張龍龍，安澤文，姜旭，王翠蘋

（青島大學熱能工程研究所，山東 青島 266071）

團聚液霧化氣泡粒徑分布特性的可視化研究

張龍龍，安澤文，姜旭，王翠蘋

（青島大學熱能工程研究所，山東 青島 266071）

泡沫團聚法是有效脫除細顆粒物 PM2.5的方法。本文對團聚液的霧化粒徑進行了研究，篩選出適于團聚PM2.5的氣泡粒徑的溶液及噴霧條件。文中首先對氣泡粒徑與團聚顆粒物的能力進行估算，進而通過 CCD拍攝精細霧化噴嘴噴出的團聚液泡沫的流動過程，利用MATLAB處理圖片，得出霧化氣泡粒徑和密度大小。實驗結(jié)果表明，發(fā)泡劑會使團聚液的霧化液滴形成氣泡，增大霧化顆粒直徑；PAM團聚液形成的氣泡粒徑偏小，且霧化顆粒密度大，粒徑主要分布在小于200μm范圍；XTG團聚液氣泡粒徑偏大，CMC團聚液氣泡粒徑介于兩者之間；0.2%CMC團聚液氣泡粒徑均勻，顆粒數(shù)量大；在距噴口軸向20cm處，氣泡破碎和聚合趨于穩(wěn)定；噴口直徑0.5mm時，氣泡霧化粒徑大多分布在100～300μm粒徑范圍內(nèi)，符合團聚脫除PM2.5的氣泡條件；隨著溫度的升高，直徑在0～300μm內(nèi)的氣泡顆粒數(shù)量增大明顯。

泡沫；團聚；氣泡；霧化粒徑；可視化；圖像處理

目前，大氣污染問題日益嚴峻，尤其是燃煤源PM2.5的治理勢在必行。利用化學團聚法治理燃煤煙氣中超細顆粒物是有效的方法，其優(yōu)點在于安全無毒，可以同時去除多種污染物［1-4］。團聚液的組成主要有絮凝劑和發(fā)泡劑。目前廣泛選擇的絮凝劑是高分子聚合物［5］，如非離子型聚丙烯酰胺（PAM）、羧甲基纖維素鈉（CMC）、黃原膠（XTG）、聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵（PFS）、海藻酸鈉（SA）和改性聚合氯化鋁（MPAC）等；發(fā)泡劑最主要的作用是降低團聚劑溶液的表面張力，進而形成豐富細密的泡沫從而增大接觸面積，使得更容易潤濕顆粒的表面。常用的發(fā)泡劑有十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉。團聚液霧化的尺寸分布、特征直徑等是霧化品質(zhì)的主要參數(shù)，也是噴霧測量的重點和難點，噴霧霧化技術(shù)直接影響團聚效果。通過研究團聚液霧化粒徑分布特性，對團聚劑的選擇、噴嘴的選擇有一定的指導性作用。

霧化特性和液滴尺寸的測量方法有很多種［6］，大致可分為三類，即機械法、電子法和光學法。機械法和電子法測量均存在的不足是測試精度不高，噴霧液滴群對測量過程造成一定的干擾。光學測量法起初缺點是儀器設備復雜，而目前應用最廣泛的噴霧粒徑測量技術(shù)是激光粒度儀，主要是基于光干涉和衍射理論，其缺點就是結(jié)果受分布模型影響較大以及儀器造價較高，分辨力較低。相對而言，圖像法對于噴霧特性研究具有很大的優(yōu)勢。例如，能夠直觀地觀察，操作較為簡便，結(jié)構(gòu)并不復雜，是一種可行的方法。

國內(nèi)外學者在圖像法觀察測量方面有了許多的研究。屈健等［7］利用高速攝影對雙T形微通道內(nèi)的液-液兩相流動進行可視化研究；盧慶［8］研究了采用圖像處理法實現(xiàn)快速自動測量柴油機噴油量；張琳等［9］利用可視化研究觀察熱流密度、流量和真空度對升膜蒸發(fā)器內(nèi)流體流型的影響。ALI等［10］利用圖像法和離子圖像測速儀觀測氣液兩相流的流動形態(tài)；ELSINGA等［11］利用PIV還原三維圖像的離子分布，研究復雜不規(guī)則的三維流動。以上研究主要是利用圖像法測量顆粒速度分布因素。陳小艷等［6］利用圖像法研究大型噴霧粒徑分布，GADGIL等［12］利用圖像處理技術(shù)對某氣泡霧化噴嘴噴出的噴霧進行了流型檢測，并得出了質(zhì)量截面分布特性。

因此，本文選擇文獻中常用的PAM、CMC、XTG作為絮凝劑，表面活性劑和發(fā)泡劑選擇十二烷基苯磺酸鈉。利用CCD拍攝團聚液霧化圖像，經(jīng)過MATLAB圖片處理分析出霧化粒徑分布和霧化顆粒密度大小，對于團聚液的選擇和噴嘴的選擇提供一定的參考。

1 實驗裝置及步驟

1.1 圖像法粒徑分布測量原理

圖像法測量是從圖像中提取有用的信息加以利用，其基礎(chǔ)是現(xiàn)代光學。測量顆粒時，把圖像作為檢測和傳遞信息的手段和載體?；趫D像傳感器的二維圖像測量方法，主要是通過CCD（charge-coupled device）或者 CMOS（complementary metal oxide semiconductor）傳感器獲取被測物體的影像信息。本次實驗采用的是CCD傳感器。CCD是一種半導體傳感器，能夠把光學圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，CCD上微小光敏物質(zhì)叫作像素（Pixel）。在CCD上植入的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。本實驗由于測量的是運動的霧化顆粒，霧化氣泡和液滴的運動會使圖像模糊，使得圖像處理的難度增加，因此把相機的曝光時間調(diào)節(jié)到最短，能夠最大程度地得到靜止的顆粒圖像［13］，再通過靜態(tài)圖像分析，得出霧化粒徑分布。

1.2 圖像法拍攝系統(tǒng)

采用科天健公司的長時間高速攝像系統(tǒng)，其中相機為德國 potronis CL600，大功率光源。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 圖像拍攝系統(tǒng)

實驗所采用的是精細霧化噴嘴，屬于簡單壓力型噴嘴，團聚液經(jīng)過水泵增壓以后經(jīng)噴嘴內(nèi)分流片流入旋流室，最后由噴口噴出。其霧化區(qū)域為空心錐形。實驗采用豎直向下噴射。使用20mL/min的小水泵供給團聚液。實驗過程中，為了捕捉運動的噴霧顆粒，采用幀曝光的方式。本系統(tǒng)選定的相機最大幀率為500fps，最大分辨率為1280×1024。為能使得霧化顆粒達到?jīng)]有拖影的目的，必須使曝光的時間足夠小，所以選用的曝光時間為 5μs，通過預實驗，采用逆光拍攝的方法，選取幀數(shù)500fps，能得到清晰霧化顆粒圖片。拍攝的圖片儲存成bmp格式，圖像處理階段再對圖片進行處理和分析。

由于拍攝距離的不同會使得拍攝的圖片放大倍數(shù)不同，因此，本實驗鏡頭和噴嘴軸線距離固定為30cm，這個距離既不會使鏡頭被霧化的團聚液污染，又有足夠近的距離拍攝出清晰的霧化顆粒。實驗前，首先對鏡頭放大倍數(shù)進行校準。校對方法，將標尺放到工作位置處（距離鏡頭30cm），調(diào)整鏡頭放大倍數(shù)及光圈，使得能清晰地拍攝出標尺的讀數(shù)，讀出豎直位置標尺的長度，相機豎直位置像元個數(shù)為 1024，進而得出每個像元的實際代表的視場尺寸，此相機的像元大小為14μm。像元尺寸（14μm）與像元實際代表的視場尺寸（標定結(jié)果）之商是系統(tǒng)的實際放大倍率。標定結(jié)果顯示，放大倍數(shù)為0.57。

實驗過程中，對各個工況下分別拍攝足夠多的圖片，以滿足統(tǒng)計樣本的要求，拍攝的典型霧化圖像如圖2所示，其曝光時間為5μs，分辨率為1280×1024。

1.3 圖片處理方法

圖像處理和分析是利用一系列的方法校正、增強、去除、變換或者壓縮可視圖像的技術(shù)，以提高圖片信息的質(zhì)量，來方便提取需要的信息。本文利用 MATLAB了編寫圖片處理程序?qū)D片進行處理［14-16］。圖片處理過程包括：背景均勻化（頂帽代換）、二值化、去噪、去除邊緣不完整圖形和去除小顆粒物等。處理后的圖像如圖3所示。圖像處理后，再次通過Matlab中的Regionprops 函數(shù)分析出顆粒圖像的面積大小，即顆粒所占的像素個數(shù)，再由相機像素元大小和標定的放大倍率獲得顆粒的真實面積，從而得到顆粒的等效面積直徑。通過對大量霧化圖像的統(tǒng)計得到不同工況的液滴粒徑分布。選取圖片的原則是按照100μs的時間間隔，對選取的圖片進行統(tǒng)計，得出平均粒徑分布。

圖2 典型的拍攝圖片

圖3 處理后的圖片

2 實驗結(jié)果分析

2.1 氣泡粒徑尺度效應估算

團聚液霧化過程中，大多數(shù)液滴形成氣泡。在氣泡和 PM2.5顆粒不斷地碰撞接觸過程，由于團聚液氣泡存在液橋力和較低的表面張力的作用，使得顆粒能夠黏附在氣泡表面，并且能夠不斷團聚，隨著顆粒附著的數(shù)量增多，主要由顆粒物的重力作用，氣泡表面的壓力差增大，最終造成氣泡的破碎，顆粒物凝結(jié)成較大的顆粒團。此顆粒團隨煙氣流經(jīng)除霧器或者濕電除塵裝置時被高效除塵。因此，在有限的流動空間中，氣泡表面黏附的顆粒數(shù)目與其氣泡粒徑有關(guān)，需要估算出氣泡破碎時的臨界粒徑與團聚顆粒物數(shù)量之間的關(guān)系。

法國數(shù)學教拉普拉斯（Laplace）在 1806年導出一個彎曲液面的表面張力系數(shù)與膜兩側(cè)壓強差Δp及曲率的關(guān)系式：，對于穩(wěn)定存在的半徑R的球形氣泡，此時R1=R2=R，因此

式中，σ為單位長度的液體表面張力。

假設氣泡內(nèi)外的氣體壓差不變，則導致氣泡破碎，破壞了表面張力平衡性時增加的Δp只是黏附顆粒物重力對氣泡的作用力造成的壓強差，以此估算團聚數(shù)量為n個PM2.5顆粒的氣泡臨界半徑R。得出式（2）。

式中，n為顆粒個數(shù)；V為PM2.5顆粒體積；ρ為顆粒密度；g為重力加速度；A為顆粒物附著在氣泡表面所占的面積。以20個PM2.5顆粒形成的顆粒團為例，此顆粒團經(jīng)過除塵裝置時極易被捕捉。則將式（2）代入式（1）中，估算團聚 n個顆粒氣泡臨界粒徑。假定團聚的顆粒都直徑 2.5μm，n=20，ρ=2400kg/m3， σ =34mN/m［17］計算得出R=170μm。

由式（1）可知，理論上，氣泡的半徑越小，可承受的壓差越大，所能團聚顆粒物數(shù)量越多。當氣泡粒徑（直徑）小于300μm時，能夠團聚更多的顆粒物。但氣泡粒徑過小就會降低氣泡與顆粒物的碰撞概率影響團聚。則本文的團聚液霧化形成氣泡的粒徑目標就是100～300μm。

2.2 發(fā)泡劑溶液霧化和水霧化粒徑對比

團聚液中，發(fā)泡劑作為改變粒徑最重要的影響因素，不僅使得霧化顆粒中產(chǎn)生氣泡，增大團聚液霧化顆粒的表面積，而且能夠降低團聚液的表面張力，使得更容易潤濕顆粒表面?？紤]發(fā)泡效果和經(jīng)濟性，選用十二烷基苯磺酸鈉作為發(fā)泡劑。因此，分別對水霧化和 0.1%發(fā)泡劑溶液霧化在距離噴嘴口下方20cm處拍攝圖片，經(jīng)圖片處理，得出平均液滴粒徑，分析平均粒徑分布規(guī)律。

由于采用逆光低曝光時間拍攝，不能清楚地判斷霧化后是否有液滴生長為氣泡，因此，選擇在拍攝截面處（距離鏡頭30cm）直立一塊玻璃板，玻璃板預先用清洗劑洗滌干凈吹干，避免油污水漬對拍攝圖像的影響，拍攝圖像如圖4和圖5所示。水霧化落在玻璃板上的液滴粒徑較小，沒有氣泡產(chǎn)生，而加入0.1%發(fā)泡劑溶液霧化后，有大量的氣泡附著在玻璃板上，可知發(fā)泡劑的加入促使霧化液滴生成了氣泡；由圖6和圖7可知，加入發(fā)泡劑后各個粒徑段上的顆粒個數(shù)都增加，由于噴出液體流量相同，初步判斷發(fā)泡劑溶液的噴淋，所形成的液滴伴隨泡沫的兩相流，增大了霧化顆粒的表面積。

圖4 水在噴出20cm處霧化顆粒分布

圖5 發(fā)泡劑在噴出20cm處霧化顆粒分布

圖6 發(fā)泡劑霧化和水霧化粒徑對比

圖7 發(fā)泡劑霧化和水霧化顆粒個數(shù)對比

2.3 絮凝劑對霧化粒徑的影響

絮凝劑是團聚液中最重要的組成部分，本文選用的是非離子型聚丙烯酰胺（PAM）、羧甲基纖維素鈉（CMC）、黃原膠（XTG）3種高分子聚合物。這種吸附劑分子在溶液可以以高分子鏈的形式存在，能夠通過分子中的活性基團吸附于極性相反的顆粒物之上，在多個顆粒物之間起到架橋的作用，達到團聚顆粒物的目的。

高分子聚合物溶液具有一個顯著的特點就是在低濃度下具有很高的黏度，而黏度過高的話，溶液內(nèi)部黏性力太大，精細霧化噴嘴使液體破碎為小霧滴的阻力增加，影響霧化效果。絮凝劑溶液分別選擇高、中、低3種濃度來進行實驗。PAM和CMC選用0.1%、0.2%和0.4%，XTG選用0.05%、0.07%、0.1%，而黃原膠（XTG）在與其他絮凝劑相同溶度下有更大的黏度。這是由實際噴霧過程中總結(jié)出來的，即如果絮凝劑超過了各自的高濃度，噴霧無法正常進行，不能得到較好的霧化效果。

實驗時，3種團聚劑分別加入質(zhì)量分數(shù)都為0.1%的PAM、CMC、XTG，都加入了0.1%的發(fā)泡劑。實驗結(jié)果如圖8，在300～800μm范圍內(nèi)各種氣泡顆粒分布差別不大，不在對比研究范圍之內(nèi)；PAM霧化氣泡粒徑偏小，且霧化顆粒數(shù)量多，粒徑主要分布在小于200μm，XTG霧化粒徑偏大；CMC霧化后粒徑介于PAM和XTG之間。由圖9可知，對于不同濃度的絮凝劑CMC溶液，霧化后，在中低濃度范圍內(nèi)，粒徑主要分布在200μm以內(nèi)，其中隨著濃度增高，小粒徑氣泡的數(shù)量增多；當濃度達到較高濃度范圍，但是霧化顆粒數(shù)量較少，粒徑分布較均勻，這是因為絮凝劑濃度高，液體黏度大，分子間作用力大，不易霧化成小粒徑顆粒。

圖8 3種絮凝劑霧化粒徑分布對比

圖9 CMC不同濃度的霧化粒徑對比

2.4 不同位置霧化粒徑分布

團聚液霧化過程中，沿噴口軸向不同位置，霧化粒徑分布不同。選取0.1%CMC和0.1%十二烷基苯磺酸鈉的團聚液，分別在距噴口軸向距離為15cm、20cm、25cm出拍攝圖像，分析粒徑分布，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，團聚液由噴嘴噴出不同距離后，粒徑400μm以內(nèi)的氣泡顆粒的數(shù)量先減小后增大；在 15cm位置上霧化顆粒粒徑小粒徑（＜100μm）所占的比例高，這是由于在距離噴口位置近，噴霧的破碎作用為主，而在25cm位置上大顆粒增多，這主要是由于顆粒碰撞，以聚合作用為主。

2.5 不同噴口直徑對于霧化粒徑的影響

對不同噴口直徑霧化進行拍攝分析，噴口直徑0.2mm的噴嘴，由于噴口直徑過小以及團聚劑的黏度影響，不能有效地霧化團聚劑溶液；由于水泵的流量限制，過大的噴嘴直徑霧化效果也不明顯。因此，選擇0.3mm、0.5mm和0.8mm噴口直徑進行霧化研究，得出不同噴口直徑霧化粒徑如圖11所示。

圖10 不同位置CMC霧化粒徑對比

圖11 不同噴嘴直徑霧化粒徑對比

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，隨著噴口的直徑增大，霧化氣泡顆粒數(shù)量呈先增大后減小趨勢，在大于900μm大粒徑氣泡顆粒只存在于 0.3mm和 0.8mm噴口直徑的霧化中。0.3mm噴口霧化顆粒數(shù)量是最小的，存在較大粒徑的氣泡顆粒，這是由于噴口直徑小，團聚液噴出速度大，顆粒之間容易發(fā)生碰撞，顆粒數(shù)量少，粒徑偏大；0.8mm的噴口霧化過程中噴出速度低，大粒徑氣泡顆粒不易破碎。由霧化粒徑分布表明0.5mm噴口霧化顆粒粒徑數(shù)量較多，且大多分布在100～300μm粒徑范圍。

2.6 溫度對于霧化粒徑的影響

除上面幾種影響因素外，溫度對于團聚液霧化粒徑分布也有一定的影響。選擇0.1%CMC團聚液，其他條件一定的情況下，結(jié)果表明，隨著溫度的升高，團聚液霧化顆粒數(shù)量在增大。如圖12所示，尤其是溫度由20℃升到60℃時，霧化顆粒粒徑在小于300μm范圍內(nèi)，數(shù)量增大明顯；在粒徑大于400μm時，隨著溫度的升高，顆粒數(shù)量減小。分析原因可能是，由于團聚液（十二烷基苯磺酸和羧甲基纖維素鈉）都是高分子聚合物組成，溫度升高促進其溶解，并且促使其分子鏈進一步柔性伸展，更容易破碎成小氣泡，因此霧化顆粒粒徑0～300μm數(shù)量增大，大粒徑霧化顆粒數(shù)量減少。

圖12 不同溫度下霧化粒徑對比

3 結(jié) 論

（1）經(jīng)過氣泡粒徑的估算，在氣泡粒徑小于300μm時理論上可實現(xiàn)理想的PM2.5團聚，氣泡粒徑越小，可團聚顆粒物數(shù)量越多。本文所采用的發(fā)泡劑，使得團聚液霧化所形成的氣泡大部分粒徑分布在小于300μm范圍內(nèi)。

（2）3種不同絮凝劑所配成的團聚劑中PAM霧化氣泡粒徑偏小，且霧化顆粒數(shù)量多，粒徑主要分布在小于200μm；XTG霧化粒徑偏大，在300～800μm范圍內(nèi)分布均勻，CMC霧化后粒徑介于PAM和XTG之間。CMC團聚液不同濃度霧化過程中，在中低濃度范圍內(nèi)，粒徑主要分布在 200μm以內(nèi)，并且隨著濃度增高，霧化氣泡顆粒數(shù)量增多；而高濃度范圍時，由于團聚液黏度增大氣泡顆粒數(shù)量較少。

（3）團聚液由噴嘴噴出不同距離后，粒徑400μm 以內(nèi)的氣泡顆粒的數(shù)量先減小后增大；在20cm位置處，霧化氣泡顆粒碰撞和破碎趨于平衡。

（4）隨著噴口直徑增大，霧化氣泡顆粒數(shù)量呈先增大后減小趨勢，在過大（D=0.8mm）和過?。―=0.3mm）噴口直徑時，粒徑偏大，數(shù)量較少，在噴口直徑0.5mm時，團聚液霧化效果最好，且霧化顆粒數(shù)量多，大多分布在100～300μm的合理粒徑范圍內(nèi)。

（5）隨著溫度的增大，促使團聚劑溶液分子鏈進一步展開，更易破碎成小氣泡，在0～300μm粒徑范圍內(nèi)霧化氣泡顆粒數(shù)量在不斷增大，在大于400μm粒徑氣泡顆粒數(shù)量減小。

本文通過可視化對團聚液霧化粒徑分布的研究，為今后氣泡團聚PM2.5顆粒提供一定的參考。下一步研究的重點，增加超細顆粒物與團聚液霧化氣泡相互作用，實驗分析團聚液霧化粒徑分布對顆粒物團聚的影響。

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Visualization study of reunion liquid atomization bubble size distribution characteristics

ZHANG Longlong，AN Zewen，JIANG Xu，WANG Cuiping
（Energy Engineering Research Institution，Qingdao University，Qingdao 266071，Shandong，China）

Reunion foam is an effective method for removal of fine particulate matter of PM2.5. The particle sizes of the reunion liquid when atomize were studied to choose the suitable bubble size and spray conditions for the aggregation of PM2.5solution. The foam bubble size and aggregate amount of particulate matter were estimated according to the formulas. By CCD，the finely atomized liquid foam movement from nozzles was recorded. To calculate the atomization bubble size and distribution，MATLAB was used for the image processing. Results showed that the atomized foaming agent could promote the liquid to form bubbles and increase the diameter of the atomized particles. The bubble size of PAM reunion liquid was small，and the atomized particle density was big，the mainly particle size was less than 200μm，while the XTG bubble size was large，and the CMC bubble size was in between. The 0.2% CMC liquid gave the uniform bubble size，and larger number of particles. At a distance of 20cm at the axial spout，the bubble crushing and aggregation were stabilized. When the spout diameter is 0.5mm，the mostly bubble particle sizes are in the range of 100 to 300μm，suitable to the bubble conditions for removal of PM2.5. As the solution temperature increases，the number of atomized bubble particles of 0 to 300μm is increased significantly.

foam；agglomeration；bubble；atomized particle size；visualization；image processing

TQ 056.1

A

1000-6613（2016）10-3086-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.011

2016-01-28；修改稿日期：2016-02-27。

山東省自然科學基金項目（ZR2015EM004）。

張龍龍（1990—），男，碩士研究生，研究方向為清潔燃燒技術(shù)。聯(lián)系人：王翠蘋，教授，碩士生導師。E-mail wangcuiping@ tsinghua.org.cn。