低温等离子体板式净化器净化效率影响因素研究_张振甫.pdf

第 2 卷 第 2 期2 0 2 3 年 4 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.2April 2 0 2 3低温等离子体板式净化器净化效率影响因素研究张振甫（合肥中车轨道交通车辆有限公司，合肥 230012）摘要：为了改善动车组车内空气质量，研制了一款低温等离子体板式净化器。在实验舱内，以甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、乙酸丁酯等有机气体污染物衰减系数和总去除率作为净化器净化效率的考察指标，研究了风量、净化器数量及工作电压等参数变化对净化器净化效率的影响。结果表明：风量变化对污染物的衰减系数和总去除率影响不大；净化器数量增加1倍，污染物衰减系数增大了125%，3 h总去除率增大了35.7%；当工作电压调至9.5 kV以上时，污染物衰减系数相比原来提升5倍以上，3 h总去除率达100%。净化器净化效率影响参数的优先级为工作电压净化器数量风量。关键词：低温等离子体；净化器；净化效率；工作电压；风量中图分类号：TU834.8；U266 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.02.003空气污染已成为影响人类健康的最大危害之一1，人们对空气质量的关注度也越来越高。铁路客运车辆是常用交通工具，由于车厢空间有限、人员密集、运行时间久等因素造成车内空气质量差，直接影响广大旅客及乘务人员的身体健康。因此，不断改善车厢内空气质量已成为当前铁路车辆设计的重要任务。低温等离子体技术是一种新兴的空气净化技术，其净化原理是利用高压电场产生等离子体，通过等离子体中的电子、活性粒子与气态污染物分子碰撞并发生一系列的化学反应，从而达到降解气态污染物的目的。低温等离子体技术以高效、节能、覆盖面广等优势成为空气净化器市场新焦点，对苯、甲苯和甲醛的净化效率可达90%以上2-3。据合肥中车轨道交通车辆有限公司统计数据，截至目前在合肥、青岛、杭州、成都等各城市的地铁车辆安装的低温等离子体技术净化器数量超过 10 000台。与地铁车辆的运行工况和环境不同，速度为160 km/h的动力集中动车组无法安装和使用现有的净化器。由于净化器实际运用的局限性和复杂性，目前对净化器尚无系统的评价方法，国内外现有的净化器评价基本都是基于实验舱进行的。如天津大学张欣等4通过实验舱研究得到气流组织比气密性对净化PM2.5的影响程度高。赵忠林等5通过对单组分和双组分挥发有机物的净化效率研究，提出相同条件下等离子体净化器对任一双组分的净化率均低于单组分。Kim等6在4 m3试验舱中将氨、乙酸、乙醛和甲苯作为测试气体，利用傅里叶变换红外光谱法评估了18种净化器对测试气体的去除性能。Xiao等7在自制多功能实验舱测试了不同净化器对总挥发性有机物（Total Volatile Organic Compounds，TVOC）的净化效率及TVOC净化效率与温湿度变化关系。因此，设计了一款低温等离子体板式净化器，并结合160 km/h动车组的实际环境，在实验舱内以有机气体污染物的去除率和衰减系数作为净化器净化效率的考察指标，研究了风量、净化器数量、工作电压等因素变化对净化效率的影响，旨在为后续低温等离子体板式净化器的批量生产和运用提供优化设计参考。1 试验方法与设计 1.1试验方法将实验室环境温度控制在（252），湿度保持在50%10%，与动车组车厢内温湿度保持基本一致。实验室内设置实验舱，舱内设2台调节风扇用于调节风量大小，低风量时2台风扇均不工作，中风量时开启1台风扇，高风量时开启2台风扇；另外设有低速风扇，用于搅拌实验舱空气，确保舱内气体混合均匀。实验舱工作时舱门处于密闭状态，低温等离子体板式净化器（见图1）通过金属支架置于实验舱中。根据实车测试的有机气体污染物种类，测试试剂选用如下5种：甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、乙酸丁酯，通过注射孔注入到实验舱内。污染物自然挥发并经低速风扇搅拌至测试仪表显示污染物浓度值变化不大时，默认污染物质量浓度平衡。通过QC-2B型大气采文章编号：2097-0846（2023）02001304收稿日期：20220816；修回日期：20221105作者简介：张振甫（1981），男，高级工程师。E-mail：高速铁路新材料第 2 卷样仪进行零时刻样本采集，之后开启净化器，监测3 h，每隔1 h进行1次样本采集与分析。每次采样时间为15 min，采样流量为500 mL/min。1.2试验设计为了对比风量、净化器数量及工作电压3个因素变化对净化效率的影响，依次调整其对应参数进行测试，试验方案如表1所示。其中1#、2#为对照试验，1#试验不开启净化器，测试自然条件下污染物变化情况，污染物总的初始质量浓度设定为1.2 mg/m3，工作电压初始取值7.5 kV，风量为中风量；2#试验在1#试验基础上开启1台净化器；3#试验开启1台净化器，污染物初始浓度和工作电压与对照试验保持相同，只改变风量大小；4#、5#试验与3#试验类似，分别改变净化器数量或电压大小，其余参数保持不变。2 数据计算 针对前文所述5种有机气体污染物，按规定的时间测试并记录其质量浓度的变化值。通过计算得出污染物总的衰减系数和去除率，从而反映出净化器的净化效率。2.1衰减系数计算自然衰减指的是由于沉降、聚附、表面沉积、化学反应和空气交换等非人为因素，导致空气中的目标污染物浓度降低；总衰减是指由于自然衰减和空气净化器的共同作用，导致空气中的目标污染物浓度降低8；自然衰减与总衰减的程度可以用衰减系数表示。应用线性回归法，得到衰减系数k，计算公式如下：ct=c0e-kt（1）-k=(i=1ntilncti)-1n(i=1nti)(i=1nlncti)(i=1nti2)-1n(i=1nti)2（2）式中：ct表示在t时刻的污染物总的质量浓度，mg/m3；c0表示污染物总的初始质量浓度，mg/m3；k表示衰减系数（包含自然衰减系数和净化衰减系数），min-1；t表示测试时间，min；ti为第i个取样点对应的时间，min；lnCti为第i个取样点对应的污染物浓度的自然对数；n为采样次数。2.2总去除率计算采用去除率表示有机气体污染物质量浓度减少的效果。为了简化起见，将各有机气体污染物质量浓度求和后进行计算，不单独对各类气体污染物一一分析，总去除率计算式如下：=()c0-ctc0 100%（3）式中：表示污染物总去除率，%。3 试验结果与分析 3.1自然衰减试验与净化试验结果分析自然条件下，受实验舱气密性、吸附等因素影响，污染物质量浓度随时间逐渐减小，如图2（a）所示，自然衰减系数为0.041，1、2、3 h总去除率分别为3.1%、7.2%、11.7%。图 2（b）显示开启 1台净化器后，总衰减系数为 0.355，1、2、3 h 总去除率分别为 32.1%、51.0%、64.9%，衰减系数、总去除率明显提升，净化器净化效果较为明显。图中红色曲线表示污染物质量浓度衰减拟合曲线，蓝色曲线表示总去除率。3.2风量对去除效果的影响如图3（a）和图（b）所示，低、高2种不同风量时，总衰减系数分别为0.347、0.346，与图2（b）对照试验相比，偏差小于3%，说明风量变化对3 h内污染物总衰减系数影响很小，可认为3种风量条件下，总衰减系数相同。通过图3（c）所示的总去除率曲线可以发现，01 h时间段内，增大风量能够略微提高总去除率，但2 h以后3条曲线接近重合，说明在2 h以后风量对总去除率已基本无影响。3.3净化器数量对去除效果的影响如图4（a）所示，试验中将净化器数量增加1倍（采用2台净化器叠加），3 h污染物衰减系数由0.355增大到 0.799,增大了 125%。1、2、3 h 总去除率分别为57.8%、79.1%、88.1%，与2#对照试验相比有所上升，见图4（b）中蓝色曲线，3 h总去除率增大了35.7%。图1低温等离子体板式净化器表1试验设计方案试验编号1#2#3#4#5#研究项点自然衰减试验净化试验风量变化净化器数量变化工作电压变化风量中风量中风量低风量高风量中风量中风量净化器数量01121工作电压/kV7.57.57.57.59.511.514第 2 期张振甫：低温等离子体板式净化器净化效率影响因素研究3.4不同工作电压对去除效果的影响5#试验中工作电压为9.5 kV（中电压）和11.5 kV（高电压）时，衰减系数分别为2.751、2.189，与2#对照试验相比提升均超过5倍，如图5（a）、图5（b）所示；2种电压3 h污染物的总去除率均达到100%，说明电压增大对污染物去除有明显效果。通过图5（c）还可以发现，相比9.5 kV工作电压，电压为11.5 kV时，污染物在02 h的总去除率反而会略微降低，说明工作电压并不是越大越好。图2自然衰减与净化试验结果图3不同风量净化器试验结果图4不同净化器数量试验结果图5不同工作电压试验结果15高速铁路新材料第 2 卷4 结论 通过调整板式净化器的工作电压、净化器数量以及风量等参数，对板式净化器进行净化试验研究与数据分析，可以得出如下结论：（1）相比自然衰减，开启净化器后有机气体污染物衰减系数增加了7.66倍，3 h总去除率由11.7%提高到64.9%，净化效果较为明显。（2）除短时间内（01 h）增大风量略微提高污染物的去除率之外，风量变化对污染物衰减系数与总去除率影响都不大；净化器数量增加1倍，污染物衰减系数增大了125%，3 h总去除率增大了35.7%，净化效率有一定提升；提高净化器工作电压，污染物衰减系数相比原来提升5倍以上，3 h总去除率达100%；净化效率提升明显，影响净化效率参数的优先级为工作电压净化器数量风量。（3）工作电压是影响板式净化器工作效率的最大因素，后续将在保证其安装接口及安全性前提下，可对净化器工作电压的影响进行深入研究。参考文献：1 路丽，贺君辉，田华，等.新型空气净化器及其评价方法J.科技导报，2015，33（12）：101-109.2 刘宗耀，曾永辉，刘俊伟，等.挥发性有机物末端治理技术研究进展 J.现代化工，2022，42（3）：74-78.3 刘建明，刘胜楠，王晨晨，等.室内挥发性有机物处理技术的研究和应用 J.环境工程，2018，36（5）：73-77.4 张欣，刘俊杰，侯跃飞，等.空气净化器去除颗粒污染物的试验性能研究J.安全与环境学报，2016，16（5）：303-307.5 赵忠林，郑光，吴江，等.低温等离子体对几种常见挥发性有机物的净化性能研究 J.职业卫生与应急救援，2019，37（2）：188-197.6 KIM H J，HAN B，KIM Y J，et alEfficient test method for evaluating gas removal performance of room air cleaners using FTIR measurement and CADR calculationJ.Building and Environment，2012，47：385-3937 XIAO J R，ZHOU S Y，PENG T Y，et al.Experimental study on purification efficiency of air purifier for the indoor total volatile organic compounds J.Meteorological and Environmental Research，2016，7（3）：38-41.8 张辉，贾颖，石彤，等.新型空气净化器净化性能研究 J.天津大学学报（自然科学与工程技术版），2020，53（3）：301-308.Study on Influencing Factors of Purification Efficiency of Low Temperature Plasma Plate PurifierZHANG Zhenfu（Hefei CRRC Rolling Stock Co.，Ltd.，Hefei Anhui 230012，China）Abstract：A low temperature plasma plate purifier was developed to improve the air quality inside EMUs.In the experimental chamber,the removal rates and attenuation constant of toluene,xylene,ethylbenzene,styrene,butyl acetate and other organic gas were taken as indicators.The influences on the purification efficiency of plate purifier were studied by adjusting the parameters such as air volume,number of purifiers and working voltage.The results indicated that the change of air volume had little effect on the attenuation coefficient and total removal rate of pollutants.When the number of the purifiers was doubled,the attenuation coefficient of pollutants increased by 125%,and the total removal rate increased by 35.7%during 3 h.When the working voltage was modulated above 9.5 kV,the attenuation coefficient of pollutants increased by more than 5 times compared with the original,and the total removal rate was 100%in 3 h.The factor priority of plate purification efficiency was working voltage purifier number air volume.Keywords：low temperature plasma;purifier;purification efficiency;working voltage;air volume(责任编辑 陈凌云)16