〔中華全國(guó)供銷(xiāo)合作總社鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所,鄭州450004〕
回潮率是影響棉花加工品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。籽棉回潮率過(guò)大會(huì)使棉纖維與雜質(zhì)及棉纖維與機(jī)械表面的摩擦力增大,會(huì)造成籽棉清理效率較低和設(shè)備堵塞。在外力作用下,纖維之間會(huì)更多地纏繞、扭曲,從而產(chǎn)生較多的棉結(jié)、索絲,進(jìn)而影響皮棉質(zhì)量。籽棉回潮率過(guò)低、棉纖維強(qiáng)力降低、剛性增加,在外力作用下易折斷,造成棉纖維長(zhǎng)度降低、短絨率增加[1-4]。新疆是我國(guó)的主產(chǎn)棉區(qū),其棉花產(chǎn)量占全國(guó)的70%以上,棉花的采收一般集中在九月下旬到十月下旬,此時(shí)環(huán)境溫度降低,相對(duì)濕度高。采收后的棉花回潮率在15%左右[5],而適宜于籽棉加工的棉花回潮率在6.5%到8.5%之間[6,7],這就要求在棉花加工過(guò)程中對(duì)籽棉進(jìn)行精確干燥[8]。目前的籽棉干燥設(shè)備能耗高、能源利用率較低,并且自動(dòng)化程度低,過(guò)度干燥與干燥不足嚴(yán)重影響棉花的加工質(zhì)量[9]。為此,本文歸納了國(guó)內(nèi)棉花加工過(guò)程中的籽棉干燥工藝與設(shè)備的現(xiàn)狀,介紹了籽棉干燥機(jī)的幾種機(jī)型及結(jié)構(gòu)、工作原理及優(yōu)缺點(diǎn),論述了籽棉干燥發(fā)展現(xiàn)狀及目前存在的問(wèn)題,同時(shí)探討了籽棉干燥的發(fā)展趨勢(shì)。
籽棉干燥是利用棉纖維的放濕性,以空氣為介質(zhì),先對(duì)空氣加熱來(lái)提高空氣的溫度和降低空氣的相對(duì)濕度;或直接加熱物料籽棉,然后使空氣與籽棉相混合,在空氣與棉纖維之間形成一個(gè)溫度差、濕度差和壓強(qiáng)差,迫使纖維中吸附水分子逐漸向外轉(zhuǎn)移,被熱空氣所吸收,達(dá)到籽棉干燥的目的[2,9,10]。籽棉干燥工藝根據(jù)籽棉干燥過(guò)程中籽棉輸送的方式不同可以分為兩類(lèi):氣力輸送式干燥工藝和機(jī)械輸送式干燥工藝。
(一)氣力輸送式干燥工藝
氣力輸送式籽棉干燥工藝主要包括離心風(fēng)機(jī)、熱源、喂料器、籽棉干燥機(jī)、卸料器及測(cè)控系統(tǒng)等[11,12]。如圖1所示的工藝流程:根據(jù)籽棉回潮率,干燥介質(zhì)空氣在離心風(fēng)機(jī)正壓的作用下經(jīng)熱源加熱到一定溫度,加熱后的空氣溫度低于120 ℃,加熱后的空氣帶動(dòng)由喂料器供給的籽棉進(jìn)入籽棉干燥機(jī),干燥后籽棉和空氣進(jìn)入卸料器實(shí)現(xiàn)籽棉和空氣的分離。
氣力輸送式籽棉干燥過(guò)程中,干燥介質(zhì)空氣一方面參與籽棉的輸送,一方面在輸送過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)籽棉的干燥。氣力輸送式干燥工藝具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積少、生產(chǎn)率高的特點(diǎn),干燥機(jī)沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn)部件,操作維修方便,在國(guó)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用,占到95%以上。由于空氣參與籽棉輸送,因此,氣力輸送式籽棉干燥工藝干燥過(guò)程中需要大量的干燥介質(zhì)如空氣,另外干燥后的空氣中含塵濃度較高,經(jīng)過(guò)除塵處理后直接排到大氣中。氣力輸送式干燥工藝的能耗較高,能量利用率較低。
圖1 氣力輸送式籽棉干燥工藝示意圖
(二)機(jī)械輸送式干燥工藝
機(jī)械輸送式籽棉干燥工藝主要包括供熱風(fēng)機(jī)、熱源、喂料器、籽棉干燥機(jī)及測(cè)控系統(tǒng)。與氣力輸送式干燥工藝的不同之處在于:干燥過(guò)程中籽棉輸送為機(jī)械輸送方式,干燥介質(zhì)空氣不參與籽棉的輸送,只起干燥的作用。
相比氣力輸送式籽棉干燥工藝,機(jī)械輸送式籽棉干燥工藝所需的干燥介質(zhì)空氣量較少,干燥后空氣的含塵濃度較低且易于熱量回收再利用。但機(jī)械輸送式籽棉干燥工藝具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、生產(chǎn)率低、干燥機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部件較多、操作維修困難、干燥均勻性差的缺點(diǎn)。目前相比氣力輸送式干燥工藝,機(jī)械輸送式干燥工藝的能耗稍低,能量利用率稍高一些。
根據(jù)籽棉干燥工藝的不同,籽棉干燥設(shè)備可以分為兩類(lèi):機(jī)械輸送式籽棉干燥機(jī)和氣力輸送式籽棉干燥機(jī)。常見(jiàn)的籽棉干燥機(jī)的類(lèi)型[13],如表1所示。
表1 籽棉干燥機(jī)的類(lèi)型與分類(lèi)
(一)氣力輸送式籽棉干燥機(jī)
1.塔式籽棉干燥機(jī)。
塔式干燥機(jī)是我國(guó)在引進(jìn)、消化、吸收的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。目前塔式干燥機(jī)主要有兩種形式:標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)和擱板增熱式干燥機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)主要由“S”形籽棉通道、塔體及進(jìn)出料口等部分組成[1],塔式干燥機(jī)如圖2所示。工作時(shí),籽棉和熱空氣從進(jìn)口進(jìn)入塔體內(nèi)的“S”形通道,從上到下不斷地折返流動(dòng),籽棉和熱空氣之間的速度差不斷地改變,在流動(dòng)過(guò)程中完成熱量和質(zhì)量的傳遞,實(shí)現(xiàn)對(duì)籽棉的干燥,干燥后籽棉與空氣分離。與標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)不同,擱板增熱式籽棉干燥機(jī)增加了保溫通道,保溫通道位于“S”形籽棉通道之間,起到補(bǔ)充干燥過(guò)程中熱量的消耗[14],如圖3所示。另外,標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)的擱板層數(shù)較多,一般最多有24層,其風(fēng)壓損失較大;擱板增熱式干燥機(jī)層數(shù)一般為6層,其壓力損失較小[15]。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)塔式籽棉干燥機(jī)
塔式干燥機(jī)是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為普遍的籽棉干燥方式,使用率占90%以上。塔式干燥機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積少、生產(chǎn)率高、沒(méi)有傳動(dòng)部件、操作維修方便等優(yōu)點(diǎn)。但是由于空氣還參與籽棉輸送,因此,塔式干燥機(jī)所需的空氣量較大。另外,目前塔式干燥機(jī)干燥后的空氣通常沒(méi)有有效的熱回收裝置,這樣塔式干燥機(jī)的熱能利用率低,系統(tǒng)動(dòng)力消耗大。
圖3 隔板增熱式籽棉干燥機(jī)
2.脈沖—轉(zhuǎn)筒組合式干燥機(jī)。
脈沖—轉(zhuǎn)筒組合式干燥機(jī)由脈沖管和轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)組合而成[16],如圖4所示。脈沖管為不同管徑的籽棉輸送管道,通過(guò)改變籽棉氣力輸送管道的直徑,改變籽棉和熱空氣的速度差,增加籽棉與熱空氣之間的傳熱和傳質(zhì)。轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)主要有轉(zhuǎn)筒及轉(zhuǎn)筒兩端的進(jìn)口和出口,轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁上交錯(cuò)分布弧形抄板,起到均勻籽棉和引導(dǎo)籽棉運(yùn)動(dòng)作用。籽棉和熱空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)筒后,氣流速度下降,依靠轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)和弧形抄板的作用,籽棉不斷地被拋起后下落。在這過(guò)程中,籽棉中的水分不斷地被熱空氣帶走。
圖4 脈沖—轉(zhuǎn)筒組合式干燥機(jī)
脈沖-轉(zhuǎn)筒組合式干燥機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是:籽棉干燥均勻、工作可靠,相比塔式干燥機(jī),其熱能消耗低。其缺點(diǎn)是:占地面積大、設(shè)備維護(hù)困難。
(二)機(jī)械輸送式籽棉干燥機(jī)
1.清理干燥一體式籽棉干燥機(jī)。
清理干燥一體式干燥機(jī)主要是由豎向籽棉通道、清雜單元及排雜通道組成,其中清雜單元上下交錯(cuò)布置于籽棉通道內(nèi)部,清雜單元包括刺釘輥、格條柵漏底和落雜斜板[17],如圖5所示。工作過(guò)程中,籽棉由喂料口進(jìn)入籽棉通道,熱空氣由左右兩邊的熱空氣進(jìn)口進(jìn)入籽棉通道,籽棉下落后在刺釘輥擊打、清雜及開(kāi)松后被斜向上拋射出來(lái),又在重力及熱空氣的作用下向下落,在這過(guò)程中不斷完成熱量和質(zhì)量的傳遞,廢氣由排雜通道向上排出,籽棉由下閉風(fēng)閥排出。
圖5 清理干燥一體式籽棉干燥機(jī)
清理干燥一體式干燥機(jī)的優(yōu)點(diǎn):減少了熱空氣的流量,籽棉干燥過(guò)程中的開(kāi)松程度較好,干燥效率高。其缺點(diǎn)包括:(1)在籽棉未達(dá)到清理所需的回潮率時(shí)進(jìn)行多次打擊,棉纖維易出現(xiàn)索絲、棉結(jié),影響棉花加工質(zhì)量;(2)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)部件多、設(shè)備穩(wěn)定性差、設(shè)備維護(hù)困難[18]。
2.帶式籽棉干燥機(jī)。
帶式籽棉干燥機(jī)主要由干燥箱體、多層輸送帶、進(jìn)料裝置、出料裝置、抽風(fēng)機(jī)及吸濕器等組成[19],如圖6所示。工作過(guò)程中,籽棉由進(jìn)料裝置均勻地鋪在輸送帶的網(wǎng)板上,籽棉在輸送帶上移動(dòng)并落在下層輸送帶上,熱風(fēng)穿過(guò)物料,完成熱量的傳遞。
圖6 帶式籽棉干燥機(jī)
帶式干燥機(jī)的特點(diǎn):干燥過(guò)程中熱空氣中的塵雜較少,通過(guò)吸濕器除濕后可以循環(huán)利用,這樣就大大提高了熱量利用率,通過(guò)多次翻轉(zhuǎn),干燥均勻性較好。但由于棉花的多孔熱性,帶式干燥中的空氣速度較低,相比塔式干燥機(jī)干燥效率低、設(shè)備占地面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且安裝維護(hù)困難。
3.微波式籽棉干燥機(jī)。
微波式籽棉干燥機(jī)主要由進(jìn)料裝置、干燥箱、抽濕系統(tǒng)、出料裝置、控制系統(tǒng)、波導(dǎo)裝置及單管微波源組成[20],如圖7所示,其中抽濕系統(tǒng)包括抽風(fēng)機(jī)和抽風(fēng)道,抽風(fēng)道設(shè)置于干燥箱體外側(cè)并通過(guò)多孔板與箱體內(nèi)部連通。工作過(guò)程中,籽棉由進(jìn)料裝置進(jìn)入,籽棉自由下落,在下落過(guò)程中,微波對(duì)籽棉加熱,由干燥箱體下方的喂棉輥調(diào)節(jié)加熱時(shí)間,抽濕系統(tǒng)將汽化后的水分帶走,籽棉由出料裝置排出,實(shí)現(xiàn)對(duì)籽棉的干燥。
微波籽棉干燥機(jī)具有效率高、干燥速率快、干燥均勻、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及熱量利用率高的優(yōu)點(diǎn)。但是由于籽棉處理量大、空間密集及棉花多孔特性,汽化后的水分與棉花混合在一起,很難在短時(shí)間內(nèi)將汽化水排出。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,出料口排出的籽棉往往會(huì)出現(xiàn)再次回潮的現(xiàn)象[21]。
(一)籽棉干燥理論薄弱
我國(guó)籽棉干燥工藝與設(shè)備是在消化吸收的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,對(duì)籽棉干燥理論的基礎(chǔ)的認(rèn)知較為薄弱,目前缺乏對(duì)籽棉干燥工藝及設(shè)備的系統(tǒng)性研究。設(shè)計(jì)者往往是憑借其工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行干燥工藝和設(shè)備的設(shè)計(jì),因而很難達(dá)到最優(yōu)的干燥工藝參數(shù)。
(二)熱能利用率低
由于廢氣中含有大量塵雜,不便于熱回收,因此,目前軋花車(chē)間普遍使用的是開(kāi)環(huán)籽棉干燥工藝,干燥后的廢氣經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單除塵后排入大氣中,導(dǎo)致很大一部分熱量被浪費(fèi)。另外,軋花廠(chǎng)對(duì)保溫的認(rèn)識(shí)不到位、管道漏氣、擋車(chē)工的業(yè)務(wù)素養(yǎng)不高等也是造成熱能利用率低的原因。
(三)自動(dòng)化程度低
烘干過(guò)程中的籽棉含雜率高、雜質(zhì)類(lèi)型多樣,籽棉回潮率在線(xiàn)檢測(cè)難度較大。雖然目前國(guó)內(nèi)已研制出在線(xiàn)式籽棉回潮率檢測(cè)裝置,但其檢測(cè)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性較低,很難應(yīng)用于籽棉回潮率的調(diào)控。目前籽棉干燥過(guò)程中,通常是憑借擋車(chē)工的經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)節(jié)用于干燥的熱空氣溫度,籽棉干燥過(guò)程中往往出現(xiàn)過(guò)度干燥和干燥不足的情況。
根據(jù)目前干燥工藝與設(shè)備的特點(diǎn),籽棉干燥工藝與設(shè)備將向著降低籽棉干燥的熱量消耗、提高干燥效率、干燥品質(zhì)和提高籽棉干燥自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展,具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(一)深入研究籽棉干燥過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)機(jī)理,量化籽棉干燥過(guò)程中的工藝參數(shù),研究最適宜籽棉干燥的干燥工藝與設(shè)備。
(二)開(kāi)展籽棉干燥廢氣中潛熱與顯熱的回收及干燥物料顯熱的回收,充分提高熱能利用率,形成閉環(huán)式或半閉環(huán)式籽棉干燥工藝。
(三)開(kāi)展不同類(lèi)型籽棉干燥設(shè)備的關(guān)鍵零部件與干燥效率關(guān)系的研究,對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并在進(jìn)一步完善國(guó)內(nèi)現(xiàn)有干燥工藝的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新型干燥設(shè)備,在降低籽棉干燥的熱量消耗、提高干燥效率、干燥品質(zhì)等方面有所創(chuàng)新。
(四)由于棉花加工過(guò)程中回潮率不能過(guò)高和過(guò)低,因此,應(yīng)加快高精度高可靠性的棉花回潮率在線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的研發(fā),開(kāi)發(fā)籽棉干燥自動(dòng)控制系統(tǒng),高效動(dòng)態(tài)地調(diào)控棉花回潮率,保證棉花加工品質(zhì)。
籽棉干燥是提高棉花生產(chǎn)效率和加工品質(zhì)的重要途徑。近年來(lái)我國(guó)棉花加工籽棉干燥設(shè)備取得了一定的發(fā)展,但由于棉花加工單位時(shí)間處理量大、塵雜含量大的特點(diǎn)及棉纖維吸濕的特性,干燥工藝與設(shè)備的研究還不夠成熟、技術(shù)含量較低,因此,在研制節(jié)能環(huán)保的籽棉干燥系統(tǒng)時(shí),需要研究適宜于籽棉的閉環(huán)式干燥工藝,進(jìn)一步打好籽棉干燥理論基礎(chǔ),開(kāi)展關(guān)鍵零部件的創(chuàng)新設(shè)計(jì),研制高精度籽棉回潮率在線(xiàn)檢測(cè)裝置,開(kāi)發(fā)自動(dòng)化、智能化控制系統(tǒng)。