石 鑫, 楊豫新, 牛長(zhǎng)河, 王學(xué)農(nóng)

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,新疆 烏魯木齊 830091)

地膜覆蓋技術(shù)在中國(guó)應(yīng)用廣泛,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2021年中國(guó)農(nóng)用地膜使用量大約1.45×106t,占全球總量的75%,農(nóng)作物覆蓋面積近2×107hm2。新疆屬干旱地區(qū),棉花、工業(yè)番茄、色素辣椒等作物地膜覆蓋率接近100%,玉米種植覆膜率超過(guò)80%。2020年新疆地膜使用量占全國(guó)總量的19.77%;2021年新疆地區(qū)地膜使用量占全國(guó)的20.13%,其中棉花地地膜使用總量占新疆地膜使用總量的66.10%,年使用量約1.36×105t[1]。由于國(guó)內(nèi)使用的地膜厚度多為(0.008±0.003)mm,地膜抗拉強(qiáng)度低,經(jīng)過(guò)一個(gè)作業(yè)季,地膜已經(jīng)嚴(yán)重老化、斷裂,機(jī)械回收后的廢地膜與棉秸稈及根茬混合纏繞、“打結(jié)”,造成回收后的殘膜混合物90%無(wú)法再利用,而是隨意堆放、掩埋或焚燒,不但對(duì)環(huán)境造成二次污染(圖1),而且造成了資源的浪費(fèi)。廢舊地膜清洗處理后可加工再造粒,生產(chǎn)化肥包裝袋、垃圾袋、滴灌帶等[2-3]。如果不加處理,一方面大量廢舊地膜被堆棄田間地頭,造成浪費(fèi),另一方面中國(guó)每年還需從國(guó)外進(jìn)口廢舊塑料2.0×106t以上,用來(lái)加工塑料顆粒。在此背景下,2021年7月中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布《關(guān)于印發(fā)“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的通知》中提到,要加強(qiáng)廢舊農(nóng)用物資回收利用,提高廢舊農(nóng)膜回收利用水平。因此廢地膜棉稈分離技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用對(duì)徹底解決農(nóng)田殘膜污染、實(shí)現(xiàn)資源化再利用和減少經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義[4]。

圖1 廢地膜混合物隨意堆放、焚燒造成二次環(huán)境污染Fig.1 Secondary environmental pollution caused by random stacking and burning of waste film mixture

文獻(xiàn)檢索結(jié)果顯示近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)相關(guān)領(lǐng)域如塑料垃圾混合物的分離進(jìn)行了研究[5]。劉紅等[6]針對(duì)廢舊塑料薄膜的特性,對(duì)氣流場(chǎng)中的塑料顆粒進(jìn)行受力分析,得到了塑料混合物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,建立了塑料顆粒在氣流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程,確定了塑料混合物分選的最佳風(fēng)速和最佳氣流傾角。宋楠等[7]設(shè)計(jì)了一種輕質(zhì)廢舊塑料無(wú)水清潔裝置,以廉價(jià)砂石和空氣作為清洗介質(zhì),在不產(chǎn)生二次污染的前提下對(duì)廢舊塑料膜進(jìn)行無(wú)水清洗。石文天等[8]針對(duì)城市生活垃圾風(fēng)選進(jìn)行了研究,將垃圾簡(jiǎn)化為球形顆粒模型,根據(jù)垃圾的不同密度將其分成重、中和輕三大類(lèi)。劉霞等[9]采用旋風(fēng)法對(duì)不同密度的廢舊塑料薄膜進(jìn)行了分選研究,廢塑料顆粒由于密度各異,所受重力及在旋風(fēng)分離器中離心力不同,將會(huì)產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)軌跡,從而達(dá)到分離的效果。

國(guó)外為防止地膜污染,推廣使用的都是超厚、高強(qiáng)度、耐老化地膜,地膜厚度一般在0.12 mm 以上,經(jīng)過(guò)1個(gè)作業(yè)季節(jié),回收時(shí)地膜強(qiáng)度和韌性都較好,大多采用卷收的方式回收地膜[10],回收的地膜潔凈度較高,可直接再利用,因此國(guó)外沒(méi)有膜稈分離的相關(guān)研究。近年來(lái)國(guó)內(nèi)一些學(xué)者開(kāi)展了膜稈混合物分離的研究,馬少輝等[11]在研制的清田整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)上設(shè)置了振動(dòng)風(fēng)篩式土膜分離裝置,分析了分離室內(nèi)氣流場(chǎng)速度分布規(guī)律及變化原因。靳偉等[12]通過(guò)理論計(jì)算法、仿真分析法和臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)定法分別測(cè)定了殘膜懸浮分離速度,并利用EDEM-Fluent耦合法模擬了殘膜與雜質(zhì)的懸浮分離過(guò)程。

由于國(guó)內(nèi)在廢地膜與棉稈混合物分離領(lǐng)域開(kāi)展研究的時(shí)間較短,因此可借鑒的成果較少。由于廢地膜-棉稈-泥土混合體物料特性復(fù)雜,廢地膜易纏繞在棉稈上,泥土易黏附在地膜上,造成廢地膜-棉稈-泥土難分離,此領(lǐng)域的研究方法可借鑒塑料垃圾混合物的分離技術(shù),但又不盡相同。為此,本研究針對(duì)膜稈混合物進(jìn)行分析研究,借鑒風(fēng)選原理,提出“風(fēng)選+機(jī)械篩選”分離方法,設(shè)計(jì)篩筒式廢地膜與雜質(zhì)風(fēng)選裝置[13-14],通過(guò)對(duì)篩筒內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬分析,確定地膜和雜質(zhì)分離的最佳進(jìn)風(fēng)速和入風(fēng)角度,研究成果可為提升膜雜分離效果提供數(shù)據(jù)參考,有利于加快推進(jìn)廢地膜資源化再利用進(jìn)程和解決環(huán)境污染問(wèn)題。

1 膜雜混合物成分測(cè)定

對(duì)機(jī)收后的膜雜混合物進(jìn)行成分解析測(cè)定,為制定分離方案提供原始依據(jù),通過(guò)對(duì)膜雜混合物進(jìn)行分撿,發(fā)現(xiàn)混合物料主要包含破碎殘膜、棉稈、土壤顆粒等雜質(zhì),對(duì)樣品進(jìn)行分撿、稱(chēng)質(zhì)量與測(cè)量并完成統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表1。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知,膜雜混合物中殘膜碎片占16.1%,形狀主要為長(zhǎng)條狀;棉花棉稈等雜質(zhì)占37.3%,主要為長(zhǎng)條稈狀;土壤顆粒等占46.5%,形狀主要為顆?；驂K狀。

表1 膜雜混合物物料組成統(tǒng)計(jì)

2 膜雜混合物懸浮速度的測(cè)定

由于廢地膜、作物棉稈、土壤的懸浮速度有較大差異,因此在流場(chǎng)模擬分析及裝置設(shè)計(jì)時(shí),首選要對(duì)物料的懸浮速度進(jìn)行測(cè)定。當(dāng)氣流對(duì)物料的下降阻力(FZ)與物料重力(G)相等時(shí),物料處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),此時(shí)氣流的速度即為該物料的懸浮速度[15-16]。為測(cè)定物料懸浮速度,設(shè)計(jì)了一種可調(diào)風(fēng)量、風(fēng)速的懸浮速度試驗(yàn)臺(tái),該試驗(yàn)裝置由變頻調(diào)速器、風(fēng)機(jī)、風(fēng)力輸送管、穩(wěn)流筒、風(fēng)速傳感器、篩片、透明觀察管等部件組成(圖2)。

1:變頻調(diào)速器;2:風(fēng)機(jī);3:風(fēng)力輸送管;4:穩(wěn)流筒;5:風(fēng)速傳感器;6:篩片;7:透明觀察管。圖2 懸浮速度測(cè)試臺(tái)Fig.2 Suspension speed test device

由于廢地膜纏繞于棉稈上很難分離,設(shè)備實(shí)際工作時(shí),先將膜稈混合物料經(jīng)雙軸剪切式破碎機(jī)剪切成4～6 cm的小段,長(zhǎng)條狀地膜破碎成塊狀;隨機(jī)選擇10片廢地膜碎片、10段棉稈和部分土壤顆粒分別測(cè)定懸浮速度(圖3)。為保證廢地膜懸浮速度與實(shí)際作業(yè)相近,廢地膜未進(jìn)行清洗,將待測(cè)定物料放置于透明觀察管內(nèi),隨后通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)速和風(fēng)量,記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用SPSS軟件分析得出,不同面積殘膜的懸浮度差異不大,廢地膜懸浮速度為1.8～3.2 m/s;棉稈懸浮速度為5.9～10.2 m/s;土壤顆粒懸浮速度受質(zhì)量、迎風(fēng)面積、密度等影響比較明顯,土壤顆粒懸浮速度為11.5～16.9 m/s。

圖3 廢舊地膜及秸稈懸浮速度測(cè)定Fig.3 Determination of suspension velocity of waste film and straw

試驗(yàn)結(jié)果表明,廢地膜的懸浮速度明顯低于棉稈懸浮速度,棉稈的懸浮速度低于土壤顆粒的懸浮速度。因此可依據(jù)廢地膜碎片與棉稈、土壤顆粒的懸浮速度差異進(jìn)行氣力風(fēng)選,風(fēng)速范圍在廢膜與棉稈懸浮速度之間,即3.2～5.9 m/s時(shí)可以實(shí)現(xiàn)廢膜與棉稈的分離,此數(shù)據(jù)可作為后期膜雜分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)的依據(jù)。

3 膜雜混合物運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

由于膜雜混合物各成分懸浮速度不同,因此在同一風(fēng)場(chǎng)作用下其運(yùn)動(dòng)規(guī)律也不同,通過(guò)膜雜分離通道試驗(yàn)(圖4)對(duì)物料進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[17]。

圖4 膜雜分離通道試驗(yàn)Fig.4 Channel test for membrane and impurity separation

膜雜混合物料在氣流場(chǎng)中受重力和氣流共同作用,先通過(guò)進(jìn)風(fēng)口獲得向前運(yùn)動(dòng)的初速度,后做拋物線運(yùn)動(dòng),物料顆粒受力情況如圖5所示,由于不同物料在同一氣流場(chǎng)中受力后的沉降規(guī)律不同,因此懸浮速度較小的廢地膜被吹至最遠(yuǎn)處,懸浮速度中等的棉稈被拋至試驗(yàn)臺(tái)中段,而懸浮速度最大的砂土顆粒落至進(jìn)風(fēng)口最近處。

G土為砂土顆粒的重力(N);G稈為棉稈的重力(N);G膜為廢地膜的重力(N);F土為風(fēng)對(duì)砂土顆粒的推送力(N);F稈為風(fēng)對(duì)棉稈的推送力(N);F膜為風(fēng)對(duì)廢地膜的推送力(N);α為氣流傾角(°)。圖5 膜雜混合物料在風(fēng)選試驗(yàn)臺(tái)中的受力及運(yùn)動(dòng)分析Fig.5 Force and motion analysis of film-impurity mixture in air separation test bed

分析運(yùn)動(dòng)模型,根據(jù)牛頓第二定律,得出物料的水平和豎直運(yùn)動(dòng)方程,即:

(1)

(2)

式中:x為物料的水平運(yùn)動(dòng)距離(m);v為氣流速度(m/s);g為重力加速度;R為篩筒半徑(mm);t為物料在風(fēng)選通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間(s);m為物料質(zhì)量(g);α為氣流傾角;φ為阻力系數(shù);ρα為空氣密度(g/mm3);S為物料體的受風(fēng)面積(m2);y為物料的豎直運(yùn)動(dòng)距離(m);k為氣流室截面的速度均勻性系數(shù)。通過(guò)公式1和公式2可以分別推算出不同物料在膜雜混合物料風(fēng)選試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離。

4 膜雜分離裝置的設(shè)計(jì)

篩筒式膜雜分離裝置主要由旋轉(zhuǎn)篩筒、風(fēng)機(jī)、機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成,如圖6所示,旋轉(zhuǎn)篩筒通過(guò)托輪支撐于機(jī)架上,工作時(shí)繞其軸線旋轉(zhuǎn),篩筒壁面開(kāi)設(shè)均勻等距圓形小孔,內(nèi)壁上設(shè)置螺旋葉片,進(jìn)風(fēng)口位于篩筒前端,與風(fēng)機(jī)相連,進(jìn)料斗位于風(fēng)管出風(fēng)口上,氣流出口位于篩筒末端,棉稈出口位于滾筒外罩前端的下方,塵(砂)土出口位于機(jī)架底部。

1:風(fēng)機(jī);2:風(fēng)管;3:動(dòng)力系統(tǒng);4:料斗;5:機(jī)架;6:罩殼;7:旋轉(zhuǎn)篩筒。圖6 膜雜分離裝置結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of waste film-impurity separation device

工作時(shí)膜稈混合物料由進(jìn)料口進(jìn)入篩筒,風(fēng)管注入的氣流沖擊膜稈混合物,混合物各組分受氣流作用向篩筒末端出口漂移的同時(shí)進(jìn)行沉降,其中砂土等細(xì)小雜質(zhì)穿過(guò)篩孔漏下,較長(zhǎng)的棉稈、根茬等被阻攔于滾筒內(nèi)壁并由內(nèi)側(cè)布置的螺旋葉片逆推回流至入料口正下方排出,地膜通過(guò)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流吹出滾筒,實(shí)現(xiàn)3種混合物料從3個(gè)通道分離。

4.1 旋轉(zhuǎn)篩筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)架上設(shè)置2組托輪,用于支撐旋轉(zhuǎn)篩筒,篩筒外焊接齒圈,通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)篩筒轉(zhuǎn)動(dòng),結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 旋轉(zhuǎn)篩筒的結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of riddle drum

為確定篩筒長(zhǎng)度,進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)通道預(yù)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)棉稈落點(diǎn)集中在距離入口2～3 m處,地膜落點(diǎn)集中在距離入口4～5 m處,經(jīng)初步粉碎后棉稈長(zhǎng)度為40～60 mm,故篩筒長(zhǎng)度取3～5 m,內(nèi)螺旋片高度大于60 mm。

篩筒設(shè)計(jì)中的幾何參數(shù)包括篩筒長(zhǎng)度、篩筒直徑、篩筒上篩孔的直徑。篩筒采用厚度為3 mm的鋼板,為提高膜雜混合物分離的效果,本研究選用穿透性更好的圓形篩孔,圓形篩孔尺寸與孔距為:

(3)

式中,d為篩孔直徑(mm);ks為篩孔系數(shù),圓形篩孔取值為0.7;l為篩分物單體最大直徑(mm);c為孔邊間距(mm)。

由公式3計(jì)算可得,篩孔直徑為28～42 mm,篩孔間距為37.5～45.0 mm?；旌衔镏袎m土粒徑小,極易從篩筒內(nèi)排出,地膜質(zhì)輕,易沿著軸向漂移,篩筒采用大網(wǎng)孔和大邊距確保剛度,故篩孔直徑設(shè)為40 mm,篩孔采用直行陣列式,孔邊距設(shè)為45 mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,篩筒直徑和長(zhǎng)度計(jì)算公式為:

(4)

式中,D為篩筒直徑(mm);h為膜雜混合物在篩筒內(nèi)的厚度(mm);Q為篩筒的篩分效率(t/h);ρ為膜雜混合物密度,測(cè)試值為0.2～0.3 t/m3;n為滾筒轉(zhuǎn)速(r/min);α0為篩筒的傾斜角度(°);L為篩筒長(zhǎng)度(mm):K為篩筒長(zhǎng)度與直徑的比值,通常為2.5～3.0。

擬定篩筒篩分效率為0.25 t/h,螺旋葉片高度為100 mm,測(cè)得膜雜混合物密度為0.2～0.3 t/m3,篩筒角度調(diào)整范圍為0～10.00°,代入公式(4)可得篩筒最大直徑為1 236 mm?；旌衔镌跐L筒中心風(fēng)速高,物料迎風(fēng)吹散后高速風(fēng)區(qū)半徑增大,故增大篩筒直徑并取整為1 250 mm,則篩筒長(zhǎng)度為3 750 mm。

4.2 螺旋葉片的設(shè)計(jì)與尺寸確定

膜稈混合物料組分復(fù)雜,柔性地膜夾雜棉稈易形成團(tuán)狀物,整體流動(dòng)性較差,其在篩筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模式主要為滾落、拋落和圓周運(yùn)動(dòng),在篩筒內(nèi)表面焊接導(dǎo)向螺旋,螺旋分為2段,初段螺旋的主要作用是將尺寸較大的棉稈推送至篩筒前端的秸稈出口,實(shí)現(xiàn)棉稈反向輸送。次段螺旋的主要作用是不斷翻轉(zhuǎn)提升混合物料,并輸送尺寸較小的秸稈,因此采用2種不同螺距的葉片進(jìn)行拼接[18]?？拷肓蟼?cè)為初段螺旋(P1),靠近出口處為次段螺旋(P2),為達(dá)到較好的翻轉(zhuǎn)攪拌效果,次段螺旋采用雙頭螺旋片。

經(jīng)雙軸剪切式破碎機(jī)預(yù)處理后物料尺寸為40～60 mm,為減小篩筒中心氣流密集區(qū)影響,設(shè)計(jì)螺旋葉片高度為100 mm。棉稈在滾筒前端受迎面風(fēng)作用將呈現(xiàn)斜拋運(yùn)動(dòng)狀態(tài),由前期試驗(yàn)結(jié)果可知,棉稈落點(diǎn)位于入口2～3 m處,棉稈進(jìn)入篩筒氣流場(chǎng)中后由于懸浮速度較大處于貼壁運(yùn)動(dòng)狀態(tài),物料受力情況如圖8所示。

P1為初段螺旋葉片長(zhǎng)度(mm);P2為次段螺旋葉片長(zhǎng)度(mm);β為的螺旋葉片升角(°);γ為物料與葉片的摩擦角(°);FN為螺旋葉片法向力(N);f為葉片對(duì)棉稈的摩擦力(N);F為螺旋葉片對(duì)物料的推力(N)。圖8 篩筒內(nèi)物料受力情況Fig.8 Stress diagram of materials in riddle drum

大顆粒棉稈要實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動(dòng)需滿(mǎn)足:

(5)

由此可得:

(6)

公式5、公式6中,β為的螺旋葉片升角(°);γ為物料與葉片的摩擦角(°),取30.00°;FN為螺旋葉片法向力(N);f為葉片對(duì)棉稈的摩擦力(N);μ為摩擦系數(shù);D為篩筒直徑(mm);S為螺旋葉片螺距(mm)。

由公式6計(jì)算可得,S<6 798 mm即可滿(mǎn)足棉稈回流條件。當(dāng)篩筒轉(zhuǎn)速一定時(shí),螺距越小混合物料回流速度越快,因此設(shè)計(jì)P2段螺距大于P1段,使物料在P2段充分翻轉(zhuǎn),促進(jìn)質(zhì)量較輕的地膜向高速風(fēng)區(qū)流動(dòng),增強(qiáng)分離效果;尺寸較小的棉稈多次翻轉(zhuǎn)后被P2段螺旋升角推力運(yùn)送至P1區(qū),在P1段螺旋葉片作用下加快棉稈回流,使其排出。

為滿(mǎn)足上述運(yùn)行條件,根據(jù)物料落點(diǎn)設(shè)計(jì)P1=P2=1 875 mm,P1段螺距等于篩筒直徑(D=1 250 mm)(1.5圈);設(shè)計(jì)P2段螺距為2D=2 500 mm(0.75圈)。

4.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

膜雜混合物為團(tuán)聚狀混合物,氣流單相進(jìn)入篩筒沖擊物料,使得物料各組分間出現(xiàn)一定分散,但在棉稈非迎風(fēng)位置會(huì)出現(xiàn)膜稈混合,使地膜產(chǎn)生沉降。為減小篩筒阻塞,提高分離率,增強(qiáng)可控性,機(jī)具使用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng);2個(gè)電機(jī)分別控制風(fēng)機(jī)和篩筒運(yùn)轉(zhuǎn),達(dá)到控制氣體流速和篩筒轉(zhuǎn)速的目的。

整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖9所示。在整機(jī)工作過(guò)程中,電機(jī)通電后逐步加速至穩(wěn)定值,其風(fēng)機(jī)逐步向滾筒中心輸入氣流,安裝于機(jī)架一側(cè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn),并帶動(dòng)篩筒運(yùn)轉(zhuǎn)。

1:風(fēng)機(jī);2:導(dǎo)流管;3:電機(jī);4:小齒輪;5:齒圈;6:篩筒。圖9 傳動(dòng)系統(tǒng)展開(kāi)示意Fig.9 Expanded view of transmission system

由設(shè)計(jì)需求計(jì)算可得,篩筒轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍為30～50 r/min,在此轉(zhuǎn)速條件下混合物單元體將處于滾落運(yùn)動(dòng)狀態(tài),此時(shí)篩筒運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力消耗小,選用Y132M-4型號(hào)電機(jī)(額定功率7.5 kW,額定轉(zhuǎn)速1 440 r/min)作為篩筒動(dòng)力源,綜合滾筒直徑,設(shè)計(jì)齒圈504齒,小齒輪18齒,經(jīng)變頻器降速后篩筒可達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速。

5 膜雜分離裝置內(nèi)氣流場(chǎng)仿真分析

氣流進(jìn)入流體域會(huì)產(chǎn)生分散和速度衰減,分離裝置內(nèi)氣流速度變化直接影響分離效果,采用Fluent(流體仿真軟件)進(jìn)行流體域數(shù)值模擬,觀測(cè)不同進(jìn)風(fēng)速度和氣流角度對(duì)膜雜分離效果的影響,確定風(fēng)速和進(jìn)風(fēng)角度的最佳參數(shù)值。

5.1 不同風(fēng)速條件下的氣流場(chǎng)仿真分析

氣流進(jìn)入流體域作用于膜雜混合物,其中迎風(fēng)面積小的重物(棉稈和土壤顆粒)沉降明顯,迎風(fēng)面積大的輕質(zhì)物料(殘膜)受氣流作用明顯。由物料的懸浮速度可知,各組分懸浮速度差異較大,分離裝置內(nèi)的氣流場(chǎng)變化直接影響分離效果,而氣流進(jìn)入流體域會(huì)分散,同時(shí)速度衰減[19],依據(jù)各組分懸浮速度測(cè)定值,保證出膜口風(fēng)速大于5.0 m/s,初設(shè)進(jìn)口風(fēng)速為6.0～10.0 m/s,以6.0 m/s、8.0 m/s和10.0 m/s為氣流入射條件,觀測(cè)氣流速度及梯度變化以確定合適的進(jìn)風(fēng)速度。

由Fluent分析可知,不同風(fēng)速條件下氣流場(chǎng)內(nèi)部速度變化趨勢(shì)一致(圖10)。在右側(cè)出口與入口正對(duì)位置上下2處以及篩筒中心添加觀測(cè)點(diǎn),在氣流速度為6.0 m/s時(shí),觀測(cè)點(diǎn)速度為2.2 m/s、3.4 m/s,出口速度峰值為5.3 m/s;在氣流速度為8.0 m/s時(shí),右側(cè)出口與入口正對(duì)位置上下2點(diǎn)的速度分別為3.1 m/s、4.3 m/s,出口速度峰值為7.1 m/s;在氣流速度為10 m/s時(shí),右側(cè)出口與入口正對(duì)位置上下2點(diǎn)的速度分別為3.7 m/s、5.6 m/s,右側(cè)出口速度峰值為8.9 m/s。由此可得,當(dāng)入口氣流速度小于等于6.0 m/s時(shí)右側(cè)出口的區(qū)域氣流速度將小于殘膜懸浮速度,當(dāng)入口氣流速度大于等于10.0 m/s時(shí)右側(cè)出口局部氣流速度將大于棉稈懸浮速度,故入口氣流速度在8.0 m/s時(shí)篩筒氣流速度分布較優(yōu)。

a:風(fēng)速6.0 m/s ;b:風(fēng)速8.0 m/s;c:風(fēng)速10.0 m/s。圖10 不同流速下膜雜分離裝置流體域速度分布云圖Fig.10 Cloud diagram of velocity distribution in fluid domain at different velocities of waste film-impurity separation device

5.2 不同進(jìn)風(fēng)角度下的氣流場(chǎng)仿真分析

因氣流穿過(guò)整個(gè)裝置的過(guò)程中速度中心點(diǎn)向重力方向偏移,因此可通過(guò)改變?nèi)肟跉饬鞣较蛳龤饬骷拔锪铣两迪碌姆较蚱?。以斜向上的作用方向進(jìn)行氣流加載,以8.0 m/s為氣流入射速度,分析不同進(jìn)風(fēng)角度進(jìn)行膜雜分離的速度分布。

氣流作用下沿氣流方向的中心區(qū)運(yùn)動(dòng)距離最大,分離效果好。進(jìn)風(fēng)角度變化直接造成滾筒內(nèi)的氣流分布不均衡,為確定合適的進(jìn)風(fēng)角度,根據(jù)篩筒結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算其入射氣流速度和方向[16-17](圖11)。

L為篩筒長(zhǎng)度(mm);αx為流入口中心點(diǎn)至篩筒出口上端點(diǎn)連線與水平軸線的夾角(°);βx為氣流入口上端點(diǎn)至篩筒出口上端點(diǎn)連線與水平軸線的夾角(°);D為篩筒直徑(mm);D′為氣流進(jìn)口直徑(mm)。圖11 氣流入射角度示意Fig.11 Schematic diagram of airflow incidence angle

為確保殘膜漂移的同時(shí)不被掛于篩筒內(nèi)側(cè)螺旋片上,氣流束中心區(qū)域應(yīng)位于滾筒內(nèi)側(cè),以斜向上的方向流入時(shí)進(jìn)風(fēng)角度應(yīng)滿(mǎn)足如下幾何關(guān)系:

(7)

式中,αx為氣流入口中心點(diǎn)至篩筒出口上端點(diǎn)連線與水平軸線的夾角(°);βx為氣流入口上端點(diǎn)至篩筒出口上端點(diǎn)連線與水平軸線的夾角(°);D′為氣流進(jìn)口直徑(mm);D為篩筒直徑(mm);L為篩筒長(zhǎng)度(mm)。

將結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入式(7)可得αx=9.46°、βx=6.47°,在圖10b流速8.0 m/s的基礎(chǔ)上對(duì)進(jìn)風(fēng)角度為6.00°和10.00°的條件進(jìn)行氣流場(chǎng)模擬。

由圖12可知,篩筒內(nèi)多數(shù)區(qū)域仍然是藍(lán)色低速區(qū),在近壁面處氣流強(qiáng)度小,氣流在該區(qū)域分布均勻且影響不顯著。端面氣流出口的另一側(cè)氣流速度出現(xiàn)局部增長(zhǎng),主要由于氣流速度在直徑方向差異較大,氣流斜入將在沿篩筒軸線的對(duì)稱(chēng)區(qū)域出口處形成負(fù)壓,隨著氣流偏角的增大,該效應(yīng)增長(zhǎng)顯著。當(dāng)膜雜分離裝置進(jìn)風(fēng)角度為6.00°時(shí),氣流高速區(qū)貼近于篩筒壁上側(cè)區(qū)域,當(dāng)膜雜分離裝置進(jìn)風(fēng)角度為10.00°時(shí),氣流束中心在第二螺旋片內(nèi)側(cè)被遮擋,篩筒的極限速度有少量增加,此時(shí)氣流分散為2部分,一部分自出口直接流出,另一部分在螺旋片處發(fā)生反射,氣流在篩筒網(wǎng)孔流出并在外罩殼和篩筒空隙處產(chǎn)生紊流。通過(guò)角度模擬分析,得出結(jié)論:當(dāng)進(jìn)風(fēng)角度為10.00°時(shí),吹出的地膜易掛于滾筒內(nèi)壁,不利于排出,進(jìn)風(fēng)角度對(duì)膜雜分離效果影響較大,在實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將這一因素考慮在內(nèi)。

a:進(jìn)風(fēng)角度6.00°;b:進(jìn)風(fēng)角度10.00°。圖12 不同進(jìn)風(fēng)角度下膜雜分離裝置的速度分布Fig.12 Velocity distribution of waste film-impurity separation device under different air inlet angles

6 驗(yàn)證試驗(yàn)

2021年10月15日,在新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣進(jìn)行膜雜分離裝置場(chǎng)地試驗(yàn)(圖13),使用棉稈還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)對(duì)收獲后的棉花地進(jìn)行地膜回收,殘膜機(jī)將廢舊地膜連同部分棉稈、根茬、土壤的混合物裝箱,以裝箱的物料作為試驗(yàn)材料,試驗(yàn)前先將物料粉碎成段,隨后使用膜雜分離裝置進(jìn)行分選。試驗(yàn)設(shè)備:手持熱敏式風(fēng)速儀(風(fēng)速測(cè)量范圍:0～30 m/s,風(fēng)速測(cè)量誤差:±1%)、三量數(shù)顯傾斜角儀(傾斜角測(cè)量范圍:0～90.00°,產(chǎn)品精度:±0.20°,工作溫度:0～40.00 ℃)、電子秤(測(cè)量精度:10 g)、UT372高精度非接觸式轉(zhuǎn)速儀(測(cè)量范圍:0～99 999 r/min)。

圖13 膜雜分離裝置場(chǎng)地驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.13 Site validation test of waste film and impurity separation device

由前期臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)篩筒轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)膜稈混合物在離心力的作用下會(huì)被甩到滾筒壁上;流場(chǎng)模擬結(jié)果顯示,在滾筒壁處風(fēng)量衰減較快,且地膜接觸滾筒壁時(shí)還會(huì)發(fā)生掛壁現(xiàn)象,非常不利于膜稈分離,通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)篩筒轉(zhuǎn)速在30～50 r/min時(shí)膜稈混合物單元體處于滾落運(yùn)動(dòng)狀態(tài),有利于膜稈分離,因此分別選取篩筒轉(zhuǎn)速30 r/min、40 r/min和50 r/min,進(jìn)風(fēng)速度8.0 m/s,入風(fēng)角度6.00°作為試驗(yàn)條件進(jìn)行膜雜分離試驗(yàn),試驗(yàn)前啟動(dòng)機(jī)組,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量和篩筒轉(zhuǎn)速,測(cè)定膜中含雜率(Y1)和雜中含膜率(Y2),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 膜雜分離裝置場(chǎng)地試驗(yàn)結(jié)果

(8)

(9)

式中,Y1為膜中含雜率(%);Y2為雜中含膜率(%);M1為右側(cè)網(wǎng)箱試樣中的雜質(zhì)質(zhì)量(g);M2為分離后在右側(cè)網(wǎng)箱取樣質(zhì)量(g);M3為下出料區(qū)域膜片總質(zhì)量(g);M4為投入分離裝置的混合物總質(zhì)量(g);M5為右側(cè)網(wǎng)箱收集物總質(zhì)量(g)。

由表2可知,當(dāng)篩筒轉(zhuǎn)速分別為30 r/min、40 r/min和50 r/min,進(jìn)風(fēng)速度為8.0 m/s,入風(fēng)角度為6.00°時(shí),試驗(yàn)所得膜中含雜率和雜中含膜率相差不大,綜合考慮當(dāng)篩筒轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí),平均膜中含雜率為9.73%、平均雜中含膜率為0.261%,為最佳分離效果。

7 結(jié)論與討論

7.1 結(jié)論

對(duì)膜稈混合物料各組分懸浮速度的測(cè)量結(jié)果顯示,棉稈、地膜和土壤顆粒在空氣介質(zhì)中受力后的沉降規(guī)律存在差異,通過(guò)水平運(yùn)動(dòng)距離的差異可實(shí)現(xiàn)不同物料的分離。

根據(jù)混合物料各組分運(yùn)動(dòng)規(guī)律,結(jié)合前期臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了篩筒式廢舊地膜秸稈風(fēng)選裝置整機(jī)及關(guān)鍵部件。

采用Fluent進(jìn)行流體域數(shù)值模擬,觀測(cè)不同進(jìn)風(fēng)速度和氣流角度對(duì)膜雜分離效果的影響,最終確定了較優(yōu)進(jìn)風(fēng)速度為8 m/s、較優(yōu)進(jìn)風(fēng)角度為6.00°。

通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)確定了該裝置的最佳作業(yè)參數(shù),即篩筒轉(zhuǎn)速40 r/min、進(jìn)風(fēng)速度8 m/s、進(jìn)風(fēng)角度6.00°,此時(shí)膜中含雜率為9.73%,雜中含膜率為0.261%。

7.2 討論

本研究在借鑒塑料垃圾風(fēng)選技術(shù)的基礎(chǔ)上,開(kāi)展廢地膜、秸稈、泥土混合體在氣固兩相流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和分離機(jī)制的研究,內(nèi)容涉及空氣動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、農(nóng)業(yè)物料學(xué)、機(jī)械學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域,是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的新研究。

本研究采用風(fēng)力與機(jī)械作用相結(jié)合的方式,可有效分離廢膜與雜質(zhì),為后續(xù)廢膜和秸稈資源化利用提供技術(shù)基礎(chǔ),該研究成果可健全“白色污染”綜合治理產(chǎn)業(yè)鏈。

由于本設(shè)備只開(kāi)展了一輪樣機(jī)的試驗(yàn),設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)主要注重分離效果,而未將工作效率作為重要考核指標(biāo),通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)本設(shè)備工作效率僅為300 kg/h,作業(yè)效率遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足目前堆積如山的膜稈廢棄物的處理需求。后期計(jì)劃開(kāi)展多通道膜稈分離設(shè)備研究,以提高工作效率。