离子交换器的运行方式都有哪些
张宪超
【摘 要】本文重点介绍了方家山核电工程除盐水系统中离子交换器部分的相关内容。首先讲述了整个除盐水系统的功能、流程以及设备布置，分析了进水水质，对于水中含有的主要杂质成分进行了列举。然后介绍了离子交换器在整个系统中的作用以及运行方式，了解其产水能力以及出水指标要求。通过运行数据记录并结合理论分析，从阴、阳离子交换器、混合离子交换器出水的相关数据变化趋势来判定树脂失效状况，并且详细阐述了失效的原因和整个失效的过程，对于判定失效的相关指标分别进行了说明，以及再生状况对出水水质的影响。从运行的角度出发，对于在运行过程中发现的问题与不足做了一些列举，提出了相关改进措施。
【关键词】除盐水系统；离子交换器；出水指标；树脂失效
【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，From 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
核電站除盐水系统利用多种处理工艺，除去悬浮物、胶体、阳离子、阴离子等水中杂质，而离子交换器作为整个水处理系统的最后一步，是水质是否能符合要求的关键，因此离子交换器的正常运行便尤为重要。
1 方家山YA除盐水生产系统介绍
1.1 除盐水系统进水和出水水质
根据电站的对除盐水水质的要求，需要达到如下指标：
电导率（25℃） <0.15μS/cm
氯化物和氟化物 <0.15μg/L
硅 <20μg/L
Na+ <5μg/L
1.2 离子交换器系统设备配置及运行方式
经反渗透装置预脱盐处理后的水储存于淡水箱，经淡水泵加压进入离子交换系统，进行进一步除盐。除盐水生产工艺作为全电站的除盐水来源，出于高安全性考虑，在设计上采取冗余设计，离子交换系统分成2列，每列的出力为120m3/h。最大出力为240m3/h，产水进入除盐水箱。离子交换系统包括一级除盐系统（2台阳离子交换器和2台阴离子交换器）和二级除盐系统（3台混合离子交换器）。阳，阴离子交换器采用串联布置，分成两列，一级除盐系统出水进一步经混合离子交换器处理，三台混床并联布置。每列的阴、阳离子交换器同时运行、同时再生。两个系列可以同时运行，也可以一个系列运行，另一个系列再生作备用。
2 方家山YA厂房离子交换器失效判断依据
2.1 阳离子交换器失效分析
监测阳离子交换器失效的指标主要有两个。
2.1.1 出水钠含量超标
阳离子交换器内装有H型强酸阳离子交换树脂，按照淡水厂来水中阳离子交换能力的大小，排列顺序为Ca2+>Mg2+>Na+>H+。淡水箱来水中的阳离子与阳树脂进行H+置换反应，Ca2+首先被吸附，然后Mg2+被吸附，Na+最后被吸附。
其反应方程式为（A代表金属阳离子，R为树脂基团）：
An++nRH=RnA+nH+
在阳床正常运行一段时间后，沿进水方向会形成不同的“离子型”树脂层，根据“分层吸附”原理，最上部为Ca2+层，其次为Mg2+层，再次为Na+层，这些为工作层，最下部为H+层，称之为保护层。当Ca2+层“饱和”之后，由于阳离子活性的不同，Mg2+层树脂会被逐渐置换成Ca2+层，Na+层树脂会被逐渐置换成Mg2+层，离子型树脂层会出现按选择性顺序逐层下移的情况。endprint
当工作层的底部与保护层底部相重合时，Na+首先“穿透”，随着“保护层”的失效，出水中Na+含量会迅速增加，并很快达到与进水中Na+含量相似。为了达到出水指标，一般规定只要阳床出水中Na+超过50μg/L时，即可以认为阳床失效了。
2.1.2 周期制水量达到系统设定值
离子交换器的周期制水量，是指在产水质量达到要求指标的前提下，在一个周期内的制水量。周期制水量与淡水箱水质情况，离子交换器内树脂工作交换容量，运行流速等等有密切关系。结合每列阴阳床同时再生的原则，每列阴阳床的周期制水量被设定在30000m3。
2.2 阴离子交换器失效分析
阴离子交换器内装有OH型强碱阴离子交换树脂，按照阳床来水中阴离子交换能力的大小，排列顺序为SO42->Cl->HC03->HSiO3->OH-。利用这一特性，可以确定阴床的失效点。当阳床产水进入阴床时，SO42-首先被吸附，然后是Cl-，再次是HC03-，最后被吸附的才是HSiO3-。
其反应方程式为（B代表金属阳离子，R为树脂基团）：
Bm-+mROH=RmB+mOH-
一般规定阴床出水硅表大于50μg/L，即可以认为阴床失效。
3 方家山YA厂房离子交换器运行过程中的现象分析
3.1 阴床失效时，出水电导率变化
阴床进水是从阳床交换过来的，水中含有大量的强酸（SO42-、Cl-）及弱酸（HSiO3-，及微量的HC03-），其含量与水中阳离子相同。当阴床正常运行时，水中的酸根离子被树脂吸附，水中的H+与交换下来的OH-生成电解度很低的水，而阳床“漏泄”的微量Na+则与OH-生成微量的NaOH，陰床正常出水电导率应小于1μs/cm。
阴床失效时，HSiO3-首先“穿透”，生成电解度较小的NaHSiO3，由于NaHSi03的导电能力要低于NaOH，此时出水电导率会“略有下降”。当HSiO3-继续“穿透”，超过Na+含量时，就会生成H2SiO3，由于H+的含量增加且电导率较大，此时阴床出水的电导率又会“略有上升”。
随着阴床失效程度的加剧，以至于HCO3-，Cl-、SO42-也陆续产生“穿透"，这又会使阴床出水电导率急剧上升，由此出现上述现象。
3.2 阴离子交换器再生效果不佳的原因分析
3.2.1 再生液温度和时间。维持适当的再生液温度可以帮助洗脱附着在阴树脂上的HSiO3-，降低阴床出水中的HSiO3-含量。过高的再生液温度易使阴离子交换树 脂的交换基团分解，降低交换容量和使用寿命。同时，HSiO3-在整个树脂层分布较广，被置换下的速度又比较缓慢，所以需要较长再生时间。
解决方法：碱加热水箱的出水温度大概在80℃，利用比例控制阀混合一定的冷水，将再生液的温度控制在35～40℃，同时将再生时间设定在1小时左右。
3.2.2 再生用碱量。再生用碱量不足时，会导致阴床的失效树脂得不到充分的再生，因而会影响到阴床的周期制水量。如果用碱量过少，甚至会影响到阴床底部树脂的再生度，这样就会直接影响阴床出水水质。
解决方法：控制从高位浓碱储罐到碱计量箱的进碱量，保证整个再生过程浓碱用量在1.5m3左右。
4 方家山YA厂房离子交换器运行中存在的问题及其改进
4.1 YA厂房淡水箱除碳器风机应增加过滤器
在目前YA厂房运行过程中，淡水箱顶部除碳器一直未投运，原因是除碳器为鼓风式的，由于现场环境较差，空气中含有的杂质较多，在除碳器工作的同时，空气中的粉尘会被大量吹进淡水箱，污染水质，直接影响除盐床的进水水质以及除盐效果。在调试期间已经发现淡水箱内部有许多泥垢。应考虑在淡水箱除碳器风机进风口增设空气过滤器或者防尘装置。
4.2 YA厂房离子交换器相关气动阀故障频繁
在系统全自动启动过程及正常运行过程中，经常会发现离子交换器的阀门无法开启或者故障的情况，需要多次故障复位才能消除，其中有一部分是系统PLC控制系统反馈问题，大部门是阀门本身的问题到导致无法正常开启或者关闭。特别是在淡水泵已经启动，但是阳床的进口阀无法开启的情况下，若是及时发现并且及时消除故障，系统还是可以继续运行，但若长时间的“憋泵”势必会影响泵的正常运行。因此气动阀的可靠性有待提高。
5 总结
本文着重介绍了离子床的失效以及再生的相关内容，讲述了失效时应注意的指标以及其变化趋势，在运行中这些都是需要密切注意的。从失效的原理进行分析，阐述了树脂究竟是如何失效的。
【参考文献】
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[3]钱达中.发电厂水处理工程[M].北京：中国电力出版社，1998.
[责任编辑：田吉捷]endprint
