國內外棉花加濕霧化設備的研究現狀與發展趨勢

■ 向天明 王曉輝 李夢輝

〔鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州450004〕

一、引言

回潮率是影響棉花加工質量的關鍵因素之一［1］。研究表明，棉花加工過程中不同環節所適宜的回潮率不同。為提高棉花加工質量，在清理之前對籽棉進行干燥處理，降低棉纖維回潮率到5.5%左右，提高清雜效率；在軋花之前對籽棉進行加濕處理，將棉纖維回潮率提高到7.5%左右，減少鋸齒鉤拉對棉纖維長度、斷裂比強度的影響；為降低打包壓力和減少棉包運輸、存儲中的“崩包”現象，在打包之前對皮棉加濕，將回潮率控制在8%左右［2-7］。由此可見，加濕是棉花加工過程中不可缺少的環節。目前國內外通常采用的棉花加濕方式包括熱加濕和冷加濕。二者的不同之處在于，熱加濕是將一定溫濕度的熱濕空氣與棉花混合實現加濕；冷加濕是將霧化水與棉花混合實現加濕，其中熱加濕應用較為普遍。不論是熱加濕還是冷加濕都離不開霧化設備，霧化設備的工作性能直接影響加濕系統的加濕性能、能耗和能源利用率。以美國為代表的先進產棉國的棉花熱加濕霧化設備目前普遍采用的是普通噴淋和燃氣熱源組合的形式，冷加濕以高壓噴霧為主。我國棉花加濕系統是在消化吸收國外先進技術和結合我國棉花加工能源特點等國情的基礎上發展起來的。國內普遍采用熱加濕方式，雖然冷加濕有嘗試應用，但沒有得到推廣［8］。目前我國棉花加濕系統在實際應用中普遍存在加濕能耗高、能源利用率低的問題。為此，進一步探索適應我國主產棉區新疆棉區棉花加濕的節能型霧化方式和設計節能霧化設備是目前亟須解決的技術難題。

本文歸納了國內外棉花加工過程中的加濕系統霧化設備的研究現狀，介紹了國內外市場上使用過的幾種加濕系統霧化設備的結構、工作原理，對比了不同籽棉加濕霧化設備的優缺點，論述了我國加濕霧化設備的發展現狀及目前存在的主要問題，同時探討了我國加濕霧化設備的發展趨勢，為棉花加濕霧化設備、加濕系統的優化和研發提供參考。

二、棉花加濕霧化設備的用途及類型

棉花加濕系統的類型有熱加濕系統和冷加濕系統，霧化設備的類型包括熱加濕霧化設備和冷加濕霧化設備。棉花加濕過程中，熱加濕霧化設備和冷加濕霧化設備的作用有相同之處，也有不同。熱加濕霧化設備主要包括熱源和噴霧設備，根據熱加濕霧化設備熱源和噴霧設備的組合形式可以分為集成式和分離式，目前國內的霧化設備以分離式為主，國外的霧化設備一般為集成式。冷加濕霧化設備通常指的是噴霧設備。

熱加濕霧化設備的作用是產生一定溫濕度的熱濕空氣，并能夠根據實際加濕需求在一定范圍內對溫濕度進行調控。熱加濕霧化設備主要包括燃氣熱源式低壓噴淋霧化設備、熱空氣式低壓噴淋霧化設備和熱空氣式干蒸汽霧化設備等，其中燃氣熱源式低壓噴淋霧化設備為集成式，熱空氣式低壓噴淋霧化設備和熱空氣式干蒸汽霧化設備為分離式。

冷加濕霧化設備的作用是產生一定量的霧化水，并能夠根據實際需求控制單位時間內噴霧量。冷加濕霧化設備主要包括超聲波霧化設備、高壓微霧霧化設備和汽水混合霧化設備等。相比熱加濕霧化設備，冷加濕霧化設備形成的霧化水粒徑較小，一般為微米級。

表1 棉花加濕霧化設備的種類

三、國內棉花加濕霧化設備的發展現狀

（一）熱加濕霧化設備

1.熱空氣式低壓噴淋霧化設備

熱空氣式低壓噴淋霧化設備是由鄭州棉麻工程技術設計研究所研制并在市場上推廣應用。該類型霧化設備為分離式，其主要包括燃煤熱風爐、鼓風機和噴淋霧化設備，如圖1所示。工作過程中，在風機作用下環境溫度的空氣進入燃煤熱風爐后形成干熱空氣，干熱空氣進入噴淋霧化裝置形成熱濕空氣。

圖1 熱空氣式低壓噴淋霧化設備

噴淋霧化裝置主要由水泵、水箱、噴嘴陣列、進風口和出風口等組成，如圖2所示。工作過程中，水進入水泵加壓后經噴嘴噴出霧化，霧化后的水與從熱風進口進入箱體內的熱風混合形成熱濕空氣，未被汽化的水回流到水箱［9，10］。

圖2 熱空氣式低壓噴淋霧化設備

該種霧化設備的噴水壓力在0.5 MPa左右，噴嘴出口直徑在2 mm左右，霧化量在1 200 kg/h，霧化水粒徑較大。這種霧化設備的特點是結構簡單、無需對水進行專門處理，噴霧量遠遠大于熱濕空氣含濕量，其缺點是熱濕空氣含濕量與熱風風量、溫度相關性較大，對熱風溫度要求較高，能耗高，熱濕空氣的溫濕度滯后性較大，溫濕度的調控性一般。另外，由于回流水較大，棉花加工廠環境空氣含塵大造成加濕用水中的塵雜較大，需要定期維護。

2.熱空氣式干蒸汽霧化設備

熱空氣式干蒸汽霧化設備是由山東天鵝棉業機械股份有限公司研制并在市場上推廣應用。該類型霧化設備為分離式，其主要包括水軟化裝置、蒸汽爐、風機和干蒸汽霧化裝置，如圖3所示。工作過程中，經軟化裝置軟化后的水進入蒸汽爐形成干蒸汽，一部分蒸汽進入換熱管，環境溫度的空氣經風機進入換熱箱體與進入換熱管的蒸汽換熱形成干熱空氣，一部分蒸汽經加壓后從蒸汽噴嘴噴出到干熱空氣，最終形成熱濕空氣。

圖3 熱空氣式干蒸汽霧化設備

該種霧化設備的干蒸汽噴出壓力為0.4 MPa，額定蒸汽噴出量為275 kg/h。這種霧化設備的優點是設備結構緊湊，溫濕度的控制易于實現，水軟化裝置減少了水垢的產生，避免了空氣中含塵對加濕用水的污染，其缺點是設備結構復雜，額定蒸汽噴出量不高，考慮到蒸汽噴出后部分冷凝情況的出現，最終形成的熱濕空氣含濕量可能出現不足的情況。

（二）冷加濕霧化設備

目前冷加濕在國內市場上沒有推廣應用。但是，有棉花加工廠嘗試在環境溫度高的時候在配棉絞籠處設置超聲波霧化裝置，將霧化水輸送到配棉絞籠處與棉花混合，實現棉花的加濕，如圖4所示，超聲波霧化裝置主要包括超聲波霧化主機和輸送管道。另外，還有棉花加工廠在皮棉滑倒處設置汽水混合霧化裝置，將霧化水噴射到皮棉中，實現對皮棉的加濕，如圖5所示，汽水混合霧化設備包括氣泵、水泵和噴嘴等。

圖4 超聲波霧化設備

圖5 氣水混合霧化設備

冷加濕霧化設備的水霧化粒徑小，一般在微米級，相比熱加濕，其不需要設置大功率的加熱設備，適宜在環境溫度高的時候使用。但新疆棉區棉花加工季節為當年九月下旬到次年十二月，環境溫度較低，冷加濕霧化設備的霧化水大量凝結，加濕效果較差。

四、國外棉花加濕霧化設備的發展現狀

燃氣熱源式低壓噴淋霧化是由美國Samuel Jackson公司研制的集成式霧化設備，其主要包括燃氣熱源燃燒頭、噴淋室、水箱、水自清潔裝置和控制系統等，如圖6所示。該霧化設備通常采用負壓進風的方式。工作過程中，環境溫度空氣經燃氣熱源燃燒頭加熱后形成熱空氣，水經水泵加壓后進入噴頭形成噴淋水，熱空氣進入噴淋室內與噴淋水混合形成熱濕空氣，如圖7所示，有部分火焰直接進入噴淋室對噴淋水進行加熱形成熱濕空氣，噴淋回流水通過回水管路進入水箱，形成的熱濕空氣從出風口排出。另外，該霧化設備的水清潔過程是：水泵出口分兩個支管路，一支管路連接噴頭陣列，一個支管路連接水力沙克龍的進口，水力沙克龍的出口連接水箱，水中塵雜由水力沙克龍的排污口排出。這樣在工作工程中不間斷地對水進行清雜處理，減少塵雜堵塞噴頭情況的發生［11］。

圖6 熱源式低壓噴淋霧化設備

圖7 熱源式低壓噴淋霧化腔體

該霧化設備的優點是結構緊湊，集成了燃氣熱源，帶有水自清潔裝置，自動化程度高，能夠根據實際需求快速準確調節熱濕空氣的溫濕度，其缺點是缺少在線式的水軟化裝置，設備需要定期除垢。

五、國內棉花加濕霧化設備的存在的問題和發展趨勢

（一）國內棉花加濕霧化設備存在的問題

我國棉花加濕霧化設備是在消化吸收國外先進技術基礎上發展起來的，雖然取得了一定的成績，研制出了多種類型的具有自主知識產權的產品，并在實際棉花加工中應用，但與國外先進產棉國的相關設備相比還存在一些需要亟須解決的問題，主要包括以下幾個方面：

（1）適應棉花加工的霧化基礎技術研究不夠深入。目前國內針對棉花加濕霧化相關技術的研究還比較匱乏，例如霧化粒徑和霧化壓力等參數對霧化效果和能耗的影響，設備研制過程中，設計者更多的是根據工作經驗和簡易的實驗進行設備的設計，設備運行參數更多的通過不斷的摸索和總結出來的，最終的設備運行參數往往沒有達到最優參數，這是導致能耗高和能源利用率低的主要原因。

（2）設備集成度不夠。我國棉花加濕霧化設備往往是由多個裝置組成，設備的占地面積大，安裝維護困難。另外，熱源和霧化裝置之間往往是通過長管道連接，導致熱量散失比較大。

（3）缺少水凈化、軟化環節。目前國內棉花加濕通常為熱加濕，水往往缺少凈化、軟化環節，導致管路內結垢嚴重，另外回流水中往往摻雜棉短絨，通常水垢和棉短絨難以清理，設備長時間運行，噴頭經常出現堵塞情況。

（4）設備自動化程度低。與先進產棉國棉花加濕霧化設備相比，我國霧化設備的熱濕空氣的溫濕度調控能力比較弱，設備滯后性比較大，往往需要較長時間的運行設備參數才能夠穩定，另外設備的控制的準確性也比較差。

（二）國內棉花加濕霧化設備的發展趨勢

隨著電熱源在我國棉花加工調濕中的進一步推廣應用，棉花加工過程調濕能耗在總加工費用的占比增高，并且越來越受到棉花加工單位的重視。棉花加濕霧化設備是影響棉花加濕的能耗的關鍵設備之一，為降低棉花加濕能耗和提高設備的自動化、智能化程度，我國棉花加濕霧化設備的發展趨勢主要表現在以下幾個方面：

（1）深入研究霧化基礎技術。研究霧化粒徑、霧化壓力、熱風風量和熱風溫度等參數對熱濕空氣溫濕度的影響，研究出不同溫濕度的熱濕空氣所最適宜的參數。

（2）設備高度集成化、功能多樣化。將風機、熱源、霧化裝置、水凈化裝置和水軟化裝置等高度集成，形成一體化的棉花加濕霧化設備，具有水凈化和軟化功能，降低設備維護周期和維護難度，降低設備能耗和提高能源利用率。

（3）開展關鍵零部件研究，提高熱濕空氣參數的快速響應和控制精確度。基于霧化技術的研究，選擇最適宜的霧化方式，匹配合適的熱源，降低熱濕空氣溫濕度參數的滯后性，并能夠實時監測，提高熱濕空氣溫濕度參數控制的精確度。

六、結語

籽棉加濕霧化是降低高棉花加工加濕系統能耗和提高能源利用率的重要途徑。近些年來，我國棉花加濕霧化設備的研制取得了顯著的進步，研制出了多種類型的棉花加濕霧化設備，但仍存在設備集成度低、能耗高、能源利用率低和設備維護困難等問題。因此，在滿足我國棉花加工加濕需求的前提下，進一步加大霧化技術的基礎研究，開展關鍵零部件的創新設計，提高設備的集成度，開發自動化、智能化的水霧化控制系統，研制節能型棉花加濕霧化設備，降低棉花加濕成本，提高加濕效率，進而提高我國棉花加工質量。