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抗霾战场那些你不知道的抗霾故事

2017-02-13 10:51
安娜PARKER
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2016年12月23日,北京,上一波重度雾霾天气散去后的第二天,下一波雾霾天气的前一天,因为有风,让人感觉有些冷,姚强坐在清华大学热能工程系的办公室里,不时需要与过敏性鼻炎做一下斗争,纸巾不断从抽纸盒被转移到废纸篓。他经常跟人开玩笑说:“我这鼻炎始终好不了,和北京这雾霾天气有很大的关系。”

公众不熟悉的抗霾战场

姚强关注空气质量,经常会在微信朋友圈“播报”自己所在城市以及其他几个国际、国内都市的空气质量指数,这个习惯他已经坚持了很长一段时间。进入2016年12月份以来,“播报”频率进一步提升了,每天至少早晚两次,很多时候还要进行“插播”,附带着“风”“严控有效?”“仅几小时,北京从优进入重度污染”等短评。

这种长久的关注出于两方面原因:作为普通大众一员,他在意自己的生活环境是否良好;作为973项目“化石燃料燃烧排放PM2.5源头控制技术的基础研究”的首席科学家,雾霾与他的工作息息相关。不过,在姚强看来,雾霾与工作的相关性是间接的,“我们研究的是烟囱之前的事情,烟囱之后发生了什么,我们并不研究,但是会关注,雾霾的形成机制对我们的研究有影响,因此我试着去理解究竟发生了什么”。

为了方便向外人阐述,他会用一个“水箱模型”解释雾霾天气的形成,以及他工作的意义。“如果把空气环境比作一个水箱的话,它里面本身有一定量的水,大气流动会导致不停地有新的水流进来,同时有部分水流出去,与此同时,还会额外有一部分污染物排进去,这污染物可以是颗粒态的,就是一次颗粒物,也可以是气态的。我们能够很容易观察到的,是这个水箱里的浑浊程度,一会儿浑浊了,一会儿不浑浊了,也就是雾霾来了又走、走了又来的现象。但究竟发生了什么让它浑浊呢?有几个变量需要注意,第一,在污染物排量一定的情况下,如果水流进、流出的速度快,就可以让水箱里的浊水浓度保持在一个很低的水平,而如果水流速度慢了,浊水浓度就会升高;第二,水箱本身的参数会发生变化,如温度变化可能会影响排入的气态污染物向颗粒物的转化,还可能影响水箱里水的流动状态、水的总量等等,比如逆温现象可以看作大大减小水箱的高度和体积,导致在同样的污水量时,容纳的水量变少了,水箱内的浑浊度就迅速上升;第三,流入的水中可能包含一定量的浊水;第四,污染物的排量。要想降低水箱浑浊程度,可以从以上四个方面入手,回到我们的真实生活中,降低雾霾浓度也可以从这几个角度考虑:让大气流动快一些、控制空气中二次颗粒物形成、颗粒物扩散的气候条件、减少外部污染物入境、控制颗粒物及颗粒物前体物的排放量。其中,前三项都和气候环境有关,我们目前基本上无能为力,所以最重要的,就只剩下减少污染物的排放了。这正是我们在努力做的事情。”

相比于首席科学家的称呼,姚强更愿意被定位成一名工程师:“我是学工程出身的,现在做的也都是一些工程技术方面很具体、很细节性的研究……我们会研究燃烧过程中会形成哪些颗粒物、二次颗粒前体物,这些颗粒物和前体物的成分如何等,其中前体物主要包括氮氧化物、二氧化硫、氨气、挥发性有机化合物等等,同时研究这些东西在燃烧过程中究竟是如何形成的,如何通过改变燃烧方式和燃烧条件去减少它们。”

当然,燃烧过程设计得再精巧,也不可能完全杜绝污染物的产生,所以姚强团队的另一项任务,是如何在这些污染物进入到大气之前进行拦截,他们试图通过多种物理场、化学场的耦合,把它们捕获下来。这是一个更为精细的工作,比如他们会研究在脱硫塔中如何布置液雾才能够让其与污染物更充分地相互作用。“最近,我有个学生发现,这个领域很多国际上通用的公式考虑得不够仔细,对于脱硫塔这样的复杂系统无法获得正确的预测。具体来说,液滴到底是怎么捕获细颗粒物的,需要科学的计算与预测,原来的预测公式没有考虑到液滴下落过程中的形变和内部流动等的影响。实际上,它们在下落过程中不是球型的,这对整个捕获过程有很大影响。再有,液滴在下落时会与空气发生作用,让它的内部产生流动,这也是之前的公式没有考虑到的。我们的研究修正了这些公式,可以更正确地预测效果,同时为如何改进设计和运行提供了依据。”

“还有很多类似的这种细节需要专门研究。在外人看来,这些东西都属于细枝末节,但其实它们能够在很大程度上提高污染物捕获效率。”

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