2022年4月，工程技术1区TOP期刊《Building and Environment》（影响因子IF：6.456）刊登了课题组赵磊博士生的最新成果：Fast real-time measurement method of a wet scrubber on particle purification efficiency with image information entropy analysis（https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109133），该研究由国家十三五重点研发计划“高污染散发类工业建筑环境保障与节能关键技术研究”项目资助（项目号：2018YFC0705304）。

原文下载链接（6月15日前免费下载）：https://authors.elsevier.com/c/1ezjP1HudN80hv

作者：

Lei Zhao（赵磊，第一作者），Junjie Liu（刘俊杰，通讯作者）

研究亮点：

1.提出了一种快速实时测量颗粒净化效率的方法

2.提出的效率测量方法其测量误差小于10%，优于目前的离线/在线测试方法

3.借助图像分析技术，揭示更多关于湿式洗涤器中气液两相流的流场信息

研究背景：

快速工业化导致了自然资源的过度开发，导致严重的空气污染和健康风险。工业活动产生的污染排放推动了人为气候变化，世界卫生组织（WHO）已将其确定为“21世纪全球健康的最大威胁”。据估计，全世界每年约有700万人死于环境和室内空气污染。其中因环境污染造成的死亡人数中，有63%的案例与暴露PM2.5（指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物）污染物有关，其成为全球第13大致死原因。此外，病毒和细菌与颗粒物混合形成气溶胶，吸入后也会对人类健康造成不利影响。美国环境保护局（EPA）发布了PM2.5暴露浓度标准，其安全年平均值应小于9μg/m3。为了保护环境和工人健康，各国已经颁布了许多关于PM2.5控制的监管标准，但监管系统的不完善给管理带来了很大的困难。

在工业生产中，颗粒物污染的控制方法主要分为干式法和湿式法。随着意在促进可持续性环保产品应用的公共政策实施，湿法技术已逐渐成为颗粒物控制的推荐方法。高效、节水的湿式洗涤器，通常被用于各种行业，如煤气化行业、水处理行业和金属冶炼行业等。然而，当设备入口浓度较高或在不适当的气水比参数运行时，这些湿式洗涤器去除颗粒污染物的效率较低，无法使排气达到排放标准。此外，由于缺乏合适的实时效率监测手段，很难对净化设备的运行状态及时的调整，也无法很好的进行环境治理管控。

对于湿式除尘器效率的评测，一般采用离线式滤膜采样法或在线式浓度测算法。离线式滤膜采样法利用过滤技术收集除尘器入口和出口处的含尘气流中的颗粒物，利用滤膜的增重反算污染物浓度，进而计算除尘器的净化效率。但此种方法存在诸多弊端，如较长的实验准备时间、引入人员操作误差、采样时间较长、测量数据为离散平均效率等。在线式测量方法虽然广泛应用于各类工厂的实时数据监测，但实现对湿式除尘器的监测是困难的。湿式除尘器的排气段含有大量水雾，大大降低了采用激光散射原理来测量颗粒物浓度的监测设备的测量精度。因此，迫切需要一种实时监测湿式净化装置效率的方法。

在本研究中，我们提出了一种湿式洗涤器的颗粒去除效率测量方法，并引入图像熵分析方法来实现精确的实时测量。与传统的测量方法相比，该方法具有更高的精度、更快的速度和高度的自动化。本研究的目的是建立一种结合实时监测、全场测量和图像熵分析技术的测试方法，进而推广应用于大多数湿式洗涤器的定量测量。通过这种创新的测试方法，可以揭示更多湿式洗涤器中气-液两相流流场的详细信息。

主要成果：

1.泡沫水洗装置水洗图像分析

• 搭建泡沫水洗图像采集试验台，确定泡沫水洗图像分析标准化流程，构建图像信息化数据库；

• 提出泡沫水洗最小气泡查询窗口分析方法。

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  图1.泡沫水洗试验台示意图

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图2 泡沫水洗图片信息提取流程图

图3 泡沫信息查询窗口示意图

2.泡沫水洗颗粒去除效率测试与验证

• 泡沫水洗图像信息熵值与泡沫水洗装置颗粒物净化效率之间存在对应关系，通过泡沫水洗装置水洗工作区域图像信息熵分析，可以实时监测泡沫水洗装置的运行状况。

  泡沫水洗装置处于不同气液比工况下运行，可以存在三类工作状态，包括部分起泡状态、完全起泡状态和过量起泡状态。
  

• 基于图像熵快速测量泡沫水洗装置颗粒物净化效率的测试方法测量最大误差为9.6%。

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• 图4 不同气液比工况下除尘效率与图片信息熵比较图

图5 泡沫水洗除尘效率与图片信息熵关系图

3.基于图像信息熵揭示气液两相流流场特征

泡沫水洗装置完全鼓泡时，筛板上方的气液两相流特性随高度变化。随着液面与筛板之间高度的增加，工作区可分为三部分：气泡产生区、气泡稳定区和气泡飞溅区。

提出基于水洗图像熵进行分区测量的方法，对水洗图片在垂直方向上进行以像素为大小的横向切片，捕捉轴向信息熵曲线关键折点，以气泡脱离液面前的最低熵值点作为基准，分割水洗分区。

图6 基于信息图像熵的泡沫丰富度分析图

本文引用格式：

Lei Zhao, Junjie Liu. Fast real-time measurement method of a wet scrubber on particle purification efficiency with image information entropy analysis. Building and Environment., 2022, 218,109133.

原文出处：https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109133