〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計研究所,河南鄭州450004〕
籽棉水分含量對于棉花加工是非常重要的。籽棉水分含量過高,籽棉難以開松,黏附的雜質(zhì)被棉團牢牢裹住而不能在開松、除雜設(shè)備中被抖落,在生產(chǎn)中容易導(dǎo)致堵塞、損壞軋花設(shè)備。由于籽棉水分含量過高是生產(chǎn)線產(chǎn)生火災(zāi)的一大誘因,因此,籽棉水分含量過高不適宜籽棉清理和軋花。而籽棉水分過低時,棉纖維因其表面產(chǎn)生的靜電而易于黏附在金屬的表面,進而導(dǎo)致設(shè)備堵塞停止工作。棉纖維強力和短纖維含量受其自身回潮率的影響較大。回潮率15%的棉纖維強力是回潮率4%的棉纖維的1.7倍。被干燥到極低回潮率水平的棉纖維變得易損壞和易碎,在加工過程中更容易被打斷。如果棉纖維的回潮率從5%干燥到3%,經(jīng)過兩道皮棉清理后,棉纖維的短纖維含量將會增加1.4倍。同樣,棉纖維長度值也隨著回潮率的降低而降低。
棉花加工過程中,不同工藝環(huán)節(jié)對回潮率的要求是不同的。研究表明:籽棉回潮率在5%~6.5%時,籽棉清理機的清雜效率較高,可以充分清除籽棉中的雜質(zhì);籽棉回潮率在6.5%~8.5%時可有效降低軋花機與鋸齒皮清機對棉纖維的損傷,獲得最佳的軋工質(zhì)量,并體現(xiàn)出纖維在最佳狀態(tài)下的天然色澤。
因為機采棉的水分和含雜都遠大于手摘棉,所以在加工過程中要充分、正確使用烘干和加濕的工藝,才能在清理階段盡量提高清雜率,使纖維在軋花階段少受損傷。
機采棉進場水分較大,一般在10%~14%,為了提高清雜率,加工企業(yè)必須使用烘干系統(tǒng),根據(jù)水分的多少進行一次烘干或二次烘干,然后再進行一系列的除雜工藝。當(dāng)有效去除雜質(zhì)后,籽棉在進入軋花機前受到烘干和風(fēng)運的影響,回潮率一般會降到4.5%~5.5%。有的企業(yè)為了降低皮棉含雜率指標,盲目將烘干溫度提得過高,將籽棉的回潮率降在4.5%以下,這樣在軋花階段纖維會“脆斷”,皮棉的平均長度變短、整齊度降低。棉纖維的有效長度、長度整齊度是影響紡織成紗質(zhì)量的重要因素,也是影響皮棉銷售價格的重要指標。
圖1是國內(nèi)目前最常用典型的機采棉工藝流程,使用了二次烘干的工藝。在第一次烘干后用刺釘輥筒清花機6、清鈴機7進行了初步除雜和去鈴殼;進入二次烘干后,刺釘輥筒清花機9和回收式清花機10又進行了更加精細的除雜。此時經(jīng)烘干、清理、風(fēng)運后的籽棉回潮率一般在4.5%~5.5%,更低的在4.5%以下,從配棉輸送機11進入鋸齒軋花機12上部的儲棉箱,準備進行軋花。軋花機的鋸齒對籽棉強力鉤拉,軋花工藝點對棉纖維損傷最嚴重。為了提高纖維強度,防止過度損傷纖維,在進入軋花前必須增加籽棉的水分來提高纖維強度,保證軋工質(zhì)量。籽棉回潮率在6.5%~8.5%之間時,是軋花機的最佳工作和皮棉品質(zhì)最好的狀態(tài)。從圖1可以看出,軋花前能進行籽棉加濕的工藝點不多,在沒有充分除雜前加濕則會影響除雜效率。為此,最佳的籽棉加濕工藝點是在進入鋸齒軋花機12之前上部的儲棉箱處,此時被烘干的籽棉已經(jīng)完成了清理的工藝,落雜充分;在這個工藝點后續(xù)也沒有風(fēng)運;籽棉回潮率已經(jīng)處于最低點,同時儲棉箱中籽棉運動速度較低,為棉纖維充分吸收水分提供了時間的條件。
圖1 國內(nèi)目前最常用典型的機采棉工藝流程
筆者查閱資料,美國很早已經(jīng)應(yīng)用了籽棉箱式加濕系統(tǒng)(圖3、4、5)。其主要包括:燃燒器、霧化器、管路系統(tǒng)、加濕箱(圖2)、電氣控制系統(tǒng)等組成。燃燒器提供熱能,一般是燃氣直燃式氣爐,無需換熱器對空氣直接加熱,燃燒充分,產(chǎn)生的熱量高、廢氣少。被燃燒器加熱的高溫氣流進入霧化器,霧化器內(nèi)設(shè)置有高壓噴頭,將足夠的水量以水霧的狀態(tài)高速噴出。高溫氣流在霧化器內(nèi)和高壓水霧相遇,高溫氣流充分吸收水分并通過管路系統(tǒng)進入軋花機籽棉箱兩側(cè),通過箱壁兩側(cè)開的縫隙進入箱體內(nèi),對儲存并向下緩慢流動的籽棉進行加濕。電氣控制系統(tǒng)根據(jù)回潮值、棉箱內(nèi)籽棉狀態(tài)等參數(shù),自動控制燃燒器產(chǎn)生的溫度、霧化器水泵的頻率和各閥門的開啟。
圖2 籽棉加濕箱
圖3 加濕箱安裝簡圖
圖4 加濕箱在軋花機上的應(yīng)用
圖5 多臺加濕箱成組應(yīng)用
近幾年,機采棉的迅速發(fā)展也大大刺激了對機采棉加工工藝的研究。機采棉含雜率大、回潮率高、加工量大的特點,使加工企業(yè)很難平衡產(chǎn)量與質(zhì)量的關(guān)系。因棉花提質(zhì)升級的需要,國內(nèi)棉花業(yè)界也逐步重視到了籽棉加濕的必要并進行了研究。業(yè)界認同在籽棉箱處加濕的國外先進加濕經(jīng)驗,也研發(fā)了相關(guān)設(shè)備。圖6所示為籽棉箱的原理圖,其工作過程:燃燒器(熱源)將高溫氣流通入霧化器形成高溫?zé)釢駳饬?,高溫?zé)釢駳饬鲝膬蓚?cè)籽棉加濕箱4的兩個熱濕氣流進口5進入儲棉箱2對籽棉3進行加濕,加濕后籽棉3通過給棉輥7進入軋花機8中進行軋花,加濕后的尾氣從籽棉輸送機1自由排放到空氣中。
圖6 籽棉加濕箱(籽棉密度大)
圖7 籽棉加濕箱(籽棉密度小)
2015年和2016年,多個廠家研制的籽棉箱式加濕投入了現(xiàn)場實驗使用。據(jù)追蹤觀察,軋花廠在2017和2018年度基本沒有再啟動使用。據(jù)筆者了解分析,可能有以下原因:1.使用單位對籽棉加濕的作用從思想上重視不夠,嫌操作麻煩,增加了成本和人工;2.籽棉箱內(nèi)籽棉密度較大時(圖6),兩側(cè)的熱濕氣流不能穿透棉層,這樣就會造成靠近兩側(cè)箱壁的籽棉非常濕,而中間大部分的籽棉幾乎沒有被加濕;3.籽棉箱內(nèi)籽棉較少或剛從輸送機內(nèi)落棉時(圖7),兩側(cè)的熱濕氣流進入箱體內(nèi),由于箱體下部有軋花機的喂棉羅拉和部分籽棉,因此,下部相當(dāng)于密封,氣流則向上冒出,正好頂著籽棉下落方向,使籽棉不能順利落入箱中,造成輸送機內(nèi)產(chǎn)生“堵車”現(xiàn)象。而正向氣流不受控制,偏偏向阻力小的地方運行,“繞”過了需要加濕的籽棉,使加濕效果不好;4.熱濕空氣遇到溫差較大的情況(冬季尤為明顯)會迅速產(chǎn)生大量冷凝水吸附在箱壁上,造成籽棉黏附箱壁在籽棉箱內(nèi)造成堵塞。而大量冷凝水還會流到軋花機內(nèi),造成機件銹蝕、“堵車”、污染棉花等情況的出現(xiàn)。
根據(jù)籽棉箱式加濕的生產(chǎn)線使用情況,筆者做了改進設(shè)計(如圖8所示),其工作過程:燃燒器(熱源)將高溫氣流通入霧化器形成高溫?zé)釢駳饬鳎邷責(zé)釢駳饬鲝囊粋?cè)籽棉加濕箱4的熱濕氣流進口5進入儲棉箱2對籽棉3進行加濕。在對面下方設(shè)置抽吸箱9,抽吸箱9內(nèi)有熱濕氣流出口10、給棉輥組11。熱濕氣流從籽棉加濕箱4的隔條柵6噴出對籽棉3進行加濕。抽吸箱9內(nèi)有負壓,將熱濕氣流導(dǎo)向斜向下穿過籽棉,增加加濕路程和時間。尾氣通過給棉輥組11每兩輥之間的縫隙后,從熱濕氣流出口10被負壓引出。加濕后的含余熱尾氣重新回到加熱器中加熱,再進行循環(huán)。
圖8 籽棉加濕箱改進示意圖
主要改進和設(shè)計特點:1.籽棉由不確定的被動加濕改為強制穿透式主動加濕。強力穿透式加濕不會產(chǎn)生緊靠兩側(cè)壁的籽棉表面濕,而內(nèi)側(cè)加不進去水分的情況;強力穿透式加濕均勻,加濕量大且可靠;2.強制穿透式主動加濕由負壓吸引導(dǎo)向,氣流方向可控,不會產(chǎn)生大量冷凝水黏附到兩側(cè)箱壁上或流到軋花機內(nèi);3.由于負壓吸引導(dǎo)向,因此,熱濕氣流不再向上“頂出”,避免了落棉不順堵塞輸送機的情況;本設(shè)計加濕箱在上,抽吸箱在對側(cè)下方,增加了加濕的路線和時間,氣流斜向下的方向與籽棉運動方向基本一致,不會產(chǎn)生阻力出現(xiàn)堵車現(xiàn)象;4.本設(shè)計在抽吸箱內(nèi)設(shè)計了給棉輥組,每兩輥之間的縫隙形成負壓吸口,當(dāng)運行時輥組向下轉(zhuǎn)動將籽棉向下運送,防止了負壓抽吸時籽棉貼附在箱壁上導(dǎo)致堵車的狀況;5.本結(jié)構(gòu)的輥組直徑合理,不會發(fā)生“繞輥”現(xiàn)象。每兩輥間的負壓抽吸縫隙尺寸設(shè)計不會使棉花進入,總面積還能完全吸收加濕箱的濕熱氣流并控制所需要的風(fēng)速。本結(jié)構(gòu)輥組傳動需要功率很小,可直接利用軋花機的給棉電機無需再設(shè)置電機傳動,輥組的線速度等于或稍大于軋花機給棉羅拉的線速度即可;6.原設(shè)計的尾氣排放到大氣,尾氣帶有一定的溫度,直接排放造成了能源浪費。本設(shè)計很好地解決了這一問題,使帶有一定溫度的尾氣被負壓抽吸送到熱源重新加熱,形成了閉環(huán)風(fēng)運系統(tǒng),初步估算可節(jié)約能源20%~30%;7.本設(shè)計加濕可控,風(fēng)運系統(tǒng)形成了閉環(huán),工作狀態(tài)穩(wěn)定,使得自動控制能順利實現(xiàn)。
美國雖然很早就已經(jīng)應(yīng)用了籽棉箱式加濕系統(tǒng),但是應(yīng)用廠家較少,配置不普遍,在實際使用中也可以看出這類設(shè)計存在一定的問題。筆者羅列的原因及改進措施不一定全面,希望拋磚引玉引起業(yè)界關(guān)注并繼續(xù)研究改進籽棉加濕系統(tǒng)。