應(yīng)用了籽棉箱式加濕系統(tǒng)，但是應(yīng)用廠家較少，配置不普遍，在實際使用中也可以看出這類設(shè)計存在一定的問題。筆者羅列的原因及改進措施不一定全面，希望拋磚引玉引起業(yè)界關(guān)注并繼續(xù)研究改進籽棉加濕系統(tǒng)。