數(shù)字顯微全息在線測量脫硫煙氣霧滴粒徑及濃度

翁建明，金 軍，林志明，沈 利，王志剛，吳迎春，吳學(xué)成，施鵬飛

(1．浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江嘉興 314201；2．浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027；3．浙江浙能電力股份有限公司，杭州 310007)

國內(nèi)大多數(shù)燃煤電廠采用石灰石石膏濕法脫硫技術(shù)進行煙氣脫硫(FGD)，這種脫硫方法具有高效的脫硫能力。鑒于濕法脫硫的技術(shù)特點，煙氣經(jīng)過脫硫塔后會攜帶大量的液滴。當(dāng)煙氣排放到大氣之后，液滴中所含的鹽類物質(zhì)和粉塵會逐漸析出并形成固體顆粒物，對環(huán)境造成污染。除霧器能基本脫除粒徑大于15 μm的霧滴[1-3]，是脫硫系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。隨著脫硫系統(tǒng)運行時間的延長，除霧器對霧滴的脫除效率可能會大幅下降，煙氣中的液滴無法被有效脫除，進而會造成除霧器結(jié)垢、煙道腐蝕和煙氣阻力增大等問題。

除霧器后方煙氣霧滴質(zhì)量濃度的測量以離線取樣測量方法為主。其中，Mg2+標定法[4-5]需要對煙氣進行長時間的采樣積累，再移送實驗室進行標定分析，流程復(fù)雜費時，不具備實時監(jiān)測能力。荷電低壓顆粒物撞擊法[6]雖然可以實時得到顆粒物數(shù)目和粒徑分布，但該方法是將顆粒的介電常數(shù)和密度等參數(shù)設(shè)為固定值，存在一定的測量誤差。光學(xué)測量技術(shù)具有無接觸和響應(yīng)快等優(yōu)點，其中光脈動法[7-8]和光散射法[9-10]均在顆粒在線測量方面得到應(yīng)用。

全息測量技術(shù)是一種三維干涉成像技術(shù)，該技術(shù)可以測量顆粒的三維位置、二維形貌和細度等參數(shù)[11-13]。數(shù)字顯微全息(DMH)測量技術(shù)是一種具有放大成像能力的全息測量技術(shù)，通常采用具有一定放大倍率的物鏡來接受信號光，其成像過程可以描述為帶透鏡的全息成像。數(shù)字顯微全息測量技術(shù)常被用于邊界層測量、微流體運動和活體細胞成像與追蹤[14-15]。

筆者考察了DMH測量技術(shù)在霧滴測量方面的可行性。首先，搭建了DMH測量系統(tǒng)，利用標準顆?？疾炱錅y量準確性。其次，利用DMH測量系統(tǒng)對超聲霧化液滴場進行了測量，對不同霧化量下液滴粒徑分布、液滴數(shù)濃度和液滴質(zhì)量濃度進行了分析。

1 實驗系統(tǒng)

圖1為DMH測量系統(tǒng)圖。激光器產(chǎn)生的單色激光首先經(jīng)過空間濾波器進行濾波，濾波后的發(fā)散光束經(jīng)過平凸透鏡，變成一束平行光并照射測量區(qū)域中的顆粒。顆粒的散射光信號和直接透射測量區(qū)域的參考光被顯微物鏡所接收，并記錄在相機中。在本實驗中，激光的波長為532 nm；相機的分辨率為1 620×1 220，像元尺寸為4.4 μm×4.4 μm，曝光時間為10 μs，拍攝幀率為25幀；顯微物鏡的放大倍率為10倍；加裝顯微物鏡后，通過標定得到相機的等效像素尺寸約為0.37 μm。將全息重建圖像中顆粒所在區(qū)域面積所對應(yīng)的等效面積圓的直徑視為顆粒粒徑。

利用激光多普勒測速儀(PDA)對霧滴進行測量，將PDA與DMH測量系統(tǒng)的測量結(jié)果進行對比。PDA測量顆粒粒徑的范圍為0.5～1 500 μm，采用波長為532 nm、功率為100 mW的激光器。如圖1所示，將PDA的激光發(fā)射單元與信號接收單元呈一定角度布置在霧化液滴場側(cè)面。

(a)DMH測量系統(tǒng)示意圖

采用超聲霧化器產(chǎn)生霧滴，超聲霧化器的霧化體積流量不低于3 mL/min。采用去離子水作為霧化液體，霧滴的平均粒徑d為：

(1)

式中：γ為霧化液體的表面張力系數(shù)；ρ為霧化液體的密度；F為振蕩頻率。

通過上述公式可以得到實驗中超聲霧化液滴的平均粒徑約為2.9 μm。通常來講，微米級的霧滴能保持近乎完美的球形，在體積和質(zhì)量統(tǒng)計中可直接將其視為規(guī)整的球體。本實驗首先利用搭建的DMH測量系統(tǒng)對標準的近單分散的聚苯乙烯顆粒進行測量，以此來驗證DMH測量系統(tǒng)測量的準確性。采用去離子水稀釋平均粒徑為2.9 μm的聚苯乙烯顆粒，并用上述實驗設(shè)備對聚苯乙烯進行測量。結(jié)果表明，所測得的聚苯乙烯顆粒平均粒徑為3.03 μm，其測量誤差為4.5%，說明本實驗系統(tǒng)具有較高的準確度。

2 結(jié)果分析

利用相機進行連續(xù)記錄，對每種工況下的265張全息圖像進行統(tǒng)計，進而統(tǒng)計顆粒粒徑分布以及質(zhì)量濃度分布。同時，在本實驗中同步采用PDA進行了測量，并將其與DMH測量系統(tǒng)的測量結(jié)果進行比較。

2.1 粒徑分布

圖2給出了不同霧化量下DMH測量系統(tǒng)和PDA測得的霧滴平均粒徑。由圖2可知，與DMH測量系統(tǒng)相比，PDA的測量結(jié)果明顯更大，在10%、30%和50%的霧化量下兩者測量結(jié)果的誤差分別為24.6%、18%和18.2%。此誤差可能來源于PDA信號的誤差，由于霧滴質(zhì)量濃度較高，會對PDA信號發(fā)生散射或者吸收，因此PDA信號在傳播到探測器的過程中被測量區(qū)域的霧滴干擾，測量結(jié)果有所偏差。隨著霧化量的增大，DMH測量系統(tǒng)和PDA測得的霧滴平均粒徑均有所增大。這可能是由于霧滴質(zhì)量濃度增大后，顆粒之間相互團聚的概率提高。

圖2 不同霧化量下DMH測量系統(tǒng)和PDA測得的霧滴平均粒徑Fig.2 Average droplet size measured by DMH measurement system and PDA at different atomization quantities

圖3給出了不同霧化量下DMH測量系統(tǒng)測得的霧滴粒徑的概率分布。從圖3可以看出，霧滴的粒徑范圍為0～5 μm，在10%、30%和50%的霧化量下其概率峰值所對應(yīng)的粒徑分別為2.49 μm、2.58 μm和2.56 μm，數(shù)值基本一致，但測量結(jié)果明顯小于上文所預(yù)測的霧滴平均粒徑(2.9 μm)，這可能是由霧滴蒸發(fā)帶來的誤差。

(a)霧化量為10%

2.2 數(shù)濃度

圖4給出了不同霧化量下DMH測量系統(tǒng)和PDA測得的霧滴平均數(shù)濃度。隨著霧化量的增大，PDA和DMH測量系統(tǒng)測得的霧滴平均數(shù)濃度均呈指數(shù)增大；與PDA相比，DMH測量系統(tǒng)測得的霧滴平均數(shù)濃度更大。由于PDA是一種單點測量技術(shù)，能夠覆蓋的測量區(qū)域有限，當(dāng)多個顆粒位于測量區(qū)域時，PDA僅能記錄部分信號，其他信號會被剔除，因此其測得的霧滴平均數(shù)濃度可能偏小。從PDA的測量結(jié)果來看，在10%、30%和50%的霧化量下霧滴平均數(shù)濃度分別為16個/mm3、83個/mm3和598個/mm3。

圖4 不同霧化量下DMH測量系統(tǒng)和PDA測得的霧滴平均數(shù)濃度Fig.4 Average droplet number concentration measured by DMH measurement system and PDA at different atomization quantities

圖5給出了不同霧化量下DMH測量系統(tǒng)測得的霧滴數(shù)濃度的概率分布。從圖5可以看出，在10%、30%和50%的霧化量下霧滴數(shù)濃度的概率均為單峰分布，概率峰值所對應(yīng)的霧滴數(shù)濃度分別為38個/mm3、182個/mm3和1 100個/mm3。隨著霧化量的增大，霧滴數(shù)濃度的概率分布曲線逐漸呈正態(tài)分布，且霧化量越大，概率峰值所對應(yīng)的霧滴數(shù)濃度越趨近平均數(shù)濃度。在50%的霧化量下，霧滴平均數(shù)濃度(1 116個/mm3)與概率峰值所對應(yīng)的霧滴數(shù)濃度(1 100個/mm3)基本一致。

2.3 質(zhì)量濃度

對于本實驗而言，測量區(qū)域的尺寸大致為599.4 μm×451.4 μm×486 μm，霧滴被視為球體，其密度為1 000 kg/m3。在10%、30%和50%的霧化量下，DMH測量系統(tǒng)測得的霧滴平均質(zhì)量濃度分別為279.3 mg/m3、1 314 mg/m3和8 314.1 mg/m3。

圖6給出了不同霧化量下DMH測量系統(tǒng)測得的霧滴質(zhì)量濃度的概率分布。由圖6可知，在10%、30%和50%的霧化量下霧滴質(zhì)量濃度的概率均為單峰分布，概率峰值對應(yīng)的質(zhì)量濃度分別為194 mg/m3、1 162.6 mg/m3和8 314.1 mg/m3。隨著霧化量的增大，霧滴質(zhì)量濃度的概率分布曲線逐漸呈正態(tài)分布，且概率峰值所對應(yīng)的霧滴質(zhì)量濃度趨近平均質(zhì)量濃度，特別是霧化量為50%時兩者相等。

(a)霧化量為10%

(a)霧化量為10%

3 結(jié) 論

(1)隨著霧化量的增大，DMH測量系統(tǒng)測得的霧滴平均粒徑也增大。這可能是因為霧滴質(zhì)量濃度增大后，顆粒之間相互團聚的概率提高。

(2)在10%、30%和50%的霧化量下，霧滴粒徑的概率峰值所對應(yīng)的粒徑分別為2.49 μm、2.58 μm和2.56 μm，三者基本一致，但測量結(jié)果明顯小于上文預(yù)測所得的霧滴平均粒徑，這可能是由霧滴

蒸發(fā)帶來的誤差。

(3)隨著霧化量的增大，霧滴數(shù)濃度的概率分布曲線逐漸呈正態(tài)分布，且霧化量越大，概率峰值所對應(yīng)的霧滴數(shù)濃度越趨近平均數(shù)濃度。

(4)隨著霧化量的增大，霧滴質(zhì)量濃度的概率分布曲線逐漸呈正態(tài)分布，且概率峰值所對應(yīng)的霧滴質(zhì)量濃度趨近平均質(zhì)量濃度，特別是霧化量為50%時兩者相等。