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凝结水处理各种运行条件对离子交换过程的影响

发布时间：2010/10/24 阅读次数：1275 字体大小: 【小】【中】【大】

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1.序言

在通常情况下，“凝结水净化”这一专业术语指的是对在电力行业中对汽轮机工作中冷凝下来的蒸汽所进行的一种处理方式，不管是核燃料和化石燃料的直流锅炉而言，或是对（如同燃油海湾电站一样的）高参数锅炉而言，整个凝结水的处理多半都是在附加装置中进行的，以便再用于补给水供应。大型传统的燃煤工厂也可以只安装部分凝结水净化装置，但这需要在处理进行当中，很好地掌握补给水处理装置的最终出水质量，一般情况下，凝结水的处理能力应达到短期内进入锅炉中25%的流量。所谓“短期”是指运行的初期，此时系统内存在污染物的可能性最大。

2. 凝结水净化装置的作用

凝结水的纯度可能已经很高，为什么还有必要对他进行处理呢？

原因有好几个，最主要的原因是在于：进入高压锅炉的给水中含有各种微量元素，它们在系统内浓缩，就是单位体积内的量增加。不同锅炉的情况不同。比如汽包锅炉的局部位置，浓缩倍数可以达到一万到一百万，也就是说如果给水中含有十亿分之一的微量元素，经浓缩后可以到百万分之一甚至更高。直流锅炉中所有进入管道的水都会出现一次性的蒸发，在接近水汽转化点时，盐发生浓缩。浓缩之后的微量元素比如氯离子和硫酸根离子就有可能腐蚀锅炉管道，不当的处理可能引起巨大的经济损失。

在超临界直流锅炉时会出现特殊的情况，超过临界压力221巴，临界温度374c 时，水汽从双相变为单相流体，本来在双相条件下溶解较好的有机物和金属元素在单相条件下析出并沉积在汽轮机和锅炉高压段，形成坚硬厚实，粘着牢固的沉积物，导致汽轮机输出功率受损。

因此必须用凝结水处理装置将给水铜铁元素和有机物降到最低。

发电厂的水/汽回路中，有多种可溶性污染物的潜在污染源，包括：冷凝器中漏入冷却水，特别是冷却用海水，重金属离子很多；

补给水被再生药品污染，补给水净化装置使用过渡，补给水中有机物为除去等，化学调节剂如氨，吗啉和肼本来用来保护管路，如用凝结水处理装置处理，也就成了污染。

不溶解的杂质一般都是系统材料的腐蚀产物。其中最主要的是铜和铁，因此在水质标准里面也就包括了铜和铁。但许多其他物质，尤其是保温材料和水泥材料中的硅，在试车条件下也会以不溶的形式存在。

综上所述，我们应该要求冷凝净化装置具备将可溶的和不可溶杂质浓度降到最低的能力。离子交换树脂就能同时满足这两要求。但他需要和过滤，预涂或深床等联合应用。

3.化学调节剂

发电厂中使用冷凝水净化装置时,对进料供应和锅炉管理是通过加入氨以升高pH,加入肼以除掉残留,溶解氧来加以保护的.

根据特定运行条件,一般pH控制在8.8-9.2之间,就能保护系统能够是管路中的金属杂质进入锅炉的数量降至最低.但如果有可能存在侵蚀/腐蚀的危险时,就有必要将pH升高到9.4或以上.需要注意的是,pH的升高会对CPP的设计和运行都有很大影响.

例如,要将pH从9.2升高到9.6,氨的浓度就得增加4倍,装置中阳树脂的负荷也会同倍增加,这样也就增加了再生频率.

选择其他的挥发性胺,如吗啉和AMP(2-氨基-甲基丙醇)等,相对氨来说,也许能提供更好的保护，尤其是存在侵蚀/腐蚀的地方.我们可以改变锅炉双相(水/汽)区中水相的pH 条件.

应用其他挥发性胺,会对正常pH条件下使用氨而设计的CPP的性能和运行都会产生影响,因为达到特定的pH时,用这类物质需要的浓度比氨的浓度要高. 这种方式下操作CPP时,相关多种特殊因素的更多详细资料将在第5章第6节中给予介绍.

使用肼一般不会对CPP产生什么影响.分解产物主要是高温降解的氨及与水中的氧发生反应后的氮.

4. 所需的水质条件

对所需的有CPP生产的水质的要求是同近几年来CPP设计中的进展紧密相关。

在超临界化石燃料单元中，CPP水质出水原来的规格为：

电导率 25c时 0.1us/cm

钠 <5ug/kg

在AGR（改进型气冷反应堆）核电站出现时，最初也使用这一规格。但检查发现，蒸发器区段锅炉管道表面上AGR气相条件能引发开放氧化。通过改变运行工艺可以防止此类情况发生，但这同时又增大了管道出现腐蚀的危险性。人们已经认识到来自CPP的水中可能含有微量硫酸盐，这在再生之后短期内尤为严重。

按照锅炉中可能极易发生的浓集系数，可得出计算结果，用于表示来自那些能防止系统免受铁素体钢的点蚀和奥氏体材料的应力腐蚀的CPP的，人们所需水的水质。因此，水质严格制定如下：

钠离子 2ug/kg

氯离子 2ug/kg

硫酸根 2ug/kg

电导率 25 c时〈0.08us/cm

总的目的是离子达到平衡，热传递表面提供中性条件。

超临界和早期气冷核电站CPP也随之采取相同标准。

同时，操作经验表明： PWR（压水反应堆核电站）各站受到腐蚀，应归结于应用的水水质相对较差的原因。

在PWR蒸发发生器中，杂质浓集因素很高，因此就得要求进料（CPP）质量与这些条件完全相符。

这就使得对供给PWR工厂所用处理水水质的指标要求更加严格，如下所示：

电导率 25c <0.06us/cm

氯离子 <0.3ug/kg

硫酸根 <0.5ug/kg

钠离子 <0.3ug/kg

二氧化硅 <4ug/kg

除了上述要求以外，任何高压电厂给水中的铁，铜离子要求保持在较低浓度，以减少锅炉中发生腐蚀现象且能防止汽轮机中形成沉积物。这样CPP就能知出含有较低铁铜离子浓度的水。

所需质量将以来于那些采用CPP工厂的特殊类型。但通常总会指明高压锅炉工厂的给水水质，即全部铁离子〈5 ug/kg, 全部铜离子〈2 ug/kg.

若CPP中合用过滤和离子交换，则能确保达到如此极值。

由上所述，可以看出人们对CPP水水质的要求越来越高。在以下各章节中，我们会说明以上这些要求是如何对CPP的设计，运行和离子交换树脂的选择发生影响的。

5.影响凝结水净化装置运行的因素

任何时候,CPP都应制出所需数量的净水且要求水要符合水质指标,这就涉及到各种不同的工作条件.满足此项要求的能力大小取决于装置的设计和操作条件,而且这些情况将会如何对离子交换树脂进程发生影响是必须加以考虑的首要因素.所用离子交换树脂的性能和寿命可能会受影响,因此,树脂的选择就和工厂的各个因素密切相关.

相关主要因素有:

--流速

--再生步骤和条件

--待处理水成分

--生产处理水的质量和数量

5.1流速

必须把CPP设计一个过滤器,这可以给大量的水去除离子.对于一个660MW压水反应堆机组而言,必须制出约为1500m3/h的处理水.因此,为降低工厂成本,和常规离子交换装置相比的高流速下运行.在混床情况下,一般设计在流速100-150m/h(m-3,m-2,h-1)下运行.

高流速带来的两个主要影响:

--压降增大,树脂物理破碎的危险性随之增加

--减少了进行离子交换反应的时间

通过选择特殊类型和特殊粒径的树脂，任何一种影响都会降低，但不幸的是，在一种影响降低的同时，另外一种不良影响可能由此而大。例如，压降的高低同流速和粒径都有关系，因此所使用树脂颗粒增大时，压降就会降低。（压差和粒径的平方成反比，因此，如果粒度增加一倍，压差就降为原来的1/4！）然而，如果应用大颗粒，供发生离子交换的表面积可成比例的减小，动力学特性因此变差，因此因容量减小而造成的制水水质变差的危险性增加。

在正常冷凝水精制状态下，仅保持较高的流速这一项不可能引起阴阳离子交换树脂的严重物理破碎。但是，其他因素可使树脂性能变差，如再生渗透压，还有高流速和树脂输送也都是附加因素，能导致继发的物理破碎。

高流速带来的主要影响上：当冷凝水通过树脂床时，离子交换反应的时间缩短。因此离子交换树脂的动力学性能就变得更为关键。

整个交换速度是由一下许多物理化学因素决定的：

---树脂颗粒表面离子通过水的静态膜扩散

---树脂颗粒内的扩散

---树脂颗粒的粒度（表面积）

---存在的离子型式

---树脂床内的pH条件

对于用在CPP中高度离子化的阴阳离子交换树脂而言，树脂活性基团内的离子交换速率就会很高，控制因素的整个速率就是穿过树脂颗粒表面水静止膜的扩散速率。这个常理，对新鲜树脂同样适用。但在使用当中，由于污染和或老化，树脂性能会受损。在这方面，阴离子交换树脂比阳离子交换树脂更加敏感。阴离子交换树脂更易吸收污染物，例如来源于多种途径的有机物质，包括来自阳离子交换树脂的低分子磺酸盐在内。而且，他们的化学性质比阳离子交换树脂更不稳定，有一些强碱基团发生降解也难以避免。在受到某些影响后，阴离子交换树脂性能会变差，因此，表面的离子交换控制着整个交换速率。

不同类型的离子，其交换速率不同。但在用于给水处理工厂中速率相对较低，对无机离子而言，这种差别一般难以觉察。无论如何，在充分除区有机物时会遇到一些困难，这其中至少有一部分要归结于动力学因素。

现代CPP采用更高流速，在操作时甚至连无机离子交换速率的差异也可以觉察出来。尤其是硫酸根的交换比氯离子的交换更缓慢。在使用新鲜树脂时，速率差别在实际应用中没什么意义。但如上所述，由于污垢/老化会随时间推移而使动力学变差，会让整个的这些阴离子的清除速度变缓。而且，和氯离子相关的较低的硫酸根摄取速率会得到加强。

在最近几年，对阴离子动力学进行的许多研究已有报道，有许多资料可以参考，但基本可以总结如下：

在混床运行中采用的较高流速下，阴离子交换树脂的工作状态已经接近它们的动力学性能极限。所谓交换区，也就是，制出所要求水质的水所需床深，这在总床身中是很重要的一部分。由此得出，在运行当中，任何使动力学能力恶化的情况都会使此区长度增加，因此可能会造成两种不良影响：

---可能难以达到所要求的水质

---用于处理被冷却水污染冷凝水的树脂的容量会降低。

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