国内外棉花加湿雾化设备的研究现状与发展趋势

■ 向天明 王晓辉 李梦辉

〔郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州450004〕

一、引言

回潮率是影响棉花加工质量的关键因素之一［1］。研究表明，棉花加工过程中不同环节所适宜的回潮率不同。为提高棉花加工质量，在清理之前对籽棉进行干燥处理，降低棉纤维回潮率到5.5%左右，提高清杂效率；在轧花之前对籽棉进行加湿处理，将棉纤维回潮率提高到7.5%左右，减少锯齿钩拉对棉纤维长度、断裂比强度的影响；为降低打包压力和减少棉包运输、存储中的“崩包”现象，在打包之前对皮棉加湿，将回潮率控制在8%左右［2-7］。由此可见，加湿是棉花加工过程中不可缺少的环节。目前国内外通常采用的棉花加湿方式包括热加湿和冷加湿。二者的不同之处在于，热加湿是将一定温湿度的热湿空气与棉花混合实现加湿；冷加湿是将雾化水与棉花混合实现加湿，其中热加湿应用较为普遍。不论是热加湿还是冷加湿都离不开雾化设备，雾化设备的工作性能直接影响加湿系统的加湿性能、能耗和能源利用率。以美国为代表的先进产棉国的棉花热加湿雾化设备目前普遍采用的是普通喷淋和燃气热源组合的形式，冷加湿以高压喷雾为主。我国棉花加湿系统是在消化吸收国外先进技术和结合我国棉花加工能源特点等国情的基础上发展起来的。国内普遍采用热加湿方式，虽然冷加湿有尝试应用，但没有得到推广［8］。目前我国棉花加湿系统在实际应用中普遍存在加湿能耗高、能源利用率低的问题。为此，进一步探索适应我国主产棉区新疆棉区棉花加湿的节能型雾化方式和设计节能雾化设备是目前亟须解决的技术难题。

本文归纳了国内外棉花加工过程中的加湿系统雾化设备的研究现状，介绍了国内外市场上使用过的几种加湿系统雾化设备的结构、工作原理，对比了不同籽棉加湿雾化设备的优缺点，论述了我国加湿雾化设备的发展现状及目前存在的主要问题，同时探讨了我国加湿雾化设备的发展趋势，为棉花加湿雾化设备、加湿系统的优化和研发提供参考。

二、棉花加湿雾化设备的用途及类型

棉花加湿系统的类型有热加湿系统和冷加湿系统，雾化设备的类型包括热加湿雾化设备和冷加湿雾化设备。棉花加湿过程中，热加湿雾化设备和冷加湿雾化设备的作用有相同之处，也有不同。热加湿雾化设备主要包括热源和喷雾设备，根据热加湿雾化设备热源和喷雾设备的组合形式可以分为集成式和分离式，目前国内的雾化设备以分离式为主，国外的雾化设备一般为集成式。冷加湿雾化设备通常指的是喷雾设备。

热加湿雾化设备的作用是产生一定温湿度的热湿空气，并能够根据实际加湿需求在一定范围内对温湿度进行调控。热加湿雾化设备主要包括燃气热源式低压喷淋雾化设备、热空气式低压喷淋雾化设备和热空气式干蒸汽雾化设备等，其中燃气热源式低压喷淋雾化设备为集成式，热空气式低压喷淋雾化设备和热空气式干蒸汽雾化设备为分离式。

冷加湿雾化设备的作用是产生一定量的雾化水，并能够根据实际需求控制单位时间内喷雾量。冷加湿雾化设备主要包括超声波雾化设备、高压微雾雾化设备和汽水混合雾化设备等。相比热加湿雾化设备，冷加湿雾化设备形成的雾化水粒径较小，一般为微米级。

表1 棉花加湿雾化设备的种类

三、国内棉花加湿雾化设备的发展现状

（一）热加湿雾化设备

1.热空气式低压喷淋雾化设备

热空气式低压喷淋雾化设备是由郑州棉麻工程技术设计研究所研制并在市场上推广应用。该类型雾化设备为分离式，其主要包括燃煤热风炉、鼓风机和喷淋雾化设备，如图1所示。工作过程中，在风机作用下环境温度的空气进入燃煤热风炉后形成干热空气，干热空气进入喷淋雾化装置形成热湿空气。

图1 热空气式低压喷淋雾化设备

喷淋雾化装置主要由水泵、水箱、喷嘴阵列、进风口和出风口等组成，如图2所示。工作过程中，水进入水泵加压后经喷嘴喷出雾化，雾化后的水与从热风进口进入箱体内的热风混合形成热湿空气，未被汽化的水回流到水箱［9，10］。

图2 热空气式低压喷淋雾化设备

该种雾化设备的喷水压力在0.5 MPa左右，喷嘴出口直径在2 mm左右，雾化量在1 200 kg/h，雾化水粒径较大。这种雾化设备的特点是结构简单、无需对水进行专门处理，喷雾量远远大于热湿空气含湿量，其缺点是热湿空气含湿量与热风风量、温度相关性较大，对热风温度要求较高，能耗高，热湿空气的温湿度滞后性较大，温湿度的调控性一般。另外，由于回流水较大，棉花加工厂环境空气含尘大造成加湿用水中的尘杂较大，需要定期维护。

2.热空气式干蒸汽雾化设备

热空气式干蒸汽雾化设备是由山东天鹅棉业机械股份有限公司研制并在市场上推广应用。该类型雾化设备为分离式，其主要包括水软化装置、蒸汽炉、风机和干蒸汽雾化装置，如图3所示。工作过程中，经软化装置软化后的水进入蒸汽炉形成干蒸汽，一部分蒸汽进入换热管，环境温度的空气经风机进入换热箱体与进入换热管的蒸汽换热形成干热空气，一部分蒸汽经加压后从蒸汽喷嘴喷出到干热空气，最终形成热湿空气。

图3 热空气式干蒸汽雾化设备

该种雾化设备的干蒸汽喷出压力为0.4 MPa，额定蒸汽喷出量为275 kg/h。这种雾化设备的优点是设备结构紧凑，温湿度的控制易于实现，水软化装置减少了水垢的产生，避免了空气中含尘对加湿用水的污染，其缺点是设备结构复杂，额定蒸汽喷出量不高，考虑到蒸汽喷出后部分冷凝情况的出现，最终形成的热湿空气含湿量可能出现不足的情况。

（二）冷加湿雾化设备

目前冷加湿在国内市场上没有推广应用。但是，有棉花加工厂尝试在环境温度高的时候在配棉绞笼处设置超声波雾化装置，将雾化水输送到配棉绞笼处与棉花混合，实现棉花的加湿，如图4所示，超声波雾化装置主要包括超声波雾化主机和输送管道。另外，还有棉花加工厂在皮棉滑倒处设置汽水混合雾化装置，将雾化水喷射到皮棉中，实现对皮棉的加湿，如图5所示，汽水混合雾化设备包括气泵、水泵和喷嘴等。

图4 超声波雾化设备

图5 气水混合雾化设备

冷加湿雾化设备的水雾化粒径小，一般在微米级，相比热加湿，其不需要设置大功率的加热设备，适宜在环境温度高的时候使用。但新疆棉区棉花加工季节为当年九月下旬到次年十二月，环境温度较低，冷加湿雾化设备的雾化水大量凝结，加湿效果较差。

四、国外棉花加湿雾化设备的发展现状

燃气热源式低压喷淋雾化是由美国Samuel Jackson公司研制的集成式雾化设备，其主要包括燃气热源燃烧头、喷淋室、水箱、水自清洁装置和控制系统等，如图6所示。该雾化设备通常采用负压进风的方式。工作过程中，环境温度空气经燃气热源燃烧头加热后形成热空气，水经水泵加压后进入喷头形成喷淋水，热空气进入喷淋室内与喷淋水混合形成热湿空气，如图7所示，有部分火焰直接进入喷淋室对喷淋水进行加热形成热湿空气，喷淋回流水通过回水管路进入水箱，形成的热湿空气从出风口排出。另外，该雾化设备的水清洁过程是：水泵出口分两个支管路，一支管路连接喷头阵列，一个支管路连接水力沙克龙的进口，水力沙克龙的出口连接水箱，水中尘杂由水力沙克龙的排污口排出。这样在工作工程中不间断地对水进行清杂处理，减少尘杂堵塞喷头情况的发生［11］。

图6 热源式低压喷淋雾化设备

图7 热源式低压喷淋雾化腔体

该雾化设备的优点是结构紧凑，集成了燃气热源，带有水自清洁装置，自动化程度高，能够根据实际需求快速准确调节热湿空气的温湿度，其缺点是缺少在线式的水软化装置，设备需要定期除垢。

五、国内棉花加湿雾化设备的存在的问题和发展趋势

（一）国内棉花加湿雾化设备存在的问题

我国棉花加湿雾化设备是在消化吸收国外先进技术基础上发展起来的，虽然取得了一定的成绩，研制出了多种类型的具有自主知识产权的产品，并在实际棉花加工中应用，但与国外先进产棉国的相关设备相比还存在一些需要亟须解决的问题，主要包括以下几个方面：

（1）适应棉花加工的雾化基础技术研究不够深入。目前国内针对棉花加湿雾化相关技术的研究还比较匮乏，例如雾化粒径和雾化压力等参数对雾化效果和能耗的影响，设备研制过程中，设计者更多的是根据工作经验和简易的实验进行设备的设计，设备运行参数更多的通过不断的摸索和总结出来的，最终的设备运行参数往往没有达到最优参数，这是导致能耗高和能源利用率低的主要原因。

（2）设备集成度不够。我国棉花加湿雾化设备往往是由多个装置组成，设备的占地面积大，安装维护困难。另外，热源和雾化装置之间往往是通过长管道连接，导致热量散失比较大。

（3）缺少水净化、软化环节。目前国内棉花加湿通常为热加湿，水往往缺少净化、软化环节，导致管路内结垢严重，另外回流水中往往掺杂棉短绒，通常水垢和棉短绒难以清理，设备长时间运行，喷头经常出现堵塞情况。

（4）设备自动化程度低。与先进产棉国棉花加湿雾化设备相比，我国雾化设备的热湿空气的温湿度调控能力比较弱，设备滞后性比较大，往往需要较长时间的运行设备参数才能够稳定，另外设备的控制的准确性也比较差。

（二）国内棉花加湿雾化设备的发展趋势

随着电热源在我国棉花加工调湿中的进一步推广应用，棉花加工过程调湿能耗在总加工费用的占比增高，并且越来越受到棉花加工单位的重视。棉花加湿雾化设备是影响棉花加湿的能耗的关键设备之一，为降低棉花加湿能耗和提高设备的自动化、智能化程度，我国棉花加湿雾化设备的发展趋势主要表现在以下几个方面：

（1）深入研究雾化基础技术。研究雾化粒径、雾化压力、热风风量和热风温度等参数对热湿空气温湿度的影响，研究出不同温湿度的热湿空气所最适宜的参数。

（2）设备高度集成化、功能多样化。将风机、热源、雾化装置、水净化装置和水软化装置等高度集成，形成一体化的棉花加湿雾化设备，具有水净化和软化功能，降低设备维护周期和维护难度，降低设备能耗和提高能源利用率。

（3）开展关键零部件研究，提高热湿空气参数的快速响应和控制精确度。基于雾化技术的研究，选择最适宜的雾化方式，匹配合适的热源，降低热湿空气温湿度参数的滞后性，并能够实时监测，提高热湿空气温湿度参数控制的精确度。

六、结语

籽棉加湿雾化是降低高棉花加工加湿系统能耗和提高能源利用率的重要途径。近些年来，我国棉花加湿雾化设备的研制取得了显著的进步，研制出了多种类型的棉花加湿雾化设备，但仍存在设备集成度低、能耗高、能源利用率低和设备维护困难等问题。因此，在满足我国棉花加工加湿需求的前提下，进一步加大雾化技术的基础研究，开展关键零部件的创新设计，提高设备的集成度，开发自动化、智能化的水雾化控制系统，研制节能型棉花加湿雾化设备，降低棉花加湿成本，提高加湿效率，进而提高我国棉花加工质量。