基于Fluent分析的棉田廢地膜秸稈分離裝置設計

石 鑫, 楊豫新, 牛長河, 王學農(nóng)

(新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所,新疆 烏魯木齊 830091)

地膜覆蓋技術在中國應用廣泛,統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2021年中國農(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80%。2020年新疆地膜使用量占全國總量的19.77%;2021年新疆地區(qū)地膜使用量占全國的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]。由于國內(nèi)使用的地膜厚度多為(0.008±0.003)mm,地膜抗拉強度低,經(jīng)過一個作業(yè)季,地膜已經(jīng)嚴重老化、斷裂,機械回收后的廢地膜與棉秸稈及根茬混合纏繞、“打結”,造成回收后的殘膜混合物90%無法再利用,而是隨意堆放、掩埋或焚燒,不但對環(huán)境造成二次污染(圖1),而且造成了資源的浪費。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,另一方面中國每年還需從國外進口廢舊塑料2.0×106t以上,用來加工塑料顆粒。在此背景下,2021年7月中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布《關于印發(fā)“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的通知》中提到,要加強廢舊農(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的研發(fā)與應用對徹底解決農(nóng)田殘膜污染、實現(xiàn)資源化再利用和減少經(jīng)濟損失具有重要意義[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

文獻檢索結果顯示近年來國內(nèi)學者對相關領域如塑料垃圾混合物的分離進行了研究[5]。劉紅等[6]針對廢舊塑料薄膜的特性,對氣流場中的塑料顆粒進行受力分析,得到了塑料混合物的運動規(guī)律,建立了塑料顆粒在氣流場中的運動方程,確定了塑料混合物分選的最佳風速和最佳氣流傾角。宋楠等[7]設計了一種輕質廢舊塑料無水清潔裝置,以廉價砂石和空氣作為清洗介質,在不產(chǎn)生二次污染的前提下對廢舊塑料膜進行無水清洗。石文天等[8]針對城市生活垃圾風選進行了研究,將垃圾簡化為球形顆粒模型,根據(jù)垃圾的不同密度將其分成重、中和輕三大類。劉霞等[9]采用旋風法對不同密度的廢舊塑料薄膜進行了分選研究,廢塑料顆粒由于密度各異,所受重力及在旋風分離器中離心力不同,將會產(chǎn)生不同的運動軌跡,從而達到分離的效果。

國外為防止地膜污染,推廣使用的都是超厚、高強度、耐老化地膜,地膜厚度一般在0.12 mm 以上,經(jīng)過1個作業(yè)季節(jié),回收時地膜強度和韌性都較好,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,因此國外沒有膜稈分離的相關研究。近年來國內(nèi)一些學者開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)機上設置了振動風篩式土膜分離裝置,分析了分離室內(nèi)氣流場速度分布規(guī)律及變化原因。靳偉等[12]通過理論計算法、仿真分析法和臺架試驗測定法分別測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的懸浮分離過程。

由于國內(nèi)在廢地膜與棉稈混合物分離領域開展研究的時間較短,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,此領域的研究方法可借鑒塑料垃圾混合物的分離技術,但又不盡相同。為此,本研究針對膜稈混合物進行分析研究,借鑒風選原理,提出“風選+機械篩選”分離方法,設計篩筒式廢地膜與雜質風選裝置[13-14],通過對篩筒內(nèi)流場進行仿真模擬分析,確定地膜和雜質分離的最佳進風速和入風角度,研究成果可為提升膜雜分離效果提供數(shù)據(jù)參考,有利于加快推進廢地膜資源化再利用進程和解決環(huán)境污染問題。

1 膜雜混合物成分測定

對機收后的膜雜混合物進行成分解析測定,為制定分離方案提供原始依據(jù),通過對膜雜混合物進行分撿,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,對樣品進行分撿、稱質量與測量并完成統(tǒng)計,結果見表1。經(jīng)統(tǒng)計分析可知,膜雜混合物中殘膜碎片占16.1%,形狀主要為長條狀;棉花棉稈等雜質占37.3%,主要為長條稈狀;土壤顆粒等占46.5%,形狀主要為顆粒或塊狀。

表1 膜雜混合物物料組成統(tǒng)計

2 膜雜混合物懸浮速度的測定

由于廢地膜、作物棉稈、土壤的懸浮速度有較大差異,因此在流場模擬分析及裝置設計時,首選要對物料的懸浮速度進行測定。當氣流對物料的下降阻力(FZ)與物料重力(G)相等時,物料處于相對靜止狀態(tài),此時氣流的速度即為該物料的懸浮速度[15-16]。為測定物料懸浮速度,設計了一種可調(diào)風量、風速的懸浮速度試驗臺,該試驗裝置由變頻調(diào)速器、風機、風力輸送管、穩(wěn)流筒、風速傳感器、篩片、透明觀察管等部件組成(圖2)。

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

由于廢地膜纏繞于棉稈上很難分離,設備實際工作時,先將膜稈混合物料經(jīng)雙軸剪切式破碎機剪切成4～6 cm的小段,長條狀地膜破碎成塊狀;隨機選擇10片廢地膜碎片、10段棉稈和部分土壤顆粒分別測定懸浮速度(圖3)。為保證廢地膜懸浮速度與實際作業(yè)相近,廢地膜未進行清洗,將待測定物料放置于透明觀察管內(nèi),隨后通過變頻器調(diào)節(jié)風機風速和風量,記錄試驗數(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量、迎風面積、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定Fig.3 Determination of suspension velocity of waste film and straw

試驗結果表明,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行氣力風選,風速范圍在廢膜與棉稈懸浮速度之間,即3.2～5.9 m/s時可以實現(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構設計及試驗的依據(jù)。

3 膜雜混合物運動學分析

由于膜雜混合物各成分懸浮速度不同,因此在同一風場作用下其運動規(guī)律也不同,通過膜雜分離通道試驗(圖4)對物料進行運動學分析[17]。

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

膜雜混合物料在氣流場中受重力和氣流共同作用,先通過進風口獲得向前運動的初速度,后做拋物線運動,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處,懸浮速度中等的棉稈被拋至試驗臺中段,而懸浮速度最大的砂土顆粒落至進風口最近處。

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土為風對砂土顆粒的推送力(N);F稈為風對棉稈的推送力(N);F膜為風對廢地膜的推送力(N);α為氣流傾角(°)。圖5 膜雜混合物料在風選試驗臺中的受力及運動分析Fig.5 Force and motion analysis of film-impurity mixture in air separation test bed

分析運動模型,根據(jù)牛頓第二定律,得出物料的水平和豎直運動方程,即:

(1)

(2)

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

4 膜雜分離裝置的設計

篩筒式膜雜分離裝置主要由旋轉篩筒、風機、機架、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等組成,如圖6所示,旋轉篩筒通過托輪支撐于機架上,工作時繞其軸線旋轉,篩筒壁面開設均勻等距圓形小孔,內(nèi)壁上設置螺旋葉片,進風口位于篩筒前端,與風機相連,進料斗位于風管出風口上,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)土出口位于機架底部。

1:風機;2:風管;3:動力系統(tǒng);4:料斗;5:機架;6:罩殼;7:旋轉篩筒。圖6 膜雜分離裝置結構Fig.6 Structure of waste film-impurity separation device

工作時膜稈混合物料由進料口進入篩筒,風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進行沉降,其中砂土等細小雜質穿過篩孔漏下,較長的棉稈、根茬等被阻攔于滾筒內(nèi)壁并由內(nèi)側布置的螺旋葉片逆推回流至入料口正下方排出,地膜通過風機產(chǎn)生的氣流吹出滾筒,實現(xiàn)3種混合物料從3個通道分離。

4.1 旋轉篩筒結構設計

機架上設置2組托輪,用于支撐旋轉篩筒,篩筒外焊接齒圈,通過電機帶動齒輪傳動,實現(xiàn)篩筒轉動,結構見圖7。

圖7 旋轉篩筒的結構Fig.7 Structure of riddle drum

為確定篩筒長度,進行風場通道預試驗,發(fā)現(xiàn)棉稈落點集中在距離入口2～3 m處,地膜落點集中在距離入口4～5 m處,經(jīng)初步粉碎后棉稈長度為40～60 mm,故篩筒長度取3～5 m,內(nèi)螺旋片高度大于60 mm。

篩筒設計中的幾何參數(shù)包括篩筒長度、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,故篩孔直徑設為40 mm,篩孔采用直行陣列式,孔邊距設為45 mm。

根據(jù)經(jīng)驗公式,篩筒直徑和長度計算公式為:

(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,測試值為0.2～0.3 t/m3;n為滾筒轉速(r/min);α0為篩筒的傾斜角度(°);L為篩筒長度(mm):K為篩筒長度與直徑的比值,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。混合物在滾筒中心風速高,物料迎風吹散后高速風區(qū)半徑增大,故增大篩筒直徑并取整為1 250 mm,則篩筒長度為3 750 mm。

4.2 螺旋葉片的設計與尺寸確定

膜稈混合物料組分復雜,柔性地膜夾雜棉稈易形成團狀物,整體流動性較差,其在篩筒內(nèi)的運動模式主要為滾落、拋落和圓周運動,在篩筒內(nèi)表面焊接導向螺旋,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,實現(xiàn)棉稈反向輸送。次段螺旋的主要作用是不斷翻轉提升混合物料,并輸送尺寸較小的秸稈,因此采用2種不同螺距的葉片進行拼接[18]?？拷肓蟼葹槌醵温菪?P1),靠近出口處為次段螺旋(P2),為達到較好的翻轉攪拌效果,次段螺旋采用雙頭螺旋片。

經(jīng)雙軸剪切式破碎機預處理后物料尺寸為40～60 mm,為減小篩筒中心氣流密集區(qū)影響,設計螺旋葉片高度為100 mm。棉稈在滾筒前端受迎面風作用將呈現(xiàn)斜拋運動狀態(tài),由前期試驗結果可知,棉稈落點位于入口2～3 m處,棉稈進入篩筒氣流場中后由于懸浮速度較大處于貼壁運動狀態(tài),物料受力情況如圖8所示。

P1為初段螺旋葉片長度(mm);P2為次段螺旋葉片長度(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為葉片對棉稈的摩擦力(N);F為螺旋葉片對物料的推力(N)。圖8 篩筒內(nèi)物料受力情況Fig.8 Stress diagram of materials in riddle drum

大顆粒棉稈要實現(xiàn)軸向運動需滿足:

(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計算可得,S<6 798 mm即可滿足棉稈回流條件。當篩筒轉速一定時,螺距越小混合物料回流速度越快,因此設計P2段螺距大于P1段,使物料在P2段充分翻轉,促進質量較輕的地膜向高速風區(qū)流動,增強分離效果;尺寸較小的棉稈多次翻轉后被P2段螺旋升角推力運送至P1區(qū),在P1段螺旋葉片作用下加快棉稈回流,使其排出。

為滿足上述運行條件,根據(jù)物料落點設計P1=P2=1 875 mm,P1段螺距等于篩筒直徑(D=1 250 mm)(1.5圈);設計P2段螺距為2D=2 500 mm(0.75圈)。

4.3 傳動系統(tǒng)的設計

膜雜混合物為團聚狀混合物,氣流單相進入篩筒沖擊物料,使得物料各組分間出現(xiàn)一定分散,但在棉稈非迎風位置會出現(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,增強可控性,機具使用雙電機驅動;2個電機分別控制風機和篩筒運轉,達到控制氣體流速和篩筒轉速的目的。

整機傳動系統(tǒng)如圖9所示。在整機工作過程中,電機通電后逐步加速至穩(wěn)定值,其風機逐步向滾筒中心輸入氣流,安裝于機架一側的電機驅動小齒輪旋轉,并帶動篩筒運轉。

1:風機;2:導流管;3:電機;4:小齒輪;5:齒圈;6:篩筒。圖9 傳動系統(tǒng)展開示意Fig.9 Expanded view of transmission system

由設計需求計算可得,篩筒轉速可調(diào)范圍為30～50 r/min,在此轉速條件下混合物單元體將處于滾落運動狀態(tài),此時篩筒運轉動力消耗小,選用Y132M-4型號電機(額定功率7.5 kW,額定轉速1 440 r/min)作為篩筒動力源,綜合滾筒直徑,設計齒圈504齒,小齒輪18齒,經(jīng)變頻器降速后篩筒可達到預定轉速。

5 膜雜分離裝置內(nèi)氣流場仿真分析

氣流進入流體域會產(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)進行流體域數(shù)值模擬,觀測不同進風速度和氣流角度對膜雜分離效果的影響,確定風速和進風角度的最佳參數(shù)值。

5.1 不同風速條件下的氣流場仿真分析

氣流進入流體域作用于膜雜混合物,其中迎風面積小的重物(棉稈和土壤顆粒)沉降明顯,迎風面積大的輕質物料(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)的氣流場變化直接影響分離效果,而氣流進入流體域會分散,同時速度衰減[19],依據(jù)各組分懸浮速度測定值,保證出膜口風速大于5.0 m/s,初設進口風速為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,觀測氣流速度及梯度變化以確定合適的進風速度。

由Fluent分析可知,不同風速條件下氣流場內(nèi)部速度變化趨勢一致(圖10)。在右側出口與入口正對位置上下2處以及篩筒中心添加觀測點,在氣流速度為6.0 m/s時,觀測點速度為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,右側出口與入口正對位置上下2點的速度分別為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,右側出口與入口正對位置上下2點的速度分別為3.7 m/s、5.6 m/s,右側出口速度峰值為8.9 m/s。由此可得,當入口氣流速度小于等于6.0 m/s時右側出口的區(qū)域氣流速度將小于殘膜懸浮速度,當入口氣流速度大于等于10.0 m/s時右側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時篩筒氣流速度分布較優(yōu)。

a:風速6.0 m/s ;b:風速8.0 m/s;c:風速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 不同進風角度下的氣流場仿真分析

因氣流穿過整個裝置的過程中速度中心點向重力方向偏移,因此可通過改變?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行氣流加載,以8.0 m/s為氣流入射速度,分析不同進風角度進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)運動距離最大,分離效果好。進風角度變化直接造成滾筒內(nèi)的氣流分布不均衡,為確定合適的進風角度,根據(jù)篩筒結構參數(shù)計算其入射氣流速度和方向[16-17](圖11)。

L為篩筒長度(mm);αx為流入口中心點至篩筒出口上端點連線與水平軸線的夾角(°);βx為氣流入口上端點至篩筒出口上端點連線與水平軸線的夾角(°);D為篩筒直徑(mm);D′為氣流進口直徑(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不被掛于篩筒內(nèi)側螺旋片上,氣流束中心區(qū)域應位于滾筒內(nèi)側,以斜向上的方向流入時進風角度應滿足如下幾何關系:

(7)

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

將結構參數(shù)帶入式(7)可得αx=9.46°、βx=6.47°,在圖10b流速8.0 m/s的基礎上對進風角度為6.00°和10.00°的條件進行氣流場模擬。

由圖12可知,篩筒內(nèi)多數(shù)區(qū)域仍然是藍色低速區(qū),在近壁面處氣流強度小,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氣流速度出現(xiàn)局部增長,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稱區(qū)域出口處形成負壓,隨著氣流偏角的增大,該效應增長顯著。當膜雜分離裝置進風角度為6.00°時,氣流高速區(qū)貼近于篩筒壁上側區(qū)域,當膜雜分離裝置進風角度為10.00°時,氣流束中心在第二螺旋片內(nèi)側被遮擋,篩筒的極限速度有少量增加,此時氣流分散為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。通過角度模擬分析,得出結論:當進風角度為10.00°時,吹出的地膜易掛于滾筒內(nèi)壁,不利于排出,進風角度對膜雜分離效果影響較大,在實際生產(chǎn)試驗時應將這一因素考慮在內(nèi)。

a:進風角度6.00°;b:進風角度10.00°。圖12 不同進風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 驗證試驗

2021年10月15日,在新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣進行膜雜分離裝置場地試驗(圖13),使用棉稈還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機對收獲后的棉花地進行地膜回收,殘膜機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材料,試驗前先將物料粉碎成段,隨后使用膜雜分離裝置進行分選。試驗設備:手持熱敏式風速儀(風速測量范圍:0～30 m/s,風速測量誤差:±1%)、三量數(shù)顯傾斜角儀(傾斜角測量范圍:0～90.00°,產(chǎn)品精度:±0.20°,工作溫度:0～40.00 ℃)、電子秤(測量精度:10 g)、UT372高精度非接觸式轉速儀(測量范圍:0～99 999 r/min)。

圖13 膜雜分離裝置場地驗證試驗Fig.13 Site validation test of waste film and impurity separation device

由前期臺架試驗結果可知,當篩筒轉速過高時膜稈混合物在離心力的作用下會被甩到滾筒壁上;流場模擬結果顯示,在滾筒壁處風量衰減較快,且地膜接觸滾筒壁時還會發(fā)生掛壁現(xiàn)象,非常不利于膜稈分離,通過多次試驗發(fā)現(xiàn)當篩筒轉速在30～50 r/min時膜稈混合物單元體處于滾落運動狀態(tài),有利于膜稈分離,因此分別選取篩筒轉速30 r/min、40 r/min和50 r/min,進風速度8.0 m/s,入風角度6.00°作為試驗條件進行膜雜分離試驗,試驗前啟動機組,調(diào)節(jié)風機風量和篩筒轉速,測定膜中含雜率(Y1)和雜中含膜率(Y2),試驗結果見表2。

表2 膜雜分離裝置場地試驗結果

(8)

(9)

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

由表2可知,當篩筒轉速分別為30 r/min、40 r/min和50 r/min,進風速度為8.0 m/s,入風角度為6.00°時,試驗所得膜中含雜率和雜中含膜率相差不大,綜合考慮當篩筒轉速為40 r/min時,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 結論與討論

7.1 結論

對膜稈混合物料各組分懸浮速度的測量結果顯示,棉稈、地膜和土壤顆粒在空氣介質中受力后的沉降規(guī)律存在差異,通過水平運動距離的差異可實現(xiàn)不同物料的分離。

根據(jù)混合物料各組分運動規(guī)律,結合前期臺架試驗數(shù)據(jù)基礎,設計了篩筒式廢舊地膜秸稈風選裝置整機及關鍵部件。

采用Fluent進行流體域數(shù)值模擬,觀測不同進風速度和氣流角度對膜雜分離效果的影響,最終確定了較優(yōu)進風速度為8 m/s、較優(yōu)進風角度為6.00°。

通過驗證試驗確定了該裝置的最佳作業(yè)參數(shù),即篩筒轉速40 r/min、進風速度8 m/s、進風角度6.00°,此時膜中含雜率為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選技術的基礎上,開展廢地膜、秸稈、泥土混合體在氣固兩相流場中的運動規(guī)律和分離機制的研究,內(nèi)容涉及空氣動力學、運動學、農(nóng)業(yè)物料學、機械學等多學科領域,是一項多學科交叉的新研究。

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

由于本設備只開展了一輪樣機的試驗,設計試驗時主要注重分離效果,而未將工作效率作為重要考核指標,通過試驗發(fā)現(xiàn)本設備工作效率僅為300 kg/h,作業(yè)效率遠不能滿足目前堆積如山的膜稈廢棄物的處理需求。后期計劃開展多通道膜稈分離設備研究,以提高工作效率。