機收殘膜混合物水洗清選裝置的研究與試驗

李俊虹，羅 昕，胡 斌，王 蒙，姚強強

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

機械化回收是治理殘膜污染的重要途徑[1]，回收的殘膜破損嚴重、含雜率較高，殘膜和棉稈等雜質打結(殘膜與棉稈棉核等雜物纏繞在一起稱為打結)嚴重，目前處理機收殘膜的方式主要是填埋法和焚燒法，造成土地和環境的二次污染，沒有從根本上解決白色污染和資源浪費問題，制約了農業可持續發展[2]。只有將殘膜回收并分解進行再生處理和循環利用才是現代農業發展的方向，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中分離出來是實現再利用需要解決的核心問題。傳統的物料分離方法如風選法[4]、振動法[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，人工分揀清洗方式勞動強度大、工作效率低，都無法大面積推廣作業。

針對以上問題，本文利用片狀柔性殘膜和桿狀木質棉稈在水中不同的懸浮特性，根據水洗清選機理提出一種機收殘膜混合物水洗清選裝置，并設計單因素試驗探究了影響殘膜分離效果的殘膜使用時長、破碎尺寸、水壓、噴頭角度等因素的顯著性，采用Box-Benhken試驗法[8]建立了以殘膜分離率為響應值的回歸模型，通過尋優找到最佳因素組合，為殘膜清選機械的進一步研究提供理論依據。

1 水洗清選裝置結構及工作原理

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

進行清選試驗時，將分離箱里注滿水，給水泵通電，從進料口均勻投入破碎處理后的物料，使其進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發生變化，殘膜多由平鋪在水面上變為豎直姿態沉入水中，而棉稈為圓柱形木質結構，浮力較大，依舊處于水面上部，夾雜的泥沙通過柵孔沉到分離箱底部，最后從排污管道排出。殘膜和棉稈到達分離箱末端時，由斜板隔開，分別通過側壁孔和集桿板進入收集箱的不同層，集膜和集稈過程中帶出的水通過柵孔進入水箱，并通過循環管道由水泵送至噴水管，實現水的循環。水洗清選裝置的主要參數指標如表1所示。

1.進料口 2.水位傳感器 3.分離箱 4.噴頭 5.噴水管 6.排污管 7.補水管 8.水泵 9.排污閥 10.循環管道 11.水箱 12.收集箱 13.集桿板

項目單位參數整機尺寸(長×寬×高)mm2000×400×500噴水管尺寸(長×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設計

2.1 試驗材料及主要儀器

本次試驗采用的地膜厚度為0.010mm，使用時長分別為3、6、9、12個月和新膜，取殘膜回收聯合作業機回收后的殘膜混合物備用。

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

2.2 試驗指標

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

(1)

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

2.3 試驗因素

分析清選裝置結構和機理及前期探索試驗發現，影響清選效果的因素主要有殘膜使用時長、物料破碎尺寸、水壓和噴頭角度。

2.4 水洗分離單因素試驗

從機收殘膜混合物中隨機抽取一定量的物料，破碎處理后，在水洗清選裝置中對每個因素分別進行單因素試驗，測定殘膜的分離率，每組試驗重復6次，取6次試驗的有效平均值作為試驗結果。試驗過程中，保持其他因素處于相同條件，探討各因素對機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

為了探究殘膜分離率與顯著性因素之間的關系并尋求各因素的最優組合，根據響應面分析法的Box-Behnken試驗原理，設計了以殘膜分離率為響應值的3因素3水平試驗，其因素水平編碼如表2所示。采用Design-Expert軟件處理試驗數據，分析各因素及其交互作用的顯著性，建立回歸模型，并用其尋優功能找出最佳因素組合。

表2 BBD試驗因素水平

3 試驗結果與分析

3.1 單因素試驗

3.1.1 殘膜使用時長

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長進行分離試驗，測定殘膜分離率。使用Origin8.0軟件對試驗數據進行二次多項式回歸處理。圖2為殘膜使用時長與殘膜分離率之間的擬合曲線。試驗表明：新膜和使用3個月的舊膜較為完整，水流沖擊力難以使膜與棉稈產生明顯分層，分離率相對較低；使用時間超過6個月，殘膜和棉稈在沖擊力的作用下分層效果沒有明顯區別，殘膜分離率趨于水平。

圖2 殘膜使用時長與殘膜分離率關系曲線

對試驗數據進行方差分析表明：殘膜使用時長對分離率影響不顯著，即殘膜使用時長是影響殘膜分離效果的不顯著因素。

3.1.2 物料破碎尺寸

殘膜使用時長為9個月，水壓為0.15MPa，噴頭角度為80°，固定殘膜寬度為45mm，對破碎長度不同的物料進行分離試驗，測定殘膜分離率。使用Origin8.0軟件對試驗數據進行二次多項式回歸處理。圖3為物料破碎尺寸與殘膜分離率之間的擬合曲線。試驗表明：當破碎長度小于50mm時，由于殘膜過小，在水流沖擊力作用下，難以改變殘膜姿態并在水中保持足夠的時間，殘膜分離率較低；當破碎長度大于125mm時，與棉稈纏繞嚴重，殘膜分離率明顯下降。

對試驗數據進行方差分析表明物料破碎尺寸對分離率影響顯著，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

殘膜使用時長為9個月，物料破碎尺寸為45mm×75mm，噴頭角度為80°，對不同的水壓進行分離試驗，測定殘膜分離率。使用Origin8.0軟件對試驗數據進行二次多項式回歸處理。圖4為水壓與殘膜分離率之間的曲線。試驗表明：殘膜分離效果隨著水壓的增大而增大，當水壓達到一定值時，分離效果急劇下降。

圖3 物料破碎尺寸與殘膜分離率的關系曲線

圖4 水壓與殘膜分離率的關系曲線

對試驗數據進行方差分析表明：水壓對分離率影響顯著，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

殘膜使用時長為9個月，物料破碎尺寸為45mm×75mm，水壓為0.15MPa，對不同的噴頭角度進行分離試驗，測定殘膜分離率。使用Origin8.0軟件對試驗數據進行二次多項式回歸處理。圖5為噴頭角度與殘膜分離率之間的曲線。試驗表明：隨著噴頭角度的增大，分離率增加，當噴頭角度大于80°時，分離率呈下降趨勢。

對試驗數據進行方差分析表明：噴頭角度對分離率影響顯著，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系曲線

3.2 殘膜水洗分離的響應面分析

為了探究顯著性因素與殘膜分離率之間的關系，采用響應面分析法建立模型，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值，分別用A、B、C、Y表示，用 Design-Expert軟件進行試驗方案設計，并根據試驗方案進行試驗，計算并記錄所得分離率的數值，試驗方案及結果如表3所示。

表3 試驗方案及結果

Table 3 Test design and results

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

續表3

3.2.1 殘膜分離率模型的建立及顯著性檢驗

使用Design-Expert軟件對表3中的數據進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；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個顯著性因素中，物料破碎尺寸影響強度最大，噴頭角度次之，水壓最弱；另外，AB、BC及A2、B2、C2均顯著，說明殘膜分離率Y與3個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F=54.18，由F分布臨界表查出F(9,7)=3.68，模型回歸方程達到了高度顯著。另外，失擬性檢驗F=1.36

3.2.2 最優參數的確定

殘膜分離率是檢驗水洗殘膜分離裝置效果的重要指標，在試驗范圍內，分離率越大效果越佳。用Design -Expert對試驗結果進行優化，當物料破碎尺寸為45mm×75.25mm、水壓為0.19MPa、噴頭角度為74.39°時，殘膜分離率Y值達到最大，為77.008 2%，此時為模型3個因素的最優條件。

3.2.3 最優參數試驗驗證

按照所得的最優條件進行試驗以驗證最優參數的可行性，試驗進行6次，單次殘膜分離率按式(1)計算，最終殘膜分離率取6次試驗的平均值，所得結果為75.8%，與優化結果的相對誤差為1.7%，驗證了最優參數的正確性以及模型的可行性。

4 結論

1)為了解決殘膜混合物分離問題，提出了一種水洗清選方案，對清選裝置機理進行了分析，并進行了簡單試驗加以探究，確定了清選方案的可行性。

2)借助origin8.0軟件通過單因素試驗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，殘膜使用時長為不顯著因素。

3)借助Design-Expert軟件對3個顯著因素進行了響應面分析，并通過對響應值殘膜分離率進行尋優，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°。