蒸汽發(fā)生器排污水電除鹽裝置國產化

王昕彤，李心硯，李風風，王四芳

核電是當前世界公認的且應用最為廣泛的清潔能源之一。截止到2018 底，我國在運核電機組達到44 座，年核能發(fā)電量為2 944 億千瓦時[1]。隨著核電事業(yè)的發(fā)展及世界核電運行技術競爭激烈，對標WANO 運行指標，蒸汽發(fā)生器排污廢水的凈化要求越來越高，核電站要求蒸汽發(fā)生器排污水凈化后電阻率達到16 MΩ·cm 以上。

核電廠蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)使用的水處理設備是較傳統(tǒng)的除鹽床技術。該技術存在許多缺陷，如除鹽床占據(jù)空間大，需要定期更換飽和樹脂，增加費用的同時產生大量固廢。傳統(tǒng)蒸汽發(fā)生器排污廢水使用的樹脂容易飽和，壽命只有2 個月，而且不易再生。采用電除鹽（EDI） 系統(tǒng)后，樹脂壽命最長可延長近18 年，應用在核電系統(tǒng)中，保守估計，EDI 樹脂壽命不小于3 年。如此，固廢產生量每套將至少會減少為原來的1/18，大大降低放射性固廢的填埋量，減少放射性廢物污染，具有現(xiàn)實社會效益。

電除鹽（EDI） 技術用于核電蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)（BDS） 水處理裝置中，可以作為獨立的蒸汽發(fā)生器排污設備投入運行，在蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)運行期間對二回路水化學進行控制，滿足不同工況下的使用要求[2]。目前已建核電站電除鹽裝置全部采用進口產品，為了實現(xiàn)國產化，本文通過制造樣機驗證電除鹽技術處理蒸汽發(fā)生器排污水的可行性。

1 電除鹽技術及工藝簡介

電除鹽（EDI） 是一種新型膜分離脫鹽技術，這種方法將混床離子交換樹脂填充在電滲析的淡水室中，有機結合了電滲析法和離子交換法[3]。電除鹽原理是通過陽、陰離子膜對陽、陰離子的選擇透過及離子交換樹脂對水中離子的去除，在電場作用下使水中離子定向遷移，實現(xiàn)水凈化過程[4]（見圖1）。由于通過水電解產生的氫離子和氫氧根離子對裝填樹脂進行連續(xù)再生，無需酸堿再生。因此，電除鹽技術具有運行成本低、離子去除效果好、運行周期長、不會產生大體積的放射性廢樹脂等優(yōu)點[5]。

隨著水處理技術的發(fā)展，電除鹽技術以其優(yōu)良的凈化能力和凈化效果，在各行業(yè)得到了廣泛應用。目前，在核電廠中主要將電除鹽技術用于核電站蒸汽發(fā)生器排污水的處理與核電站凝結水的精處理[6]。

將電除鹽技術應用在核電蒸汽發(fā)生器排污廢水處理系統(tǒng)，不僅大大減輕核電廠污水處理系統(tǒng)與固廢處理系統(tǒng)的壓力，也為核電系統(tǒng)帶來巨大經濟效益，同時保護環(huán)境。

本文采用蒸汽發(fā)生器排污廢水的主要處理工藝為過濾器與電除鹽組合技術，其中廢水中的陽離子和陰離子通過電去離子功能去除（見圖2）。蒸汽發(fā)生器排污水依次經過一級、二級過濾器后，分多路流入EDI 膜堆進行電除鹽處理；處理后的產品水檢測電導率，達標的排放至凝汽器回用，不達標的從旁路排至廢水生產系統(tǒng)，EDI 膜堆濃水室的產水直接排至廢水生產系統(tǒng)。工作時，系統(tǒng)將根據(jù)總處理水量自動調節(jié)EDI 膜塊的工作數(shù)量，以滿足EDI 膜塊的最小、最大流量要求。

位于EDI 膜塊上游的兩級過濾器負責過濾蒸汽發(fā)生器排污水中可能存在的固體懸浮物，避免懸浮物進入EDI 膜塊后造成堵塞。兩級過濾器的過濾精度分別為5 μm 和0.1 μm，濾除顆粒度大于過濾精度的固體和膠體懸浮物。在EDI 膜塊入口、淡水室出口和濃水室出口分別設置在線電導率儀表監(jiān)測EDI 進水、產水和濃水的電導率。當進水電導率過大時，需要關閉EDI 進水閥，開啟旁路閥門，將廢水排放至廢水處理系統(tǒng)。EDI 膜塊排放的濃水中僅含有少量的Na+、NH4+、氯化物、硫酸根等離子，可直接排放至廢水生產系統(tǒng)。EDI 產品水約有3～5 bar 的尾壓，可直接排放至凝汽器回用。

2 排污水電除鹽裝置設計

圖1 電除鹽原理示意圖

2.1 排污水凈化過程模擬

蒸汽發(fā)生器排放的廢水中含有少量污染物，主要水質特征為：含有少量的Na+和NH4+等陽離子，氯化物、硫酸根等陰離子，無懸浮物，水質好[7]。對此，可以采用EDI 裝置來凈化排污流，從而達到蒸汽發(fā)生器二次側水的化學控制目的。

圖2 蒸汽發(fā)生器排污水處理工藝流程圖

根據(jù)AP1000 堆型蒸汽發(fā)生器排污水處理要求，筆者給出某運行工況下凈化前后水質典型值（見表1）。

以該工況為例，根據(jù)輸入條件（見表2） 計算電除鹽處理后的水質，產水水質＜0.1 μS/cm（見表3）。為減緩腐蝕而需要添加氨水調節(jié)二次側的pH值，故在蒸汽發(fā)生器排污水中會存在一定量NH4+，實測NH4+的濃度約為2 ppm。大量試驗證明，堿性環(huán)境有利于EDI 的凈化[9]。因此，在計算中考慮了NH4+濃度。否則產水電阻率為17.86 MΩ·cm，即0.056 μS/cm。

2.2 裝置特性介紹

（1） 控制系統(tǒng)性能

本文的蒸汽發(fā)生器排污水電除鹽裝置采用集成PLC 控制，可實現(xiàn)全自動化或手動操作，手動模式下，每個EDI 膜堆將通過HMI 線上/線下及啟動/停止按鈕進行操作。手動模式下無聯(lián)動。自動模式下，當聯(lián)動條件滿足時，PLC 將啟動EDI 膜堆，一旦任何連鎖條件滿足，EDI 膜堆將停止運行，所需EDI 膜堆工作數(shù)量基于EDI 膜堆最小/最大允許流量輸入信號，在達到預定的工作時間后，EDI 膜堆將進入或者退出工作模式取決于該膜堆的工作次數(shù)或者輪流替換情況。PLC 將根據(jù)收到的EDI 流量輸入信號（硬接線模擬輸入） 計算服務所需的EDI 膜堆數(shù)量（見表4），工作中需要額外增加EDI膜堆運行時，將啟動累計服務總時間最小的可用EDI 膜堆。EDI 蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)選擇自動模式時，當一個服務中的EDI 膜堆到達操作員可選擇的工作時間時，備用EDI 膜堆將輪換到服務模式。

（2） 結構性能

蒸汽發(fā)生器排污水電除鹽裝置采用撬裝式集成化結構，占地空間小，結構緊湊，運輸與安裝快速便捷。該裝置長5 184 mm，寬1 474 mm，高2 360 mm（見圖3）。裝置內有PLC 控制柜，可直接與上位機相聯(lián)，實現(xiàn)在線控制；裝置共設9 個接口，分別為入水口、產水口、不合格水排放口、濃水口、過濾器排污口、氣動閥控制氣源口，以及3 個安全泄放口。接口為法蘭式，可與現(xiàn)場管路快速連接。裝置通過混凝土板中預先埋置的地腳螺栓與地面連接，無需其他加固。

表1 EDI 裝置水質處理要求 [8]

表2 計算模擬輸入條件

表3 計算模擬結果

表4 不同流量所需EDI 膜堆數(shù)量

圖3 電除鹽裝置三維模型圖

2.3 樣機試驗

（1） 樣機性能

為了驗證蒸汽發(fā)生器排污水電除鹽裝置的工藝性能，設計并制造電除鹽中試樣機。樣機最大處理量為7 m3/h，包括純化水箱、進水泵、加藥箱、5 μm 過濾器、0.1 μm 過濾器、兩個并聯(lián)的EDI 膜堆及可編程邏輯控制器（PLC） 等。純化水箱配備加熱器，加熱最高溫度可達60 ℃，以模擬核電廠蒸汽發(fā)生器排污水的瞬時工況。加藥箱配備攪拌器、管道混合器與計量泵，可實現(xiàn)在線添加鈉、氯、硫酸根、二氧化硅、氨水等，以模擬蒸汽發(fā)生器排污水的水質。EDI 膜堆配備在線流量計與電磁閥，可實現(xiàn)在線流量調節(jié)。膜堆入水配備電導率儀，產水配備電阻率儀，用于在線測量入水與產水水質（見圖4）。

（2） 影響因素試驗

入水水質影響試驗以二級反滲透產水為試驗用原水，通過添加NaCl、NaSO4、NaOH 等藥品形成不同電導率的入水水質（見表5），保證其他操作參數(shù)不變，測量產水電阻率。

圖4 電除鹽樣機工藝流程示意圖

表5 水質影響試驗入水水質

可以看出，隨著入水電導率增加，產水電阻率降低，但在EDI 膜堆具有合適工作參數(shù)的情況下，仍可保證產水電阻率大于16 MΩ·cm，符合AP1000 堆型核電廠回用要求。

（3） 參數(shù)驗證試驗

以二級反滲透產水為試驗用原水，通過添加NaCl、NaSO4、NaOH 等藥品模擬AP1000 堆型蒸汽發(fā)生器排污水水質（見表6），采用電除鹽樣機進行處理。

表6 驗證試驗模擬水質

模擬水質連續(xù)通過電除鹽中試樣機，流量為7.65 m3/h，通過調節(jié)EDI 膜堆電流，使產水電阻率穩(wěn)定，并滿足要求（見表7）。

可以看出，在入水電導率達到19.6 μS/cm 條件下，產水電阻率仍可保證大于16 MΩ·cm，產水回用率大于90%，滿足AP1000 堆型蒸汽發(fā)生器回用要求。脫鹽率達到99.7%，證明電除鹽技術可以去除蒸汽發(fā)生器排污水中的溶解離子，實現(xiàn)水質凈化。

表7 驗證試驗產水水質參數(shù)

3 結 語

（1） 電除鹽技術操作簡單，自動化程度高，處理來水流量波動范圍大，可實現(xiàn)遠程自動控制。

（2） 采用電除鹽技術后，無需使用酸堿液再生樹脂，可在電流作用下連續(xù)再生，亦無需更換樹脂，無放射性固廢排放，排放產物清潔無污染。

（3） 采用電除鹽技術后產水電阻率大于16 MΩ·cm，回用率大于90%，滿足AP1000 堆型蒸汽發(fā)生器回用需求。

（4） 電除鹽技術應用范圍廣，可根據(jù)不同堆型的流量增加或減少EDI 膜堆數(shù)量，保證產水流量，裝置為撬裝式，結構緊湊，占地空間小，便于核電廠蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)的改造。