基于圖像處理的重金屬污泥熔融溫度場研究

錢袁棟，馬增益，2，張藝顆，嚴(yán)建華

（1.浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；2.浙江大學(xué) 寧波科創(chuàng)中心，浙江 寧波 315100）

0 引 言

酸洗和電鍍工藝產(chǎn)生含鐵、銅、鋁、鎘、汞或鉻等高濃度金屬的表面處理污泥[1]，屬于HW17 危險(xiǎn)廢棄物[2]，處置不當(dāng)進(jìn)入環(huán)境會(huì)對生態(tài)和人體健康造成嚴(yán)重危害。 采用熔融方式無害化處理污泥，熔融固結(jié)生成的玻璃體結(jié)構(gòu)可以有效固定重金屬，利用高溫（ ＞1500 ℃）可以分解污泥中的有機(jī)化合物、二噁英等有毒成分，防止其危害生態(tài)環(huán)境，得到的玻璃渣產(chǎn)物可以進(jìn)一步資源化利用[3]，因此高溫熔融處理在重金屬危廢的無害化處理中受到廣泛的重視。

在表面處理污泥的熔融過程中，全面地掌握熔融爐內(nèi)溫度場的變化過程，有助于污泥熔融的機(jī)理研究。 但由于污泥的熔點(diǎn)高，熔爐溫度超過了傳統(tǒng)的熱電偶等接觸式測量方法的溫度上限，實(shí)驗(yàn)過程中安裝的測溫用雙鉑銠熱電偶頻繁損壞，而非接觸式的紅外點(diǎn)溫儀只能獲取有限位置的溫度信息，無法掌握爐內(nèi)整體溫度場的情況。本文采用圖像法測溫的方法來解決熔融爐內(nèi)溫度場動(dòng)態(tài)測量難題。

在國內(nèi)，基于數(shù)字圖像對溫度進(jìn)行測量的領(lǐng)域中，由王補(bǔ)宣等[4]首先提出了結(jié)合熱輻射理論、光度學(xué)和電視原理的圖像測溫模型；薛飛等[5]通過多個(gè)CCD相機(jī)對燃燒室斷面進(jìn)行了多點(diǎn)測量；黃群星等[6]提出了非對稱碳?xì)鋽U(kuò)散火焰內(nèi)煙黑溫度和濃度分布聯(lián)合重建模型；周懷春等[7]使用多幅圖像實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)溫度場的三維重建；王飛等[8]根據(jù)火焰圖像對300 MW 的電站鍋爐進(jìn)行了界面溫度場的測量計(jì)算；李漢舟等[9]分析了被測物體與圖像灰度間的關(guān)系；M.Sugiur等[10]利用圖像對流動(dòng)的鐵水和熔渣進(jìn)行了溫度測量。 數(shù)字圖像測溫在激光熔池[11]、激光熱處理[12]、加熱爐[13]、火焰[14-15]等領(lǐng)域也得到了廣泛的利用。

本文通過提取熔爐中的彩色視頻數(shù)據(jù)流中的RGB分量，實(shí)現(xiàn)了污泥熔融過程中動(dòng)態(tài)溫度場的測量，對各顏色分量和爐內(nèi)溫度場的關(guān)系進(jìn)行了分析。

1 污泥富氧熔融系統(tǒng)

富氧燃燒技術(shù)是使用高純度氧氣代替助燃空氣來減少氣體中的氮?dú)夂浚瑥亩鴾p少能量消耗的一種燃燒方式。 污泥熔融過程具有熔融對象熱值低、溫度高，對能量需求大的特點(diǎn)，采用80%氧濃度的富氧空氣燃燒可以節(jié)約燃料，降低危廢熔融的成本。

污泥富氧熔融的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示，由富氧熔融爐、螺旋進(jìn)料、煙氣冷卻、尾氣脫酸、富氧制備等組成。 采用天然氣作為燃料，通過壓縮空氣吸附制備富氧。 熔融爐主體部分呈圓柱狀，熔融爐共設(shè)置了五根噴槍，噴槍在截面上成假想切圓布置，天然氣和富氧氣體通過噴槍通入熔融爐中，在熔融爐下部形成切圓燃燒方式。 污泥通過爐頂?shù)穆菪M(jìn)料機(jī)送入高溫富氧熔融爐中。 煙氣離開熔爐后經(jīng)過冷卻再經(jīng)過布袋除塵器和脫酸塔凈化處理后通過煙囪排放。 污泥熔融產(chǎn)生的熔漿則通過出漿口進(jìn)入水淬箱中得到水淬玻璃渣。 在熔爐的頂部設(shè)有觀火孔，進(jìn)行視頻采集。

圖1 污泥富氧熔融實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 富氧熔融爐內(nèi)數(shù)字圖像測溫方法的建立

2.1 數(shù)字圖像視頻采集系統(tǒng)

熔爐圖像通過CMOS 相機(jī)拍攝，圖像分辨率為3840 像素×2160 像素，視頻幀率為60 fps，使用全局曝光方式，以MOV視頻流格式進(jìn)行采集記錄，考慮到溫度變化是一個(gè)緩慢的過程，為減少計(jì)算量和實(shí)驗(yàn)誤差，采集10 秒的爐內(nèi)圖像（600張圖片）進(jìn)行均勻化處理，計(jì)算其溫度場。

以污泥富氧熔融過程中的某一時(shí)刻為例，對同一幅圖像的不同通道進(jìn)行了測溫計(jì)算，結(jié)果如圖4 所示。

式中：Hr、Hg為一個(gè)像素的R、G色的亮度值；A為攝像機(jī)感光系統(tǒng)參數(shù)；K為攝像機(jī)光學(xué)系統(tǒng)透過率；ε為物體輻射率；c1、c2分別為第一、第二輻射常數(shù)；δ為攝像機(jī)響應(yīng)函數(shù)；λr、λg為紅綠色光的波長。

2.2 圖像測溫原理

因此，在利用圖像處理分析高溫熔融爐溫度場的過程中，使用輻射能力較強(qiáng)的RG通道的分析溫度場結(jié)果對熔融過程進(jìn)行分析討論較為合適。

CMOS 相機(jī)將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，數(shù)字圖像包含R、G、B三色分量，參考輻射原理中的比色測溫方法建立了溫度測量方法。

類似的，通過不同顏色通道可以計(jì)算得到溫度值Trg、Tgb、Tbr，為提高精度使用三個(gè)比色溫度相互修正[20]

2.3 K值標(biāo)定

為了獲得式（4）中的K值，使用紅外點(diǎn)溫槍和熱電偶進(jìn)行測溫標(biāo)定，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同標(biāo)定溫度下的K值

圖2 中為不同圖像中在不同標(biāo)定溫度下計(jì)算得到的K值及利用最小二乘法對K值關(guān)于標(biāo)定溫度（實(shí)際溫度）的線性擬合結(jié)果。 其中K1 為使用RG通道進(jìn)行比色測溫的K值，K2 為GB通道，K3 為RB通道。

根據(jù)圖2 的結(jié)果可以看到，K2、K3 關(guān)于最小二乘法擬合的結(jié)果較為分散，這代表著對于同樣的K值結(jié)果，使用GB通道和RB通道得到的溫度場結(jié)果會(huì)有更大的誤差。 而K1 的擬合結(jié)果較好，應(yīng)使用K1 作為后續(xù)計(jì)算的取值。

K1 值關(guān)于實(shí)際溫度的擬合直線為

在螺旋線軌跡改進(jìn)方面，周林等[43]針對阿基米德螺旋線軌跡加工工件中心區(qū)域時(shí)工件轉(zhuǎn)速過快的缺點(diǎn)，提出了等面積增長螺旋線加工軌跡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該方法可以有效改善阿基米德螺旋線軌跡加工中心區(qū)域容易產(chǎn)生過加工的問題。在加工過程中使用等面積增長螺旋線軌跡，可以使加工轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定并降低加工中心區(qū)域的轉(zhuǎn)速，因此對機(jī)床的運(yùn)動(dòng)性能的要求也相對較低，從而降低光學(xué)元件的生產(chǎn)成本[44]。

CaCO3（分析純），天津市大茂化學(xué)試劑廠；高純氮?dú)猓兌?9.999%），廣州盛盈氣體有限公司；飛行時(shí)間質(zhì)譜儀SPIMS-1000，廣州禾信分析儀器有限公司。

同理，可以使用K2、K3 對標(biāo)定溫度的線性擬合結(jié)果計(jì)算出Tgb和Trb，利用式（5） 可以得到RGB修正溫度。

寓園營造了一個(gè)充滿人文情趣的生活世界。祁彪佳對每一景點(diǎn)的描寫，可謂“處處鄰虛，方方側(cè)景”[9]171，使寓園走向更為廣闊的自然天地，人與自然融為一體。其園林的主要特色有：

圖3 誤差分析圖

圖3 表明，使用該方式對污泥熔融爐內(nèi)溫度場進(jìn)行測量時(shí)，分析溫度與實(shí)際溫度間的誤差較小，RG通道分析溫度的誤差在4.52%（ ±70 ℃）以內(nèi)，而RGB通道分析溫度誤差最大值為11.88%（ ±170 ℃），K2 和K3 對于溫度的非線性導(dǎo)致了RGB通道誤差的增大。

對熔融爐中心點(diǎn)處的不同時(shí)刻的實(shí)測溫度，與RG、RGB通道分析溫度進(jìn)行了對比，并統(tǒng)計(jì)了其誤差，結(jié)果如圖3 所示。 溫度場測量誤差主要來源有幾個(gè)方面：1）在過程推導(dǎo)中將高溫熔體近似成灰體處理以及輻射方程的近似處理；2）CMOS 器件的光電響應(yīng)曲線近似處理帶來的誤差；3）使用紅外測溫槍標(biāo)定時(shí)對熔融爐界面內(nèi)最高溫度測量定位不一致帶來的誤差；4）攝像機(jī)本身的光暈、拖影等儀器誤差。

2.5 溫度通道的影響

(一)社會(huì)熱點(diǎn)事件。由于某一事件成為人們關(guān)注的社會(huì)熱點(diǎn)，因而人們制造出許多與之相關(guān)的詞語并在網(wǎng)絡(luò)交流中廣泛運(yùn)用。如：

老聞很晚才回家，茶飯不思，沉默無語，嚴(yán)寬被病魔折磨的痛苦表情和本能的求生欲望，以及彌留之際訣別的忠告，一直在眼前晃動(dòng)。十天過后，嚴(yán)寬真的就走了。

圖4 同一圖像不同通道的溫度計(jì)算結(jié)果

對比不同通道的分析結(jié)果，使用GB通道得到測溫結(jié)果中低溫區(qū)域的信息結(jié)果較好，RG通道得到的測溫結(jié)果中高溫區(qū)域的信息結(jié)果較好，RB通道中溫度層次更為豐富，RGB通道結(jié)果則對以上三個(gè)結(jié)果進(jìn)行了均勻化。

圖像處理分析溫度場的結(jié)果表明，熔融爐內(nèi)溫度最高區(qū)域主要集中在噴槍的出口處，低溫區(qū)域主要集中在右下角的出漿口附近，熔漿中部的溫度分布較為均勻。

采用80%氧濃度助燃天然氣進(jìn)行表面處理污泥富氧熔融，使用RG通道進(jìn)行比色測溫的溫度場分布如圖5 所示。 根據(jù)溫度場分析結(jié)果可以看到，污泥投入熔爐后熔漿的溫度場的動(dòng)態(tài)變化過程：1）污泥剛結(jié)束投料時(shí)（0 分鐘），污泥中攜帶的水分蒸發(fā)吸熱導(dǎo)致熔融區(qū)域整體呈現(xiàn)較低的溫度，在噴槍出口處可以觀察到明顯天然氣火焰噴射出的高溫區(qū)域，火焰圖像高溫區(qū)和低溫區(qū)層次對比分明。 2）投料15 分鐘后，污泥中的水分蒸發(fā)基本完成，剩下的干物質(zhì)與熔漿在切圓火焰加熱下升溫，由于熔漿的旋轉(zhuǎn)推動(dòng)，熔融區(qū)域開始擴(kuò)大。 3）投料30 分鐘后，污泥中的干物質(zhì)開始熔融，熔融區(qū)域溫度進(jìn)一步提升，熔漿高溫區(qū)域增多。 4）投料45 分鐘后，污泥中的干物質(zhì)基本接近熔融，熔融爐內(nèi)溫度分布向高溫區(qū)靠攏。 5）投料60 分鐘后，表面處理污泥基本完成熔融，融爐內(nèi)熔漿的溫度呈現(xiàn)出較好的均勻性，熔融爐內(nèi)溫度形成富氧噴槍切圓區(qū)域中間環(huán)形帶溫度高、邊壁和中心溫度低的環(huán)形溫度分布結(jié)構(gòu)。 動(dòng)態(tài)溫度場分析表明了表面污泥熔融存在水分蒸發(fā)、灰分升溫、熔融的動(dòng)態(tài)過程。

表面處理污泥熔融溫度在1500 ℃左右，根據(jù)維恩位移定律[18]，有λT=b，其中b=0.002897 m·K，可以推算得到在1500 ℃附近，輻射能力最大值對應(yīng)的峰值波長為1634 nm，即波長越接近1634 nm輻射能力越強(qiáng)。 對于可見光的RGB三色光，則該溫度下的輻射能力應(yīng)為紅色光（700 nm） ＞綠色光（546.1 nm） ＞藍(lán)色光（435.8 nm）。

根據(jù)輻射原理中的普朗克公式、余弦輻射體的光亮度公式以及攝像系統(tǒng)成像的像面照度公式，利用比色測溫的方法，通過在兩種不同波長的輻射能相比可以求出該點(diǎn)的溫度[9]。 以紅色光R通道和綠色光G通道為例：

3 污泥富氧熔融過程溫度場變化規(guī)律

3.1 污泥富氧熔融過程的動(dòng)態(tài)溫度場分析

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，信息資源更新速度快，電視晚會(huì)在編排階段主要關(guān)注收視率。而電視晚會(huì)的編導(dǎo)則迫切渴望以成本低、時(shí)間短的方式創(chuàng)造大量的電視晚會(huì)節(jié)目。實(shí)用主義電視晚會(huì)的目的是為了在市場發(fā)展中占據(jù)一定地位與經(jīng)濟(jì)利益。在當(dāng)今市場機(jī)制的約束下，電視編導(dǎo)難以真實(shí)發(fā)揮自身的創(chuàng)新能力。電視晚會(huì)是集體創(chuàng)作的主要形式，一些電視編導(dǎo)即使有創(chuàng)新的想法，也很難獲得理想的試驗(yàn)和測試。此類過分追逐量化和時(shí)效的做法，違背了電視晚會(huì)的節(jié)目內(nèi)涵。在整體市場環(huán)境的影響下，阻礙了電視編導(dǎo)的創(chuàng)新能力與思維。所謂的市場體系建設(shè)對電視編導(dǎo)的理念的創(chuàng)新具有一定的抑制影響。

圖5 污泥投入熔融爐后的溫度場變化趨勢圖

3.2 污泥富氧熔融過程的溫度變化

為更直觀地展示表面處理污泥在富氧熔融過程中的溫度變化，圖6 展示了在80%富氧濃度下，熔融爐內(nèi)不同溫度的占比情況以及爐內(nèi)的平均溫度。

微課的內(nèi)容設(shè)計(jì)重在知識點(diǎn)的選擇，既不能將所有的知識點(diǎn)全部選擇作為微課內(nèi)容，又不能簡要選取部分作為形式化的微課內(nèi)容；前者會(huì)造成整個(gè)微課內(nèi)容體系過于冗余，后者會(huì)造成微課內(nèi)容體系對于整體課程的學(xué)習(xí)而言缺少實(shí)質(zhì)性幫助。所以在微課的內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，要兼顧每一部分教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)。下面以本課程為例，進(jìn)行微課內(nèi)容的設(shè)計(jì)介紹。

圖6 溫度占比及平均溫度變化趨勢圖

分析結(jié)果表明，污泥熔融過程中，爐內(nèi)溫度主要集中在1300 ～1600 ℃之間，圖中統(tǒng)計(jì)了污泥熔融過程中爐內(nèi)高溫（ ＞1500 ℃）、中溫（1400 ～1500 ℃）和低溫（1300 ～1400 ℃）在整個(gè)爐內(nèi)的占有比例，并計(jì)算了爐內(nèi)的平均溫度。

圖6 表明，隨著污泥熔融，爐內(nèi)的平均溫度逐漸升高，而高溫的溫度占比也逐漸增加。 在0 分鐘時(shí)，爐內(nèi)主要為低溫（38.6%）和中溫（58.9%）。隨著富氧燃燒的加熱，在0 ～15 分鐘，爐內(nèi)處于升溫過程，污泥內(nèi)的水分大量蒸發(fā)，此時(shí)爐內(nèi)平均溫度明顯上升，低溫占比顯著減少，在后續(xù)熔融進(jìn)程中均保持在較低的水平。 在15 ～30 分鐘，污泥處于熔融過程中，此時(shí)平均溫度沒有明顯上升，溫度占比依然以中溫為主（91.4%），這表明此時(shí)污泥中的干物質(zhì)開始熔融相變大量吸熱，也說明污泥熔融需要大量的相變潛熱。 在30 ～60 分鐘，污泥的熔融基本結(jié)束，此時(shí)爐內(nèi)平均溫度再次開始上升，而中溫占比開始下降，高溫占比開始上升，并在60 分鐘時(shí)達(dá)到27.7%，這表明爐內(nèi)污泥熔融進(jìn)程基本結(jié)束，此時(shí)污泥的吸熱量小于富氧燃燒的放熱量，溫度開始逐漸趨向均勻化。

3.晶體管的特點(diǎn)是比較脆弱，在設(shè)計(jì)和調(diào)試的時(shí)候?qū)ν獠康沫h(huán)境要求非常高。在對晶體管進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考慮房間內(nèi)是否正處于高壓環(huán)境，因?yàn)樵诟邏涵h(huán)境下，晶體管極易受到外界的影響，導(dǎo)致故障發(fā)生。

4 結(jié) 論

為了探究表面處理污泥富氧熔融過程，建立了基于數(shù)字圖像比色測溫的熔融爐內(nèi)的動(dòng)態(tài)溫度場測量方法，直觀地揭示了爐內(nèi)溫度場的整體分布情況，使用圖像處理分析對表面處理污泥富氧熔融爐內(nèi)進(jìn)行溫度場測量具有良好測溫結(jié)果及分析效果，可以作為一種有效的爐內(nèi)溫度場測量及分析手段：

（1）建立了污泥富氧熔融的圖像法比色溫度場測量方法，采用彩色CMOS 獲取了火焰圖像，實(shí)現(xiàn)了污泥富氧熔融過程的溫度場測量，在溫度接近標(biāo)定溫度時(shí)，使用數(shù)字圖像分析測溫的結(jié)果與實(shí)測溫度的誤差在4.52%以內(nèi)；

（2）基于圖像測溫方法，對表面處理污泥的富氧熔融的溫度場動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)污泥熔融存在前15 分鐘水分蒸發(fā)、灰分升溫、在15 ～30 分鐘污泥開始相變?nèi)廴?，溫度基本不變，?0分鐘之后污泥基本完成熔融過程基本結(jié)束，在切圓富氧噴槍的推動(dòng)下，爐內(nèi)溫度場呈現(xiàn)中間環(huán)形帶高、邊壁和中心低的環(huán)形溫度分布結(jié)構(gòu)。