皮棉加湿工艺研究现状及发展趋势

戚小琛 周香 张茜 阮旭良 史书伟 杨旭海

收稿日期：2023-05-23         第一作者简介：戚小琛，硕士研究生，研究方向为农业机械化，qxcaxt2@163.com。*通信作者：杨旭海，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为农业工程，63505809@qq.com

基金项目：国家自然科学基金（31860455，31760471）；横向课题“西北内陆棉区棉花调湿机理研究”

Research status and development trend of cotton humidification technology

Qi Xiaochen， Zhou Xiang， Zhang Qian， Ruan Xuliang， Shi Shuwei， Yang Xuhai*

摘要：棉花是新疆地区的主要经济作物。但新疆南部干燥的环境条件易导致棉花含水率过低，对棉花加工、运输和存储造成一定的影响。回潮率过低的棉花不仅存在安全风险，还影响棉花的经济效益。为此，对皮棉加湿工艺的研究现状和发展趋势进行综述。首先，介绍了皮棉加湿的基本原理和应用领域；然后，从加湿设备、控制系统、测量仪器等方面，对皮棉加湿工艺的研究现状进行了梳理和总结，分析了存在的问题和不足；最后，对皮棉加湿工艺的发展趋势进行了分析和展望，指出未来将向自动化、精细化、绿色化和工艺创新等方向发展，以期为皮棉加湿工艺的发展提供参考。

关键词：皮棉；加湿工艺；研究现状；存在问题；发展趋势

棉花是中国的主要经济作物之一[1]。新疆地处中国内陆，气候干旱、日照充足，是当前中国最大的棉花生产区。据2022年数据，新疆棉花产量占全国棉花产量的90.2%，占国内消费的比重约为67%，并且已经连续27年位居全国第一[2-3]。新疆棉花在国内外市场上以其优质、高产、纤维较长等特点而备受青睐[4-5]。

皮棉作为一种天然的纤维原料，广泛应用于纺织品、织物和服装等领域[6]。然而，皮棉在加工过程中容易受到气候和环境等因素的影响，导致其含水率产生波动，进而影响其质量和性能。相关研究表明：棉花回潮率大时，棉纤维的强度提高，刚度降低，摩擦因数增大，这会导致清棉效率和轧花工作效率降低[7-8]。皮棉中水分过多时，机器和输送管内部会凝结水汽而堵塞皮棉的输送，导致整个轧花过程不能顺利进行[9]。含水率过低的棉花的主要缺点如下：（1）干燥的棉花由于弹性增大导致成包困难。（2）干燥导致纤维表面静电增大，存在一定的安全隐患。（3）运输过程中，棉纤维膨胀力过大，可能会导致棉包崩包，造成运输困难。（4）棉纤维制成的纱线易产生脆断，毛羽数量增加并偏长，严重影响织机效率和布品质量。（5）结算时，含水率较低会导致棉包质量减轻而造成亏损。因此，皮棉加湿在棉花加工中具有重要作用，可以通过控制棉花的水分含量，提高棉花的加工性能和加工质量，降低能耗和成本，增加棉花产品的质量[10-12]。在过去几十年中，国内外学者对该技术进行了广泛研究和探索，并取得了一些重要成果和进展。

拟通过研究相关资料，从皮棉加湿的原理和方法，包括蒸汽加湿、喷雾加湿等，介绍皮棉加湿工艺的研究现状及特点；回顾过去几十年国内外学者在皮棉加湿工艺方面的研究成果，包括加湿参数的优化、加湿设备的改进、加湿控制策略等；分析当前皮棉加湿工艺面临的问题和挑战，并展望未来皮棉加湿工艺的发展趋势。这将为棉花加工企业和研究机构解决皮棉加湿工艺面临的问题和挑战提供参考，促进皮棉加湿工艺的进一步优化和改进，推动棉花加工技术的发展。

1 皮棉加湿工艺的国内外研究现状

皮棉加湿工艺在棉花加工行业的早期就已被研究。最初是使用传统的加湿方式，如雾化喷淋和利用棉花自身特性加湿等方法来控制棉花的水分含量。然而，这些方法存在很大的局限性，无法实现精准的加湿效果，同时还会造成棉花品质损失和能源浪费。

随着科学技术的不断进步，皮棉加湿工艺也得到了持续发展。20世纪初，开始使用蒸汽加湿技术来控制棉花的水分含量[13]。这种方法可以实现更加精准的加湿效果，并且可减少棉花品质损失和能源浪费。随后，又研究出了一些加湿设备，如旋转喷雾加湿器、超声波加湿器等，这些设备可以更加高效地加湿，且能减少能耗和环境污染。

美国是棉花加湿工艺发展较为先进的国家之一。美国拥有丰富的土地资源，为了提高经济效益，追求规模化棉花生产[14]。美国的棉花加工行业已经有200多年的发展历程，棉花加工技术相对成熟[15]。美国农业部从1959年就开始研究皮棉加湿技术，主要研究对皮棉的热加湿。从最初的集棉尘笼加湿发展到目前的皮棉滑道格栅加湿和蒸汽滚筒皮棉加湿等10余种加湿机。皮棉滑道格栅加湿是由不锈钢格栅、格栅板互相咬合错开，形成百叶窗式的有开口间隙的皮棉滑道，热湿空气从滑道下部的格栅进入，向上穿过皮棉胎进行加湿。这种百叶窗式的结构利于皮棉在热湿气流环境中沿滑道下滑，从而防止杂质聚集在格条栅下。蒸汽滚筒皮棉加湿系统是在蒸汽滚筒内使用湿热空气加湿，可避免集棉尘笼内阻塞和网面受潮等问题。该方式下蒸汽滚筒将棉花压挤形成厚薄均匀一致的棉胎，再向棉胎通入湿热空气，完成加湿工作。这样可以提高棉道的运转效率，也使打包变得相对容易。2018年，美国农业工程师Whitelock等[16]在美国西部的商用轧棉机上进行了棉花加湿试验，以评估湿空气加湿对纤维品质和运行成本等的影响，证明在皮棉滑道处进行加湿使棉包含水率提高了约0.9百分点。

2019年乌兹别克斯坦塔什干棉花工业科学中心Gulyaev等[17]设计开发了1种棉花加湿装置。试验验证结果显示，使用该装置加湿后，棉花的净增湿率可以达到1.6%，并且可提高加湿均匀性。

我国皮棉加湿技术研发起步于20世纪90年代初。以郑州棉麻工程技术设计研究所为代表的国内相关研究机构，在参照外国加湿设备的基础上制造了几种加湿设备，但效果均不太理想。

在2006年，济南大学徐小妮等[18]提出在棉花加湿过程中引入模糊控制，以克服传统控制设计的不足，实现复杂系统的有效控制。通过MATLAB软件中提供的Fuzzy控制工具箱，在控制系统投入实际运行之前，对其进行仿真分析，从而可以适当调整其相关参数[19]。仿真软件的使用，使模糊控制的设计得到很大的简化。

进入21世纪，郑州棉麻工程技术设计研究所阮旭良等[20]在总结前期研发工作、学习国外先进技术的基础上，于2007年成功研制出基于热加湿原理的MJPT-A型塔式皮棉加湿机，经过试用和优化完善，取得了较为理想的应用效果。该塔式皮棉加湿设备主要由集皮棉总管、加湿塔、横隔板、皮棉尘笼组成，皮棉在风力输送作用下通过分风阀，在加湿塔的入口与热湿气流相遇，皮棉与热湿气流在加湿塔内部混合接触，实现对皮棉的加湿[21]。之后，该所还推广了棉花调湿测控协调系统，可根据不同工艺环节和加工设备对棉花回潮率的要求，灵活调整控制方式，以满足不同工艺环节对棉花回潮率的需求，为实现棉花的精细加工奠定了基础[22]。

2 皮棉加湿工艺主要技术和装置

皮棉加湿是指对棉花加工过程中的皮棉进行加湿处理，以控制其水分含量，提高其加工质量和加工性能的工艺[23]。未加工的皮棉表面含有天然的蜡质和其他物质的沉积物，特别是钙和镁的果胶酸盐，使其具有防水性，如果在轧花过程中液态水被浇在棉花上，轧花作业将变得不规律，并且可能完全停止[15]。此外，直接喷射的液态水无法渗透到棉胎内部，水分长时间分布不均衡可能导致棉包上出现潮湿的斑点，有增加细菌和降低纤维品质的风险。同时，皮棉加湿过程中也应该防止过度加湿，以避免因意外凝结导致堵塞。

皮棉加湿可以通过多种方式实现，如利用棉花自身特性加湿、喷水雾加湿、蒸汽加湿和皮棉的热加湿等方法（表1）。在轧花过程中，利用皮棉输送到集棉机的过程中，通过吹/吸棉胎的方式，使水分分布均匀。在加湿过程中，需要控制加湿时间、加湿量、加湿温度等参数，而加热可以增加水蒸气运送的能力和水蒸气压力，有效提高棉纤维吸收水分效率，以实现更加精准的加湿效果，并提高棉花的质量和加工性能。皮棉加湿工艺在棉花加工中具有重要作用，可以降低棉花品质损失，提高棉花的品质和加工性能，也可以节约能源、减少成本、保护环境。

2.1 棉花自身特性加湿

棉花自身具有吸水、易与周围空气交换水分的特性，在一定温度和气压的环境中静置一段时间后，棉花湿度会达到一种动态平衡[24]。单位时间内纤维从大气中吸收的水分子数等于从纤维内逸出返回大气的水分子数时，纤维的回潮率趋于稳定，这种现象称为吸（放）湿平衡[25]。利用棉花自身的特性，可以将湿度过大的棉花放置在干燥环境中，使其与周围空气交换水分，从而达到干燥的目的。在需要增加棉花水分的情况下，可以将干燥的棉花放置在湿度较高的加湿房中，让棉纤维从空气中吸收水分，以达到加湿的效果。加湿房的设定要注意不同季节和不同天气的棉花湿度变化范围较大，根据具体情况调整预定湿度值[26]。在棉花运输以及轧花过程中，也可以通过适当吹棉的方式使棉内的含水率尽量均匀[27]。

这种加湿方法的优点是加湿成本低，可以充分利用棉花自身特性，但是也存在很大的缺点：1）加湿和干燥周期难控制。靠棉花自身吸水特性使其达到目标的含水率，需要根据棉包的松紧程度调整回潮平衡时间，即若使用原棉包（紧包），回潮平衡时间需36 h以上；若使用棉包开松后的散件包，回潮平衡时间只需8 h，具体控制时应根据棉包实际情况区别对待，减小回潮率差异[28]。这种加湿方法受环境影响很难准确控制调湿时间，而在棉花市场中，棉花贸易价格往往随时间的变化而波动[29]，故利用该方法加湿可能对皮棉的经济效益产生较大影响。2）湿度不易控制。这种加湿方法极易受到环境的影响，尤其在南方潮湿气候下储存棉花时，须准备温湿度可控的存储空间，加湿成本高。3）加湿不均匀。棉花存储时往往是成堆存放的，在高含水量空气中进行水分交换时，容易出现表层棉花过度加湿、内部水分交换不均的现象。而采取棉包开松后的散件包存储，需要较大的储存空间，通过增加仓储成本以保持恒温恒湿，不利于创造经济效益。

2.2 喷水雾加湿

喷水雾加湿主要在棉花加工过程中进行。其主要原理是通过使用具有喷雾嘴的加湿机，将水转化为细密的水雾，使其弥漫在棉花运输滑道中实现对棉花的加湿[30]。

加湿机安装位置的不同，对各项工艺流程有不同的影响。第1种是在皮棉清理机组出棉口后面，在前往集棉机之前的皮棉输送管路中间加湿皮棉；第2种是在皮棉从最后一台棉机流出去打包之前，往皮棉棉片上喷水雾加湿。

国外多采用弥雾器水分自动加湿机，且主要在皮棉打包前进行加湿[13]。这种加湿方法有加湿时间短，不额外占据空间，加湿效率高等优势。但该方法存在加湿不均匀，加湿设备不能实时调整加湿量，加湿效果存在滞后性，加工后棉纤维品质不稳定等问题。

2.3 皮棉的热加湿和蒸汽加湿

皮棉的热加湿方法主要是利用棉纤维的吸湿性能和空气容纳水的能力[31]，通过加热空气，喷淋雾化水分，将热空气和水分混合形成具有一定温度和较高相对湿度的热湿气流，与棉纤维混合并充分接触，形成温度差、湿度差和压强差，从而迫使棉纤维吸收热湿气流中的水分子，将其转化为吸附水，以实现棉纤维的加湿目的。

王泽武等[32]研制出在皮棉进入滑道前进行皮棉加湿的加湿设备，主要由集棉机、加湿机、加湿雾化器、风道式加热器、温湿度检测仪组成。加热器产生的热气流与雾化器产生的水雾汇合形成热湿气流强制穿透皮棉层对皮棉进行加湿。这种加湿方式有助于轧花过程中保持纤维长度，并减少打包时所需的动力。

胡斌等[33]设计了1种全方位皮棉加湿装置，主要由皮棉输送管道、蒸汽输送管道、环形喷头、隔板、底部喷头、蒸汽回收装置、湿度传感器等结构组成。其过程是：皮棉由上方输送管道进入装置，下落过程中由环形喷头进行加湿，在底部由底部喷头进行二次加湿，提升加湿均匀度，并由蒸汽回收装置对蒸汽进行回收以减少冷凝水。

蒸汽加湿利用湿度、温度和压强差能够有效提高加湿效果，使棉花纤维更好地吸收水分。其存在问题是高温高湿的加湿气流容易产生冷凝[34]，这对加湿过程非常不利。如果过多的冷凝水渗入棉包，可能导致皮棉湿度过高，进而降低皮棉的等级，直接造成经济损失。此外，该方式的加湿量不能根据棉花的含水率实时调整，具有一定的滞后性。

2.4 滑道式皮棉加湿

滑道式皮棉加湿工艺有2种主要形式。

第1种是在皮棉滑道上方安装加湿喷口，通过管道输送雾化水汽至喷口，当皮棉经过时向其喷洒雾化水雾以达到加湿效果。一般会在滑道上平行布置多排喷口，并通过控制开闭数量来调节加湿量。这种方法成本低廉且设备易于安装，但缺点是加湿效果不够均匀且未考虑温度对加湿效果的影响。

第2种是将皮棉滑道改为密闭滑道，通过向滑道中通入热湿气流实现皮棉加湿，然后通过轴流风机排出大气[35]。喷雾管位于倾斜设置的皮棉滑道上方位置，喷嘴排列成行，并位于集棉机出口处附近，滑道加热板和吹风管安装在皮棉滑道的底部，该结构有利于控制喷水雾加湿程度和加湿的温度。这种方式与喷水雾加湿相比，提升了加湿效率，增加了棉纤维吸水量；与蒸汽加湿相比，避免了热蒸汽产生冷凝水对皮棉污染的隐患，且成本较低，推广空间较大。

2.5 塔式皮棉加湿

塔式皮棉加湿工艺是通过湿热空气与棉纤维接触进行吸湿作用达到提高棉纤维回潮率的目的[36]。其原理是在原集棉管道上安装三通导向阀实现皮棉加湿，在密闭保温的皮棉加湿机内通过特定的热湿气流完成皮棉加湿过程，加湿后的皮棉出加湿机后再通过三通导向阀进入原集棉管道，经集棉机进入打包系统[11]。郑州棉麻工程技术设计研究所研究了1种皮棉塔式加湿装置，利用加湿主管和加湿塔串装构成加湿旁路，设计的加湿旁路的入口和出口与集皮棉总管的连通处分别与集皮棉总管形成三通结构，可以降低加湿能耗，提高加湿效率。塔式皮棉加湿设备的加湿效果好，加湿均匀，但成本较高。

3 主要存在问题及解决措施

目前，我国棉花加工行业的基本状况是棉机制造企业多，规模小，棉花加工机械化和自动化程度低[37]。部分棉花加工企业在选择和使用加湿设备方面存在技术和设备的滞后问题。一些老旧的设备无法满足对湿度控制的精确要求，效率低下，不能适应大规模生产的需求。相对于其他棉花加工工艺，皮棉加湿工艺的发展历程较短，在实际应用中还存在许多问题。

3.1 控制非线性，具有滞后性

棉花加湿主要依靠加湿机在生产线上实时进行加湿操作，需要特定人员进行加湿操作控制，且主要根据棉花含水量检测仪等检测含水量的设备数据、棉花加工时的进棉量等参数实时调节加湿设备的挡位或开关[38]。因此，使用经验及主观因素易对加工皮棉的质量造成影响。当前加湿过程控制具有非线性、滞后的缺点，极大限制了生产力。

针对这个问题提出的解决措施如下：1）采用自适应控制算法，自适应控制算法可以根据实时测量数据自动调整控制参数，以控制非线性和滞后性，从而提高控制精度和稳定性。2）引入模型预测控制技术，通过建立模型来预测设备的响应，从而在控制过程中纠正滞后和非线性问题，提高控制精度和稳定性。3）优化控制策略。根据设备的实际情况和生产需求，优化控制策略，采用更加灵活、智能的控制方式，提高控制精度和响应速度。4）引入先进的控制器和传感器。高精度和高灵敏度的控制器和传感器可以提高设备的测量和控制精度，降低滞后性和非线性问题的影响。

3.2 加湿不均匀

皮棉加湿不均匀主要有以下几方面原因：皮棉加工后初始的回潮率不确定、不一致；加工过程中进入设备的皮棉的量动态变化；加湿过程中加湿器发生的水蒸气的功率不稳定，通过皮棉的流场均匀度不一致；进入皮棉的状态和加湿气流的接触程度不一致。

目前广泛采用的蒸气雾化方式容易受到热惯性的影响，难以根据加工量变化及时调整雾化量，只有在产量稳定的情况下才能够实现均匀加湿，但是要保持产量稳定却较为困难。这种不稳定的湿度控制可能会影响棉花加工过程中的纤维质量或加工效率。

针对这个问题提出的解决措施如下：1）改善加湿设备。调优加湿设备的参数，以适应不同产量下的加湿需求，并保证加湿器的工作稳定性和可靠性。2）优化加湿控制。采用先进的自动化控制系统，根据不同加工量和环境条件实时调整加湿量和湿度控制参数，以实现精确的加湿控制。3）改善通风系统。加强通风系统的设计和调整，使得空气流动更加均匀，提高空气湿度的均匀性，减少湿度差异。4）优化工艺流程。优化生产工艺流程，避免产量波动对加工过程中湿度控制的影响，以保证皮棉加湿的均匀性。

3.3 棉花含水量测量仪难以测得精确的含水率

目前棉花含水量的测量有电阻法、电容法、电阻电容联合法、红外法、微波法、电荷耦合器件法、烘箱法等[39]。电阻法是最常用的方法之一，将测量传感器插入棉包中，通过给插入棉花的2个金属探头加直流电并测量流过棉花的电流就可以得到棉花含水量[40]，但这种方法受棉花的状态、压力、密度和环境温湿度等因素的影响较大。水分测量仪通常需要人工监控以实时测量棉花含水率，但这种方法具有一定的滞后性，使得实现稳定质量的皮棉加湿较为困难。

针对这个问题提出的解决措施如下：1）优化测量方法，可采用多种测量方法相结合的方式，综合考虑各种因素对测量结果的影响，以获得更加精确的含水率数据；2）引入智能控制系统，以实时监测和调节设备和测量仪器的工作状态，及时发现和纠正问题，提高测量精度和稳定性；3）通过培训提高操作人员的技能水平，使其能够准确操作设备和测量仪器，以便及时发现和处理问题，保证测量结果的准确性。

3.4 结构复杂，兼容性不好

采用蒸汽换热器产生的雾化水需要安装锅炉等大型设备，投资大、耗能多，而且结构复杂不利于老厂的设备改造[41]。虽然中小型棉花加工厂的棉花加工工艺大同小异，但具体的设备和流程并不完全相同。因此，在这种情况下引入棉花加湿设备可能会增加棉花加工的成本。受加工产量、经济效益等因素的影响，加湿设备的引入面临很大的阻力。

针对这个问题提出的解决措施如下：1）执行标准化设计。对于加湿设备的设计，采用标准化的设计思路，将设备结构简化、模块化，降低设备的复杂程度，提高设备的兼容性。2）优化设备参数。优化设备加湿量、加湿速度、加湿面积等参数，以适应不同的生产工艺和场地条件，并提高设备的稳定性和可靠性。3）引入智能控制技术。采用先进的传感器和控制系统，实时监测和调节加湿设备的工作状态，提高设备的自适应能力和控制精度。

4 趋势与展望

4.1 绿色低能耗，低成本

皮棉加湿工艺作为棉花加工技术的一部分，旨在提高皮棉生产过程中的经济效益、产品质量以及储存安全性，所以皮棉加湿过程需要尽量低能耗、绿色环保。降低热源成本[42]可以有效降低加工成本，因此，可考虑将棉花加工厂建立在当地的热力发电厂、供暖公司等企业附近，利用余热资源对棉花调湿。

4.2 选择合适的加湿方式

结合不同皮棉加湿方式的优势，将不同加湿方式有效联合。因地制宜，考虑棉产区气候、空气含水量等因素，选择合适的棉花调湿方式。综合考虑籽棉调湿方式和皮棉加湿方式，开发合适的加工工艺过程。寻找低能耗、高效能的皮棉加湿作业模式，在提高加湿速率、减少加湿能耗和成本的基础上进一步提高皮棉品质。

4.3 控制各工艺流程的棉花含水率

近年来，对皮棉回潮率准确测定和动态调节的研究取得了一定进展。引入模糊控制技术到皮棉加湿工艺过程中，通过建立实际情况下的模糊控制模型，实现标准化皮棉加湿生产，可在一定程度上减少人为控制所导致的皮棉产品质量不稳定的问题。

随着市场对高质量棉花需求的增加，对棉花加工技术的要求越来越高。皮棉加湿工艺作为棉花加工中的重要环节，具有广阔的发展前景，未来将朝着自动化、精细化、绿色化和工艺创新等方向发展。

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（责任编辑：杨子山 责任校对：秦凡）

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