可復用外殼核級高效過濾器設計及其應用

任偉 付祥沖 欒勝軍 李召杰 范斯軍 尹偉業 *

(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)

隨著科技的進步與社會的發展，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展起來。核電站運行過程中，會產生大量的廢氣[1]，因此需建設專用的核電站通風過濾系統[2-4]對核電站內產生的各種氣體進行凈化，以確保核電站的日常生產工作。核電站通風過濾系統主要包括管道、閥門、加熱器、消防系統、凈化單元、在線監測儀表、風機等，其主要功能是將核電站排放的日常生產工作。核電站通風過濾系統主要包括管道、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，確保在廠區內空氣中的放射性劑量低于相關規定與標準額度。在降低環境放射性劑量的同時，也能起到流通廠房內空氣，控制環境溫度、濕度的作用[5-7]，以確保場內工作人員具有一個舒適的工作環境。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備。由于傳統高效過濾器[8-9]一體化的設計，因此大量更換高效過濾器時[10]，會產生大量的放射性固體廢物，對核電站的生產工作造成一定負擔。

1 核電站高效過濾器使用背景與現狀

1.1 研究背景

核電站通風系統每年都會更換下來一批預過濾器、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，存在人員照射風險和火災風險。目前，各電站僅對尺寸較小、重量較輕的預過濾器開展了人工手動拆解，但效率較低，且人員污染防護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方案意義重大[11]。

某核電廠長年風沙天氣較多，過濾器容易發生堵塞造成更換淘汰數量更大，所帶來的固廢產量更多。為此，該核電廠立項對核電廠通風系統放射性廢物進行最小化研究。

1.2 研究目標與主要內容

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

主要研究內容包括：框架可復用型HEPA 過濾器結構型式與密封工藝研究；框架可復用型HEPA 過濾器拆裝工具研究；框架可復用型HEPA 過濾器樣機研制；框架可復用型HEPA過濾器性能試驗研究；框架可復用型HEPA拆裝工藝驗證。

結合前期對通風系統過濾器固廢減容研究的初步成果，給出本項目技術方案和工作實施計劃，以期保質保量、按期完成研究任務，為電廠通風系統固廢減容和降本增效提供支持。

2 設計思路及其相關設計方案

2.1 總體設計思路

通風系統過濾器是實現核電廠空氣凈化和放射性去除的必需設備。這一設備在電廠建設初期就已經定型，原設計是在過濾器差壓超差或凈化效率不滿足要求時，進行整體淘汰和更換新備件。原設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，對金屬殼體的復用也是有損的、不經濟的。因此，必須設計新的高效過濾器結構形式，以實現過濾器金屬殼體和濾紙的便捷分離，回收可以重復利用的金屬殼體，僅淘汰可以壓縮減容的玻璃纖維濾紙和密封膠等。

為了實現殼體復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。該臺架將實現復用后過濾器逐臺性能檢測與現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分離。對于密封膠和濾紙進行破碎壓縮、打包減容，對于金屬殼體進行放射性檢測、去污等，回收利用?？傮w思路路線圖如圖1所示。

圖1 總體設計思路路線圖

2.2 新型復用外殼過濾器密封和結構型式設計方案

為了解決現有技術的問題，該高效過濾器采用以下的技術方案：采用雙層殼體結構，具體見圖2。外層采用金屬殼體，進風面板和側面板焊接成一個整體框架，出風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。進風擋板與進風孔間隔排列，進風擋板對內層殼體起到保護作用。整體框架的側面板內部四周安裝有密封凸臺和螺栓連接孔，密封凸臺用于和內層殼體建立密封面，螺栓連接孔用于安裝螺栓將出風面蓋板連接到整體框架上并壓緊內層殼體。迎風面邊緣黏接橡膠墊用于實現過濾器與系統風道間的密封，整體框架兩側安裝拉手便于搬運。

圖2 框架結構組成

內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 型結構，形成迎風鍥角和出風鍥角。內層殼體變截面平面處安裝雙密封圈，用于實現整體濾芯與外層殼體間的密封。

圖3 框架整體外觀

2.3 新型復用外殼過濾器設計特點

新型復用外殼過濾器有如下特點：內層整體濾芯不含金屬成分，可以整體去除和新裝更換；內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面蓋板兩部分組成，螺栓螺柱連接，拆裝方便；內外層殼體間不使用密封膠，避免了舊式過濾器外殼復用所必需的鏟膠步驟；外層殼體可以循環重復利用；內層整體濾芯可實現壓縮減容，有效降低通風系統過濾器固廢產量。

2.4 新型復用外殼過濾器性能測試方案

本項目設計的新型外殼可復用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）進行性能測試和產品型式鑒定，主要測試內容如下。

（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：滿足試驗后結構不變形與性能不降低的要求。（4）耐超壓試驗：滿足試驗后結構不變形與性能不降低的要求。（5）耐熱氣流試驗：滿足試驗后結構不變形與性能不降低的要求。（6）耐熱明火試驗：滿足無明火與持續火焰的要求。（7）耐輻照試驗：滿足試驗后結構強度與性能指標的要求。（8）抗震試驗：在運行基準地震和安全停堆地震載荷下分別進行試驗，試驗后結構強度和功能指標不降低。

2.5 新型復用外殼過濾器性能測試結果

2022 年8 月15 日至17 日，在某電廠對15 臺新型復用外殼過濾器進行性能測試，實驗數據如表1所示。

表1 新型復用外殼過濾器樣機性能測試數據表

由表1 可見，新型復用外殼過濾器的過濾性能合格（凈化系數CE＞1 000即符合標準），因此可用于核電廠通風過濾系統中，并對現階段正在使用的舊式高效過濾器進行替換。

3 外殼可復用型HEPA過濾器拆卸減容方案

由于本設計復用性HEPA 過濾器具有雙層結構，當過濾器凈化效率不滿足要求或差壓超標時，只需要卸下過濾器出風面蓋板，就可以取出內側濾芯進行更換，因此外殼的復用非常簡單，本減容方案把重點放在對內側非金屬濾芯的減容處理上。初步設計的內側濾芯減容處置工藝環節可分為建立負壓工作環境、內側濾芯的拆卸和安裝、內側濾芯的粉碎和封裝。

3.1 負壓工作環境建立

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

圖4 通風柜和移動式通風凈化機組

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

表2 空氣凈化裝置參數表

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、護網、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；特殊的過濾器結構可以提高容塵量，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，此結構也可以避免過濾器失效后在更換過程中的二次污染，大大降低處置風險。

工業除塵器：工業除塵器用于清理設備負壓箱內部工作產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 內側濾芯的拆卸與安裝

拆下本設計的新型HEPA過濾器出風面蓋板上的螺栓，即可卸下出風面蓋板，取出內側非金屬濾芯。重新更換安裝上新的濾芯，蓋上蓋板，擰緊螺栓即可實現過濾器殼體的快捷復用。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壓通風柜內進行。

3.3 內側濾芯的粉碎與封裝

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，大大節約外運費用。破碎機樣式如圖5所示。

圖5 破碎機外觀

內側濾芯由塑料、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2 t以上。

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

圖6 破碎機工作流程圖例

4 結論

通過對傳統高效過濾器結構進行重新設計改造，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部濾芯分離開來，而不再是傳統的一體化設計，該設計將有效降低通風系統過濾器固廢產量，極大地減小了固廢產出體積，且產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濟效益。

該技術在產品鑒定完成后可以推廣應用于國內核電廠，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。