国外籽棉干燥设备的现状与发展趋势

■ 贾 勉 杨亚丽 秦建锋

〔1河南轻工职业学院，河南郑州 450002〕

〔2北京智棉科技有限公司，北京 100089〕

〔3郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州 450004〕

一、引言

籽棉干燥是棉花加工过程中非常重要的一个环节。籽棉回潮率过高会使棉纤维与杂质及棉纤维与机械表面的摩擦力增大，其造成籽棉清理困难，清理效率较低；另外，棉纤维回潮率高而变软，在外力作用下，纤维之间会更多地缠绕、扭曲，致使籽棉中产生较多的棉结、索丝，进而影响皮棉质量[1]。目前我国主要产棉区新疆产棉区的籽棉采收一般在九月中下旬，机采籽棉的回潮率在12%左右，而适宜于清理的籽棉回潮率在5%～6%之间，这就需要对籽棉进行干燥[2]。籽棉干燥在棉花加工中的能耗占比较高，我国普遍采用的是燃煤热风炉作为热源。随着我国环保政策的加强，燃煤型热源已不能达到环保要求，电热源和燃气热源近两年得到推广和应用，但是在现有籽棉干燥工艺与设备的条件下，籽棉干燥成本增加了2～3倍。为降低籽棉干燥成本，亟需研究和开发节能环保高效的干燥工艺与设备。笔者力求通过对国外棉花加工过程中的籽棉干燥设备的现状和国外常用籽棉干燥机的几种机型及结构、工作原理及优缺点的介绍和分析，明确国外籽棉干燥设备近年来的发展趋势，以期为我国环保节能型籽棉干燥设备的研发提供参考。

二、籽棉干燥的作用

棉花加工过程主要包括喂花、干燥、籽棉清理、轧花、皮棉清理及打包等工艺环节。通常采收后的棉花回潮率高于籽棉清理环节最适宜的回潮率，需要对籽棉进行干燥。籽棉干燥系统通常包括热源、干燥机、检测控制系统、管道和辅助设备等。籽棉干燥过程中利用棉纤维的放湿特性，以空气为介质，将空气与籽棉混合，在空气与棉纤维之间形成一个温度差、湿度差和压强差，迫使纤维中吸附水逐渐向外转移，热空气吸收多余的水分，将籽棉的回潮率降到5%～6%之间[1]。

三、国外籽棉干燥设备的类型及现状

20世纪20年代末，美国轧花厂出现了第一台籽棉干燥设备。美国农业部在1926年开始研究籽棉干燥工艺规程，并在1932年研制出第一台标准塔式籽棉干燥系统。标准塔式干燥系统是采用气流干燥的方法，环境温度下的空气在热源的作用下形成干燥空气，干燥空气温度一般不高于120 ℃，干燥空气输送将要干燥的籽棉进入干燥机，干燥空气携带走多余的水分实现籽棉的干燥。标准塔式干燥设备研发于能源价格低廉且储量丰富的时期。从20世纪30年代起，随着能源价格的提高与棉花加工技术的深入研究，继标准塔式干燥机之后，其他各种类型的籽棉干燥机也陆续开发出来。但由于籽棉物料自身的物理特性，相继开发出来并且在市场上推广应用的籽棉干燥机仍然以气流干燥方法为主。相继开发的常用干燥机包括：热隔板塔式干燥机、大容量塔式干燥机、带式干燥机、对撞式干燥机及微波式干燥机等[3]。

（一）塔式籽棉干燥机

塔式籽棉干燥机是最早开发的干燥设备，也是应用最为广泛的。塔式干燥机目前仍然是美国轧花厂使用最为普遍的籽棉干燥机之一。塔式干燥机的最初形式为标准塔式干燥机，主要由闭风阀、混合箱、塔体、籽棉S形通道及籽棉出口组成，其中S形通道由多层交错开口的搁板组成，如图1所示。政府塔式干燥机的层数为13～20层，其长1.60 m（5.25英尺），宽1.22 m（4英尺），搁板层高度381 mm（15英寸）。标准塔式干燥机是根据当时4台80型锯齿轧花机的产量而设计的。随着锯齿轧花机产量的不断提高和棉花干燥技术研究的深入，塔式干燥机被改进成多种形式。目前常用的塔式干燥机主要有三种形式：二十四层搁板式、大容量式和隔板增热式。

二十四层搁板塔式干燥机的层数最多为24层。其中大陆公司的该种干燥机有两种型号，一种模型宽1.83 m（6英尺），长1.83 m（6英尺），第二种模型宽1.83 m（6英尺），长3.35 m（11英尺），它们的层数在11～24层之间，并且可以通过改变棉花的出口位置来改变干燥时间[4]。

大容量塔式干燥机是由拉马斯公司研制的，该干燥机共六层，每层间距为685.8 mm（27英寸），入口过渡部分则作为第七个架子，如图2所示。层数减少和层间距增加后，干燥过程中空气的压力损失降低，这样就可以仅采用一台引风风机，省去鼓风机。棉花加工过程中通常采用两道大容量塔式干燥机。大容量塔式干燥机用在一道干燥时，风速为10.16 m/秒，每千克籽棉的空气量为1.56 m3。湍流式重杂分离器设置于大容量塔式干燥机的前端，以进行初始湍流干燥，并清除石头等大杂。二道干燥时，热空气的温度和体积会有所减少，并且不使用湍流式重杂分离器。大容量塔式干燥机有两种规格：一种是宽度为1.22 m（48英寸），并带有1.02 m的湍流式重杂分离器；一种是宽度为1.83 m（72英寸），并带有1.52 m的湍流式重杂分离器。宽度为1.22 m（4英尺）和1.83 m（6英尺）塔式干燥机的风量分别为30 582.19 m3/h和45 873.29 m3/h[5]。

相比其他塔式干燥机，隔板增热塔式干燥机在每层籽棉通道之间增加了热风通道，用于弥补干燥过程中热风温度的降低，如图3所示。由于增热层避免了整个系统的温度下降，隔板增热塔式干燥机使用的空气量少于其他塔式干燥系统。工作过程中，籽棉从顶部进入塔体，然后从底部离开干燥机，通常，热空气在干燥机的底部进入，并在塔顶附近排出。

图1 标准塔式干燥机

图2 大容量塔式籽棉干燥机

（二）对撞式籽棉干燥机

塞缪尔·杰克逊的对撞式干燥机是对喷泉式干燥机的改进，其主要由籽棉热空气进口、热空气进口、干燥腔体、籽棉空气出口及空气出口组成，如图4所示。这是一种负压干燥机，旨在利用热空气和籽棉的混合达到最大的湍流度。在负压的作用下，棉花和热空气混合物进入上部腔室，在上部腔室中与另外一个管道进入的干燥空气直接发生碰撞。在这一湍流点之后，籽棉和热空气混合物分开，并在出口正上方产生第二次碰撞。对撞式干燥机的压降比传统的喷泉式干燥机稍高，但由于多次碰撞和湍流，干燥效果较好[6]。

（三）热箱式籽棉干燥机

热箱式籽棉干燥机主要包括籽棉输送带、干燥空气进口、气流与籽棉出口、摆动门及箱体，如图5所示，该干燥机设置于喂花机输送带与外吸棉管道之间。喂花机开松后的棉花在输送带的带动下经过摆动门进入箱体之内，正压或负压的作用下干燥空气进入箱体之内带动籽棉通过气流与籽棉出口进入籽棉输送管道。热箱式籽棉干燥机一般作为辅助干燥单元或一道干燥。相比其他干燥设备，热箱式籽棉干燥机的优点是干燥时间充足。但是，其缺点也比较明显，干燥温度一般较低，通常籽棉输送管道没有保温层，箱体内部与外部密封较差，热量散失也比较多。

图5 热箱式籽棉干燥机

（四）清理干燥一体式籽棉干燥机

清理干燥一体式籽棉干燥机采用的原理是使棉花和热空气以相反的方向通过垂直干燥机，其主要由卸料器、竖直清杂干燥部件、倾斜清杂部件及排杂等组成，如图6所示。工作过程中，当籽棉离开干燥机卸料器时，它落在抛射辊上，该抛射辊将棉团打碎，然后将松散的棉花抛撒开。棉花沿着格条栅和开松辊滑落，在该部分进行再次开松。热空气从干燥设备外壳的下端进入，向上穿过下落的棉花流，并通过顶部的空气口排出。由于热空气不用于棉花输送，因此去除的水分无法重新回到棉花中。干燥机下端的三辊清杂部分可清除光滑的圆形网格条之间的一些松散垃圾。该干燥机仅需3 398.02 m3/h的热空气即可进行有效干燥，而传统塔式干燥机则约为10 194.06 m3/h。因此，热源消耗的燃料和驱动风扇所需的功率减少了一半以上。

图6 热风清理式籽棉干燥机

（五）带式籽棉干燥机

带式籽棉干燥机主要由进料装置、籽棉、输送带、出料口、热风进口及出风口等组成，如图7所示。工作过程中，籽棉由进料装置均匀地铺在输送带的网板上，热风由网板底部向上穿过物料，完成热量和质量的传递。研究表明，带式干燥机将水平运行或倾斜至20°，最大倾斜角度为25°。相比于塔式干燥，热空气与籽棉的接触时间可达到90 s以上，干燥更加充分。在塔式干燥中，热空气通常被用来输送籽棉，而此设备所需的热空气仅是穿透籽棉层，故所需压力较小，可以达到节能的目的[7]。

图7 带式籽棉干燥机

四、国外籽棉干燥设备的发展趋势

根据国外主要籽棉干燥设备的特点，其发展趋势可以归纳为以下几点：

（一）籽棉干燥工艺及设备多样化。在喂花、清理前、清理后、清理过程中都有相应的干燥设备，并且籽棉输送方式不局限于气力输送，籽棉带式输送也能达到较好的干燥效果。

（二）不论哪种干燥方式，籽棉干燥的关键技术点是不变的，主要的技术点是最大化籽棉和热空气之间的速度差，最大化籽棉的开松程度和籽棉在热空气中的暴露时间。

（三）没有针对所有轧花厂的最佳干燥设备。最佳的干燥设备只是为满足特定的轧花厂的需求而设计的。选择干燥设备需要考虑的两个问题是轧花厂的位置和要加工的籽棉的状况。与在干旱地区相比，位于潮湿地区的轧花厂需要更加苛刻和高效的干燥设备。

（四）降低能量消耗，籽棉干燥设备不断的改进，往往是由能耗带动的，降低能耗也将是未来长期的发展目标。

五、结语

国内从20世纪80年代中期开始引进美国塔式籽棉干燥相关技术和设备。在消化吸收基础上，虽然取得了一定的成就，在一定的时间内满足了国内棉花加工的需求，但是随着我国能源结构的调整，现有塔式干燥设备势必需要进一步的完善，亟需研究和开发新型的籽棉干燥技术及设备。籽棉干燥设备的开发需要设计人员借鉴先进产棉国干燥技术及设备，结合我国能源结构和棉花加工行业的特点，研制具有自主知识产权的节能环保型棉花干燥设备。