活性焦预处理（共7篇）
活性焦预处理 篇1
6月19日, 辽河油田曙光污水处理厂二期改造工程正在紧锣密鼓进行。这项工程正在运用一项被称作“活性焦二次吸附与固定化微生物曝气生物滤池组合工艺”的全新工艺。据测算, 运用这项工艺, 辽阿油田在实现稠油污水达标处理的同时.可减少投资1.2×108元, 吨水处理运行成本控制在6元以内。
稠油污水处理成本高是辽河油田提质量、增效益、实现可持续发展中的一道难题。作为集团公司重大科技专顶《稠油热采节能节水关键技术研究》的重点攻关项目, “活性焦二次吸附与固定化微生物曝气生物滤池组合工艺”受到辽河油田管理层的高度重视。据了解, 运用这项生物技术实现稠油污水处理达标, 其基本原理是应用活性焦对污水进行前后两次吸附, 最大限度地降低污水杂质浓度, 再通过固定化微生物曝气生物滤池进行生化反应和降解, 最后实现污水变清流。这种生物技术污水处理方式成本低, 伴生物还可以再利用, 经济性较高。
在研究攻关取得进展的同时, 辽诃油田科技人员进一步开展现场中试试验, 使单位时间污水处理能力进一步提高, 这项技术巳获得国家发明专利。
活性焦预处理 篇2
关键词：烧结,球团,烟气治理,活性焦,干法,脱硫,脱硝,二噁英
我国钢铁行业的污染物排放量仅次于火电行业, 烧结球团烟气是钢铁企业污染物排放的主要来源, 烧结球团烟气中含有颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、重金属、二噁英等污染物。当前空气中PM2.5超标是造成雾霾天气的重要原因, 而烧结球团厂排放的污染物也是PM2.5的重要来源, 控制烧结球团烟气中的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放已经成为钢铁企业的重点工作。
1烧结球团烟气净化技术发展趋势
自2004年起, 国内钢铁企业陆续开始进行烧结烟气脱硫工作, 我国烧结球团烟气净化工艺多数是借鉴火电燃煤锅炉脱硫工艺发展起来的, 目前已投运的脱硫工艺种类较多, 一般按照脱硫副产物分类, 将脱硫工艺分为湿法脱硫工艺 (如石灰石石膏法、氨法等) 、半干法脱硫工艺 (如循环流化床法、旋转喷雾干燥法等) 和干法脱硫工艺 (如活性焦吸附法等) 。
湿法脱硫工艺应用最早, 存在腐蚀严重、白烟及颗粒物排放不达标等问题;同时湿法脱硫工艺只针对烟气中的二氧化硫, 其他污染物去除效果不明显;基于以上缺点, 目前新建烧结球团烟气净化项目已较少采用。
半干法脱硫工艺流程短、占地小, 同时半干法脱硫工艺对烟气中的二氧化硫、颗粒物均有较好的去除效果;近年来半干法脱硫工艺应用较多。但半干法脱硫工艺无法去除烟气中的氮氧化物、同时产生大量固体废物 (主要成分为亚硫酸钙) , 该固体废物很难资源化再利用, 造成二次污染。
活性焦吸附法对烟气中的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等污染物具有较好的去除效果, 可以实现多种污染物协同处理;副产物为98%硫酸, 实现了资源的循环利用, 是目前公认最先进的烧结球团烟气净化技术, 符合烟气净化技术的发展趋势。
2活性焦烟气净化技术简介
(1) 基本原理 (1) 利用活性焦的变温吸附性能, 在低温时将气体中SOX (SO2、SO3) 吸附, 吸附态的SO2在烟气中氧气和水蒸气存在的条件下被氧化为H2SO4, 并被储存在活性焦孔隙内。在高温时, 活性焦所吸附的H2SO4与活性焦反应被还原为SO2, 同时硫酸铵会受热发生分解, 二氧化硫回收利用, 活性焦恢复吸附性能, 循环使用。活性焦的加热再生反应相当于对活性焦进行再次活化。活性焦在循环使用过程中, 吸附和催化活性不但不会降低, 还会有一定程度的提高。 (2) 活性焦通过物理吸附可脱除烟气中20~30mg/Nm3的NOx。活性焦还具有催化活性, 向烟气中喷入氨后, 在活性焦的吸附、催化作用下氨与NOx (NO、NO2) 发生选择性催化还原反应生成氮气和水, 可大幅度降低烟气中NOx含量, 实现烟气高效脱硝。 (3) 重金属一般以多种化合物的形式吸附于活性焦的微孔中, 特别是硫酸盐或氯化物。对于汞, 活性焦不仅可以高效率地吸附去除Hg+、Hg2+, 对于元素汞同样可以通过化学反应去除。 (4) 活性焦颗粒的过滤作用, 使得吸附层相当于高效颗粒层过滤器, 在惯性碰撞和拦截效应作用下, 烟气中的大部分粉尘颗粒、酸雾在床层内部不同部位被捕集, 完成烟气除尘净化。 (5) 活性焦具有广谱的吸附特性, 在净化塔内活性焦能够吸附二噁英等多种有机化合物。活性焦再生时, 在120℃以上部分二噁英的分子结构发生异构化, 300~400℃是二噁英再合成温度区间, 可以完全分解。
(2) 工艺流程烟气通过活性焦脱硫装置被净化, 吸附饱和的活性焦靠重力流至再生装置, 通过加热使活性焦再生, 释放出的高浓度SO2混合气体采用成熟的工艺技术生产商品浓硫酸, 既可实现硫资源的有效回收利用, 又能产生良好的经济效益, 降低或抵消一部分脱硫装置的运行费用;再生后的活性焦经筛选后由活性焦输送系统送入活性焦脱硫装置循环使用, 筛下的少量小颗粒活性焦可作为烧结机、锅炉等热力设备的燃料。
(3) 技术特点将资源化活性焦干法脱硫工艺与当前钢铁行业应用的石灰石/石膏湿法和循环流化床半干法两种脱硫工艺的技术特点对比, 可以得知活性焦烟气净化工艺具有以下优点: (1) 减排:多种污染物同时去除。 (2) 无废水、废渣、废气等产生, 不产生二次污染。 (3) 对工况适应性强, 能适应烧结烟气量、烟气温度以及SO2浓度频繁波动的特点。 (4) 节水:脱硫过程基本不耗水。 (5) 资源回收:副产物为98%硫酸, 实现资源循环利用。
(4) 钢铁行业活性焦烟气净化国内外技术对比2015年5月, 由中冶北方工程技术有限公司总承包建设的联峰钢铁2#450m2烧结机烟气净化工程成功投运, 该工程与国内外同类工程相比在工程投资、运行费用方面均有显著降低, 主要原因为: (1) 高效的吸附塔结构, 提高了塔内活性焦利用率, 装置内活性焦的循环量小, 系统活性焦消耗量及活性焦再生所需能耗均有不同幅度下降。 (2) 优化吸附塔设计, 脱硫脱硝一体化装置系统阻力低 (不超过3000Pa) , 系统能耗低。 (3) 系统设备完全国产化, 装置的运行维护费用低。
3结语
活性焦烟气净化技术在去除烟气中多种污染物的同时, 实现了硫资源回收。是一种适合当前环保要求先进的一体化的烟气节能减排技术。国产化活性焦烟气净化技术经过大量的工程实践, 在工程投资和运行费用等方面均有显著降低, 更适合我国烧结球团烟气治理的现状。随着国家环保要求日益严格, 钢铁企业环保压力越来越重, 活性焦烟气净化技术在烧结球团烟气综合治理领域应该得到推广和应用。
参考文献
[1]鲁健.烧结烟气特点及处理技术的发展趋势[J].内蒙古科技大学学报, 2012, 1 (3) :227-230.
活性焦预处理 篇3
1 烟气脱硫脱硝技术概况
目前,烟气脱硫脱硝技术主要采用脱硫和脱硝分别进行的工艺,脱硫以湿法为主,脱硝主要采用NH3选择性催化还原(SCR)技术。典型的湿法脱硫工艺是利用碱性浆液或溶液作吸收剂,其中使用最多的是石灰石/石灰一石膏湿法工艺。这是目前脱硫效率最高的烟气脱硫(FGD)技术,在钙硫摩尔比值为1.1～2.5时,脱硫效率可达98%[2]。我国对此工艺主要是在引进国外技术的基础上进行消化吸收,但在一些关键设备的制造加工方面与国外仍有差距。此工艺的缺点是工程庞大、初期投资和运行费用高,且需要大量的水;另外,副产物石膏如不能得到有效利用,易形成二次污染[3,4]。
SCR脱硝技术是指在含氧气氛中利用催化剂和NH3将烟气中的NOx还原成N2和H2O。国外经过30多年的研究和工业实践,开发了以V2O5/TiO2为主要成分的工业催化剂,脱硝反应温度控制在370～430℃时,脱硝率达80%以上[5]。然而,由于脱硫后的气体温度较低,需要在脱硝装置前,将烟气温度重新加热到SCR的反应温度区间,造成脱硫脱硝技术工艺复杂、热能损耗大,并且我国在此工艺中使用的催化剂主要依赖进口,价格高,因此,投资和运行费用高。
近20年是烟气中SO2和NOx同时脱除技术发展最快的时期。按脱除机理不同,这些技术可分为2大类,即同时脱硫脱硝(Simultaneous SO2/NOx Removal)技术和联合脱硫脱硝(Combined SO2/NOxRemoval)技术。同时脱硫脱硝技术是指用一种吸附剂在同一过程内将烟气中的SO2和NOx同时脱除的技术,如钙基同时脱硫脱硝技术。另外,应用电场技术的烟气净化方法也在研究、开发之中,如电子束法、电晕放电法等技术。目前,同时脱硫脱硝技术的相关研究大都处于试验研究阶段,离大规模工业化应用尚有一定距离。
2 活性焦联合脱硫脱硝技术
活性焦是以煤炭为原料生产的一种新型炭材料,其生产过程与活性炭基本相同,但生产条件、原料、配方和主要设备结构与活性炭生产工艺差别很大,均需要根据活性焦的特点进行改进。近年来,日本、德国、美国等国以及我国的煤炭科学研究总院相继开发出了综合强度高、比表面积较小的活性焦。活性焦是SO2的优良吸附剂,也是NH3还原NO的优良催化剂。目前,已经开发的脱硫脱硝催化剂及其使用温度[6]见表1。
活性焦能在110～150℃时将NO催化还原成N2和H2O,此温度范围恰好在工业锅炉烟气排放温度范围内,因此,无需对烟气加热。活性焦烟气脱硫脱硝技术无二次污染,可循环使用,脱除效率高。美国政府调查报告认为,该技术是最先进的烟气脱硫脱硝技术[7]。然而,活性焦联合脱硫脱硝的机理仍需进一步研究,工艺还需完善。
2.1 活性焦脱除SO2和NOx的机理
目前各国学者对活性焦脱除SO2的机理研究较多,所得出的结论不尽一致,但基本能够达成共识的是:活性焦对SO2和NOx的吸附有物理吸附和化学吸附2种方式,当烟气中无水蒸气和氧气存在时,主要发生物理吸附,吸附量非常小;当烟气中有足够量的氧气和水蒸气时,发生物理吸附的同时也发生化学吸附[8,9]和表面反应。活性焦表面的S02被催化氧化为H2SO4,其反应式为
对于炭类催化剂的SCR反应文献报道不多,Zhu等[10]研究表明,以活性焦为催化剂,SCR工艺必须用NH3作吸附剂;Mochida等[9]认为,在活性炭纤维上,NH3吸附反应所需温度为100～150℃,其反应式为
活性焦再生有水洗和加热2种方法。水洗活性焦再生需要大量的水,而且产生酸水形成二次污染,故很少使用。活性焦再生通常是将富含SO2的活性焦加热到350℃以上,发生如下化学反应,释放出SO2。
再生反应能够恢复活性焦的活性,国内外的应用实践已经证实了这一点。活性焦经过再生、循环使用后,其吸附和催化能力不但不会降低,还会提高。SO2以硫酸态被吸附和再生时,需要消耗活性焦的碳元素。
2.2 活性焦烟气联合脱硫脱硝技术工艺流程
活性焦联合脱硫脱硝工艺主要由吸附、解吸和硫回收3部分组成,工艺流程如图1所示。
该工艺采用移动床吸附加热再生法。移动床由上下两段组成,反应温度为100～200℃。活性焦在重力作用下,由移动床上段向下段移动,烟气由下而上流过,在逆向移动中烟气中的SO2先由活性焦吸附脱除。烟气流经上段时向塔内注入NH3,NH3与NOx在活性焦催化还原作用下生成N2。吸附饱和的活性焦由吸收塔的底部送入再生反应器进行再生。再生反应器也是移动床反应器,用蒸气或热风炉尾气以间接加热的形式把吸附过SO2的活性焦加热到300～500℃,使活性焦得到再生。再生反应器内的活性焦从上往下移动,停留一段时间后排出反应器,经筛分后送回活性焦脱硫反应器循环使用;再次产生的高浓度S02气体用高温离心机抽出,用于生产硫酸或其它化工产品。在一定工艺条件下,此套装置脱硫效率可达95%以上,脱硝效率达70%以上,硫回收率达90%[11]。
2.3 活性焦联合脱硫脱硝技术的工业应用
活性焦联合脱硫脱硝技术发展以德国和日本最为先进。德国BF公司在1976年开发,后经日本三井矿山公司改进建立了实验装置,并于1984年建成烟气处理量为3万m3/h的活性焦脱硫装置。德国于1987年就已成功地将活性炭(焦)联合脱除SO2/NO、工艺用于Arzberg燃煤电厂第5号和7号机组进行脱硫脱硝,两台机组的烟气排放量分别为45万m3/h和66万m3/h,S02的脱除率可达95%以上,NOx地脱除率在60%左右。
日本电力能源公司(EPDC)的350 MW空气流化床燃烧(AFBC)锅炉中安装了活性焦脱除NOx工艺设备,并于1995年开始运行。该工艺仅采用了1台移动床吸附塔,处理的烟气量为116.3万m3/h,在140℃下,活性焦循环速率为14 600 kg/h。经稳定运行2 200 h以上,发现NOx脱除率可达到80%。由于从AFBC锅炉出来的SO2排放浓度很低,所以在SO2被活性焦吸附的同时,在第一级吸附塔中NOx也能得到有效的脱除。
2001年,煤炭科学研究总院北京煤化工分院和南京电力自动化设备总厂联合承担国家863项目,研制出高性能、低生产成本的活性焦产品。该产品用于贵州宏福实业开发有限公司的工业示范装置,运行效果良好。2005年4月,处理烟气量为20万m3/h的工业示范装置投入运行,脱硫效率95.7%,回收SO21.7 t/h。
3 联合脱硫脱硝技术的特点及适用性
国内外活性焦烟气脱硫脱硝技术的开发研究和运行实践表明该技术具有多方面的优点。
(1)干法脱硫过程基本不消耗水,避免了废水处理。
(2)反应温度在烟气排放温度范围内,无需对烟气进行加热处理,净化后的烟气也不需要冷却或加热,节约能源。
(3)脱硫塔与再生塔既可一体化设计,减少占地面积,也可分体设计;该技术既适用于老电厂改造,也适用于新建电厂脱硫。
(4)活性焦联合脱硫脱硝工艺不仅脱除烟气中的SO2和NOx,而且可以脱除汞、碳氢化合物及粉尘,不需要任何除尘装置即可将烟气排向烟囱。
(5)产生可出售的副产品如硫酸,有效实现了硫的资源化,并可获得一定的经济效益。
活性焦烟气联合脱硫脱硝工艺发展的总体趋势是降低净化装置的基本建设投资及运行成本。活性焦的性能是活性焦联合脱硫脱硝工艺的关键,对所用活性焦强度、抗氧化性和抗毒化性等性能有特殊的要求。因此,在不降低现有活性焦性能的条件下,提高其耐压强度和耐磨强度可以显著降低整个工艺成本。加强新设备、新工艺的研究,简化现有的工艺流程,采用多功能设备,解决脱除和再生在一个装置内进行的问题,解决副产品硫酸的浓度和应用市场的问题可以促进活性焦联合脱硫脱硝工艺的大规模应用。
活性焦联合脱硫脱硝技术也存在着一些不足,如吸附塔与解吸塔之间长距离输送会增加活性焦的损耗;脱硝时喷射氨增加了活性焦的粘附力,易造成吸收塔内气流分布不均匀,氨的存在易对管道堵塞腐蚀等,因此,该工艺仍然存在很多值得研究和发展的方面。
4 结语
在众多的脱硫脱硝技术中,活性焦联合脱硫脱硝技术是比较经济有效的一种,这种技术可同时脱除多种污染物;脱除过程基本不耗水,仅消耗以煤为原料的活性焦,特别适用于我国富煤缺水的北方和西部地区;脱硫脱硝效率高,并可回收烟气中的SO2;从而促进我国煤炭、电力和化肥工业的协调发展,有效解决了能源与环境的矛盾,是适合我国国情的脱硫脱硝技术。
参考文献
[1]Sreeets D G,Waldhoff S T.Present and future emissions of air pollutants in China:SO_2,NO_x,and CO_2[J]. Atmospheric Environment,2000,34:363 - 374.
[2]孔火良,吴慧芳,金保升.燃煤电厂烟气脱硫技术及其主要工艺[J].煤矿环境保护,2002(6):22-28.
[3]Chang S,Littlejohn D,Lynn S.Effects of metal chelate on wet flue gas scrubbing chemistry[J].Environment Science & Technology,1983,17:649 - 655.
[4]刘守军,刘振宇,朱珍平,等.CuO/AC脱除烟气中SO_2机理的初步研究[J].煤炭转化,2000(2):67-71.
[5]刘清雅,刘振宇,李成岳.NH_3在选择性催化还原NO过程中的吸附与氧化[J].催化学报,2006(7):636 -646.
[6]李雪飞,张文辉,杜铭华.干法烟气脱硝综述[J].洁净煤技术,2006(3):43-46.
[7]李兰廷,吴涛,梁大明,等.活性焦联合脱硫脱硝脱汞一体化技术[J].煤质技术,2009(3):46-49.
[8]Lizzio A.A,Debarr J.A.Effect of surface srea and chemisorbed oxygen on the SO_2 adsorption capacity of activated char[J].Fuel,1996(13):1515-1522.
[9]Isao Mochida,Yozo Korai,Masuaki Shirahama et al.Removal of SO_x and NO_x over activated carbon fibers[J].Carbon, 2000(2):227 - 239.
[10]Zhenping Zhu,Zhenyu Liu,Shoujun Liu,Hongxian Niu. Adsorption and reduction of NO over activated coke at low temperature[J].Fuel,2000(6):651 -658.
活性焦预处理 篇4
造纸黑液是中国主要环境污染源之一,但黑液中也含有大量可回收再利用资源:黑液中大约有30%~35%的无机物,主要是氢氧化钠以及各种钠盐;有65%~70%的有机物质,主要是木质素、糖类和低分子化合物等[2]。这些物质都具有表面活性以及催化功能,因此可直接利用黑液作为水煤浆添加剂。由于黑液中有机物分子结构复杂、有效官能团含量低,导致其表面活性以及催化性能较差,大大限制了其应用。
针对上述问题,我们直接对竹浆黑液进行磺化,并与丙烯酰胺单体进行接枝共聚,制得高磺化度、较高分子量的改性竹浆黑液水煤浆添加剂BLSA[3],研究了BLSA对贵州无烟煤气化反应活性的影响,并与原料BL以及市售的木素磺酸钠进行对比,为贵州煤炭资源的有效利用以及竹浆黑液的资源化利用打下基础。
1 实验
1.1 原料
自制BLSA;煤样采用贵州遵义无烟煤,其工业分析与元素分析见表1。
1.2 水煤浆焦的制备
实验用煤样为贵州遵义无烟煤,为了使反应过程中煤不结焦,原煤首先经过干馏处理,去掉了大部分挥发份物质,其方法按照GB 474方法进行。分别将BL、LS-Na以及BLSA与上述煤焦样混合均匀,配制成水煤浆添加剂质量分数为0.8%的煤焦浆,放入80℃烘箱中烘干,得到原煤样、黑液样、木素磺酸钠样以及BLSA样四种煤浆焦样品待用。
1.3 气化方法
实验选用立式固定床反应器,反应器温度控制采用程序升温电炉加热,CO2流量为300 m L/min,其流量用质量流量计控制,气化反应在常压下进行;煤浆焦气化反应后的气体尾气经过冷阱除焦油、脱硫和干燥后用气相色谱仪(Agilent7820)进行在线分析。气化反应活性采用CO2转化率进行评价,CO2转化率越高表明气化反应活性越好。
CO2转化率计算如下:
式中:α———CO2转化率,%
a———钢瓶中CO2气体中杂质气体的含量,%
V———反应后CO2气体的含量,%
2 结果与讨论
2.1 气化温度对不同添加剂掺杂水煤浆焦气化反应活性的影响
图1研究了CO2流量为300 m L/min,添加剂加入量0.8%时,原煤煤浆焦、BL煤浆焦、LS-Na煤浆焦以及BLSA煤浆焦在900℃、1000℃、1050℃以及1100℃下,与CO2反应2 h,CO2转化率随时间的变化关系。由图1可以看出,温度从900℃升高到1100℃,各个煤浆焦样品的CO2转化率都明显增大,说明温度对煤气化活性影响较大。这是由于气化反应主反应C+CO2(g)=2CO(g)为吸热反应,升高温度有利于反应正向进行,促进了CO2的转化率;其次升高温度提高了煤中参加反应的C原子的能量,使煤中的芳香环断裂,产生活化能更高的碳分子,在煤炭颗粒的表面增加了与CO2分子的有效碰撞[4]。
2.2 不同添加剂掺杂水煤浆焦气化反应活性的比较
图2比较了同一温度下,四种煤浆焦的气化反应活性。可以看出:
(1)与原煤对比,BL、LS-Na以及BLSA三种水煤浆添加剂的使用对煤浆焦气化活性的提高是有利的,而且高温更有利于提高三种水煤浆添加剂的煤浆焦气化活性。分析原因是:BL、LS-Na以及BLSA在低温阶段主要靠一些无机碱金属盐的催化作用提高了气化活性[5],而在高温阶段主要是有机物分解产生的活性物质在起催化气化作用;
(2)在900℃、1000℃以及1050℃的气化温度下,LS-Na煤浆焦的气化反应活性高于其他煤浆焦样品,但随着温度的升高,BLSA煤浆焦的气化活性接近LS-Na煤浆焦;在1100℃的条件下,BL与BLSA中的有机物通过分解产生活性物质,催化气化效果达到最强,而在90 min左右时BL煤浆焦的气化活性还高于LS-Na煤浆焦。当反应时间超过90 min时,BL中的有机物分解产生的活性物质因在高温下消耗且逐渐失去活性,气化效果急剧减少,甚至在气化反应结束后CO2的转化率低于原煤煤浆焦。而BLSA由于进行了磺化接枝的改性,使BLSA的稳定性高于BL,因此在气化反应90 min后BLSA煤浆焦还保持了较高的活性,且由于在1100℃的适宜气化温度下气化活性高于LS-Na煤浆焦。
综合上述的结果可以得出,在相对较低的气化温度下,煤浆焦中的无机成分对气化反应的催化起主要作用,随着气化温度的上升,添加剂的有机成分及其分解产物的催化性能逐渐显现和增强。在CO2流量300 m L/min、添加剂添加量0.8%、气化温度1100℃时,BLSA煤浆焦样品拥有最高95.3%的CO2转化率,高于其他煤浆焦样品15%~30%。
2.3 加入量对BLSA掺杂水煤浆焦气化反应活性的影响
图3研究了CO2流量为300 m L/min、不同BLSA添加量的煤浆焦在1100℃下,与CO2反应2 h,CO2转化率随时间的变化关系。可以看出,未添加BLSA的样品在反应开始时气化活性远低于其他添加了BLSA的样品,随着气化反应的进行,未添加BLSA的样品气化反应活性逐渐提高,在40 min的时候达到最大值,而后缓慢下降,最终稳定在40%左右,这是由于在反应初期,部分煤粉燃烧而成为灰分,灰分中含有的少量碱金属氧化物对气化过程起到催化促进的作用,因而提高了气化活性,而随着反应的进行,煤表面的灰分逐渐堆积,碱金属氧化物的失活,使CO2转化率又逐渐降低[6]。其他添加了BLSA的样品在气化反应初期活性很高,这是由于BLSA中含有无机碱金属物质以及有机物,有机物通过分解产生活性物质,对初期的气化反应有催化促进的作用,随着气化反应的进行,碱金属逐渐失活,气化反应活性开始下降,最终的气化效率基本与未添加BLSA的样品差异不大。添加了1.0%BLSA的样品并没有意料之中的催化气化效果,这是由于过多的碱金属盐与有机物与煤粉表面接触,阻碍了煤粉与CO2的接触,反而导致煤气化活性有所下降。而BLSA添加量为0.8%的样品无论是从气化反应初期,还是2 h反应结束,气化活性都明显高于其他样品。
3 结论
(1)随着气化温度的提高,四种煤焦样品的气化反应活性也随之提高。1100℃下的CO2转化率都为900℃下的2~3倍,由此可见,气化温度对于气化反应活性影响很大。
(2)在1100℃的气化温度、添加剂添加量为0.8%时,BLSA煤浆焦样品拥有最高95.3%的CO2转化率,相比其他煤浆焦样品高出了15%~30%;而在低于1100℃的气化温度下,LS-Na煤浆焦样品的CO2转化率最高。这说明BLSA的有机成分及其分解产物的催化气化性能要在较高的气化温度下进行。
(3)BLSA的最佳添加量为0.8%,过低或者过高的添加量都不利于煤浆焦气化反应的进行。
参考文献
[1]陈文敏.洁净煤技术基础[M].北京:煤炭工业出版社,1997:141.
[2]戴涛.硫酸盐法制浆黑液及主要组分的热解特性研究[D].广州:华南理工大学,2013.
[3]杨磊,谢燕,陈前林,等.竹浆黑液改性制取水煤浆添加剂的研究[J].煤炭技术,2016,35(5):301-301.
[4]Indraneel Sircar,Anup Sane,Weichao Wang,et al.Gore.A study of high pressure pinewood char gasification with CO2[J].Fuel,2014(134):554-564.
[5]周俊虎,匡建平,周志军,等.碱金属Na对黑液水煤浆焦-CO2气化特性的影响[J].高校化学工程学报,2007(01):82-87.
活性焦预处理 篇5
活性炭是一种常见的黑色大比表面多孔性吸附剂,由化石原料或木质材料处理得到。但随着资源日渐贫乏及环保意识的加强,可供制备活性炭的原料数量逐渐减少,市场价格有升高趋势,而替代原料的需求也在逐渐增加[1]。
生物质能源作为三大化石原料的替代能源,已取得一定的研究成果并投入到实际应用中[2,3]。生物质热解气化反应能够生产以CH4、H2等为主的高热值清洁可燃气,并伴随焦油和焦炭副产物。焦油经过提炼可制备液体生物燃料,而残余的焦炭多作为废料直接扔掉或进行二次燃烧[4,5]。由于热解反应致使生物质内纤维碳链断裂成小分子气体散失,生物焦表面会残余大量孔洞,经过一定处理使孔隙发展,很适合作为制备活性炭的替代原料[6,7,8]。将该活性炭制备工艺与生物质热解气化工艺结合,可以进行资源的有效整合利用,减少浪费。
基于此,本实验利用生物质热解气化残余生物焦制备活性炭颗粒,测试其吸附性能,分析粒度分布分维的影响作用。选用普通建材废料杉木锯屑,在特定条件下热解气化,通过磷酸法活化处理残余生物焦,过滤、干燥后制得所需不同粒径分布的活性炭颗粒。经显微表面观察及亚甲基蓝吸附试验,证实其具备吸附能力。考虑该颗粒的分形特征,利用分维理论考察颗粒粒度分布分形维与平衡吸附量间的关系,发现具备线性正相关关系,可进行相关表征。又由于所制得样品分维数值受生物质热解过程的影响,故本实验结果有利于结合热解气化工艺,探讨生物质综合利用的可行性。
1 实验
1.1 材料与制备
采用城市中较常见的杉木锯末,经OKLIFE生产的RRHP100型万能粉碎机粉碎后,筛分选取粒径分别在30目及以下、30~60目、60~100目和100~150目的物料,采用经BT108型智能温控仪控制温度和升温速率的管式固定床电阻丝加热热解炉,在750℃、30℃/min升温速率条件下热解3h,制得不同粒度分布的4种生物焦样品,命名1#-4#。
采用磷酸法对各生物焦样品进行活化处理。在恒温30℃水浴下,用40%磷酸按浸渍比1.5∶1处理样品12h,淋洗溶液至中性后过滤,滤渣在70℃恒温箱中烘干12h,得所需活性炭样品1#-4#。
1.2 实验方法
称取所制备活性炭样品0.3g,加入到50mL(40mg/L)亚甲基蓝溶液中,利用磁力搅拌器对溶液充分搅拌,于恒温30℃水浴静置。经实验测量160min内吸附可达平衡。取1#-4#样品添加到等量亚甲基蓝溶液中,恒温水浴3h。取出后静置1h,取上层清液过滤,滤液作为溶液吸光度值测试样品。
1.3 测试方法
1.3.1 图像分析
从制得的4种活性炭样品中取出部分颗粒,放在载玻片上并用甘油进行颗粒分散,盖好盖玻片后放入德国Leitz公司生产的Leica研究级投射材料偏光显微镜下放大50倍进行观察,每种活性炭样品取5个不同位置拍片。导入图像处理软件Image Pro Plus对照片进行处理。
1.3.2 溶液浓度及平衡吸附量测试
分别配制4mg/L、8mg/L、12mg/L、16mg/L、20mg/L标准亚甲基蓝溶液,用G53紫外可见分光光度计在波长为665nm处以蒸馏水为空白测得各溶液的吸光度A,并对浓度c进行拟合,绘制标准曲线线性回归方程A=0.1135c+0.1834(相关系数R=0.9952)。用分光光度计分别测量所制备的4种样品滤液的吸光度值,并根据标准曲线线性回归方程计算浓度值。活性炭样品在规定时间内的吸附量为:
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式中:q为活性炭吸附量(mg/g);Ct为吸附t时间后溶液的质量浓度(mg/L);C0为亚甲基蓝溶液的初始质量浓度(mg/L);V为亚甲基蓝溶液的体积(L);W为活性炭的质量(g)。
2 结果与讨论
2.1 样品表面形态分析
采用JSM-6490LA扫描电镜对利用生物焦制备的4种活性炭样品进行分析,如图1所示。从图1中可以看出,所制备活性炭具有较明显的孔隙结构,与市面上所购得的活性炭内部结构较为相似。其中,1#样品具有较复杂的孔隙结构,孔径分布较其它样品更为广泛,且生物质主体部分呈断裂状;2#样品生物质主体完整,杆结构上基本按规律排布细小孔洞;3#样品基本主体不变,但孔隙明显增加;4#样品中生物质纤维存在大量断裂现象,孔洞不明显。
2.2 分维理论基础
令颗粒粒度分布函数为:
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式中:x为颗粒某一粒级粒径,N(x)为小于或等于x的颗粒总数,N0为颗粒群全部颗粒总数。若满足:
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则该颗粒系统具有自相似性,满足分形,D为分形维数[9]。再定义体积累积分布函数:
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对其进行微分运算:
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而dV(x)=k·x3·N0·dF(x),k为系数。为求得dF(x),对式(3)进行微分运算:
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故dv(x)可以表示为:
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给出一组边界条件为:
v(xmin)=0;v(xmax)=1 (8)
以此对式(7)进行积分计算,确定粒径x与累积体积v(x)的关系表达式:
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一般情况下,xmax/xmin=∞,故式(9)可以转化为:
v(x)=V(x)/V0=(x/xmax)3-D (10)
两边取对数可得到:
lnv(x)=(3-D)ln(x/xmax) (11)
以ln(x/xmax)为横坐标,ln(V(x)/V0)为纵坐标,制作双对数线性拟合直线Y=A·X+B。求得粒度分布分形维数值D=3-A,由此可以求得对应的活性炭粒度分布分维系数。
2.3 粒度分布分维系数计算
利用IPP(Image Pro Plus)图像处理软件分析各组样品偏光显微照片数据,统计投影面积S、最大投影直径dmax以及最小投影直径dmin。利用Origin数据处理软件进行双对数坐标的线性拟合,得到如式(11)所示的函数关系。对每种样品的5组拟合曲线方程进行平均处理得到最终拟合方程,如表1所示。
分布分形维数D可以定量表征分形粒径分布的复杂、不均匀程度。D=0指所有颗粒粒径相同,而D>0指一定粒径范围(无标度区)内存在自相似粒径分布。而随着D的增大,系统内粒径分布复杂程度将增加。
图2为各样品粒度分布分维值随粒径区间变化的曲线,可以直观地发现1#样品的分维系数最大,而2#、3#、4#样品的分维系数呈递增趋势。1#样品粒径区间为30目及以下,区间跨度比其余样品更大。从结果可以看出符合不均匀度越高、分维系数越大的理论[10]。而对于2#、3#、4#样品,由于跨度区间相仿,故分维系数将主要受到样品中粉体精细程度的影响,随样品细度的增加而增加。3组样品分别为30~60目、60~100目和100~150目,故曲线向上发展。
2.4 吸附性能与分维系数关系
通过紫外分光光度计测量上述4种生物焦制活性炭样品对亚甲基蓝溶液吸附性能,可以发现吸附量的大小排列为1#>4#>3#>2#(见表2)。该排列顺序与各样品粒度分布分形维数的排列顺序一致,受到颗粒粒径与不均匀度的共同影响。
为更好地表征吸附量与分形维数之间关系,对二者进行线性拟合(如图3所示)。得到拟合直线方程q=2.8602D+7.9311,R=0.9146,说明经计算得到的分形维数D与平衡吸附量q之间存在一定的线性关系。当分形维数D增大时,平衡吸附量q增加,证实吸附能力会得到加强。故可以用粒度分布分形维表征所制备生物焦活性炭的吸附能力。
3 结论
(1)可以利用生物质热解气化残余物生物焦制备活性炭。经实验证明所制备活性炭内部具有较发达孔隙结构,具有一定的吸附能力,可以明显吸收亚甲基蓝溶液至其褪色。
(2)所制备活性炭颗粒的粒径分布具有分形结构,分形维数主要受到粒级分布区间和粒径的影响。
(3)所制备生物焦活性炭对亚甲基蓝溶液的平衡吸附量与其粒度分布分形维数线性相关,可用其粒度分布分形维定量表征活性炭的吸附能力。
参考文献
[1]Wei Na(魏娜),Zhao Naiqin(赵乃勤),Jia Wei(贾威).Newprogress in the fabrication and application of activated car-bon(活性炭的制备及应用新进展)[J].Mater Sci Eng(材料科学与工程学报),2003,21(5):777
[2] Bahng M K,Mukarakate C,Robichaud D,et al.Currenttechnologies for analysis of biomass thermochemical proces-sing:A review[J].Analytica Chimica Acta,2009,65(2):117
[3]Li Yu(李瑜),Song Yinghao(宋英豪),Nan Fang(南方).Discussion on construction and operation mode of new typebiomass gasification station(新型农村生物质气化站的建设与运行模式探讨)[J].Recyclable Resources Circular Econo-my(再生资源与循环经济),2008,1(4):27
[4] Luo S,Xiao B,Hu Z,et al.Influence of particle size on py-rolysis and gasification performance of municiple solid wastein a fixed bed reactor[J].Bioresource Techn,2010(8):6517
[5]Ma Qiang(马强),Wang Qinhui(王勤辉),Han Long(韩龙),et al.Experiments on the combustion behaviors of bio-mass semi-cokes in O2/CO2mixtures at elevated pressures(O2/CO2气氛下生物质半焦加压燃烧特性的实验研究)[J].Energy Eng(能源工程),2010(2):33
[6]韩彦雪,常建民,苟进胜,等.木材剩余物快速热解炭制备活性炭研究进展[C]//第三届全国生物质材料科学与技术学术研讨会论文集.安徽,2009
[7]Fu Peng(付鹏),Hu Song(胡松),Xiang Jun(向军),et al.Evolution of pore structure of biomass particles during py-rolysis(生物质颗粒孔隙结构在热解过程中的变化)[J].JChem Industry Eng Soc China(化工学报),2009(7):1793
[8]Yin Bingkui(尹炳奎),Zhu Shiqing(朱石清),Zhu Nanwen(朱南文),et al.Preparation of activated carbon from acti-vated sludge and its application in treating dye wastewater(生物质活性炭的制备及其染料废水中的应用)[J].Envi-ronmental Pollution Control(环境污染与防治),2006,28(8):608
[9]Wu Chengbao(吴成宝),Duan Baitao(段百涛).Study onrelationship between fractal character of particle sizedistribu-tion and voidage of hollow glass beads(中空玻璃微珠粒度分布分形特征及其与空隙率关系的研究)[J].China PowderSci Techn(中国粉体技术),2008(1):16
活性焦预处理 篇6
文中介绍了一种非制冷焦平面信号处理系统, 由FPGA实现时序控制及非均匀算法;而CY7C68013负责系统控制及采集的数据传输给上位机, 在软件上算出校正因子和偏置系数后, 把计算后的数据下发存储在Flash内供非均匀校正使用。通过对实验中系统采集生成的原始图像和校正图像进行比较, 可以明显看出该系统工作性能稳定, 处理效果良好, 完全能够满足实际应用需求。
1 系统设计原理
非制冷红外焦平面信号处理系统硬件框图, 如图1所示。该系统以FPGA和CY7C68013A为核心, 外接A/D和视频转换电路及外部数据存储器, 在驱动时序的控制下, IRFPA的信号被读出, 经A/D转化为数字信号, 供后续处理。
正常工作情况下, 系统有两种工作模式:标准模式和校正模式。整个系统的工作状态由上位机软件选择控制。在标准模式下, 根据两点校正算法, 在任意照度Φ下, 第 (i, j) 探测单元的输出Sij (Φ) 与校正值S′ij (Φ) 之间的关系为:S′ij (Φ) = Gij×Sij (Φ) +Qij, 其中Gij为偏置系数, Qij为校正因子[2]。所以, 要求对外置标准黑体面源在高、低两个温度下的图像数据传输给上位机保存。上位机计算出IRFPA每个像素的偏置系数Gij和校正因子Oij, 同时计算出盲元位置, 把带有盲元标志的校正系数下发存入Flash中。这时, FPGA不进行信号处理, 直接把未处理的原始图像发送给视频D/A, 通过监视器显示出来。在校正模式下, FPGA通过查找Flash中的校正因子和偏置系数, 对原始图像信号进行两点非均匀校正和盲元补偿;校正后的图像通过USB和视频D/A分别传输给上位机和监视器显示出来。
2 系统构成
2.1 IRFPA时序控制
红外焦平面阵列正常工作需要相关的偏置电压信号及控制逻辑时序。产生逻辑时序控制的传统方法是采用数字逻辑电路实现, 有很多不足之处, 如体积大、功耗高、可靠性差, 尤其缺乏灵活性。本系统采用FPGA设计红外焦平面器件的驱动控制时序, 时序信号主要有主时钟信号MC、积分信号int和复位信号reset。IRFPA输出数据的速率与主时钟的速率相等, 主时钟可以随需要的帧频来调整。主时钟频率为了与标准的PAL制视频兼容, 经计算近似为5.5 MHz。复位信号强制使IRFPA探测器从第一行开始积分, 从而使内部的读出电路复位。reset应该在主时钟的上升沿时改变状态, 每帧信号中不应该复位两次。当积分信号为高电平时, 允许对探测器的一行像元信号进行积分, 帧频为25～60 Hz时, 行最佳积分时间是63.6 ms。由于探测器工作的要求, int信号应该在每行积分时发送 (240 次/s) 。图2是IRFPA时序控制的仿真图, 可以看出完全符合要求。
2.2 数字信号处理
数字信号处理部分由Altera公司生产的Cyclone II系列EP2C8Q208实现。主要实现的功能是对探测器的固有盲元替换和非均匀性校正[2]。如图3所示, 实际工作时, FPGA先将带有盲元标志的校正因子Oij和偏置系数Gij从Flash中读出, 和从AD采集的数据进行乘法和加法运算进行校正, 校正后的数据就可供后端使用了。由于乘加运算都是比较大的组合逻辑, 所以非线性校正单元采用三级流水线结构。数据输出延迟3个时钟周期, 流水线建立和排空时间也是3个时钟周期, 但是提高了非均匀性校正单元的处理速度。
2.3 USB接口
USB接口芯片选用Cypress公司的EZ-USB FX2系列中CY7C68013[3], 芯片集成一个增强型的8051微处理器, 负责对整个USB总线的通信过程进行控制以及通信中的任务调度;一个USB串行接口引擎SIE (Serial Interface Engine) , 负责按照USB协议规定进行数据传输。另外芯片还有高速I2C总线控制接口用于对SAA7121的配置。
CY7C68013的接口采用从属FIFO模式, 将FIFO的逻辑控制权交予外部控制逻辑。外部逻辑控制在本系统中由FPGA完成。与FPGA的接口原理框图, 如图4所示。
2.4 视频接口
视频编码芯片采用Philips公司的视频编码芯片SAA7121, 该芯片支持PAL/NTSC两种编码方式, 有一个高速I2C控制端口 (400 kHz) 。系统工作时, 其输入为标准的8位BT.656格式的数字视频流, 输出为PAL制视频信号。SAA7121通过CY7C68013的I2C控制器对内部寄存器进行配置。
3 实验结果
将本设计和由法国Sofradir公司生产的320×240非致冷焦平面阵列组成热成像系统, 实验取得了良好的效果。图5为系统在两种工作模式下采集的图像, 其中图5 (a) 为标准模式未处理的原始图像, 图5 (b) 为校正模式经过非均匀校正后的图像。可以看出处理后的图像有了很大的改善, 成像质量得到了很大的提高。
4 结束语
文中提出的基于FPGA+CY7C68013A的非制冷焦平面阵列信号处理系统, 具有实时性好、功耗低、处理容量大、结构简单灵活等特点, 适于模块化设计, 其软硬件结合的算法方式为红外图像处理系统发展提供一个重要方向。
摘要：介绍了一种高速实时的非制冷红外焦平面信号处理系统, 系统采用FPGA+CY7C68013的结构, FPGA完成系统的时序控制及非均匀校正算法, 而CY7C68013实现系统的控制及数据传输。实验表明整个系统具有实时性好、稳定性高、体积小、功耗低的优点, 在红外系统成像系统中有着广泛的应用前景。
关键词：光学工程,非制冷,红外焦平面阵列,信号处理系统,时序控制,非均匀校正算法
参考文献
[1]邢素霞, 张俊举, 常本康, 等.非致冷红外成像技术的发展与现状[J].红外与激光工程, 2004, 33 (5) :441-444.
[2]王炳健, 刘上乾, 李庆.基于FPGA的红外焦平面阵列实时非均匀性校正[J].半导体光电, 2006, 27 (1) :79-82.
一种图像处理的全自动焦度计 篇7
焦度计主要用于测量眼镜镜片(包括角膜接触镜片和多焦点镜片)的顶焦度、柱镜度、棱镜度、光学中心及确定眼镜镜片的散光轴位方向等的精密光学计量仪器。焦度计又称屈光度计、镜片测度仪，广泛应用于医院眼科、眼镜店和镜片厂家。
高精度、智能化焦度仪一直是目前行业内研究的课题。焦度计从工作原理上可分为调焦原理的焦度计和投影原理的焦度计。上世纪80年代前测量镜片以光机式为主，测量精度低，也使用不方便。由于美国、日本对CCD技术的研究处于领先地位，上世纪90年代利用CCD实现自动测量的这两种原理的全自动焦度计在市场出现，而国内直到2003年后才出现自动调焦原理的全自动焦度计的研究，投影原理的全自动焦度计的研究随后也才出现。
基于自动调焦原理的焦度计目前以日本TPCON为代表，采用分辨率较高的双线阵CCD获取光学信号，采用5个LED快速轮流照亮“米”字形分划板(如图1所示)，通过电子系统处理计算得出屈光参数，实际上每个LED照亮“米”字相当于计算一个点，也就是说相当于在CCD上成了5个点的像，但线阵CCD上成像的数据有限，需要使用电机补偿实现调焦精确测量，虽然精度高，但增加了机械成本和光学零件加工装配难度。基于投影原理的全自动焦度计目前以美国恒富利公司为代表，采用4点图形(如图2所示)，通过光学系统在面阵CCD成像，能够获取比线阵CCD更多的测量数据，再经电子系统计算处理，实现测量，由于采用投影技术，每个点在CCD上成像数据多，不需要机械补偿。这种原理的焦度计的优点是测量速度快、成本低。缺点是当光学分划板有灰尘或划伤镜片造成点局部变形，严重影响测量结果。
本文基于投影原理的全自动焦度计，提出了一种16点测量方法(如图3)，研究了屈光参数计算方法和图像处理实现方法，测量精度和环境适应性较国内外同类技术有很大提高[1,2,3]。
1 光学测量原理及计算方法
1.1 光学测量原理
图4是光学测量原理图，平行光线经被测镜片1后发生偏转，经过带孔光阑2，投影到面阵CCD 3上。
图中：1为被测镜片;2为带空光阑;3为CCD;h,h为光线分别在光阑和测量面阵CCD处的高度;(35)x,x,x1分别是被测镜片后顶点到光阑的距离、光阑到面阵CCD的距离以及光阑到后焦点的距离;fL为被测镜片后顶焦距。
从图上可以看出：
设镜片的后顶焦度为v，据顶焦度定义：
式中：v即是被测镜片的顶焦度值，也就是所测量的镜片的屈光度值，v的单位为D;h，(35)x,x已知，测出h就测出的镜片的屈光度值。
本研究中，光阑有十六个孔，即图3所示的十六个点，可以测得十六个点在CCD上的位置。h，(35)x,x已知，可求出两个相互垂直的主子午面内两个不同的光焦度，两个光焦度的差值即为散光值，其轴位方向即为散光轴角。十六点图像的中心与0 D时图像中心的位置表征了镜片的棱镜度的大小和基底取向。
1.2 镜片屈光度计算方法[4,5,6,7]
在图3中十六个点分布在内外两个同心圆上，当镜片球镜度大小不同时，同心圆的直径发生变化;当镜片有散光时，同心圆变成了同心椭圆，这样只要分别计算出内外椭圆的长轴、短轴和中心就可计算出镜片的屈光参数。本文选用椭圆最小二乘曲线拟合计算椭圆长、短轴和轴角。椭圆曲线的一般方程为
解线性方程组
就可求出A、B、C、D、E的值。由此可求出椭圆长轴l1、短轴l2、轴角和中心。
2 图像测量处理系统原理
图5是电路系统原理，系统的总体工作原理是红外光源在恒流源驱动下产生光照度稳定的发光，经光学系统后分划板16点投影在面阵传感器OV7620上，OV7620直接产生数字信号，不需要模数转换。然后通过CPLD控制电路存储在SRAM中，32位的ARM7高速微处理器S3C44B0X将采集到的图像进行二值化处理并实时计算，将结果通过FPGA控制电路送到TFT LCD上显示，也可以将结果在微型热敏打印机打印出来，或通过RS-232传送到计算机上。在上述电路中为了保证测量的精度和稳定性，光源采用脉冲恒流源驱动，镜片测量采用自适应积分动态检测技术，这样在高速CPU的采集处理下系统能够获得好的效果[8,9]。
2.1 光源的脉冲恒流源驱动
系统主要是利用红外光经准直系统照射被测镜片投影技术实现图像采集，因此镜片参数的测量精度与CCD上成像点的大小、成像质量有直接关系，而成像点的质量与发光二极管的发光强度的稳定性直接相关。一般情况发光强度与发光二极管工作电流成正比，电流越大，发光强度越大，电流越小，发光强度越小;另一方面根据发光二极管的特性，光源发光强度与发光管工作温度也有关，温度越高，发光强度越低，温度越低，发光强度越高，因而需要把光源温度控制在恒定值。根据发光二极管发光强度与电流、温度的特性关系，发光管电流恒定，温度不变，测量值就稳定。其驱动电路采取脉冲恒流电路。采取脉冲方式，这样发光二极管的温度由于采取脉冲方式控制不易提高，保证发光二极管温度变化较小。另外，光源采用脉冲方式供电可以增强发光管的光功率。光功率的脉冲特性如下：
式中：I为流过发光管的电流;(35)t为脉冲时间宽度;K为系数;W为功率。
从式(7)可知，光的功率与流过发光管的电流成正比，与脉冲宽度成反比。从实验得知，当电流一定，通过脉冲为40 ms时，测得图像灰度比连续通电大20%多，这样有利于对深色镜片的测量。
2.2 自适应积分动态检测[10]
镜片有普通镜片、太阳镜片等各种材质的镜片，透光率不一致，正常测量时有的镜片甚至由于灰度低不能正常测量。系统在测量时采取自适应积分动态测量，实现镜片正常测量。
曝光量与积分时间和光照强度的关系为
式中：(41)是曝光量，E是图像传感器表面的照度，T为积分时间。从式中可以看出，光照度不变的条件下，曝光量与积分时间成正比。当积分时间不变时，光照度发生变化时，由于曝光量的变化使图像传感器产生饱和或微弱失真。因此，积分时间应该随着光照度的变化而改变。
本文选用OV7620作为传感器，通过改变OV7620的内部时钟频率，改变积分时间。这样做影响帧频，就要求在不影响测量速度的情况下降低帧频。本项目要实现实时采集，1 s采集计算3次以上就能满足测量要求，考虑到图像的处理时间大约200 ms，时钟的基本频率是27 MHz，基本帧周期是33 ms，也就是说帧周期最慢是130 ms左右，时钟频率可以4分频。当检测到成像点灰度低时自动改变时钟频率，达到自动测量的目的。
3 实验
根据图4原理进行实验。实验时选择红外LED波长为880 nm,OV7620的图像大小设置为640×480，并设置为手动增益和手动曝光模式，确保不同镜片的轨迹变化能准确反映。实验分两部分，一部分观察不同镜片的成像轨迹和灰度，需要计算机、OV7620采集卡、采集卡驱动及显示软件以及Mathcad数学软件;另一部分直接采用ARM系统计算最终测量结果。镜片选择中国计量院各种标准镜片和彩色镜片。实验数据以对准光学中心为准(即棱镜值为0)。
3.1 镜片的成像轨迹及灰度分布
图6、图7、图8是标准+5 D散光镜在0°、45°和135°不同位置成像轨迹，轨迹成椭圆分布，这几幅图有代表性，实际测量需要每1°旋转镜片，同时对各标准镜片进行测试。
另外由于不同镜片的成像轨迹不同，实际上散光的精度误差相对于球镜要大。从图9看出有灰尘时部分成像点变形，计算时可以剔除该点或通过最小二乘法拟合减小误差。从图10、图11可以看出彩色镜片采用自适应积分前后的灰度分布，实验也说明通过积分处理，能大大改善成像质量，提高精度。
3.2 中国计量院标准镜片测量结果
实验首先比较4点测量法和16点测量法的精度，表1中用标准镜片、划伤镜片和分划板落灰尘测试，标准镜片重点测试散光在不同角度时的误差，表中Glass1是镜片屈光度为-6.05 D在镜片有划伤、Glass2是镜片屈光度为-3.50 D分划板落灰尘情况测量的数据，首先实验说明测量结果满足国家计量规程<
4 结论
本文从精度和环境适应性出发，提出了一套新的测量图形，研究了一种新的计算方法和硬件实现方法，技术指标达到国家计量标准，尤其保证了镜片在划伤或分划板落灰尘影响测量的结果，同时测量精度也较4点测量法有了大的提高。
参考文献
[1]李景泓.自动焦度计图像及图像处理研究[J].中北大学学报,2009,30(3):296-300.LI Jing-hong.Imaging and Image Processing System of Auto Lensmeter[J].Journal of North University of China,2009,30(3):296-300.
[2]刘晨,张辉,柯玉军.自动焦度计的研制[J].光学仪器,2003,25(6):39-44.LIU Chen,ZHANG Hui,KE Yu-jun.Development of Automatic Lensmenter[J].Optical Instrument,2003,25(6):39-44.
[3]王英,曾光宇.双线阵CCD交汇测量立靶精度系统研究[J].光电工程,2011,38(10):33-37.WU Ying,ZENG Gang-yu.Intersection Measuring System of Erecting Target with Dual Linear CCD[J].Opto-electronic Engineering,2011,38(10):33-37.
[4]张虎,达飞鹏,李勤,等.椭圆目标的亚像素边缘定位方法研究[J].光学技术,2010,36(1):66-74.ZHANG Hu,DA Fei-peng,LI Qing,et al.Methods of Sub-pixel Egde Location for Ellipse[J].Optical Technique,2010,36(1):66-74.
[5]戴百川,刘成.椭圆物体位置与形状参数求解[J].中国新通信,2009,11(23):79-81.DAI Bai-chuan,LIU Cheng.Solving the Location and Shape of Oval-shaped Objects[J].China New Telecommunications,2009,11(23):79-81.
[6]欧阳高飞,邝泳聪,谢宏威.基于亚像素定位的贴装元件精确取像技术[J].光电工程,2010,37(6):16-21.OUYANG Gao-fei,KUANG Yong-cong,XIE Hong-wei.Accurate Image Capture for Surface Mounting Component Based on Subpixel Location[J].Opto-electronic Engineering,2010,37(6):16-21.
[7]刘书桂,李蓬,那永林.基于最小二乘原理的平面任意位置椭圆的评价[J].计量学报,2002,23(4):245-247.LIU Shu-gui,LI Peng,NA Yong-lin.Evaluation of the Form Error of Ellipse Based on Least Square Method[J].Acta Metrologica Sinica,2002,23(4):245-247.
[8]吴建平,叶玉堂,刘林,等.基于SOPC高速图像实时处理技术研究和实现[J].光电工程,2011,38(8):125-130.WU Jian-ping,YE Yu-tang,LIU Lin,et al.Study and Implementation of High-speed Real-time Image Processing Technique Based on SOPC[J].Opto-Electronic Engineering,2011,38(8):125-130.
[9]李牧,阎继红.一种改进的大津法在机器视觉中的应用[J].吉林大学学报,2008,38(4):913-918.LI Mu,YAN Ji-hong.Improvement on Canny Operator by Algorithm of Self-adaptive Determining Double-threshold[J].Journal of Jilin University,2008,38(4):913-918.