一種基于突破逆溫層的消減霧霾的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣污染處理領(lǐng)域，具體是一種通過噴射高溫壓縮空氣和紅外輻射形成一定區(qū)域垂直方向的大氣對流，并通過改變逆溫層局部溫度梯度，輔助已產(chǎn)生的大氣對流上界向高空推進，最終生成縱向貫穿逆溫層的氣體垂直對流通道的方法，以達(dá)到使霧霾突破逆溫層擴散，減少近地空氣污染的效果。
【背景技術(shù)】
[0002]霧霾是霧與霾兩種氣象的組合詞，由于二者都具有降低能見度的效果，且在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化，定義的邊界限定不清晰，所以一般統(tǒng)稱為霧霾。霧是近地面空氣中的水汽凝結(jié)或凝華，形成大量微小水滴或冰晶懸浮組成的氣溶膠系統(tǒng)。霾是空氣中的灰塵、碳粒，氣態(tài)的硫氧化物、氮氧化物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成的硫酸鹽、硝酸鹽粒子，共同形成大量非水懸浮顆粒物組成的氣溶膠系統(tǒng)。大氣相對濕度飽和(>95%)時判識為霧，相對濕度小于80%時判識為霾，相對濕度80%?95%時根據(jù)大氣成分指標(biāo)進一步判識。霧霾粒子種類眾多，其中空氣動力學(xué)等效直徑< 2.5μπι的粒子由于粒徑小、表面積大、活性強，易附帶有毒有害物質(zhì)，隨呼吸進入并沉積于人體氣管與肺部，對人體健康造成巨大威脅。
[0003]在對流層低層中出現(xiàn)局部區(qū)域內(nèi)大氣溫度隨高度上升而升高的現(xiàn)象稱為逆溫現(xiàn)象，受逆溫現(xiàn)象影響的具備一定垂直厚度的大氣稱為逆溫層。直接接觸地面或接近地面的逆溫層環(huán)境會造成密度較大的冷空氣沉積于地表，使逆溫層頂下方的大氣垂直對流降低，造成近地空氣無法抬升，形成“鍋蓋”效應(yīng)，使下方的懸浮顆粒物只能在逆溫層頂和地面間反射聚集，無法向高空擴散，是形成霧霾的重要原因。霧霾嚴(yán)重的城區(qū)，逆溫層頂高度可低至150m到300m，使霧霾粒子在近地區(qū)域大量壓縮。同時，霧霾中的細(xì)粒子對陽光有極強的散射與吸收作用，大幅度減少地面接收的陽光輻射，會進一步增強逆溫層的強度，造成惡性循環(huán)。
[0004]目前通過靜電吸附，除塵袋過濾等處理霧霾的方法著眼于減少懸浮顆粒物排放，在煙道環(huán)境中已證明有效，但對已彌散在空曠環(huán)境的霧霾處理效果并不理想。建造高空排氣管道翻越逆溫層的方式工程周期長，高空管道不便于維護。大型微波轟擊逆溫層方式設(shè)備體積大，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明在一定區(qū)域內(nèi)逆轉(zhuǎn)逆溫層溫度梯度以建立空氣垂直對流，從而突破逆溫層恢復(fù)大氣擴散自凈化。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種基于突破逆溫層的消減霧霾的方法，在空曠環(huán)境下(樓宇間或操場)，將近地區(qū)域帶有霧霾的冷空氣加熱壓縮并垂直向上強制持續(xù)噴射形成高溫氣柱，高溫氣柱形成并維持上冷下熱的溫度梯度的對流氣柱；當(dāng)對流氣柱突破逆溫層頂，形成有利于大氣垂直對流的通道，通道區(qū)域的霧霾隨上升氣流擴散至逆溫層頂上空;隨著通道內(nèi)的霧霾濃度下降，周圍區(qū)域的霧霾向通道內(nèi)擴散，周圍區(qū)域的空氣攜帶霧霾向通道聚集，形成霧霾向高空擴散的循環(huán)，實現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)霧霾的消減。
[0007]本發(fā)明所述方法利用噴射高溫壓縮空氣構(gòu)建大氣垂直對流通道，不需要建設(shè)實體高空排氣管道，避免與城市建設(shè)產(chǎn)生沖突，同時針對逆溫層頂高度200m左右導(dǎo)致的嚴(yán)重霧霾，構(gòu)建大氣垂直對流通道的效能進一步展現(xiàn)。在發(fā)生霧霾的城市，通過在操場、廣場、綠地等較空曠地帶或樓宇間合理布置一定數(shù)量的裝置，可以實現(xiàn)逆溫層環(huán)境下多處空氣垂直對流，使霧霾穿過逆溫層擴散至高空，減少近地層霧霾濃度，削弱逆溫層強度，恢復(fù)大氣對流自凈化能力。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明所述方法和裝置實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)霧霾消減的效果示意圖。其中對流輻射區(qū)也為對流通道。
[0009]圖2為本發(fā)明所述對流通道形成過程中通道內(nèi)大氣溫度梯度示意圖。
[0010]圖中:1-出風(fēng)口，2_紅外聚光燈陣列，h1-逆溫層頂高度，h2_升溫層頂高度。
【具體實施方式】
[0011]—種基于突破逆溫層的消減霧霾的方法，在樓宇間的空隙或操場等較空曠場地，使用高溫鼓風(fēng)裝置將近地區(qū)域帶有霧霾的冷空氣加熱壓縮后，垂直向上噴射出高溫壓縮空氣。該高溫鼓風(fēng)裝置是由多個單元化結(jié)構(gòu)排列而成的，每個單元化結(jié)構(gòu)內(nèi)部均安裝有加熱裝置、壓縮裝置及鼓風(fēng)機，且單元化結(jié)構(gòu)上方開有出風(fēng)口 I，下方開有導(dǎo)風(fēng)口。單元化結(jié)構(gòu)可設(shè)置多種型號，各型號擁有不同的出風(fēng)口徑，使用時可根據(jù)需要排列單元，形成出風(fēng)口陣列。具體實施時，通過出風(fēng)口陣列的調(diào)整，可形成能量集中的高溫氣柱，在噴射壓力作用下被推動上升至一定高度。該能量集中指的是出風(fēng)口陣列中部出風(fēng)流量大于周邊出風(fēng)流量，該設(shè)置可減少能量流失；因此本發(fā)明提供了一種出風(fēng)口陣列的結(jié)構(gòu)，即該出風(fēng)口陣列是由一個位于中部且出風(fēng)口 I 口徑較大的一個單元化結(jié)構(gòu)以及若干環(huán)繞于四周且出風(fēng)口 I 口徑較小的單元化結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，所有出風(fēng)口 I 口徑較小的單元化結(jié)構(gòu)中心圍成的圓與出風(fēng)口 I 口徑較大的單元化結(jié)構(gòu)中心同心。
[0012]由于熱空氣的密度小于冷空氣，高溫氣柱向上運動，形成局部的垂直對流。高溫鼓風(fēng)裝置持續(xù)向上噴射高溫壓縮空氣，一方面使近地端的大氣不斷加熱升溫，溫度高于遠(yuǎn)地端，形成上冷下熱的大氣溫度梯度，利于空氣垂直對流生成;另一方面后續(xù)噴射氣柱持續(xù)向上推動已形成對流氣柱，使對流區(qū)域上界高度不斷上升。為了進一步促進對流氣柱突破逆溫層頂，輔助使用紅外聚光燈陣列向上照射，在對流氣柱區(qū)域生成垂直向上的紅外光柱，利用霧霾中的水滴和氣溶膠粒子對紅外輻射的消光吸收作用，使光柱范圍內(nèi)的攜帶霧霾的空氣梯度性升溫，加速形成并維持其上冷下熱的溫度梯度，促進空氣垂直對流。同時紅外輻射促使霧霾中的水分升溫氣化，降低霧霾中水滴和冰晶的濃度，減少以PM2.5吸附水形成的混合粒子，提升大氣能見度。當(dāng)產(chǎn)生的對流氣柱突破逆溫層頂，由于逆溫層上空大氣溫度低于高溫鼓風(fēng)裝置上方氣體溫度，因溫差形成地面與逆溫層頂間有利于大氣垂直對流的通道，如同在逆溫層中建造直徑接近光柱的“煙囪”，將近地區(qū)域的霧霾隨上升氣流擴散至逆溫層上空到達(dá)消減霧霾的效果。因溫差和高空風(fēng)速，通道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)，進一步增強大氣垂直對流運動，維持氣流通道。通道產(chǎn)生后，隨著通道內(nèi)霧霾濃度下降，周圍霧霾向通道內(nèi)擴散，同時由于大氣負(fù)壓，周圍的空氣攜帶霧霾向通道聚集，形成霧霾向高空擴散的循環(huán)，實現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)霧霾的消減。
[0013]為了便于紅外光波與高溫壓縮空氣的配合，本發(fā)明提供了紅外聚光燈陣列的結(jié)構(gòu)布置，即位于出風(fēng)口 I外的單元化結(jié)構(gòu)上方以單元化結(jié)構(gòu)中部為中心呈環(huán)形陣列分布有紅外聚光燈陣列2。
[0014]結(jié)合圖2，本發(fā)明對對流輻射區(qū)內(nèi)溫度梯度的變化進行說明，包括a)、b)以及c)所呈現(xiàn)的三個階段:
I)在裝置啟動前，對流輻射區(qū)的大氣溫度隨高度的變化如圖a)，逆溫層頂高度hi以上隨高度上升而溫度下降，地面至逆溫層頂高度hi隨高度上升而溫度升高，空氣上熱下冷導(dǎo)致空氣密度上小下大，不利于空氣垂直對流。
[0015]2)裝置工作中，對流輻射區(qū)的大氣溫度隨高度的變化如圖b)，地面和逆溫層頂高度hi間出現(xiàn)層頂高度h2的升溫層。高溫鼓風(fēng)裝置噴射形成能量集中的高溫氣柱，在噴射壓力作用下被推動上升至一定高度；同時對流輻射區(qū)內(nèi)空氣由于霧霾粒子對紅外光波的吸收作用，近地端吸收的輻射能量多于遠(yuǎn)地端，共同作用從地面向上至升溫層頂高度h2產(chǎn)生升溫層。升溫層內(nèi)大氣溫度隨高度上升而遞減，密度較小的熱空氣向上運動，密度較大的冷空氣向下運動，產(chǎn)生局部的垂直對流。高溫鼓風(fēng)裝置從地面持續(xù)向上噴射高溫壓縮空氣，一方面使高溫鼓風(fēng)裝置上空近地端大氣不斷加熱升溫，溫度高于遠(yuǎn)地端，與紅外輻射加熱共同作用，形成并保持上冷下熱的大氣溫度梯度，利于空氣垂直對流生成；另一方面后續(xù)噴射氣柱持續(xù)向上推動已形成對流的氣柱，使升溫層頂高度h2逐漸上移。
[0016]3)裝置持續(xù)工作，升溫層高度h2達(dá)到逆溫層頂高度hi后，對流輻射區(qū)的大氣溫度隨高度的變化如圖C)，大氣溫度被改變?yōu)殡S高度上升而遞減的梯度分布。由于近地端不斷有高溫氣體噴射和較多的輻射加熱能量，對流輻射區(qū)內(nèi)地面溫度高于逆溫層頂溫度，在對流輻射區(qū)形成氣溫上冷下熱，空氣密度上小下大，有利于大氣垂直對流的通道，如同在逆溫層中建造“煙囪”。地面持續(xù)加熱的空氣在溫差導(dǎo)致的負(fù)壓效應(yīng)作用下迅速抬升突破逆溫層，所攜帶的霧霾到達(dá)逆溫層上空后在高空風(fēng)作用下擴散，而高空風(fēng)速大于地面風(fēng)速，對應(yīng)使通道上方氣壓進一步小于地面氣壓，增強大氣垂直對流運動，維持氣流通道。隨著對流通道內(nèi)霧霾濃度下降，周圍霧霾向通道擴散，同時由于氣體對流的大氣負(fù)壓，周圍的空氣攜帶霧霾向通道聚集，形成霧霾向高空擴散的循環(huán)，實現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)霧霾的消減。
[0017]當(dāng)然，只要是按照本發(fā)明所述方法思路設(shè)計的其他變形裝置均屬于本發(fā)明的保護范圍。具體應(yīng)用時，本發(fā)明方法使用的裝置采用單元化設(shè)置，可根據(jù)霧霾濃度使用不同數(shù)量的單元，整體裝置的總體積和陣列分布隨需求調(diào)整。而且單元可重復(fù)使用，體積小便于運輸，可根據(jù)霧霾情況在城區(qū)內(nèi)選取放置點，不需要花費長時間周期和成本建設(shè)收集氣體的管網(wǎng)。
【主權(quán)項】
1.一種基于突破逆溫層的消減霧霾的方法，其特征在于，在空曠環(huán)境下，將近地區(qū)域帶有霧霾的冷空氣加熱壓縮并垂直向上強制持續(xù)噴射形成高溫氣柱，高溫氣柱形成并維持上冷下熱的溫度梯度的對流氣柱；當(dāng)對流氣柱突破逆溫層頂，形成有利于大氣垂直對流的通道，通道區(qū)域的霧霾隨上升氣流擴散至逆溫層頂上空；隨著通道內(nèi)的霧霾濃度下降，周圍區(qū)域的霧霾向通道內(nèi)擴散，周圍區(qū)域的空氣攜帶霧霾向通道聚集，形成霧霾向高空擴散的循環(huán)，實現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)霧霾的消減。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于突破逆溫層的消減霧霾的方法，其特征在于，近地區(qū)域輔助使用紅外光波，在對流氣柱區(qū)域生成垂直向上的紅外光柱。3.—種用于權(quán)利要求1所述方法的高溫鼓風(fēng)裝置，其特征在于，是由多個單元化結(jié)構(gòu)排列而成的，每個單元化結(jié)構(gòu)內(nèi)部均安裝有加熱裝置、壓縮裝置及鼓風(fēng)機，且單元化結(jié)構(gòu)上方開有出風(fēng)口(I)，下方開有導(dǎo)風(fēng)口。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高溫鼓風(fēng)裝置，其特征在于，多個單元化結(jié)構(gòu)排列構(gòu)成出風(fēng)口陣列，該出風(fēng)口陣列是由一個位于中部且出風(fēng)口(I) 口徑較大的一個單元化結(jié)構(gòu)以及若干環(huán)繞于四周且出風(fēng)口(I) 口徑較小的單元化結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，所有出風(fēng)口(I) 口徑較小的單元化結(jié)構(gòu)中心圍成的圓與出風(fēng)口( I) 口徑較大的單元化結(jié)構(gòu)中心同心。5.—種用于權(quán)利要求2所述方法的高溫鼓風(fēng)裝置，其特征在于，是由多個單元化結(jié)構(gòu)排列而成的，每個單元化結(jié)構(gòu)內(nèi)部均安裝有加熱裝置、壓縮裝置及鼓風(fēng)機，且單元化結(jié)構(gòu)上方開有出風(fēng)口(I)，下方開有導(dǎo)風(fēng)口；且位于出風(fēng)口(I)外的單元化結(jié)構(gòu)上方以單元化結(jié)構(gòu)中部為中心呈環(huán)形陣列分布有紅外聚光燈陣列(2)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高溫鼓風(fēng)裝置，其特征在于，多個單元化結(jié)構(gòu)排列構(gòu)成出風(fēng)口陣列，該出風(fēng)口陣列是由一個位于中部且出風(fēng)口(I) 口徑較大的一個單元化結(jié)構(gòu)以及若干環(huán)繞于四周且出風(fēng)口(I) 口徑較小的單元化結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，所有出風(fēng)口(I) 口徑較小的單元化結(jié)構(gòu)中心圍成的圓與出風(fēng)口( I) 口徑較大的單元化結(jié)構(gòu)中心同心。
【專利摘要】本發(fā)明涉及大氣污染處理領(lǐng)域，具體是一種基于突破逆溫層的消減霧霾的方法，在空曠環(huán)境下，將近地區(qū)域帶有霧霾的冷空氣加熱壓縮并垂直向上強制持續(xù)噴射形成高溫氣柱，高溫氣柱形成并維持上冷下熱的溫度梯度的對流氣柱；當(dāng)對流氣柱突破逆溫層頂，形成有利于大氣垂直對流的通道，通道區(qū)域的霧霾隨上升氣流擴散至逆溫層頂上空；隨著通道內(nèi)的霧霾濃度下降，周圍區(qū)域的霧霾向通道內(nèi)擴散，周圍區(qū)域的空氣攜帶霧霾向通道聚集，形成霧霾向高空擴散的循環(huán)，實現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)霧霾的消減。
【IPC分類】E01H13/00
【公開號】CN105714726
【申請?zhí)枴緾N201610056633
【發(fā)明人】裴東興, 馬鐵華, 閆睿, 陳昌鑫, 崔春生, 張瑜, 沈大偉, 張紅艷, 李新娥, 靳鴻
【申請人】中北大學(xué)