“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境(BERL)课题组与香港理工大学合作，在中科院一区期刊《Separation and Purification Technology》（影响因子IF：8.1）上发表了最新研究成果：A real-time measurement and analysis method for gas holdup in a wet scrubber with the use of image information entropy

一、题目：一种基于图像信息熵实时测量泡沫水洗器含气率的分析方法

A real-time measurement and analysis method for gas holdup in a wet scrubber with the use of image information entropy

二、作者：Lei Zhao a,b （赵磊），Ruoyu You a （尤若于，通讯作者）, Junjie Liu b（刘俊杰）, Qingyan Chen a（陈清焰）

a 香港理工大学建筑环境与能源工程系

b “室内空气环境质量控制”天津市重点实验室，天津大学环境学院

三、背景介绍

工业厂房内污染物种类复杂，存在着固（固体粉尘）、液（油滴、液滴）、气（挥发性气态污染物）三相态污染物，对空气处理提出挑战。传统的净化方式采用纤维过滤器和活性炭过滤器组合的形式来处理混合污染物，但存在滤芯寿命短、维护成本高、气态污染物处理效率低等许多问题。湿式净化是工业场合下处理多相污染物的另一种主流方式，其净化机理为产生液相捕集体（水或功能液体）来捕获空气中的三相污染物，从而实现多相污染物的整体捕集，常见的处理设备有喷淋式净化器、液膜式净化器、自激式净化器等。但湿式净化器在使用过程中也存在着瓶颈，如无法优化设计导致系统净化效率低、系统缺少监测与测量手段运行调控困难。本研究中提出的泡沫水洗器是替代低效率传统湿洗法的空气净化技术，同时通过开发图像在线、非嵌入测量分析技术实现泡沫水洗运行状态的实时测量与精准调控。可以使泡沫水洗器更为低碳、高效、长寿命的运行。

四、摘要

泡沫水洗器通常用于各种类型的工业车间，是湿式洗涤器的一种。含尘气流通过带孔筛板而在筛板上方激发出泡沫，泡沫水膜收集颗粒物并破裂，从而分离空气中携带的灰尘颗粒达到净化需求。在使用过程中，筛板上方不均匀的气液流动模式会导致颗粒净化效率的显著损失。为了通过筛板设计改进气液两相流模式并更准确地预测净化效率，需要更好地了解泡沫水洗器的含气率特征及其变化。以前研究已经开发了各种方法来从局部和全场的角度测量和分析泡沫水洗器稳态平均气含率。然而，为了指导泡沫水洗器的设计和运行调参，仅仅获得稳态下的含气率特征显然是不够的。但实地应用中受限于测量手段，泡沫水洗器中泡沫洗涤段含气率的时空特征很难用当前的测量手段进行实时观测。本研究提出了一种基于图像信息熵对泡沫水洗器含气率特性分析的快速实时测量方法。获得了不同气泡洗涤操作状态下含气率的轴向和径向分布特征，并进行了数据分析与对比讨论。通过缩比模型实验获得了关于各种操作条件下筛板上方含气率的详细特征，同时利用图像信息熵分析了筛板阻力和鼓泡状态的实时变化。该测量分析方法的提出，为泡沫水洗器真实环境下快速进行泡沫洗涤状态的观测、参数调整及设备设计提供了可能。

五、研究亮点

一种利用图像信息熵快速实时测量含气率特性的方法。

可以同时收集含气率的全场和局部特征。

利用图像信息熵分析了筛板阻力和鼓泡状态。

六、主要研究结果

通过文献检索对湿式洗涤器含气率的测量方法进行了比较分析（图1），从测量的空间精度、时序精度、是否干扰流场及测量方便性进行了多方面比较。本实验选取了图像测量的方式，结合图片信息熵分析方法对湿式洗涤器气液两相流特征进行了提取与分析。

图1. 含气率不同测量方法的比较：a）光学四传感器探头测量，b）基于电导率的金属丝网传感器测量，c）热线探头测量，d）液位/压差测量，e）相机测量，f）电阻断层扫描（ERT）测量

拍摄好的泡沫水洗图像需要进行一系列的流程进行信息提取（图2）。首先拍摄的原图需要按照对特定的区域进行剪裁，保留需要分析的泡沫水洗设备工作区。然后对裁剪后的图像进行灰度化处理，并进行像素点信息提取。利用各像素的具体信息计算该图片各位置的图像信息熵，建立不同工作状态下的泡沫水洗数据库。

图 2. 图片处理流程图.

泡沫洗涤器含气率的垂直分布特征利用本研究中提出的方法得到了分析（图3）。当水量恒定，注入的空气量增加时，气泡洗涤器的气液比可以在1.5到2.5的范围内进行调节。在这项研究中，选择了三种典型的操作条件进行分析，即部分起泡状态（气液比为1.75）、完全起泡状态（气液比为2.0）和过度起泡状态（汽液比为2.25）。从筛板到除水器底部，湿式洗涤器中的气泡洗涤区分为三个部分：气泡产生区、气泡稳定区和气泡飞溅区。这些区域的划分标准是基于气泡洗涤图像在各自工作条件下信息熵的垂直划分特征。各区域的含气率有其自身的特点，在气泡稳定区域为30%至60%，在气泡产生区域为20%至40%，气泡飞溅区低于40%。

图 3. 泡沫洗涤器中含气率的垂直分布特征

通过这种方法，获得了各种操作条件下筛板上方含气率的更详细信息并利用图像信息熵分析了筛板阻力和鼓泡状态（图4）。一般来说，图像的混沌与气泡洗涤的强度有关。用图像熵分析洗涤器的运行情况，对于7mm的筛板，信息熵需要超过5.5，对于9mm的筛板，需要超过9mm，以确保气泡洗涤器在稳定的区域运行。5mm筛板的阻力较低，气泡洗涤器可以在信息熵超过5.0的稳定状态下运行。

图4. 5mm筛板气泡洗涤器在不同操作条件下的阻力特性

致谢：

国家重点研发计划项目（2022YFC3702803），香港Global STEM Professorship 项目。

本文引用格式:

Zhao, L., You, R., Liu, J., & Chen, Q. (2024). A real-time measurement and analysis method for gas holdup in a wet scrubber with the use of image information entropy. Separation and Purification Technology, 345, Article 127255. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.127255

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.127255