國外籽棉干燥設備的現狀與發展趨勢

■ 賈 勉 楊亞麗 秦建鋒

〔1河南輕工職業學院，河南鄭州 450002〕

〔2北京智棉科技有限公司，北京 100089〕

〔3鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州 450004〕

一、引言

籽棉干燥是棉花加工過程中非常重要的一個環節。籽棉回潮率過高會使棉纖維與雜質及棉纖維與機械表面的摩擦力增大，其造成籽棉清理困難，清理效率較低；另外，棉纖維回潮率高而變軟，在外力作用下，纖維之間會更多地纏繞、扭曲，致使籽棉中產生較多的棉結、索絲，進而影響皮棉質量[1]。目前我國主要產棉區新疆產棉區的籽棉采收一般在九月中下旬，機采籽棉的回潮率在12%左右，而適宜于清理的籽棉回潮率在5%～6%之間，這就需要對籽棉進行干燥[2]。籽棉干燥在棉花加工中的能耗占比較高，我國普遍采用的是燃煤熱風爐作為熱源。隨著我國環保政策的加強，燃煤型熱源已不能達到環保要求，電熱源和燃氣熱源近兩年得到推廣和應用，但是在現有籽棉干燥工藝與設備的條件下，籽棉干燥成本增加了2～3倍。為降低籽棉干燥成本，亟需研究和開發節能環保高效的干燥工藝與設備。筆者力求通過對國外棉花加工過程中的籽棉干燥設備的現狀和國外常用籽棉干燥機的幾種機型及結構、工作原理及優缺點的介紹和分析，明確國外籽棉干燥設備近年來的發展趨勢，以期為我國環保節能型籽棉干燥設備的研發提供參考。

二、籽棉干燥的作用

棉花加工過程主要包括喂花、干燥、籽棉清理、軋花、皮棉清理及打包等工藝環節。通常采收后的棉花回潮率高于籽棉清理環節最適宜的回潮率，需要對籽棉進行干燥。籽棉干燥系統通常包括熱源、干燥機、檢測控制系統、管道和輔助設備等。籽棉干燥過程中利用棉纖維的放濕特性，以空氣為介質，將空氣與籽棉混合，在空氣與棉纖維之間形成一個溫度差、濕度差和壓強差，迫使纖維中吸附水逐漸向外轉移，熱空氣吸收多余的水分，將籽棉的回潮率降到5%～6%之間[1]。

三、國外籽棉干燥設備的類型及現狀

20世紀20年代末，美國軋花廠出現了第一臺籽棉干燥設備。美國農業部在1926年開始研究籽棉干燥工藝規程，并在1932年研制出第一臺標準塔式籽棉干燥系統。標準塔式干燥系統是采用氣流干燥的方法，環境溫度下的空氣在熱源的作用下形成干燥空氣，干燥空氣溫度一般不高于120 ℃，干燥空氣輸送將要干燥的籽棉進入干燥機，干燥空氣攜帶走多余的水分實現籽棉的干燥。標準塔式干燥設備研發于能源價格低廉且儲量豐富的時期。從20世紀30年代起，隨著能源價格的提高與棉花加工技術的深入研究，繼標準塔式干燥機之后，其他各種類型的籽棉干燥機也陸續開發出來。但由于籽棉物料自身的物理特性，相繼開發出來并且在市場上推廣應用的籽棉干燥機仍然以氣流干燥方法為主。相繼開發的常用干燥機包括：熱隔板塔式干燥機、大容量塔式干燥機、帶式干燥機、對撞式干燥機及微波式干燥機等[3]。

（一）塔式籽棉干燥機

塔式籽棉干燥機是最早開發的干燥設備，也是應用最為廣泛的。塔式干燥機目前仍然是美國軋花廠使用最為普遍的籽棉干燥機之一。塔式干燥機的最初形式為標準塔式干燥機，主要由閉風閥、混合箱、塔體、籽棉S形通道及籽棉出口組成，其中S形通道由多層交錯開口的擱板組成，如圖1所示。政府塔式干燥機的層數為13～20層，其長1.60 m（5.25英尺），寬1.22 m（4英尺），擱板層高度381 mm（15英寸）。標準塔式干燥機是根據當時4臺80型鋸齒軋花機的產量而設計的。隨著鋸齒軋花機產量的不斷提高和棉花干燥技術研究的深入，塔式干燥機被改進成多種形式。目前常用的塔式干燥機主要有三種形式：二十四層擱板式、大容量式和隔板增熱式。

二十四層擱板塔式干燥機的層數最多為24層。其中大陸公司的該種干燥機有兩種型號，一種模型寬1.83 m（6英尺），長1.83 m（6英尺），第二種模型寬1.83 m（6英尺），長3.35 m（11英尺），它們的層數在11～24層之間，并且可以通過改變棉花的出口位置來改變干燥時間[4]。

大容量塔式干燥機是由拉馬斯公司研制的，該干燥機共六層，每層間距為685.8 mm（27英寸），入口過渡部分則作為第七個架子，如圖2所示。層數減少和層間距增加后，干燥過程中空氣的壓力損失降低，這樣就可以僅采用一臺引風風機，省去鼓風機。棉花加工過程中通常采用兩道大容量塔式干燥機。大容量塔式干燥機用在一道干燥時，風速為10.16 m/秒，每千克籽棉的空氣量為1.56 m3。湍流式重雜分離器設置于大容量塔式干燥機的前端，以進行初始湍流干燥，并清除石頭等大雜。二道干燥時，熱空氣的溫度和體積會有所減少，并且不使用湍流式重雜分離器。大容量塔式干燥機有兩種規格：一種是寬度為1.22 m（48英寸），并帶有1.02 m的湍流式重雜分離器；一種是寬度為1.83 m（72英寸），并帶有1.52 m的湍流式重雜分離器。寬度為1.22 m（4英尺）和1.83 m（6英尺）塔式干燥機的風量分別為30 582.19 m3/h和45 873.29 m3/h[5]。

相比其他塔式干燥機，隔板增熱塔式干燥機在每層籽棉通道之間增加了熱風通道，用于彌補干燥過程中熱風溫度的降低，如圖3所示。由于增熱層避免了整個系統的溫度下降，隔板增熱塔式干燥機使用的空氣量少于其他塔式干燥系統。工作過程中，籽棉從頂部進入塔體，然后從底部離開干燥機，通常，熱空氣在干燥機的底部進入，并在塔頂附近排出。

圖1 標準塔式干燥機

圖2 大容量塔式籽棉干燥機

（二）對撞式籽棉干燥機

塞繆爾·杰克遜的對撞式干燥機是對噴泉式干燥機的改進，其主要由籽棉熱空氣進口、熱空氣進口、干燥腔體、籽棉空氣出口及空氣出口組成，如圖4所示。這是一種負壓干燥機，旨在利用熱空氣和籽棉的混合達到最大的湍流度。在負壓的作用下，棉花和熱空氣混合物進入上部腔室，在上部腔室中與另外一個管道進入的干燥空氣直接發生碰撞。在這一湍流點之后，籽棉和熱空氣混合物分開，并在出口正上方產生第二次碰撞。對撞式干燥機的壓降比傳統的噴泉式干燥機稍高，但由于多次碰撞和湍流，干燥效果較好[6]。

（三）熱箱式籽棉干燥機

熱箱式籽棉干燥機主要包括籽棉輸送帶、干燥空氣進口、氣流與籽棉出口、擺動門及箱體，如圖5所示，該干燥機設置于喂花機輸送帶與外吸棉管道之間。喂花機開松后的棉花在輸送帶的帶動下經過擺動門進入箱體之內，正壓或負壓的作用下干燥空氣進入箱體之內帶動籽棉通過氣流與籽棉出口進入籽棉輸送管道。熱箱式籽棉干燥機一般作為輔助干燥單元或一道干燥。相比其他干燥設備，熱箱式籽棉干燥機的優點是干燥時間充足。但是，其缺點也比較明顯，干燥溫度一般較低，通常籽棉輸送管道沒有保溫層，箱體內部與外部密封較差，熱量散失也比較多。

圖5 熱箱式籽棉干燥機

（四）清理干燥一體式籽棉干燥機

清理干燥一體式籽棉干燥機采用的原理是使棉花和熱空氣以相反的方向通過垂直干燥機，其主要由卸料器、豎直清雜干燥部件、傾斜清雜部件及排雜等組成，如圖6所示。工作過程中，當籽棉離開干燥機卸料器時，它落在拋射輥上，該拋射輥將棉團打碎，然后將松散的棉花拋撒開。棉花沿著格條柵和開松輥滑落，在該部分進行再次開松。熱空氣從干燥設備外殼的下端進入，向上穿過下落的棉花流，并通過頂部的空氣口排出。由于熱空氣不用于棉花輸送，因此去除的水分無法重新回到棉花中。干燥機下端的三輥清雜部分可清除光滑的圓形網格條之間的一些松散垃圾。該干燥機僅需3 398.02 m3/h的熱空氣即可進行有效干燥，而傳統塔式干燥機則約為10 194.06 m3/h。因此，熱源消耗的燃料和驅動風扇所需的功率減少了一半以上。

圖6 熱風清理式籽棉干燥機

（五）帶式籽棉干燥機

帶式籽棉干燥機主要由進料裝置、籽棉、輸送帶、出料口、熱風進口及出風口等組成，如圖7所示。工作過程中，籽棉由進料裝置均勻地鋪在輸送帶的網板上，熱風由網板底部向上穿過物料，完成熱量和質量的傳遞。研究表明，帶式干燥機將水平運行或傾斜至20°，最大傾斜角度為25°。相比于塔式干燥，熱空氣與籽棉的接觸時間可達到90 s以上，干燥更加充分。在塔式干燥中，熱空氣通常被用來輸送籽棉，而此設備所需的熱空氣僅是穿透籽棉層，故所需壓力較小，可以達到節能的目的[7]。

圖7 帶式籽棉干燥機

四、國外籽棉干燥設備的發展趨勢

根據國外主要籽棉干燥設備的特點，其發展趨勢可以歸納為以下幾點：

（一）籽棉干燥工藝及設備多樣化。在喂花、清理前、清理后、清理過程中都有相應的干燥設備，并且籽棉輸送方式不局限于氣力輸送，籽棉帶式輸送也能達到較好的干燥效果。

（二）不論哪種干燥方式，籽棉干燥的關鍵技術點是不變的，主要的技術點是最大化籽棉和熱空氣之間的速度差，最大化籽棉的開松程度和籽棉在熱空氣中的暴露時間。

（三）沒有針對所有軋花廠的最佳干燥設備。最佳的干燥設備只是為滿足特定的軋花廠的需求而設計的。選擇干燥設備需要考慮的兩個問題是軋花廠的位置和要加工的籽棉的狀況。與在干旱地區相比，位于潮濕地區的軋花廠需要更加苛刻和高效的干燥設備。

（四）降低能量消耗，籽棉干燥設備不斷的改進，往往是由能耗帶動的，降低能耗也將是未來長期的發展目標。

五、結語

國內從20世紀80年代中期開始引進美國塔式籽棉干燥相關技術和設備。在消化吸收基礎上，雖然取得了一定的成就，在一定的時間內滿足了國內棉花加工的需求，但是隨著我國能源結構的調整，現有塔式干燥設備勢必需要進一步的完善，亟需研究和開發新型的籽棉干燥技術及設備。籽棉干燥設備的開發需要設計人員借鑒先進產棉國干燥技術及設備，結合我國能源結構和棉花加工行業的特點，研制具有自主知識產權的節能環保型棉花干燥設備。