CN101720487A - 使用超声波再生提高过滤器能力的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
一种过滤系统及其相关联的过滤方法，采用超声波增强逆洗和用于提高过滤器介质一部分上的特定负载的修改的过滤器介质配置的组合，由此用于提高改进的过滤器的总颗粒物保持能力。根据如过滤器配置、颗粒物粒度分布以及过滤器上可以保持的压力差的因素，预期相对于具有类似配置的过滤器介质的常规过滤器，颗粒物保持能力能够提高一倍以上。
Description
相关申请
本申请根据35 U.S.Cξ119(e)要求对美国临时专利申请编号60/940,928的优先权，其于2007年5月30日提交到美国专利商标局，在此其完整内容通过引用结合到本发明。
背景技术
放射性颗粒物废料，如在辐射核燃料组件的超声燃料清洁期间产生的放射性颗粒物废料，处理起来可能既困难又成本高昂。作为规范废旧过滤器或使用过的过滤器的操作、运输和处理的各种规则与法规的结果，对于更为常规的过滤应用，这种颗粒物废料的辐射性方面提出了特别的过滤成本考虑因素。通常，过滤成本主要取决于污染的过滤器的处理成本。相应地，提高每个过滤器的颗粒物保持能力将可能降低总过滤成本。
薄膜型过滤器的颗粒物保持能力取决于诸多因素，例如包括：介质两侧可用的压力差，过滤器介质的可用面积以及通过过滤器的流量。相应地，颗粒物保持能力可以通过使用多种技术得以提高，例如包括：提供另外的压力差，提高过滤器中的介质的量和/或通过降低通过过滤器的流量。
发明内容
新过滤器系统及其相关联的过滤方法的示例实施方式利用超声波增强逆洗和用于提高过滤器介质一部分上的特定负载的修改的过滤器介质配置的组合，由此用于提高改进的过滤器的总颗粒物保持能力。根据如过滤器配置、颗粒物粒度分布以及过滤器上可以保持的可用压力降的因素，预期相对于具有类似配置的过滤器介质的常规过滤器，颗粒物保持能力能够提高一倍以上。
尽管本领域的普通技术人员将会理解，提高有效过滤器能力会有用于各种应用，预期改进的过滤器的主要应用将是废水反应堆(BWR)和压水反应堆(PWR)燃料清洁应用。预期在BWR和PWR应用中，过滤器组件将以与传统燃料组件位置兼容的形式组装或配置，进而能够使用适当的超声波燃料清洁装置得以清洁。对于其他应用，本领域的普通技术人员将会理解，可以调整各种过滤器组件和超声波装置以实现与所公开实施方式一致并且用于实现所公开的方法的设备配置。
预期与所公开实施方式一致的设备和方法，相对于常规过滤组件和方法将提供一个或更多的优势。例如，预期与所公开实施方式一致的设备和方法可以包括一个或更多优势，包括通过降低捕获给定量的颗粒物所需的过滤器介质的量以降低过滤器介质成本，通过降低有效填充率以提高过滤器组件的寿命，降低现场存放的污染的过滤器的数量，降低待处理的过滤器的数量以及相关联的成本并且/或者可以允许使用现有超声波清洁设备从而减少相关联的设备费用和维护。
虽然预期在超声波燃料清洁废料期间产生的颗粒物废料的过滤是所公开的方法和设备的一个或更多的一般用途，本领域的普通技术人员将会理解，本公开和本申请并不限制于此。例如，预期所公开的方法和设备可以在其他应用中有特定的用途，包括但不限于：在废燃料池、反应堆腔和其他容器或容易聚集特定污染或特别地对特定污染敏感的区域中的各种放射性和非放射性废料的局部过滤。示例实施方式可以包括但不限于：在工厂维护活动或工厂退役期间可能产生和/或清除的废屑和/或加工碎屑的水下真空清理。其他示例实施方式可以包括但不限于：作为一般池/腔清理的部分的水下真空清洁，以及局部区域过滤以提高水的清洁度和/或区域剂量，大规模过滤以降低或消除在燃料池和反应堆腔过滤系统中使用的过滤器的数量，所要求的过滤器颗粒物保持能力超出使用常规膜过滤器所能实现的颗粒物保持能力的任何其他过滤应用和/或在其中希望将所有捕获的材料容纳于原始过滤器内以用于最终处理的那些应用。
其他示例实施方式甚至可以包括但不限于过滤器预涂层的再生。例如，一些过滤应用包括在初级过滤应用中使用之前所应用介质的预涂层。本说明书所公开的设备和方法可以被采用以从活动过滤区清除废的/堵塞的预涂层，允许在清洁过的过滤器层上应用新预涂层而无需单独地处理被清除过的预涂层介质。
现有技术的方法包括用于清洁和逆洗过滤器介质的各种顺序和配置，包括其中一些无论是否应用超声波的逆洗，都通过从介质清除颗粒物使之可以在其他地方被处理(例如排放到废水系统中)而被用于再生过滤介质。然而，本说明书所公开的示例设备和方法提供用于通过在过滤器组件内定期地迁移颗粒物以提高过滤器能力的装置。在过滤器组件内颗粒物迁移到指定的收集区上/内，这允许过滤器组件的另一区被“再生”以提供更新的过滤器区。该再生区的可用性进而允许过滤器组件继续提供有用的过滤功能，该功能大大超越了常规布置和操作的过滤器需要更换以保持正常操作的限度。
附图说明
结合附图考察详述时，将能更清楚地理解下文描述的示例实施方式，其中：
图1示出了适于实现详细公开中所详述的方法的设备的示例实施方式；
图2至图5示出了下文公开中详述的过滤方法的示例实施方式；
图6示出了适于实现详细公开中所详述的方法的设备的另一种示例实施方式；
图7示出了关于适于实现方法的适当设备的示例实施方式所描述的在实现方法的实施方式时产生的压力和颗粒物捕获数据；
图8示出了在实现图2至图5中所示方法的示例实施方式时可以采用的步骤的示例实施方式；以及
图9示出了适于实现所公开过滤方法的一些实施方式的设备的另一种示例实施方式。
应当注意，这些附图意在示出在某些示例实施方式中采用的方法、结构和/或材料的一般特征并且补充下文提供的文字描述。然而，这些附图并非按比例绘出并且并非精确地反映任何给定实施方式的确切结构或性能特征，并且因此不应被理解为限定或限制示例实施方式所包含的值范围或属性。而且，鉴于本领域的普通技术人员将能够确定并且构建本说明书所公开的全部实施方式及其明显变型所需的外围结构，已经通过省略外围结构而简化了附图，这些结构包括例如管道、阀门、泵、电源、电缆、控制器和其他设备。
具体实施方式
用于实现所公开方法的设备100的示例实施方式在图1中示出，并且包括过滤器外壳102，其具有用于将在进口方向108上的污染流体引入过滤器组件的主进口104，该过滤器组件进而包括再生区106a和收集区106b。随后流经过滤器组件的再生区和收集区的流体可以通过相关联的导管110a、110b从过滤器外壳中被排除。为了提供通过再生区和收集区的流动差，过滤器组件和/或过滤器外壳可以包括用于分离流并且定义第一和第二流径的法兰112或等效结构。这些流径可以包括在过滤器组件外部表面和过滤器外壳内表面之间的对应的增压区114a、114b。本领域的普通技术人员将会理解，可以在增压区提供另外的结构用于支撑过滤器组件，以允许保持更高的压力差，同时降低损坏过滤器组件的风险。
本领域的普通技术人员将会理解，过滤器组件可以包括单式结构，即单一过滤器元件，或者可以包括协同构成完整组件的多个过滤器元件。本领域的普通技术人员将会理解，包括多个过滤器元件的实施方式可以采用协同构成完整过滤器外壳的多个过滤器外壳子单元，由此提高设备配置的范围，该配置可以被采用以实现与下文详述的方法一致的方法。例如，平行结构可以允许在两个或更多对应的流径之间交替过滤和再生操作，以在保持设备的过滤功能同时允许离线再生。
如图2至图5所示，在过滤操作期间，随着包含颗粒物的流体被给入过滤器组件并且流经过滤器组件，在过滤器组件的再生区和收集区的表面上形成一层颗粒物或“滤饼”116。随后滤液可以在如图2所示的第一流向118上通过导管110a、110b从过滤器外壳被排除。当希望再生时，包括例如当过滤器组件上的压力降超过目标压力上限或再生区的滤饼超过目标厚度时，再生过程可以被启动。在再生过程期间，如图3所示，在过滤器组件的再生区中的滤饼部分通过在第二流向118a上的反向流体流，例如逆洗流和由一个或更多超声换能器120提供的超声波搅动的组合而被减少或清除，超声换能器120被配置用于向再生区的至少部分施加超声波能量。
如图4所示，滤饼116a被清除的部分随后被在118b方向上由经过过滤器组件的流体推动到过滤器组件的收集区，以在原始滤饼116b的剩余部分上形成另外的滤饼层116a’。在再生过程期间逆洗流的流量和进口位置可以相对于在过滤过程期间采用的流量和进口位置降低并且被配置以降低微粒从过滤器组件被完全地清除的可能。也可以以这样的方式对过滤器组件进行定向，使得由重力协助进行对所清除颗粒物所希望的重新分布，例如通过在过滤器组件内将再生区布置于收集区之上。如图6所示，另外的流径118c和/或机械挡板或屏障装置(未示出)也可以被采用以在逆洗操作期间抑制微粒移动出过滤器组件。
相信与在正常操作流量时相比，在再生过程期间的低流量允许提高在收集区过滤器元件上的特定区域负载。预期在再生过程的至少部分期间的超声搅动将改善再生过程并且增加从再生区清除的滤饼的部分，特别地在较低流量情况下更是如此。
在再生之后，过滤器组件的再生区将可能充分地卸载，以允许恢复在正常过滤操作期间希望的较高过滤流量。如图5所示，过滤过程的恢复将带来另外的滤饼116c层的形成，此时可以重复再生过程。本领域的普通技术人员将会理解，所公开设备的示例实施方式可以被调整以提供在正常操作期间对过滤器组件的多个分离的过滤器元件和/或过滤区的增量逆洗。
对于意在与核燃料清洁应用联合使用的那些过滤系统，可以以这样的方式配置过滤器组件和过滤器外壳，使得允许使用适于处理在目的现场使用的具有类似配置的核燃料组件的设备和技术，来处理和存储过滤系统的部分。通过采用通用配置，在再生过程期间采用的超声搅动可以通过超声燃料清洁装置提供，包括，例如，在美国专利6,396,892中公开的清洁装置，其完整内容通过在此引用而成为本发明的组成部分，其此前适用于燃料清洁。替代地，当没有立即可用的超声燃料清洁系统时，另一种常规的或定制设计的超声搅动器可以被采用以对过滤器组件施加充分的超声能量，以从过滤器组件的一个或多个再生区分离累积的颗粒物和/或滤饼的部分。
过滤系统和过滤器组件的替代实施方式包括但不限于：改变再生区和收集区的相对面积，配置过滤器组件以提供多个再生区和/或收集区，提供允许一个或多个区作为再生区或收集区的选择性配置的多个流径，由此允许在服务期间变更再生区和收集区的相对面积。
过滤系统和过滤器组件的替代实施方式还包括但不限于：通过使用适当的导管布置和协同阀组件或等效设备，并联地、串联地或串联/并联地配置多个过滤器元件。这种配置的示例实施方式包括但不限于：分段过滤布置，其中连续不断地较小粒子被每个过滤阶段捕获，如通过在多个过滤阶段使用具有不同有效“微米级”孔径和/或介质深度的介质。
过滤系统和过滤器组件的替代实施方式还包括但不限于：允许使用传统过滤器组装的配置。当使用传统过滤器组装时，在逆洗操作期间使用至少一个传统过滤器组装作为再生区并且使用至少一个过滤器组装作为收集区，可以实现方法和设备的示例实施方式。
过滤系统和过滤器组件的替代实施方式还包括但不限于这样的变形，其中通过将收集区的多孔部分与非多孔部分(即实心管)串联组合并且使用较不适用于逆洗(即配置用于仅在优选方向上应用压力差的过滤器组件结构)的介质构成收集区来延长收集区的有效长度。
过滤系统和过滤器组件的替代实施方式还包括但不限于：采用对高辐射场表现出增强的抵抗性的材料，采用设计包括当过滤器被保持在适当位置例如竖直位置时，能够通过重力作用用于从过滤器排放流体的永久的或可遥控的端口、开口或渗透的组装，采用包括配置用于抑制或防止被捕获的颗粒物在没有流体流时从过滤器组件迁移的止回阀或等效结构的组装，以及采用设计用于允许到过滤器组件的各个区或部分或来自过滤器组件的各个区或部分的一个或多个流径与各个流源、导管和槽对准的阀或等效结构的遥控操作的组装。例如，如图9所示，过滤系统300可以被配置有分离的过滤器外壳单元102a、102b用于分离过滤器组件的再生区106a和收集区106b，可以包括外部120a或内部120b超声组件以及用于控制经过过滤器组件的流体流的一个或更多阀组件122、124。
过滤系统和过滤器组件的替代实施方式还包括但不限于：采用设计用于集成超声换能器和过滤器包的其余部分的组装并且包括用于监控各种过程参数的装置，所述过程参数例如为在过滤器组件、过滤器外壳和/或导管内的一个或多个位置处的压力和流量。
本领域的普通技术人员将会理解，以上详述的替代示例实施方式的特征和元件可以被组合以产生另外的实施方式，这样的实施方式将适于实现与所公开示例实施方式一致的方法。
示例1
已完成实验室小型试验以确定采用根据本文所公开的示例实施方式的方法和设备的过滤器的寿命/能力能够被延长的程度。试验装置包括如图1所示布置的两个10英寸(25cm)过滤器套件，上方的过滤器套件配置作为再生区并且下方的过滤器套件配置作为收集区。过滤器套件按图2所示装载试验粉尘直至过滤器组件上的压力差达到约35psi(0.24MPa)的预定的寿命终结压力限度为止。
试验装置随后被超声搅动并且滤饼的部分被从再生区逆洗到收集区中(图3和图4)。过滤器系统随后在正常负载配置(图5)下运行并且再生后的过滤器压力差被记录。该操作顺序随后被重复(见图8和步骤S100至S112)直至过滤器组件变得充分地被加载，使再生不足以将压力差降低到达约20psi(0.14MPa)的基础值为止，在此时试验终止。在图7中的曲线图200中提供压力差数据和颗粒物捕获数据。发现逆洗过程将过滤器套件的颗粒物保持能力提高的因数约为3.3。在拆下试验装置时，发现下方的过滤器套件已经填满试验粉尘。试验数据表明总颗粒物保持能力可以通过提高在底部区的过滤器面积的百分比而被进一步提高。
本领域的普通技术人员将会理解，过滤器组件的结构以及特别是过滤介质必须被配置以允许与逆洗过程相关联的反向流并且提供足够的机械强度以承受超声波搅动而不会损坏介质。
过滤器组件的示例实施方式以及这样的过滤器组件的操作方法可以包括一个或更多特征，包括但不限于：布置过滤器组件使得介质的部分既用于初级过滤(当过滤器组件是新的时)也用于捕获逆洗废料(在再生过程期间)。这样的配置将降低或消除使用另外的介质、流布置或结构以捕获逆洗废料的需要，而相对于未包括内部逆洗捕获配置的类似过滤器元件，不会严重地降低过滤器组件的性能。
过滤器再生过程将废料在过滤器内重新定位以提高一次性过滤器元件的能力。现有系统使用超声将废料从介质上清除，使得其能够从过滤器元件被冲洗出来，废料流直接地被排放或在二级处理介质上被过滤。在根据一示例实施方式的方法中，全部或基本上全部的逆洗废料被保持在过滤器元件内，使得不需要另外地处理危险废料，也没有相关的问题。
超声波搅动和清洁区低流量逆洗组合。超声波搅动促进低流量逆洗，低流量逆洗进而允许对过滤器的高度装载区上的逆洗废料的内部捕捉。没有超声波搅动，产生通过再生区的足够高的逆洗流量以移走颗粒物同时在经过更高负载的过滤器收集区时过滤该高速流体流，如果并非不可能，也将是非常困难的。
在示例实施方式中，过滤器组件能够被以类似核燃料组件的方式组装并且配置以方便处理和存储，并且用于与现有超声波燃料清洁系统兼容。本领域的普通技术人员将会理解，根据示例实施方式的过滤器组件可以很容易地被调整适于任何常规组装格式，包括例如Westinghouse/ABB在20世纪90年代后期在建设采用包含在以燃料组件成形的结构内的过滤器的系统(FILDEC)中使用的配置。
虽然所公开的发明已经特别地示出并且参照其示例实施方式予以描述，但不应将这些发明视为局限于本说明书中提出的特定实施方式；相反，提供这些示例实施方式是为了向本领域的普通技术人员更完全地传达本发明的概念。这样，显然对于本领域的普通技术人员，可以对其形式和细节作出各种改变而不会背离权利要求书所定义的本发明的精神和范围。
Claims (7)
1.一种过滤系统，包括：
过滤器外壳，用于容纳过滤器，所述过滤器外壳提供经过所述过滤器外壳的第一部分的第一流径并且提供经过所述过滤器外壳的第二部分的第二流径；
布置在所述过滤器外壳中的过滤器组件，所述过滤器组件具有再生区和收集区；以及
超声换能器，配置用于对所述过滤器组件的再生区施加能量。
2.根据权利要求1所述的过滤系统，其中：
所述过滤器组件采用单式结构。
3.根据权利要求1所述的过滤系统，其中：
所述过滤器组件采用模块化多部分结构。
4.根据权利要求1所述的过滤系统，进一步包括：
用于感知所述过滤器组件上压力降的第一压力传感器和第二压力传感器。
5.根据权利要求1所述的过滤系统，其中：
所述过滤器外壳包括用于容纳所述过滤器组件的再生区的第一子组件和用于容纳所述过滤器组件的收集区的第二子组件；以及
用于交替地打开和关闭在所述第一子组件和第二子组件之间的流体的连接的阀组件。
6.一种过滤方法，包括：
使包含颗粒物的第一流流经过滤器组件的再生区和收集区，所述第一流在第一流方向上流经所述过滤器组件；
从在所述再生区上的第一流收集第一数量的颗粒物并且从在所述收集区上的第一流收集第二数量的颗粒物；
终止通过所述再生区的第一流并且使第二流在第二流方向上通过所述再生区；
将超声波能量施加到所述再生区以将所述第一数量的颗粒物的部分释放到所述第二流中，以形成包含颗粒物的第三流；
使所述第三流的部分在所述第一流方向上流经所述过滤器组件的收集区，由此在所述收集区上收集第三数量的颗粒物；并且
终止所述第三流并且恢复通过所述再生区和收集区的第一流。
7.一种过滤方法，包括：
使包含颗粒物的第一流流经过滤器组件的再生区，所述第一流在第一流方向上流经所述过滤器组件；
从在所述再生区上的第一流收集第一数量的颗粒物；
终止通过所述再生区的第一流并且使第二流在第二流方向上通过所述再生区；
将超声波能量施加到所述再生区以将所述第一数量的颗粒物的部分释放到所述第二流中，以形成包含颗粒物的第三流；
使所述第三流在所述第一流方向上流经所述过滤器组件的收集区，由此在所述收集区上收集第二数量的颗粒物；并且
终止所述第三流并且恢复通过所述再生区的第一流。
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