棗泉電廠EDI 裝置產水異常原因分析與處理

王偉，馬有利(寧夏棗泉發電有限責任公司，寧夏 銀川 750001)

0 引言

1950 年美國Kunin 提出了在電滲析裝置淡化室內填充離子交換樹脂，用來去除雜質離子。隨著離子交換技術不斷進步和電滲析技術的逐步成熟，形成了一種將電滲析和離子交換相互結合在一起的除鹽新工藝，這就是電去離子(electro-deionization，EDI)技術。由于采用“超濾+反滲透+EDI 電除鹽”的工藝，改善了以往采用陰陽床制備鍋爐補給水的方式，大大減少了酸、堿使用量和運行操作量。因此EDI 裝置在火力發電廠的水處理系統中得到了廣泛使用。雖然EDI 裝置技術先進，出水水質非常穩定。但是在我國各電廠的長期運行中，也出現了一些問題。比如福能晉南熱電的EDI 產水硅異常高；海南某電廠一體化EDI 裝置模塊漏水；廣東粵電的EDI 裝置效率低等問題。由于應用場合的具體情況不一樣，產生的原因也不盡相同，因此具體問題還需要具體分析[1]。本文針對寧夏棗泉電廠EDI 裝置出現的產水異常現象，進行原因分析，并提出解決方案。

1 EDI 裝置及其故障現象

寧夏棗泉電廠2 臺660 MW 超超臨界機組，配置兩套產除鹽水量70 t/h 的制水系統。工藝流程為：蒸汽(板式)換熱器將生水加熱至25 ℃；通過產水量150 t/h(凈產水量135 t/h)的DOW SFP2880 型號膜組件過濾后排至超濾水箱；通過產水量90 t/h 的東麗TML20N-400 膜進至一級反滲透水箱；通過產水量80 t/h 的東麗TM720D-400 膜進至二級反滲透水箱；通過EDI 系統(西門子IP-LXM30Z-4 膜組件，單套系統由16 只膜組成)產水70 t/h 進至除鹽水箱。投運以來，除鹽水產量一直保持穩定。2020 年1 月開始，A 套EDI 裝置發生異常，除鹽水產量由70 t/h 逐漸下降至27 t/h。現場EDI 裝置的模組電壓為75 V，電流保持在4A，進水電導率在6～13 μS/cm，產水電導率0.053 μS/cm，濃水電導率0.5 μS/cm，均符合正常運行參數。但是EDI 裝置的進水壓力0.6 MPa，較正常運行時升高0.05 MPa，濃水產量由10 t/h 上升至20 t/h，且濃水出水壓力由0.15 MPa 升高至0.3 MPa。

EDI裝置各膜堆的出水量偏差較大，如圖1所示，沒有規律，出水量最大6.4 t/h，最小僅0.1 t/h。

圖1 EDI裝置各膜堆出力情況

2 EDI 裝置故障原因分析

EDI 裝置的膜片采用均相膜和異相離子交換膜。面向正極的陰離子膜與面向負極的陽離子膜之間構成濃水室，面向負極的陰離子膜與面向正極的陽離子膜組成淡水室，在單元組兩端設置陰/陽電極。

這些交替放置的陰、陽離子交換膜被固定在兩個有進出水口的裝置之間，水從其中的膜間隙流過。原水進入EDI 裝置的淡水室，陰陽樹脂和雜質離子進行相互交換與遷移，通過交換反應去除水中的有害物質。陰、陽離子分別穿過陰、陽離子交換膜進入到濃水室。通過濃水室的水將離子帶出系統，成為濃水。

因此，EDI 裝置的基本工作過程包括：(1)原水和樹脂相互之間發生的離子交換；(2)通入直流電后，水中的無機鹽離子在陰陽膜和電場共同作用下發生的定向遷移；(3)電解水產生氫離子和氫氧根使樹脂再生三個基本環節。

按照工作流程，進行以下的故障排除。

2.1 檢查EDI 裝置是否有堵塞情況

特別是EDI 裝置進水管道堵塞或膜組件通道堵塞，會導致純水流量減小，壓力降低，濃水壓力上升。通過檢查各保安過濾器進水、出水閥、純水側進水閥、濃水側進水閥，發現均無缺陷，并經各膜組出力情況判斷系統正常。檢查保安過濾器濾芯完好，可有效節流顆粒雜質，現場更換保安過濾器濾芯后，EDI裝置產水流量無變化。出水中的TOC(總有機碳)的含量均小于200 μg/L，這說明出水水質的濁度合理。進水的有機物含量正常，不會造成樹脂和選擇性透過膜的有機污染，也不會在濃水通道形成有機膠體，堵塞通道。也就是不會導致系統運行電壓上升，產水水質下降[2]。

2.2 分析EDI 裝置的定向遷移過程是否通暢

純水進入EDI 裝置后，與其中的陰陽樹脂進行離子交換，電場使純水中的水分子在離子交換樹脂界面離解成H+及OH-。在膜組件兩側電極的作用下產生正負極，陰離子向正極移動，陽離子向負極移動。正常運行中應保證純水壓力略高于濃水壓力。這樣淡室水中陽離子向負極遷移透過陽膜，被濃室中的陰膜截留；水陰離子向正極方向遷移透過陰膜，被濃室中的陽膜截留。測試數據表明EDI 裝置的進水壓力高于濃水出水壓力，壓差在0.35 MPa 左右。可以保證定向遷移過程。同時，EDI 裝置進水電導率在6～13 μS/cm，產水電導率0.053 μS/cm，濃水電導率0.5 μS/cm，均在規程規定的范圍內。其中進水電導率對弱電解質的去除率有影響。如果原水電導率低，則水中離子的含量也低，而低濃度的離子使得在淡水室中樹脂和膜的表面上形成的電動勢梯度也大。不僅可以保證定向遷移過程，而且產生較多的H+及OH-，促進淡水室中的陰、陽離子交換樹脂的再生。

2.3 確定樹脂再生過程是否順利

樹脂是陰陽離子交換的平臺，當樹脂達到交換平衡，就失去了置換能力，所以必須將樹脂再生。也就是說必須要保證EDI裝置中的樹脂具有一定比例的交換能力。現場EDI 裝置的模組電壓為75 V，電流保持在4 A。這說明電流穩定。在設備運行初期，電流的主要作用是增強雜質離子的遷移。在設備正常運行期間，電流的主要作用是促進水的離解，水的離解程度增大，促進了樹脂的再生，從而提升水質。通過設備拆解，發現純水側和濃水側均出現局部樹脂破碎。濃水側更為嚴重，如圖2 和圖3 所示。

通過運行記錄分析，發現運行中，出現過余氯含量超過0.4 mg/L，遠高于運行允許值0.1 mg/L 的情況。這是進水水源來自黃河水凈化后的自來水，殺菌劑采用次氯酸，來水中含有游離氯。氯是強氧化劑，樹脂是高分子有機物。水中游離氯被樹脂吸收，造成樹脂逐層溶脹。使活性基氧化分解，斷鏈或破碎，最后使樹脂交換容量下降，直至報廢[3]。因此這是EDI 裝置出水低的原因。國內三明化工廠熱電廠、無錫化工集團電化廠也曾出現類似問題。

圖2 產水側樹脂破碎情況

圖3 濃水側樹脂破碎情況

3 故障排除及相應措施

上述分析表明，余氯含量超標引起的樹脂溶脹和破碎是棗泉電廠EDI 裝置產水異常的原因，因此采用以下措施解決問題。

3.1 監測水源的氯離子含量

如超過運行允許值，需要進行預處理。常見的脫除方法有硫代硫酸鈉、硫酸亞鐵、二氧化硫、亞硫酸鈉等化學藥劑法；活性炭吸附等物理方法。在脫除過程中，還要嚴格控制水的溫度。最后生產的給水品質，一定要符合氯離子1 μg/L 的控制要求。

3.2 定期檢查RO 濾芯和保安過濾器濾芯

避免濾芯失效造成大顆粒雜質和余氯進入EDI 裝置，破壞樹脂，堵塞水流通道，造成EDI 裝置失效。特別是在整個工藝中，RO 作為初級脫鹽，其能夠有效地去除可溶性鹽類以及分子量大于200 的有機物，從而能夠制取電導率小于20 μS/cm 的初級純水。經過RO 處理之后的水便成為低含鹽量的水，這樣的水作為進水能夠減輕EDI 裝置的負擔，有助于淡水解離進而產生出足夠的H+和OH-，對填充樹脂進行再生，以此來使其中部分樹脂處于置換再生的平衡狀態[4]。

3.3 監測EDI 裝置各節點壓力

當樹脂出現破碎，EDI 裝置內的壓力分布會出現變化。同時應保持淡水室壓力大于濃水室，使離子在水壓的作用下更快速通過陰陽膜，減少表面沉積鹽分臟污樹脂。定期根據要求將濃水室較淡水室壓力低0.035 MPa。

3.4 監測各膜堆出水量

對出水量較低的膜堆進行樹脂更換。對于出現大面積的出水流量偏差過大，就應進行不定期的大面積再生操作。經過以上調整措施，現保安過濾器進口壓力0.55 MPa，保安過濾器出口壓力0.54 MPa，產水壓力0.1 MPa，濃水壓力0.07 MPa，產水流量由原27 t上升至68 t。濃水側流量由原20 t/h穩定在10 t/h左右。

4 結語

EDI 裝置在制水過程中，不需酸、堿化學藥品再生即可連續制取高品質超純水。具有技術先進、結構緊湊、操作簡便的優點，出水水質穩定度高。由于其出色的凈水能力，EDI 裝置在火力發電廠的水處理系統中得到了廣泛使用。從棗泉電廠的本次故障看，進水水質，特別是進水的余氯含量對EDI 裝置的影響很大。

余氯含量超標，當水中游離氯被樹脂吸收，樹脂逐層溶脹，出現破碎。從而導致樹脂交換容量下降，造成EDI 裝置除鹽水產量降低。要解決此類問題，應監測水源的氯離子含量、定期檢查RO 濾芯和保安過濾器濾芯、監測EDI 裝置各節點壓力和監測各膜堆出水量等，采取這些措施，可保證EDI 裝置出水流量正常。