长光程消光在线测量油雾过滤器的过滤效率

尹鹏飞， 陈 军， 杨荟楠， 刘丽丽， 蔡小舒

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海200093）

燃气轮机的润滑系统使用大量油泵，油泵工作 在高温环境下，产生的油雾直接排放会造成严重的环境污染.为了避免油雾的直接排放，在油泵中广泛使用油雾过滤器来减少油雾排放，同时将收集到的机油回收到油泵，提高机油的利用率.油雾过滤器的过滤效率可高达99%以上，只有细微颗粒可以通过，达到了减少油雾排放的目的.在使用油雾过滤器前，需要对其过滤效率进行测试并评估是否满足系统的设计要求，在线测量过滤后油雾颗粒的体积分数对过滤器效率测试尤为重要.

工业应用中，在线测量颗粒物相关特性有助于得到实时准确的信息，如对高分子聚合过程的测量和监控［1］、发动机中柴油颗粒粒径分布特性的研究［2］、大型火力发电厂和核电厂中蒸汽湿度和水滴直径的测量［3］以及烟尘排放浓度的监测［4－5］等.颗粒物粒径测量的各种方法中，光散射法具有测量速度快、自动化程度高且测量粒径范围宽等优点，常分为衍射法、全散射法、角散射法和动态光散射法等.目前，基于光散射法可以离线测量油雾颗粒的粒径［6］，其中消光法（又称全散射法）适用于粒径范围数十纳米～10μm 左右油雾颗粒粒径的测量.另外，由于消光法使用了宽带光源，可以充分利用多波长光谱信息，当多波长的白光通过气液两相流时，消光特性与颗粒的大小和体积分数有关，因此可以同时测量颗粒体积分数和粒径［7－8］.此方法相比角散射法具有设备简单、成本低和在线测量快速的优点［7］.笔者提出了长光程消光法，其特点为在测量区域光路多次折返以延长光程，适用于低体积分数细微颗粒的在线测量.

1 消光法

消光法基于朗伯－比耳定律［9］，其原理图如图1所示.

图1 消光法的原理图Fig.1 Principle of the light extinction method

式中：I和I0分别为有颗粒时检测到的光强度和无颗粒时检测到的光强度；λ为波长；r为粒径；L 为测量区域的宽度，即光程；Cext为吸收截面积；N（r）为粒径分布.

测量消光光谱后，令光谱仪的随机误差T（λ）＝I／I0，则由式（2）可反演计算得到粒径分布［10－12］：

应用消光法测量颗粒物体积分数及粒径时，透光率需满足测量要求［13］.

2 实验装置及实验方法

2.1 油雾发生器模拟装置

图2所示为油雾发生器模拟装置，用于测试油雾过滤器的过滤效率.该装置使用水浴隔离加热，确保油雾发生器内部温度在一段时间内保持稳定；压缩空气的体积流量为100L／min，在压缩空气入口处使 用 在 线 过 滤 器（Parker Balston 100－12－DQ 滤芯）去除空气中的细微颗粒物；通过加热产生油雾，油雾随气流排出，经过净化室时，油雾先通过滤网，再进入滤芯，部分油雾颗粒被阻拦下来，细小的油雾颗粒通过滤芯后被吹出.经过净化室的油雾颗粒体积分数设计值低于3.47×10－7，过滤后油雾颗粒体积分数更低，粒径更小.

图2 油雾发生器模拟装置（带滤芯）Fig.2 Simulation oil mist generator with filter

2.2 光谱测量

由于油雾过滤器出口处油雾颗粒体积分数低、粒径小，准确测量难度较大，因此提出一种新型的多次折返的光路系统，可显著延长测量光程，降低体积分数测量的下限.设计的测量系统包含多个折返光路，以实现体积分数为1.16×10－9的超细油雾颗粒粒径的测量.图3为实验系统示意图.测量过程中，宽带光源的光（LekuosSM5－HE）通过光纤和透镜耦合进入测试区域（由2 片反射率为90%以上的镀Ag平面镜组成的规格为140mm×90mm×50mm的长方体），光路经过多次折返，光程增加，对衰减光产生放大作用，光谱仪（OCEAN OPTICS STSVIS）记录原始光和衰减光的强度，将原始信号和衰减信号输入计算机，最终通过消光光谱的数据反演计算出油雾颗粒的粒径和体积分数.

图3 实验装置和测量系统图Fig.3 Schematic diagram of the experimental setup and measurement system

2.3 测量区域光程标定

由于事先并不确切地知道光在平面镜之间传播多少光程，因此为了反演计算出油雾颗粒的体积分数，需要标定光程.笔者提出了新的光程标定方法，如式（3）所示.计算光程L 时需要一种已知质量浓度和吸收截面积的气体，本实验使用已知质量浓度的NO2进行标定.NO2在近紫外光到可见光波段有广泛的吸收度，可以通过测量吸收度获得光程.

式中：α为NO2的吸收度，可由光谱仪测得；σ（λ）为NO2在测试条件下的吸收截面积；ρ 为标准气体质量浓度.

标定实验采用来自标准气瓶的NO2，质量浓度为761.5mg／m3.如图4所示，虚线为光谱仪测得的450～650nm 波段上NO2的吸收度，实线为吸收截面、标称质量浓度及光程三者的乘积，即计算吸收度.2条曲线的吻合度较好，经计算可知当前光程为2 000mm.

根据式（3）进行光程标定时产生的误差可由误差传递函数进行分析，出厂时给出了ρ 的误差为1%，σ（λ）的误差为5%［14］，T（λ）的误差是光谱仪的随机误差，为1%.由此可计算得到光程L 的误差为5.2%.

图4 NO2 的测量吸收度和计算吸收度Fig.4 Measured and calculated absorbance of NO2

2.4 测量装置粒径测试

由于油雾颗粒的粒径分布是由消光光谱数据反演计算得到的，因此需要在实验前使用已知粒径的标准粒子（聚苯乙烯微球）进行油雾发生器粒径的测试.鉴于油雾颗粒的粒径主要处于亚微米区，因此实验中使用粒径为960nm 的标准颗粒进行测试，测试曲线如图5所示.测试所得的平均粒径和误差见表1，其中D32为索太尔平均直径，D50为中位径.粒径测量误差在5%以内.

图5 测量960nm 标准颗粒的原始光强和吸收光强Fig.5 Intensity of original light and emerging beam for 960nm standard particles

表1 960nm 标准颗粒的测量结果Tab.1 Measurement results for 960nm standard particles

3 实验结果及分析

实验中，从水浴加热使油温达到53 ℃开始，根据53 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃和75 ℃5个 不 同 的 温度分为5个工况，每个工况包括过滤前和过滤后2组测量数据，每组10个测量样本.过滤前数据的测量过程为：油雾发生器产生的油雾颗粒混合着空气依次经过清洁室和多次折返光路测量区域，并在长光程测量区域记录光强度信号数据，混合气体最后排出.过滤后数据的测量过程为：油雾发生器产生的油雾颗粒混合着空气依次经过清洁室、滤芯和长光程测量区域，并在长光程测量区域记录光强度信号数据，混合气体最后排出.测量过程按照53 ℃、60℃、65 ℃、70 ℃和75 ℃依 次 完 成.整 理 数 据 得 到 不同工况下油雾颗粒的平均粒径和体积分数，如表2所示.

根据实验数据可得过滤前油雾颗粒的平均粒径和体积分数随温度的变化，如图6 所示.由图6 可知，油温由53℃升高到75℃时，油雾颗粒的平均粒径由1.946 0μm 减小到0.439 4μm，表明油温越高，油雾颗粒的平均粒径越小.这是由于油温升高使得润滑油的内聚力变小，油雾颗粒易雾化成较小粒径的油滴.油雾颗粒的体积分数由1.434×10－7增大到3.388×10－7，按照32号机油密度为865kg／m3进行折算，其质量浓度约从124.041 mg／m3增加到293.062mg／m3.

表2 不同温度下油雾颗粒的平均粒径和体积分数Tab.2 Particle size and volume fraction of oil mist at different temperatures

图6 过滤前油雾颗粒的平均粒径和体积分数随温度的变化Fig.6 Variation of oil particle size and concentration with temperature（before filtering）

过滤后油雾颗粒的平均粒径和体积分数随温度的变化如图7所示.由图7可知，油温由53 ℃升高到75 ℃时，油雾颗粒的平均粒径由0.291 7μm 减小到0.265 0μm，由于滤芯的存在，过滤后油雾颗粒的平均粒径变化不大.油雾颗粒的体积分数由1.078×10－8增加到1.871×10－8.按照32 号机油密度为865kg／m3进行折算，其质量浓度约从9.325 mg／m3增加到16.184mg／m3.

图7 过滤后油雾颗粒的平均粒径和体积分数随温度的变化Fig.7 Variation of oil particle size and concentration with temperature（after filtering）

表3 油雾过滤器的过滤效率随温度的变化Tab.3 Variation of filtration efficiency with temperature

油雾过滤器的过滤效率随温度的变化如表3所示.油温由53 ℃升高到75 ℃时，过滤效率提高；油温由60 ℃上升到65 ℃时，过滤效率提高较快；70℃之后过滤效率逐渐趋于稳定.总体来看，升温过程中，油雾过滤器的过滤效率基本稳定，波动很小，可得其平均过滤效率为93.15%.

以53℃时的实验数据为例分析过滤前、后油雾颗粒的粒径分布情况，如图8所示.由图8（a）可知，过滤前油雾颗粒的粒径分布比较分散，D32＝1.946 0μm，经过滤后，由图6 和图7 可知，D32＝0.291 7μm，即粒径较大的油雾颗粒大部分被过滤.过滤后油雾颗粒的粒径分布非常集中，粒径为0.15 μm、0.2μm、0.25μm、0.3μm 和0.35μm 的颗粒分别 占0.404%、5.27%、32.77%、59.16%和2.39%，其余粒径的油雾颗粒不足1%.

图8 过滤前和过滤后油雾颗粒粒径分布Fig.8 Size distribution of oil mist particles before and after filtering

由表2可知，在5个不同温度下，过滤前油雾颗粒的平均粒径为1.19μm，质量浓度为197mg／m3；过滤后油雾颗粒的平均粒径为0.28μm，质量浓度为12.9mg／m3.即过滤后，质量浓度极大降低，平均粒径显著减小.

当前治理空气中细微颗粒物PM2.5的形势日益严峻，对直接排放油雾的新型高效过滤器性能的测试，包括其对温度的适应性能以及在不同温度下滤芯的稳定性测试，都直接关系到控制污染物排放的效果.

4 结 论

（1）所提出的长光程消光法测量装置适用于测量细微颗粒（如油雾颗粒）的粒径和体积分数，因此可以用于高效过滤器性能检测及评估.

（2）实验结果表明，油雾发生器模拟装置生成的油雾颗粒粒径大多小于2μm，质量浓度小于300 mg／m3，可用于模拟污染物排放测试的运行环境.

（3）经油雾过滤器过滤后油雾颗粒的平均粒径小于0.5μm，由质量浓度可得5个工况下的平均过滤效率为93.15%.

（4）该新型测量装置通过延长光程能够显著增强颗粒物的消光效应，可将该方法用于环境中颗粒物体积分数的检测.

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