籽棉干燥工艺与设备的现状及发展趋势

〔中华全国供销合作总社郑州棉麻工程技术设计研究所，郑州450004〕

一、引言

回潮率是影响棉花加工品质的关键因素之一。籽棉回潮率过大会使棉纤维与杂质及棉纤维与机械表面的摩擦力增大，会造成籽棉清理效率较低和设备堵塞。在外力作用下，纤维之间会更多地缠绕、扭曲，从而产生较多的棉结、索丝，进而影响皮棉质量。籽棉回潮率过低、棉纤维强力降低、刚性增加，在外力作用下易折断，造成棉纤维长度降低、短绒率增加[1-4]。新疆是我国的主产棉区，其棉花产量占全国的70%以上，棉花的采收一般集中在九月下旬到十月下旬，此时环境温度降低，相对湿度高。采收后的棉花回潮率在15%左右[5]，而适宜于籽棉加工的棉花回潮率在6.5%到8.5%之间[6，7]，这就要求在棉花加工过程中对籽棉进行精确干燥[8]。目前的籽棉干燥设备能耗高、能源利用率较低，并且自动化程度低，过度干燥与干燥不足严重影响棉花的加工质量[9]。为此，本文归纳了国内棉花加工过程中的籽棉干燥工艺与设备的现状，介绍了籽棉干燥机的几种机型及结构、工作原理及优缺点，论述了籽棉干燥发展现状及目前存在的问题，同时探讨了籽棉干燥的发展趋势。

二、籽棉干燥工艺的现状

籽棉干燥是利用棉纤维的放湿性，以空气为介质，先对空气加热来提高空气的温度和降低空气的相对湿度；或直接加热物料籽棉，然后使空气与籽棉相混合，在空气与棉纤维之间形成一个温度差、湿度差和压强差，迫使纤维中吸附水分子逐渐向外转移，被热空气所吸收，达到籽棉干燥的目的[2，9，10]。籽棉干燥工艺根据籽棉干燥过程中籽棉输送的方式不同可以分为两类：气力输送式干燥工艺和机械输送式干燥工艺。

（一）气力输送式干燥工艺

气力输送式籽棉干燥工艺主要包括离心风机、热源、喂料器、籽棉干燥机、卸料器及测控系统等[11，12]。如图1所示的工艺流程：根据籽棉回潮率，干燥介质空气在离心风机正压的作用下经热源加热到一定温度，加热后的空气温度低于120 ℃，加热后的空气带动由喂料器供给的籽棉进入籽棉干燥机，干燥后籽棉和空气进入卸料器实现籽棉和空气的分离。

气力输送式籽棉干燥过程中，干燥介质空气一方面参与籽棉的输送，一方面在输送过程中实现对籽棉的干燥。气力输送式干燥工艺具有结构简单、占地面积少、生产率高的特点，干燥机没有运转部件，操作维修方便，在国内得到广泛的应用，占到95%以上。由于空气参与籽棉输送，因此，气力输送式籽棉干燥工艺干燥过程中需要大量的干燥介质如空气，另外干燥后的空气中含尘浓度较高，经过除尘处理后直接排到大气中。气力输送式干燥工艺的能耗较高，能量利用率较低。

图1 气力输送式籽棉干燥工艺示意图

（二）机械输送式干燥工艺

机械输送式籽棉干燥工艺主要包括供热风机、热源、喂料器、籽棉干燥机及测控系统。与气力输送式干燥工艺的不同之处在于：干燥过程中籽棉输送为机械输送方式，干燥介质空气不参与籽棉的输送，只起干燥的作用。

相比气力输送式籽棉干燥工艺，机械输送式籽棉干燥工艺所需的干燥介质空气量较少，干燥后空气的含尘浓度较低且易于热量回收再利用。但机械输送式籽棉干燥工艺具有结构复杂、占地面积大、生产率低、干燥机运转部件较多、操作维修困难、干燥均匀性差的缺点。目前相比气力输送式干燥工艺，机械输送式干燥工艺的能耗稍低，能量利用率稍高一些。

三、籽棉干燥机的类型及现状

根据籽棉干燥工艺的不同，籽棉干燥设备可以分为两类：机械输送式籽棉干燥机和气力输送式籽棉干燥机。常见的籽棉干燥机的类型[13]，如表1所示。

表1 籽棉干燥机的类型与分类

（一）气力输送式籽棉干燥机

1.塔式籽棉干燥机。

塔式干燥机是我国在引进、消化、吸收的基础上发展起来的。目前塔式干燥机主要有两种形式：标准塔式干燥机和搁板增热式干燥机。标准塔式干燥机主要由“S”形籽棉通道、塔体及进出料口等部分组成[1]，塔式干燥机如图2所示。工作时，籽棉和热空气从进口进入塔体内的“S”形通道，从上到下不断地折返流动，籽棉和热空气之间的速度差不断地改变，在流动过程中完成热量和质量的传递，实现对籽棉的干燥，干燥后籽棉与空气分离。与标准塔式干燥机不同，搁板增热式籽棉干燥机增加了保温通道，保温通道位于“S”形籽棉通道之间，起到补充干燥过程中热量的消耗[14]，如图3所示。另外，标准塔式干燥机的搁板层数较多，一般最多有24层，其风压损失较大；搁板增热式干燥机层数一般为6层，其压力损失较小[15]。

图2 标准塔式籽棉干燥机

塔式干燥机是目前国内应用最为普遍的籽棉干燥方式，使用率占90%以上。塔式干燥机具有结构简单、占地面积少、生产率高、没有传动部件、操作维修方便等优点。但是由于空气还参与籽棉输送，因此，塔式干燥机所需的空气量较大。另外，目前塔式干燥机干燥后的空气通常没有有效的热回收装置，这样塔式干燥机的热能利用率低，系统动力消耗大。

图3 隔板增热式籽棉干燥机

2.脉冲—转筒组合式干燥机。

脉冲—转筒组合式干燥机由脉冲管和转筒干燥机组合而成[16]，如图4所示。脉冲管为不同管径的籽棉输送管道，通过改变籽棉气力输送管道的直径，改变籽棉和热空气的速度差，增加籽棉与热空气之间的传热和传质。转筒干燥机主要有转筒及转筒两端的进口和出口，转筒内壁上交错分布弧形抄板，起到均匀籽棉和引导籽棉运动作用。籽棉和热空气进入转筒后，气流速度下降，依靠转筒的旋转和弧形抄板的作用，籽棉不断地被抛起后下落。在这过程中，籽棉中的水分不断地被热空气带走。

图4 脉冲—转筒组合式干燥机

脉冲-转筒组合式干燥机的优点是：籽棉干燥均匀、工作可靠，相比塔式干燥机，其热能消耗低。其缺点是：占地面积大、设备维护困难。

（二）机械输送式籽棉干燥机

1.清理干燥一体式籽棉干燥机。

清理干燥一体式干燥机主要是由竖向籽棉通道、清杂单元及排杂通道组成，其中清杂单元上下交错布置于籽棉通道内部，清杂单元包括刺钉辊、格条栅漏底和落杂斜板[17]，如图5所示。工作过程中，籽棉由喂料口进入籽棉通道，热空气由左右两边的热空气进口进入籽棉通道，籽棉下落后在刺钉辊击打、清杂及开松后被斜向上抛射出来，又在重力及热空气的作用下向下落，在这过程中不断完成热量和质量的传递，废气由排杂通道向上排出，籽棉由下闭风阀排出。

图5 清理干燥一体式籽棉干燥机

清理干燥一体式干燥机的优点：减少了热空气的流量，籽棉干燥过程中的开松程度较好，干燥效率高。其缺点包括：（1）在籽棉未达到清理所需的回潮率时进行多次打击，棉纤维易出现索丝、棉结，影响棉花加工质量；（2）设备结构复杂、传动部件多、设备稳定性差、设备维护困难[18]。

2.带式籽棉干燥机。

带式籽棉干燥机主要由干燥箱体、多层输送带、进料装置、出料装置、抽风机及吸湿器等组成[19]，如图6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，籽棉在输送带上移动并落在下层输送带上，热风穿过物料，完成热量的传递。

图6 带式籽棉干燥机

带式干燥机的特点：干燥过程中热空气中的尘杂较少，通过吸湿器除湿后可以循环利用，这样就大大提高了热量利用率，通过多次翻转，干燥均匀性较好。但由于棉花的多孔热性，带式干燥中的空气速度较低，相比塔式干燥机干燥效率低、设备占地面积大、结构复杂且安装维护困难。

3.微波式籽棉干燥机。

微波式籽棉干燥机主要由进料装置、干燥箱、抽湿系统、出料装置、控制系统、波导装置及单管微波源组成[20]，如图7所示，其中抽湿系统包括抽风机和抽风道，抽风道设置于干燥箱体外侧并通过多孔板与箱体内部连通。工作过程中，籽棉由进料装置进入，籽棉自由下落，在下落过程中，微波对籽棉加热，由干燥箱体下方的喂棉辊调节加热时间，抽湿系统将汽化后的水分带走，籽棉由出料装置排出，实现对籽棉的干燥。

微波籽棉干燥机具有效率高、干燥速率快、干燥均匀、便于实现自动控制及热量利用率高的优点。但是由于籽棉处理量大、空间密集及棉花多孔特性，汽化后的水分与棉花混合在一起，很难在短时间内将汽化水排出。在实际应用过程中，出料口排出的籽棉往往会出现再次回潮的现象[21]。

四、籽棉干燥工艺与设备存在的问题

（一）籽棉干燥理论薄弱

我国籽棉干燥工艺与设备是在消化吸收的基础上发展起来的，对籽棉干燥理论的基础的认知较为薄弱，目前缺乏对籽棉干燥工艺及设备的系统性研究。设计者往往是凭借其工作经验进行干燥工艺和设备的设计，因而很难达到最优的干燥工艺参数。

（二）热能利用率低

由于废气中含有大量尘杂，不便于热回收，因此，目前轧花车间普遍使用的是开环籽棉干燥工艺，干燥后的废气经过简单除尘后排入大气中，导致很大一部分热量被浪费。另外，轧花厂对保温的认识不到位、管道漏气、挡车工的业务素养不高等也是造成热能利用率低的原因。

（三）自动化程度低

烘干过程中的籽棉含杂率高、杂质类型多样，籽棉回潮率在线检测难度较大。虽然目前国内已研制出在线式籽棉回潮率检测装置，但其检测准确性、稳定性较低，很难应用于籽棉回潮率的调控。目前籽棉干燥过程中，通常是凭借挡车工的经验来调节用于干燥的热空气温度，籽棉干燥过程中往往出现过度干燥和干燥不足的情况。

五、籽棉干燥工艺与设备的发展趋势

根据目前干燥工艺与设备的特点，籽棉干燥工艺与设备将向着降低籽棉干燥的热量消耗、提高干燥效率、干燥品质和提高籽棉干燥自动化、智能化方向发展，具体表现在以下几个方面：

（一）深入研究籽棉干燥过程中的传热、传质机理，量化籽棉干燥过程中的工艺参数，研究最适宜籽棉干燥的干燥工艺与设备。

（二）开展籽棉干燥废气中潜热与显热的回收及干燥物料显热的回收，充分提高热能利用率，形成闭环式或半闭环式籽棉干燥工艺。

（三）开展不同类型籽棉干燥设备的关键零部件与干燥效率关系的研究，对结构参数进行优化，并在进一步完善国内现有干燥工艺的基础上开发新型干燥设备，在降低籽棉干燥的热量消耗、提高干燥效率、干燥品质等方面有所创新。

（四）由于棉花加工过程中回潮率不能过高和过低，因此，应加快高精度高可靠性的棉花回潮率在线检测设备的研发，开发籽棉干燥自动控制系统，高效动态地调控棉花回潮率，保证棉花加工品质。

六、结语

籽棉干燥是提高棉花生产效率和加工品质的重要途径。近年来我国棉花加工籽棉干燥设备取得了一定的发展，但由于棉花加工单位时间处理量大、尘杂含量大的特点及棉纤维吸湿的特性，干燥工艺与设备的研究还不够成熟、技术含量较低，因此，在研制节能环保的籽棉干燥系统时，需要研究适宜于籽棉的闭环式干燥工艺，进一步打好籽棉干燥理论基础，开展关键零部件的创新设计，研制高精度籽棉回潮率在线检测装置，开发自动化、智能化控制系统。