基于图像处理的重金属污泥熔融温度场研究

钱袁栋，马增益，2，张艺颗，严建华

（1.浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027；2.浙江大学 宁波科创中心，浙江 宁波 315100）

0 引 言

酸洗和电镀工艺产生含铁、铜、铝、镉、汞或铬等高浓度金属的表面处理污泥[1]，属于HW17 危险废弃物[2]，处置不当进入环境会对生态和人体健康造成严重危害。 采用熔融方式无害化处理污泥，熔融固结生成的玻璃体结构可以有效固定重金属，利用高温（ ＞1500 ℃）可以分解污泥中的有机化合物、二噁英等有毒成分，防止其危害生态环境，得到的玻璃渣产物可以进一步资源化利用[3]，因此高温熔融处理在重金属危废的无害化处理中受到广泛的重视。

在表面处理污泥的熔融过程中，全面地掌握熔融炉内温度场的变化过程，有助于污泥熔融的机理研究。 但由于污泥的熔点高，熔炉温度超过了传统的热电偶等接触式测量方法的温度上限，实验过程中安装的测温用双铂铑热电偶频繁损坏，而非接触式的红外点温仪只能获取有限位置的温度信息，无法掌握炉内整体温度场的情况。本文采用图像法测温的方法来解决熔融炉内温度场动态测量难题。

在国内，基于数字图像对温度进行测量的领域中，由王补宣等[4]首先提出了结合热辐射理论、光度学和电视原理的图像测温模型；薛飞等[5]通过多个CCD相机对燃烧室断面进行了多点测量；黄群星等[6]提出了非对称碳氢扩散火焰内烟黑温度和浓度分布联合重建模型；周怀春等[7]使用多幅图像实现了炉内温度场的三维重建；王飞等[8]根据火焰图像对300 MW 的电站锅炉进行了界面温度场的测量计算；李汉舟等[9]分析了被测物体与图像灰度间的关系；M.Sugiur等[10]利用图像对流动的铁水和熔渣进行了温度测量。 数字图像测温在激光熔池[11]、激光热处理[12]、加热炉[13]、火焰[14-15]等领域也得到了广泛的利用。

本文通过提取熔炉中的彩色视频数据流中的RGB分量，实现了污泥熔融过程中动态温度场的测量，对各颜色分量和炉内温度场的关系进行了分析。

1 污泥富氧熔融系统

富氧燃烧技术是使用高纯度氧气代替助燃空气来减少气体中的氮气含量，从而减少能量消耗的一种燃烧方式。 污泥熔融过程具有熔融对象热值低、温度高，对能量需求大的特点，采用80%氧浓度的富氧空气燃烧可以节约燃料，降低危废熔融的成本。

污泥富氧熔融的试验系统如图1 所示，由富氧熔融炉、螺旋进料、烟气冷却、尾气脱酸、富氧制备等组成。 采用天然气作为燃料，通过压缩空气吸附制备富氧。 熔融炉主体部分呈圆柱状，熔融炉共设置了五根喷枪，喷枪在截面上成假想切圆布置，天然气和富氧气体通过喷枪通入熔融炉中，在熔融炉下部形成切圆燃烧方式。 污泥通过炉顶的螺旋进料机送入高温富氧熔融炉中。 烟气离开熔炉后经过冷却再经过布袋除尘器和脱酸塔净化处理后通过烟囱排放。 污泥熔融产生的熔浆则通过出浆口进入水淬箱中得到水淬玻璃渣。 在熔炉的顶部设有观火孔，进行视频采集。

图1 污泥富氧熔融实验系统示意图

2 富氧熔融炉内数字图像测温方法的建立

2.1 数字图像视频采集系统

熔炉图像通过CMOS 相机拍摄，图像分辨率为3840 像素×2160 像素，视频帧率为60 fps，使用全局曝光方式，以MOV视频流格式进行采集记录，考虑到温度变化是一个缓慢的过程，为减少计算量和实验误差，采集10 秒的炉内图像（600张图片）进行均匀化处理，计算其温度场。

以污泥富氧熔融过程中的某一时刻为例，对同一幅图像的不同通道进行了测温计算，结果如图4 所示。

式中：Hr、Hg为一个像素的R、G色的亮度值；A为摄像机感光系统参数；K为摄像机光学系统透过率；ε为物体辐射率；c1、c2分别为第一、第二辐射常数；δ为摄像机响应函数；λr、λg为红绿色光的波长。

2.2 图像测温原理

因此，在利用图像处理分析高温熔融炉温度场的过程中，使用辐射能力较强的RG通道的分析温度场结果对熔融过程进行分析讨论较为合适。

CMOS 相机将光信号转变成电信号，数字图像包含R、G、B三色分量，参考辐射原理中的比色测温方法建立了温度测量方法。

类似的，通过不同颜色通道可以计算得到温度值Trg、Tgb、Tbr，为提高精度使用三个比色温度相互修正[20]

2.3 K值标定

为了获得式（4）中的K值，使用红外点温枪和热电偶进行测温标定，结果如图2 所示。

图2 不同标定温度下的K值

图2 中为不同图像中在不同标定温度下计算得到的K值及利用最小二乘法对K值关于标定温度（实际温度）的线性拟合结果。 其中K1 为使用RG通道进行比色测温的K值，K2 为GB通道，K3 为RB通道。

根据图2 的结果可以看到，K2、K3 关于最小二乘法拟合的结果较为分散，这代表着对于同样的K值结果，使用GB通道和RB通道得到的温度场结果会有更大的误差。 而K1 的拟合结果较好，应使用K1 作为后续计算的取值。

K1 值关于实际温度的拟合直线为

在螺旋线轨迹改进方面，周林等[43]针对阿基米德螺旋线轨迹加工工件中心区域时工件转速过快的缺点，提出了等面积增长螺旋线加工轨迹。实验结果表明，使用该方法可以有效改善阿基米德螺旋线轨迹加工中心区域容易产生过加工的问题。在加工过程中使用等面积增长螺旋线轨迹，可以使加工转速趋于稳定并降低加工中心区域的转速，因此对机床的运动性能的要求也相对较低，从而降低光学元件的生产成本[44]。

CaCO3（分析纯），天津市大茂化学试剂厂；高纯氮气（纯度99.999%），广州盛盈气体有限公司；飞行时间质谱仪SPIMS-1000，广州禾信分析仪器有限公司。

同理，可以使用K2、K3 对标定温度的线性拟合结果计算出Tgb和Trb，利用式（5） 可以得到RGB修正温度。

寓园营造了一个充满人文情趣的生活世界。祁彪佳对每一景点的描写，可谓“处处邻虚，方方侧景”[9]171，使寓园走向更为广阔的自然天地，人与自然融为一体。其园林的主要特色有：

图3 误差分析图

图3 表明，使用该方式对污泥熔融炉内温度场进行测量时，分析温度与实际温度间的误差较小，RG通道分析温度的误差在4.52%（ ±70 ℃）以内，而RGB通道分析温度误差最大值为11.88%（ ±170 ℃），K2 和K3 对于温度的非线性导致了RGB通道误差的增大。

对熔融炉中心点处的不同时刻的实测温度，与RG、RGB通道分析温度进行了对比，并统计了其误差，结果如图3 所示。 温度场测量误差主要来源有几个方面：1）在过程推导中将高温熔体近似成灰体处理以及辐射方程的近似处理；2）CMOS 器件的光电响应曲线近似处理带来的误差；3）使用红外测温枪标定时对熔融炉界面内最高温度测量定位不一致带来的误差；4）摄像机本身的光晕、拖影等仪器误差。

2.5 温度通道的影响

(一)社会热点事件。由于某一事件成为人们关注的社会热点，因而人们制造出许多与之相关的词语并在网络交流中广泛运用。如：

老闻很晚才回家，茶饭不思，沉默无语，严宽被病魔折磨的痛苦表情和本能的求生欲望，以及弥留之际诀别的忠告，一直在眼前晃动。十天过后，严宽真的就走了。

图4 同一图像不同通道的温度计算结果

对比不同通道的分析结果，使用GB通道得到测温结果中低温区域的信息结果较好，RG通道得到的测温结果中高温区域的信息结果较好，RB通道中温度层次更为丰富，RGB通道结果则对以上三个结果进行了均匀化。

图像处理分析温度场的结果表明，熔融炉内温度最高区域主要集中在喷枪的出口处，低温区域主要集中在右下角的出浆口附近，熔浆中部的温度分布较为均匀。

采用80%氧浓度助燃天然气进行表面处理污泥富氧熔融，使用RG通道进行比色测温的温度场分布如图5 所示。 根据温度场分析结果可以看到，污泥投入熔炉后熔浆的温度场的动态变化过程：1）污泥刚结束投料时（0 分钟），污泥中携带的水分蒸发吸热导致熔融区域整体呈现较低的温度，在喷枪出口处可以观察到明显天然气火焰喷射出的高温区域，火焰图像高温区和低温区层次对比分明。 2）投料15 分钟后，污泥中的水分蒸发基本完成，剩下的干物质与熔浆在切圆火焰加热下升温，由于熔浆的旋转推动，熔融区域开始扩大。 3）投料30 分钟后，污泥中的干物质开始熔融，熔融区域温度进一步提升，熔浆高温区域增多。 4）投料45 分钟后，污泥中的干物质基本接近熔融，熔融炉内温度分布向高温区靠拢。 5）投料60 分钟后，表面处理污泥基本完成熔融，融炉内熔浆的温度呈现出较好的均匀性，熔融炉内温度形成富氧喷枪切圆区域中间环形带温度高、边壁和中心温度低的环形温度分布结构。 动态温度场分析表明了表面污泥熔融存在水分蒸发、灰分升温、熔融的动态过程。

表面处理污泥熔融温度在1500 ℃左右，根据维恩位移定律[18]，有λT=b，其中b=0.002897 m·K，可以推算得到在1500 ℃附近，辐射能力最大值对应的峰值波长为1634 nm，即波长越接近1634 nm辐射能力越强。 对于可见光的RGB三色光，则该温度下的辐射能力应为红色光（700 nm） ＞绿色光（546.1 nm） ＞蓝色光（435.8 nm）。

根据辐射原理中的普朗克公式、余弦辐射体的光亮度公式以及摄像系统成像的像面照度公式，利用比色测温的方法，通过在两种不同波长的辐射能相比可以求出该点的温度[9]。 以红色光R通道和绿色光G通道为例：

3 污泥富氧熔融过程温度场变化规律

3.1 污泥富氧熔融过程的动态温度场分析

在大数据时代，信息资源更新速度快，电视晚会在编排阶段主要关注收视率。而电视晚会的编导则迫切渴望以成本低、时间短的方式创造大量的电视晚会节目。实用主义电视晚会的目的是为了在市场发展中占据一定地位与经济利益。在当今市场机制的约束下，电视编导难以真实发挥自身的创新能力。电视晚会是集体创作的主要形式，一些电视编导即使有创新的想法，也很难获得理想的试验和测试。此类过分追逐量化和时效的做法，违背了电视晚会的节目内涵。在整体市场环境的影响下，阻碍了电视编导的创新能力与思维。所谓的市场体系建设对电视编导的理念的创新具有一定的抑制影响。

图5 污泥投入熔融炉后的温度场变化趋势图

3.2 污泥富氧熔融过程的温度变化

为更直观地展示表面处理污泥在富氧熔融过程中的温度变化，图6 展示了在80%富氧浓度下，熔融炉内不同温度的占比情况以及炉内的平均温度。

微课的内容设计重在知识点的选择，既不能将所有的知识点全部选择作为微课内容，又不能简要选取部分作为形式化的微课内容；前者会造成整个微课内容体系过于冗余，后者会造成微课内容体系对于整体课程的学习而言缺少实质性帮助。所以在微课的内容设计方面，要兼顾每一部分教学内容的重点和难点。下面以本课程为例，进行微课内容的设计介绍。

图6 温度占比及平均温度变化趋势图

分析结果表明，污泥熔融过程中，炉内温度主要集中在1300 ～1600 ℃之间，图中统计了污泥熔融过程中炉内高温（ ＞1500 ℃）、中温（1400 ～1500 ℃）和低温（1300 ～1400 ℃）在整个炉内的占有比例，并计算了炉内的平均温度。

图6 表明，随着污泥熔融，炉内的平均温度逐渐升高，而高温的温度占比也逐渐增加。 在0 分钟时，炉内主要为低温（38.6%）和中温（58.9%）。随着富氧燃烧的加热，在0 ～15 分钟，炉内处于升温过程，污泥内的水分大量蒸发，此时炉内平均温度明显上升，低温占比显著减少，在后续熔融进程中均保持在较低的水平。 在15 ～30 分钟，污泥处于熔融过程中，此时平均温度没有明显上升，温度占比依然以中温为主（91.4%），这表明此时污泥中的干物质开始熔融相变大量吸热，也说明污泥熔融需要大量的相变潜热。 在30 ～60 分钟，污泥的熔融基本结束，此时炉内平均温度再次开始上升，而中温占比开始下降，高温占比开始上升，并在60 分钟时达到27.7%，这表明炉内污泥熔融进程基本结束，此时污泥的吸热量小于富氧燃烧的放热量，温度开始逐渐趋向均匀化。

3.晶体管的特点是比较脆弱，在设计和调试的时候对外部的环境要求非常高。在对晶体管进行设计的时候，要考虑房间内是否正处于高压环境，因为在高压环境下，晶体管极易受到外界的影响，导致故障发生。

4 结 论

为了探究表面处理污泥富氧熔融过程，建立了基于数字图像比色测温的熔融炉内的动态温度场测量方法，直观地揭示了炉内温度场的整体分布情况，使用图像处理分析对表面处理污泥富氧熔融炉内进行温度场测量具有良好测温结果及分析效果，可以作为一种有效的炉内温度场测量及分析手段：

（1）建立了污泥富氧熔融的图像法比色温度场测量方法，采用彩色CMOS 获取了火焰图像，实现了污泥富氧熔融过程的温度场测量，在温度接近标定温度时，使用数字图像分析测温的结果与实测温度的误差在4.52%以内；

（2）基于图像测温方法，对表面处理污泥的富氧熔融的温度场动态过程进行分析，发现污泥熔融存在前15 分钟水分蒸发、灰分升温、在15 ～30 分钟污泥开始相变熔融，温度基本不变，在30分钟之后污泥基本完成熔融过程基本结束，在切圆富氧喷枪的推动下，炉内温度场呈现中间环形带高、边壁和中心低的环形温度分布结构。