機(jī)收殘膜混合物水洗清選裝置的研究與試驗(yàn)

李俊虹，羅 昕，胡 斌，王 蒙，姚強(qiáng)強(qiáng)

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

機(jī)械化回收是治理殘膜污染的重要途徑[1]，回收的殘膜破損嚴(yán)重、含雜率較高，殘膜和棉稈等雜質(zhì)打結(jié)(殘膜與棉稈棉核等雜物纏繞在一起稱(chēng)為打結(jié))嚴(yán)重，目前處理機(jī)收殘膜的方式主要是填埋法和焚燒法，造成土地和環(huán)境的二次污染，沒(méi)有從根本上解決白色污染和資源浪費(fèi)問(wèn)題，制約了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。只有將殘膜回收并分解進(jìn)行再生處理和循環(huán)利用才是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，如用于提煉石油制品，制成其他塑料制品等[3]，而如何將殘膜從雜質(zhì)中分離出來(lái)是實(shí)現(xiàn)再利用需要解決的核心問(wèn)題。傳統(tǒng)的物料分離方法如風(fēng)選法[4]、振動(dòng)法[5]、靜電法[6]及兩相流分離法[7]等難以將殘膜混合物分離開(kāi)，人工分揀清洗方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，都無(wú)法大面積推廣作業(yè)。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文利用片狀柔性殘膜和桿狀木質(zhì)棉稈在水中不同的懸浮特性，根據(jù)水洗清選機(jī)理提出一種機(jī)收殘膜混合物水洗清選裝置，并設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)探究了影響殘膜分離效果的殘膜使用時(shí)長(zhǎng)、破碎尺寸、水壓、噴頭角度等因素的顯著性，采用Box-Benhken試驗(yàn)法[8]建立了以殘膜分離率為響應(yīng)值的回歸模型，通過(guò)尋優(yōu)找到最佳因素組合，為殘膜清選機(jī)械的進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)。

1 水洗清選裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

利用殘膜和棉稈在水流沖擊作用下不同的漂浮特性[9-10]，設(shè)計(jì)提出了機(jī)收殘膜混合物水洗清選裝置，主要包括進(jìn)料口、水位傳感器、分離箱、噴頭、噴水管、排污管、補(bǔ)水管、水泵、排污閥、循環(huán)管道、水箱、收集箱及集桿板，如圖1所示。其中，分離箱分為兩層，上層尾部設(shè)有斜板，右側(cè)壁開(kāi)有100mm×10mm的孔，兩層之間由一個(gè)柵板隔開(kāi)，底部通有帶噴頭的管道；收集箱包括集膜和集桿兩部分，箱底開(kāi)有柵孔。

進(jìn)行清選試驗(yàn)時(shí)，將分離箱里注滿(mǎn)水，給水泵通電，從進(jìn)料口均勻投入破碎處理后的物料，使其進(jìn)入水面后是薄薄一層；在噴水管水射流的沖擊力作用下，殘膜和棉稈在水中的姿態(tài)發(fā)生變化，殘膜多由平鋪在水面上變?yōu)樨Q直姿態(tài)沉入水中，而棉稈為圓柱形木質(zhì)結(jié)構(gòu)，浮力較大，依舊處于水面上部，夾雜的泥沙通過(guò)柵孔沉到分離箱底部，最后從排污管道排出。殘膜和棉稈到達(dá)分離箱末端時(shí)，由斜板隔開(kāi)，分別通過(guò)側(cè)壁孔和集桿板進(jìn)入收集箱的不同層，集膜和集稈過(guò)程中帶出的水通過(guò)柵孔進(jìn)入水箱，并通過(guò)循環(huán)管道由水泵送至噴水管，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)。水洗清選裝置的主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.進(jìn)料口 2.水位傳感器 3.分離箱 4.噴頭 5.噴水管 6.排污管 7.補(bǔ)水管 8.水泵 9.排污閥 10.循環(huán)管道 11.水箱 12.收集箱 13.集桿板

項(xiàng)目單位參數(shù)整機(jī)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)mm2000×400×500噴水管尺寸(長(zhǎng)×直徑×厚度)mm1800×30×2水壓范圍MPa0.15～0.25

2 殘膜混合物分離試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料及主要儀器

本次試驗(yàn)采用的地膜厚度為0.010mm，使用時(shí)長(zhǎng)分別為3、6、9、12個(gè)月和新膜，取殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)回收后的殘膜混合物備用。

主要儀器：111-101-40電子數(shù)顯卡尺(桂林廣陸數(shù)字測(cè)控股份有限公司)，XK3190-A7電子稱(chēng)(上海大川衡器有限公司)，5 000ML燒杯、2.2kW離心泵，ZH-100液位雙浮球開(kāi)關(guān)。

2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

殘膜分離率是衡量試驗(yàn)清選效果的重要指標(biāo)，即試驗(yàn)后清選出的殘膜質(zhì)量與試驗(yàn)前投入清選裝置的物料中的殘膜質(zhì)量的比值，殘膜分離率為

(1)

其中，δ為殘膜分離率(%)；G′為分離出來(lái)殘膜質(zhì)量(g)；G為試驗(yàn)前投入裝置中的殘膜質(zhì)量(g)。

2.3 試驗(yàn)因素

分析清選裝置結(jié)構(gòu)和機(jī)理及前期探索試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響清選效果的因素主要有殘膜使用時(shí)長(zhǎng)、物料破碎尺寸、水壓和噴頭角度。

2.4 水洗分離單因素試驗(yàn)

從機(jī)收殘膜混合物中隨機(jī)抽取一定量的物料，破碎處理后，在水洗清選裝置中對(duì)每個(gè)因素分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，測(cè)定殘膜的分離率，每組試驗(yàn)重復(fù)6次，取6次試驗(yàn)的有效平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)過(guò)程中，保持其他因素處于相同條件，探討各因素對(duì)機(jī)收殘膜混合物水洗清選效果的影響，確定影響清選效果的各因素的顯著性。

2.5 水洗分離BBD試驗(yàn)

為了探究殘膜分離率與顯著性因素之間的關(guān)系并尋求各因素的最優(yōu)組合，根據(jù)響應(yīng)面分析法的Box-Behnken試驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)了以殘膜分離率為響應(yīng)值的3因素3水平試驗(yàn)，其因素水平編碼如表2所示。采用Design-Expert軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析各因素及其交互作用的顯著性，建立回歸模型，并用其尋優(yōu)功能找出最佳因素組合。

表2 BBD試驗(yàn)因素水平

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)

3.1.1 殘膜使用時(shí)長(zhǎng)

物料破碎尺寸為45mm×75mm，水壓為0.15MPa，噴頭角度為80°，按照殘膜不同的使用時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行分離試驗(yàn)，測(cè)定殘膜分離率。使用Origin8.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸處理。圖2為殘膜使用時(shí)長(zhǎng)與殘膜分離率之間的擬合曲線。試驗(yàn)表明：新膜和使用3個(gè)月的舊膜較為完整，水流沖擊力難以使膜與棉稈產(chǎn)生明顯分層，分離率相對(duì)較低；使用時(shí)間超過(guò)6個(gè)月，殘膜和棉稈在沖擊力的作用下分層效果沒(méi)有明顯區(qū)別，殘膜分離率趨于水平。

圖2 殘膜使用時(shí)長(zhǎng)與殘膜分離率關(guān)系曲線

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析表明：殘膜使用時(shí)長(zhǎng)對(duì)分離率影響不顯著，即殘膜使用時(shí)長(zhǎng)是影響殘膜分離效果的不顯著因素。

3.1.2 物料破碎尺寸

殘膜使用時(shí)長(zhǎng)為9個(gè)月，水壓為0.15MPa，噴頭角度為80°，固定殘膜寬度為45mm，對(duì)破碎長(zhǎng)度不同的物料進(jìn)行分離試驗(yàn)，測(cè)定殘膜分離率。使用Origin8.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸處理。圖3為物料破碎尺寸與殘膜分離率之間的擬合曲線。試驗(yàn)表明：當(dāng)破碎長(zhǎng)度小于50mm時(shí)，由于殘膜過(guò)小，在水流沖擊力作用下，難以改變殘膜姿態(tài)并在水中保持足夠的時(shí)間，殘膜分離率較低；當(dāng)破碎長(zhǎng)度大于125mm時(shí)，與棉稈纏繞嚴(yán)重，殘膜分離率明顯下降。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析表明物料破碎尺寸對(duì)分離率影響顯著，即物料破碎尺寸是影響殘膜分離效果的顯著因素。

3.1.3 水壓

殘膜使用時(shí)長(zhǎng)為9個(gè)月，物料破碎尺寸為45mm×75mm，噴頭角度為80°，對(duì)不同的水壓進(jìn)行分離試驗(yàn)，測(cè)定殘膜分離率。使用Origin8.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸處理。圖4為水壓與殘膜分離率之間的曲線。試驗(yàn)表明：殘膜分離效果隨著水壓的增大而增大，當(dāng)水壓達(dá)到一定值時(shí)，分離效果急劇下降。

圖3 物料破碎尺寸與殘膜分離率的關(guān)系曲線

圖4 水壓與殘膜分離率的關(guān)系曲線

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析表明：水壓對(duì)分離率影響顯著，即物料破碎尺寸是影響殘膜分離效果的顯著因素。

3.1.4 噴頭角度

殘膜使用時(shí)長(zhǎng)為9個(gè)月，物料破碎尺寸為45mm×75mm，水壓為0.15MPa，對(duì)不同的噴頭角度進(jìn)行分離試驗(yàn)，測(cè)定殘膜分離率。使用Origin8.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸處理。圖5為噴頭角度與殘膜分離率之間的曲線。試驗(yàn)表明：隨著噴頭角度的增大，分離率增加，當(dāng)噴頭角度大于80°時(shí)，分離率呈下降趨勢(shì)。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析表明：噴頭角度對(duì)分離率影響顯著，即物料破碎尺寸是影響殘膜分離效果的顯著因素。

圖5 噴頭角度與殘膜分離率的關(guān)系曲線

3.2 殘膜水洗分離的響應(yīng)面分析

為了探究顯著性因素與殘膜分離率之間的關(guān)系，采用響應(yīng)面分析法建立模型，以物料破碎尺寸、水壓、噴頭角度為自變量，以殘膜分離率為響應(yīng)值，分別用A、B、C、Y表示，用 Design-Expert軟件進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，并根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算并記錄所得分離率的數(shù)值，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

Table 3 Test design and results

試驗(yàn)編號(hào)因素水平物料破碎尺寸A/mm水壓B/mm噴頭角度C/(°)響應(yīng)值殘膜分離率/%1-1-1060200078.230-1-166.4401-165510-164.461-1061.27-10-154.5810165.990007610-1105411110631200075.8130-117514-10161

續(xù)表3

3.2.1 殘膜分離率模型的建立及顯著性檢驗(yàn)

使用Design-Expert軟件對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合和方差分析，可得殘膜分離率Y與物料破碎尺寸A、水壓B、噴頭角度C之間的編碼制的回歸方程為

Y=76.16+3.13A-1.70B+2.32C+1.95AB-1.25AC-1.65BC-11.76A2-4.86B2-2.95C2

(2)

方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 殘膜分離率的方差分析表

A、B、C分別表示物料破碎尺寸、水壓和噴頭角，AB、AC、BC為兩兩交叉項(xiàng)；p<0.0001為極顯著，p<0.05為顯著，p>0.1為不顯著。

由表4各P值可知：3個(gè)顯著性因素中，物料破碎尺寸影響強(qiáng)度最大，噴頭角度次之，水壓最弱；另外，AB、BC及A2、B2、C2均顯著，說(shuō)明殘膜分離率Y與3個(gè)因素之間有交互作用。由表4各F值可知：在顯著性水平α=0.05的條件下，模型的顯著性檢驗(yàn)F=54.18，由F分布臨界表查出F(9,7)=3.68，模型回歸方程達(dá)到了高度顯著。另外，失擬性檢驗(yàn)F=1.36

3.2.2 最優(yōu)參數(shù)的確定

殘膜分離率是檢驗(yàn)水洗殘膜分離裝置效果的重要指標(biāo)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，分離率越大效果越佳。用Design -Expert對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)物料破碎尺寸為45mm×75.25mm、水壓為0.19MPa、噴頭角度為74.39°時(shí)，殘膜分離率Y值達(dá)到最大，為77.008 2%，此時(shí)為模型3個(gè)因素的最優(yōu)條件。

3.2.3 最優(yōu)參數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證

按照所得的最優(yōu)條件進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)的可行性，試驗(yàn)進(jìn)行6次，單次殘膜分離率按式(1)計(jì)算，最終殘膜分離率取6次試驗(yàn)的平均值，所得結(jié)果為75.8%，與優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差為1.7%，驗(yàn)證了最優(yōu)參數(shù)的正確性以及模型的可行性。

4 結(jié)論

1)為了解決殘膜混合物分離問(wèn)題，提出了一種水洗清選方案，對(duì)清選裝置機(jī)理進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了簡(jiǎn)單試驗(yàn)加以探究，確定了清選方案的可行性。

2)借助origin8.0軟件通過(guò)單因素試驗(yàn)探究了影響分離效果因素的顯著性，物料破碎尺寸、水壓和噴頭角度為顯著因素，殘膜使用時(shí)長(zhǎng)為不顯著因素。

3)借助Design-Expert軟件對(duì)3個(gè)顯著因素進(jìn)行了響應(yīng)面分析，并通過(guò)對(duì)響應(yīng)值殘膜分離率進(jìn)行尋優(yōu)，得到殘膜的最佳分離條件為：物料破碎尺寸45mm×75.25 mm，水壓0.19MPa，噴頭角度74.39°。