【毕业学位论文】（Word原稿）循环流化床锅炉流动特性的图像分析研究-热能与动力工程

内蒙古科技大学 本 科 生 毕 业 论 文 题 目： 循环流化床锅炉流动特性的 图像分析研究 学生姓名： 学 号： 0607126213 专 业：热能与动力工程 班 级：热动 06 指导教师：武文斐 教授 李海广 工程师 内蒙古科技大学毕业论文 I 摘 要 本研究主要 在前人的基础上通过自行设计图像处理 软件并且结合传统 的图像采集技术对循环流化床气固两相流作出简单的分析研究。研究 的 内容主要包括： 软件具有人机交互界面，其 功能包括 图像的二值化，原图和增强后直方图，对原图不同区域着色，图像目标提取及边界提取，颗粒团的计算，运动图像矢量图的绘制等。 验的模型 整体高 3470截面最大尺寸为 300280验采用的床料为各种粒径的玻璃微珠。实验 中我们对 不同工况、不同颗粒度、不同 高度的 床料 以及不同高度区域 进行 了长时间的连续拍摄，首先分析了底部区域影响气泡大小、形状的原因，以及计算气泡的面积比。其次分析了）以及影响颗粒团（簇）的各种因素。 通过分析研究知道影响气 泡形状、大小的因素有：风速（工况大小）、料层高度、床料颗粒度 及 风帽 和床体固有特性 等因素。 关键词 :图像分析处理软件 ； 图像目标提取 ； 边界提取 ； 颗粒团的计算 ； 运动图像矢量图的绘制 ；气泡的面积；面积比；颗粒团；影响因素 内蒙古科技大学毕业论文 is on by to a 1. of a of of 2. by to of 00 280of We of of of of of of to of FB in of of of of of of so of 蒙古科技大学毕业论文 1 目 录 摘 要 . I . 一章 绪论 . 1 环流化床燃烧技术 . 1 环流化床锅炉 . 1 内外研究现状 . 4 . 4 . 9 文主要研究内容 . 10 第二章 基于 图像处理软件”的编制 . 12 介 . 12 像处理软件设计原理 . 12 像处理的基本原理 . 13 波实现的原理 . 13 像增强原理 . 14 像边界提取的原理 . 14 标区域几何特征描述 . 15 量图绘制原理 . 15 图像处理软件设计思路及实现 . 17 像处理软件设计流程 . 17 像处理 面设计概述 . 17 于 . 19 图像处理软件” . 19 图像处理 软件”回调函数 的 编写 . 22 序调试 . 23 试的基本任务 . 24 . 24 行和结果显示 . 25 第三章 循环流化床实验台及测试系统 . 31 循环流化床冷态实验台 . 31 . 32 . 32 验床料 . 34 内蒙古科技大学毕业论文 2 模型参数计算 . 34 . 34 . 35 图像处理系统的构建 . 35 压力及流量测量系统简单介绍 . 36 测试区获得清晰图像的调整过程 . 36 实验方案的设计 . 37 验研究的目的 . 37 验的具体内容 . 37 第四章 实验结果及分析 . 39 环流化床底部区域流动特性图像研究 . 39 图像分析气泡的流动结构 . 39 析不同料高对气泡的影响 . 41 析不同风压（风量）对气泡的影响 . 42 过图像分析颗粒团的一些特性 . 44 同颗粒度、相同料 位高度，不同工况时的颗粒团 . 44 第五章 心得体会与全文总结 . 50 获心得体会 . 50 文总结 . 51 论 . 51 究展望和不足之处 . 51 研究创新点 . 52 参考文献 . 54 致 谢 . 56 附录 A 气泡与颗粒团面积比 . 57 附录 B 英文书籍翻译 . 59 附录 C 中英文参考文献 . 80 内蒙古科技大学毕业论文 1 第一章 绪论 环流化床燃烧技术 作为人类生存必不可少的两大重要因素，能源与环境越来越受到各国政府和国际社会的关注。 从 1970 年鲁奇公司将循环流化床技术应用于燃煤锅炉并取得成功， 1971 年出一个循环流化床流态图，并描述了循环流态化的基本特征， 1976年 1，人们开始认识到对循环流化床燃烧技术研究的重大意义，因此于 二十世纪 八 十年代 开始形成了一个循环流化床基础的研究高潮 。 循环流化床燃烧是介于链条炉固定燃烧和煤粉炉悬浮燃烧之间的一种燃烧方式，这种燃烧方式具有效率高，低污染等优点，克服了鼓泡床锅炉难大型化和煤粉炉燃烧脱硫、脱硝费用高等缺点，近二十年来得到了快速的发展。 因此 这是一种清洁、节约能源的煤燃烧技术 。 经过长期的发展，目前流化床锅炉可分为鼓 泡流化床锅炉、循环流化床锅炉、旋涡流化床锅炉和增压流化床锅炉等。目前发展最快、应用最广的就是循环流化床锅炉。 环流化床锅炉 鼓泡流化床锅炉与链条炉和煤粉炉相比具有更突出的优点。但是运行于鼓泡态的流化床锅炉存在飞灰含量高、燃烧效率低、埋管受热面磨损严重和脱硫剂利用率低等固有缺点，为了解决以上问题， 1982年德国鲁奇公司首先研制出循环流化床锅炉（ 循环流化床锅炉 ） 2，热功率 84循环流化床锅炉采用的是一种流态化 的燃烧方式， 如图 谓流态化 就是当气体（或液体）以一定的速度流过固体颗粒层，并且 气体对固体颗粒产生的作用力与固体颗粒所受的其他外力相平衡，固体颗粒层就会曾显出类似流体状态的性质，这种由于固体颗粒群与气体（或液体）接触时，固体颗粒转变为类似流体的状态便是流态化。 本文涉及的是气固流态化。 主循环回路是循环流化床锅炉的关键，其主要作用是将大量的高温固体物料从气流中分离出来，送回燃烧室，以维持燃烧室稳定的流态化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应，以提高燃烧效率和脱硫效率。因此与其它锅炉相比，循环流化床锅炉增加了高温物料循环回路部分，即分离器、回料阀；另外还增加了底渣冷却装置 冷渣器 。分离器是主循环回路的关键部件，其作用是完成含尘气流的气固分离，并把收集下来的物料回送至炉膛，实现灰平衡及热平衡，保证炉内燃烧的稳定与高效。从某种意义上讲，循环流化床锅炉的性能取决于分离器的性能。回料阀的作用一是将分离器分离下来的固体颗粒反送回炉膛，实现锅炉燃料内蒙古科技大学毕业论文 2 及石灰石的往复循环燃烧和反应；二是通过循环物料在回料阀进料管内形成一定的料位，实现料封，防止炉内的正压烟气反串进入负压的分离器内造成烟气短路，破坏分离器内的正常气固两相流动及炉内正常的燃烧和传热。冷渣器的作用是将炉内排出的高温底渣冷却到 150以下， 从而有利于底渣的运输和处理。 炉膛回料风分离器送灰器尾部烟道二次风燃料、石灰石一次风灰渣稀相区密相区图 环流化床锅炉原理简图 循环流化床锅炉脱硫是一种炉内燃烧脱硫工艺，以石灰石为脱硫吸收剂，燃煤和石灰石自锅炉燃烧室下部送入，一次风从布风板下部送入，二次风从燃烧室中部送入。石灰石受热分解为氧化钙和二氧化碳。气流使燃煤、石灰颗粒在燃烧室内强烈扰动形成流化床，燃煤烟气中的 了提高吸收剂的利用率，将未反应 的氧化钙、脱硫产物及飞灰送回燃烧室参与循环利用。 实际经验表 明，将流化床锅炉烟气中的过量氧控制在 2%，燃烧温度控制在 830， 钙硫比达到 3时，脱硫率可达 95 98%。 同时，由于较低的炉内温度，循环流化床锅炉中生成的 要由燃料 成，即燃料中的 N 转化成的 热力 空气中的 N 转化成的 3 图 状态 生成量很小；同时循环流化床锅炉采用分级送风的方式即一次风从布风板下送入，二次风分三层从炉膛下部密相区送入，可以有效地抑制 此循环流化床锅炉中的污染物排放很低 2。 一次风机抽吸环境空气，经过一次风空气预热器加热；热一次风流经炉膛底部的大风 箱和炉前给料喷嘴进入炉内。一次风机的出力由入口导向叶片控制。一次风机还向启动燃烧器、冷灰器和给料机提供空气。二次风机提供燃烧所需空气量的余下部分。二次风机抽吸环境空气，经过二次风空气预热器加热；二次风将在两个标高处喷射入炉膛以提供分级燃烧空气。二次风上部为稀相区，下部为密相区。 在循环流化床锅炉中，一般根据物料浓度的不同将炉膛分为密相区、过渡区和稀相区三部分，密相区中固体颗粒浓度较大，具有很大的热容量，因此在给煤进入密相区后，可以顺利实现着火，因此循环流化床锅炉可以燃用无烟煤、矸石等劣质燃料，还具有很大的锅 炉负荷调节范围；与密相区相比，稀相区的物料浓度很小，稀相区是燃料的燃烧、燃尽段，同时完成炉内气固两相介质与炉内受热面的换热，以保证锅炉的出力及炉内温度的控制。 当气体通过布风板自下而上地穿过固体颗粒随意填充状态床层时，整体床层随气体流速的不断增大而呈现完全不同的状态： 床层一次经历固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床，最终达到气力输送 1。图 上所述我们可以看到循环流化床锅炉与常规燃烧方式相比， 其 主要有以下特点 1， 3,4： （ 1）燃料适应性广。 由 于飞灰再循环可以改变床内的吸热份额，因此循环流化床对燃料的适应特别好。其几乎可以燃烧各种煤以及洗矸、煤矸石、焦炭、油页岩、垃圾等，这使得劣质煤的高效利用具有重大意义。 （ 2）燃烧预处理系统简单。循环流化床锅炉的燃料粒度一般为 0 13煤粉锅炉相比，燃料的制备与破碎系统大为简化。 （ 3）燃烧效率高。 循环流化床锅炉 燃烧室内气固混合良好，且大部分未燃烬的颗粒能够经旋风分离器分离后被重新送入炉膛反复循环燃烧，为燃料提供了足够的燃烧时流化速度、空隙率增加 内蒙古科技大学毕业论文 4 间，燃烧效率通常可达 （ 4）负荷调节范围宽。循环流化床 锅炉的负荷调节范围大，可以在 20 110负荷范围内调整。 （ 5）污染物排放低。由于燃烧温度较低（ 850 950），而且可以在燃烧过程中添加脱硫剂方便地实现炉内脱硫，此外脱硫剂可以在炉内循环利用， 循环流化床锅炉 可以达到较高的脱硫效率。较低的燃烧温度以及分级配风使得 循环流化床锅炉 可以抑制 1/4。 （ 6） 燃烧强度大 与炉内传热能力强 。 由于炉料处于流化状态，与空气的混合程度很高，而且加上飞灰的再循环燃烧，其燃烧强度比常规锅炉高的多。炉内的传热是上升的烟气和流化 的物料与受热面的对流、辐射换热，对流强度高，使得炉膛内气固两相流混合物对水冷壁的传热系数大幅提高，这就可以使设备紧凑，降低金属消耗。 （ 7）运行成本低。由于 循环流化床锅炉 的燃料适应性好，可以采用劣质燃料，燃料成本要比煤粉炉低；此外， 循环流化床锅炉 的炉渣还可以综合利用，作为水泥熟料的添加物。 总结了那么多优点，并不是循环流化床锅炉没有缺点，在当前研究结果表明，循环流化床锅炉存在烟风系统阻力较高，风机耗电大、锅炉部件磨损严重、实现自动化难度大等缺点。因此效率高、污染少、阻力低、体积小、磨损轻的循环流化床锅炉有待 于继续深入研究。 内外研究现状 目前，包括美国在内的很多发达国家都在致力于循环流化床电锅炉的研究。他们高度重视循环流化床燃烧技术的开发，许多有关的高等院校，科研机构一直在开展研究工作，经常举行各种国际性学术会议研讨循环流化床锅炉发展技术。对循环流化床锅炉的颗粒聚集行为、颗 粒速度法分布、床层空隙率分布、气体速度分布、气固两相流特性都作 出 了相应的研究 【 5】 。但循环流化床的气固两相流十分复杂，有些方面研究的还不够彻底。 内对 动特性图像的研究 我国学者田子平 【 6】 陈俊 【 7】 等 通过自行设 计并搭建试验台如图 其利用 图像快速采集功能，获得了不同气速下流化床内流态图像，并用图像处理方法对这些原始图像进行了有效的处理。 研究了贴壁回探流、 气体局部扩散系数、 局部空隙率随横内蒙古科技大学毕业论文 5 向位置和高度的分布、 气泡的上升速度 ,给出了实验中气泡边界曲线的分维数。分析依据图 图 态循环流化床实验系统图 图 泡态图像 图 粒分布和汽泡分布 图 粒团图像 通过实验研究分析作者得出如下结论： （ 1）在鼓泡态时中心区空隙率较大 ,越往两 边 ,空隙率越小 ,这与平均灰度的分布一内蒙古科技大学毕业论文 6 致这也是。于中心区气泡形成的几率较大，而边壁有颗粒下降流存在。另外随着高度的增加，空隙率也会增加，这是因为鼓泡态存在明显的下部密相区和上部稀相区。 （ 2）湍流床流化图像灰度随横向位置和高度变化规律与鼓泡态相似。局部空隙率随横向位置和高度的分布情况也同鼓泡态相似，中心区空隙率较大，两侧空隙率较小。随着高度的增加，空隙率也在增加。有一点不同的是空隙率在横向上的变化趋缓，这个现象在床顶部尤为明显。 （ 3）快速流化床时边壁聚集的颗粒会减少，空隙率反而会上升。中心区由于有大量的上行 气流，所以空隙率会加大，且随着高度的增加，颗粒相在减少，空隙率又会提高。 （ 4）随着流量的增加。图形向灰度大的方向迁移，也就是说亮度在加大，这是因为气泡相比例在扩大，颗粒在减小。 （ 5）随着流量的增大局部空隙率也在逐渐增大，局部扩散系数在减小。 浙江大学的王勤辉 【 8】 教授 等人利用高速数字摄像与激光相结合的图像拍摄系统， 即基于 构及其运动。 其冷态实验 通过该实验他们也总结出一些结论 ： 图 环流化床冷态实验台 （ 1）循环流化床过渡区和稀相区颗 粒团的存在及特性不尽相同。较低的物料循环流率下过渡区就出现较多的颗粒团，其形成和破碎频率较高，而稀相区颗粒成团只有当内蒙古科技大学毕业论文 7 颗粒粒径足够小，床内颗粒的质量浓度达到一定时才开始出现。 （ 2） 床内存在的颗粒团依据结构形态分成抛物体状 松散型颗粒团 ,致密型颗粒团 ,贴壁带状颗粒团以及小颗粒团等几类。 图 粒团形状 （ 3）颗 粒团的运动速度在一定范围内快速变化其轴向速度一般远大于径向速度 （ 4）上升颗粒团的破碎一般是由于气流的冲刷引起，而下落颗粒团的破碎原因有两种可能，一种是被气流吹散；一种是沿着壁面流 动或与边壁环形浓相区颗粒团叠加，逐渐被气流冲刷削薄，形成浓相区边壁流动。 其 结论的图片显示为 图 运动中颗粒团的形状。 图 过渡区上升颗粒团和下落颗粒团轴向速度变化， 图 。图 图 内蒙古科技大学毕业论文 8 图 密型颗粒团的大 小和演变过程 尹斌等 人 对内循环流化床运用可视化方法研究了气泡的运动轨迹和运动速度 9。这些研究工作对可视化技术应用到冷态和热态循环流化床气固流动特性研究中具有很大的指导作用 ,也 具有很大的实际意义。 内蒙古科技大学毕业论文 9 外对 动特性图像的研究 国外在这方面的 也是近几年发展起来的 ， 美国 1998 年由 10】 利用计算机视频成像技术来测量粒子速度和空隙率的轴向和径向分布，其采用的测试系统如下图 示， 图像经过处理显示为黑白两种颜色，据此可以测 量出粒子间的空隙率。 作者 通过研究粒子的存在框架，然后比较周长灰色水平 和形象的粒子来区分粒子对焦和出焦中心。最后和应用标准玻璃珠软件计算结果相比，结果基本相似。 图 化床示意图和视频成像系统 西弗吉尼亚大学的 11】 评价了 估算 循环流化床（ 管内壁 数字视频观察颗粒局部浓度有关的错误。 提出了评估潜在表明粒子数，位置，以有效和可靠的方式集中的方法。 【 12】 等人研究了 气泡流动的三种形式：多气泡流、单一气泡流、充分发展气泡流。影响气泡大小的是布风板压降，而开孔数量及开 孔率大小并不重要；另一个影响流化状态的因素就是气速。无节涌流化床的流化区域通常有下面三种气泡存在形式。 图 是他们研究气泡区域所得的结果。 内蒙古科技大学毕业论文 10 图 献 12中冷态 2 :已定义的区域， ：过渡区域 文主要研究内容 有国内外研究结果看出，近十多年来，越来越多的研究者运用可视化技术研究循环流化床的流动特性。由于流动可视化技术提供了整个流场流动行为的信息，通常不能提供定量的速度数据，但图像处理技术的最新进展提出了流动测量的可能性，使流动可视化技术得 到研究者的普遍重视。这些图像处理技术包括去除背景光和噪音、中值滤波、调整对比度、应用一些专用软件等。可视化应用到循环流化床可详细观察流化状态和相应的流体结构，并且可通过大量图像的数字图像处理和图像识别获得各种局部参数，从而确定床料在床内的流动规律，揭示床内的流动结构和颗粒聚团、气泡生成规律等。 本课题研究内容主要包括以下几方面： （ 1）编写图像处理软件程序，完成了基于 画出 流场 运动矢量图 的软件，（具有人机交互界面，能够进行数据的量化处理，并内蒙古科技大学毕业论文 11 将数据显示出来） 。 （ 2） 在前辈们的基础上，继续研究 气泡和 颗粒团对气固两相流的影响，通过调整不同的颗粒粒径筛分比例、不同的流量大小、不同窗体位置来获取图像，进而对图像进行分析。 研究颗粒的流动问题，使其更好的流化，应用软件作出流场矢量运动图像以及分析颗粒的团聚问题。 同时我们还要分析鼓泡床阶段汽泡的一些特性 ，因为在汽泡的研究方面国内很少见到有关的报道。 （ 3）研究如何获得更加清晰、有效的图像，通过在实验台上的各种 试验 选出最好的方法。 内蒙古科技大学毕业论文 12 第二章 基于 图像处 理软件”的编制 美国 学软件 ，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境 【 13】 。本章主要应用该软件进行图像处理软件的编制，并且讲述一些编程依据的理论。 介 名字是由 阵）和 验室）两个字的前三个字母组合而成。 该语言主要用于数值计算及可视化图形处理的工程语言。其应用颇为广泛，例如在数值分析计算领域、工程应用领域、科研领域等重大项 目领域都起到了不可估量的作用。该软件主要包括 大部分。 该软件诞生于美国 20 世纪 70 年代后期， 士和他的同事构思并为学生设计了处于萌芽状态的 后于 1984年， 司，专门从事 件开发，从此 始走入市场 。 计算、可视化及编程于一身。因此 其高效的数值计算、先进的可视化工具、直观灵活的语言、高强的开放性与 可扩展性而闻名于世。其次 基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 ， 且 使 新的版本中也加入了对C， C+ ， 支持。可以直接调用 ,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 以创建图形用户界面 ,它是用户和计算机之间交流的工具。 所有 持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法 ,随着版本的提高 ,这种能力还会不断加强。而且具有强大的绘图功能 ,可以轻松的获得更高质量的曲线图。 像处理软件设计原理 本图像处理软件包括两个部分，一个是对图像的基本处理计算，这些技术包括包括去除背景光和噪音、滤波、调整对比度 ，然后对图像进行二值化处理，计算颗粒团的高度，长度以及面积等内容。另一个 是 作出两张运动图像的矢量图。 内蒙古科技大学毕业论文 13 像 处理 的基本 原理 我 主要运用 图像处理工具箱对图像进行各种运算 ,并结合直方图进行滤波除噪、调整对比度使图像增强 ,将原来不清晰的图像变得清晰 ,从而使人们感兴趣的某些特征被强调出来。通过采用一系列的技术改善了图像的视觉效果 ,将图像转换成一种更适合于人或机器进行分析处理的形式 ,有选择地突出便于人或机器分析的某些感兴趣的信息 ,同时抑制了不感兴趣的特征 ,提高图像的使用价值。 波实现的原理 滤波的目的一是抽出对象的特征作为图像识别的特征模式 ;另一个是为适应图像处理的要求，消除图像数 字化时所混入的噪声。对滤波处理的要求有两条 :一是不能损坏图像的轮廓及边缘等重要信息 ;二是使图像清晰视觉效果好。 滤波的方法有很多 ，主要可以分为频域法和空间域法两大类。频域法是将图像从空间域变到频域，对图像的变换系数值进行运算，然后通过逆变换获得增强图像。这是一种间接的图像滤波方法。而空间滤波方法是一类直接的滤波方法，它在处理图像时直接对图像 的 灰度 作 运算。 空域滤波又分为线性和非线性两大类，由于本研究对图像的处理要求 有清晰的边界 ， 因此本软件 设计 选用非线性平滑滤波器（中值滤波）。 中值滤波器是将像素（中值计算中包 括的原像素值）邻域内灰度的中值代替该像素的值。中值滤波器的使用非常普遍，这是因为对于一定类型的随机噪声，它提供了优秀的去噪能力，比小尺寸的线性平滑滤波器的模糊程度明显要低。 其理论依据为 1971 年由 出的 中值定义 13。 即一数组 1x ， 2x ， 3x ， 把 n 个数值的大小顺序排列如下： 1 2 3i i i x x x ，那么中值的定义如式子 2 (121 2 3( 1 )( 1 )22, , , , 12m e d x x x xx x n ） 为 奇 数为 偶 数（ 2 其中 x ， 2x ， 3x ， 中值。把一个点的特定长度或形状的领域成为窗口，就可写出一维中值滤波器的输出公式 2 , , , ,i i i u u i uy m e d x m e d x x x （ 2 以 2, ( , )i j I表示数字图像各点灰度值，设 A 为滤波窗口， 由 2容易推内蒙古科技大学毕业论文 14 出二维中值滤波的定义公式 2 2, , ( , ) , ( , )i j A i j i r j sy m e d x m e d x r s A i j I （ 2 14 图像增强的目的是采用一系列技术去改善图像的效果，或将图像转换成一种更适合于进行分