蒸汽发生器排污水电除盐装置国产化

王昕彤，李心砚，李风风，王四芳

核电是当前世界公认的且应用最为广泛的清洁能源之一。截止到2018 底，我国在运核电机组达到44 座，年核能发电量为2 944 亿千瓦时[1]。随着核电事业的发展及世界核电运行技术竞争激烈，对标WANO 运行指标，蒸汽发生器排污废水的净化要求越来越高，核电站要求蒸汽发生器排污水净化后电阻率达到16 MΩ·cm 以上。

核电厂蒸汽发生器排污系统使用的水处理设备是较传统的除盐床技术。该技术存在许多缺陷，如除盐床占据空间大，需要定期更换饱和树脂，增加费用的同时产生大量固废。传统蒸汽发生器排污废水使用的树脂容易饱和，寿命只有2 个月，而且不易再生。采用电除盐（EDI） 系统后，树脂寿命最长可延长近18 年，应用在核电系统中，保守估计，EDI 树脂寿命不小于3 年。如此，固废产生量每套将至少会减少为原来的1/18，大大降低放射性固废的填埋量，减少放射性废物污染，具有现实社会效益。

电除盐（EDI） 技术用于核电蒸汽发生器排污系统（BDS） 水处理装置中，可以作为独立的蒸汽发生器排污设备投入运行，在蒸汽发生器排污系统运行期间对二回路水化学进行控制，满足不同工况下的使用要求[2]。目前已建核电站电除盐装置全部采用进口产品，为了实现国产化，本文通过制造样机验证电除盐技术处理蒸汽发生器排污水的可行性。

1 电除盐技术及工艺简介

电除盐（EDI） 是一种新型膜分离脱盐技术，这种方法将混床离子交换树脂填充在电渗析的淡水室中，有机结合了电渗析法和离子交换法[3]。电除盐原理是通过阳、阴离子膜对阳、阴离子的选择透过及离子交换树脂对水中离子的去除，在电场作用下使水中离子定向迁移，实现水净化过程[4]（见图1）。由于通过水电解产生的氢离子和氢氧根离子对装填树脂进行连续再生，无需酸碱再生。因此，电除盐技术具有运行成本低、离子去除效果好、运行周期长、不会产生大体积的放射性废树脂等优点[5]。

随着水处理技术的发展，电除盐技术以其优良的净化能力和净化效果，在各行业得到了广泛应用。目前，在核电厂中主要将电除盐技术用于核电站蒸汽发生器排污水的处理与核电站凝结水的精处理[6]。

将电除盐技术应用在核电蒸汽发生器排污废水处理系统，不仅大大减轻核电厂污水处理系统与固废处理系统的压力，也为核电系统带来巨大经济效益，同时保护环境。

本文采用蒸汽发生器排污废水的主要处理工艺为过滤器与电除盐组合技术，其中废水中的阳离子和阴离子通过电去离子功能去除（见图2）。蒸汽发生器排污水依次经过一级、二级过滤器后，分多路流入EDI 膜堆进行电除盐处理；处理后的产品水检测电导率，达标的排放至凝汽器回用，不达标的从旁路排至废水生产系统，EDI 膜堆浓水室的产水直接排至废水生产系统。工作时，系统将根据总处理水量自动调节EDI 膜块的工作数量，以满足EDI 膜块的最小、最大流量要求。

位于EDI 膜块上游的两级过滤器负责过滤蒸汽发生器排污水中可能存在的固体悬浮物，避免悬浮物进入EDI 膜块后造成堵塞。两级过滤器的过滤精度分别为5 μm 和0.1 μm，滤除颗粒度大于过滤精度的固体和胶体悬浮物。在EDI 膜块入口、淡水室出口和浓水室出口分别设置在线电导率仪表监测EDI 进水、产水和浓水的电导率。当进水电导率过大时，需要关闭EDI 进水阀，开启旁路阀门，将废水排放至废水处理系统。EDI 膜块排放的浓水中仅含有少量的Na+、NH4+、氯化物、硫酸根等离子，可直接排放至废水生产系统。EDI 产品水约有3～5 bar 的尾压，可直接排放至凝汽器回用。

2 排污水电除盐装置设计

图1 电除盐原理示意图

2.1 排污水净化过程模拟

蒸汽发生器排放的废水中含有少量污染物，主要水质特征为：含有少量的Na+和NH4+等阳离子，氯化物、硫酸根等阴离子，无悬浮物，水质好[7]。对此，可以采用EDI 装置来净化排污流，从而达到蒸汽发生器二次侧水的化学控制目的。

图2 蒸汽发生器排污水处理工艺流程图

根据AP1000 堆型蒸汽发生器排污水处理要求，笔者给出某运行工况下净化前后水质典型值（见表1）。

以该工况为例，根据输入条件（见表2） 计算电除盐处理后的水质，产水水质＜0.1 μS/cm（见表3）。为减缓腐蚀而需要添加氨水调节二次侧的pH值，故在蒸汽发生器排污水中会存在一定量NH4+，实测NH4+的浓度约为2 ppm。大量试验证明，碱性环境有利于EDI 的净化[9]。因此，在计算中考虑了NH4+浓度。否则产水电阻率为17.86 MΩ·cm，即0.056 μS/cm。

2.2 装置特性介绍

（1） 控制系统性能

本文的蒸汽发生器排污水电除盐装置采用集成PLC 控制，可实现全自动化或手动操作，手动模式下，每个EDI 膜堆将通过HMI 线上/线下及启动/停止按钮进行操作。手动模式下无联动。自动模式下，当联动条件满足时，PLC 将启动EDI 膜堆，一旦任何连锁条件满足，EDI 膜堆将停止运行，所需EDI 膜堆工作数量基于EDI 膜堆最小/最大允许流量输入信号，在达到预定的工作时间后，EDI 膜堆将进入或者退出工作模式取决于该膜堆的工作次数或者轮流替换情况。PLC 将根据收到的EDI 流量输入信号（硬接线模拟输入） 计算服务所需的EDI 膜堆数量（见表4），工作中需要额外增加EDI膜堆运行时，将启动累计服务总时间最小的可用EDI 膜堆。EDI 蒸汽发生器系统选择自动模式时，当一个服务中的EDI 膜堆到达操作员可选择的工作时间时，备用EDI 膜堆将轮换到服务模式。

（2） 结构性能

蒸汽发生器排污水电除盐装置采用撬装式集成化结构，占地空间小，结构紧凑，运输与安装快速便捷。该装置长5 184 mm，宽1 474 mm，高2 360 mm（见图3）。装置内有PLC 控制柜，可直接与上位机相联，实现在线控制；装置共设9 个接口，分别为入水口、产水口、不合格水排放口、浓水口、过滤器排污口、气动阀控制气源口，以及3 个安全泄放口。接口为法兰式，可与现场管路快速连接。装置通过混凝土板中预先埋置的地脚螺栓与地面连接，无需其他加固。

表1 EDI 装置水质处理要求 [8]

表2 计算模拟输入条件

表3 计算模拟结果

表4 不同流量所需EDI 膜堆数量

图3 电除盐装置三维模型图

2.3 样机试验

（1） 样机性能

为了验证蒸汽发生器排污水电除盐装置的工艺性能，设计并制造电除盐中试样机。样机最大处理量为7 m3/h，包括纯化水箱、进水泵、加药箱、5 μm 过滤器、0.1 μm 过滤器、两个并联的EDI 膜堆及可编程逻辑控制器（PLC） 等。纯化水箱配备加热器，加热最高温度可达60 ℃，以模拟核电厂蒸汽发生器排污水的瞬时工况。加药箱配备搅拌器、管道混合器与计量泵，可实现在线添加钠、氯、硫酸根、二氧化硅、氨水等，以模拟蒸汽发生器排污水的水质。EDI 膜堆配备在线流量计与电磁阀，可实现在线流量调节。膜堆入水配备电导率仪，产水配备电阻率仪，用于在线测量入水与产水水质（见图4）。

（2） 影响因素试验

入水水质影响试验以二级反渗透产水为试验用原水，通过添加NaCl、NaSO4、NaOH 等药品形成不同电导率的入水水质（见表5），保证其他操作参数不变，测量产水电阻率。

图4 电除盐样机工艺流程示意图

表5 水质影响试验入水水质

可以看出，随着入水电导率增加，产水电阻率降低，但在EDI 膜堆具有合适工作参数的情况下，仍可保证产水电阻率大于16 MΩ·cm，符合AP1000 堆型核电厂回用要求。

（3） 参数验证试验

以二级反渗透产水为试验用原水，通过添加NaCl、NaSO4、NaOH 等药品模拟AP1000 堆型蒸汽发生器排污水水质（见表6），采用电除盐样机进行处理。

表6 验证试验模拟水质

模拟水质连续通过电除盐中试样机，流量为7.65 m3/h，通过调节EDI 膜堆电流，使产水电阻率稳定，并满足要求（见表7）。

可以看出，在入水电导率达到19.6 μS/cm 条件下，产水电阻率仍可保证大于16 MΩ·cm，产水回用率大于90%，满足AP1000 堆型蒸汽发生器回用要求。脱盐率达到99.7%，证明电除盐技术可以去除蒸汽发生器排污水中的溶解离子，实现水质净化。

表7 验证试验产水水质参数

3 结 语

（1） 电除盐技术操作简单，自动化程度高，处理来水流量波动范围大，可实现远程自动控制。

（2） 采用电除盐技术后，无需使用酸碱液再生树脂，可在电流作用下连续再生，亦无需更换树脂，无放射性固废排放，排放产物清洁无污染。

（3） 采用电除盐技术后产水电阻率大于16 MΩ·cm，回用率大于90%，满足AP1000 堆型蒸汽发生器回用需求。

（4） 电除盐技术应用范围广，可根据不同堆型的流量增加或减少EDI 膜堆数量，保证产水流量，装置为撬装式，结构紧凑，占地空间小，便于核电厂蒸汽发生器排污系统的改造。