АЭРОЗОЛЬНЫЙ СОРБИРУЮЩИЙ ФИЛЬТР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B01D39/16 G21F9/02 

Изобретение относится к технике очистки газов путем фильтрования, в том числе от радиоактивных и высокотоксичных химических веществ, точнее к устройствам для отделения аэрозольных частиц и сорбции молекулярных соединений фильтровальным материалом, предназначенным для высокоэффективной очистки воздуха от радиоактивных и других и других вредных веществ в аэрозольной и в молекулярной форме, и может быть использовано в системах газоочистки ядерных реакторов и других объектов, эксплуатация которых приводит к загрязнению газовой среды радиоактивными веществами.

Эксплуатация ядерных реакторов, заводов по переработке и захоронению ядерного топлива и других объектов, работа которых связана с использованием радиоактивных веществ, ставит многочисленные проблемы, обусловленные необходимостью защиты персонала, населения и окружающей среды в целом от радиоактивного заражения.

Поступление радионуклидов в воздух помещений и в технологическую газовую среду происходит как в условиях нормальных технологических процессов, так и в аварийных ситуациях, когда выбросы радионуклидов могут быть особенно значительными.

При этом радионуклиды поступают в воздушную среду как в виде аэрозолей, т. е. твердых и жидких частиц, содержащих радионуклиды, так и в форме газообразных и парообразных молекулярных соединений, которые затем частично осаждаются на аэрозольных частицах.

Размеры аэрозольных частиц, содержащихся в подлежащей очистке воздушной среде атомных и других предприятий, а также и в приточном воздухе, лежат в широком диапазоне от тысячных долей микрометра до нескольких десятков микрометров, при этом основная масса частиц имеет размеры от долей микрометра до 3-5 микрометров. Массовая концентрация аэрозольных частиц, как правило, составляет 0,05-0,5 мг/м³, но может достигать и величин в несколько г/м³. Радиоактивность отдельных частиц обычно составляет 1-100 Бк, но отдельные частицы могут нести активность в десятки и сотни Беккерелей.

Радионуклиды в газообразной и(или) парообразной форме представляют собой радиоактивные благородные газы и пары йода, рения и некоторых других радионуклидов и пары их летучих соединений, например CH₃J - метилйодида.

Главную опасность представляют пары элементарных радиойодидов и пары их органических соединений - метилйодидов.

Таким образом, с целью снижения содержания радионуклидов в воздухе помещений атомных предприятий и сокращения их выброса в атмосферу, особенно при авариях, атомные предприятия должны иметь высокоэффективные надежные вытяжные и проточные рециркуляционные системы очистки воздуха, работающие как в нормальных режимах эксплуатации предприятия, так и в условиях аварий, и обеспечивающие очистку от радиоактивных аэрозолей и радиойодов.

На атомных предприятиях, как правило, используются двухступенчатые системы очистки, состоящие из высокоэффективного аэрозольного фильтра и йодного фильтра-адсорбера.

Фильтры-адсорберы в качестве ступени йодной очистки представляют собой, как правило, устройства, в которых сорбент помещен в камеру ящичного типа, разделенную на секции, заполненные гранулами сорбента. В качестве сорбента в большинстве случаев используются гранулы активных углей размером около 1-2 мм, импрегнированные различными химическими соединениями, обеспечивающими хемсорбцию молекулярного йода и(или) метилйодид [Патент ФРГ 3129384, кл. В 01 D 46/30, 53/00, заяв. 25.07.1981, опубл. 24.02.1983; Патент ФРГ 2149604, кл. G 21 F 9/00, B 01 D 46/34, заяв. 19.04.1964, опубл. 30.10.1975].

Фильтры-адсорберы с гранулированным сорбентом имеют ряд существенных недостатков.

Во-первых, при размерах гранул 1-2 мм отношение площади геометрической поверхности гранул к их массе невелико, в результате для обеспечения высокой эффективности адсорбера требуется большая масса сорбента, что приводит к высокому аэродинамическому сопротивлению адсорбера и, как следствие, к высокой стоимости эксплуатации адсорбера. Так, например, используемый в России йодный адсорбер АУИ-1500 [Адсорбер угольный АУИ-1500-1, паспорт И 18192Б, г. Береза, 1995 г. ] содержит около 250 кг угольного сорбента, имеет производительность 1500 м³/ч и при этом его аэродинамическое сопротивление достигает 2500 Па.

Во-вторых, истирание гранулированного сорбента, особенно на основе активных углей, неизбежно вызываемое движением воздуха, приводит к образованию пыли, которая частично уносится, а частично остается в адсорбере, забивает каналы между гранулами и тем самым резко увеличивает аэродинамическое сопротивление, делая его в конце концов неработоспособным. Вынос из адсорбера пыли, т.е. мелких частичек сорбента, содержащих радионуклиды, требует установки еще одного аэрозольного фильтра, что дополнительно увеличивает стоимость изготовления и стоимость эксплуатации системы очистки.

В третьих, утилизация выработавшего ресурс работоспособности фильтра-адсорбера с большим количеством гранулированного сорбента весьма дорогостоящая. Ее стоимость в десятки раз выше стоимости утилизации аэрозольного фильтра такой же производительности.

Известна фильтровальная установка для очистки воздуха ядерных установок от радиоактивных веществ [Патент Франции 2473348, кл. G 21 F 9/02, B 01 D 46/42, заяв. 09.01.81, опубл. 17.07.81] , которая представляет собой два соединенных последовательно стандартных контейнера, в одном из которых помещается гранулированный или порошкообразный фильтровальный слой, а в другом - твердый фильтровальный материал, оба контейнера подсоединены к воздушному каналу.

Кроме недостатков, которые свойственны фильтрам- адсорберам, эта установка неудобна в использовании, так как она громоздка и трудно заменяема.

Известен аэрозольный сорбирующий фильтр, содержащий корпус, в котором размещен фильтрующий элемент, выполненный из зигзагообразно сложенного многослойного фильтровального материала, содержащего тонко измельченные частицы углерода, и с расположенными между складками разделителями-сепараторами [Ю. Н. Филатов. "Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс)", М. 1997, стр. 254-259, 198-203].

Однако пылеемкость такого фильтра невелика и при высокой запыленности очищаемого воздуха, содержащего молекулярный йод и особенно его органические соединения, он недостаточно эффективен. Фильтр быстро заполняется йодидами, а другие аэрозольные частицы с размерами менее 1 мкм, содержащие радиойод, могут пройти через поры фильтровального материала. Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности очистки воздуха от аэрозолей, содержащих молекулярный йод, и его органических соединений путем увеличения пылеемкости фильтра, адсорбирующего йодиды, а также упрощение процесса комплексной очистки воздуха и конструкции фильтра.

Поставленная задача решается тем, что в аэрозольном сорбирующем фильтре, содержащем корпус, в котором размещен фильтрующий элемент, содержащий сорбент, выполненный из зигзагообразно сложенного многослойного фильтровального материала с расположенными между складками сепараторами-разделителями, все слои крупноволокнистого фильтровального материала, кроме последнего по ходу очищаемого потока воздуха, содержат частицы тонко измельченного сорбента диаметром 1-100 мкм в количестве 10-500 г/м², а последний по ходу слой очищаемого потока воздуха выполнен из тонковолокнистого материала, не содержащего сорбента с плотностью упаковки не более 0,06.

Для обеспечения термостойкости фильтра в качестве фильтровального материала использовано стекловолокно, а в качестве тонко измельченного сорбента - частицы импрегнированного активного угля.

Для рациональной организации поступления потока в фильтр установленные между складками зигзагообразно сложенного фильтровального материала разделители-сепараторы выполнены из гофрированного алюминиевого листа.

Поставленная задача решается тем, что фильтр изготавливают способом, который заключается в том, что размещают в корпусе зигзагообразно сложенный, предварительно упакованный в слои волокнистого фильтровального материала, и размещают в складках разделители-сепараторы, при этом все слои, кроме последнего по ходу очищаемого потока, изготавливают из фильтровального материала, в который вводят частицы тонко измельченного сорбента диаметром 1-100 мкм в количестве 10-500 г/м², а последний по ходу потока очищаемого воздуха слой выполняют из не содержащего частицы сорбента фильтровального материала с плотностью упаковки не более 0,06.

Ввести частицы сорбента в фильтровальный материал можно потоком воздуха со скоростью 0,5-1,0 м/с, направленным непосредственно в фильтр, с одновременной вибрацией корпуса фильтра с частотой 100-1000 Гц.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявляемый фильтр отличается от известного тем, что все слои крупноволокнистого фильтровального материала, кроме последнего, содержат частицы тонко измельченного сорбента диаметром 1-100 мкм в количестве 10-500 г/м² высокопористого материала, а последний слой по ходу очищаемого потока воздуха выполнен из тонковолокнистого материала, не содержащего сорбента, материала с плотностью упаковки не более 0,06, что позволяет судить о соответствии критерию "новизна".

Сущность изобретения заключается в следующем.

Для того чтобы фильтр выполнял одновременно функции аэрозольного высокоэффективного фильтра и функции адсорбера паров молекулярного радиойода и паров органических соединений радиойода предложено использовать высокодисперсный с высокопористыми частицами диаметром 1-100 мкм, введенный предварительно или вводимый в уже готовом фильтре в один или несколько слоев высокопористого высокопылеемкого материала. Поскольку полученный содержащий сорбент материал не может иметь высокую эффективность фильтрации аэрозольных частиц размерами меньше 0,5 мкм, предложено дополнить материал с сорбентом слоем высокоэффективного фильтрующего материала, обеспечивающего высокую эффективность фильтрации наиболее проникающих частиц размерами 0,2-0,4 мкм.

Из многослойного сорбционно-фильтрующего материала можно создать фильтр-адсорбер сепараторного типа, в котором материал укладывается в жесткий корпус складками, разделенными алюминиевыми гофрированными пластинами, что позволяет иметь в относительно небольшом объеме фильтра развитую поверхность материала значительной площади. Это приводит к тому, что при довольно большом расходе воздуха через фильтр скорость потока через фильтрующую поверхность оказывается незначительной - порядка нескольких сантиметров за секунду, что означает одновременно и высокую эффективность фильтрации аэрозолей, высокую эффективность сорбции паров органических соединений радиойодов и невысокое аэродинамическое сопротивление фильтра в целом. Применение высокопористого высокопылеемкого материала в первых слоях позволяет иметь фильтр довольно значительной пылеемкости.

Изобретение поясняется рисунками, где на фиг.1 показана общая схема устройства, а на фиг.2 - фрагмент фильтрующего элемента. Фильтр содержит корпус 1, в котором размещен зигзагообразно сложенный фильтровальный материал 2, в складки которого вставлены разделители 3 из гофрированного алюминиевого листа. Фильтровальный материал выполнен из крупноволокнистого материала 4, содержащего высокодисперсный сорбент с высокопористыми частицами диаметром 1-100 мкм, упакованного в слои. Последний по ходу очищаемого потока воздуха слой 5 в этом материале выполнен из не содержащего сорбент материала с плотностью упаковки волокон 0,06.

Такой фильтр может быть изготовлен следующим образом. Материал 4, содержащий частицы сорбента, упаковывают в слои, присоединяют к многослойному материалу последним слой 5 из материала, не содержащего сорбент, с плотностью упаковки волокон 0,06, складывают этот материал зигзагообразно, в складки вставляют гофрированные алюминиевые листы и собранный таким образом фильтрующий элемент размещают в корпусе 1. Складчатые боковые края материала 2 и боковые ребра гофрированных пластин разделителей жестко прикрепляют (например, приклеивают) к двум внутренним поверхностям корпуса 1. Наружные поверхности первой и последней складки также приклеены к остальным двум внутренним поверхностям фильтра. Неочищенный воздух входит в фильтр по желобкам-впадинам гофр входных разделителей-сепараторов и после прохождения через материал, охватывающий сепаратор с двух сторон, выходит из фильтра по впадинам-желобкам гофр выходных разделителей-сепараторов.

В качестве крупноволокнистого материала с частицами сорбента можно использовать заранее изготовленный, например, путем продувания воздуха, содержащего тонко измельченный сорбент, через волокнистый материал с наложением на материал или поток вибрации [Патент РФ 2114681, кл. В 01 D 39/00, заяв. 17.07.96, опубл. 10.07.98, 19].

Однако использование материала, полученного этим способом, иногда может привести к снижению эффективности фильтрации в целом, так как при изменении скорости очищаемого потока газа возможно выдувание из материала частиц сорбента.

Изготовить такой фильтр можно и другим способом, который заключается в том, что в корпусе размещают многослойный материал без сорбента, а сам сорбент вводят непосредственно в фильтр потоком воздуха со скоростью 0,5-1,0 м/с. В этом случае все частицы сорбента оказываются в первых нескольких слоях крупноволокнистого материала.

В последний слой из тонковолокнистого материала с плотностью упаковки не более 0,06, при которой размеры пор сравнимы с диаметром волокон, частицы сорбента размерами не более 1 мкм не проникают. Для более равномерного распределения частиц сорбента в слоях материала, кроме последнего, фильтр подвергают вибрации с частотой 100-1000 Гц одновременно с продуванием его воздухом с частицами сорбента.

Характеристики аэрозольного сорбирующего фильтра и йодных фильтров-сорберов приведены в таблице.

Заявляемый аэрозольный сорбирующий фильтр может применяться в высокоэффективных многоступенчатых системах очистки в качестве йодной ступени. При этом его высокая эффективность фильтрации аэрозолей и высокая пылеемкость позволяют использовать его еще и в качестве ступеней грубой и тонкой очистки и исключить за ненадобностью последнюю аэрозольную ступень. При этом получающаяся система очистки может состоять из ступени отделения капельной влаги и двух или даже трех аэрозольно-сорбирующих фильтров.

Эффективность фильтрации такой системы и эффективность сорбции паров и органических соединений радиойода оказываются очень высокими, а ее аэродинамическое сопротивление пониженным. Пылееемкость такой системы обеспечивается пылеемкостью первого аэрозольно-сорбирующего фильтра. Емкость системы по йоду и тем самым ресурс работоспособности, который целиком определяется ресурсом работоспособности йодной ступени, увеличивается вместе с увеличением количества аэрозольных сорбирующих фильтров в ней.

Значительным достоинством созданного аэрозольного сорбирующего фильтра является также возможность использования его (при соответствующих габаритах) вместо аэрозольного фильтра, широко используемого в настоящее время в системах очистки воздуха от радиоактивных аэрозолей, при этом не требуется переделывать узлы установки фильтров на действующих АС.

Кроме того, в таком фильтре отсутствует проблема истираемости сорбента. Унос частиц сорбента исключен, так как последний слой высокоэффективен для аэрозольных частиц любых размеров.

Проблема утилизации отработавшего ресурс работоспособности фильтра точно такая же, как проблема утилизации обычных аэрозольных фильтров, которая решается их спрессовыванием в небольшой объем и захоронением. Стоимость изготовления и эксплуатации созданного фильтра сравнима, хотя и несколько выше, с аналогичными величинами для аэрозольных фильтров примерно такого же класса (по аэрозолям) и такой же производительности.

Аэрозольный сорбирующий фильтр содержит корпус, в котором размещен зигзагообразно сложенный фильтровальный материал, в складки которого вставлены разделители-сепараторы из гофрированного алюминиевого листа. Фильтровальный материал выполнен из крупноволокнистого материала, содержащего высокодисперсный сорбент с высокопористыми частицами диаметром 1-100 мкм, упакованный в слои. Последний по ходу очищаемого потока воздуха слой в этом материале выполнен из тонковолокнистого материала и не содержит сорбента. Использование такого фильтра позволяет упростить процесс комплексной очистки воздуха, так как одновременно обладает свойствами высокоэффективного пылеемкого аэрозольного фильтра, адсорбирующего йодиды, высокоэффективного по аэрозолям и высокоемкого по молекулярному йоду и его органическим соединениям. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Аэрозольный сорбирующий фильтр, содержащий корпус, в котором размещен фильтрующий элемент, выполненный из зигзагообразно сложенного многослойного фильтровального материала с расположенными между складками разделительными сепараторами, отличающийся тем, что все слои крупноволокнистого фильтровального материала, кроме последнего по ходу очищаемого потока воздуха, содержат частицы тонко измельченного высокопористого сорбента диаметром 1-100 мкм в количестве 10-500 г/м², а последний слой по ходу очищаемого потока воздуха, выполнен из тонковолокнистого материала, не содержащего сорбента с плотностью упаковки не более 0,06. 2. Аэрозольный сорбирующий фильтр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фильтровального материала использовано стекловолокно. 3. Аэрозольный сорбирующий фильтр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве тонко измельченного сорбента использованы частицы импрегнированного активного угля. 4. Аэрозольный сорбирующий фильтр по п. 1, отличающийся тем, что сепараторы-разделители выполнены в виде гофрированного металлического листа. 5. Аэрозольный сорбирующий фильтр по п. 1, отличающийся тем, что сепараторы-разделители выполнены из гофрированного алюминиевого листа. 6. Способ изготовления аэрозольного сорбирующего фильтра по пп. 1-5, включающий размещение в корпусе зигзагообразно сложенного и упакованного в слои фильтровального материала, установку между складками разделителей-сепараторов, отличающийся тем, что все слои, кроме последнего по ходу очищаемого потока, изготавливают из фильтровального материала, в который вводят частицы тонко измельченного сорбента диаметром 1-100 мкм в количестве 10-500 г/м², а последний по ходу потока очищаемого воздуха слой выполняют из не содержащего частицы сорбента фильтровального материала с плотностью упаковки не более 0,06. 7. Способ изготовления аэрозольного сорбирующего фильтра по п. 6, характеризующийся тем, что во все слои фильтровального материала, кроме последнего по ходу очищаемого потока воздуха, вводят потоком воздуха со скоростью 0,5-1,0 м/с, направленным непосредственно в фильтр, частицы измельченного сорбента с одновременной вибрацией корпуса фильтра. 8. Способ изготовления аэрозольного сорбирующего фильтра по п. 7, характеризующийся тем, что фильтр подвергают вибрации с частотой 100-1000 Гц.