CN109588052B - 用于评价二氧化碳分离膜组件性能的系统及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二氧化碳(CO2)分离膜组件性能评价系统及其装置。所述系统包括：模拟气体供应管道，用于模拟锅炉废气的气体组分并将模拟气体供应至组件单元部件；组件单元部件，包括一CO2分离膜组件，并使所述模拟气体渗透通过所述CO2分离膜组件，且单独地将已经渗透通过分离膜的渗透气体排放至渗透管道，以及单独地将未渗透通过所述分离膜的通过气体排放至通道管道；排放管道，用于将从所述渗透管道和所述通道管道排放的气体合并，并将合并气体排放至系统外部；分析器部件，用于收集每一种从供应管道供应至组件单元部件的气体、从组件单元部件排放的渗透气体以及从组件单元部件排放的通过气体，分析这些气体组分，并评价组件性能；精炼机部件，安装在每一个渗透管道、通道管道和排放管道中，并从通过每个管道的气体中除去污染物；测量器部件，使用安装在每一个气体供应管道、渗透管道、通道管道和排放管道中的测量仪器测量流速、温度和压力；控制器部件，基于从分析器部件和测量器部件收集的信息确定整个系统的状态，并产生与确定结果相对应的操作。

Description

用于评价二氧化碳分离膜组件性能的系统及其装置
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳(CO2)分离膜组件性能评价系统及装置。
背景技术
全世界正在努力减少二氧化碳(CO2)的排放，以减少全球变暖引起的快速气候变化。因此，对碳捕获与封存(CCS)技术的需求日益增长，该技术可从燃烧化石燃料产生的废气中捕获CO2。
传统的CCS技术包括：其中使废气与化学CO2吸收剂例如诸如胺、氨或碳酸钾接触的吸收技术；使用温度差或压力差其中使废气通过吸附剂的吸附技术，例如变压吸附(PSA)和变温吸附(TSA)；以及其中根据气体种类使用蒸气压差选择性地冷却和冷凝目标气体的低温技术。然而，这种传统的CCS技术具有高能耗且在处理能力或设施维护方面具有明显的限制。
新开发的一个CCS技术是CO2分离膜系统，它能够以低成本和高效率从燃煤电厂产生的废气中分离CO2。CO2分离膜利用废气中所包含的气体分子的大小差异和渗透率差异分离和捕获废气中的CO2。
通常，CO2分离膜系统使用组件单元部件，该组件单元部件将分离膜材料与支撑体等组合在内部压力容器中，使所注入的气体通过其中，捕获CO2，并然后排放CO2和过滤气体。CO2分离膜系统可通过根据操作条件和分离性能目标增加分离膜或组件的数量以相对简单的方式扩展设备和处理能力。
此外，CO2分离膜系统的优点在于其在能量方面非常高效，因为在CO2分离过程中它不涉及相变；它对环境友好，因为它不会在空气中排放有害物质并且不会排放废水；安装设备和设施相对容易，因为它是组件的形式；并且可以将其应用扩展至除了CO2捕获过程之外的其他气体捕获技术领域，例如气体精炼领域。
然而，由于CO2分离膜系统是最近引进的技术，因此在实际发电厂中还没有很多CO2分离膜系统的应用和商业化的情况。因此，非常需要CO2分离膜系统的持续研究和技术开发。
例如，对于CO2分离膜系统的商业化，应该以多个组件和多级分离膜工艺的设计方法为前提。为此，必须通过CO2分离膜组件的性能评价来获得实验数据。此外，为了提高分离膜组件的性能评价准确性，有必要评价实际操作环境中的废气中含有的诸如水分、灰尘、硫氧化物以及氮氧化物的杂质影响。然而，性能评价过程中产生的废气中的杂质可能导致评价装置的分离膜劣化，并因此可能损害实验者的安全性。
因此，对系统以及能够实现该系统的评价装置的需求不断增长，该系统能够实现与实际操作环境非常相似的性能评价条件、具有高性能评价的准确性和效率，并且能够安全地评价CO2分离膜组件性能而不会因任何风险因素导致事故。
发明内容
技术问题
本发明一方面提供一种二氧化碳(CO2)分离膜组件性能评价系统和二氧化碳分离膜组件性能评价装置，其能够实现与实际操作环境非常相似的性能评价条件，并且能够执行二氧化碳分离效率评价以及废气中的杂质对分离膜组件的影响评价。
本发明另一方面提供一种CO2分离膜组件性能评价系统及其装置，由于在性能评价之后从废气中除去了杂质，因此对环境友好，并且能够防止分离膜的劣化和组件的损坏。
技术方案
本发明的一个实施方案涉及一种二氧化碳(CO2)分离膜组件性能评价系统，包括：模拟气体供应管道，用于模拟锅炉废气的气体组分并将模拟气体供应至组件单元部件；组件单元部件，包括一CO2分离膜组件，并使所述模拟气体渗透通过所述CO2分离膜组件，且单独地将渗透通过分离膜的渗透气体排放至渗透管道，以及单独地将没有渗透通过所述分离膜的通过气体排放至通道管道；排放管道，用于将从所述渗透管道和所述通道管道排放的气体合并，并将合并气体排放至系统外部；分析器部件，用于收集每一种从供应管道供应至组件单元部件的气体、从组件单元部件排放的渗透气体以及从组件单元部件排放的通过气体，分析这些气体的组分，并评价组件性能；精炼机部件，安装在每一个渗透管道、通道管道和排放管道中，并从通过每一个管道的气体中除去污染物；测量器部件，使用安装在每一个气体供应管道、渗透管道、通道管道和排放管道中的测量仪器测量流速、温度和压力；控制器部件，基于从分析器部件和测量器部件收集的信息确定整个系统的状态，并产生与确定结果相对应的操作。
本发明的另一个实施方案包括一种CO2分离膜组件性能评价装置，包括：模拟气体供应管道，用于模拟锅炉废气的气体组分并将模拟气体供应至组件单元部件；组件单元部件，包括一CO2分离膜组件，并使所述模拟气体渗透通过所述CO2分离膜组件，且单独地将渗透通过分离膜的渗透气体排放至渗透管道，以及单独地将没有渗透通过所述分离膜的通过气体排放至通道管道；排放管道，包括一管道混合器，用于将从所述渗透管道和通道管道排放的气体合并，并将合并气体排放至系统外部；分析器部件，用于收集每一种从供应管道供应至组件单元部件的气体、从组件单元部件排放的渗透气体以及从组件单元部件排放的通过气体，分析这些气体的组分，并评价组件性能；精炼机部件，安装在每一个渗透管道、通道管道和排放管道中，并从通过每一个管道的气体中除去污染物；测量器部件，使用安装在每一个气体供应管道、渗透管道、通道管道和排放管道中的流量指示器、温度指示器和压力指示器测量流速、温度和压力；控制器部件，基于从分析器部件和测量器部件收集的信息确定整个系统的状态，并产生与确定结果相对应的操作。
有益效果
本发明可提供一种二氧化碳(CO2)分离膜组件性能评价系统及其装置，其能够实现与实际操作环境非常相似的性能评价条件、具有高精度和高效的性能评价、能够除去废气中的杂质、能够通过防止由于杂质引起的分离膜劣化来提高实验者的安全性，并且能够安全地评价CO2分离膜组件性能而不会由于任何风险因素引起事故。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施方案的二氧化碳(CO2)分离膜组件的性能评价流程图。
图2示出了根据本发明一个实施方案的CO2分离膜组件的性能评价装置。
具体实施方式
本发明的一个实施方案涉及一种二氧化碳(CO2)分离膜组件性能评价系统，包括：模拟气体供应管道，用于模拟锅炉废气的气体组分并将模拟气体供应至组件单元部件；组件单元部件，包括一CO2分离膜组件，并成使模拟气体渗透通过所述CO2分离膜组件，且单独地将渗透通过分离膜的渗透气体排放至渗透管道，以及单独地将没有渗透通过所述分离膜的通过气体排放至通道管道；排放管道，用于将从所述渗透管道和所述通道管道排放的气体合并，并将合并气体排放至系统外部；分析器部件，用于收集每一种从供应管道供应至组件单元部件的气体、从组件单元部件排放的渗透气体以及从组件单元部件排放的通过气体，分析这些气体的组分，并评价组件性能；精炼机部件，安装在每一个渗透管道、通道管道和排放管道中，并从通过每一个管道的气体中除去污染物；测量器部件，用于使用安装在每一个气体供应管道、渗透管道、通道管道和排放管道中的测量仪器测量流速、温度和压力；控制器部件，基于从分析器部件和测量器部件收集的信息确定整个系统的状态，并产生与确定结果相对应的操作。
通过这种方式，本发明可提供一种CO2分离膜组件性能评价系统，其能够实现与实际操作环境非常相似的性能评价条件、具有高精度和高效的性能评价，能够除去废气中的杂质，能够通过防止由于杂质引起的分离膜劣化来提高实验者的安全性，并且能够安全地评价CO2分离膜组件性能而不会由于任何风险因素引起事故。
模拟气体供应管道(下文简称供应管道)可包括：用于向供应管道供应CO2、氮气、氧气、硫氧化物(SOx)以及氮氧化物(NOx)中的一种或多种气体的气体供应器部件，以及用于将水分和灰尘中的一种或多种大气杂质供应至供应管道的杂质供应器部件。通过这种方式，CO2分离膜组件性能评价系统可通过使模拟气体不仅包括大气中包含的CO2、氮气和氧气，还包括作为污染物的硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、水分、灰尘等而产生与在实际操作环境中产生的废气非常相似的性能评价条件。
组件单元部件包括CO2分离膜组件，其经受性能评价，并使从供应管道供应的模拟气体渗透通过该CO2分离膜组件，且分别将已经渗透通过分离膜的渗透气体排放至渗透管道，和未能渗透通过分离膜的通过气体排放至通道管道。
另外，从渗透管道和通道管道排放的气体可最终通过排放管道排放至系统外部。在这种情况下，将从渗透管道、通道管道和排放管道排放的气体在通过精炼机部件中除去杂质后排放至系统外部，从而提高系统的环境友好性。
精炼机部件可通过使用设置在每一个渗透管道、通道管道和排放管道中的灰尘过滤器、冷却器、SOx除去塔和NOx除去塔中的一个或多个从CO2分离膜组件排放的气体中除去污染物。通过这种方式，CO2分离膜组件性能评价系统可在性能评价之后高效地从排放气体中除去杂质。
分析器部件可以收集每一种从供应管道供应至组件单元部件的气体、从组件单元部件排放的渗透气体以及从组件单元部件排放的通过气体，分析气体组分、评价组件性能，并将分析值传送至控制器部件。此外，收集方法没有特别限制，但是可以是安装在每一个供应管道、渗透管道、通道管道和排放管道的一个或多个或者两个或更多个样本端口，以收集待分析的气体样本。在这种情况下，样本端口可安装在每个管道的前端和后端，或者安装在每个管道中已安装设施的前端和后端。例如，供应管道中还可包括供水设施(例如供水单元)，并且在这种情况下，样本端口可安装在供应管道的供水单元的前端和后端，以进行分析。
测量器部件可使用安装在每个供应管道、渗透管道、通道管道和排放管道中的测量仪器来测量流速、温度和压力，并将测量值传送至控制器部件。此外，测量方法没有特别限制，但是可以是安装在每个供应管道、渗透管道、通道管道和排放管道中的一个或多个，或者两个或更多个测量仪器，以收集关于流速、温度和压力的信息。在这种情况下，测量仪器可以安装在每个管道的前端和后端，或者安装在每个管道中已安装的设施的前端和后端。例如，在渗透管道中可进一步包括精炼机部件设施，例如灰尘过滤器，并且在这种情况下，可在灰尘过滤器的前端和后端安装测量仪器以进行分析。
当所收集的信息满足以下方程式1至方程式3中的一个或多个时，已经接收到从分析器部件和/或测量器部件收集的信息的控制器部件可执行产生表示压力异常的警报操作。通过这种方式，CO2分离膜组件性能评价系统可确定是否需要除去污染物的过程、检测系统操作条件异常，以及确定是否需要改变操作条件。
[方程式1]
PRI-PPI≤SET_DPPR
[方程式2]
PF≥0.9×SET_PM
[方程式3]
PF-PRI≥0.9×SET_DPM
在方程式1至方程式3中，PF表示在组件单元部件的前端的供应管道的压力，PPI表示在精炼机部件的前端的渗透管道的压力，PRI表示在精炼机部件的前端的通道管道的压力；SET_DPPR表示通道管道和渗透管道之间的容许压差值，SET_PM表示供应管道的容许压力值，SET_DPM表示供应管道和通过管道之间的容许压差值。
具体地，PF是指注入组件单元的压力测量值，PPI是指从组件单元向渗透管道排放的压力的测量值，PRI是指从组件单元排放至通道管道的压力测量值。此外，SET_DPPR是指用户根据系统操作目标设置的通道管道和渗透管道之间的容许压差值，SET_PM是指用户根据系统操作目标设置的供应管道的容许压力值，以及SET_DPM是指用户根据系统操作目标设置的供应管道和通道管道之间的容许压差值。设定值没有特别限制，可以根据系统操作目标、系统状态和待评价的分离膜组件的特性来改变。
此外，当所收集的信息满足以下方程式4至方程式6中的一个或多个时，控制器部件可执行改变系统操作条件的操作。此外，控制器部件可产生其他警报以表示执行对策的时间。通过这种方式，CO2分离膜组件性能评价系统可确定是否需要除去污染物的过程并防止对待评价的分离膜组件的损坏。
[方程式4]
PRI-PPI<0
[方程式5]
PF≥SET_PM
[方程式6]
PF-PRI≥SET_DPM
在方程式4至方程式6中，PF、PPI、PRI、SET_PM以及SET_DPM与上述相同。
在一个具体实施例中，当所收集的信息满足方程式4时，控制器部件可改变系统操作条件，使得执行增加从渗透管道排放的气体量的操作。在这种情况下，可解除由于满足方程式4而产生的异常警报，并且可解除系统的异常操作状态。
在另一具体实施例中，当所收集的信息满足方程式5时，控制器部件可改变系统操作条件，使得执行以下操作：增加从通道排放的气体量的操作，降低从供应管道供应的气体流量或阻止气体流动的操作，阻止精炼机部件的操作等。在这种情况下，可以解除由于满足方程式5而产生的异常警报，并且可以解除系统的异常操作状态。
在又一具体实施例中，当所收集的信息满足方程式6时，控制器部件可以改变系统操作条件，使得执行以下操作：降低从供应管道供应的气体流量或阻止气体流动的操作，阻止精炼机部件操作等。在这种情况下，可以解除由于满足方程式6而产生的异常警报，并且可以解除系统的异常操作状态。
当所收集的信息满足以下方程式7和方程式8中的一个或多个时，控制器部件可以执行产生表示温度异常的警报的操作。按照这种方式，CO2分离膜组件性能评价系统可以确定是否需要除去污染物的过程、检测系统操作条件中的异常，以及确定是否需要改变操作条件。
[方程式7]
TP≥0.9×SET_MFM
[方程式8]
TR≥0.9×SET_MFM
在方程式7和方程式8中，TP表示在渗透管道中测量的温度，TR表示在通过管道中测量的温度，SET_MFM表示容许系统温度。
具体地，SET_MFM是指用户根据系统操作目标设置的系统温度值。这些设定值没有特别限制，可以根据系统操作目标、系统状态和待评价的分离膜组件的特性而改变。
当所收集的信息满足以下方程式9和方程式10中的一个或多个时，控制器部件可以执行改变系统操作条件的操作。此外，控制器部件可以产生其他警报以指示执行对策的时间。通过这种方式，CO2分离膜组件性能评价系统可以确定是否需要除去污染物的过程并防止分离膜的劣化和对分离膜组件的损坏。
[方程式9]
TP≥SET_MFM
[方程式10]
TR≥SET_MFM
在方程式9和方程式10中，TP、TR以及SET_MFM与上述项相同。
在一个具体实施例中，当所收集的信息满足方程式9和方程式10中的任何一个时，控制器部件可以改变系统操作条件，使得执行降低通过渗透管道或通道管道的气体的温度的操作。在这种情况下，可以解除由于满足方程式9或方程式10而产生的异常警报，并且可以解除系统的异常操作状态。
当所收集的信息满足以下方程式11至方程式14中的一个或多个时，控制器部件可以执行产生表示精炼机部件异常的警报的操作。通过这种方式，分离膜组件性能评价系统可以确定是否需要除去污染物的过程、检测系统操作条件中的异常，以及确定是否需要改变操作条件。
[方程式11]
C_SOX≥0.9×SET_CSOX
[方程式12]
C_NOX≥0.9×SET_CNOX
[方程式13]
PPI-PPO≥0.9×SET_DPF
[方程式14]
PRI-PRO≥0.9×SET_DPF
在方程式11至方程式14中，PPI表示在精炼机部件的前端的渗透管道的压力，PPO表示在精炼机部件的后端的渗透管道的压力，PRI表示在精炼机部件的前端的通道管道的压力，PRO表示在精炼机部件的后端的通道管道的压力，C_SOX表示在排放管道中测量的SOx浓度，C_NOX表示在排放管道中测量的NOx浓度，SET_CSOX表示容许SOx排放值，SET_CNOX表示容许NOx排放值，以及SET_DPF表示精炼机部件的容许压差值。
具体地，PPI、PPO、PRI、PRO、C_SOX和C_NOX是测量值，以及SET_CSOX和SET_DPF是用户根据系统操作目标而设置的设置值。可以根据系统操作目标、系统状态和待评价的分离膜组件的特性来改变设定值。
当所收集的信息满足以下方程式15至方程式18中的一个或多个时，控制器部件可以执行改变系统操作条件的操作。此外，控制器部件可以产生其他警报以指示执行对策的时间。通过这种方式，CO2分离膜组件性能评价系统可以确定是否需要除去污染物的过程，控制从待排放的废气中除去污染物的程度，以及防止对分离膜组件的损坏。
[方程式15]
C_SOX≥SET_CSOX
[方程式16]
C_NOX≥SET_CNOX
[方程式17]
PPI-PPO≥SET_DPF
[方程式18]
PRI-PRO≥SET_DPF
在方程式15至方程式18中，PPI、PPO、PRI、PRO、C_SOX、C_NOX、SET_CSOX、SET_CNOX以及SET_DPF与上述项相同。
在一个具体实施例中，当所收集的信息满足方程式15和方程式16中的任何一个时，控制器部件可以执行减少喷射至排放管道的排放气体量的操作或者增加从精炼机部件除去SOx和/或NOx的量的操作。在这种情况下，可以解除由于满足方程式15或方程式16而产生的异常警报，并且可以解除系统的异常操作状态。
在另一具体实施例中，当所收集的信息满足方程式17和方程式18中的任何一个时，控制器部件可以改变系统操作条件，使得执行：降低从供应管道供应的气体流速或阻止气体流动的操作、阻止精炼机部件运行的操作等。在这种情况下，可以解除由于满足方程式17和方程式18而产生的异常警报，并且可以解除系统的异常操作状态。
图1示出了根据本发明的CO2分离膜组件性能评价系统的控制器部件的流程图。参看图1，可以通过在系统操作期间输入到控制器部件来设置由用户确定的与方程式1至方程式18中的变量的容许值(设定值)相关的值。此外，系统的分析器部件和测量器部件收集所收集的样本的组分和组分(浓度)的分析值以及由每个测量仪器测量的关于流速、压力和温度的信息。如上所述，将所收集的信息发送至控制器部件，并且确定所收集的值是否满足上面的方程式1到方程式18。当所收集的信息满足方程式1至方程式18中的任何一个时，产生警报。
在一个具体实施例中，当发送到控制器部件的信息不满足上述方程式1到方程式18中的任何一个时，在大约10秒或用户确定的适当时间之后，系统的分析器部件和测量器部件重新收集信息。通过这种方式，系统可以连续地监测分离膜组件的性能并有效控制系统的运行状态。
在另一个具体实施例中，当所收集的信息满足方程式1至方程式3，方程式7和方程式8以及方程式11至方程式14中的任何一个警报生成参考方程式时，产生与系统的操作状态中的异常有关的警报。在产生警报之后，系统的分析器部件和测量器部件在大约10秒或用户确定的适当时间之后重新收集信息。通过这种方式，系统可以连续地监测系统的操作状态。
在又一个具体实施例中，当产生基于任何警报生成方程式的警报之后，所收集的信息满足方程式4至6，方程式9和10以及方程式15至18中的任何一个操作生成参考方程式，可以另外产生操作生成警报，并且可以产生适合每个方程式的上述对策以解决系统操作中的异常。通过这种操作控制，可以通过防止由于杂质导致的分离膜劣化而改善实验者的安全性，并且可以安全地评价CO2分离膜组件性能而不会由于任何风险因素引起事故。在通过所述对策解决系统操作中的异常之后，系统的分析器部件和测量器部件可以在大约10秒或用户确定的适当时间之后重新收集信息。通过这种方式，系统可以连续地监测系统操作中异常的存在。
本发明的另一个实施方案涉及一种用于上述CO2分离膜组件性能评价系统的装置。该CO2分离膜组件性能评价装置可包括：模拟气体供应管道，用于模拟锅炉废气的气体组分并将模拟气体供应至组件单元部件；组件单元部件，包括一CO2分离膜组件，并使模拟气体渗透通过所述CO2分离膜组件，且单独地将渗透通过分离膜的渗透气体排放至渗透管道，以及单独地将没有渗透通过所述分离膜的通过气体排放至通道管道；排放管道，包括一管道混合器，用于将从所述渗透管道和所述通道管道排放的气体合并，并将合并气体排放至系统外部；分析器部件，用于收集每一种下述气体：从供应管道供应至组件单元部件的气体、从组件单元部件排放的渗透气体，以及从组件单元部件排放的通过气体，分析这些气体的组分，并评价组件性能；精炼机部件，安装在每一个渗透管道、通道管道和排放管道中，并用于从通过这些管道的气体中除去污染物；测量器部件，使用安装在每一个气体供应管道、渗透管道、通道管道和排放管道中的流量指示器、温度指示器和压力指示器测量流速、温度和压力；以及控制器部件，用于基于从分析器部件和测量器部件收集的信息确定整个系统的状态，并产生与确定结果相对应的操作。
CO2分离膜组件性能评价装置包括：模拟气体供应管道，用于根据功能产生模拟气体并将所产生的模拟气体供应至组件单元部件；组件单元部件，包括CO2分离膜组件，以及包括渗透管道和排放管道，用于排放已经渗透通过CO2分离膜组件的气体和已经通过组件单元部件而没有渗透通过CO2分离膜组件的气体，并且排放管道用于将已经通过组件单元部件的气体合并，并将合并气体排放至系统外部。
具体地，模拟气体供应管道可包括：气体供应装置，用于供应CO2、氮气、氧气、硫氧化物(SOx)以及氮氧化物(NOx)中的一种或多种气体；管道混合器，用于将上述气体中的两种或更多种混合并供应该混合气体；供水单元和灰尘供应单元中的一个或多个杂质供应装置，用于向从气体供应装置排放的气体供应大气杂质；管道加热器，用于调节模拟气体的温度；以及供应阀，安装在组件单元部件的前端，以控制供应管道的打开和关闭。
具体地，组件单元部件可包括分别安装在渗透管道和通道管道上并用于控制渗透管道和通道管道打开的渗透阀和通道阀，以及用于控制渗透管道和通道管道中的流速的渗透流量调节器和通道流量调节器。
具体地，精炼机部件可包括污染物除去除去装置、冷却器和/或吸收塔，以及除去塔，其中污染物除去装置包括用于从通过管道的气体中除去灰尘的一个或多个灰尘过滤器，冷却器和/或吸收塔用于除去水分，以及除去塔用于除去SOx和/或NOx。
图2示出了根据本发明的CO2分离膜组件性能评价装置。参看图2，模拟气体供应管道可包括气体供应装置，用于供应CO2、N2、O2、SOx和NOx中的一种或多种气体。气体供应装置可包括压力调节器101和流量调节器102并控制CO2、N2、O2、SOx和NOx的浓度。从气体供应装置供应的CO2、N2、O2、SOx和NOx中的两种或更多种气体可以根据用户设定的模拟废气的浓度通过管道混合器103进行混合。大气杂质可经由供水单元104和灰尘供应单元105中的一个或多个杂质供应装置供应到从气体供应装置排放的气体中。在这种情况下，例如，在模拟气体供应管道中，诸如样本端口S的分析器部件设施可以安装在杂质供应装置的前端、杂质供应装置的后端，或者多个杂质供应装置之间，以收集样本。通过这种方式，可以分析通过设置在管道中的每个设施的样本的组分和成分(浓度)以控制模拟气体的成分，并且可以评价CO2分离膜组件的性能。此外，诸如流量指示器、温度指示器和压力指示器的测量器部件设施可以安装在供应管道中以测量流量、温度以及压力。在这种情况下，每一个流量指示器401、温度指示器TI和压力指示器PI中的一个或多个(例如两个或更多个)可以安装在已安装在供应管道中的每个设施的前端和后端。当模拟气体通过管道加热器106时，供应有杂质的模拟气体的温度可以升高到与实际排气温度相同的温度。模拟气体供应管道可以包括设置在连接组件单元部件的供应管道的后端和组件单元部件的前端的供应阀，以控制供应管道的打开和关闭。通过这种方式，可以控制传递到组件单元部件的气体流速。
组件单元部件包括经受性能评价的CO2分离膜组件201。该分离膜组件使从供应管道接收的模拟气体渗透通过分离膜，并然后分别将渗透气体排放至渗透管道，以及将未通过分离膜的通过气体排放至通道管道。在图2的分离膜组件201中，将模拟气体从组件的左侧注入，将通过气体排放至组件右侧的通道管道，并将渗透气体排放至组件上部的渗透管道。在渗透管道和通道管道中，可安装用于控制渗透管道和通道管道的打开和关闭的渗透阀和通道阀和渗透流量调节器以及通道流量控制器部件等以调节流速和系统操作。样本收集器可以安装在每一个渗透管道和通道管道中以分析通道管道的样本的成分和组分(浓度)，并且通过这种方式，可以评价CO2分离膜组件的性能。此外，流量指示器、温度指示器以及压力指示器安装在每个渗透管道和通道管道中以测量流速、温度和压力。在这种情况下，每个流量指示器401、温度指示器TI和压力指示器PI中的一个或多个(例如两个或多个)可以安装在安装有渗透管道或者通道管道的每个设施的前端和后端。此外，流量指示器401、真空泵501、背压调节器502等还可安装在渗透管道和通道管道中，从而提高系统控制功能。
排放管道可将通道管道混合器将从渗透管道通道管道和排放的气体的合并，并将合并气体排放至系统外部。样本端口S可以安装在排放管道中以分析通道管道的样本的成分和组分(浓度)，并且通过这种方式，可以评价CO2分离膜组件的性能。此外，诸如流量指示器、温度指示器和压力指示器的测量器部件设施可以安装在排放管道中以测量流量、温度和压力。在这种情况下，每个流量指示器401、温度指示器TI和压力指示器PI中的一个或多个(例如两个或更多个)可以安装在安装有排放管道的每个设施的前端和后端。
精炼机部件安装在每一个渗透管道、通道管道和排放管道中，以从通道这些管道的气体中除去污染物。精炼机部件可包括污染物除去装置，该污染物除去装置包括一个或多个灰尘过滤器、冷却器以及除去塔，灰尘过滤器用于将从通过每一个渗透管道、通道管道和排放管道中的气体中除去灰尘，冷却器用于除去水分，以及除去塔用于除去SOx和NOx。
另外，本发明的分离膜组件性能评价系统装置还可以包括输出单元(例如，显示装置)，其能够基于是否满足任何方程式来显示操作状态。例如，可以在输出单元上显示表示产生警报的情况、产生操作警报的情况以及由控制器部件产生的操作等的字母、符号、图表等，但是实施方案并不限于此。
例如，本发明的上述CO2分离膜组件性能评价系统可以通过上述本发明的CO2分离膜组件性能评价装置进行。在这种情况下，系统和设备根据方程式1至方程式18确认由上述测量器部件和分析器部件收集的信息，并且产生相应的警报。因此，系统和设备可以产生控制系统的对策。
例如，当通过图2的示例性装置执行本发明的上述CO2分离膜组件性能评价系统时，可以根据如下表1所示的相应参考方程式产生警报或者可产生操作。
表1
Figure BDA0001941852840000141
Figure BDA0001941852840000151
Figure BDA0001941852840000161
例如，当所收集的信息满足方程式1时，当在精炼机部件(灰尘过滤器)前端的通道管道(PRI)的压力与在精炼机部件(灰尘过滤器)的前端的渗透管道的压差为设定值(SET_DPPR)或者比设定值(SET_DPPR)更低时，可以产生表示压力状态异常的警报(DP低警报)。此外，当所收集的信息满足方程式4时，可以在生成指示压力状态异常的操作警报(DP低警报)的同时执行从渗透管道的管道强制排放气体的操作。通过这种方式，其中满足方程式1或方程式4的情况可以是下述情况：在正常操作的情况下不会发生的情况，但是在分离组件中的压力存在并且真空泵未操作的情况下经过一定时间之后当通道管道中的气体排放至大气可能发生的情况。在这种情况下，分离膜组件可以达到与典型操作条件相反的压力状态，并且分离膜可能被损坏。然而，本发明的系统控制了与其相关的警报和对策，从而防止了这种损坏。
例如，当所收集的信息满足方程式2时，当在组件单元部件(PF)的前端的供应管道的压力超过通过供应管道注入组件单元部件的气体的容许压力值(SET_PM)的90％时，可能产生表示注入气体的压力高(P高)的警报。此外，当所收集的信息满足方程式5时，通过同时产生表示压力状态异常(P非常高)的操作警报和产生阻止流量调节器、灰尘发生器和管道加热器的操作，并且强行从通道排放流体，可以防止由于过高的压力作用在分离膜组件上而对分离膜造成的损坏。
例如，当所收集的信息满足方程式3时，在组件单元部件(PF)的前端的供应管道的压力与在精炼机部件(PPI)的前端的渗透管道的压力的压差超过供应管道和通道管道之间的容许压差值(SET_DPM)的90％的情况下，可能产生表示组件之间的压差高(组件DP高)的警报。此外，当所收集的信息满足方程式6时，通过同时产生表示组件之间的压差高的操作警报(组件DP非常高)和阻止流量调节器、灰尘发生器以及线加热器的操作，可以处理组件中的灰尘积聚和其他异常情况。
例如，当温度信息(其值根据安装在流量指示器401的温度指示器和安装在通道管道或渗透管道中的流量指示器401的前端输入)满足方程式7和方程式8中的一个或更多个时，当温度为容许系统温度的90％或更高时(SET_MFM)时，可能产生表示温度高(MFM T高)的警报。当温度信息满足方程式9和方程式10中的一个或多个时，可能产生表示进入流量指示器的气体温度高(MFM T非常高)的操作警报，可以运行冷却器，并且可以阻止管道加热器以防止由于温度过度升高而导致的膜劣化，保护流量指示器的面板以及防止火灾。
例如，当在排放管道的样本端口中分析的样本的SOx浓度和NOx浓度(C_SOX和C_NOX)满足方程式11和方程式12中的一个或多个时，当排放的SOx或NOx的量是容许SOx排放值(SET_CSOX)的90％或者容许NOx(SET_CNOX)排放值的90％时，可能产生排放SOx或NOx过量的警报。此外，当所收集的信息满足方程式15和方程式16中的一个或多个时，通过产生表示SOx或者NOx排放过量(SOx/NOx非常高)并执行阻止SOx流量指示器和NOx流量指示器的操作的操作警报，可阻止其中SOx/NOx除去塔303不会执行并因此将污染物释放至大气的情况。
例如，当所收集的在精炼机部件的前端的渗透管道的压力(PPI)、在精炼机部件后端的渗透管道的压力(PPO)、在精炼机部件前端的通道管道中压力(PRI)以及在精炼机部件的后端的通道管道的压力(PRO)满足方程式13和方程式14中的任一项时，可能产生表示精炼机部件的压差高的警报。在这种情况下，精炼机部件可以是灰尘过滤器。在这种情况下，可以进一步改善防止过滤器损坏和除去除去通过控制作为精炼机部件的灰尘过滤器的前端的压力而产生的杂质的效果。此外，当所收集的在精炼机部件的前端的渗透管道的压力(PPI)、在精炼机部件的后端的渗透管道的压力(PPO)、在精炼机部件前端的通道管道的压力(PRI)以及在精炼机部件的后端的通道管道的压力(PRO)满足方程式17和方程式18中的任一项时，可能产生警报(过滤器DP非常高)并且可执行阻止流量调节器、灰尘发生器以及管道加热器的操作，以防止其中由于增加压差而增加注入气体的压力的情况。
(附图标记的描述)
101：压力调节器
102：流量调节器
103：管道混合器
104：供水单元
105：灰尘发生单元
106：管道加热器
201：分离膜组件
301：灰尘过滤器
302：冷却器
303：SOx/NOx除去塔
401：流量指示器
501：真空泵
502：背压调节器
TI：温度指示器
PI：压力指示器
S：样本端口

Claims (13)

1.一种用于评价二氧化碳(CO2)分离膜组件性能的系统，所述系统包括：
模拟气体供应管道，用于模拟锅炉废气的气体成分并将模拟气体供应至组件单元部件；
组件单元部件，包括一CO2分离膜组件，并使模拟气体渗透通过所述CO2分离膜组件，且单独地将已经渗透通过分离膜的渗透气体排放至渗透管道，以及单独地将未渗透通过分离膜的通过气体排放至通道管道；
排放管道，用于将从所述渗透管道和所述通道管道排放的气体合并，并将合并气体排放至系统外部；
分析器部件，用于收集每一种从供应管道供应至所述组件单元部件的气体、从所述组件单元部件排放的渗透气体以及从所述组件单元部件排放的通过气体，分析所述气体的成分并评价组件性能；
精炼机部件，安装在每一个所述渗透管道、所述通道管道和所述排放管道中，并从通过每个管道的气体中除去污染物；
测量器部件，使用安装在每个所述气体供应管道、所述渗透管道、所述通道管道和所述排放管道中的测量仪器来测量流速、温度和压力；以及
控制器部件，基于从所述分析器部件和所述测量器部件收集的信息确定整个系统的状态，并产生与确定结果相对应的操作。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述模拟气体供应管道包括：
气体供应器部件，用于向所述模拟气体供应管道供应CO2、氮气、氧气、硫氧化物(SOx)以及氮氧化物(NOx)中的一种或多种气体；以及
杂质供应器部件，用于向所述模拟气体供应管道供应水分和灰尘中的一种或多种大气杂质。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述精炼机部件通过使用设置在每一个所述渗透管道、所述通道管道和所述排放管道中的一个或多个灰尘过滤器、水分冷却器、水分吸收塔、SOx除去塔和NOx除去塔除去从CO2分离膜组件排放的气体中的污染物。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，当所收集的信息满足以下方程式1至方程式3中的一个或多个时，所述控制器部件执行产生表示压力异常的警报操作：
[方程式1] PRI-PPI≤SET_DPPR
[方程式2] PF≥0.9×SET_PM
[方程式3] PF-PRI≥0.9×SET_DPM,
在方程式1至方程式3中，其中
PF表示在所述组件单元部件的前端的供应管道的压力；
PPI表示在所述精炼机部件的前端的渗透管道的压力；
PRI表示在所述精炼机部件的前端的通道管道的压力；
SET_DPPR表示在所述通道管道和渗透管道之间的容许压差值；
SET_PM表示供应管道的容许压力值；以及
SET_DPM表示供应管道和通道管道之间的容许压差值。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，当所收集的信息满足以下方程式4至方程式6中的一个或多个时，所述控制器部件执行改变系统操作条件的操作：
[方程式4] PRI-PPI<0
[方程式5] PF≥SET_PM
[方程式6] PF-PRI≥SET_DPM
在方程式4至方程式6中，其中
PF表示在所述组件单元部件的前端的供应管道的压力；
PPI表示在所述精炼机部件的前端的渗透管道的压力；
PRI表示在所述精炼机部件的前端的通道管道的压力；
SET_PM表示所述供应管道的容许压力值；以及
SET_DPM表示在所述供应管道和通道管道之间的容许压差值。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，当所收集的信息满足以下方程式7和方程式8中的一个或多个时，所述控制器部件执行产生表示温度异常的警报操作：
[方程式7] TP≥0.9×SET_MFM
[方程式8] TR≥0.9×SET_MFM
在方程式7至方程式8中，其中
TP表示在所述渗透管道中测量的温度；
TR表示在所述通道管道中测量的温度；以及
SET_MFM表示容许系统温度。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，当所收集的信息满足以下方程式9和方程式10中的一个或多个时，所述控制器部件执行改变系统操作条件的操作：
[方程式9] TP≥SET_MFM
[方程式10] TR≥SET_MFM
在方程式9至方程式10中，其中
TP表示在所述渗透管道中测量的温度；
TR表示在所述通道管道中测量的温度；以及
SET_MFM表示容许系统温度。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，当所收集的信息满足以下方程式11至方程式14中的一个或多个时，所述控制器部件执行产生表示精炼机部件异常的警报操作：
[方程式11] C_SOX≥0.9×SET_CSOX
[方程式12] C_NOX≥0.9×SET_CNOX
[方程式13] PPI-PPO≥0.9×SET_DPF
[方程式14] PRI-PRO≥0.9×SET_DPF
在方程式11至方程式14中，其中
PPI表示在所述精炼机部件的前端的渗透管道的压力；
PPO表示在所述精炼机部件的后端的渗透管道的压力；
PRI表示在所述精炼机部件的前端的通道管道的压力；
PRO表示在所述精炼机部件的后端的通道管道的压力；
C_SOX表示在所述排放管道中测量的SOx浓度；
C_NOX表示在所述排放管道中测量的NOx浓度；
SET_CSOX表示容许SOx排放值；
SET_CNOX表示容许NOx排放值；以及
SET_DPF表示所述精炼机部件的容许压差值。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，当所收集的信息满足以下方程式15至方程式18中的一个或多个时，所述控制器部件执行改变系统操作条件的操作：
[方程式15] C_SOX≥SET_CSOX
[方程式16] C_NOX≥SET_CNOX
[方程式17] PPI-PPO≥SET_DPF
[方程式18] PRI-PRO≥SET_DPF
在方程式15至方程式18中，其中
PPI表示在所述精炼机部件的前端的渗透管道的压力；
PPO表示在所述精炼机部件的后端的渗透管道的压力；
PRI表示在所述精炼机部件的前端的通道管道的压力；
PRO表示在所述精炼机部件的后端的通道管道的压力；
C_SOX表示在所述排放管道中测量的SOx浓度；
C_NOX表示在所述排放管道中测量的NOx浓度；
SET_CSOX表示容许SOx排放值；
SET_CNOX表示容许NOx排放值；以及
SET_DPF表示所述精炼机部件的容许压差值。
10.一种用于评价二氧化碳(CO2)分离膜组件性能的装置，所述装置包括：
模拟气体供应管道，用于模拟锅炉废气的气体成分并将模拟气体供应至组件单元部件；
组件单元部件，包括一CO2分离膜组件，并使所述模拟气体渗透通过所述CO2分离膜组件，且单独地将渗透通过所述分离膜的渗透气体排放至渗透管道，以及单独地将未渗透通过所述分离膜的通过气体排放至通道管道；
排放管道，用于将从所述渗透管道和所述通道管道排放的气体合并，并将合并气体排放至系统外部；
分析器部件，用于收集每一种从供应管道供应至所述组件单元部件的气体、从所述组件单元部件排放的渗透气体以及从所述组件单元部件排放的通过气体，并分析所述气体成分，和评价所述组件性能；
精炼机部件，安装在每一个所述渗透管道、所述通道管道和所述排放管道中，并从通过每个管道的气体中除去污染物；
测量器部件，使用安装在每一个所述供应管道、所述渗透管道、所述通道管道和所述排放管道中的流量指示器、温度指示器和压力指示器测量流速、温度和压力；以及
控制器部件，基于从所述分析器部件和所述测量器部件收集的信息确定整个系统的状态，并产生与确定结果相对应的操作。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述模拟气体供应管道包括：
气体供应装置，用于供应CO2、氮气、氧气、硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)中的一种或多种气体；
管道混合器，用于混合两种或多种气体并供应混合气体；
供水单元和灰尘供应单元中的一个或多个杂质供应装置，用于向从所述气体供应装置排放的气体供应大气杂质；
管道加热器，用于调节模拟气体的温度；以及
供应阀，安装在所述组件单元部件的前端，以控制所述供应管道的打开和关闭。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述组件单元部件包括分别安装在所述渗透管道和所述通道管道上并用于控制所述渗透管道和所述通道管道的打开和关闭的渗透阀和通道阀，以及用于控制所述渗透管道和所述通道管道中的流速的渗透流量调节器和通道流量调节器。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，所述精炼机部件包括污染物除去装置，包括一个或多个灰尘过滤器、水分冷却器、水分吸收塔、SOx除去塔和NOx除去塔，所述灰尘过滤器用于从通过所述管道的气体中除去灰尘。
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