國內(nèi)外棉花加濕霧化設(shè)備的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

■ 向天明 王曉輝 李夢輝

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計研究所，河南鄭州450004〕

一、引言

回潮率是影響棉花加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一［1］。研究表明，棉花加工過程中不同環(huán)節(jié)所適宜的回潮率不同。為提高棉花加工質(zhì)量，在清理之前對籽棉進(jìn)行干燥處理，降低棉纖維回潮率到5.5%左右，提高清雜效率；在軋花之前對籽棉進(jìn)行加濕處理，將棉纖維回潮率提高到7.5%左右，減少鋸齒鉤拉對棉纖維長度、斷裂比強度的影響；為降低打包壓力和減少棉包運輸、存儲中的“崩包”現(xiàn)象，在打包之前對皮棉加濕，將回潮率控制在8%左右［2-7］。由此可見，加濕是棉花加工過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)外通常采用的棉花加濕方式包括熱加濕和冷加濕。二者的不同之處在于，熱加濕是將一定溫濕度的熱濕空氣與棉花混合實現(xiàn)加濕；冷加濕是將霧化水與棉花混合實現(xiàn)加濕，其中熱加濕應(yīng)用較為普遍。不論是熱加濕還是冷加濕都離不開霧化設(shè)備，霧化設(shè)備的工作性能直接影響加濕系統(tǒng)的加濕性能、能耗和能源利用率。以美國為代表的先進(jìn)產(chǎn)棉國的棉花熱加濕霧化設(shè)備目前普遍采用的是普通噴淋和燃?xì)鉄嵩唇M合的形式，冷加濕以高壓噴霧為主。我國棉花加濕系統(tǒng)是在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)和結(jié)合我國棉花加工能源特點等國情的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。國內(nèi)普遍采用熱加濕方式，雖然冷加濕有嘗試應(yīng)用，但沒有得到推廣［8］。目前我國棉花加濕系統(tǒng)在實際應(yīng)用中普遍存在加濕能耗高、能源利用率低的問題。為此，進(jìn)一步探索適應(yīng)我國主產(chǎn)棉區(qū)新疆棉區(qū)棉花加濕的節(jié)能型霧化方式和設(shè)計節(jié)能霧化設(shè)備是目前亟須解決的技術(shù)難題。

本文歸納了國內(nèi)外棉花加工過程中的加濕系統(tǒng)霧化設(shè)備的研究現(xiàn)狀，介紹了國內(nèi)外市場上使用過的幾種加濕系統(tǒng)霧化設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理，對比了不同籽棉加濕霧化設(shè)備的優(yōu)缺點，論述了我國加濕霧化設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀及目前存在的主要問題，同時探討了我國加濕霧化設(shè)備的發(fā)展趨勢，為棉花加濕霧化設(shè)備、加濕系統(tǒng)的優(yōu)化和研發(fā)提供參考。

二、棉花加濕霧化設(shè)備的用途及類型

棉花加濕系統(tǒng)的類型有熱加濕系統(tǒng)和冷加濕系統(tǒng)，霧化設(shè)備的類型包括熱加濕霧化設(shè)備和冷加濕霧化設(shè)備。棉花加濕過程中，熱加濕霧化設(shè)備和冷加濕霧化設(shè)備的作用有相同之處，也有不同。熱加濕霧化設(shè)備主要包括熱源和噴霧設(shè)備，根據(jù)熱加濕霧化設(shè)備熱源和噴霧設(shè)備的組合形式可以分為集成式和分離式，目前國內(nèi)的霧化設(shè)備以分離式為主，國外的霧化設(shè)備一般為集成式。冷加濕霧化設(shè)備通常指的是噴霧設(shè)備。

熱加濕霧化設(shè)備的作用是產(chǎn)生一定溫濕度的熱濕空氣，并能夠根據(jù)實際加濕需求在一定范圍內(nèi)對溫濕度進(jìn)行調(diào)控。熱加濕霧化設(shè)備主要包括燃?xì)鉄嵩词降蛪簢娏莒F化設(shè)備、熱空氣式低壓噴淋霧化設(shè)備和熱空氣式干蒸汽霧化設(shè)備等，其中燃?xì)鉄嵩词降蛪簢娏莒F化設(shè)備為集成式，熱空氣式低壓噴淋霧化設(shè)備和熱空氣式干蒸汽霧化設(shè)備為分離式。

冷加濕霧化設(shè)備的作用是產(chǎn)生一定量的霧化水，并能夠根據(jù)實際需求控制單位時間內(nèi)噴霧量。冷加濕霧化設(shè)備主要包括超聲波霧化設(shè)備、高壓微霧霧化設(shè)備和汽水混合霧化設(shè)備等。相比熱加濕霧化設(shè)備，冷加濕霧化設(shè)備形成的霧化水粒徑較小，一般為微米級。

表1 棉花加濕霧化設(shè)備的種類

三、國內(nèi)棉花加濕霧化設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）熱加濕霧化設(shè)備

1.熱空氣式低壓噴淋霧化設(shè)備

熱空氣式低壓噴淋霧化設(shè)備是由鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計研究所研制并在市場上推廣應(yīng)用。該類型霧化設(shè)備為分離式，其主要包括燃煤熱風(fēng)爐、鼓風(fēng)機和噴淋霧化設(shè)備，如圖1所示。工作過程中，在風(fēng)機作用下環(huán)境溫度的空氣進(jìn)入燃煤熱風(fēng)爐后形成干熱空氣，干熱空氣進(jìn)入噴淋霧化裝置形成熱濕空氣。

圖1 熱空氣式低壓噴淋霧化設(shè)備

噴淋霧化裝置主要由水泵、水箱、噴嘴陣列、進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口等組成，如圖2所示。工作過程中，水進(jìn)入水泵加壓后經(jīng)噴嘴噴出霧化，霧化后的水與從熱風(fēng)進(jìn)口進(jìn)入箱體內(nèi)的熱風(fēng)混合形成熱濕空氣，未被汽化的水回流到水箱［9，10］。

圖2 熱空氣式低壓噴淋霧化設(shè)備

該種霧化設(shè)備的噴水壓力在0.5 MPa左右，噴嘴出口直徑在2 mm左右，霧化量在1 200 kg/h，霧化水粒徑較大。這種霧化設(shè)備的特點是結(jié)構(gòu)簡單、無需對水進(jìn)行專門處理，噴霧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱濕空氣含濕量，其缺點是熱濕空氣含濕量與熱風(fēng)風(fēng)量、溫度相關(guān)性較大，對熱風(fēng)溫度要求較高，能耗高，熱濕空氣的溫濕度滯后性較大，溫濕度的調(diào)控性一般。另外，由于回流水較大，棉花加工廠環(huán)境空氣含塵大造成加濕用水中的塵雜較大，需要定期維護(hù)。

2.熱空氣式干蒸汽霧化設(shè)備

熱空氣式干蒸汽霧化設(shè)備是由山東天鵝棉業(yè)機械股份有限公司研制并在市場上推廣應(yīng)用。該類型霧化設(shè)備為分離式，其主要包括水軟化裝置、蒸汽爐、風(fēng)機和干蒸汽霧化裝置，如圖3所示。工作過程中，經(jīng)軟化裝置軟化后的水進(jìn)入蒸汽爐形成干蒸汽，一部分蒸汽進(jìn)入換熱管，環(huán)境溫度的空氣經(jīng)風(fēng)機進(jìn)入換熱箱體與進(jìn)入換熱管的蒸汽換熱形成干熱空氣，一部分蒸汽經(jīng)加壓后從蒸汽噴嘴噴出到干熱空氣，最終形成熱濕空氣。

圖3 熱空氣式干蒸汽霧化設(shè)備

該種霧化設(shè)備的干蒸汽噴出壓力為0.4 MPa，額定蒸汽噴出量為275 kg/h。這種霧化設(shè)備的優(yōu)點是設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，溫濕度的控制易于實現(xiàn)，水軟化裝置減少了水垢的產(chǎn)生，避免了空氣中含塵對加濕用水的污染，其缺點是設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，額定蒸汽噴出量不高，考慮到蒸汽噴出后部分冷凝情況的出現(xiàn)，最終形成的熱濕空氣含濕量可能出現(xiàn)不足的情況。

（二）冷加濕霧化設(shè)備

目前冷加濕在國內(nèi)市場上沒有推廣應(yīng)用。但是，有棉花加工廠嘗試在環(huán)境溫度高的時候在配棉絞籠處設(shè)置超聲波霧化裝置，將霧化水輸送到配棉絞籠處與棉花混合，實現(xiàn)棉花的加濕，如圖4所示，超聲波霧化裝置主要包括超聲波霧化主機和輸送管道。另外，還有棉花加工廠在皮棉滑倒處設(shè)置汽水混合霧化裝置，將霧化水噴射到皮棉中，實現(xiàn)對皮棉的加濕，如圖5所示，汽水混合霧化設(shè)備包括氣泵、水泵和噴嘴等。

圖4 超聲波霧化設(shè)備

圖5 氣水混合霧化設(shè)備

冷加濕霧化設(shè)備的水霧化粒徑小，一般在微米級，相比熱加濕，其不需要設(shè)置大功率的加熱設(shè)備，適宜在環(huán)境溫度高的時候使用。但新疆棉區(qū)棉花加工季節(jié)為當(dāng)年九月下旬到次年十二月，環(huán)境溫度較低，冷加濕霧化設(shè)備的霧化水大量凝結(jié)，加濕效果較差。

四、國外棉花加濕霧化設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

燃?xì)鉄嵩词降蛪簢娏莒F化是由美國Samuel Jackson公司研制的集成式霧化設(shè)備，其主要包括燃?xì)鉄嵩慈紵^、噴淋室、水箱、水自清潔裝置和控制系統(tǒng)等，如圖6所示。該霧化設(shè)備通常采用負(fù)壓進(jìn)風(fēng)的方式。工作過程中，環(huán)境溫度空氣經(jīng)燃?xì)鉄嵩慈紵^加熱后形成熱空氣，水經(jīng)水泵加壓后進(jìn)入噴頭形成噴淋水，熱空氣進(jìn)入噴淋室內(nèi)與噴淋水混合形成熱濕空氣，如圖7所示，有部分火焰直接進(jìn)入噴淋室對噴淋水進(jìn)行加熱形成熱濕空氣，噴淋回流水通過回水管路進(jìn)入水箱，形成的熱濕空氣從出風(fēng)口排出。另外，該霧化設(shè)備的水清潔過程是：水泵出口分兩個支管路，一支管路連接噴頭陣列，一個支管路連接水力沙克龍的進(jìn)口，水力沙克龍的出口連接水箱，水中塵雜由水力沙克龍的排污口排出。這樣在工作工程中不間斷地對水進(jìn)行清雜處理，減少塵雜堵塞噴頭情況的發(fā)生［11］。

圖6 熱源式低壓噴淋霧化設(shè)備

圖7 熱源式低壓噴淋霧化腔體

該霧化設(shè)備的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，集成了燃?xì)鉄嵩?，帶有水自清潔裝置，自動化程度高，能夠根據(jù)實際需求快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)熱濕空氣的溫濕度，其缺點是缺少在線式的水軟化裝置，設(shè)備需要定期除垢。

五、國內(nèi)棉花加濕霧化設(shè)備的存在的問題和發(fā)展趨勢

（一）國內(nèi)棉花加濕霧化設(shè)備存在的問題

我國棉花加濕霧化設(shè)備是在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，雖然取得了一定的成績，研制出了多種類型的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，并在實際棉花加工中應(yīng)用，但與國外先進(jìn)產(chǎn)棉國的相關(guān)設(shè)備相比還存在一些需要亟須解決的問題，主要包括以下幾個方面：

（1）適應(yīng)棉花加工的霧化基礎(chǔ)技術(shù)研究不夠深入。目前國內(nèi)針對棉花加濕霧化相關(guān)技術(shù)的研究還比較匱乏，例如霧化粒徑和霧化壓力等參數(shù)對霧化效果和能耗的影響，設(shè)備研制過程中，設(shè)計者更多的是根據(jù)工作經(jīng)驗和簡易的實驗進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計，設(shè)備運行參數(shù)更多的通過不斷的摸索和總結(jié)出來的，最終的設(shè)備運行參數(shù)往往沒有達(dá)到最優(yōu)參數(shù)，這是導(dǎo)致能耗高和能源利用率低的主要原因。

（2）設(shè)備集成度不夠。我國棉花加濕霧化設(shè)備往往是由多個裝置組成，設(shè)備的占地面積大，安裝維護(hù)困難。另外，熱源和霧化裝置之間往往是通過長管道連接，導(dǎo)致熱量散失比較大。

（3）缺少水凈化、軟化環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)棉花加濕通常為熱加濕，水往往缺少凈化、軟化環(huán)節(jié)，導(dǎo)致管路內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，另外回流水中往往摻雜棉短絨，通常水垢和棉短絨難以清理，設(shè)備長時間運行，噴頭經(jīng)常出現(xiàn)堵塞情況。

（4）設(shè)備自動化程度低。與先進(jìn)產(chǎn)棉國棉花加濕霧化設(shè)備相比，我國霧化設(shè)備的熱濕空氣的溫濕度調(diào)控能力比較弱，設(shè)備滯后性比較大，往往需要較長時間的運行設(shè)備參數(shù)才能夠穩(wěn)定，另外設(shè)備的控制的準(zhǔn)確性也比較差。

（二）國內(nèi)棉花加濕霧化設(shè)備的發(fā)展趨勢

隨著電熱源在我國棉花加工調(diào)濕中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，棉花加工過程調(diào)濕能耗在總加工費用的占比增高，并且越來越受到棉花加工單位的重視。棉花加濕霧化設(shè)備是影響棉花加濕的能耗的關(guān)鍵設(shè)備之一，為降低棉花加濕能耗和提高設(shè)備的自動化、智能化程度，我國棉花加濕霧化設(shè)備的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）深入研究霧化基礎(chǔ)技術(shù)。研究霧化粒徑、霧化壓力、熱風(fēng)風(fēng)量和熱風(fēng)溫度等參數(shù)對熱濕空氣溫濕度的影響，研究出不同溫濕度的熱濕空氣所最適宜的參數(shù)。

（2）設(shè)備高度集成化、功能多樣化。將風(fēng)機、熱源、霧化裝置、水凈化裝置和水軟化裝置等高度集成，形成一體化的棉花加濕霧化設(shè)備，具有水凈化和軟化功能，降低設(shè)備維護(hù)周期和維護(hù)難度，降低設(shè)備能耗和提高能源利用率。

（3）開展關(guān)鍵零部件研究，提高熱濕空氣參數(shù)的快速響應(yīng)和控制精確度?；陟F化技術(shù)的研究，選擇最適宜的霧化方式，匹配合適的熱源，降低熱濕空氣溫濕度參數(shù)的滯后性，并能夠?qū)崟r監(jiān)測，提高熱濕空氣溫濕度參數(shù)控制的精確度。

六、結(jié)語

籽棉加濕霧化是降低高棉花加工加濕系統(tǒng)能耗和提高能源利用率的重要途徑。近些年來，我國棉花加濕霧化設(shè)備的研制取得了顯著的進(jìn)步，研制出了多種類型的棉花加濕霧化設(shè)備，但仍存在設(shè)備集成度低、能耗高、能源利用率低和設(shè)備維護(hù)困難等問題。因此，在滿足我國棉花加工加濕需求的前提下，進(jìn)一步加大霧化技術(shù)的基礎(chǔ)研究，開展關(guān)鍵零部件的創(chuàng)新設(shè)計，提高設(shè)備的集成度，開發(fā)自動化、智能化的水霧化控制系統(tǒng)，研制節(jié)能型棉花加濕霧化設(shè)備，降低棉花加濕成本，提高加濕效率，進(jìn)而提高我國棉花加工質(zhì)量。