籽棉加湿箱的改进设计

〔郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州450004〕

一、籽棉水分含量对棉花加工的影响

籽棉水分含量对于棉花加工是非常重要的。籽棉水分含量过高，籽棉难以开松，黏附的杂质被棉团牢牢裹住而不能在开松、除杂设备中被抖落，在生产中容易导致堵塞、损坏轧花设备。由于籽棉水分含量过高是生产线产生火灾的一大诱因，因此，籽棉水分含量过高不适宜籽棉清理和轧花。而籽棉水分过低时，棉纤维因其表面产生的静电而易于黏附在金属的表面，进而导致设备堵塞停止工作。棉纤维强力和短纤维含量受其自身回潮率的影响较大。回潮率15%的棉纤维强力是回潮率4%的棉纤维的1.7倍。被干燥到极低回潮率水平的棉纤维变得易损坏和易碎，在加工过程中更容易被打断。如果棉纤维的回潮率从5%干燥到3%，经过两道皮棉清理后，棉纤维的短纤维含量将会增加1.4倍。同样，棉纤维长度值也随着回潮率的降低而降低。

二、不同工艺环节对回潮率的要求不同

棉花加工过程中，不同工艺环节对回潮率的要求是不同的。研究表明：籽棉回潮率在5%～6.5%时，籽棉清理机的清杂效率较高，可以充分清除籽棉中的杂质；籽棉回潮率在6.5%～8.5%时可有效降低轧花机与锯齿皮清机对棉纤维的损伤，获得最佳的轧工质量，并体现出纤维在最佳状态下的天然色泽。

因为机采棉的水分和含杂都远大于手摘棉，所以在加工过程中要充分、正确使用烘干和加湿的工艺，才能在清理阶段尽量提高清杂率，使纤维在轧花阶段少受损伤。

机采棉进场水分较大，一般在10%～14%，为了提高清杂率，加工企业必须使用烘干系统，根据水分的多少进行一次烘干或二次烘干，然后再进行一系列的除杂工艺。当有效去除杂质后，籽棉在进入轧花机前受到烘干和风运的影响，回潮率一般会降到4.5%～5.5%。有的企业为了降低皮棉含杂率指标，盲目将烘干温度提得过高，将籽棉的回潮率降在4.5%以下，这样在轧花阶段纤维会“脆断”，皮棉的平均长度变短、整齐度降低。棉纤维的有效长度、长度整齐度是影响纺织成纱质量的重要因素，也是影响皮棉销售价格的重要指标。

三、籽棉加湿箱的设计

图1是国内目前最常用典型的机采棉工艺流程，使用了二次烘干的工艺。在第一次烘干后用刺钉辊筒清花机6、清铃机7进行了初步除杂和去铃壳；进入二次烘干后，刺钉辊筒清花机9和回收式清花机10又进行了更加精细的除杂。此时经烘干、清理、风运后的籽棉回潮率一般在4.5%～5.5%，更低的在4.5%以下，从配棉输送机11进入锯齿轧花机12上部的储棉箱，准备进行轧花。轧花机的锯齿对籽棉强力钩拉，轧花工艺点对棉纤维损伤最严重。为了提高纤维强度，防止过度损伤纤维，在进入轧花前必须增加籽棉的水分来提高纤维强度，保证轧工质量。籽棉回潮率在6.5%～8.5%之间时，是轧花机的最佳工作和皮棉品质最好的状态。从图1可以看出，轧花前能进行籽棉加湿的工艺点不多，在没有充分除杂前加湿则会影响除杂效率。为此，最佳的籽棉加湿工艺点是在进入锯齿轧花机12之前上部的储棉箱处，此时被烘干的籽棉已经完成了清理的工艺，落杂充分；在这个工艺点后续也没有风运；籽棉回潮率已经处于最低点，同时储棉箱中籽棉运动速度较低，为棉纤维充分吸收水分提供了时间的条件。

图1 国内目前最常用典型的机采棉工艺流程

笔者查阅资料，美国很早已经应用了籽棉箱式加湿系统（图3、4、5）。其主要包括：燃烧器、雾化器、管路系统、加湿箱（图2）、电气控制系统等组成。燃烧器提供热能，一般是燃气直燃式气炉，无需换热器对空气直接加热，燃烧充分，产生的热量高、废气少。被燃烧器加热的高温气流进入雾化器，雾化器内设置有高压喷头，将足够的水量以水雾的状态高速喷出。高温气流在雾化器内和高压水雾相遇，高温气流充分吸收水分并通过管路系统进入轧花机籽棉箱两侧，通过箱壁两侧开的缝隙进入箱体内，对储存并向下缓慢流动的籽棉进行加湿。电气控制系统根据回潮值、棉箱内籽棉状态等参数，自动控制燃烧器产生的温度、雾化器水泵的频率和各阀门的开启。

图2 籽棉加湿箱

图3 加湿箱安装简图

图4 加湿箱在轧花机上的应用

图5 多台加湿箱成组应用

近几年，机采棉的迅速发展也大大刺激了对机采棉加工工艺的研究。机采棉含杂率大、回潮率高、加工量大的特点，使加工企业很难平衡产量与质量的关系。因棉花提质升级的需要，国内棉花业界也逐步重视到了籽棉加湿的必要并进行了研究。业界认同在籽棉箱处加湿的国外先进加湿经验，也研发了相关设备。图6所示为籽棉箱的原理图，其工作过程：燃烧器（热源）将高温气流通入雾化器形成高温热湿气流，高温热湿气流从两侧籽棉加湿箱4的两个热湿气流进口5进入储棉箱2对籽棉3进行加湿，加湿后籽棉3通过给棉辊7进入轧花机8中进行轧花，加湿后的尾气从籽棉输送机1自由排放到空气中。

图6 籽棉加湿箱（籽棉密度大）

图7 籽棉加湿箱（籽棉密度小）

2015年和2016年，多个厂家研制的籽棉箱式加湿投入了现场实验使用。据追踪观察，轧花厂在2017和2018年度基本没有再启动使用。据笔者了解分析，可能有以下原因：1.使用单位对籽棉加湿的作用从思想上重视不够，嫌操作麻烦，增加了成本和人工；2.籽棉箱内籽棉密度较大时（图6），两侧的热湿气流不能穿透棉层，这样就会造成靠近两侧箱壁的籽棉非常湿，而中间大部分的籽棉几乎没有被加湿；3.籽棉箱内籽棉较少或刚从输送机内落棉时（图7），两侧的热湿气流进入箱体内，由于箱体下部有轧花机的喂棉罗拉和部分籽棉，因此，下部相当于密封，气流则向上冒出，正好顶着籽棉下落方向，使籽棉不能顺利落入箱中，造成输送机内产生“堵车”现象。而正向气流不受控制，偏偏向阻力小的地方运行，“绕”过了需要加湿的籽棉，使加湿效果不好；4.热湿空气遇到温差较大的情况（冬季尤为明显）会迅速产生大量冷凝水吸附在箱壁上，造成籽棉黏附箱壁在籽棉箱内造成堵塞。而大量冷凝水还会流到轧花机内，造成机件锈蚀、“堵车”、污染棉花等情况的出现。

四、籽棉加湿箱的改进设计

根据籽棉箱式加湿的生产线使用情况，笔者做了改进设计（如图8所示），其工作过程：燃烧器（热源）将高温气流通入雾化器形成高温热湿气流，高温热湿气流从一侧籽棉加湿箱4的热湿气流进口5进入储棉箱2对籽棉3进行加湿。在对面下方设置抽吸箱9，抽吸箱9内有热湿气流出口10、给棉辊组11。热湿气流从籽棉加湿箱4的隔条栅6喷出对籽棉3进行加湿。抽吸箱9内有负压，将热湿气流导向斜向下穿过籽棉，增加加湿路程和时间。尾气通过给棉辊组11每两辊之间的缝隙后，从热湿气流出口10被负压引出。加湿后的含余热尾气重新回到加热器中加热，再进行循环。

图8 籽棉加湿箱改进示意图

主要改进和设计特点：1.籽棉由不确定的被动加湿改为强制穿透式主动加湿。强力穿透式加湿不会产生紧靠两侧壁的籽棉表面湿，而内侧加不进去水分的情况；强力穿透式加湿均匀，加湿量大且可靠；2.强制穿透式主动加湿由负压吸引导向，气流方向可控，不会产生大量冷凝水黏附到两侧箱壁上或流到轧花机内；3.由于负压吸引导向，因此，热湿气流不再向上“顶出”，避免了落棉不顺堵塞输送机的情况；本设计加湿箱在上，抽吸箱在对侧下方，增加了加湿的路线和时间，气流斜向下的方向与籽棉运动方向基本一致，不会产生阻力出现堵车现象；4.本设计在抽吸箱内设计了给棉辊组，每两辊之间的缝隙形成负压吸口，当运行时辊组向下转动将籽棉向下运送，防止了负压抽吸时籽棉贴附在箱壁上导致堵车的状况；5.本结构的辊组直径合理，不会发生“绕辊”现象。每两辊间的负压抽吸缝隙尺寸设计不会使棉花进入，总面积还能完全吸收加湿箱的湿热气流并控制所需要的风速。本结构辊组传动需要功率很小，可直接利用轧花机的给棉电机无需再设置电机传动，辊组的线速度等于或稍大于轧花机给棉罗拉的线速度即可；6.原设计的尾气排放到大气，尾气带有一定的温度，直接排放造成了能源浪费。本设计很好地解决了这一问题，使带有一定温度的尾气被负压抽吸送到热源重新加热，形成了闭环风运系统，初步估算可节约能源20%～30%；7.本设计加湿可控，风运系统形成了闭环，工作状态稳定，使得自动控制能顺利实现。

五、结语

美国虽然很早就已经应用了籽棉箱式加湿系统，但是应用厂家较少，配置不普遍，在实际使用中也可以看出这类设计存在一定的问题。笔者罗列的原因及改进措施不一定全面，希望抛砖引玉引起业界关注并继续研究改进籽棉加湿系统。