除鹽水離子交換器運(yùn)行方式分析

張憲超

【摘 要】本文重點(diǎn)介紹了方家山核電工程除鹽水系統(tǒng)中離子交換器部分的相關(guān)內(nèi)容。首先講述了整個(gè)除鹽水系統(tǒng)的功能、流程以及設(shè)備布置，分析了進(jìn)水水質(zhì)，對(duì)于水中含有的主要雜質(zhì)成分進(jìn)行了列舉。然后介紹了離子交換器在整個(gè)系統(tǒng)中的作用以及運(yùn)行方式，了解其產(chǎn)水能力以及出水指標(biāo)要求。通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄并結(jié)合理論分析，從陰、陽(yáng)離子交換器、混合離子交換器出水的相關(guān)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)來(lái)判定樹(shù)脂失效狀況，并且詳細(xì)闡述了失效的原因和整個(gè)失效的過(guò)程，對(duì)于判定失效的相關(guān)指標(biāo)分別進(jìn)行了說(shuō)明，以及再生狀況對(duì)出水水質(zhì)的影響。從運(yùn)行的角度出發(fā)，對(duì)于在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題與不足做了一些列舉，提出了相關(guān)改進(jìn)措施。

【關(guān)鍵詞】除鹽水系統(tǒng)；離子交換器；出水指標(biāo)；樹(shù)脂失效

【Abstract】This article focuses on related content of ion exchanger in the Desalted water system of the Fangjiashan Nuclear Power Plant.First， talking about the function of the whole Desalted water system，processes and equipment layout， analyzing of water quality，Listing the main impurities contained in the water.Then describing the role of the ion exchanger in the whole system and the running way，to understand its water production capacity and the index requirements of the water.By recording the running data and combining with theoretical analysis，F(xiàn)rom the relevant data trends of the water produced by anion and cation exchangers，mixed ion exchange to determine the failure condition of the resin.and elaborating on the reasons for the failure and the whole process，the failure to determined relevant indicators And the impact of regeneration conditions on the water quality were described.From the operational perspective，the problems and deficiencies discovered during the operation are listed and put forward relevant improvement measures.

【Key words】Desalted water system；Ion exchanger；Water indicators；Resin failure

0 引言

核電站除鹽水系統(tǒng)利用多種處理工藝，除去懸浮物、膠體、陽(yáng)離子、陰離子等水中雜質(zhì)，而離子交換器作為整個(gè)水處理系統(tǒng)的最后一步，是水質(zhì)是否能符合要求的關(guān)鍵，因此離子交換器的正常運(yùn)行便尤為重要。

1 方家山Y(jié)A除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)介紹

1.1 除鹽水系統(tǒng)進(jìn)水和出水水質(zhì)

根據(jù)電站的對(duì)除鹽水水質(zhì)的要求，需要達(dá)到如下指標(biāo)：

電導(dǎo)率（25℃） <0.15μS/cm

氯化物和氟化物 <0.15μg/L

硅 <20μg/L

Na+ <5μg/L

1.2 離子交換器系統(tǒng)設(shè)備配置及運(yùn)行方式

經(jīng)反滲透裝置預(yù)脫鹽處理后的水儲(chǔ)存于淡水箱，經(jīng)淡水泵加壓進(jìn)入離子交換系統(tǒng)，進(jìn)行進(jìn)一步除鹽。除鹽水生產(chǎn)工藝作為全電站的除鹽水來(lái)源，出于高安全性考慮，在設(shè)計(jì)上采取冗余設(shè)計(jì)，離子交換系統(tǒng)分成2列，每列的出力為120m3/h。最大出力為240m3/h，產(chǎn)水進(jìn)入除鹽水箱。離子交換系統(tǒng)包括一級(jí)除鹽系統(tǒng)（2臺(tái)陽(yáng)離子交換器和2臺(tái)陰離子交換器）和二級(jí)除鹽系統(tǒng)（3臺(tái)混合離子交換器）。陽(yáng)，陰離子交換器采用串聯(lián)布置，分成兩列，一級(jí)除鹽系統(tǒng)出水進(jìn)一步經(jīng)混合離子交換器處理，三臺(tái)混床并聯(lián)布置。每列的陰、陽(yáng)離子交換器同時(shí)運(yùn)行、同時(shí)再生。兩個(gè)系列可以同時(shí)運(yùn)行，也可以一個(gè)系列運(yùn)行，另一個(gè)系列再生作備用。

2 方家山Y(jié)A廠房離子交換器失效判斷依據(jù)

2.1 陽(yáng)離子交換器失效分析

監(jiān)測(cè)陽(yáng)離子交換器失效的指標(biāo)主要有兩個(gè)。

2.1.1 出水鈉含量超標(biāo)

陽(yáng)離子交換器內(nèi)裝有H型強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，按照淡水廠來(lái)水中陽(yáng)離子交換能力的大小，排列順序?yàn)镃a2+>Mg2+>Na+>H+。淡水箱來(lái)水中的陽(yáng)離子與陽(yáng)樹(shù)脂進(jìn)行H+置換反應(yīng)，Ca2+首先被吸附，然后Mg2+被吸附，Na+最后被吸附。

其反應(yīng)方程式為（A代表金屬陽(yáng)離子，R為樹(shù)脂基團(tuán)）：

An++nRH=RnA+nH+

在陽(yáng)床正常運(yùn)行一段時(shí)間后，沿進(jìn)水方向會(huì)形成不同的“離子型”樹(shù)脂層，根據(jù)“分層吸附”原理，最上部為Ca2+層，其次為Mg2+層，再次為Na+層，這些為工作層，最下部為H+層，稱(chēng)之為保護(hù)層。當(dāng)Ca2+層“飽和”之后，由于陽(yáng)離子活性的不同，Mg2+層樹(shù)脂會(huì)被逐漸置換成Ca2+層，Na+層樹(shù)脂會(huì)被逐漸置換成Mg2+層，離子型樹(shù)脂層會(huì)出現(xiàn)按選擇性順序逐層下移的情況。endprint

當(dāng)工作層的底部與保護(hù)層底部相重合時(shí)，Na+首先“穿透”，隨著“保護(hù)層”的失效，出水中Na+含量會(huì)迅速增加，并很快達(dá)到與進(jìn)水中Na+含量相似。為了達(dá)到出水指標(biāo)，一般規(guī)定只要陽(yáng)床出水中Na+超過(guò)50μg/L時(shí)，即可以認(rèn)為陽(yáng)床失效了。

2.1.2 周期制水量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值

離子交換器的周期制水量，是指在產(chǎn)水質(zhì)量達(dá)到要求指標(biāo)的前提下，在一個(gè)周期內(nèi)的制水量。周期制水量與淡水箱水質(zhì)情況，離子交換器內(nèi)樹(shù)脂工作交換容量，運(yùn)行流速等等有密切關(guān)系。結(jié)合每列陰陽(yáng)床同時(shí)再生的原則，每列陰陽(yáng)床的周期制水量被設(shè)定在30000m3。

2.2 陰離子交換器失效分析

陰離子交換器內(nèi)裝有OH型強(qiáng)堿陰離子交換樹(shù)脂，按照陽(yáng)床來(lái)水中陰離子交換能力的大小，排列順序?yàn)镾O42->Cl->HC03->HSiO3->OH-。利用這一特性，可以確定陰床的失效點(diǎn)。當(dāng)陽(yáng)床產(chǎn)水進(jìn)入陰床時(shí)，SO42-首先被吸附，然后是Cl-，再次是HC03-，最后被吸附的才是HSiO3-。

其反應(yīng)方程式為（B代表金屬陽(yáng)離子，R為樹(shù)脂基團(tuán)）：

Bm-+mROH=RmB+mOH-

一般規(guī)定陰床出水硅表大于50μg/L，即可以認(rèn)為陰床失效。

3 方家山Y(jié)A廠房離子交換器運(yùn)行過(guò)程中的現(xiàn)象分析

3.1 陰床失效時(shí)，出水電導(dǎo)率變化

陰床進(jìn)水是從陽(yáng)床交換過(guò)來(lái)的，水中含有大量的強(qiáng)酸（SO42-、Cl-）及弱酸（HSiO3-，及微量的HC03-），其含量與水中陽(yáng)離子相同。當(dāng)陰床正常運(yùn)行時(shí)，水中的酸根離子被樹(shù)脂吸附，水中的H+與交換下來(lái)的OH-生成電解度很低的水，而陽(yáng)床“漏泄”的微量Na+則與OH-生成微量的NaOH，陰床正常出水電導(dǎo)率應(yīng)小于1μs/cm。

陰床失效時(shí)，HSiO3-首先“穿透”，生成電解度較小的NaHSiO3，由于NaHSi03的導(dǎo)電能力要低于NaOH，此時(shí)出水電導(dǎo)率會(huì)“略有下降”。當(dāng)HSiO3-繼續(xù)“穿透”，超過(guò)Na+含量時(shí)，就會(huì)生成H2SiO3，由于H+的含量增加且電導(dǎo)率較大，此時(shí)陰床出水的電導(dǎo)率又會(huì)“略有上升”。

隨著陰床失效程度的加劇，以至于HCO3-，Cl-、SO42-也陸續(xù)產(chǎn)生“穿透"，這又會(huì)使陰床出水電導(dǎo)率急劇上升，由此出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

3.2 陰離子交換器再生效果不佳的原因分析

3.2.1 再生液溫度和時(shí)間。維持適當(dāng)?shù)脑偕簻囟瓤梢詭椭疵摳街陉帢?shù)脂上的HSiO3-，降低陰床出水中的HSiO3-含量。過(guò)高的再生液溫度易使陰離子交換樹(shù) 脂的交換基團(tuán)分解，降低交換容量和使用壽命。同時(shí)，HSiO3-在整個(gè)樹(shù)脂層分布較廣，被置換下的速度又比較緩慢，所以需要較長(zhǎng)再生時(shí)間。

解決方法：堿加熱水箱的出水溫度大概在80℃，利用比例控制閥混合一定的冷水，將再生液的溫度控制在35～40℃，同時(shí)將再生時(shí)間設(shè)定在1小時(shí)左右。

3.2.2 再生用堿量。再生用堿量不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致陰床的失效樹(shù)脂得不到充分的再生，因而會(huì)影響到陰床的周期制水量。如果用堿量過(guò)少，甚至?xí)绊懙疥幋驳撞繕?shù)脂的再生度，這樣就會(huì)直接影響陰床出水水質(zhì)。

解決方法：控制從高位濃堿儲(chǔ)罐到堿計(jì)量箱的進(jìn)堿量，保證整個(gè)再生過(guò)程濃堿用量在1.5m3左右。

4 方家山Y(jié)A廠房離子交換器運(yùn)行中存在的問(wèn)題及其改進(jìn)

4.1 YA廠房淡水箱除碳器風(fēng)機(jī)應(yīng)增加過(guò)濾器

在目前YA廠房運(yùn)行過(guò)程中，淡水箱頂部除碳器一直未投運(yùn)，原因是除碳器為鼓風(fēng)式的，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較差，空氣中含有的雜質(zhì)較多，在除碳器工作的同時(shí)，空氣中的粉塵會(huì)被大量吹進(jìn)淡水箱，污染水質(zhì)，直接影響除鹽床的進(jìn)水水質(zhì)以及除鹽效果。在調(diào)試期間已經(jīng)發(fā)現(xiàn)淡水箱內(nèi)部有許多泥垢。應(yīng)考慮在淡水箱除碳器風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口增設(shè)空氣過(guò)濾器或者防塵裝置。

4.2 YA廠房離子交換器相關(guān)氣動(dòng)閥故障頻繁

在系統(tǒng)全自動(dòng)啟動(dòng)過(guò)程及正常運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)離子交換器的閥門(mén)無(wú)法開(kāi)啟或者故障的情況，需要多次故障復(fù)位才能消除，其中有一部分是系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)反饋問(wèn)題，大部門(mén)是閥門(mén)本身的問(wèn)題到導(dǎo)致無(wú)法正常開(kāi)啟或者關(guān)閉。特別是在淡水泵已經(jīng)啟動(dòng)，但是陽(yáng)床的進(jìn)口閥無(wú)法開(kāi)啟的情況下，若是及時(shí)發(fā)現(xiàn)并且及時(shí)消除故障，系統(tǒng)還是可以繼續(xù)運(yùn)行，但若長(zhǎng)時(shí)間的“憋泵”勢(shì)必會(huì)影響泵的正常運(yùn)行。因此氣動(dòng)閥的可靠性有待提高。

5 總結(jié)

本文著重介紹了離子床的失效以及再生的相關(guān)內(nèi)容，講述了失效時(shí)應(yīng)注意的指標(biāo)以及其變化趨勢(shì)，在運(yùn)行中這些都是需要密切注意的。從失效的原理進(jìn)行分析，闡述了樹(shù)脂究竟是如何失效的。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]endprint