可復(fù)用外殼核級高效過濾器設(shè)計及其應(yīng)用

任偉 付祥沖 欒勝軍 李召杰 范斯軍 尹偉業(yè) *

(1.遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116000;2.蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215000)

隨著科技的進(jìn)步與社會的發(fā)展，國家對能源供給的要求也更上一個臺階，但由于化石燃料屬于非清潔能源，對環(huán)境會造成較大的污染，因此作為利用清潔能源——核能源的核電站逐步發(fā)展起來。核電站運行過程中，會產(chǎn)生大量的廢氣[1]，因此需建設(shè)專用的核電站通風(fēng)過濾系統(tǒng)[2-4]對核電站內(nèi)產(chǎn)生的各種氣體進(jìn)行凈化，以確保核電站的日常生產(chǎn)工作。核電站通風(fēng)過濾系統(tǒng)主要包括管道、閥門、加熱器、消防系統(tǒng)、凈化單元、在線監(jiān)測儀表、風(fēng)機等，其主要功能是將核電站排放的日常生產(chǎn)工作。核電站通風(fēng)過濾系統(tǒng)主要包括管道、閥門、加熱器、消放射性氣體，采用過濾、吸附等手段控制和處理，確保在廠區(qū)內(nèi)空氣中的放射性劑量低于相關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)額度。在降低環(huán)境放射性劑量的同時，也能起到流通廠房內(nèi)空氣，控制環(huán)境溫度、濕度的作用[5-7]，以確保場內(nèi)工作人員具有一個舒適的工作環(huán)境。通常放射性廢氣分為兩類：放射性氣溶膠和放射性氣體。高效過濾器[1-2]是專門過濾放射性氣溶膠的設(shè)備。由于傳統(tǒng)高效過濾器[8-9]一體化的設(shè)計，因此大量更換高效過濾器時[10]，會產(chǎn)生大量的放射性固體廢物，對核電站的生產(chǎn)工作造成一定負(fù)擔(dān)。

1 核電站高效過濾器使用背景與現(xiàn)狀

1.1 研究背景

核電站通風(fēng)系統(tǒng)每年都會更換下來一批預(yù)過濾器、高效過濾器和碘吸附器，初步估計一個6臺機組的核電基地每年更換下來的高效過濾器（FA）700 多臺，預(yù)過濾器（FP）600多臺，碘吸附器（PI）100多臺。這些過濾器都作為固體廢物存放在QS 或AC 廠房，不僅占據(jù)了大量的存貯空間，而且有的過濾器具有一定的放射性，存在人員照射風(fēng)險和火災(zāi)風(fēng)險。目前，各電站僅對尺寸較小、重量較輕的預(yù)過濾器開展了人工手動拆解，但效率較低，且人員污染防護(hù)需要投入大量的氣面罩、紙衣、鞋套等消耗用品，成本高，還會帶來二次廢物。探索一條對這些過濾器的處置、減容或再利用的技術(shù)方案意義重大[11]。

某核電廠長年風(fēng)沙天氣較多，過濾器容易發(fā)生堵塞造成更換淘汰數(shù)量更大，所帶來的固廢產(chǎn)量更多。為此，該核電廠立項對核電廠通風(fēng)系統(tǒng)放射性廢物進(jìn)行最小化研究。

1.2 研究目標(biāo)與主要內(nèi)容

此項研究以研制可復(fù)用型[4]HEPA 過濾器產(chǎn)品和拆除工藝為目標(biāo)，驗證其性能指標(biāo)滿足ASME AG-1的FC卷的要求，提高過濾器循環(huán)利用的可靠性。

主要研究內(nèi)容包括：框架可復(fù)用型HEPA 過濾器結(jié)構(gòu)型式與密封工藝研究；框架可復(fù)用型HEPA 過濾器拆裝工具研究；框架可復(fù)用型HEPA 過濾器樣機研制；框架可復(fù)用型HEPA過濾器性能試驗研究；框架可復(fù)用型HEPA拆裝工藝驗證。

結(jié)合前期對通風(fēng)系統(tǒng)過濾器固廢減容研究的初步成果，給出本項目技術(shù)方案和工作實施計劃，以期保質(zhì)保量、按期完成研究任務(wù)，為電廠通風(fēng)系統(tǒng)固廢減容和降本增效提供支持。

2 設(shè)計思路及其相關(guān)設(shè)計方案

2.1 總體設(shè)計思路

通風(fēng)系統(tǒng)過濾器是實現(xiàn)核電廠空氣凈化和放射性去除的必需設(shè)備。這一設(shè)備在電廠建設(shè)初期就已經(jīng)定型，原設(shè)計是在過濾器差壓超差或凈化效率不滿足要求時，進(jìn)行整體淘汰和更換新備件。原設(shè)計高效過濾器將玻璃纖維濾紙采用密封膠粘接到金屬殼體上，過濾器失效后整體淘汰，產(chǎn)生大量的固體廢物。由于密封膠的使用，且難于將密封膠從殼體上去除干凈，金屬殼體無法重復(fù)使用，即使完成對金屬殼體上的密封膠的鏟除工作，對金屬殼體的復(fù)用也是有損的、不經(jīng)濟的。因此，必須設(shè)計新的高效過濾器結(jié)構(gòu)形式，以實現(xiàn)過濾器金屬殼體和濾紙的便捷分離，回收可以重復(fù)利用的金屬殼體，僅淘汰可以壓縮減容的玻璃纖維濾紙和密封膠等。

為了實現(xiàn)殼體復(fù)用重新組裝后過濾器性能的檢測，需要搭建離線性能試驗臺架。該臺架將實現(xiàn)復(fù)用后過濾器逐臺性能檢測與現(xiàn)場批量拆除過濾器的逐臺檢測，避免由于某個過濾器不合格而造成的不必要整體淘汰。

對于原有不可復(fù)用的過濾器需要搭建自動拆解工作臺，將密封膠和濾紙等與金屬殼體實現(xiàn)分離。對于密封膠和濾紙進(jìn)行破碎壓縮、打包減容，對于金屬殼體進(jìn)行放射性檢測、去污等，回收利用。總體思路路線圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計思路路線圖

2.2 新型復(fù)用外殼過濾器密封和結(jié)構(gòu)型式設(shè)計方案

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，該高效過濾器采用以下的技術(shù)方案：采用雙層殼體結(jié)構(gòu)，具體見圖2。外層采用金屬殼體，進(jìn)風(fēng)面板和側(cè)面板焊接成一個整體框架，出風(fēng)面為一塊可以拆卸的獨立金屬面板，用螺栓螺柱與整體框架相連接。進(jìn)風(fēng)擋板與進(jìn)風(fēng)孔間隔排列，進(jìn)風(fēng)擋板對內(nèi)層殼體起到保護(hù)作用。整體框架的側(cè)面板內(nèi)部四周安裝有密封凸臺和螺栓連接孔，密封凸臺用于和內(nèi)層殼體建立密封面，螺栓連接孔用于安裝螺栓將出風(fēng)面蓋板連接到整體框架上并壓緊內(nèi)層殼體。迎風(fēng)面邊緣黏接橡膠墊用于實現(xiàn)過濾器與系統(tǒng)風(fēng)道間的密封，整體框架兩側(cè)安裝拉手便于搬運。

圖2 框架結(jié)構(gòu)組成

內(nèi)層殼體與玻璃纖維過濾紙黏接在一起，形成整體可拆卸式濾芯如圖3 所示。內(nèi)層殼體采用FB 耐高溫阻燃熱固性酚醛樹脂制成。過濾紙為現(xiàn)有玻璃纖維濾紙，由折紙機折疊成密褶皺條形體，每個褶皺條形濾紙排列成V 型結(jié)構(gòu)，形成迎風(fēng)鍥角和出風(fēng)鍥角。內(nèi)層殼體變截面平面處安裝雙密封圈，用于實現(xiàn)整體濾芯與外層殼體間的密封。

圖3 框架整體外觀

2.3 新型復(fù)用外殼過濾器設(shè)計特點

新型復(fù)用外殼過濾器有如下特點：內(nèi)層整體濾芯不含金屬成分，可以整體去除和新裝更換；內(nèi)層濾芯殼體采用耐高溫阻燃熱固性樹脂制成，可保持承受出風(fēng)面蓋板的壓緊力，其上安裝的雙密封圈形成良好的密封性能；外層金屬殼體由整體框架和出風(fēng)面蓋板兩部分組成，螺栓螺柱連接，拆裝方便；內(nèi)外層殼體間不使用密封膠，避免了舊式過濾器外殼復(fù)用所必需的鏟膠步驟；外層殼體可以循環(huán)重復(fù)利用；內(nèi)層整體濾芯可實現(xiàn)壓縮減容，有效降低通風(fēng)系統(tǒng)過濾器固廢產(chǎn)量。

2.4 新型復(fù)用外殼過濾器性能測試方案

本項目設(shè)計的新型外殼可復(fù)用HEPA過濾器將參照《ASME AG-1的FC卷》《核級高效空氣過濾器》（GB/T 17939-2015）以及《高效空氣過濾器性能試驗方法效率和阻力》（GB/T 6165-2008）進(jìn)行性能測試和產(chǎn)品型式鑒定，主要測試內(nèi)容如下。

（1）初阻力試驗：初阻力不大于325 Pa。（2）凈化效率試驗：效率不小于99.99%。（3）耐振動試驗：滿足試驗后結(jié)構(gòu)不變形與性能不降低的要求。（4）耐超壓試驗：滿足試驗后結(jié)構(gòu)不變形與性能不降低的要求。（5）耐熱氣流試驗：滿足試驗后結(jié)構(gòu)不變形與性能不降低的要求。（6）耐熱明火試驗：滿足無明火與持續(xù)火焰的要求。（7）耐輻照試驗：滿足試驗后結(jié)構(gòu)強度與性能指標(biāo)的要求。（8）抗震試驗：在運行基準(zhǔn)地震和安全停堆地震載荷下分別進(jìn)行試驗，試驗后結(jié)構(gòu)強度和功能指標(biāo)不降低。

2.5 新型復(fù)用外殼過濾器性能測試結(jié)果

2022 年8 月15 日至17 日，在某電廠對15 臺新型復(fù)用外殼過濾器進(jìn)行性能測試，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 新型復(fù)用外殼過濾器樣機性能測試數(shù)據(jù)表

由表1 可見，新型復(fù)用外殼過濾器的過濾性能合格（凈化系數(shù)CE＞1 000即符合標(biāo)準(zhǔn)），因此可用于核電廠通風(fēng)過濾系統(tǒng)中，并對現(xiàn)階段正在使用的舊式高效過濾器進(jìn)行替換。

3 外殼可復(fù)用型HEPA過濾器拆卸減容方案

由于本設(shè)計復(fù)用性HEPA 過濾器具有雙層結(jié)構(gòu)，當(dāng)過濾器凈化效率不滿足要求或差壓超標(biāo)時，只需要卸下過濾器出風(fēng)面蓋板，就可以取出內(nèi)側(cè)濾芯進(jìn)行更換，因此外殼的復(fù)用非常簡單，本減容方案把重點放在對內(nèi)側(cè)非金屬濾芯的減容處理上。初步設(shè)計的內(nèi)側(cè)濾芯減容處置工藝環(huán)節(jié)可分為建立負(fù)壓工作環(huán)境、內(nèi)側(cè)濾芯的拆卸和安裝、內(nèi)側(cè)濾芯的粉碎和封裝。

3.1 負(fù)壓工作環(huán)境建立

設(shè)計和制作金屬通風(fēng)柜，將HEPA 過濾器拆卸工段、粉碎封裝工段放置在通風(fēng)柜內(nèi)，如圖4 所示，采用移動式通風(fēng)過濾機組為通風(fēng)柜建立負(fù)壓工作環(huán)境，確保減容工作產(chǎn)生的粉塵等污染物被收集包容，不擴散污染外部環(huán)境。

圖4 通風(fēng)柜和移動式通風(fēng)凈化機組

移動式凈化機組參數(shù)如表2所示。移動式空氣凈化裝置2臺，額定風(fēng)量分別為3 400 m3/h和1 200 m3/h，配備獨立風(fēng)機、高效空氣過濾器及軟式通風(fēng)管道，通過卡箍和切割段負(fù)壓箱預(yù)留負(fù)壓出風(fēng)口連接，啟動風(fēng)機后實現(xiàn)負(fù)壓箱的微負(fù)壓工作狀態(tài)。

表2 空氣凈化裝置參數(shù)表

該裝置可方便推（移）動至所需的工作場所，可以凈化含有普通煙塵或放射性氣溶膠的受污染空氣，凈化機組對放射性氣溶膠的凈化效率可以達(dá)到≥99.99%（鈉焰法）。

主要的凈化單元為過濾器，過濾器是由殼板、護(hù)網(wǎng)、特制濾芯、密封膠及密封墊等組成，過濾單元的工作原理是利用碰撞、沉降、阻擋、慣性、擴散、吸附等機理，以物理方法從氣流中除去塵埃粒子，從而凈化系統(tǒng)中的空氣。

該機組主要有以下特點：過濾流程短、效率高、噪聲低、重量輕、移動方便；在保證過濾效率和安全性的前提下對機組整體氣密性要求低；特殊的過濾器結(jié)構(gòu)可以提高容塵量，并確保在有振動時過濾器吸附的灰塵不會掉落到過濾器外部，此結(jié)構(gòu)也可以避免過濾器失效后在更換過程中的二次污染，大大降低處置風(fēng)險。

工業(yè)除塵器：工業(yè)除塵器用于清理設(shè)備負(fù)壓箱內(nèi)部工作產(chǎn)生的金屬碎屑及濾芯、密封膠碎屑，其容量大，吸力強勁，操作便利。

3.2 內(nèi)側(cè)濾芯的拆卸與安裝

拆下本設(shè)計的新型HEPA過濾器出風(fēng)面蓋板上的螺栓，即可卸下出風(fēng)面蓋板，取出內(nèi)側(cè)非金屬濾芯。重新更換安裝上新的濾芯，蓋上蓋板，擰緊螺栓即可實現(xiàn)過濾器殼體的快捷復(fù)用。為確保濾芯拆卸過程中粉塵等污染物的不擴散，濾芯拆卸工作需要在上述負(fù)壓通風(fēng)柜內(nèi)進(jìn)行。

3.3 內(nèi)側(cè)濾芯的粉碎與封裝

可以采用破碎機粉碎后壓縮封裝，使體積最小化。封裝后的濾芯體積僅為初始體積的5%左右，大大節(jié)約外運費用。破碎機樣式如圖5所示。

圖5 破碎機外觀

內(nèi)側(cè)濾芯由塑料、密封膠和玻纖濾紙組成，該型號的破碎機尺寸大，可實現(xiàn)直徑小于2 m的物品破碎；咬合力強，破碎效果好，破碎后尺寸在3～10 cm 之間；適用范圍廣，可用于塑料、紙張、金屬類材料的破碎；每小時的破碎量可達(dá)2 t以上。

濾芯在破碎后進(jìn)行底部落料收集和打包封裝，實現(xiàn)自動稱重、下料、封裝和分割，如圖6所示。

圖6 破碎機工作流程圖例

4 結(jié)論

通過對傳統(tǒng)高效過濾器結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計改造，在不影響高效過濾器凈化放射性氣溶膠能力的前提下，將高效過濾器的框架與內(nèi)部濾芯分離開來，而不再是傳統(tǒng)的一體化設(shè)計，該設(shè)計將有效降低通風(fēng)系統(tǒng)過濾器固廢產(chǎn)量，極大地減小了固廢產(chǎn)出體積，且產(chǎn)生的固體廢物易于粉碎處理，明顯降低了電廠固廢處置成本，一定程度上提高了固體廢物回收的經(jīng)濟效益。

該技術(shù)在產(chǎn)品鑒定完成后可以推廣應(yīng)用于國內(nèi)核電廠，為核電運營帶來固廢處理成本的降低，具有較強的市場競爭力。