可复用外壳核级高效过滤器设计及其应用

任伟 付祥冲 栾胜军 李召杰 范斯军 尹伟业 *

(1.辽宁红沿河核电有限公司 辽宁大连 116000;2.苏州热工研究院有限公司 江苏苏州 215000)

随着科技的进步与社会的发展，国家对能源供给的要求也更上一个台阶，但由于化石燃料属于非清洁能源，对环境会造成较大的污染，因此作为利用清洁能源——核能源的核电站逐步发展起来。核电站运行过程中，会产生大量的废气[1]，因此需建设专用的核电站通风过滤系统[2-4]对核电站内产生的各种气体进行净化，以确保核电站的日常生产工作。核电站通风过滤系统主要包括管道、阀门、加热器、消防系统、净化单元、在线监测仪表、风机等，其主要功能是将核电站排放的日常生产工作。核电站通风过滤系统主要包括管道、阀门、加热器、消放射性气体，采用过滤、吸附等手段控制和处理，确保在厂区内空气中的放射性剂量低于相关规定与标准额度。在降低环境放射性剂量的同时，也能起到流通厂房内空气，控制环境温度、湿度的作用[5-7]，以确保场内工作人员具有一个舒适的工作环境。通常放射性废气分为两类：放射性气溶胶和放射性气体。高效过滤器[1-2]是专门过滤放射性气溶胶的设备。由于传统高效过滤器[8-9]一体化的设计，因此大量更换高效过滤器时[10]，会产生大量的放射性固体废物，对核电站的生产工作造成一定负担。

1 核电站高效过滤器使用背景与现状

1.1 研究背景

核电站通风系统每年都会更换下来一批预过滤器、高效过滤器和碘吸附器，初步估计一个6台机组的核电基地每年更换下来的高效过滤器（FA）700 多台，预过滤器（FP）600多台，碘吸附器（PI）100多台。这些过滤器都作为固体废物存放在QS 或AC 厂房，不仅占据了大量的存贮空间，而且有的过滤器具有一定的放射性，存在人员照射风险和火灾风险。目前，各电站仅对尺寸较小、重量较轻的预过滤器开展了人工手动拆解，但效率较低，且人员污染防护需要投入大量的气面罩、纸衣、鞋套等消耗用品，成本高，还会带来二次废物。探索一条对这些过滤器的处置、减容或再利用的技术方案意义重大[11]。

某核电厂长年风沙天气较多，过滤器容易发生堵塞造成更换淘汰数量更大，所带来的固废产量更多。为此，该核电厂立项对核电厂通风系统放射性废物进行最小化研究。

1.2 研究目标与主要内容

此项研究以研制可复用型[4]HEPA 过滤器产品和拆除工艺为目标，验证其性能指标满足ASME AG-1的FC卷的要求，提高过滤器循环利用的可靠性。

主要研究内容包括：框架可复用型HEPA 过滤器结构型式与密封工艺研究；框架可复用型HEPA 过滤器拆装工具研究；框架可复用型HEPA 过滤器样机研制；框架可复用型HEPA过滤器性能试验研究；框架可复用型HEPA拆装工艺验证。

结合前期对通风系统过滤器固废减容研究的初步成果，给出本项目技术方案和工作实施计划，以期保质保量、按期完成研究任务，为电厂通风系统固废减容和降本增效提供支持。

2 设计思路及其相关设计方案

2.1 总体设计思路

通风系统过滤器是实现核电厂空气净化和放射性去除的必需设备。这一设备在电厂建设初期就已经定型，原设计是在过滤器差压超差或净化效率不满足要求时，进行整体淘汰和更换新备件。原设计高效过滤器将玻璃纤维滤纸采用密封胶粘接到金属壳体上，过滤器失效后整体淘汰，产生大量的固体废物。由于密封胶的使用，且难于将密封胶从壳体上去除干净，金属壳体无法重复使用，即使完成对金属壳体上的密封胶的铲除工作，对金属壳体的复用也是有损的、不经济的。因此，必须设计新的高效过滤器结构形式，以实现过滤器金属壳体和滤纸的便捷分离，回收可以重复利用的金属壳体，仅淘汰可以压缩减容的玻璃纤维滤纸和密封胶等。

为了实现壳体复用重新组装后过滤器性能的检测，需要搭建离线性能试验台架。该台架将实现复用后过滤器逐台性能检测与现场批量拆除过滤器的逐台检测，避免由于某个过滤器不合格而造成的不必要整体淘汰。

对于原有不可复用的过滤器需要搭建自动拆解工作台，将密封胶和滤纸等与金属壳体实现分离。对于密封胶和滤纸进行破碎压缩、打包减容，对于金属壳体进行放射性检测、去污等，回收利用。总体思路路线图如图1所示。

图1 总体设计思路路线图

2.2 新型复用外壳过滤器密封和结构型式设计方案

为了解决现有技术的问题，该高效过滤器采用以下的技术方案：采用双层壳体结构，具体见图2。外层采用金属壳体，进风面板和侧面板焊接成一个整体框架，出风面为一块可以拆卸的独立金属面板，用螺栓螺柱与整体框架相连接。进风挡板与进风孔间隔排列，进风挡板对内层壳体起到保护作用。整体框架的侧面板内部四周安装有密封凸台和螺栓连接孔，密封凸台用于和内层壳体建立密封面，螺栓连接孔用于安装螺栓将出风面盖板连接到整体框架上并压紧内层壳体。迎风面边缘黏接橡胶垫用于实现过滤器与系统风道间的密封，整体框架两侧安装拉手便于搬运。

图2 框架结构组成

内层壳体与玻璃纤维过滤纸黏接在一起，形成整体可拆卸式滤芯如图3 所示。内层壳体采用FB 耐高温阻燃热固性酚醛树脂制成。过滤纸为现有玻璃纤维滤纸，由折纸机折叠成密褶皱条形体，每个褶皱条形滤纸排列成V 型结构，形成迎风锲角和出风锲角。内层壳体变截面平面处安装双密封圈，用于实现整体滤芯与外层壳体间的密封。

图3 框架整体外观

2.3 新型复用外壳过滤器设计特点

新型复用外壳过滤器有如下特点：内层整体滤芯不含金属成分，可以整体去除和新装更换；内层滤芯壳体采用耐高温阻燃热固性树脂制成，可保持承受出风面盖板的压紧力，其上安装的双密封圈形成良好的密封性能；外层金属壳体由整体框架和出风面盖板两部分组成，螺栓螺柱连接，拆装方便；内外层壳体间不使用密封胶，避免了旧式过滤器外壳复用所必需的铲胶步骤；外层壳体可以循环重复利用；内层整体滤芯可实现压缩减容，有效降低通风系统过滤器固废产量。

2.4 新型复用外壳过滤器性能测试方案

本项目设计的新型外壳可复用HEPA过滤器将参照《ASME AG-1的FC卷》《核级高效空气过滤器》（GB/T 17939-2015）以及《高效空气过滤器性能试验方法效率和阻力》（GB/T 6165-2008）进行性能测试和产品型式鉴定，主要测试内容如下。

（1）初阻力试验：初阻力不大于325 Pa。（2）净化效率试验：效率不小于99.99%。（3）耐振动试验：满足试验后结构不变形与性能不降低的要求。（4）耐超压试验：满足试验后结构不变形与性能不降低的要求。（5）耐热气流试验：满足试验后结构不变形与性能不降低的要求。（6）耐热明火试验：满足无明火与持续火焰的要求。（7）耐辐照试验：满足试验后结构强度与性能指标的要求。（8）抗震试验：在运行基准地震和安全停堆地震载荷下分别进行试验，试验后结构强度和功能指标不降低。

2.5 新型复用外壳过滤器性能测试结果

2022 年8 月15 日至17 日，在某电厂对15 台新型复用外壳过滤器进行性能测试，实验数据如表1所示。

表1 新型复用外壳过滤器样机性能测试数据表

由表1 可见，新型复用外壳过滤器的过滤性能合格（净化系数CE＞1 000即符合标准），因此可用于核电厂通风过滤系统中，并对现阶段正在使用的旧式高效过滤器进行替换。

3 外壳可复用型HEPA过滤器拆卸减容方案

由于本设计复用性HEPA 过滤器具有双层结构，当过滤器净化效率不满足要求或差压超标时，只需要卸下过滤器出风面盖板，就可以取出内侧滤芯进行更换，因此外壳的复用非常简单，本减容方案把重点放在对内侧非金属滤芯的减容处理上。初步设计的内侧滤芯减容处置工艺环节可分为建立负压工作环境、内侧滤芯的拆卸和安装、内侧滤芯的粉碎和封装。

3.1 负压工作环境建立

设计和制作金属通风柜，将HEPA 过滤器拆卸工段、粉碎封装工段放置在通风柜内，如图4 所示，采用移动式通风过滤机组为通风柜建立负压工作环境，确保减容工作产生的粉尘等污染物被收集包容，不扩散污染外部环境。

图4 通风柜和移动式通风净化机组

移动式净化机组参数如表2所示。移动式空气净化装置2台，额定风量分别为3 400 m3/h和1 200 m3/h，配备独立风机、高效空气过滤器及软式通风管道，通过卡箍和切割段负压箱预留负压出风口连接，启动风机后实现负压箱的微负压工作状态。

表2 空气净化装置参数表

该装置可方便推（移）动至所需的工作场所，可以净化含有普通烟尘或放射性气溶胶的受污染空气，净化机组对放射性气溶胶的净化效率可以达到≥99.99%（钠焰法）。

主要的净化单元为过滤器，过滤器是由壳板、护网、特制滤芯、密封胶及密封垫等组成，过滤单元的工作原理是利用碰撞、沉降、阻挡、惯性、扩散、吸附等机理，以物理方法从气流中除去尘埃粒子，从而净化系统中的空气。

该机组主要有以下特点：过滤流程短、效率高、噪声低、重量轻、移动方便；在保证过滤效率和安全性的前提下对机组整体气密性要求低；特殊的过滤器结构可以提高容尘量，并确保在有振动时过滤器吸附的灰尘不会掉落到过滤器外部，此结构也可以避免过滤器失效后在更换过程中的二次污染，大大降低处置风险。

工业除尘器：工业除尘器用于清理设备负压箱内部工作产生的金属碎屑及滤芯、密封胶碎屑，其容量大，吸力强劲，操作便利。

3.2 内侧滤芯的拆卸与安装

拆下本设计的新型HEPA过滤器出风面盖板上的螺栓，即可卸下出风面盖板，取出内侧非金属滤芯。重新更换安装上新的滤芯，盖上盖板，拧紧螺栓即可实现过滤器壳体的快捷复用。为确保滤芯拆卸过程中粉尘等污染物的不扩散，滤芯拆卸工作需要在上述负压通风柜内进行。

3.3 内侧滤芯的粉碎与封装

可以采用破碎机粉碎后压缩封装，使体积最小化。封装后的滤芯体积仅为初始体积的5%左右，大大节约外运费用。破碎机样式如图5所示。

图5 破碎机外观

内侧滤芯由塑料、密封胶和玻纤滤纸组成，该型号的破碎机尺寸大，可实现直径小于2 m的物品破碎；咬合力强，破碎效果好，破碎后尺寸在3～10 cm 之间；适用范围广，可用于塑料、纸张、金属类材料的破碎；每小时的破碎量可达2 t以上。

滤芯在破碎后进行底部落料收集和打包封装，实现自动称重、下料、封装和分割，如图6所示。

图6 破碎机工作流程图例

4 结论

通过对传统高效过滤器结构进行重新设计改造，在不影响高效过滤器净化放射性气溶胶能力的前提下，将高效过滤器的框架与内部滤芯分离开来，而不再是传统的一体化设计，该设计将有效降低通风系统过滤器固废产量，极大地减小了固废产出体积，且产生的固体废物易于粉碎处理，明显降低了电厂固废处置成本，一定程度上提高了固体废物回收的经济效益。

该技术在产品鉴定完成后可以推广应用于国内核电厂，为核电运营带来固废处理成本的降低，具有较强的市场竞争力。