美國能源部(DOE)於1992年和1997年公布的數據表明,在核能產業領域,一次性玻璃纖維HEAP(高效微粒空氣)過濾器組的相關成本達到了每年5500萬美元。該成本計算是基於1987年至1990年間每年使用的HEPA高效過濾器的平均值-11748塊。研究發現,該成本當中的5000萬美元都用在了過濾器的安裝、測試、拆除和處理方面(這些估算中所用的生命周期成本實際上是以1987年至1990年的數據估計值為基礎來計算的)。
以上數據的作者還認為,到1995年時,由於冷戰的結束,HEPA高效過濾器的使用數量下降到了每年約4000台。[HEPA高效過濾器元件的使用數量與武器裝備相關的活動密切相關。冷戰結束意味著與武器裝備相關的活動減少,因此,美國能源部用在該領域中的HEPA高效過濾器的數量也隨之減少。]使用與之前相同的成本參數來計算,能源部為每年4000台高效過濾器花費的年成本約為2950萬美元。
在這些成本中,一台過濾器本身的價值為300美元,而在每台過濾器周邊的花費就達到了4450美元。顯然,如果能減少4450美元的這部分花費,那麼就能極大地節省成本,此外還能顯著減小廢棄物排放所造成的負擔。
業內人士致力於研發出一種成本低、使用壽命長(可清潔)的直接替代方案來取代傳統的過濾器組。在本文中,我們討論一種可供選擇的方案,它能夠防止粉塵雜質落入並堵塞HEPA高效過濾器,因此無需替換。該方案採用一個分離系統,該系統本身不會增加廢棄物負擔,而只不過是將堵塞塵埃轉移給用戶來處理。
顯然「低成本」與「不鏽鋼HEPA」不可兼得。初期工作表明,流量達28m3/min(1000ft3/min)的不鏽鋼高效過濾器在研發之後的商業可行成本為5000美元。而工業化地生產這樣一個部件的實際成本大約為15000美元。既然是這樣,那麼從經濟角度而言,用可清潔式金屬替代品來取代傳統的玻璃纖維高效過濾器完全不合乎常理。
為了保護傳統的玻璃纖維高效過濾器,防止它們被污染堵塞,需要減少它們的生命周期成本,減少最終的廢棄物排放量。
關於自清潔HEPA高效過濾器的一項研究表明,即使當達到了HEPA高效過濾器組的機械壽命極限時,還可以將污染物的程度減到很低,以至於其最終處理的分級也能夠被進一步修改而進一步減少成本。
脈衝噴吹過濾技術使用金屬過濾介質,它是一種實用的並且得到業界認可的方法,利用該方法可以防止固體顆粒到達HEPA高效過濾器組,並使固體返回至操作員處以待處理,同時也並不干擾整個系統內的工藝流程。有現場經驗可以證明該觀點。
將少量的粉塵返回給用戶處理具有顯而易見的好處,如果不這麼做,就會導致過濾器組的大部分被污染和堵塞。
成本效益分析表明,這種減小HEPA成本的根本性解決方案的確有效。對該技術及其在其他領域應用的介紹闡明了這樣一個事實,即在需要粗效除塵或者粉塵回收的情況下,或者在無法應用傳統HEPA技術的極端條件下,金屬過濾系統能夠(並且確實)提供經濟且切實可行的解決方案。
使用可清潔和重複使用的傳統HEPA過濾器機架帶來了幾個難題。首先,清潔方法本身會產生更多的廢物,超過了過濾器元件所排放的廢物量,特別是當該清潔方法使用液體溶劑、水或者酸時。製造過濾器介質本身的材料必須能夠經受得住嚴苛的清潔操作,並且在清潔之後依然具有可靠、可重複的過濾性能,在重新安裝之前必須對過濾性能進行測試。有一種顯而易見的方法可以解決一台耐用的過濾器所面臨的這些問題,那就是使用金屬介質,但是這又接著引發了關於重量問題的擔憂。
此外,如果某些過濾元件在經過清潔之後無法恢復原來的性能,不能通過效率測試,那麼不論是將其壓碎或者燃燒,都無法使它的廢物量減小到與傳統玻璃纖維底座相同的程度。正如前面所指出的那樣,成本也是一個重要的問題。
此外,金屬介質的滲透性是能夠保證HEPA效率的關鍵,但是已經證實這種滲透性差得令人失望,這就意味著必須使這類系統的規模變大,或者使它們的壓降變大。無論哪種情況都會使成本增大,既包括初期建設費用,也包括生產成本。
問題的另一方面是工藝HEPA過濾器的「非標準」使用。高性能、金屬HEPA顯然在核能產業中佔有一席之地,但是它們的應用不可避免地受到限制。
傳統的HEPA過濾器系統有一些應用限制,妨礙了它們在核能產業中解決許多過濾問題;尤其是在以下應用中,例如,使用或者保存壽命長、放射性高、危險的分解產物、化學腐蝕、有機溶劑、工作溫度升高,以及防火、防潮。通過使用金屬過濾器介質,能夠解決其中的某些問題;包括在WIPP(位於美國墨西哥Carlsbad的廢棄物隔離示範工廠)長期存儲超鈾廢物;長期存儲用盡的或者破損的燃料組件;手套箱通風;儲藏罐通風;在高溫時對焚燒爐、玻璃化過程、轉換或燒結爐進行通風排煙;以及在氣冷反應堆中,碘吸收器下游的應用。
HEPA保護
顯然,減少HEPA高效過濾器的使用,並由此降低其成本的最經濟、最環保的方法並不是開發可清潔的金屬HEPA。
這種方法不僅被證實其初期建設投資和工作成本昂貴,而且完全不能減少最終的廢物處理量,因為經過清潔工藝之後的過濾器,其高效過濾的可靠性尚未得到證實。此外,該方法也沒有考慮到以下兩點,一是為了滿足現有的壓力損失規定,必須增加過濾器的數量,二是為了使泵送空氣穿過滲透性較差的金屬元件,不得不耗費更多的能源成本。
用於保護HEPA不受環境污染的技術(使用傳統的玻璃纖維本體)是令人滿意、易於理解並且可靠的,最好就這樣保留下來。但是,應該將這些HEPA過濾問題公認的解決方案同污染微粒的問題區分開來,那些微粒最終會導致必須更換過濾器殼體。
如何保護HEPA高效過濾器或者過濾器組不被粉塵堵塞?顯然,HEPA過濾器的前端過濾器能夠防止大量粉塵進入高效過濾器,但是這隻不過是將排污問題轉移到了上游而已,所以它並不是一種令人滿意的解決方案。
一種令人滿意的解決方案採用了創新的技術,該技術將使用壽命較長的金屬過濾器介質與一種有效的在線清潔方法二者相互結合,它不僅能在不干擾工藝流程的前提下清潔預過濾器,而且能增加清潔工藝中額外氣體的絕對極小值。如果設計正確的話,這樣一個系統能夠返回給用戶少量微塵,然後由用戶單獨處理它們,而不是將這些粉塵封閉在大得多的玻璃纖維HEPA過濾器介質陣列中。