蒸汽發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，年核能發電量為2 944 億千瓦時[1]。隨著核電事業的發展及世界核電運行技術競爭激烈，對標WANO 運行指標，蒸汽發生器排污廢水的凈化要求越來越高，核電站要求蒸汽發生器排污水凈化后電阻率達到16 MΩ·cm 以上。

核電廠蒸汽發生器排污系統使用的水處理設備是較傳統的除鹽床技術。該技術存在許多缺陷，如除鹽床占據空間大，需要定期更換飽和樹脂，增加費用的同時產生大量固廢。傳統蒸汽發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） 系統后，樹脂壽命最長可延長近18 年，應用在核電系統中，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，具有現實社會效益。

電除鹽（EDI） 技術用于核電蒸汽發生器排污系統（BDS） 水處理裝置中，可以作為獨立的蒸汽發生器排污設備投入運行，在蒸汽發生器排污系統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，為了實現國產化，本文通過制造樣機驗證電除鹽技術處理蒸汽發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點[5]。

隨著水處理技術的發展，電除鹽技術以其優良的凈化能力和凈化效果，在各行業得到了廣泛應用。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生器排污廢水處理系統，不僅大大減輕核電廠污水處理系統與固廢處理系統的壓力，也為核電系統帶來巨大經濟效益，同時保護環境。

本文采用蒸汽發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，EDI 膜堆濃水室的產水直接排至廢水生產系統。工作時，系統將根據總處理水量自動調節EDI 膜塊的工作數量，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。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。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，從而達到蒸汽發生器二次側水的化學控制目的。

圖2 蒸汽發生器排污水處理工藝流程圖

根據AP1000 堆型蒸汽發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二次側的pH值，故在蒸汽發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） 控制系統性能

本文的蒸汽發生器排污水電除鹽裝置采用集成PLC 控制，可實現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。手動模式下無聯動。自動模式下，當聯動條件滿足時，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或者輪流替換情況。PLC 將根據收到的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 蒸汽發生器系統選擇自動模式時，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，實現在線控制；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，可實現在線添加鈉、氯、硫酸根、二氧化硅、氨水等，以模擬蒸汽發生器排污水的水質。EDI 膜堆配備在線流量計與電磁閥，可實現在線流量調節。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

模擬水質連續通過電除鹽中試樣機，流量為7.65 m3/h，通過調節EDI 膜堆電流，使產水電阻率穩定，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生器排污水中的溶解離子，實現水質凈化。

表7 驗證試驗產水水質參數

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 堆型蒸汽發生器回用需求。

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