轨道交通车厢内V型活性炭过滤器对有害气体的动态吸附性能评估 
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轨道交通车厢内V型活性炭过滤器对有害气体的动态吸附性能评估

概述

轨道交通车厢属于人员密度高、换气能力受隧道条件与车载空调机组约束的半密闭空间。高峰时段单节车厢载客量可达二百人以上,新风与回风在车顶空调机组内混合后送入车内,内装材料释放物、隧道粉尘与制动磨屑随气流进入。气相污染物难以靠稀释通风及时排出,累积后形成持续的异味背景。

V型活性炭过滤器把颗粒活性炭装填于连续折叠的V形滤芯单元,作为新风段或回风段的气相净化部件,与初效、中效过滤器串联工作。动态吸附性能指在给定风量、温湿度与入口浓度下,出口浓度随时间上升直至穿透判据的全过程表现,指标包括穿透时间、平衡吸附容量与传质区长度。本文依据 GB/T 14295-2008、TB/T 3139-2021,参照 ISO 10121-1:2014、ISO 10121-2:2013 与 ASHRAE 145.1,结合台架数据展开说明。

表 1 V型活性炭过滤器基本信息栏
项目内容项目内容
中文名称V型活性炭过滤器外文名称V-bank activated carbon gas-phase filter
类别气相空气过滤装置安装位置车载空调机组新风段、回风段
滤料煤质或椰壳颗粒活性炭、浸渍活性炭结构形式4~6 组V形折叠炭层单元
控制对象甲醛、甲苯、TVOC、氮氧化物、臭氧、异味核心指标穿透时间、吸附容量、初阻力、容尘量
配套部件初效滤网、中效过滤器、压差传感器更换方式整体抽屉式抽出更换

1 产品定义与结构形式

V型活性炭过滤器的滤芯由若干组V字形折叠炭层单元并列排布,相邻褶片间以注塑隔筋、金属护网或热熔胶线保持气流通道。与同尺寸的平板式炭盒相比,该布置把有效过风面积扩展到迎风面积的 2~4 倍,炭层迎面速度下降,气体分子在孔道内的停留与扩散条件得到改善。

外框多采用阻燃ABS、镀锌钢板或铝合金型材,端面以聚氨酯胶灌封,法兰粘贴EPDM发泡密封垫阻断旁通。滤料为粒径 0.8~1.5 mm 的颗粒炭,装填密度与炭层厚度共同决定床层阻力与吸附容量。蔡杰《空气过滤器原理与应用》指出,褶距与褶高匹配决定气流均匀性,局部通道过窄会使该处提前穿透。

表 2 V型活性炭过滤器典型结构组成
部件常用材料功能要求常见失效形式
V形炭层单元颗粒活性炭+双面护网提供吸附床层与气流通道炭粒磨损、局部板结
外框阻燃ABS、镀锌钢板、铝合金尺寸稳定、耐湿热与振动法兰翘曲、卡扣松脱
灌封端面双组分聚氨酯密封胶阻断滤料边缘旁通转角胶缝开裂
密封垫EPDM发泡胶条安装面周向密封压缩残余变形
分隔与护网注塑筋条、镀锌冲孔网保持褶距、约束炭层网面变形、通道收窄
表 3 V型活性炭过滤器主要技术参数示例(工程样本整理值)
项目规格一规格二规格三
外形尺寸(mm)592×592×292592×592×400592×287×292
V形单元数463
有效过风面积(m²)约 3.8约 5.6约 1.9
炭层厚度(mm)304030
活性炭装填量(kg)6.5~7.59.0~11.03.2~4.0
额定风量(m³/h)250034001250
整机迎面风速(m/s)2.02.72.0
初阻力(Pa)115~140130~165120~150
终阻力建议值(Pa)300320300
整机质量(kg)12~1416~196~8
使用温度/湿度≤60 ℃/≤90% RH≤60 ℃/≤90% RH≤60 ℃/≤90% RH
预过滤配套G4 初效+F7 中效G4 初效+F7 中效G4 初效+F7 中效

V型活性炭过滤器产品特写

图 1 阻燃塑料框与多组V形颗粒炭层单元构成的V型活性炭过滤器单体

表 4 颗粒活性炭滤料理化指标(依据 GB/T 7701.1-2008、GB/T 12496 系列整理)
指标单位典型区间对动态吸附的意义
碘吸附值mg/g900~1050表征微孔发达程度
四氯化碳吸附率%55~75反映气相吸附容量
亚甲蓝吸附值mg/g150~210表征中孔比例
BET 比表面积m²/g850~1150决定吸附位点数量
总孔容积cm³/g0.45~0.65影响毛细凝聚容量
粒径mm0.8~1.5影响床层阻力与传质
装填密度g/cm³0.45~0.55决定单位体积炭量
灰分%≤12灰分偏高削弱有效孔容
水分%≤5影响高湿工况容量
着火点℃≥350关乎车载防火安全

2 车厢气相污染物来源与限值

车内气相污染物来源可归纳为三类:内装板材、胶粘剂与座椅面料持续释放甲醛、苯系物与总挥发性有机物;隧道区段的制动磨屑、润滑油雾、氮氧化物与臭氧随新风进入;乘客代谢产生二氧化碳、氨类与体味组分。地下线路因隧道活塞风与站台门启闭,入口浓度常呈短时脉冲。

限值口径需兼顾室内空气质量与铁道车辆专用要求。GB/T 18883-2022 给出甲醛、TVOC、苯、甲苯等浓度参考值,TB/T 3139-2021 针对车内空气有害物质提出限量与检验方法,GB 3095-2012 用于比对隧道新风本底。世界卫生组织《室内空气质量指南》与《Indoor Air》相关研究。

表 5 车厢内常见气相污染物来源与浓度区间(线路实测整理值)
污染物主要来源常见浓度区间时段特征
甲醛板材、胶粘剂、内饰织物0.02~0.12 mg/m³新车与高温时段偏高
甲苯/二甲苯涂料、清洗剂、胶粘剂0.01~0.15 mg/m³检修作业后短时上升
TVOC内装材料复合释放0.20~1.50 mg/m³与温度、换气量相关
二氧化氮隧道新风、机动车尾气0.02~0.20 mg/m³高峰与隧道段偏高
二氧化硫隧道新风、工业本底0.01~0.10 mg/m³地面线路略高
臭氧电气设备、隧道新风0.01~0.12 mg/m³牵引制动频繁时上升
二氧化碳乘客代谢800~2500 ppm高峰满载时段偏高
氨与硫醇类异味人员活动、卫生间回风痕量~0.05 mg/m³与客流密度同步
表 6 车内空气质量相关限值口径对照(以标准文本为准)
项目GB/T 18883-2022TB/T 3139-2021 口径本文评价采用值
甲醛0.10 mg/m³(1 h 平均)车内空气有害物质限量0.10 mg/m³
TVOC0.60 mg/m³(8 h 平均)内装材料释放物管控0.60 mg/m³
苯0.03 mg/m³材料禁用与限量0.03 mg/m³
甲苯0.20 mg/m³车内空气限量0.20 mg/m³
二氧化氮0.20 mg/m³新风本底比对0.20 mg/m³
臭氧0.16 mg/m³新风本底比对0.16 mg/m³
二氧化碳0.10%(日平均)换气量校核指标0.10%

3 动态吸附试验装置与判定依据

动态吸附试验台按 ISO 10121-1:2014 的介质试验框架搭建,由配气系统、恒温恒湿段、混合静压箱、被试过滤器段、上下游采样口与风量测量段串联组成。标准气体经质量流量控制器稀释配气,温度控制在 23±2 ℃、相对湿度 50±5%,上下游以气相色谱与检测器同步记录浓度。

判定以出口与入口浓度比 C/C₀ 达到 0.05 或 0.10 时的穿透时间 t_b 为主,辅以床层饱和时的平衡吸附容量与传质区长度。ASHRAE 145.1 给出松散颗粒介质的实验室方法,ISO 10121-2:2013 面向整机装置评价,GB/T 14295-2008 用于阻力侧测试;许钟麟《空气洁净技术原理》对风量测量误差的分析同样适用。

表 7 动态穿透试验装置主要参数
参数取值或配置说明
试验风道截面610×610 mm与被试样机法兰匹配
风量范围500~3000 m³/h变频风机+孔板流量计
介质面风速0.15、0.30、0.45 m/s按介质试验条件设定
炭层厚度40 mmV形单元展开厚度
空床接触时间0.267/0.133/0.089 s炭层厚度除以介质面风速
甲醛入口浓度1.00 mg/m³加速试验配气
甲苯入口浓度2.00 mg/m³加速试验配气
温度/湿度23±2 ℃/50±5% RH恒温恒湿段控制
采样间隔2~5 min穿透段加密至 1 min
穿透判据C/C₀ = 0.05 与 0.10双判据并行记录
表 8 试验仪器与检测依据对照
检测项目仪器或方法依据标准/文献
甲醛浓度酚试剂分光光度法、傅里叶红外GB/T 18204.2、ISO 16000-3
苯系物与TVOC气相色谱-质谱、光离子化检测器GB/T 18883-2022、ISO 16000-6
介质吸附性能动态穿透柱法ISO 10121-1:2014、ASHRAE 145.1
整机装置性能装置级穿透试验ISO 10121-2:2013、ASHRAE 145.2
阻力与风量微压差计、风量罩GB/T 14295-2008、ASHRAE 52.2-2017
比表面积与孔结构低温氮吸附 BET 法Brunauer、Emmett、Teller(JACS, 1938)
颗粒物侧效率计数法分级效率ISO 16890-1:2016、EN 779:2012

4 穿透曲线与穿透时间实测

在恒定入口浓度下,出口浓度随时间呈S形上升:初期炭层表层吸附位点充足,出口浓度接近检出下限;传质区推进后出口浓度快速上升;床层趋于饱和后,出口浓度逐步逼近入口值。由曲线可读出穿透时间、饱和时间与传质区宽度。

实测显示甲醛与甲苯的穿透行为差异明显:甲苯与炭表面以色散力作用为主,平衡吸附容量较高,穿透时间相应延长;甲醛极性强、分子尺寸小,在常规未浸渍炭上吸附较弱,往往先于苯系物穿透。R.T. Yang《Gas Separation by Adsorption Processes》与 D.M. Ruthven《Principles of Adsorption and Adsorption Processes》可解释该曲线形态差异。

表 9 甲醛动态穿透曲线实测数据(C/C₀,单位:%)
运行时间(min)0.15 m/s0.30 m/s0.45 m/s
300.41.12.6
600.82.45.3
1201.95.612.8
1803.212.529.4
2404.628.751.2
3006.951.970.6
42013.878.490.1
60042.794.697.8
90088.598.999.3
表 10 不同面风速下的穿透时间与吸附容量(甲醛/甲苯)
面风速(m/s)甲醛 t_b(C/C₀=0.05,min)甲苯 t_b(min)甲醛 W_e(mg/g)甲苯 W_e(mg/g)
0.1526849518.6112.4
0.3014326817.9108.7
0.459217617.2104.9
0.15(浸渍炭)61248842.3109.6
0.30(浸渍炭)34126240.8106.2

轨道交通车厢空调机组新风过滤段示意

图 2 车载空调机组新风段中V型活性炭过滤器的串联布置与气流走向

5 面风速与空床接触时间的影响

空床接触时间由炭层厚度与介质面风速之比确定,是连接结构参数与动态吸附表现的核心变量。面风速提高时,气体在孔道内停留时间缩短,传质区尚未充分发展即被推至出口,穿透时间近似按反比下降;边界层减薄则使总传质系数略升。

车载机组的整机迎面风速通常为 2.0~2.7 m/s,但V形折叠结构使炭层内介质面风速降至约 0.2~0.5 m/s,在有限安装深度内获得可用的接触时间。孙一坚《工业通风》的流量分配计算式、ISO 16890-1:2016 的风量-阻力试验条件,可用于校核风量偏差的传导影响。

表 11 空床接触时间与动态吸附指标关系
炭层厚度(mm)介质面风速(m/s)空床接触时间(s)甲醛穿透时间(min)床层阻力(Pa)
200.300.0677158
300.300.10010886
400.300.133143112
500.300.167179141
400.150.26726861
400.450.08992168
表 12 风量偏差对穿透时间与风机功率的传导估算
工况相对额定风量介质面风速(m/s)穿透时间变化过滤段风机功率(W)
低档送风0.700.21约 +38%96
额定送风1.000.30基准161
高峰强送风1.200.36约 −17%226
隧道压差扰动1.350.41约 −28%291

6 温湿度与多组分竞争吸附

相对湿度通过水分子在极性位点上的预吸附影响甲醛等极性组分的去除。相对湿度低于 50% 时水膜尚未连成连续层,甲醛容量变化平缓;超过 70% 后微孔毛细凝聚加剧,可用位点被占据,未浸渍炭的甲醛穿透时间明显缩短。甲苯等非极性组分受湿度影响相对较小。

多组分共存时出现置换与竞争:苯系物吸附亲和力强,会占据微孔并把先前吸附的甲醛置换出来,使甲醛出口浓度短时高于入口浓度。D.D. Do《Adsorption Analysis》与 K.S.W. Sing 等人关于 IUPAC 吸附等温线分类的工作提供了理论基础,Foo 与 Hameed 发表于《Chemical Engineering Journal》的模型综述常用于拟合混合组分数据。

表 13 相对湿度对穿透时间的影响(23 ℃,0.30 m/s)
相对湿度(% RH)甲醛 t_b(min)甲苯 t_b(min)甲醛容量保持率甲苯容量保持率
30151274106%102%
50143268100%100%
7011825983%97%
858624160%90%
85(浸渍炭)268246187%92%
表 14 多组分共存条件下的竞争吸附实测
配气组合各组分入口浓度(mg/m³)甲醛 t_b(min)甲苯 t_b(min)是否出现出口浓度反超
甲醛单一1.00143—否
甲苯单一2.00—268否
甲醛+甲苯1.00/2.0096252是(甲醛)
甲醛+甲苯+臭氧1.00/2.00/0.2088244是(甲醛)
甲醛+甲苯+二氧化氮1.00/2.00/0.2091247是(甲醛)

7 动力学模型与参数拟合

工程上常用修正 Wheeler–Jonas 方程把穿透时间表达为平衡吸附容量、炭装填质量、风量与入口浓度的函数,以总传质系数项描述穿透判据的影响,可简化写成 t_b = a·m − b·ln(C₀/C_b − 1)。系数 a、b 由不同床层厚度与风量下的试验数据回归得到,便于在已知炭量与风量时估算更换周期。

Yoon–Nelson、Thomas 与 Bohart–Adams(BDST)模型从浓度-时间曲线拟合速率常数与理论半穿透时间。对本文台架数据,三者在穿透段的决定系数均可达到 0.97 以上,Yoon–Nelson 因参数少、外推稳定而在运维预测中应用较多。《Carbon》《Adsorption》期刊相关试验给出相近结论。

表 15 修正 Wheeler–Jonas 方程参数回归结果
目标组分面风速(m/s)a(min/g)b(min)决定系数 R²预测偏差
甲醛0.150.041286.50.986±6.2%
甲醛0.300.021845.30.981±7.4%
甲醛0.450.014129.60.977±8.1%
甲苯0.300.040679.20.991±4.5%
表 16 三种穿透曲线模型拟合优度比较(甲醛,0.30 m/s)
模型速率常数理论半穿透时间(min)决定系数 R²适用区段
Yoon–Nelson0.0312 min⁻¹2360.993穿透段全程
Thomas1.86×10⁻³ L/(min·mg)2310.987中速上升段
Bohart–Adams/BDST4.27×10⁻⁴ L/(mg·min)2240.972初期低浓度段

8 阻力特性与风机能耗

V型结构通过扩大有效过风面积降低介质面风速,在相同额定风量下初阻力通常低于平板式炭盒,且随积尘增加的阻力上升曲线更为平缓。过滤段风阻与风机轴功率近似满足 P = Q·Δp/η,式中 η 为综合效率;阻力每降低 30 Pa,在 2500 m³/h 风量与 0.6 效率下约可减少 35 W 输入功率。

阻力监测同时承担旁通与破损诊断功能:若压差短期回落而出口浓度上升,多与密封垫压缩残余变形或滤芯位移有关。GB 50243-2016《通风与空调工程施工质量验收规范》对安装密封与漏风检查提出要求,ASHRAE Handbook《HVAC Applications》也建议把压差趋势与出口浓度并列作为运维判据。

表 17 V型与平板式活性炭过滤器阻力及能耗对比(额定风量 2500 m³/h)
项目V型活性炭过滤器平板式活性炭过滤器差异说明
有效过风面积(m²)约 3.8约 0.35折叠结构扩展面积
介质面风速(m/s)0.25~0.351.9~2.1相差约 6 倍
初阻力(Pa)115~140175~210降低约 60 Pa
终阻力建议值(Pa)300320按机组余压设定
炭装填量(kg)6.5~7.53.0~4.0影响吸附容量
甲醛穿透时间(min)14358台架加速条件
过滤段估算功率(W)161231η 取 0.6
抽出更换耗时(min)8~1212~18抽屉式结构便于操作
表 18 积尘过程中阻力增长与性能保持(V型样机)
累计运行(h)压差(Pa)风量衰减甲醛去除率(初始段)备注
01280%96.8%新滤芯
5001461.8%95.4%表层积尘
10001733.6%93.1%预过滤需更换
15002116.2%89.7%床层部分饱和
20002689.5%84.2%接近终阻力

9 车载振动冲击与防火安全

列车运行中的转向架振动、轨道接缝冲击与启制动惯性持续作用于滤芯,可能引起炭粒磨损、护网松动与密封垫位移,进而造成炭粉脱落和旁通泄漏。型式试验按 GB/T 21563-2018(等同采用 IEC 61373)规定的等级施加三轴激励,并在试验后复测阻力、密封性与穿透时间。

防火要求由材料阻燃与炭层热稳定性共同构成。外框与密封件需满足 TB/T 3138、EN 45545-2 及 GB 8624-2012 的相应等级,活性炭着火点按 GB/T 7701 系列控制,并避免在高浓度有机物吸附与热量堆积条件下长期运行。《Filtration + Separation》与《铁道车辆》的失效案例分析均把密封完整性列为设计输入。

表 19 振动冲击试验条件与试验后性能保持
试验项目条件试验前试验后保持率
功能性随机振动5~150 Hz,垂向/横向/纵向各 5 h初阻力 128 Pa131 Pa97.7%
模拟长寿命振动加速度按标准等级放大甲醛 t_b 143 min137 min95.8%
冲击试验半正弦脉冲,三轴正反各 3 次炭量 7.1 kg7.08 kg99.7%
密封性复测安装面发烟检漏无可见旁通无可见旁通合格
炭粉脱落量下游滤膜称重—<0.3 g合格
表 20 材料阻燃与环保要求对照
部件要求指标参考标准检验方式
塑料外框阻燃等级与烟密度EN 45545-2、GB 8624-2012燃烧性能试验
密封胶条低烟、低毒、耐老化TB/T 3138、TB/T 3139-2021烟气毒性检测
活性炭着火点 ≥350 ℃GB/T 7701 系列热分析测定
护网与金属件耐腐蚀、无锐边GB/T 10125-2021盐雾试验
整机车内空气有害物质限量TB/T 3139-2021舱内释放量检测

10 再生方式与更换周期

活性炭床层饱和后可采取热再生、蒸汽吹扫或整体更换三类处置路径。车载条件下缺乏再生所需的加热、冷凝与尾气处理设施,且反复再生会使炭粒强度下降、微孔结构收缩,运营单位普遍采用抽屉式整体更换。再生炭需重新检验碘值与四氯化碳吸附率。

更换判据宜采用出口浓度与压差双指标:目标组分出口浓度达到限值的 0.7 倍,或过滤段压差达到初阻力的 2 倍时安排更换。新车投入期内装材料释放强度较高,更换间隔相应缩短;地下隧道线路新风本底污染较重,周期短于地面与高架线路。《暖通空调》相关研究建议按线路实际浓度等比折算台架数据。

表 21 不同线路工况下的建议更换周期与判据
线路与车况新风本底建议检查间隔建议更换周期主控判据
新车投入期(≤6 个月)内装释放偏高1 个月2~3 个月出口甲醛浓度
地下隧道线路颗粒物与氮氧化物偏高1 个月3~5 个月压差+出口浓度
地面/高架线路尾气型污染为主2 个月5~8 个月出口 TVOC 浓度
市域低密度线路本底较干净2 个月6~9 个月压差趋势
停放备用车辆换气量低3 个月按检测结果启用前复测
表 22 更换作业与复测记录项
序号作业项记录内容合格条件
1断电与挂牌机组编号、作业时间确认停机
2旧滤芯取出外观、积尘照片、质量无破损记录
3安装面清洁密封面状态无残胶与异物
4新滤芯装入型号、批号、方向箭头与气流同向
5发烟检漏周向密封情况无可见旁通
6压差与出口浓度复测初阻力、出口甲醛与TVOC符合表 6 限值

11 与其他气相净化技术的比较

车载气相净化可选方案包括平板活性炭盒、蜂窝活性炭、活性炭纤维、分子筛、光催化氧化与低温等离子体等。活性炭对中低浓度广谱有机物具有稳定的物理吸附能力;浸渍炭通过负载高锰酸钾、磷酸或胺类试剂,把甲醛、硫化氢与酸性气体转为化学吸附,弥补常规炭对极性小分子的不足。

光催化与等离子体在低浓度下反应速率有限,并可能生成甲醛、臭氧等中间副产物,车内应用需配合后段吸附与臭氧分解单元;分子筛对水汽敏感,高湿工况容量下降较快。Bansal 与 Goyal 的专著及《Indoor Air》相关评述,多把活性炭基过滤视为移动封闭空间的基础配置。

表 23 气相净化技术综合对比(车载场景定性评估)
技术路径广谱有机物去除甲醛针对性阻力水平副产物风险维护方式
V型活性炭过滤器较强常规炭一般,浸渍炭较强中低低整体更换
平板式活性炭盒中等一般较高低整体更换
蜂窝活性炭中等一般低低模块更换
活性炭纤维毡较强改性后较强低低更换或热再生
分子筛转轮选择性明显较强中低再生系统维护
光催化氧化中等中等低中间产物需控制灯管与催化剂更换
低温等离子体中等较弱低臭氧需后处理电极清洁

12 选型校核与工程应用

工程选型需把车厢定员、人均新风量、机组可用余压与安装空间一并纳入计算。按 GB/T 7928《地铁车辆通用技术条件》与 TB/T 1804《铁道客车空调机组》的通风设计口径,先由定员与人均新风量确定总新风量,再按过滤段允许阻力选定V形单元数与炭层厚度,并核对浸渍炭类型与污染物谱是否匹配。

交付验证应包含型式检验报告、动态穿透曲线、阻力-风量曲线与振动冲击复测结果,安装后按 GB 50243-2016 完成密封与漏风检查。涂光备《制药工业的洁净与空调》的压差分配方法同样适用于车载机组;实际线路宜按表 21 建立逐车台账支撑更换决策。

表 24 V型活性炭过滤器选型校核清单
校核项输入参数校核方法判定依据
新风量定员、人均新风量、回风比风量平衡计算GB/T 7928、TB/T 1804
安装空间机组过滤段深度与法兰尺寸外形尺寸比对表 3 规格参数
允许阻力风机余压、终阻力设定阻力-风量曲线GB/T 14295-2008
目标污染物线路本底、内装释放谱炭种与浸渍剂匹配表 5、表 13
动态容量炭装填量、入口浓度、风量Wheeler–Jonas 外推表 15 回归参数
防火与振动阻燃等级、安装方向型式试验报告核验EN 45545-2、GB/T 21563-2018
维护可达性抽出方向、检修口尺寸现场装配复核GB 50243-2016

把台架数据折算到线路实况时,还应留意加速试验浓度与车内实际浓度的量级差异,以及车厢开门、隧道活塞风带来的短时脉冲负荷。以出口浓度在线监测或定期抽检修正折算系数,配合压差台账滚动更新更换周期,可使气相净化段在车辆全寿命周期内保持可核查的运行状态。

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