一种基于突破逆温层的消减雾霾的方法 |
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| 申请号 | CN201610056633.3 | 申请日 | 2016-01-28 | 公开(公告)号 | CN105714726A | 公开(公告)日 | 2016-06-29 |
| 申请人 | 中北大学; | 发明人 | 裴东兴; 马铁华; 闫睿; 陈昌鑫; 崔春生; 张瑜; 沈大伟; 张红艳; 李新娥; 靳鸿; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及大气污染处理领域，具体是一种基于突破逆温层的消减雾霾的方法，在空旷环境下，将近地区域带有雾霾的冷空气加 热压 缩并垂直向上强制持续喷射形成高温气柱，高温气柱形成并维持上冷下热的 温度 梯度的 对流 气柱；当对流气柱突破逆温层顶，形成有利于大气垂直对流的通道，通道区域的雾霾随上升气流扩散至逆温层顶上空；随着通道内的雾霾浓度下降，周围区域的雾霾向通道内扩散，周围区域的空气携带雾霾向通道聚集，形成雾霾向高空扩散的循环，实现一定区域内雾霾的消减。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于突破逆温层的消减雾霾的方法，其特征在于，在空旷环境下，将近地区域带有雾霾的冷空气加热压缩并垂直向上强制持续喷射形成高温气柱，高温气柱形成并维持上冷下热的温度梯度的对流气柱；当对流气柱突破逆温层顶，形成有利于大气垂直对流的通道，通道区域的雾霾随上升气流扩散至逆温层顶上空；随着通道内的雾霾浓度下降，周围区域的雾霾向通道内扩散，周围区域的空气携带雾霾向通道聚集，形成雾霾向高空扩散的循环，实现一定区域内雾霾的消减。 |
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| 说明书全文 | 一种基于突破逆温层的消减雾霾的方法技术领域[0001] 本发明涉及大气污染处理领域，具体是一种通过喷射高温压缩空气和红外辐射形成一定区域垂直方向的大气对流，并通过改变逆温层局部温度梯度，辅助已产生的大气对流上界向高空推进，最终生成纵向贯穿逆温层的气体垂直对流通道的方法，以达到使雾霾突破逆温层扩散，减少近地空气污染的效果。 背景技术[0002] 雾霾是雾与霾两种气象的组合词，由于二者都具有降低能见度的效果，且在一定条件下可相互转化，定义的边界限定不清晰，所以一般统称为雾霾。雾是近地面空气中的水汽凝结或凝华，形成大量微小水滴或冰晶悬浮组成的气溶胶系统。霾是空气中的灰尘、碳粒，气态的硫氧化物、氮氧化物经化学反应生成的硫酸盐、硝酸盐粒子，共同形成大量非水悬浮颗粒物组成的气溶胶系统。大气相对湿度饱和（＞95%）时判识为雾，相对湿度小于80%时判识为霾，相对湿度80%～95%时根据大气成分指标进一步判识。雾霾粒子种类众多，其中空气动力学等效直径≤2.5μm的粒子由于粒径小、表面积大、活性强，易附带有毒有害物质，随呼吸进入并沉积于人体气管与肺部，对人体健康造成巨大威胁。 [0003] 在对流层低层中出现局部区域内大气温度随高度上升而升高的现象称为逆温现象，受逆温现象影响的具备一定垂直厚度的大气称为逆温层。直接接触地面或接近地面的逆温层环境会造成密度较大的冷空气沉积于地表，使逆温层顶下方的大气垂直对流降低，造成近地空气无法抬升，形成“锅盖”效应，使下方的悬浮颗粒物只能在逆温层顶和地面间反射聚集，无法向高空扩散，是形成雾霾的重要原因。雾霾严重的城区，逆温层顶高度可低至150m到300m，使雾霾粒子在近地区域大量压缩。同时，雾霾中的细粒子对阳光有极强的散射与吸收作用，大幅度减少地面接收的阳光辐射，会进一步增强逆温层的强度，造成恶性循环。 [0004] 目前通过静电吸附，除尘袋过滤等处理雾霾的方法着眼于减少悬浮颗粒物排放，在烟道环境中已证明有效，但对已弥散在空旷环境的雾霾处理效果并不理想。建造高空排气管道翻越逆温层的方式工程周期长，高空管道不便于维护。大型微波轰击逆温层方式设备体积大，成本高。 发明内容[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于突破逆温层的消减雾霾的方法，在空旷环境下（楼宇间或操场），将近地区域带有雾霾的冷空气加热压缩并垂直向上强制持续喷射形成高温气柱，高温气柱形成并维持上冷下热的温度梯度的对流气柱；当对流气柱突破逆温层顶，形成有利于大气垂直对流的通道，通道区域的雾霾随上升气流扩散至逆温层顶上空；随着通道内的雾霾浓度下降，周围区域的雾霾向通道内扩散，周围区域的空气携带雾霾向通道聚集，形成雾霾向高空扩散的循环，实现一定区域内雾霾的消减。 [0007] 本发明所述方法利用喷射高温压缩空气构建大气垂直对流通道，不需要建设实体高空排气管道，避免与城市建设产生冲突，同时针对逆温层顶高度200m左右导致的严重雾霾，构建大气垂直对流通道的效能进一步展现。在发生雾霾的城市，通过在操场、广场、绿地等较空旷地带或楼宇间合理布置一定数量的装置，可以实现逆温层环境下多处空气垂直对流，使雾霾穿过逆温层扩散至高空，减少近地层雾霾浓度，削弱逆温层强度，恢复大气对流自净化能力。附图说明 [0008] 图1为本发明所述方法和装置实现区域内雾霾消减的效果示意图。其中对流辐射区也为对流通道。 [0009] 图2为本发明所述对流通道形成过程中通道内大气温度梯度示意图。 具体实施方式[0011] 一种基于突破逆温层的消减雾霾的方法，在楼宇间的空隙或操场等较空旷场地，使用高温鼓风装置将近地区域带有雾霾的冷空气加热压缩后，垂直向上喷射出高温压缩空气。该高温鼓风装置是由多个单元化结构排列而成的，每个单元化结构内部均安装有加热装置、压缩装置及鼓风机，且单元化结构上方开有出风口1，下方开有导风口。单元化结构可设置多种型号，各型号拥有不同的出风口径，使用时可根据需要排列单元，形成出风口阵列。具体实施时，通过出风口阵列的调整，可形成能量集中的高温气柱，在喷射压力作用下被推动上升至一定高度。该能量集中指的是出风口阵列中部出风流量大于周边出风流量，该设置可减少能量流失；因此本发明提供了一种出风口阵列的结构，即该出风口阵列是由一个位于中部且出风口1口径较大的一个单元化结构以及若干环绕于四周且出风口1口径较小的单元化结构构成的，所有出风口1口径较小的单元化结构中心围成的圆与出风口1口径较大的单元化结构中心同心。 [0012] 由于热空气的密度小于冷空气，高温气柱向上运动，形成局部的垂直对流。高温鼓风装置持续向上喷射高温压缩空气，一方面使近地端的大气不断加热升温，温度高于远地端，形成上冷下热的大气温度梯度，利于空气垂直对流生成；另一方面后续喷射气柱持续向上推动已形成对流气柱，使对流区域上界高度不断上升。为了进一步促进对流气柱突破逆温层顶，辅助使用红外聚光灯阵列向上照射，在对流气柱区域生成垂直向上的红外光柱，利用雾霾中的水滴和气溶胶粒子对红外辐射的消光吸收作用，使光柱范围内的携带雾霾的空气梯度性升温，加速形成并维持其上冷下热的温度梯度，促进空气垂直对流。同时红外辐射促使雾霾中的水分升温气化，降低雾霾中水滴和冰晶的浓度，减少以PM2.5吸附水形成的混合粒子，提升大气能见度。当产生的对流气柱突破逆温层顶，由于逆温层上空大气温度低于高温鼓风装置上方气体温度，因温差形成地面与逆温层顶间有利于大气垂直对流的通道，如同在逆温层中建造直径接近光柱的“烟囱”，将近地区域的雾霾随上升气流扩散至逆温层上空到达消减雾霾的效果。因温差和高空风速，通道内产生负压效应，进一步增强大气垂直对流运动，维持气流通道。通道产生后，随着通道内雾霾浓度下降，周围雾霾向通道内扩散，同时由于大气负压，周围的空气携带雾霾向通道聚集，形成雾霾向高空扩散的循环，实现一定区域内雾霾的消减。 [0013] 为了便于红外光波与高温压缩空气的配合，本发明提供了红外聚光灯阵列的结构布置，即位于出风口1外的单元化结构上方以单元化结构中部为中心呈环形阵列分布有红外聚光灯阵列2。 [0014] 结合图2，本发明对对流辐射区内温度梯度的变化进行说明，包括a）、b）以及c）所呈现的三个阶段：1）在装置启动前，对流辐射区的大气温度随高度的变化如图a），逆温层顶高度h1以上随高度上升而温度下降，地面至逆温层顶高度h1随高度上升而温度升高，空气上热下冷导致空气密度上小下大，不利于空气垂直对流。 [0015] 2）装置工作中，对流辐射区的大气温度随高度的变化如图b），地面和逆温层顶高度h1间出现层顶高度h2的升温层。高温鼓风装置喷射形成能量集中的高温气柱，在喷射压力作用下被推动上升至一定高度；同时对流辐射区内空气由于雾霾粒子对红外光波的吸收作用，近地端吸收的辐射能量多于远地端，共同作用从地面向上至升温层顶高度h2产生升温层。升温层内大气温度随高度上升而递减，密度较小的热空气向上运动，密度较大的冷空气向下运动，产生局部的垂直对流。高温鼓风装置从地面持续向上喷射高温压缩空气，一方面使高温鼓风装置上空近地端大气不断加热升温，温度高于远地端，与红外辐射加热共同作用，形成并保持上冷下热的大气温度梯度，利于空气垂直对流生成；另一方面后续喷射气柱持续向上推动已形成对流的气柱，使升温层顶高度h2逐渐上移。 [0016] 3）装置持续工作，升温层高度h2达到逆温层顶高度h1后，对流辐射区的大气温度随高度的变化如图c），大气温度被改变为随高度上升而递减的梯度分布。由于近地端不断有高温气体喷射和较多的辐射加热能量，对流辐射区内地面温度高于逆温层顶温度，在对流辐射区形成气温上冷下热，空气密度上小下大，有利于大气垂直对流的通道，如同在逆温层中建造“烟囱”。地面持续加热的空气在温差导致的负压效应作用下迅速抬升突破逆温层，所携带的雾霾到达逆温层上空后在高空风作用下扩散，而高空风速大于地面风速，对应使通道上方气压进一步小于地面气压，增强大气垂直对流运动，维持气流通道。随着对流通道内雾霾浓度下降，周围雾霾向通道扩散，同时由于气体对流的大气负压，周围的空气携带雾霾向通道聚集，形成雾霾向高空扩散的循环，实现一定区域内雾霾的消减。 [0017] 当然，只要是按照本发明所述方法思路设计的其他变形装置均属于本发明的保护范围。具体应用时，本发明方法使用的装置采用单元化设置，可根据雾霾浓度使用不同数量的单元，整体装置的总体积和阵列分布随需求调整。而且单元可重复使用，体积小便于运输，可根据雾霾情况在城区内选取放置点，不需要花费长时间周期和成本建设收集气体的管网。 |
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