核電廠凝結水處理系統存在的問題及對策

嚴浩東

【摘? 要】某核電廠凝結水處理系統投運后導致蒸汽發生器液相中SO濃度升高，為此，分析了凝結水處理系統存在的諸多問題，如樹脂混合、樹脂分離及樹脂擾動等。通過在混床內增加二次混合設備，采用先進的高塔分離法，設計均勻的布水裝置，選用優質的離子交換樹脂等措施，將使問題得到解決。

【關鍵詞】核電廠;凝結水處理;離子交換樹脂;混床;蒸汽發生器

1? 某核電廠凝結水處理系統設備與水質指標

某核電廠（下文稱A電廠）凝結水處理系統由并列的3臺前置氫型陽床（RH）和并列的3臺氫型混床（RH-RH/ROH）串聯組成，為中壓系統。氫型陽床（DN3800mm）和氫型混床（DN3800mm）的配水管由1根母管及4根支管組成，出口加有擋水板。

再生采用錐體分離法，錐體設備上部DN2000mm，下部DN2600mm，高5450mm。

2? A電廠凝結水處理系統存在的問題

2.1蒸發器液相所含SO明顯增高

A電廠1997年7月至9月將凝結水處理系統并入二回路主系統試運行，處理水量為33%。運行期間發現，蒸發器液相所含SO濃度明顯增高，最高達30μg/kg，一般為4～6μg/kg，而當凝結水處理系統退出后，SO濃度則隨之逐步下降，最低為1μg/kg。2006年將陽陰樹脂分別更換為美國Rohmandhaas公司生產的強酸陽樹脂Amberjet1600H和強堿陰樹脂Amberjet9000OH（全部為新樹脂）后，6月27日至7月4日將該處理系統并入二回路主系統運行時，也出現了同樣的現象。

A電廠蒸汽發生器排污系統水汽質量為：氫電導率小于0.5μS/cm，[Na]<3us/Kg，[CL]<2ug/Kg，[SiO]<40ug/kg。可見，該凝結水處理系統投運與否，會使蒸發器液相中的SO濃度最大相差近30倍，一般情況下為4～6倍。可以推測，當該凝結水處理系統處理水量為100%時，蒸發器液相中的SO濃度將更高。

2.2氫型混床存在問題

2.2.1樹脂混合

由于強堿陰樹脂的濕真密度比強酸陽樹脂的濕真密度小，因此其在混床內混合后上部主要是ROH型強堿陰樹脂，底部主要是RH型強酸陽樹脂，中間則是這些型號樹脂的混合物。

2.2.2樹脂分離

研究表明，樹脂的粒徑、濕真密度決定樹脂沉降速度，樹脂的粒徑、濕真密度愈大則其沉降速度也愈大。

凝結水混床樹脂失效后，一般利用強堿陰樹脂與強酸陽樹脂的濕真密度差和粒徑差對陰陽樹脂進行反洗分離，然后分別進行再生。然而，強堿陰樹脂與強酸陽樹脂的濕真密度差很小，例如RHSO4（R2SO4）為1.12g/mL，RH為1.19g/mL，僅相差0.07g/mL，尤其是樹脂污染后，濕真密度相差就更小。另外，部分強堿陰樹脂與強酸陽樹脂的粒徑接近，特別當樹脂破碎后，兩種樹脂粒徑更接近，部分強堿陰樹脂與強酸陽樹脂的沉降速度幾乎相同，所以兩種樹脂分離后仍有一定的混雜。例如，某熱電廠凝結水混床在分離后的強酸陽樹脂中混有6.11%的強堿陰樹脂，強堿陰樹脂中混有4.46%的強酸陽樹脂，再生時凝結水混床中濕真密度大的強酸陽樹脂多在床層的底部（表2）。這種情況下，強酸陽樹脂會有SO和其它溶出物溶出，通過給水進入到蒸發器，并在其中濃縮。SO在蒸汽中的攜帶系數很小，多數存留在蒸發器液相內，從而導致蒸發器液相中的SO濃度逐步增加。

此外，強堿陰樹脂會轉為RCl型，混入強堿陰樹脂的強酸陽樹脂會轉為RNa型，這不僅降低了樹脂的再生度，而且會導致混床樹脂保護層由于可能存在RCl和RNa型樹脂，破壞了保護層的保護作用

A電廠凝結水處理系統氫型混床（RH-RH/ROH）樹脂的分離，采用的是錐體分離法。由于錐形分離裝置（兼陰樹脂再生裝置）直徑較大（高度直徑比小）、反洗流速低和樹脂膨脹率低，使得陰、陽樹脂相互夾雜而無法徹底分離，因此存在交叉污染。錐形分離裝置的理論保證值是陽樹脂中混雜的陰樹脂的體積量不超過0.4%，陰樹脂中混雜的陽樹脂的體積量不超過0.1%。另外，該分離裝置配置的樹脂界面檢測儀容易損壞或精度下降，也會導致分離裝置分離效果下降。還有，該分離裝置無法排除破碎樹脂，導致與錐體連結的排水裝置容易堵塞和損壞。

2.2.3樹脂擾動

A電廠凝結水處理系統混床擾動主要由混床的布水裝置等自身結構缺陷導致。布水裝置為4個向下的且下部裝有擋板的大噴頭，當流速高達110～115m/h的4股水流自上而下沖擊下部樹脂層時，樹脂會發生擾動，嚴重影響樹脂的離子交換效果。對于混床來說，本來已混合好的樹脂，由于發生擾動而使樹脂重新分層，使比重大的陽樹脂向下部移動，而比重小的陰樹脂向上部移動。A電廠凝結水處理系統氫型混床（RH-RH/ROH）采用的是最大直徑的離子交換器，直徑達3800mm。由于樹脂層高為1000～1200mm，與直徑相比，樹脂層相對較薄，在高速水流的沖擊下，使樹脂更容易被攪動起來。據觀察，樹脂擾動嚴重時可使交換器內樹脂層高相差300～400mm，會造成偏流或短路，影響混床的出水水質和運行周期。同時，擾動還會將碎樹脂擾動到混床的底部，碎樹脂從水帽和樹脂捕捉器漏入給水系統進入蒸發器，受熱分解出SO2-4和其它溶出物。另外，由于樹脂的擾動使比重大的陽樹脂大部分在下面，比重小的陰樹脂大部分在上面，混床內的樹脂層態分布發生了變化，導致由陽樹脂溶出的SO等有害溶出物因得不到陰樹脂的交換去除，而直接進入蒸發器。

根據以上分析認為，A電廠前置陽床加氫型混床投運會導致蒸發器液相中的SO濃度超標。SO的來源應為碎樹脂及樹脂溶出物。有資料介紹，1mL強酸陽樹脂加熱分解可釋放1.8mmolSO。對包括S核電廠凝結水處理系統混床使用的離子交換樹脂在內的3個國外公司生產的強酸陽樹脂和強堿陰樹脂的溶出物進行測試，結果表明它們都有程度不同的溶出物溶出，強酸陽樹脂溶出的SO濃度分別為1582、2899和1335μg/L。

3? SO在蒸發器中的濃縮

據文獻介紹，在飽和蒸汽壓力為17MPa情況下，SiO2，NaCl，NaSO的分配系數分別為0.1，0.003，0.00001。可見，微量的SO幾乎全部積聚在蒸發器液相中。

1臺1000MW核電廠蒸發器的水容積約為3×120m3，排污率為1%左右。凝結水混床處理水量最大為3635m3/h。如混床出水漏過SO2-4濃度為0.1μg/L，以3635m3/h計，則漏過SO為363500μg/h，每天漏過SO為8724000μg，則每天在鍋爐內濃縮的SO濃度達24.2μg/L，比混床出水的SO濃度提高242倍。這樣，因每天由定期排污和連續排污排放的SO2-4有限，最終導致蒸發器中的SO濃度越來越高。A電廠的凝結水處理系統投運處理水量為33%的情況下，蒸發器所含SO2-4明顯增高，最高達30μg/kg，與上述計算值相近。

4S核電廠凝結水處理系統改進

（1）為混床設計了二次混脂功能，使兩種樹脂能充分混合。當強酸陽樹脂釋放出硫酸根時，立即有強堿陰樹脂交換去除。

（2）混床再生裝置采用了分離效果好的高塔分離法，以減少樹脂的交叉污染，并可將碎樹脂盡可能地去除。

參考文獻：

[1]張強.某核電站一期工程二回路凝結水精處理系統簡介[J].電工技術，2018（20）：79-80+83.

（作者單位：福建福清核電有限公司）