籽棉烘干机技术研究

刘同策，温浩军,2

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832000；2.新疆农垦科学院 机械装备研究所，新疆 石河子　832000)



籽棉烘干机技术研究

刘同策1，温浩军1,2

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832000；2.新疆农垦科学院 机械装备研究所，新疆 石河子832000)

摘要：我国夏季高温多雨，秋冬多霜雪，特别在北部地区，下半年气候潮湿，不利于棉花收获。伴随棉花产量的增加，晾晒条件的不理想及对棉花等级要求的提高，籽棉烘干技术在棉花加工过程中扮演着不可缺少的作用。近些年，我国机采棉发展势头强劲，然而机采棉的回潮率远大于手摘棉，严重影响了棉花加工生产各个环节的质量。为此，阐述了籽棉烘干技术的研究现状及发展趋势。

关键词：籽棉；烘干机；回潮率

0引言

我国的棉花产业发展迅速，大面积的种植带来了人工采摘费用的巨大投入，机采棉技术的使用使劳动力紧张的难题得以解决。然而，机采棉具有高效率、高收益优点的同时也伴随着高水分的缺陷。在棉花加工生产各个环节，水分对棉花质量的影响很大：一方面，籽棉回潮率过高会造成棉花储运困难，进而会引起棉纤维变质、变色甚至自燃；另一方面，籽棉回潮率过低，会引起棉纤维回胀力过大，导致打包麻烦，棉包也会因达不到所需的密度和质量导致“崩包”[1]。在后期加工过程中，回潮率的影响也十分重大。首先，棉花回潮率过高，棉纤维间会形成较大的摩擦因数，使棉花弹性下降；轧花环节会增大棉卷和工作箱壁的摩擦力，容易带来刷棉不尽、棉卷停转、肋条堵塞等难题，进而降低轧花的工作效率和加工质量，造成衣亏加大。其次，棉花回潮率过低会引起棉纤维刚性增大，断裂比减小，在加工过程中会因外力冲击导致断裂，使皮棉中棉纤维长短不一，整齐度下降，短纤维率提高[2]。

随着市场对棉花质量要求的不断提高及企业对经济效益的不断追求，在近几年扩建、新建和改建的棉花加工生产线上，已经大量加入籽棉烘干环节。这对皮棉加工质量的提高、皮棉形态的改观、设备停车故障的减少、加工速度和产量的增加、皮棉中索丝棉结的降低都起到了立竿见影的效果。籽棉烘干技术在棉花加工生产过程中已扮演着举足轻重的作用。

目前，国内烘干方案集中体现在以下两方面：一是挖掘烘干设备的最大潜能；二是不片面追求高清杂效率，以适宜轧花机的最佳籽棉回潮率为基准，控制烘干温度在合适的范围内[3]。两种方案比较表明：第1种方案对烘干后的皮棉质量提高具有很大作用，含杂率降低、手感蓬松、色泽好，但会对棉花质量等级的鉴定产生干扰，质检人员易误判；第2种方案则显得更有优势。

1国内外籽棉烘干机的发展概况

前苏联的烘干机多采用滚筒式，烘干时籽棉在滚筒内不断翻转着向前运行，热风温度固定在70～75℃，且风速较大，使得水分蒸发较快，烘干效率较高。滚筒下半部分设有筛网做成的包壳，在烘干的同时可清除小部分杂质[4]。前苏联对留种籽棉的烘干特别重视，其应用太阳能使水分蒸发，整个过程不受阳光直射；同时，利用空气流动加速烘干，温度控制在30～40℃(因为留种籽棉的烘干温度不能超过50℃，所以该方案恰到好处)[5-6]。

美国的烘干机从1932年开始研制到现在一直采用塔式。多层塔式烘干机在当代特别受欢迎，因为它具有较高的生产率、较简单的结构布局及较大的籽棉通过量等优势；但棉流在同向热风的流动中烘干，需要不间断的向塔内通入热风，造成过大的能源消耗，费用损失较高。为此，美国农业部研究出了逆风烘干[6]和交叉烘干[6]技术。

与美国和前苏联相比较，我国的籽棉烘干机研制起步较晚，虽然多次到国外引进各式各样的烘干机进行研发，但烘干效果依然不尽如人意。1996年，农一师在两个团场进行专业种植生产实验中发现，即使在干燥地区机采的籽棉，烘干效果也十分显著。2004年之后，国内棉花加工企业多仿造美国的多层塔式烘干机，虽然过程中不乏出现喷泉式、滚筒式、叶片辊式等类型，但终因数量较小没能赢得市场。多层塔式烘干机能大力发展与我国缺油、少气、多煤的能源现状有着直接的关系，能源成本的降低及组装型烘干设备的采用使得所需费用大大缩减。虽然微波烘干籽棉的实验早在2008年就由新疆有关棉花加工研究部门开展，但至今仍处于试验阶段。所以，在未来几年，多层塔式烘干机将成为国内的主导[5]。

2籽棉烘干原理和结构组成

籽棉烘干原理：利用棉纤维容纳空气水分的能力和棉纤维放湿性能，以空气为介质进行烘干[7]。为了提高空气温度和降低相对湿度，先把要输送到烘干机的空气加热，然后再输送到烘干机和输送装置，并与籽棉接触。运用籽棉与热流空气之间的温湿度差，充分接触一段时间后，棉纤维中的水分会蒸发并伴随热流空气运出，从而达到烘干的效果。影响籽棉烘干效果的因素主要有两方面：一是进入烘干系统的热空气被加热后所达到的温度；二是烘干机内籽棉与热空气相互接触所持续的时间[8]。

籽棉烘干系统由热源、籽棉自动控制箱、烘干塔、籽棉分离器及烘干气力输送系统等关键部件组成。籽棉分离器是烘干工序之前就有的装置，当籽棉的温度达到所需的要求无需烘干时，烘干气力输送就会从这里将籽棉吸到下一道工序[9]。烘干气力输送系统主要由变频风机和热泵组成。用热泵代替热风炉，不仅可以使整个系统结构简单化、成本降低，而且热量也可以通过一机多用的敞口式烘干床沿风管到达蒸发器，实现热量的多级利用[10]。籽棉烘干系统工艺流程和系统结构如图1、图2所示[11]。

3烘干系统关键设备与技术

3.1　烘干塔

国内的籽棉烘干塔种类较多，按结构分为水平隔板式烘干塔及垂直式烘干塔，如图3、图4所示。

水平隔板式烘干塔是一个横面为长方形箱体，宽度一般为900～1 800mm，箱体内部高度方向用隔板分为15～25层，每层高度为200～300mm，箱体进口为上端侧壁，出口为箱体下端侧壁；热空气与籽棉从进口进入烘干塔内，籽棉随热空气自上而下逐层运动，处于半悬浮状态下的籽棉被热空气包裹，两者之间产生热交换，籽棉中的水分蒸发由热空气吸收，达到烘干籽棉的目的。水平隔板式烘干塔具有结构简单、占地面积少、生产效率高、没有运动部件及操作维修方便等优点；但存在热能利用率低、输送系统动力消耗大的缺点。

垂直式烘干塔内热空气与籽棉进入后，首先落到第1个导向辊，将成团籽棉打成散片状籽棉流，松软的籽棉沿着铝排下滑，滑到下一个导向辊；这样重复5次，不断使籽棉与热空气接触，使能量得到充分利用。垂直式烘干塔内有导向辊，能开松籽棉，籽棉可得到均匀热量的同时也减少了塔内阻力，降低了风耗，节约了风运动力消耗。同时，也因塔内导向辊的存在，造成了动力消耗大、操作维修不便、故障率高、使用成本高的弊端。

综合以上两种烘干塔，水平隔板式烘干塔略占优势，以宽度为1 200mm、层高为250mm、隔板为20层及塔内入口风速为12m/s等参数的水平隔板式烘干塔在市场上的使用率比较高。

图1　籽棉烘干系统工艺流程图

1.风机　2.热交换器　3.蒸汽入口　4.蒸汽调节阀

1.隔　2.清扫门　3.壳体　4.梯子　5.磁性弯头

图4　垂直式烘干塔

3.2　烘干方式选择

现在市场上的烘干方式常用的分为3种：燃煤型蒸汽炉烘干、燃煤型导热油炉烘干和燃煤型热风炉烘干(三者都不污染棉花)。燃煤型蒸汽炉烘干投资较小、成本低，但热效率低且在较低的工作压力下难以获得较高的温度；燃煤型导热油炉烘干能在较低压力下获得较高的温度且热效率高，但投资大；燃煤型热风烘干热效率高而且使用成本低。其中，热风炉烘干较蒸汽炉烘干和导热油炉烘干更受市场的青睐。

3.3　控制系统

控制系统的方案设计是工业控制的核心，决定了控制过程的安全性与可靠性。当今社会流行的适应我国自动控制发展现状的控制系统主要有以下3种：现场总线控制系统、直接数字控制系统和集散型控制系统。现场总线控制系统(FCS系统)是将自动化系统和智能现场设备连接在一起的多站、全数字、双向的通信系统，不仅用于工业现场智能检测仪器、控制设备和执行机构之间，还用于高级控制系统和现场设备之间的数据通信[12]。直接数字控制系统(DDC系统)利用检测装置采集信号，然后与设定值比较并按照一定的算法分析计算，最后将运行结果返回执行器后使之按既定程序动作，如图5所示。DDC系统具有在线实时控制、灵活性和分时控制的优点，也是现在工业生产过程控制中最典型的系统[13]。集散控制系统(DCS系统)以处理器为核心，分散控制几台计算机采集信息，并将其统一传到上位机进行监控处理，进而达到最优控制。DCS系统把分散控制和集中管理融为一体，实现了对操作、显示和管理3方面的集中，并将危险、功能和负荷进行了分散[14]。

图5　烘干机的直接数字控制系统框图

3.4　控制算法与结构

自控技术大都基于闭环控制，测量、比较和执行是重要环节。控制过程为：测量数据，将其与给定值比较并得出误差，处理器对误差分析和计算，用计算结果调节控制器并使之按既定程序执行[15]。目前，自控系统控制算法主要有PID(比例、积分和微分)控制算法和模糊控制算法。PID控制器在工业中应用最为广泛，是一种控制算法简单、无需构建精确模型、高稳定、高可靠的线性控制器，其控制核心为“利用偏差，消除偏差”。当然，在实际控制中可根据偏差消除方法适当选用P、PI、PD、ID或PID控制。PID调节器用到的数学表达式一般为

式中m-控制信号；

Kcp—控制器比例增益；

Kci—控制器积分增益；

Kcd—控制器微分增益；

ε—偏差信号；

τi—积分时间常数；

τd—微分时间常数；

BIAS—固定偏置信号。

模糊控制算法针对复杂的控制系统并采用自然语言来描述。控制过程为：根据控制要求建立模糊控制表，传感器测量数据并将测量值与模糊控制表中的响应模糊量对应；控制器对响应模糊量分析计算并将结果转为精确量，之后控制执行器动作。模糊控制技术的应用克服了传统控制器设计不足的缺点，为实现有效控制带来了可行性[16-19]。同时，它具有形象生动、构造容易、成本低廉、对系统参数变化具有较强的鲁棒性和抗干扰能力等特点[20]。其中，模糊—神经网络可通过不断识别和控制逐渐达到非线性映射，并且可以跳出非线性映射的约束，比传统控制方法具有较强的优势[21]。烘干温度回路控制如图6所示。模糊控制系统结构如图7所示。

图6　烘干温度回路控制图

图7　模糊控制系统结构示意图

籽棉烘干自动控制系统中，控制结构涉及到反馈控制、前馈控制和自适应模糊控制。反馈控制主要以被控质量和控制量间的关系为研究对象，是自控系统中最常见、最基本的控制结构。理论上，用数学方式可以准确表达干燥装置的物理学模型，但实际实施起来却显得异常困难。控制量和被控量的关系用常规控制方法中有限的几个典型环节及其复合来表示，并采用复合各种功能的控制装置的方式收集信号，以对干扰补偿实现偏差的校正。

在籽棉干燥过程中，常常由于热风和籽棉在机器内很长时间的停留而导致被控量偏差需要滞后一段时间才能补偿。针对这种控制理论上的大惯性系统，采用反馈控制是不起效果的，此时需要应用前馈控制理论[22]。依据前馈控制系统中干扰信号的直接检测与之带来的影响的预测，控制量对干扰信号做相应的补偿，进而使被控量按既定程序稳定动作。

从上述论点得出：反馈控制和前馈控制是一对互补优缺点的控制理论，两者的复合可以达到更精确的控制。前馈控制可以用来处理被控制量不稳定的干扰及滞后的问题，而针对前馈控制中的系统参数变化、模式误差和测量误差可以用反馈控制给予补偿。

作为控制对象的抽象与模仿，自适应模型需要与原系统同态同构。与控制目标相关的干扰量、非测量变量、测量变量之间的描述也是用模型来实现的。即使某一模型很具体，但那也只是为达到控制目标而建立的对原系统中某些特征的抽象和模仿。事实中，被加热的空气温度不是影响籽棉回潮率变化的唯一因素，籽棉含水率、籽棉内部疏密程度及空气湿度等都是影响籽棉干燥效果的因素。若想系统实现控制的精确化，就需要建立一个更加标准、更加完整的自适应控制模型。

3.5　监测和控制核心

作为籽棉烘干机自动监控系统的一个重要环节，温度检测单元主要负责烘干机内部各层籽棉温度、热风炉温度和热风温度的监控，所测温度值会送达中心控制系统，进而实现热风炉、鼓风机和热风温度之间的自动控制，即低温开启、高温暂停[23]。

籽棉烘干过程中对烘干速度的监测意义重大。其工作过程为：籽棉湿度用在线测量仪测出后发送给处理器，处理器根据初始温度和籽棉要达到的烘干等级信息送达变频器，变频器通过改变频率控制电机转速，进而实现速度初始化；烘干过程中，塔内温度传感器将采集值再次反馈给处理器，并与既定值比较，作为继续控制的纠正参数，实现对干燥速度的控制。

烘干机以可编程控制器(PLC)和变频器为控制部分的核心[13]。因为转速和频率成正比，所以通过改变频率可以达到改变电机转速，进而改变风量大小，从而达到不同的烘干效果的作用。变频器的使用减少了不必要的人力和物力，提高了配棉的工作效率，实现了对烘干过程的实时控制，在满足生产工艺及节减能耗的同时也改善了电机的启动性。

应用PLC对烘干系统中电气部件的控制，大大减小了工作量，同时也实现了控制自动化[24]。通过计算机与PLC间进行串行通讯，实现对籽棉烘干过程中状态参数的实时控制与监测[25]。PLC对工控计算机定时发来的读取命令进行自动应答，并将传感器采集来的信号经转换后返回给工控计算机；然后工控计算机通过处理并显示，进而达到对籽棉烘干机内部状态的实时监控。其具有模块化结构、较强接口功能和抗干扰能力及高可靠性的优势，编程简单优势的PLC与配备强大应用软件的工控计算机的结合使得控制系统性能极高。烘干系统中现场设备的工作状态和操作按钮的动作用开关量输入信号表示，指示灯的亮灭和风机的启停作为输出量信号，温度通过模拟量输出模块调节；可编程序控制器将传来的信号输入已经编好的程序中执行，运行结果输出到现场设备，从而实现控制。

4烘干系统中的难题及解决措施

4.1　需要加热的空气温度的检测

棉花的温湿度要控制在合适范围内，就需对空气加热后所达到的温度进行实时检测，然后根据检测值和给定值来调整燃烧器火焰大小。新疆秋冬昼夜温差大，天气变化也大，高温可达30℃，低温可到零下20℃，造成空气含水量变化范围较广，使得烘干质量有很大波动性，所以对空气需要加热到的温度需要精确测定。在工业控制中应用广泛的PT100铂热电阻温度传感器因阻值与温度变化成正比及其较好的稳定性和精确性，可以很好地实现温度检测。

4.2　喂入籽棉含水率的测定

籽棉温度的控制以喂入时的含水率为基础，只有知道初始含水率，才能确定要除去多少水分，进而确定进入的空气需要加热到多少温度。新疆早晨和雨后相对湿度在12%～15%，晴天午后机采棉的相对湿度在8%～10%[26]。新疆棉花种植范围大，在籽棉含水率还没有下降时就调动大量人力和机械加紧采收，致使同一垛籽棉含水率也有很大差异。因为籽棉含水率是不断变化的，人工检测慢而失准，所以要达到较好的烘干效果，需要一套高效、准确的自动检测和控制系统。待其快速得测量出大量的随时变化的信息后反馈给控制系统的中央处理器，经分析计算得出精确的控制参数，进而调节燃烧器中油、气、煤的供应量，最终完成自动控制。

4.3　安全排烟除尘

我国热能大都选用燃煤形式获得，然而对煤炭燃烧过程中产生烟尘火星不采取有效的预防措施，极易产生安全事故。传统的引风机排烟一级除尘装置可除去煤燃烧时产生的大部分烟尘和火星，但仍会有一小部分弥散到空气中，如果遇到距离热风炉较近的籽棉垛就极易发生火灾。

以上问题可通过在已有一级除尘装置的基础上增加二级排烟除尘装置得以解决[7]。燃煤型热风炉二级排烟除尘装置引用旋风式沙克龙原理设计，排烟引风机将煤燃烧时产生的烟尘和火星沿出烟口顺排管道吹向一级排烟沙克龙，再利用离心力将大颗粒烟尘和火星沉降；未沉降的小颗粒会继续被吹向二级排烟沙克龙，经过高速气流作用后排入大气，如图8所示。该装置在解决煤燃烧产生烟尘和火星难题的同时也对该过程中风机轴承及叶轮磨损失效起到了很好的预防。

图8　燃煤型热风炉排烟除尘装置示意图

4.4　热量损失

烘干系统动力消耗大、热能利用率低，如果对管道和烘干机不采取绝热措施，那么热能利用率只有16%，其余84%则穿过系统流入大气。所以，无论对输送管道、热空气管道，还是烘干机的绝热保温都是十分重要的。

绝热保温材料的选择不仅要考虑保温效果，还应考虑安装难易程度。在市场上流行的珍珠岩涂料、硅酸铝纤维和岩棉板毡3种保温材料中，后者具有成本低、隔热好和易操作的特点，很适合采用。结构设计方面可在烘干塔两侧热风管道采用双层保温[27]。这样则会因余热进入双层保温区域从而降低风管内外温差起到阻止热量流失的作用。经检测实验证实，此措施会使机组热效率提升3%。针对籽棉在烘干过程中热量会随废气大量排出的难题，可用在烘干塔上相应的废气排出口安装管壳式热交换器将其回收再利用的方式解决[28]。装置中的换热管采用能大大提高单位体积换热面积的U型设计，这样便可将进入烘干塔内的气流的初始温度升高，进而提升干燥效率。布管则可采用美观方便的正三角形方式，可减小热气的流动阻力，降低热交换器的动力消耗。管壳式热交换器不仅构造简单、安装容易，而且提高了热效率、降低了能耗，具有广阔的市场前景和推广价值。烘干工艺方面则可选择具有较高强度和均匀性的薄层混流烘干工艺。此工艺可在籽棉中形成向上、双横向和向下的热气混流运动，可使籽棉与热流充分接触，从而实现热量的高利用率。

5籽棉烘干机的发展趋势

带式烘干机在20世纪90年代由美国开发研制成功，对带式烘干机进行大量实验和轧花过程的结果显示：在烘干气流的加热未达到很高温度的情况下，就解决了烘干过程中籽棉含水率过高的难题。传送带式烘干机能更好地提高皮棉等级，改善除杂率，也有效地解决了过度烘干引起的棉纤维脆度强易断裂的难题，使短纤维含量降低[29]。传送带式烘干机因在实验和理论中具有烟尘排放少、烘干时间可控、用风量小、烘干温度低、压损小、能耗低、烘干效果好且兼具清理功能等优势必将在未来占据巨大市场，慢慢代替塔式烘干机。

通过查阅大量相关文献还得到这样的结论：籽棉回潮率主要通过籽棉中两个电极间电容电阻和近红外的测量得到。近些年，还有人提出了微波图像检测，这种非接触的测量方式对籽棉回潮率的测量更加快速准确[30]。微波图像检测籽棉回潮率技术也将成为以后发展的对象。

现阶段，我国的籽棉烘干机大都采用混流和横流形式的竖箱结构。通过对流将热空气与籽棉充分接触进而达到烘干目的方式还是会造成一定程度的能源浪费，且采用燃煤燃油获得热源的形式带有一定的安全隐患且容易污染环境。应用燃油获得热源的过程中，常会因喷油嘴出现质量问题造成雾化变差，污染大气的同时还浪费资源；采用燃煤形式时，虽棉花不易被污染，但会使热风炉寿命缩短、可靠性和效率降低。因此，以远红外电加热管提供热源的新发明和传统的燃油燃煤比较具有清洁卫生和高效的优势[31]。其中，电加热管位于干燥箱内，而籽棉则在其两侧，但采用不接触的方式放置。采用远红外线热辐射加热籽棉的方式，烘干塔内的温度分布均匀性大大提高，在伴随气体流动的情况下，比对流加热干燥速度更快、效率更高。

籽棉烘干机的绿色化生产将成为未来的发展趋势。选材会越来越多地趋向无污染、可重复利用、无毒及易被降解的材料；设计方面则会趋于节能化，利用新理论设计出节约能源的加工工艺和产品结构，使能量损失最低、能源消耗最少[31]；生产方面趋向于生产可拆卸、可回收及寿命长的零部件。可拆卸意味着报废时可将其中未损坏的零部件拆卸下来再使用；可回收性是指零部件材料要选用可回收、可降解再利用的材料。寿命长不是简单意义上的延长零部件的使用周期，而是使其可重构、可维修、可模块化，最大程度地减少零部件的过时，达到降低报废数量的目的。零部件的长寿要求在对其经济性和功能性分析的基础上，使用先进的加工工具和设计理论，生产出能够在目前和未来长时间内满足市场需求的产品。

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Research of Seed Cotton Dryer Technology

Liu Tongce1, Wen Haojun1,2

(1.Mechanical and Electrical Engineering College，Shihezi University, Shihezi 832000,China;2.Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science Mechanical Equipment Research Institute, Shihezi 832000,China)

Abstract：China has high temperature and a lot of rain in summer, has a lot of frost and snow in autumn and winter, especially in the north. The damp climate is not conducive to the cotton harvest in the second half of a year. Along with the increase of cotton production, not ideal drying conditions, as well as the improvement of cotton quality, seed cotton’s drying technology plays an indispensable role in cotton production. In recent years, the development of cotton-picking machine is huge in China,however,cotton moisture regain is more than hand picking cotton. In the same time, the quality of cotton production’s each part has been affected seriously.In order to improve the economic benefit, seed cotton’s drying technology has been promoted greatly.

Key words：seed cotton； dryer; moisture regain

中图分类号：S226.6

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0250-07

作者简介：刘同策(1991-)，男，山东临沂人，硕士研究生，(E-mail)979067928@qq.com。通讯作者：温浩军(1971-)，男，甘肃临洮人，研究员，硕士生导师，(E-mail)wenhaojun@263.net。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD09B02)

收稿日期：2015-07-16