放射性松散污染真空吸尘装置的设计*

张文俊 梁栋 郭丽潇 刘东

(中国辐射防护研究院 太原 030006)

0 引言

放射性场合如核设施退役中，建筑物表面去污或设备设施表面去污是其中的一项重要工作。经常会遇到墙体、地面等污染热点的机械剥离去污、散落放射性污染物收集等操作。应用普通工业真空吸尘器对这些操作过程中产生的污染物进行收集时，由于末端过滤器对于放射性气溶胶过滤效率有限，不可避免会造成污染扩散。另外，收集的放射性松散污染在卸出回收时，也会造成已收集的放射性污染的再次扩散，从而对环境和工作人员造成危害。为保护工作人员健康和环境安全，必须采用合适的收集手段，确保放射性污染在收集和回收过程中的放射性不发生扩散。因此，有必要研制一种可靠的用于放射性松散污染收集的专用真空吸尘器，确保放射性污染收集时工作人员的人身健康和环境安全。

1 方案设计

1.1 设计原则

(1)二次废物最小化。吸取放射性污染时，吸尘器本身及其中的过滤材料等二次废物也不得不作为放射性物品考虑，存在对其进行处理的问题，因此，设计时必须尽量减少消耗品的产生或者产生的二次污染物易于处理。

(2)减少放射性接触。已收集的放射性废物收集处理及消耗材料更换时，应尽量减少放射性污染的暴露，减少人员吸入放射性气溶胶风险，减少对环境的影响。

(3)对环境安全。真空吸尘器在使用过程中可能产生过滤器芯堵塞，对产生的污染吸取能力降低；或过滤器芯破损，吸取的放射性物质再次进入环境中，造成环境污染。因此，设计时必须考虑工作状态监测。

1.2 总体方案

分析真空吸尘器吸取放射性松散污染的工作流程，可将其分为放射性污染物吸取收集和放射性气溶胶净化两个步骤。成熟的放射性气溶胶过滤净化技术，一般以初效核级空气过滤器和高效核级空气过滤器为主，可有效去除气流中的气溶胶颗粒[1]。应用于真空吸尘工况时，污染气流中存在的粉尘颗粒物容易造成空气过滤器堵塞，从而产生大量空气过滤器芯二次放射性废物，目前尚无合适的处理方法，只能作为废物暂存。因而，吸尘器吸入污染物后的初处理效果对二次废物产生量有很大影响。

旋风分离器是一种良好的气固分离设备，已广泛应用于工业生产中，具有结构简单，无活动部件，故障率低的优点，现代高效旋风分离器已能基本除净粒径大于10 μm的颗粒[2]。

布袋除尘具有除尘效果好，除尘效率高等优点，且滤袋滤料采用纤维材料，受到放射性污染后可采用焚烧处理的方法，降低废物产生量，符合废物最小化的设计原则。

基于以上考虑，所设计的真空吸尘装置方案采用旋风分离、布袋过滤及核级高效过滤三级净化的工作方式。净化工艺流程为松散污染物经吸尘管路、吸尘口吸入后，进入旋风分离单元，旋风分离器作为第一级分离，主要针对吸入的较大颗粒物进行分离并收集在旋风分离单元内；经旋风分离后的气流再经过布袋过滤，可滤去旋风分离后残余的粉尘(50 μm以上)，然后进入核级高效过滤单元，经核级高效过滤器(0.3 μm粒径的颗粒净化效率为99.99%)净化后，即可排入环境中。为实现工作状态监测，在吸入口和高效过滤器排放口间连接压差传感器，对吸尘器工艺流程如图1所示。

图1 核用真空吸尘器工艺流程

2 部件设计

2.1 旋风分离单元

旋风分离器工作原理可叙述如下：含尘气体从进气口以较高的速度沿圆筒切线方向进入，气流由直线运动变为圆周运动，并向上、下流动，向上的气流被顶盖阻挡返回，向下的气流在筒体部分和锥体部分作自上而下的螺旋运动(称为外旋流)。含尘气体在旋转过程中产生离心加速度，由于尘粒产生的离心力比空气黏性阻力大很多倍，使尘粒产生径向远离旋转中心的运动，因此将尘粒甩向器壁，尘粒一旦与器壁接触便与气体相分离，沿器壁经锥体排入集尘箱内。旋转下降的外旋气流在圆锥部分运动时随圆锥形收缩而向分离器中心靠拢，当气流到达锥体下端某一位置时，便以同样的旋转方向在分离器中部形成一股自下而上的螺旋运动气流(称为内旋流)，并经升气管外排出，部分未收集的粉尘颗粒也随气流排入大气中。

从旋风分离器工作原理可知，由于有内外漩流的相互作用，总存在一部分粒径较小的粉尘颗粒会随气流排出，降低分离效率。

为增加过滤效率，同时减小装置体积，将使用的旋风分离器的升气管内设计4个出口，并在每个出口管端增加一个滤袋，进一步增强对气流中的粉尘颗粒的过滤效果。

为便于取出收集的污染物，减少废物收集时的放射性暴露，旋风分离器排风管设计为用集尘桶密封的形式。旋风分离器圆锥体末端设计一个与集尘桶相配合的密封盘，将集尘桶沿压紧在密封盘的密封垫圈上，使两者达到密封。密封盘与圆锥体焊接为一体，作为锥体部分的加强。如图2所示。

排灰管为圆柱形短节，与锥体末端半径相同，焊接固定在锥体末端。集尘袋口用绑扎带直接固定在出灰口上，并放置在集尘桶内。集尘袋内尘满时，用绑扎绳在集尘袋口上绑扎两道，从两道绑扎带中间剪开，满的集尘袋转移走后，用新的集尘袋套在出灰口上后，将残袋扯掉，落入新集尘袋内，完成集尘袋的更换。应用这样的操作可在收集废物及更换集尘袋时实现操作人员与放射性污染隔离。

1—排风管；2—顶盖；3—吸入管；4—密封盘；5—集尘桶；6—滤袋支撑架

考虑更换滤袋的需要，旋风分离器上部应能打开，滤袋从上部安装。更换新滤袋时，取出滤袋支撑架，用新滤袋将旧的滤袋从旋风分离器内部推下，从出灰口落入集尘袋中，作为放射性废物用集尘袋收集后处理，从而避免放射性的扩散。

为操作时吸尘软管连接方便，吸入管口为带有密封盖的快接头，非工作状态时，吸入管口保持密封，起到约束放射性扩散的作用。

2.2 放射性气溶胶净化单元

松散污染物吸取后，经旋风分离和布袋过滤后，气流中只剩余粒径极小的气溶胶颗粒。因此，只须再经过核级高效过滤器净化即可。

放射性气溶胶净化单元与目前成熟的放射性气溶胶过滤装置相似，主要由过滤箱体、过滤仓门、核级高效过滤器、压紧机构组成，其结构如图3所示。

过滤箱体主要作用是装入核级高效过滤器，并使气流从迎风面进入，从出风面流出，使气流达到过滤的效果。核级高效过滤器按照吸尘风量选取我国核工业中应用的标准型号高效过滤器。固定采用迎风面和固定密封面相贴合，出风面用偏心轮压紧机构压紧。高效过滤器的进出采用从正面开设仓门的方法。门与过滤仓体的密封采用蝶形螺母压紧的方式，保证仓门与过滤单元的密封性。更换高效过滤器时，将高效过滤器塑料包装袋的袋口密封连接在过滤箱体的密封凸缘上，松开压紧机构，将高效过滤器拉入包装袋内，扎好袋口后将包装袋取下。此操作过程可将过滤器芯上积累的放射性污染限制在包装袋内。

1—进风管；2—过滤箱体；3—过滤仓门；4—出风口；5—压紧机构

2.3 监测单元

监测单元工作的主要目的是保证真空吸尘器在正常状态工作，即防止过滤单元由于堵塞而阻力太大，又防止高效过滤器破损导致放射性扩散。

过滤单元进风口和出风口处的压差可反映过滤阻力的情况。进出口处的压差增大，是滤袋及高效过滤器堵塞程度的反映，正常工作时，压差随工作时间而增加。当压差突然降低时，即可能是高效过滤单元发生破损，应及时更换高效过滤器。

因此，对过滤单元的进出风口设置测压口，连接差压变送器，并将压差信号送至数显控制仪表，操作人员可直接观察阻力情况。当压差高于设定值或低于设定值时，发出报警，提醒工作人员更换过滤器。

3 性能测试

按照上述设计方案制造的真空吸尘器整体结构如图4所示，其真空风泵功率为4 kW，额定风量318 m3/h，最大吸力为-30 kPa。实际操作应用时，可吸入直径为10 mm的螺帽等物品，主要对其进行吸尘风量测试和气溶胶净化率测试。吸尘风量采用风速仪测量管道内风速的方法，换算为风量。气溶胶净化率测量参照《核空气净化系统的现场检验》[3]，采用冷发DOP气溶胶为介质，通过分别测量真空吸尘器入口和出口DOP气溶胶浓度的方法，计算真空吸尘器对气溶胶的净化率。

经测试，该真空吸尘器实际运行风量为250～280 m3/h之间，气溶胶净化率大于99.95%，满足核空气净化标准。

图4 真空吸尘器结构示意

4 结论

采用旋风分离结合布袋过滤的方法，结合核级高效过滤，设计了用于吸取放射性松散污染物的真空吸尘器。本装置在满足一般工业吸尘器功能的同时，考虑了放射性操作的实际情况，可实现二次废物最小化以及对工作人员和环境的辐射安全。