国内外籽棉加湿系统的研究现状与发展趋势

秦建锋 孟永法 向天明

（中华全国供销合作总社郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州，450004）

在棉花加工过程中，回潮率是影响棉花加工质量的重要因素之一［1］。棉纤维是吸湿性物质，回潮率的大小会影响其物理特性，回潮率过大，棉纤维与杂质、机械表面的摩擦力增大，造成籽棉清理效率较低和设备易堵塞，且在外力的作用下，纤维之间会更多地缠绕、扭曲，致使产生较多的棉结、索丝［2‐3］。一般采收后的籽棉回潮率较高，尤其是机采籽棉。为提高籽棉清理效率，通常对籽棉进行干燥，将籽棉回潮率降低到5.0%～6.0%［4‐6］。同时，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。研究表明，适宜轧花环节的棉纤维回潮率在7.5%左右［7‐8］。为此，在轧花前需要将棉纤维的回潮率从5.0%～6.0% 提升到7.5%左右，这就需要在轧花前对清理后的籽棉进行加湿处理［9］。目前国内外采用的籽棉加湿方式可以分为热加湿和冷加湿两种类型，其中热加湿的应用更为广泛，国内外部分棉花加工厂也尝试采用了冷加湿的方式。在实际应用过程中，冷加湿、热加湿均表现出了一定的问题。热加湿存在能耗高、能源利用率低、设备复杂和占地面积大的问题；冷加湿存在加湿均匀性差、加湿能力可控性差和对环境适应性较差的问题。

为此，我们对国内外棉花加工过程中籽棉加湿系统的研究现状，以及使用的几种籽棉加湿系统的结构、工作原理进行总结归纳，分析不同籽棉加湿系统的优缺点。结合我国籽棉加湿系统的发展现状和趋势，提出系统优化和创新研发建议。

1 籽棉加湿系统的作用和类型

1.1 籽棉加湿的作用

将轧花前棉花回潮率提高到适宜轧花的回潮率，减少轧花过程中锯齿勾拉力对棉纤维的损伤，提高皮棉的纤维长度、强力和长度整齐度指数，进而提高棉花加工质量［10‐12］。此外，籽棉加湿还能提高棉纤维的防静电性能。

1.2 籽棉加湿的类型

籽棉加湿方法主要包括热加湿和冷加湿两种。在实际应用中，国内外籽棉加湿系统以热加湿为主。热加湿是通过将湿热空气与籽棉充分混合，湿空气进入到纤维间的空隙中，湿空气在温度梯度的作用下冷凝形成棉纤维表面的吸附水，完成对籽棉的加湿。籽棉热加湿系统类型主要包括塔式籽棉加湿系统、管道式籽棉加湿系统和储棉箱籽棉加湿系统3 种。籽棉热加湿系统主要由供热风机、热源、雾化装置和籽棉加湿装置组成。冷加湿是通过物理方式将水雾化成微小颗粒，将雾化水喷洒在籽棉表面，完成对籽棉的加湿。籽棉冷加湿系统主要包括超声波雾化加湿、高压雾化加湿和高压气水混合加湿3 种。相比热加湿，籽棉冷加湿设备组成简单，主要包括水雾化装置。籽棉加湿方法归类及对应机型如下。

热加湿：MJZT‐A 型塔式籽棉加湿系统，MJZT‐B 型塔式籽棉加湿系统，MJZ‐A 型储棉箱式籽棉加湿系统，MJZ‐12 型储棉箱式籽棉加湿系统，Samuel Jackson 公司储棉箱式籽棉加湿系统，乌兹别克斯坦清理机卸料出口籽棉加湿系统。

冷加湿：CH‐R105 型超声波雾化棉花加湿器。

我国籽棉加湿技术起步较晚，是在学习国外先进产棉国棉花加工技术的基础上发展起来的。目前，我国籽棉加湿系统的研究已取得了较大的进展，开发出了具有自主知识产权的产品。我国籽棉加湿系统主要有郑州棉麻工程技术设计研究所研制的塔式籽棉加湿和储棉箱籽棉加湿，山东天鹅棉业机械股份有限公司研制的储棉箱籽棉加湿及郑州格润加湿设备有限公司研制的超声波雾化籽棉加湿，其中超声波雾化籽棉加湿应用较少。国外籽棉加湿技术的研究和籽棉加湿系统的应用较早，加湿设备的类型比较多。以美国为代表的先进产棉国目前以Samuel Jackson 公司研制的储棉箱籽棉加湿为主。乌兹别克斯坦研制了安装在籽棉卸料口的籽棉加湿装置。

2 国内籽棉加湿系统的发展现状

国内籽棉加湿系统主要包括塔式籽棉加湿、二道塔式籽棉加湿、储棉箱籽棉加湿和超声波雾化籽棉加湿。

2.1 塔式籽棉加湿系统

MJZT‐A 型塔式籽棉加湿系统是由郑州棉麻工程技术设计研究所在国内较早推出的籽棉加湿系统，其为热加湿方式，加湿环节设置在末道籽棉清理后和配棉绞笼之间。塔式籽棉加湿主要包括供热风机、热源、雾化器、籽棉回潮率在线检测装置、自控箱、闭风阀、混合箱、加湿塔、卸料器和输棉绞笼，其工艺流程如图1 所示。输棉绞笼设置在配棉绞笼一侧，自控箱设置在输棉绞笼的出料口，自控箱底部依次设置闭风阀和混合箱，供热风机、热源、雾化器依次通过管路连接于混合箱进口，混合箱的出口通过管路连接于加湿塔的进口，加湿塔的出口连接于卸料器的进口，卸料器设置在配棉绞笼的上侧［13］。

图1 MJZT‐A 型塔式籽棉加湿系统工艺流程

工作过程中，末道籽棉清理出口的籽棉经输棉绞笼进入自控箱，热源加热后的空气进入雾化器与经水泵加压后喷淋水混合形成热湿空气，籽棉经自控箱、闭风阀进入混合箱后，在热湿空气的带动下进入加湿塔，籽棉与热湿空气混合、流动的过程中完成对籽棉的加湿，加湿后的籽棉经卸料器进入配棉绞笼。

该种籽棉加湿系统能够较好完成对籽棉的加湿，但其工艺、设备复杂，成本较高，占地面积大，不适宜在车间改造。

2.2 二道塔式籽棉加湿系统

针对采用复合式籽棉清理机的棉花加工生产线，郑州棉麻工程技术设计研究所在MJZT‐A 型塔式籽棉加湿系统的基础上设计推广了MJZT‐B型二道塔式籽棉加湿系统，加湿环节设置在典型棉花加工工艺的二道干燥塔的位置。二道塔式籽棉加湿系统主要在现有棉花加工生产线的二道干燥环节基础上改造而成，其工艺图如图2 所示。在原有二道干燥环节的热源和混合箱之间安装雾化器，在二道加湿塔的出口处安装籽棉回潮率在线检测装置［14］。

图2 MJZT‐B 型二道塔式籽棉加湿系统工艺流程

工作过程中，根据籽棉回潮率在线检测装置检测的回潮率数据，通过调节热空气温度调节雾化器形成的湿空气温湿度，进而调节籽棉回潮率，将回潮率调控在适宜轧花的7.5%左右。

该种籽棉加湿系统适用于安装有复合式籽棉清理机的棉花加工生产线。对于没有安装复合式籽棉清理机的生产线，由于籽棉加湿位置设置在二道籽棉清理之前，该加湿系统在一定程度上影响二道籽棉清理效率。

2.3 储棉箱籽棉加湿系统

我国储棉箱籽棉加湿系统是在借鉴美国储棉箱籽棉加湿技术的基础上发展起来的。储棉箱籽棉加湿系统通过将热湿空气从四周或两侧引入到储棉箱内与棉花混合实现籽棉加湿。国内研制并在生产线上应用的有MJZ‐A 型和MJZ‐12（MY171）型储棉箱加湿系统工艺流程。这两种储棉箱籽棉加湿系统有近似的部分，但也有很大区别。

图3 为MJZ‐A 型储棉箱加湿系统工艺流程，其主要包括热风炉、供热风机、雾化器和籽棉加湿装置［15］。工作过程中热风炉产生的热风进入雾化器内与喷淋水混合形成热湿空气，根据籽棉回潮率在线检测装置检测的籽棉回潮率值调控热湿空气的温湿度，热湿空气进入籽棉加湿装置的前后侧，通过多孔网板进入籽棉通道与籽棉混合实现籽棉加湿。

图3 MJZ‐A 型储棉箱加湿系统工艺流程

图4 为MJZ‐12（MY171）型储棉箱加湿系统工艺流程，其主要包括蒸汽炉、风机、热风蒸汽混合箱、蒸汽加压装置和籽棉加湿装置［16］。工作过程中蒸汽炉产生的蒸汽一部分通过换热器加热空气形成热空气，一部分蒸汽通过蒸汽加压装置加压后在热风蒸汽混合箱内喷射后与热风混合形成热湿空气，热湿空气被引入到籽棉加湿装置的前后侧，通过扣板进入籽棉通道与籽棉混合实现籽棉加湿。

图4 MJZ‐12（MY171）型储棉箱加湿系统工艺流程

对比这两种储棉箱籽棉加湿系统，所采用的技术不尽相同，对比如表1 所示。最大的区别在于热湿空气的形成不同，图5 为湿空气形成装置的实物对比。

图5 两种储棉箱籽棉加湿系统湿空气形成装置对比

表1 国内不同型号储棉箱籽棉加湿系统对比

相比塔式籽棉加湿系统，储棉箱籽棉加湿系统工艺简单、结构紧凑，节省能源，适宜于老旧车间的改造，但也存在籽棉穿透不足、加湿均匀性差的问题。

2.4 超声波雾化籽棉加湿器

CH‐R105 型超声波雾化籽棉加湿器属于冷加湿。超声波雾化是采用雾化片产生的高频振荡（振荡频率为1.7 MHz 或2.4 MHz，超过人的听觉范围，该电子振荡对人体及动物无伤害），使得水被抛离水面产生飘逸的水雾。在我国新疆棉区，部分棉花加工厂在环境温度较高时，将超声波雾化器雾化后的水雾引入到配棉绞笼位置与籽棉混合，实现籽棉加湿，如图6 所示。

图6 CH‐R105 型超声波雾化籽棉加湿器

超声波雾化加湿器结构简单，易于安装。在环境温度较高时，超声波雾化加湿对籽棉有一定的加湿效果。但随着环境温度的降低，雾化水仅对表层籽棉和籽棉的外表有一定的加湿效果，加湿均匀性较差，雾化水大量积聚在设备的表面，影响籽棉的输送和加工。并且，即使是环境温度较高时，很难准确控制加湿后的籽棉回潮率，回潮率过高也会降低棉花加工质量［17］。

3 国外籽棉加湿系统的发展现状

3.1 储棉箱籽棉加湿系统

Samuel Jackson 公司储棉箱籽棉加湿系统工艺与国内相关产品基本一致，其主要由风机、热湿空气形成装置和加湿装置组成［18］，如图7 和图8所示。热湿空气形成装置产生的热湿空气在风机的带动下进入加湿装置的腔体之内与棉花混合，实现籽棉加湿［19‐20］。与国内相关产品的最大不同在于热湿空气形成方式不同，该厂家的热湿空气形成装置为一体式，结构紧凑，其主要包括天然气、燃油燃烧器和喷淋装置，喷淋装置包括水泵和喷嘴。热湿空气形成装置工作过程中，天然气燃烧器加热空气，被加热后的空气进入喷淋室，部分火焰直接与喷淋水接触，经过热质转换后形成热湿空气，另外对喷淋后的回流水采用水力沙克龙进行净化。

图7 Samuel Jackson 公司储棉箱籽棉加湿系统工艺流程

图8 Samuel Jackson 公司储棉箱籽棉加湿系统实物图

与国内相关产品相比，该厂家的储棉箱籽棉加湿系统对籽棉回潮率的调控精度较高，主要表现在两个方面：一是热湿空气形成装置能够精确地控制出口处湿空气的温度和相对湿度；二是回潮率在线检测的稳定性、准确性较好。

3.2 清理机卸料口籽棉加湿系统

清理机卸料口籽棉加湿系统是由乌兹别克斯坦农业部研制的，其结构如图9 所示，主要包括蒸汽发生器和籽棉加湿装置，籽棉加湿装置包括蒸汽喷嘴、卸料加湿腔体、加湿隔板、蒸汽回收管道和籽棉输送管道［21］。工作过程中蒸汽发生器产生高压蒸汽，喷嘴喷出的蒸汽通过加湿隔板进入卸料加湿腔体内与进入的籽棉混合，实现籽棉加湿，部分未被籽棉吸收的蒸汽通过蒸汽回收管进入籽棉输送管道对棉花进一步加湿，籽棉输送管道将棉花输送到轧花机。

图9 清理机卸料口籽棉加湿系统

该装置结构比较简单，但缺少回潮率检测装置，加湿能力可控性较差。另外，如果按照我国的棉花加工工艺，末道籽棉清理机距离轧花机比较近，没有空间位置安装该设备。

4 国内籽棉加湿系统存在的问题和发展趋势

4.1 国内籽棉加湿系统存在的问题

（1）籽棉加湿机理研究薄弱。我国籽棉加湿技术及设备是在消化吸收国外先进经验的基础上发展起来的，对籽棉加湿机理的研究比较薄弱，尤其是热加湿与冷加湿的区别和二者对棉花加工质量的影响。目前缺少对籽棉加湿技术及设备的系统性研究，设计者往往是凭借工作经验进行设备的设计，因而很难达到最优的加湿工艺参数。

（2）加湿方式单一，能耗高，能源利用率低。目前国内开发的籽棉加湿系统以热加湿为主。相比冷加湿，热加湿的能耗较高。目前国内开发的籽棉加湿系统往往仅能兼顾一种加湿方式。我国籽棉加湿工艺是开环式的，加湿后的废气直接排出到大气环境当中，造成一部分热量的浪费。加湿系统的自动化、智能化程度低也是造成能耗高和能源利用率低的原因之一。

（3）设备自动化程度低、维护困难。影响国内籽棉加湿系统自动化程度的关键因素是在线式籽棉回潮率检测。虽然国内已研制出籽棉在线式回潮率检测装置，但相比国外先进技术，国内在线式籽棉回潮率检测装置的种类少，对不同环节的适应性差和检测稳定性一般。国内在籽棉加湿系统控制系统的开发中缺少满足我国棉花加工要求的基础试验研究作为指导。另外，国内由于籽棉加湿系统的工艺复杂，设备集成度较低，维护困难。

4.2 国内籽棉加湿系统的发展趋势

目前我国棉花加工热源处于一个转型期，由燃煤热源转向电热源，热源使用费在棉花加工总费用中的占比增加。结合我国现有籽棉加湿工艺和设备，籽棉加湿系统将向着降低籽棉加湿的能量消耗、提高加湿效率和提高籽棉加湿自动化、智能化方向发展，具体表现在以下几个方面。

（1）深入研究籽棉加湿机理，研究之前加湿过程中的传热、传质机理，量化籽棉加湿过程中的工艺参数，研究最适宜轧花前籽棉加湿的工艺与设备。

（2）开展籽棉加湿废气中潜热与显热的回收，充分提高能源利用率，形成闭环式或半闭环式籽棉加湿工艺，研究适应不同环境条件且能够兼容热加湿和冷加湿的加湿工艺，降低籽棉加湿的热量消耗。

（3）开展不同类型籽棉加湿设备的关键零部件与加湿效率关系的研究，对结构参数进行优化，并在进一步吸收国内先进籽棉加湿技术的基础上，开发新型加湿装备，在降低籽棉加湿的热量消耗、提高加湿效率等方面有所创新。

（4）棉花加工过程中回潮率不能过高或过低，应加快高精度、高可靠性的棉花回潮率在线检测装置的研发，开发籽棉加湿自动控制系统，高效动态地调控棉花回潮率，保证棉花加工品质。

5 结语

籽棉加湿是棉花加工过程中通过调控轧花前籽棉回潮率提高皮棉加工质量的重要途径。虽然近年来我国籽棉加湿系统的研制取得了一定的发展，但仍存在能耗高、能源利用率低，加湿工艺与设备的研究还不够成熟、技术含量较低等问题。因此，在研制节能环保的籽棉加湿系统时，需要更深入研究籽棉加湿机理和加湿工艺，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，加速籽棉加湿系统在我国棉花加工过程中的应用和推广，提高我国棉花加工质量。