翁建明，金 军，林志明，沈 利，王志刚，吴迎春，吴学成，施鹏飞

(1．浙江浙能嘉华发电有限公司，浙江嘉兴 314201；2．浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027；3．浙江浙能电力股份有限公司，杭州 310007)

国内大多数燃煤电厂采用石灰石石膏湿法脱硫技术进行烟气脱硫(FGD)，这种脱硫方法具有高效的脱硫能力。鉴于湿法脱硫的技术特点，烟气经过脱硫塔后会携带大量的液滴。当烟气排放到大气之后，液滴中所含的盐类物质和粉尘会逐渐析出并形成固体颗粒物，对环境造成污染。除雾器能基本脱除粒径大于15 μm的雾滴[1-3]，是脱硫系统中的关键部件。随着脱硫系统运行时间的延长，除雾器对雾滴的脱除效率可能会大幅下降，烟气中的液滴无法被有效脱除，进而会造成除雾器结垢、烟道腐蚀和烟气阻力增大等问题。

除雾器后方烟气雾滴质量浓度的测量以离线取样测量方法为主。其中，Mg2+标定法[4-5]需要对烟气进行长时间的采样积累，再移送实验室进行标定分析，流程复杂费时，不具备实时监测能力。荷电低压颗粒物撞击法[6]虽然可以实时得到颗粒物数目和粒径分布，但该方法是将颗粒的介电常数和密度等参数设为固定值，存在一定的测量误差。光学测量技术具有无接触和响应快等优点，其中光脉动法[7-8]和光散射法[9-10]均在颗粒在线测量方面得到应用。

全息测量技术是一种三维干涉成像技术，该技术可以测量颗粒的三维位置、二维形貌和细度等参数[11-13]。数字显微全息(DMH)测量技术是一种具有放大成像能力的全息测量技术，通常采用具有一定放大倍率的物镜来接受信号光，其成像过程可以描述为带透镜的全息成像。数字显微全息测量技术常被用于边界层测量、微流体运动和活体细胞成像与追踪[14-15]。

笔者考察了DMH测量技术在雾滴测量方面的可行性。首先，搭建了DMH测量系统，利用标准颗粒考察其测量准确性。其次，利用DMH测量系统对超声雾化液滴场进行了测量，对不同雾化量下液滴粒径分布、液滴数浓度和液滴质量浓度进行了分析。

1 实验系统

图1为DMH测量系统图。激光器产生的单色激光首先经过空间滤波器进行滤波，滤波后的发散光束经过平凸透镜，变成一束平行光并照射测量区域中的颗粒。颗粒的散射光信号和直接透射测量区域的参考光被显微物镜所接收，并记录在相机中。在本实验中，激光的波长为532 nm；相机的分辨率为1 620×1 220，像元尺寸为4.4 μm×4.4 μm，曝光时间为10 μs，拍摄帧率为25帧；显微物镜的放大倍率为10倍；加装显微物镜后，通过标定得到相机的等效像素尺寸约为0.37 μm。将全息重建图像中颗粒所在区域面积所对应的等效面积圆的直径视为颗粒粒径。

利用激光多普勒测速仪(PDA)对雾滴进行测量，将PDA与DMH测量系统的测量结果进行对比。PDA测量颗粒粒径的范围为0.5～1 500 μm，采用波长为532 nm、功率为100 mW的激光器。如图1所示，将PDA的激光发射单元与信号接收单元呈一定角度布置在雾化液滴场侧面。

(a)DMH测量系统示意图

采用超声雾化器产生雾滴，超声雾化器的雾化体积流量不低于3 mL/min。采用去离子水作为雾化液体，雾滴的平均粒径d为：

(1)

式中：γ为雾化液体的表面张力系数；ρ为雾化液体的密度；F为振荡频率。

通过上述公式可以得到实验中超声雾化液滴的平均粒径约为2.9 μm。通常来讲，微米级的雾滴能保持近乎完美的球形，在体积和质量统计中可直接将其视为规整的球体。本实验首先利用搭建的DMH测量系统对标准的近单分散的聚苯乙烯颗粒进行测量，以此来验证DMH测量系统测量的准确性。采用去离子水稀释平均粒径为2.9 μm的聚苯乙烯颗粒，并用上述实验设备对聚苯乙烯进行测量。结果表明，所测得的聚苯乙烯颗粒平均粒径为3.03 μm，其测量误差为4.5%，说明本实验系统具有较高的准确度。

2 结果分析

利用相机进行连续记录，对每种工况下的265张全息图像进行统计，进而统计颗粒粒径分布以及质量浓度分布。同时，在本实验中同步采用PDA进行了测量，并将其与DMH测量系统的测量结果进行比较。

2.1 粒径分布

图2给出了不同雾化量下DMH测量系统和PDA测得的雾滴平均粒径。由图2可知，与DMH测量系统相比，PDA的测量结果明显更大，在10%、30%和50%的雾化量下两者测量结果的误差分别为24.6%、18%和18.2%。此误差可能来源于PDA信号的误差，由于雾滴质量浓度较高，会对PDA信号发生散射或者吸收，因此PDA信号在传播到探测器的过程中被测量区域的雾滴干扰，测量结果有所偏差。随着雾化量的增大，DMH测量系统和PDA测得的雾滴平均粒径均有所增大。这可能是由于雾滴质量浓度增大后，颗粒之间相互团聚的概率提高。

图2 不同雾化量下DMH测量系统和PDA测得的雾滴平均粒径Fig.2 Average droplet size measured by DMH measurement system and PDA at different atomization quantities

图3给出了不同雾化量下DMH测量系统测得的雾滴粒径的概率分布。从图3可以看出，雾滴的粒径范围为0～5 μm，在10%、30%和50%的雾化量下其概率峰值所对应的粒径分别为2.49 μm、2.58 μm和2.56 μm，数值基本一致，但测量结果明显小于上文所预测的雾滴平均粒径(2.9 μm)，这可能是由雾滴蒸发带来的误差。

(a)雾化量为10%

2.2 数浓度

图4给出了不同雾化量下DMH测量系统和PDA测得的雾滴平均数浓度。随着雾化量的增大，PDA和DMH测量系统测得的雾滴平均数浓度均呈指数增大；与PDA相比，DMH测量系统测得的雾滴平均数浓度更大。由于PDA是一种单点测量技术，能够覆盖的测量区域有限，当多个颗粒位于测量区域时，PDA仅能记录部分信号，其他信号会被剔除，因此其测得的雾滴平均数浓度可能偏小。从PDA的测量结果来看，在10%、30%和50%的雾化量下雾滴平均数浓度分别为16个/mm3、83个/mm3和598个/mm3。

图4 不同雾化量下DMH测量系统和PDA测得的雾滴平均数浓度Fig.4 Average droplet number concentration measured by DMH measurement system and PDA at different atomization quantities

图5给出了不同雾化量下DMH测量系统测得的雾滴数浓度的概率分布。从图5可以看出，在10%、30%和50%的雾化量下雾滴数浓度的概率均为单峰分布，概率峰值所对应的雾滴数浓度分别为38个/mm3、182个/mm3和1 100个/mm3。随着雾化量的增大，雾滴数浓度的概率分布曲线逐渐呈正态分布，且雾化量越大，概率峰值所对应的雾滴数浓度越趋近平均数浓度。在50%的雾化量下，雾滴平均数浓度(1 116个/mm3)与概率峰值所对应的雾滴数浓度(1 100个/mm3)基本一致。

2.3 质量浓度

对于本实验而言，测量区域的尺寸大致为599.4 μm×451.4 μm×486 μm，雾滴被视为球体，其密度为1 000 kg/m3。在10%、30%和50%的雾化量下，DMH测量系统测得的雾滴平均质量浓度分别为279.3 mg/m3、1 314 mg/m3和8 314.1 mg/m3。

图6给出了不同雾化量下DMH测量系统测得的雾滴质量浓度的概率分布。由图6可知，在10%、30%和50%的雾化量下雾滴质量浓度的概率均为单峰分布，概率峰值对应的质量浓度分别为194 mg/m3、1 162.6 mg/m3和8 314.1 mg/m3。随着雾化量的增大，雾滴质量浓度的概率分布曲线逐渐呈正态分布，且概率峰值所对应的雾滴质量浓度趋近平均质量浓度，特别是雾化量为50%时两者相等。

(a)雾化量为10%

(a)雾化量为10%

3 结 论

(1)随着雾化量的增大，DMH测量系统测得的雾滴平均粒径也增大。这可能是因为雾滴质量浓度增大后，颗粒之间相互团聚的概率提高。

(2)在10%、30%和50%的雾化量下，雾滴粒径的概率峰值所对应的粒径分别为2.49 μm、2.58 μm和2.56 μm，三者基本一致，但测量结果明显小于上文预测所得的雾滴平均粒径，这可能是由雾滴

蒸发带来的误差。

(3)随着雾化量的增大，雾滴数浓度的概率分布曲线逐渐呈正态分布，且雾化量越大，概率峰值所对应的雾滴数浓度越趋近平均数浓度。

(4)随着雾化量的增大，雾滴质量浓度的概率分布曲线逐渐呈正态分布，且概率峰值所对应的雾滴质量浓度趋近平均质量浓度，特别是雾化量为50%时两者相等。