FEDI系统在电厂化水车间除盐水生产中的应用——本文主要探讨FEDI模块在美国德克萨斯州克利本约翰逊县布拉索斯电厂化水车间除盐水生产中的应用，通过运行数据及经验展示双电压电除盐FEDI技术的系统稳定性及长期无故障运行优势。FEDI比EDI技术更先进，它建立在两个专利技术基础之上，这些EDI模块结构的优化改进提高了其在水处理应用的范围。

本文作者Venkat Jagannathan在水和废水处理行业的工艺设计、工程应用、产品开发和市场开发拥有30多年的经验，曾负责电力、化工、造纸和钢铁行业的大型水处理项目的工艺设计，现任QUA公司技术总监。Vincent Hawkes在布拉索斯电厂生产车间负责生产管理。译者李坤鹏目前负责美国QUA公司的FEDI产品在中国的推广和销售。

EDI技术发明于20多年前，是电渗析和混床技术的结合，可连续以直流电从进水中去除电解质离子，无需任何化学品。EDI通常被用在反渗透后，以替代混床生产高达18 MΩ·cm的超纯水。EDI不需要树脂再生，由此消除了危险化学品的使用、储存及其后的中和过程，是一种环保型处理技术。

在2000年之前，EDI技术在电力、电子半导体等行业得到大量的应用，这种不需消耗化学品的技术被认为是解决由混床带来的化学品消耗、废液处理及满足环境排放要求的有效解决办法。

图1 传统EDI及FEDI工作原理图

但是由于EDI系统没有考虑到在设计条件下的进水水质特别是硬度、电导率、pH和硅的波动性，因此很多EDI系统没有达到预期性能。传统EDI的主要限制条件是即使很低浓度的硬度它也无法应对，需要频繁清洗。其他存在的问题是它无法应对进水水质的波动，无法很快地进行再生并很难从打乱的的状态下恢复。

分段式电除盐技术解决了 EDI的技术局限性，可以降低模块的结垢倾向，减少对模块的清洗，延长模块的使用寿命;对弱电解质特别是硅的去除效果更好，产水品质更优越;提高了模块对进水负荷波动的抗冲击能力，提高系统的运行稳定性和可靠性。在EDI技术中，有两种类型的离子需要被去除：强电解质离子(如Ca、Mg、SO4、Na、Cl、HCO3)和弱电解质离子(如CO2、硼和SIO2)。传统的EDI通过施加在模块上的同一个电流，以相同的方式去除强电解质离子和弱电解质离子，由于EDI模块浓水室的碱性条件，高回收率条件下会引起沉淀结垢，EDI在硬度方面的限制是不可避免的。

FEDI是两段处理过程，强电解质离子和弱电解质离子在不同的阶段去除。在第一段，大量的强电解质离子被去除，运行在低电压和电流条件下，只需消耗整个能量消耗的1/3，浓水室的酸性条件抑制了结垢的发生，由此提高了FEDI处理过程中更高的硬度承受能力，专利树脂填充技术更进一步降低了硬度结垢的可能性。 第二段去除弱电解质离子像硅和硼，由于经第一段已经去除了大量的强电解质离子，第二段被施加更高的电压和电流，确保第二段树脂始终处于高度再生状态，从而保证更优异的产水品质，此外，高PH值环境也有利于高效地去除硅和硼。与传统的EDI技术相比，FEDI以离子交换树脂材料为基体的坚固稳定的骨架对膜保持柔性的支撑更有利于其长期运行。FEDI膜片为坚固设计的内有编织物支撑的异相离子交换膜。

项目背景

布拉索斯电厂是自动发电控制的258 MW燃气联合循环发电厂，每年大约需要使用204 kt水，包括锅炉的蒸汽循环补充和燃气轮机氮氧化合物的控制，有一个3 785 t的储水箱。电厂于1997年建成投产，除盐车间包括一套双级渗透，中间有加碱装置，后面是EDI设备，除盐系统设计出力76 t/h，工厂试运行不久后发现EDI性能无法达到要求，于是租赁安装了一套混床以满足水质要求。

由于租赁混床设备成本高昂，电厂决定重新考虑电除盐技术，QUA的FEDI于2010年安装完成并投入运行，采用与原来老系统一样的反渗透产水，到目前为止FEDI系统已经运行了3年多，产水电阻率稳定在17 MΩ·cm，SiO2一致保持小于10 ppb。实际我们电阻率要求大于10 MΩ·cm 即电导率小于0.1 μS/cm 就可以。在这运行的3年中，系统从来没有进行清洗或再生的需求。

FEDI系统有两套，每套产水38 t/h，每套配置10个双电压模块，施加在FEDI模块每段上的电流可以单独控制。工厂运行的系统回收率为90%，排放的浓水可以被循环到反渗透前面回收利用，这样总体回收率超过98%，只有一点电极冲洗水的排放水耗。反渗透进水的水质条件如表1。

表1 反渗透进水水质

图2展示了一套FEDI系统的典型的工艺控制流程，进水(反渗透产水)被分成4个流路：淡水流路、浓水1流路(第一段)、浓水2流路(第二段)和极水流路，浓水和极水流路出来的水需要被排放，淡水流路出来的水是产水。一些必要的仪表和阀门也被标示出来，区别于传统的EDI的地方在于双电压模块在运行时有两路单独的浓水而不是传统EDI的一路浓水，两路浓水各有其不同的pH值，浓水1的pH值偏酸性而浓水2的pH值偏碱性。

图2 FEDI工艺流程

工厂运行情况

2010年和2011年运行日志将展示如下，截止2013年7月本文写成时，工厂设备仍然以同样的高效性能正常运行，其产水满足工厂的水质要求。如同文中所述，工厂现场有两套完全相同的出力的FEDI系统(系统1和系统2)，两套系统大部分时间都在同时运行。

FEDI系统1运行数据

系统1的电阻率和硅的2011年运行数据请见下面图3和图4，从图中可以看到，产水的电阻率一直保持稳定在17~18 MΩ.cm，产水的硅一直保持小于10 ppb。其中有一部分时间系统没有运行主要是由于那段时间不需要去离子水，那段时间没有数据记录可以从下表中的缺口处看出来。

系统1的电阻率和硅的2012年运行数据请见下面图5和图6，从图中可以看到，经过1年的运行后，系统产水的电阻率跟2011年性能一样一直保持稳定在17~18 MΩ·cm，硅的去除和2011年运行相比也保持同样的趋势(一直保持小于10 ppb)。

接下来我们想比较一下FEDI系统1这两年多以来运行的压力降，由此绘制了2011和2012年的系统1压差图表。

系统1的压力降在2011年和2012年(如图7和图8所示)两年间保持不变，基本维持在30 psi(207 kPa)左右，图表中显示的缺口主要是因为那段时间现场不需要去离子水，系统没有运行。

图3 2011年FEDI系统1-电阻率

图4 2011年FEDI系统1-硅

图5 2012年FEDI系统1-电阻率

图6 2012年FEDI系统1-硅

图7 2011年FEDI系统1-压力降

图8 2012年FEDI系统1-压力降

与9 2011年FEDI系统2-电阻率

图10 2011年FEDI系统2-硅

图11 2012年FEDI系统2-电阻率

　　图13 2011年FEDI系统2-压力降

FEDI系统2运行数据

系统2的电阻率和硅的2011年运行数据请见下面图9和图10，从图中可以看到，产水的电阻率一直保持稳定在17~18 MΩ·cm，产水的硅一直保持小于10 ppb。系统的性能达到用户关于产水电阻率和硅的要求。

从下图11和图12可以看出，2012年FEDI系统2产水的电阻率(始终保持稳定在17~18 MΩ·cm)和硅的水平(一直保持小于10 ppb)也和2011年性能一样保持一致，达到用户要求，使用户非常满意。同样地像前面陈述的，图表中的缺口代表那段时间系统没有运行。

系统2的压力降在2011年和2012年(如图13和图14所示),两年间跟系统1一样保持不变，基本维持在30 psi(207 kPa)左右，这表明FEDI系统不需要任何的清洗。

结语

布拉索斯电厂的这两套FEDI系统用以进一步提纯反渗透产水以满足锅炉补给水要求，每套系统出力为38 t/h，安装运行3年来的数据记录显示FEDI系统优秀的性能。FEDI模块在专利的双电压模式下运行，表现出持续一致的稳定性和耐用性。FEDI进水pH值在7左右，进水的SiO2为30~70 ppb，进水电导率约5 μS/cm ，产水电阻率始终保持在16 MΩ·cm 以上，SiO2 保持小于10  ppb。到目前为止，FEDI系统都没有进行过化学清洗。

各种形式的运行数据表格告诉我们，过去2年的压力降始终保持在30 psi(207 kPa)左右，这表明到目前为止都不需要任何的清洗和再生。除了有一些小的波动，截止目前，每套系统运行的吨水功耗稳定在0.15~0.18 kWh。

本文使用了2011年和2012年两年的运行数据，到目前为止，系统已经以相同的性能稳定运行了将近3年的时间。

纵观迄今为止的运行数据及展现的性能(将近3年)，我们可以得出一个结论：这套系统完美地满足了电厂的用水指标要求，双电压结构非常明确地帮助降低了结垢的产生，这可从这些年运行中的压力降没有增加看出来。FEDI 模块一直保持着连续的再生状态。

本文非常感谢布拉索斯电厂富有经验的工作人员对于FEDI系统正确的操作和细心的维护，特别是他们每日记录的工厂运行数据表，这是本文的重要基础。