JP4931107B2 - 電気脱イオン装置およびそれを用いた加圧水型原子力発電所の２次系ライン水処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電気脱イオン装置およびそれを用いた加圧水型原子力発電所（以下、ＰＷＲ発電所と言うこともある。）の２次系ライン内を流れる水の処理装置、並びにその２次系を有するプラントの運用方法に関する。
近年の加圧水型原子力発電所では２次系の構成材料の腐食防止のため、ｐＨ調整剤として添加しているアンモニアやエタノールアミン等の濃度を増やす高ｐＨ運用が行われている（いわゆるＡＶＴ処理（全揮発性物質処理法））。高ｐＨ運用時には復水脱塩装置のイオン負荷が増大し復水全量処理が困難となる。このため、復水脱塩装置はバイパス運用とし、系統内の不純物は蒸気発生器ブローダウン水処理装置を設置して除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。蒸気発生器ブローダウン水処理装置としては、混床式イオン交換塔や電気脱イオン装置が適用可能である。電気脱イオン装置は、イオン交換樹脂やイオン交換繊維などのイオン交換体で原水中のイオンを除去して処理水を得、吸着したイオンを連続的に電気再生して濃縮水を排出する装置である。このような電気脱イオン装置を用いると、従来のイオン交換樹脂を充填した脱塩塔による処理と比較して、処理を連続的に行えるという利点がある。
特開平１１−４７５６０号公報
蒸気発生器ブローダウン水に含まれるイオン成分の大部分はアンモニア、エタノールアミンおよびヒドラジン等のＡＶＴ処理薬品であり、その他は微量のCL、SO4、酢酸等のアニオン種である。従来の混床式脱塩塔や電気脱イオン装置では、アニオン種、カチオン種の両方を除去してしまうため、ＡＶＴ処理薬品は脱塩塔樹脂の再生廃液または電気脱イオン装置の濃縮水として系外に排出される。系外に排出された濃縮水は排水として処理する必要があるが、エタノールアミン等のアンモニア以外のアミン類は分解処理が困難なものが多い。このため、大規模な排水処理装置を設けるか、産業廃棄物として処分する必要があり、多大なランニングコストを必要としている。
また、これらのＡＶＴ処理薬品は、本来は系統の防食剤として再利用されることが望ましいが、再利用に際してはあらかじめ精製して純度を上げる必要がある。しかし、系外に排出された濃縮水中のＡＶＴ処理薬品は、再生薬品や系統中のアニオン不純物を含むため、精製には多大なコストを必要とし、現実的には回収・再利用は困難である。
このため一部のプラントでは、蒸気発生器ブローダウン水系に設置した混床式脱塩装置をブレーク運用し、ＡＶＴ処理薬品を除去せずに通水する運用方法を採用している。しかし、脱塩塔をブレーク運用すると、脱塩塔出口水のｐＨが上昇し、イオン交換樹脂に吸着されたイオン不純物が脱着しやすくなり、イオン不純物がリークして系統水中の不純物濃度が増加する。不純物濃度の増加を防ぐためには再生運用を行うか、もしくは脱塩塔の樹脂を頻繁に交換するなどの対策が必要であるが、コスト面から実施が困難であった。
そこで、本発明の課題は、特殊な電気脱イオン装置を用いることにより、上記のような加圧水型原子力発電所の２次系ライン水処理における問題を解消することにある。また、この本発明における特殊な電気脱イオン装置は、加圧水型原子力発電所の２次系ライン水処理以外の分野でも使用可能であるため、本発明は、この特殊な電気脱イオン装置自体についても提供できるものである。
上記課題を解決するために、本発明は、まず、特殊な電気脱イオン装置自体を提供する。すなわち、本発明に係る電気脱イオン装置は、電極室としての正極室および陰極室と、該正極室と陰極室の間に設けられた脱塩室とを備え、前記脱塩室に充填されているイオン交換樹脂がアニオン交換樹脂からなり、かつ前記脱塩室と前記正極室を隔てる隔膜および前記脱塩室と前記陰極室を隔てる隔膜が全てアニオン交換膜からなることを特徴とするものからなる。
上記電気脱イオン装置においては、上記アニオン交換樹脂は耐熱性のアニオン交換樹脂からなることが好ましい。耐熱性のアニオン交換樹脂としては、例えば特開平７−４２１０７号公報、特開２００２−３５６０７号公報等に記載のものを使用できる。
また、上記電気脱イオン装置においては、上記隔膜は耐熱性を有するイオン交換膜からなることが好ましい。耐熱性のイオン交換膜としては、例えば特開２００２−１１４８５４号公報、特開２００３−２６８３０号公報等に記載のものを使用できる。
上記のような電気脱イオン装置は、特に加圧水型原子力発電所の２次系ラインの水処理系に用いて好適なものである。すなわち、本発明に係る加圧水型原子力発電所の２次系ライン水処理装置は、電極室としての正極室および陰極室と、該正極室と陰極室の間に設けられた脱塩室とを備え、前記脱塩室に充填されているイオン交換樹脂がアニオン交換樹脂からなり、かつ前記脱塩室と前記正極室を隔てる隔膜および前記脱塩室と前記陰極室を隔てる隔膜が全てアニオン交換膜からなる電気脱イオン装置を、蒸気発生器からのブローダウン水を復水器に還流するラインに設置することを特徴とするものからなる。
この加圧水型原子力発電所の２次系ライン水処理装置においては、とくに、上記電気脱イオン装置における上記アニオン交換樹脂は耐熱性のアニオン交換樹脂からなることが好ましい。耐熱性のアニオン交換樹脂としては、上記と同様のものを使用できる。
また、上記電気脱イオン装置における上記隔膜は耐熱性を有するイオン交換膜からなることが好ましい。耐熱性を有するイオン交換膜としては、上記と同様のものを使用できる。
アニオン交換樹脂およびアニオン交換膜に耐熱性のものを用いることにより、系中の熱交換器を小型化することができる。
このような加圧水型原子力発電所の２次系ライン水処理装置を有するプラントを運用するに際しては、復水脱塩装置の処理量を調整し、復水中のカチオン種濃度を調整することが好ましい。カチオン種の濃度調整は、復水脱塩装置の処理量を調整することにより（つまり、復水脱塩装置のバイパス量と非バイパス量との割合を調整することにより）、行うことができる。
本発明に係る電気脱イオン装置によれば、脱塩室に充填されているイオン交換樹脂がアニオン交換樹脂からなり、かつ脱塩室と電極室を隔てる隔膜が全てアニオン交換膜からなるので、とくに、この電気脱イオン装置を蒸気発生器からのブローダウン水を復水器に還流するラインに設置した、加圧水型原子力発電所の２次系ライン水処理装置として組み込むことにより、原水中に含まれるアンモニア等のＡＶＴ処理薬品はそのまま処理水へ移行することができる。そして、電気脱イオン装置内のアニオン交換樹脂は連続的に電気再生されるため、アニオン不純物を吸着する交換容量を維持することができる。このように、ＡＶＴ処理薬品は除去されず、プラント構成材料の腐食防止上問題となる微量のアニオン不純物のみが効率よく除去されることになるので、ＡＶＴ処理薬品の再利用に伴う問題は発生せず、安価で簡素なプラント運用が可能になる。なお、電気脱イオン装置の濃縮水に含まれるイオン不純物は微量のアニオン種のみであるため、そのまま放流することが可能である。
また、アニオン交換樹脂およびアニオン交換膜に耐熱性のものを用い、熱水処理仕様とすることにより、蒸気発生器ブローダウン水の温度を上げることができるため、系内の冷却設備（例えば、熱交換器）を小型化することができる。
また、上述の如く蒸気発生器ブローダウン水の復水器への還流するラインに設置された電気脱イオン装置はＡＶＴ処理薬品を除去しないので、ＡＶＴ処理薬品の濃度調整、すなわちヒドラジンの分解によりアンモニア濃度が増加した場合の濃度調整は、別途行う必要があるが、この濃度調整は、復水脱塩装置の処理量を調整することにより行うことができる。このようなプラント運用方法では、系統内の不純物イオン除去とＡＶＴ処理薬品の濃度調整の機能を分けることができ、プラントの運用を容易化することもできる。
以下に、本発明の実施の形態、とくに、本発明に係る電気脱イオン装置を用いた加圧水型原子力発電所の２次系ライン水処理装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、ＰＷＲ型原子力発電所の２次系ラインの機器系統を例示している。図１において、蒸気発生器１の内部には伝熱管２が設けられており、図示を省略した原子炉からの高温、高圧水の供給を受けて、伝熱管２により熱交換を行い、蒸気発生器１の内部の水を加熱して水蒸気を発生させる。蒸気発生器１には、系内にタービン（図示略）を備えたライン３が接続され、該ライン３は、蒸気をタービン駆動に使用後復水器４に送るべく、該復水器４へと接続されている。復水器４にて生じる凝縮水すなわち復水を蒸気発生器１に還流するために、復水器４と蒸気発生器１の間に、復水循環路５が設けられている。この復水循環路５には、復水器４から蒸気発生器１に向かう方向に、復水ポンプ６、復水脱塩装置７、脱気器８、給水ポンプ９、給水加熱器１０が配置されている。復水脱塩装置７に対しては、バイパス路１１が設けられており、復水の全量、あるいは部分的に、復水脱塩装置７に通水せずにバイパス運用することが可能となっている。
蒸気発生器１には、そのブローダウン水を取り出すための取出管１２が接続され、この取出管１２を含むライン１３は、復水器４へと接続されて、蒸気発生器１からのブローダウン水を復水器４に還流するラインを構成している。このブローダウン水還流ライン１３中に、本発明に係る電気脱イオン装置１４が設置されており、電気脱イオン装置１４からのブロー水は、流出管１５から系外に排出されるようになっている。
上記電気脱イオン装置１４として、例えば図２に示すものが用いられる。
図２において、脱塩室２１には、アニオン交換樹脂２２が充填されており、ブローダウン水取出管１２より導かれたブローダウン水中のアニオン種のみが捕捉、除去され、ライン１３より処理水が排出される。ブローダウン水中のＡＶＴ処理薬品は除去されずにそのまま処理水に移行する。脱塩室２１のアニオン交換樹脂２２に捕捉されたアニオン種は正極２４側に移動し、アニオン交換膜２５を透過して正極室２６（電極室）に達する。つまり、脱塩室２１と正極室２６を隔てる隔膜がアニオン交換膜２５で構成されている。正極室２６には正極供給水２７が供給され、アニオン種および正極室２６で発生した酸素ガスを含んだ正極排出水２８として流出管１５より排出される。この正極排出水２８中に含まれるイオン不純物は微量のアニオン種のみであるため、そのまま放流することが可能である。陰極２９には陰極供給水３０が供給され、陰極室３１で発生した水素ガスを含む陰極排出水３２として流出管１５より排出される。この陰極室３１と脱塩室２１を隔てる隔膜もアニオン交換膜２５で構成されている。正極供給水２７は、ブローダウン水を分岐して供給することができ、また正極排出水２８を循環して使用することも可能である。陰極供給水３０はアニオン種を含まない水であることが望ましく、純水もしくは処理水を分岐して使用することができる。
図２において、脱塩室２１には、アニオン交換樹脂２２が充填されており、ブローダウン水取出管１２より導かれたブローダウン水中のアニオン種のみが捕捉、除去され、ライン１３より処理水が排出される。ブローダウン水中のＡＶＴ処理薬品は除去されずにそのまま処理水に移行する。脱塩室２１のアニオン交換樹脂２２に捕捉されたアニオン種は正極２４側に移動し、アニオン交換膜２５を透過して正極室２６（電極室）に達する。つまり、脱塩室２１と正極室２６を隔てる隔膜がアニオン交換膜２５で構成されている。正極室２６には正極供給水２７が供給され、アニオン種および正極室２６で発生した酸素ガスを含んだ正極排出水２８として流出管１５より排出される。この正極排出水２８中に含まれるイオン不純物は微量のアニオン種のみであるため、そのまま放流することが可能である。陰極２９には陰極供給水３０が供給され、陰極室３１で発生した水素ガスを含む陰極排出水３２として流出管１５より排出される。この陰極室３１と脱塩室２１を隔てる隔膜もアニオン交換膜２５で構成されている。正極供給水２７は、ブローダウン水を分岐して供給することができ、また正極排出水２８を循環して使用することも可能である。陰極供給水３０はアニオン種を含まない水であることが望ましく、純水もしくは処理水を分岐して使用することができる。
上記電気脱イオン装置１４周りの概略機器系統を図３に示す。ブローダウン水取出管１２より導かれたブローダウン水は、例えば熱交換器４１を介してイオン交換樹脂の使用温度範囲である60℃以下に冷却し、ろ過器４２にてブローダウン水中の不溶解性物質を除去した後、電気脱イオン装置１４に供給される。電気脱イオン装置１４の正極供給水２７には正極排出水２８を循環して使用するため正極水タンク４３および正極水ポンプ４４を設ける。正極供給水中の不純物濃度はブロー水４５の流量で調整する。正極水タンク４３の水位が低下した場合にはブローダウン水を分岐して供給する。一方、陰極供給水３０としては処理水を分岐して供給することができる。陰極排出水３２およびブロー水４５は排出管１５からブローされる。
電気脱イオン装置１４に用いるアニオン交換樹脂およびアニオン交換膜としては、６０℃以上の耐熱性のあるもの、望ましくは80℃以上で使用可能なものを用いることにより、熱交換器４１を小型化することができ、イニシャルコストを大幅に削減することができる。耐熱性のあるアニオン交換樹脂としては、前述の如く、たとえば特開平7-42107、特開2002-35607号公報等に記載のものを使用することができる。また、耐熱性のイオン交換膜としては特開2002-114854、特開2003-26830号公報等に記載のものが使用可能である。
ＰＷＲ型発電所の２次系中のヒドラジンは系統内で分解され、一部がアンモニアとなる。このためＡＶＴ処理薬品を全く除去しないと、系統内のアンモニア濃度は徐々に増加する。この系統内のアンモニア濃度の調整は、復水脱塩装置７の処理量を調整することにより行うことができる。系統中の不純物は既に電気脱イオン装置１４にて除去されているため、復水脱塩装置７の処理量は系統内のＡＶＴ処理薬品の濃度のみから決定することができ、装置の運用は極めて容易である。
なお、図２には脱塩室２１が一つの場合の構成例を示したが、図４に示すように、陰極室３１の両側に脱塩室２１を併設し、その外側に正極室２６を併設する構成も採用可能である。
本発明に係る電気脱イオン装置による効果を確認するために、図２に示したのと同等の試験装置を製作し、模擬水を用いてアニオン種の除去性能を確認した。試験条件を表１に示し、通水試験結果を表２に示す。
模擬水中に含まれるアニオン種はいずれも測定下限値以下まで低減されている。一方、模擬水中に含まれるアンモニア等のＡＶＴ処理薬品はそのまま処理水に移行しており、本発明により模擬水中のアニオン種のみを選択的に除去できることがわかる。また、電気脱イオン装置内のアニオン樹脂は連続的に電気再生されるためアニオン不純物を吸着する交換容量が維持でき、本条件にて連続的に通水しても処理水質は安定して推移した。
１ 蒸気発生器
２ 伝熱管
３ 蒸気発生器からのライン
４ 復水器
５ 復水循環路
６ 復水ポンプ
７ 復水脱塩装置
８ 脱気器
９ 給水ポンプ
１０ 給水加熱器
１１ バイパス路
１２ 取出管
１３ ブローダウン水還流ライン
１４ 電気脱イオン装置
１５ 流出管
２１ 脱塩室
２２ アニオン交換樹脂
２４ 正極
２５ アニオン交換膜
２６ 正極室
２７ 正極供給水
２８ 正極排出水
２９ 陰極
３０ 陰極供給水
３１ 陰極室
３２ 陰極排出水
４１ 熱交換器
４２ ろ過器
４３ 正極水タンク
４４ 正極水ポンプ
４５ ブロー水
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４ 復水器
５ 復水循環路
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８ 脱気器
９ 給水ポンプ
１０ 給水加熱器
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１２ 取出管
１３ ブローダウン水還流ライン
１４ 電気脱イオン装置
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２１ 脱塩室
２２ アニオン交換樹脂
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２５ アニオン交換膜
２６ 正極室
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２８ 正極排出水
２９ 陰極
３０ 陰極供給水
３１ 陰極室
３２ 陰極排出水
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Claims (7)
- 電極室としての正極室および陰極室と、該正極室と陰極室の間に設けられた脱塩室とを備え、前記脱塩室に充填されているイオン交換樹脂がアニオン交換樹脂からなり、かつ前記脱塩室と前記正極室を隔てる隔膜および前記脱塩室と前記陰極室を隔てる隔膜が全てアニオン交換膜からなることを特徴とする電気脱イオン装置。
- 前記アニオン交換樹脂が耐熱性のアニオン交換樹脂からなる、請求項１に記載の電気脱イオン装置。
- 前記隔膜が耐熱性を有するイオン交換膜からなる、請求項１または２に記載の電気脱イオン装置。
- 加圧水型原子力発電所の２次系ラインの水処理装置であって、電極室としての正極室および陰極室と、該正極室と陰極室の間に設けられた脱塩室とを備え、前記脱塩室に充填されているイオン交換樹脂がアニオン交換樹脂からなり、かつ前記脱塩室と前記正極室を隔てる隔膜および前記脱塩室と前記陰極室を隔てる隔膜が全てアニオン交換膜からなる電気脱イオン装置を、蒸気発生器からのブローダウン水を復水器に還流するラインに設置することを特徴とする加圧水型原子力発電所の２次系ライン水処理装置。
- 前記アニオン交換樹脂が耐熱性のアニオン交換樹脂からなる、請求項４に記載の加圧水型原子力発電所の２次系ライン水処理装置。
- 前記隔膜が耐熱性を有するイオン交換膜からなる、請求項４または５に記載の加圧水型原子力発電所の２次系ライン水処理装置。
- 請求項４〜６のいずれかに記載の加圧水型原子力発電所の２次系ライン水処理装置を有するプラントを運用するに際し、復水脱塩装置の処理量を調整し、復水中のカチオン種濃度を調整することを特徴とする、プラントの運用方法。
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