一种大城市道路灰霾消除的网络系统与方法 |
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| 申请号 | CN201410091093.3 | 申请日 | 2014-03-13 | 公开(公告)号 | CN103898858A | 公开(公告)日 | 2014-07-02 |
| 申请人 | 周希圣; | 发明人 | 周希圣; 陆建梅; 周明崴; | ||||
| 摘要 | 一种大城市道路灰霾消除的网络系统与方法，包括检测系统、设备网络系统、决策控制系统等几部分组成。沿整个城市路网并行布置一套喷雾网络设备系统，这样可在城市道路灰霾污染源上方形成可降落的 水 雾幕，并进行消霾除尘作业。系统在对灰霾影响参数检测的 基础 上，经决策控制中心计算机分析处理后，控制喷雾设备网络系统进行工作。整个系统可实现区域联动控制，数秒内可完成一次整个城市道路的降霾除尘作业，也可以连续除尘，防止其扩散污染周围环境，从而达到 净化 整个城市空气的目的。该系统与方法的运营成本较低，且灰霾消除效果好，可在不影响交通的前提下，实现对道路及其它灰霾污染源的精准控制。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种大城市道路灰霾消除的网络系统与方法，其特征在于:该方法借助并行安装在城市道路上方及其它重点污染源处的多组固定可控喷雾设施，其喷射的雾化水降落过程中，裹住尾气、灰尘，从主要污染源的源头上清除车行交通等产生的灰霾。 |
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| 说明书全文 | 一种大城市道路灰霾消除的网络系统与方法技术领域[0001] 本发明涉及环境领域，特别涉及一种大城市道路灰霾循环喷雾消除的网络系统与方法。 背景技术[0002] 1.灰霾天气的危害雾或霾是一种灾害性天气，对公路、铁路、航空、航运、供电系统、农作物生长等均产生重要影响。纯水雾本身对人体的健康危害较小，但其中一旦进入有毒气体，或者有固体颗粒物，形成灰霾，则会造成空气质量下降，影响生态环境，给人体健康带来较大危害。 [0003] 灰霾主要引发的是人的心血管和呼吸系统疾病。由于有供暖燃煤的区别,淮河以北居民预期寿命缩短了5.52年。灰霾浓度每立方米增加100微克,预期寿命短三年，近30年来，我国公众吸烟率不断下降，但肺癌患病率却上升了4倍多。这可能与灰霾天增加有一定的关系。 [0004] 灰霾会对人体的呼吸道产生影响，可能会引起急性上呼吸道感染（感冒）、急性气管支气管炎及肺炎、哮喘发作，诱发或加重慢性支气管炎等。特别是小孩呼吸道鼻、气管、支气管黏膜柔嫩，且肺泡数量较少，弹力纤维发育较差，间质发育旺盛，更易受到呼吸道病毒的感染。人长时间处于雾天中，可引起气管炎、喉炎、肺炎、哮喘、鼻炎、眼结膜炎及过敏性疾病的发生，对幼儿、青少年的生长发育和体质均有一定的影响。此外，大雾天气空气质量差，抵抗力较差的糖尿病患者极有可能出现肺部及气管感染而加重病情。 [0005] 灰霾天对人体心脑血管疾病的影响也很严重，会阻碍正常的血液循环，导致心血管病、高血压、冠心病、脑溢血，可能诱发心绞痛、心肌梗塞、心力衰竭等，使慢性支气管炎出现肺源性心脏病等。另外，浓雾天气压比较低，人会产生一种烦躁的感觉，血压自然会有所增高。再一方面雾天往往气温较低，一些高血压、冠心病患者从温暖的室内突然走到寒冷的室外，血管热胀冷缩，也可使血压升高，导致中风、心肌梗死的发生。 [0006] 2.灰霾天气的成因随着区域分布的不同，形成灰霾天气的原因也各不相同，在大城市雾霾天气形成的原因中，下述两个要素非常重要： 1) 气象要素。没有明显冷空气活动，风力较小，大气层比较稳定由于空气的不流动，使空气中的微小颗粒聚集，漂浮在空气中。首先是温度条件，经对雾霾天发生的统计调查，一般发生时，气温区间多在0~10℃，温度在0℃以下，空气中的水汽凝固，高于10℃，则空气密度降低，固体颗粒物悬浮困难。其次是风力条件。霾天气发生时，风力较小，一般在4级以下，风力稍大，则悬浮颗粒物很快被吹散。 [0007] 2)污染物要素。空气中的灰尘、硫酸、硝酸等颗粒物组成的气溶胶系统造成视觉障碍的叫霾。霾就是灰霾（烟霞）。雾霾天气是一种大气污染状态，雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，尤其是PM2.5（粒径小于2.5微米的颗粒物）被认为是造成灰霾天气的“元凶”。灰霾的源头多种多样，比如汽车尾气、工业排放、建筑扬尘、垃圾焚烧，甚至火山喷发等等，灰霾天气通常是多种污染源混合作用形成的。灰霾的形成既有“源头”，也有“帮凶”，这就是不利于污染物扩散的气象条件，一旦污染物在长期处于静态的气象条件下积聚，就容易形成雾霾天气。 [0008] 3.大城市交通对灰霾天气及空气污染影响极大目前普遍认为城市有毒颗粒物一是外来输入，二是城市自身的产生的，两者叠加在一起形成污染源。实际上，雾霾发生的第一要素是风力小，在这样的状态下，大气的水平流动速度极慢，伴随空气流动的有毒颗粒物移动速度亦很慢，因此，因此，雾霾应主要来源于大城市自身，以北京为例，据估计，河北、天津等省市的外来输送约占北京PM2.5构成的20%，自身要占80%以上，上海及其它特大型城市的占比可能更高。 [0009] 城市内部污染颗粒物主要来源于汽车尾气、工业生产排放的废气及建筑工地和道路交通产生的扬尘等，其中，交通尾气和道路扬尘又是霾形成的最主要污染源。交通导致的雾霾主要是两方面，一是固体颗粒物的排放，其中使用柴油的大型车是排放固体颗粒物的“重犯”，包括大公交、各单位的班车，以及大型运输卡车等，因燃烧的充分性不足，细小的碳颗粒被排放到大气中。另一方面是道路扬尘，以北京为例，其汽车保有量2013年已达520多万辆，这如同是城市的一只只流动的大鼓风机，其行进过程中，将地面的灰层卷起并抛向空中，并渐渐向周围扩散开来，从而形成具有一定高度和宽度的污染带，离马路越近，地面越低，PM2.5的值将越大，污染越严重。特大城市的路网非常发达，近的100~200m，远的不足1000m，并有一条条马路，这些路网连起来，伴随着繁忙交通的发生，将整个城市低空污染。包围在马路中央的，是高大的建筑群，这使得空气的流动性减弱，给污染物的稀释带来困难，进一步加剧了霾灾害的发生。 [0010] 4.目前灰霾天气的治理方法国家领导人在谈雾霾治理时的决心非常大，要像对贫困宣战一样坚决向污染宣战。近阶段雾霾天气范围扩大,是大自然向粗放发展方式亮起的红灯。在治理时，强调要加强生态环境保护,下决心用硬措施完成硬任务，同时，以雾霾频发的特大城市和区域为重点,以PM2.5和PM10治理为突破口。现阶段雾霾治理一般通过如下几方面途径： 一是政府完善法律。国外治理大气污染立法先行，现已形成完备的法律体系。目前，我国大气污染立法尚不完善，应尽快完善相关法律法规，已实施13年的《大气污染防治法》亟待修订， PM2.5控制的法规体系。如在环境保护法律法规中增加区域联防联治内容，加大机动车尾气治理力度，通过立法修订机动车尾气排放标准等。 [0011] 二是经济结构调整。我国是以煤为主的能源消耗结构，化石能源占中国整体能源结构92.7%。面对环境污染严重、生态系统退化的严峻形势，以化石资源为代价的传统发展模式已难以为继，亟需由“高碳”经济向“低碳”经济转型。而避免燃煤污染的治本之策，就是要使用清洁能源，从源头上减少污染排放。 [0012] 三是企业节能减排。按照“谁污染谁治理”的原则，就是要‘倒逼’企业转型升级。企业要推进清洁生产，靠科技的投入转变生产方式，使用天然气、太阳能等清洁能源，减少污染气体的排放，减少汽车出行，进而实现节能减排。 [0013] 现阶段，尚有通过无人飞机，进行消雾降霾方面的尝试，但其成本高，实施作业的范围小，时间短。 [0014] 综合分析以上治理途径，一般是通过管理、法律、限排等途径来进行，并取得了一定效果，但非常有限，当气候条件具备，雾霾天照样来袭。实际上，雾霾天气，特别是灰霾的治理是国际难题，现阶段国际上并无特别好的治理方法，需要从技术上予以突破。 发明内容[0016] 本发明提出的一种城市道路灰霾污染源的消除网络系统与方法，其发明的主要内容包括如下四个主要方面：(1)城市道路灰霾浓度影响因素及PM值实时检测系统。主要对气温、风力、车流密度、PM浓度值等重要参数进行实时检测，为喷雾参数的确定提供依据。(2)灰霾喷雾消除的设备网络系统，主要进行高压细水雾的生产和输送，包括水增压泵、水雾干路、水雾支路、喷嘴、电源及水源等。(3)喷雾决策控制系统。根据实时检测到的相关变量参数，在控制中心进行统计分析的基础上，形成喷雾作业的流量、频率、压力和时长等控制参数，并驱动作业设备系统。(4)不同区域的水喷雾检测、控制与设备系统有机组合在一起，形成了本发明精确可控的高空固定式喷雾的灰霾消除网络系统与方法。 [0017] 对于发明点(1)~(4)，其实现的原理主要如下：汽车行驶过程中，喷出的尾气，裹着未能充分燃烧的细小碳颗粒，并含有部分有毒的硫化物气体、氮氧化物气体以及道路扬尘等，抛向高空，并逐渐向上及周边扩散，形成污染带；不同道路的污染带交叠在一起，从而将整个城市的低空污染。本发明利用喷雾的方式消除灰霾，与雾天加重灰霾有本质的区别。安装与道路上方的喷雾设施，其喷出的雾化水的粒径远大于自然雾的粒径，重量大，不会悬浮在空中，因而很快会降落至地面，其降落过程中，与上升的尾气及扬尘相遇，并将后者裹住而一同落至地面。喷雾一段时间后，道路上方的灰霾浓度被很快降低，此时，停止喷雾。随着地面水分的蒸发，以及汽车尾气排放，道路上方的PM浓度值又逐步上升，达到一定浓度时，再进行喷雾作业，如此循环，即可避免道路污染向周近空间扩散，从而消除道路交通产生的灰霾。 [0018] 优选的，所述的大城市道路灰霾循环喷雾消除的网络系统与方法，其喷雾供水干管宜埋设于地下，在减少地面空间资源的同时，便于防寒抗冻，喷雾支管宜做好防冻保温处理；优选的，所述的大城市道路灰霾循环喷雾消除的网络系统与方法，其雾化泵站宜设置一定容积的储水池或储水箱。 [0019] 优选的，所述的大城市道路灰霾循环喷雾消除的网络系统与方法，其喷嘴应设置足够的高度，水喷雾越高，控制污染源的区域越大。 [0020] 本发明的有益效果是：1、不影响交通。传统汽车洒水管养占据一条快车道，车行速度慢，对车辆的正常通行影响大。采用固定管路的高空喷雾作业对交通无任何影响； 2、除尘消霾速度快、效果好，可代替汽车洒水降尘作业。传统的汽车洒水作业仅能防止地面灰尘的扬起，对汽车尾气污染物无法清除；而采用高空喷雾除尘降霾，可同时去除尾气与地面扬尘，且整条道路所有区域同时进行降霾除尘作业，数秒内即可完成城市所有道路的一次消霾作业过程，速度快。 [0021] 3、可实现对灰霾污染源的精确控制。仅就道路扬尘控制而言，传统洒水除尘凭经验进行，并受限于管养人员的责任心，往往得不到有效控制，一天大部分时间道路均处于干燥状态。本网络系统可实时检测，并可借助计算机辅助决策系统，根据车流密度、气温、风力、污染物浓度等，实时调整喷雾参数，实现对污染源的实时精确控制。 [0023] 5、降低城市热岛效应。如果该过滤网络系统能够得到安装，在炎热的夏天，其尚具有为城市降温的功能。在夏天，黑色的路面吸热的能力特别强，道路表面在阳光照射下温度迅速升高，达70多度，而周边草地绿化区域温度升高幅度一般在10度以内，使得路面对大气的辐射能力及其降温后所释放的热量要大大高于绿化区域，接近10多倍，是夏季城市热岛效应的最主要热源，使得城区的大气温度要高于郊区或周近农村2~5度。霾过滤网络安装后，在夏天喷雾过程中，可极大降低路面温度，在降低城市气温，缓解热岛效应的同时，延缓沥青老化，提高沥青路面的使用寿命。 [0024] 具体实施方式[0025] 随着城市规模的扩大及城市汽车保有量的增加，车辆在带给人们出行便利的同时，给城市的污染也越来越严重，加上其他工业、燃煤等污染，一旦气候条件具备，整个城市低空牢牢被的灰霾锁住。如何快速清除因车行交通而导致的灰霾，净化城市空气，是国际难题，也是迫切需要解决的问题。 [0026] 本发明利用人工喷雾可消霾除尘的原理，借助检测与控制技术，提出一种大城市道路上，特别交通流密集的主干路与快速路上，安装喷雾消霾除尘设备，所有的设备设施连在一起，与整个城市路网并行布置，构成了本发明的城市道路消霾除尘网络系统。该系统由检测系统、设备网络系统、决策控制系统三部分组成，检测参数经网络传输到控制中心，经计算机分析处理后，形成喷雾控制参数，控制整个设备系统。 [0027] 为使大城市的灰霾污染源得到有效控制，可采用总分控制的方式，在建立市级控制中心的基础上，对各区建立分区控制站，在分区集中控制站内安装高压细水雾化泵站的气、水泵，以及检测、计算分析与控制设备系统，并由控制系统驱动设备生产高压细水雾，由管路输送至道路上方的喷嘴。典型的大城市道路灰霾消除网络系统总体结构设计如附图1所示。 [0028] (一)设备网络系统的构建1.高压细水雾化泵站建设 为形成高压雾化水，须每隔一定距离建一座小型高压细水雾化泵站。泵站设计中，应统筹考虑泵站选址、储水池设计、泵站防冻、水和电源需求及泵的选择等方面的因素。 [0029] 泵站的选址。宜选择主干路、快速路的交汇处，这样，单个泵站服务路段将较长。一般地，经过适当的中继增压，单个泵站至少可服务直径4公里范围的路段。同时，泵站选址应考虑便于市政水源及电源的接入。 [0030] 储水池的设计。储水池的容积首先应保证能充满整个管路系统，同时至少能满足13 到2小时作业的用水量。假设每个泵站服务8km路段，每公里路段的小时用水约为10 m, 3 则泵站储水能力应在80~160 m。具体要根据管路的设计、布设方式、喷雾形式及道路长度等参数综合确定。 [0031] 水泵的选择。水泵的扬程和流量是控制重点，在城市供水系统、消防系统供水等设计中应用较多，技术较为成熟，选择与应用可参照相应的规范。 [0032] 水源电源供应。接入城市的市政水网和电网。 [0033] 泵站防冻。冬季是灰霾天气高发季节，应对泵站做好防冻保温措施，防治结冰堵塞管路。 [0034] 为进一步强化消霾除尘效果，泵站建设可考虑配备压缩空气设备设施系统，以形成气雾除尘系统。系统仅增加气泵及相应的压力调节装置，这样雾化效果好，其水颗粒直径为1~10μm，仅为水雾除尘颗粒的1/10，更容易与粉尘分子结合，达到消霾除尘的目的。同时，其节水性能好，气雾除尘将水分充分雾化，喷水量仅为水雾除尘的1/8。附图2是一种典型气雾除尘设备系统原理图，其中1到12分别为储水池、溢流阀、高压水泵、高压气泵、气压表、流量表、水压表、高压水管路、高压气管路、高压细化雾干路、高压细化雾支路及喷嘴等，其中，1~9布设于区域控制中心内，10~12为路段喷雾管路网络系统。 [0035] 2.喷雾管路选择与布设喷雾干管将承受较大的水压力，宜采用无缝钢管焊接，其管径根据流量确定，但不得小于100mm。主干管道与道路并行布置，宜布设于地下，采用埋设的方式，这样可起到很好的防冻作用。 [0036] 喷雾支管一般管径较小，可选择DN50以下镀锌钢管，并做好刷漆防锈处理，也可以选择高压软管。支管与干管一般可采用焊接方式连接，或其它专用接头。对于出地面的支管，其荷载很小，可通过抱箍，与路灯杆固定在一起，以减少工程造价。支管也可以通过专门的立杆予以固定。垂直支管与地面应有足够的距离，最好在10m以上，这样可控制更大范围的污染源。其支管布置的密度与雾化水的压力、道路的宽度等有关，应以能控制整个路幅宽度为设计依据，根据不同的路幅宽度、道路结构形式有不同的布置方式，如20m以下可选择单排，40m以下采用双排，70m以下可采用3排或多排布置的方式。附图3是一种典型道路喷雾管路的布置断面图，图中1~5分别为高压水雾干路、高压水雾支管、固定抱箍、固定立杆、喷嘴等。干管采用预埋的方式，支管则采用架空的方式。 [0037] 3.喷嘴选择与安装目前，喷嘴的种类多，可供选择的范围广，宜选择抗老化、耐寒、耐晒、耐酸碱、不长苔的产品。其安装要与水平成一定的向上抛射角(一般为45º左右)，以尽量增大单个喷嘴的控制范围。 [0038] (二)检测系统建设检测系统主要就灰霾影响参量及设备运行控制参量进行检测。 [0039] 影响参量包括风力、室外大气温度、车流密度及PM浓度值等进行实时检测。首先是风力，风力的大小直接影响近地空气灰霾的扩散能力，风力越大，扩散越快，相反，风力越小，灰霾对近地面的污染越严重，一般风力小于3级，城市发生灰霾污染的概率急升；其次，温度是另一重要参量，气温在0~10℃之间极易引发灰霾天，温度低于0℃，大气中的水汽被凝固，高于10℃，则垂直向大气交换速度增加，亦不易近在地面大气中聚集。车流密度是另一重要影响因素，车辆行驶过程中，其尾气及引起的扬尘是大城市灰霾天最大的污染源之一，行驶车辆越多，灰霾浓度越大，须对其加以实时检测。PM值是灰霾浓度的综合值，直接反应了地面空气的污染程度，应对其加强检测。对于风力、室外大气温度等，可以自行布设相应的设备系统进行检测，也可以通过与气象部门联网，获得实时的相关数据资源。对于车流密度，可以通过道路下方布设的车流密度检测系统，将检测到数据传输到控制分析中心，如果交通管理部门有相应道路的流量实时检测值，也可以通过网络传输至控制中心。PM浓度检测可在道路沿线布设一定量的测试站点，及时获得相应数据。 [0041] (三)决策控制系统通过检测系统获得的实时参量，如风力、温度、车流密度等数据值，进入统计分析系统，在现场试验的基础上，与喷雾量的一些参数，如喷雾时间间隔、喷雾流量、压力等进行实时偶合计算，以便寻求最优的喷雾作业参数，并根据道路环境条件的变化，实时予以调整。 [0042] 对于设备系统的驱动，可通过人工手动的方式，予以设定和启动，也可以借助与计算机连接的编程控制器，驱动相应水泵、空气压力泵及沿线的阀门开启状态。 [0043] 检测系统的数据终端、分析控制系统、及主水、气压力泵可建于一处，形成泵房控制分中心，控制区域范围内的道路及其它重点污染源的灰霾扩散。全市的分中心可通过网络系统，连在一起，形成市级灰霾控制中心，由市级中心统一调度、控制全市的灰霾污染。 [0044] 在具体的喷雾消霾除尘作业上，根据气象条件、车流密度等，可采用如下几种喷雾作业方式：循环作业、同时作业、定时作业及手动控制作业等多种形式。循环作业是指各喷嘴按照设定程序定时自动工作一段时间，时间可调；同时作业是指全市所有喷嘴同时工作；定时作业是指按照程序预先设定的时间自动启动和停止喷嘴的工作；手动作业是指手动启停喷嘴工作的方式。由于大城市的范围较广，空间跨度大，一般采用自动控制的方式。 [0045] 对于具体的喷雾作业控制，由分析控制系统根据检测参数，对喷雾作业进行自动调整。比如对于车流密度较小的夜间，同时，温度较低，地面蒸发速度相对较慢，可将一次喷雾作业的时长缩短，且喷雾作业的时间间隔加长，以节约水电资源的消耗；而对于早晚交通高峰时段，系统将自动缩短喷雾作业的时间间隔，加大每次喷雾量。 [0046] （四）防冻处理在低温天，当大气温度接近0℃时，停止喷雾，或增加适量的无毒防冻剂进行喷雾作业。如果停止喷雾，可对管路内的高压雾化水通过系统回流至泵房中心的储水池中，也可通过关闭高压水泵，由高压气泵作业，将管路内的雾化水吹净。 [0047] （五）附图说明附图1 大城市道路灰霾消除网络系统总体结构图 附图2 典型的设备网络系统结构示意图 附图3 典型道路喷雾管路布置断面图 |
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