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，嚴建華

（1.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027；2.浙江大學 寧波科創中心，浙江 寧波 315100）

0 引 言

酸洗和電鍍工藝產生含鐵、銅、鋁、鎘、汞或鉻等高濃度金屬的表面處理污泥[1]，屬于HW17 危險廢棄物[2]，處置不當進入環境會對生態和人體健康造成嚴重危害。 采用熔融方式無害化處理污泥，熔融固結生成的玻璃體結構可以有效固定重金屬，利用高溫（ ＞1500 ℃）可以分解污泥中的有機化合物、二噁英等有毒成分，防止其危害生態環境，得到的玻璃渣產物可以進一步資源化利用[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溫度場的變化過程，有助于污泥熔融的機理研究。 但由于污泥的熔點高，熔爐溫度超過了傳統的熱電偶等接觸式測量方法的溫度上限，實驗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溫儀只能獲取有限位置的溫度信息，無法掌握爐內整體溫度場的情況。本文采用圖像法測溫的方法來解決熔融爐內溫度場動態測量難題。

在國內，基于數字圖像對溫度進行測量的領域中，由王補宣等[4]首先提出了結合熱輻射理論、光度學和電視原理的圖像測溫模型；薛飛等[5]通過多個CCD相機對燃燒室斷面進行了多點測量；黃群星等[6]提出了非對稱碳氫擴散火焰內煙黑溫度和濃度分布聯合重建模型；周懷春等[7]使用多幅圖像實現了爐內溫度場的三維重建；王飛等[8]根據火焰圖像對300 MW 的電站鍋爐進行了界面溫度場的測量計算；李漢舟等[9]分析了被測物體與圖像灰度間的關系；M.Sugiur等[10]利用圖像對流動的鐵水和熔渣進行了溫度測量。 數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據流中的RGB分量，實現了污泥熔融過程中動態溫度場的測量，對各顏色分量和爐內溫度場的關系進行了分析。

1 污泥富氧熔融系統

富氧燃燒技術是使用高純度氧氣代替助燃空氣來減少氣體中的氮氣含量，從而減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，采用80%氧濃度的富氧空氣燃燒可以節約燃料，降低危廢熔融的成本。

污泥富氧熔融的試驗系統如圖1 所示，由富氧熔融爐、螺旋進料、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。 污泥通過爐頂的螺旋進料機送入高溫富氧熔融爐中。 煙氣離開熔爐后經過冷卻再經過布袋除塵器和脫酸塔凈化處理后通過煙囪排放。 污泥熔融產生的熔漿則通過出漿口進入水淬箱中得到水淬玻璃渣。 在熔爐的頂部設有觀火孔，進行視頻采集。

圖1 污泥富氧熔融實驗系統示意圖

2 富氧熔融爐內數字圖像測溫方法的建立

2.1 數字圖像視頻采集系統

熔爐圖像通過CMOS 相機拍攝，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視頻流格式進行采集記錄，考慮到溫度變化是一個緩慢的過程，為減少計算量和實驗誤差，采集10 秒的爐內圖像（600張圖片）進行均勻化處理，計算其溫度場。

以污泥富氧熔融過程中的某一時刻為例，對同一幅圖像的不同通道進行了測溫計算，結果如圖4 所示。

式中：Hr、Hg為一個像素的R、G色的亮度值；A為攝像機感光系統參數；K為攝像機光學系統透過率；ε為物體輻射率；c1、c2分別為第一、第二輻射常數；δ為攝像機響應函數；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，使用輻射能力較強的RG通道的分析溫度場結果對熔融過程進行分析討論較為合適。

CMOS 相機將光信號轉變成電信號，數字圖像包含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算得到溫度值Trg、Tgb、Tbr，為提高精度使用三個比色溫度相互修正[20]

2.3 K值標定

為了獲得式（4）中的K值，使用紅外點溫槍和熱電偶進行測溫標定，結果如圖2 所示。

圖2 不同標定溫度下的K值

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

根據圖2 的結果可以看到，K2、K3 關于最小二乘法擬合的結果較為分散，這代表著對于同樣的K值結果，使用GB通道和RB通道得到的溫度場結果會有更大的誤差。 而K1 的擬合結果較好，應使用K1 作為后續計算的取值。

K1 值關于實際溫度的擬合直線為

在螺旋線軌跡改進方面，周林等[43]針對阿基米德螺旋線軌跡加工工件中心區域時工件轉速過快的缺點，提出了等面積增長螺旋線加工軌跡。實驗結果表明，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域容易產生過加工的問題。在加工過程中使用等面積增長螺旋線軌跡，可以使加工轉速趨于穩定并降低加工中心區域的轉速，因此對機床的運動性能的要求也相對較低，從而降低光學元件的生產成本[44]。

CaCO3（分析純），天津市大茂化學試劑廠；高純氮氣（純度99.999%），廣州盛盈氣體有限公司；飛行時間質譜儀SPIMS-1000，廣州禾信分析儀器有限公司。

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

寓園營造了一個充滿人文情趣的生活世界。祁彪佳對每一景點的描寫，可謂“處處鄰虛，方方側景”[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溫度場進行測量時，分析溫度與實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，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致了RGB通道誤差的增大。

對熔融爐中心點處的不同時刻的實測溫度，與RG、RGB通道分析溫度進行了對比，并統計了其誤差，結果如圖3 所示。 溫度場測量誤差主要來源有幾個方面：1）在過程推導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 器件的光電響應曲線近似處理帶來的誤差；3）使用紅外測溫槍標定時對熔融爐界面內最高溫度測量定位不一致帶來的誤差；4）攝像機本身的光暈、拖影等儀器誤差。

2.5 溫度通道的影響

(一)社會熱點事件。由于某一事件成為人們關注的社會熱點，因而人們制造出許多與之相關的詞語并在網絡交流中廣泛運用。如：

老聞很晚才回家，茶飯不思，沉默無語，嚴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。十天過后，嚴寬真的就走了。

圖4 同一圖像不同通道的溫度計算結果

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

圖像處理分析溫度場的結果表明，熔融爐內溫度最高區域主要集中在噴槍的出口處，低溫區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行表面處理污泥富氧熔融，使用RG通道進行比色測溫的溫度場分布如圖5 所示。 根據溫度場分析結果可以看到，污泥投入熔爐后熔漿的溫度場的動態變化過程：1）污泥剛結束投料時（0 分鐘），污泥中攜帶的水分蒸發吸熱導致熔融區域整體呈現較低的溫度，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域，火焰圖像高溫區和低溫區層次對比分明。 2）投料15 分鐘后，污泥中的水分蒸發基本完成，剩下的干物質與熔漿在切圓火焰加熱下升溫，由于熔漿的旋轉推動，熔融區域開始擴大。 3）投料30 分鐘后，污泥中的干物質開始熔融，熔融區域溫度進一步提升，熔漿高溫區域增多。 4）投料45 分鐘后，污泥中的干物質基本接近熔融，熔融爐內溫度分布向高溫區靠攏。 5）投料60 分鐘后，表面處理污泥基本完成熔融，融爐內熔漿的溫度呈現出較好的均勻性，熔融爐內溫度形成富氧噴槍切圓區域中間環形帶溫度高、邊壁和中心溫度低的環形溫度分布結構。 動態溫度場分析表明了表面污泥熔融存在水分蒸發、灰分升溫、熔融的動態過程。

表面處理污泥熔融溫度在1500 ℃左右，根據維恩位移定律[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的峰值波長為1634 nm，即波長越接近1634 nm輻射能力越強。 對于可見光的RGB三色光，則該溫度下的輻射能力應為紅色光（700 nm） ＞綠色光（546.1 nm） ＞藍色光（435.8 nm）。

根據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律

3.1 污泥富氧熔融過程的動態溫度場分析

在大數據時代，信息資源更新速度快，電視晚會在編排階段主要關注收視率。而電視晚會的編導則迫切渴望以成本低、時間短的方式創造大量的電視晚會節目。實用主義電視晚會的目的是為了在市場發展中占據一定地位與經濟利益。在當今市場機制的約束下，電視編導難以真實發揮自身的創新能力。電視晚會是集體創作的主要形式，一些電視編導即使有創新的想法，也很難獲得理想的試驗和測試。此類過分追逐量化和時效的做法，違背了電視晚會的節目內涵。在整體市場環境的影響下，阻礙了電視編導的創新能力與思維。所謂的市場體系建設對電視編導的理念的創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，熔融爐內不同溫度的占比情況以及爐內的平均溫度。

微課的內容設計重在知識點的選擇，既不能將所有的知識點全部選擇作為微課內容，又不能簡要選取部分作為形式化的微課內容；前者會造成整個微課內容體系過于冗余，后者會造成微課內容體系對于整體課程的學習而言缺少實質性幫助。所以在微課的內容設計方面，要兼顧每一部分教學內容的重點和難點。下面以本課程為例，進行微課內容的設計介紹。

圖6 溫度占比及平均溫度變化趨勢圖

分析結果表明，污泥熔融過程中，爐內溫度主要集中在1300 ～1600 ℃之間，圖中統計了污泥熔融過程中爐內高溫（ ＞1500 ℃）、中溫（1400 ～1500 ℃）和低溫（1300 ～1400 ℃）在整個爐內的占有比例，并計算了爐內的平均溫度。

圖6 表明，隨著污泥熔融，爐內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，爐內主要為低溫（38.6%）和中溫（58.9%）。隨著富氧燃燒的加熱，在0 ～15 分鐘，爐內處于升溫過程，污泥內的水分大量蒸發，此時爐內平均溫度明顯上升，低溫占比顯著減少，在后續熔融進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%），這表明此時污泥中的干物質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，污泥的熔融基本結束，此時爐內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 分鐘時達到27.7%，這表明爐內污泥熔融進程基本結束，此時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.晶體管的特點是比較脆弱，在設計和調試的時候對外部的環境要求非常高。在對晶體管進行設計的時候，要考慮房間內是否正處于高壓環境，因為在高壓環境下，晶體管極易受到外界的影響，導致故障發生。

4 結 論

為了探究表面處理污泥富氧熔融過程，建立了基于數字圖像比色測溫的熔融爐內的動態溫度場測量方法，直觀地揭示了爐內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進行溫度場測量具有良好測溫結果及分析效果，可以作為一種有效的爐內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，實現了污泥富氧熔融過程的溫度場測量，在溫度接近標定溫度時，使用數字圖像分析測溫的結果與實測溫度的誤差在4.52%以內；

（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態過程進行分析，發現污泥熔融存在前15 分鐘水分蒸發、灰分升溫、在15 ～30 分鐘污泥開始相變熔融，溫度基本不變，在30分鐘之后污泥基本完成熔融過程基本結束，在切圓富氧噴槍的推動下，爐內溫度場呈現中間環形帶高、邊壁和中心低的環形溫度分布結構。