一种雾霾环境模拟仓体的制作方法

本发明属于环境模拟、气溶胶制备、汽液两相流技术领域，涉及到大气环境和雾霾现象的模拟，特别涉及到环境雾霾模拟仓装置。

背景技术：

雾霾模拟技术方面，国外根据大气气溶胶离子的化学反应和气体动力学，搭建了室内、室外环境烟雾箱，模拟大气光化学反应，但是烟雾箱生成物种类有限，气体环境很难做到接近雾霾天气特别是重度霾天气的水平，也没有探究消除雾霾的具体措施。

国内研究了人工模拟雾霾装置，分别制得气溶胶颗粒、盐雾、粉尘，控制其他物化条件制造出了雾霾气溶胶，也能测得对应的污染级别，但是需要根据实验参数准确注入各项原料，控制系统复杂、成本较高。以上各项组分需要在一定的时间和规格添加到模拟装置中，这使得人工雾霾成分与自然状态有一定差距。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种仓体结构、控制方法上更为简单的雾霾模拟装置，能够产生更符合自然状态的雾霾气溶胶，并得到各项组分对应的参数条件。

本发明的技术方案为：

一种雾霾环境模拟仓体，包括雾霾产生系统、仓体和雾霾检测系统；所述仓体是由有机玻璃制成的空心圆柱，仓体的顶端和底端分别由铝箔管引出，连接至管道式换气扇，仓内气体沿闭环定向循环流动；

所述雾霾产生系统包括油煤混合燃烧室、燃香室、模拟土壤肥质挥发装置、盐雾发生装置、粉尘发生器、橡胶电阻加热带和电阻丝网；

其中油煤混合燃烧室通过软管连接至空气泵；燃烧室上侧开有小孔，煤油经轻微雾化后喷入燃烧室腔体底部；燃烧室底部金属网上放置劣质煤，电阻通电发热以燃烧劣质煤，由空气泵自下而上送入压缩空气助燃，并将烟气送入仓体底部；能提供大颗粒碳化物、硫氧化物、粉尘和少量氮氧化物。

燃香室通过软管连接至对应空气泵；铁丝嵌入瓶塞用以固定香或香烟，点燃香条后倒置，自下而上燃烧防止香灰堵塞出口，燃香室上侧开有小孔，烟气喷入仓体底部；

模拟土壤肥质挥发装置为试管内盛铵态氮肥和土壤稀释液，底部加热挥发，出口直接连接到仓体底部；

盐雾发生装置，仓体顶部均布小孔接入盘管，将硫酸盐、硝酸盐以特定比例溶于液体，经超声波雾化器生成为盐雾，经由盘管扩散到仓体内部；盐雾受重力作用会逐渐沉降，控制舱内气体的相对湿度，因此将蒸馏水雾化通入仓内也可调节相对湿度。

粉尘发生器上侧开孔用空气泵向仓体内泵入由硅藻土、环氧包封粉、粉煤灰和扬尘组成的粉尘样本，粉尘样本由注射器缓缓补充进粉尘发生器；

橡胶加热带是由电阻丝和包裹的橡胶构成，宽8cm，蛇形缠绕在仓体外侧；电阻丝网放置于仓体底部和顶部横截面的位置，两种加热方式通过k型铠装热电偶测得加热温度，并配有控制系统调节功率；

所述的雾霾检测系统包括颗粒计数器、k型热电偶、温湿度测量仪、风速仪、流量计，用于检测粒径分布、温湿度、风速、流量。

所述的仓体结构中包括模拟下雨消除雾霾的喷淋装置，由水泵、调压阀和喷淋装置组成，可调节出水量。

所述的雾霾检测系统包含多种传感器，一部分嵌入仓体内部，一部分通过仓体圆孔接入内部，不检测时圆孔用铝箔胶带封口。

所述的雾霾检测系统包含颗粒计数器，测量粒径在0.3～10μm，单位采样体积的粒子数量或重量。所述颗粒计数器按照2-4min的时间间隔在a、b、c每个位点同时测量，a、b、c是仓体在母线方向的三等分点。

进一步地，所述雾霾检测系统包含k型热电偶，导线丝材细长可弯折，在仓体高度的五等分点开孔，探头测量深度0.1m等于仓体半径，可测得气、液流体中心温度。热电偶连接到六通道温度巡检仪上，可连接至电脑端监控、绘图。

进一步地，所述雾霾检测系统包含温湿度测量仪，顶部打孔垂直放入探头，可拆卸，用于顶部盐雾、降水的反馈。所述温湿度测量仪每隔1-3s自动测量，只观察变化趋势无需记录数据。

进一步地，所述雾霾检测系统包含风速仪，使用时风扇表面与横截面平行，气体流动带动扇叶转动，数值稳定时读取风速值，不与仓体固定。有两个测量位点，分别在铝箔管顶部、底部靠近与仓体连接的地方，用以测量气体循环速度，测量时需测使转轴垂直于管道截面。

进一步地，所述雾霾检测系统包含透明锥形管浮子流量计，两端通过软管连接到雾霾产生系统与舱体底部，可以测量废气、土壤挥发质的气流流量。流量计最大量程10ml/min，为保持精度，流量一般控制在5ml/min，试验测定足够用于致霾。

所述粉尘发生器中粉尘包括但不限于烟道积尘、花粉、孢子、粉煤灰和扬尘。粉尘可以从自然界获得，也可进一步增加人工粉碎而成的。

所述雾霾产生装置中，油煤混合燃烧室(17)、燃香室(15)、模拟土壤肥质挥发装置、盐雾发生装置、粉尘发生器(5)，可根据实验需求在不同的接入位点进行连接或断开，不影响系统其它部分。所述雾霾产生装置每一种生成成分的流量都可以定量控制。

所述雾霾检测装置中，颗粒计数器、温湿度测量仪、风速计并未固定到仓体上，可在需要检测的时间在待测位点手持或手动固定测量。

所述仓体上暂不使用的圆孔用铝箔胶带覆盖，以防气体泄漏，使用时撕下。在除去仓内废气时需将闭式循环变为开式循环，即铝箔管与管道式换气扇分开，清洁的空气通过换气扇进入仓体，废气通过仓体顶部引出的铝箔管排出，通往通风橱或者配置好的碱性溶液中。

仓体在不同位置采取不同方式密封：所述仓体底部使用浅水层实现的液封，模拟地面潮湿或者凝结水的情况；在干燥条件下使用难挥发性、有机物溶解度小的油类液封；

所述装置在铝箔管、仓体、换气扇两两连接，连接处使用铝箔胶带密封；

所述流量计引出的废气流经软管通过圆孔接入仓体，软管包裹连接流量计的一段，软管与圆孔连接处注塑密封、固定；

所述热电偶探头通过细孔伸入仓体，在热电偶塑皮上包裹几层生料带塞入细孔，之后用胶带封住连接处并固定。

所述装置通过雾霾产生系统可以模拟与自然现象有关的致霾因素，通过监测系统的反馈维持一段时间的气溶胶状态，按照gb3095-2012环境空气质量标准和gb/t16292-1996空气洁净度分级标准控制气体污染程度；在霾存在的平台期，可以实时监测环境参数。通过人为干预调节各参数，可以得到不同成分的雾霾气溶胶。此外，可以通过调节管道式换气扇和空气泵转速、不同位置加热带的功率和喷淋系统流量，分别模拟自然界风速、温度梯度、空气湿度及降水状况。

本发明的效果和益处

1、本装置采用控制温湿度梯度、颗粒物粒径分布、空气流速、盐雾成分和扩散速度的思路产生雾霾，对雾霾产生状况可以进行定量描述。

2、本装置模拟的雾霾产生因素多样，可以模拟农田肥料挥发、化石燃料燃烧和路面扬尘等自然现象，能够在一定程度上模拟自然环境并探究雾霾的起因。

3、本装置可以还原环境温度梯度、起风降雨、从而能够进一步探究消除雾霾的方法。

4、本装置结构紧凑小型、占地空间小、易于操作。便于进一步改进增加新的影响因素。

附图说明

图1是装置结构图。

图中：1管道式换气扇；2仓体；3温湿度测量仪；4颗粒计数器；5粉尘发生器；6喷淋装置；7水泵；8循环通气管道；9盘管；10流量计；11超声波雾化器；12线性排布热电偶；13橡胶电加热带；14铵态氮肥挥发室；15燃香室；16空气泵；17油煤混合燃烧室。

具体实施方式

本装置冗余度高，可分别调节各部分不同的工作状态，模拟不同的自然环境。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

以下实施例仓体用有机玻璃制成，为直径0.3m、高2.5m、厚2mm的空心圆柱体。采样流量定为2.83l/min，每次采样都需规定采样时间。经大量实验得出，采样时间8s也即采样流量在0.377l附近时粒径分布数据区趋于稳定，为控制变量规定采样时间为8s。仓体的三等分点位置分别开圆孔作为测点，探头接0.1m光洁硬管从测点伸入至中心点。可测得某一时间特定位置的粒径分布。每次测量过程中也可测得该测点的空气温度、露点温度和相对湿度。

本装置涉及人工控制的部分，包括空气泵流量、污染物流量、气体循环速度、喷淋流量、加热功率、扬尘速度、超声波雾化功率，都能够在最大范围内平滑的无级调节，也可以根据需要进行标定、分档；

所述空气泵每个都有两个出气口，每个口最大流量3.5l/min，最大功率8w；

所述喷淋装置流量对应为120-160ml/min；

所述加热带功率为80w/m，4m长、25mm宽的加热带可调节功率为1-320w，附带温度反馈装置，最大测温范围为0℃-99℃；

所述污染物流量由透明锥形管悬浮流量计控制，流量0-10.0ml/min；

所述管道式换气扇电机启动最小风速约为2.0m/s，最大功率对应风速超过15m/s，实验中常取2.1-3.5m/s模拟空气流动；

所述超声波雾化器通过旋钮控制功率，进而控制液体的雾化速度，而功率与雾滴粒径无关。

实施例1

本装置旨在维持空气稳定循环的条件下，释放致霾物质并最终实现稳定的气溶胶状态。在确认循环通气管道8与仓体上端、管道式换气扇1密封连接后，开启换气扇与空气泵，使用风速仪测定风速，正常情况下铝箔管两端风速稳定实验时初始风速控制在在2.1m/s至3.5m/s范围内。

将油煤混合燃烧室17点火，打开燃香室15点燃供香，然后加热盛有铵态氮肥的挥发室，打开空气泵16，此时混合气体包括二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、油烟小液滴(微米级)、盐雾颗粒；调节空气泵档位最低，人工推动注射器补充粉尘样本，使粉尘自下而上迅速扩展到整个仓体；在相对湿度低的环境下，可选择将超声波雾化器11打开，水雾通过软管导入盘管9，在四个位点均匀落下。

使用颗粒计数器在上、中、下三个位点每隔2min测量一次，各位点粒径分布按照μg/m³的单位在重度污染的范围内上下波动不超过10％时，认为进入雾霾平台期。实验得出，在本装置的有限空间内，燃香0.1g即可实现2-4min的平台期。

实施例2

为研究季节变化引起的近地面温度梯度对雾霾的影响，可通过模拟地热梯度、空气自然流动来实现。以冬季为例，近地面的温度比高空低，形成逆温层在夜间由于辐射冷却这种现象更加严重。本装置径向尺寸小于高度尺寸，可以在仓体底部作为地面，在垂直于地面的方向上探究雾霾的形成与消除。

为模拟这种现象，首先需保持管道式换气扇1和空气泵16关闭，取消空气在高度方向上的强制流动；通过调节缠绕在仓体表面不同位置的橡胶加热带功率，实现一定的温度梯度，利用仓体内嵌热电偶及与加热带表面紧密接触的铠装热电偶监测温度，各位点温度保持稳定后进行下一步；忽略农田土壤挥发质和燃煤废气温度的影响，雾霾产生系统仅燃香室15工作，通过软管将燃烟废气导入仓体底部，在燃香0.17g的条件下经浮子流量计测得自然逸出的烟气流量达2ml/min；考虑夜间的地面凝结现象，将仓体底部设置了浅水层，同时液封保证了仓体底部的密封性、防止气体逸散。

每隔两分钟使用颗粒计数器测量三个位点的粒径分布，单位设置为个/采样体积，采样体积设为0.133min*2.83l/min＝0.377l，开放两个采样通道，分别为粒径2.5μm和10μm以下的粒子数量。个/采样体积比μg/m³更加精确，也更能反映粒子数量变化。本操作方案可定量的研究逆温现象对雾霾扩散的抑制作用。

实施例3

探究降水、喷雾产生汽液两相流，或者改变温度梯度和相对湿度探究对雾霾产生的影响，可以利用本装置做对照实验。第一组初试阶段与实施例1类似，开启管道式风机1和空气泵16，开启油煤混合燃烧室、燃香室和铵态氮肥挥发室空气泵维持5ml/min的烟气流量，持续扬尘并且通入盐雾。沿用以上两例颗粒计数器的初始采样设定，每隔2min记录各位点pm2.5、pm10水平、相对湿度和温度，直到污染物水平衰减到轻微污染，总的采样时间取决于煤、供香和土壤挥发质的量。

仓内废气通入前述配置好的稀溶液中，或者直接导入通风橱内。保持雾霾产生条件、管道式风机1控制的风速水平、橡胶加热带控制的温度梯度等实验条件与第一组实验一致，在雾霾形成的平台期，通过调流量计控制出水流量、雾状水滴粒径分布，在不同的喷淋条件下同样的采样时间测得对应的污染物水平，与第一组实验进行对比。按照同样的思路分别改变不同位置加热带的恒定热功率和超声波雾化装置的电功率，得到第三组、第四组实验数据。将以上数据和第一组进行对比，即可探究人为干预对雾霾产生的影响。