［摘 要］文章分析了電力系統(tǒng)中CO2 捕集技術原理，建立了全面的性能評估體系，并提出了基于先進材料的優(yōu)化措施，包括吸附劑和膜分離材料的改進，以提高捕集設備的吸附和分離效率。同時，從工藝和控制系統(tǒng)出發(fā)，研究了工作參數(shù)調整、流程集成改良，以及自適應控制策略和智能監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)新。通過實驗設計和模擬驗證，驗證了這些優(yōu)化措施的有效性，為電力系統(tǒng)中CO2 捕集技術的可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。

［關鍵詞］CO2 捕集；電力系統(tǒng)；優(yōu)化措施

［中圖分類號］TM75 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0083–03

1 電力系統(tǒng)中CO2捕集技術原理

電力系統(tǒng)中CO2 捕集技術的原理基于在鍋爐內利用高濃度O2 與CO2 的混合氣體替代空氣與煤粉進行燃燒反應。該技術的關鍵在于通過工業(yè)級空分裝置獲取高濃度O2，同時通過煙氣循環(huán)方式從鍋爐排放的煙氣中回收CO2。通過不斷的CO2 循環(huán)和富集，使得煙氣中CO2 濃度逐漸提高，理論上可達到80% 以上。這種方法的優(yōu)勢在于便于進行CO2 的壓縮與分離，且具有成本低、易規(guī)?；?、適用于存量機組改造等特點。電力系統(tǒng)中CO2捕集技術原理如圖1 所示。

2 電力系統(tǒng)中CO2捕集設備性能評估

2.1 效率指標與評價體系

電力系統(tǒng)中CO2 捕集設備的性能評估是保障其在實際應用中取得良好效果的關鍵環(huán)節(jié)，涉及多方面的效率指標與評價體系。

在效率指標方面，需關注CO2 的捕集效率，即設備能夠從煙氣中有效捕集CO2 的百分比。這直接關系到設備的捕集能力和減排效果，是衡量設備性能優(yōu)劣的主要標志。此外，對其他有害氣體的去除效率也是必須考慮的因素，以確保排放的氣體符合相關標準。

在評價體系方面，需要綜合考慮設備的能耗，即在捕集CO2 的過程中消耗的能量。低能耗是提高設備經(jīng)濟性和環(huán)保性的重要手段，因此對捕集效率和能耗的平衡是評價體系中的核心之一。此外，還需關注捕集過程對設備自身造成的影響，包括材料磨損、設備結構變化等方面。系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也是評價體系中的關鍵指標。設備在長期運行中應具備抗干擾性，保證在不同工況下都具備較好的捕集效果。

2.2 現(xiàn)有設備性能分析

通過對現(xiàn)有CO2 捕集設備性能的深入分析，發(fā)現(xiàn)不同類型設備在捕集效率、能耗及穩(wěn)定性等方面呈現(xiàn)出明顯差異。以吸附法為例，部分引入先進吸附劑材料的設備顯著提升了捕集效率，并將CO2 去除率提高至90% 以上。然而，在吸附劑再生過程中，設備的能耗相應增加，這需要在效率和經(jīng)濟性之間尋求平衡。另外，膜分離技術在捕集效率上也取得了重要進展，但對于煙氣中其他成分的透過性及長期運行中的穩(wěn)定性仍需進一步改進。

在實際應用中，某些工藝優(yōu)化方案通過調整操作參數(shù)和改良流程集成，降低了設備的能耗，從而提高了整體性能。然而，部分設備在特定條件下仍存在一些挑戰(zhàn)，尤其是在CO2 高濃度條件下的穩(wěn)定性問題仍待解決。這表明在設備優(yōu)化過程中，需綜合考慮各項性能指標，以實現(xiàn)對不同場景的適應性和高效運行。

3 優(yōu)化措施

3.1 應用先進材料

3.1.1 優(yōu)化吸附劑材料

吸附劑材料的優(yōu)化是提升CO2 捕集效率的關鍵一環(huán)。通過精心設計和選擇吸附劑材料，可實現(xiàn)更高的吸附容量。通過理論計算和模擬，確定吸附劑的物理和化學性質，以更好地適應電力系統(tǒng)中的煙氣成分。利用原位光譜學和表征技術等實驗方法，分析吸附劑的結構和性能，從而了解其在捕集過程中的工作機制。在吸附劑的選擇上，可以考慮新型多孔材料，如金屬有機框架和共軛有機框架，其具有可調控的孔徑和化學結構，有望提高吸附容量。在吸附劑的表面改性方面，通過引入功能基團或改變結構，可調控吸附劑與CO2分子之間的相互作用，提高捕集效率。

3.1.2 膜分離材料改進

膜分離材料的改進是電力系統(tǒng)中CO2 捕集技術優(yōu)化的重要方向之一。在當前研究中，通過對膜分離材料的系統(tǒng)優(yōu)化和創(chuàng)新設計，旨在提高其對CO2 的選擇性、通透性及穩(wěn)定性。通過對膜材料的基本性質進行深入理解，包括孔徑分布、親/ 疏水性質等，通過理論計算和模擬手段，精確調控膜材料的微觀結構，以實現(xiàn)對CO2的高效分離。還可以引入新型功能性材料，如多孔有機聚合物和聚合物混合膜，通過調控其分子結構和孔隙性能，提高膜對CO2 的選擇性。在膜分離材料的制備上，采用先進的納米技術和膜浸漬方法，實現(xiàn)對膜表面的精細控制和功能化處理，提高膜的表面親和性。通過工藝參數(shù)（如溫度、壓力及流速等）的調整，優(yōu)化膜的制備過程，提高其穩(wěn)定性和耐用性。

3.2 工藝優(yōu)化

3.2.1 工作參數(shù)調整

在電力系統(tǒng)中，工藝優(yōu)化是CO2 捕集設備性能提升的重要環(huán)節(jié)之一，其中工作參數(shù)的調整是關鍵的優(yōu)化措施。工作參數(shù)的合理調整可顯著影響設備的運行效率和捕集性能。通過系統(tǒng)建模和仿真分析，確定各工作參數(shù)對設備性能的影響程度，主要包括溫度、壓力、流速等。通過實驗和數(shù)據(jù)分析，建立工作參數(shù)與CO2捕集效率的關聯(lián)性模型。

在實際操作中，可做以下調整：①通過提高吸附溫度優(yōu)化吸附過程，提高CO2 的選擇性；②調整吸附和解吸壓力，以實現(xiàn)更高效的CO2 捕集和釋放；③控制流速和流量分布，優(yōu)化傳質過程，提高設備的整體效能。總之，通過先進的過程監(jiān)控與自適應控制策略，實現(xiàn)對工作參數(shù)的在線調整，使其能夠適應不同條件下的電廠運行狀態(tài)，最大限度地提高捕集性能。

3.2.2 流程集成改良

流程集成改良旨在通過優(yōu)化設備內部流程和組件之間的協(xié)同作用，提高CO2 的捕集效率和設備整體性能。通過系統(tǒng)分析和模擬，確定捕集系統(tǒng)中各個組件之間的耦合關系和影響因素?；谶@些信息，設計并引入新的流程集成方案，以改善各個單元操作的協(xié)同效率。這可能涉及調整各單元的運行參數(shù)，優(yōu)化各組件的結構設計，以提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可控性。在流程集成改良的過程中，特別需要關注CO2 的吸附和解吸過程。通過優(yōu)化吸附劑的性質和選擇合適的膜分離材料，可以改善吸附和解吸的速率和效率。此外，通過流程集成改良，可以實現(xiàn)更高效的熱能利用，提高能源利用率，減少CO2捕集對電廠正常運行的影響。在設備運行過程中，采用先進的自適應控制策略，實時監(jiān)測流程中各個參數(shù)的變化，并對其進行調整，以保持最佳的工作狀態(tài)。

3.3 控制系統(tǒng)創(chuàng)新

3.3.1 自適應控制策略

在電力系統(tǒng)中，自適應控制策略的創(chuàng)新是CO2 捕集設備優(yōu)化的重要措施。自適應控制策略旨在通過實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)和環(huán)境變化，自動調整控制參數(shù)，以確保設備在不同工況下都能保持最佳性能。

自適應控制系統(tǒng)需要引入高精度的傳感器和先進的數(shù)據(jù)采集技術，以實時獲取系統(tǒng)內部各個參數(shù)的變化情況。這些傳感器可以監(jiān)測吸附劑的飽和度、溫度、壓力等關鍵參數(shù)，為自適應控制提供準確的反饋信息?；趥鞲衅鲗崟r采集的數(shù)據(jù)，自適應控制系統(tǒng)可利用先進的控制算法和人工智能技術，對設備的工作參數(shù)（如吸附劑材料的再生周期、工作溫度、吸附和解吸的速率等）進行動態(tài)調整。通過不斷學習和優(yōu)化，自適應控制系統(tǒng)能夠適應不同工況下的變化，最大程度地提高設備的捕集效率。自適應控制策略還可以與先進的人機交互界面相結合，實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)的可視化監(jiān)控。操作人員可以通過界面實時了解設備性能、系統(tǒng)狀態(tài)和異常情況，從而能夠及時干預和調整，確保設備安全穩(wěn)定運行。

3.3.2 智能監(jiān)測與反饋系統(tǒng)

智能監(jiān)測與反饋系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)中CO2 捕集設備優(yōu)化的重要措施，通過結合先進的監(jiān)測技術和反饋機制，致力于實現(xiàn)對設備運行狀況的智能化、實時化管理。該系統(tǒng)引入高精度的傳感器網(wǎng)絡，覆蓋到電力系統(tǒng)的各個關鍵環(huán)節(jié)，如吸附劑層、膜分離單元、循環(huán)系統(tǒng)等，以全方位感知設備內部參數(shù)。這些傳感器能夠實時監(jiān)測吸附劑的飽和度、溫度、壓力，以及膜分離的通量和選擇性等關鍵指標，以確保數(shù)據(jù)的準確性和全面性。通過物聯(lián)網(wǎng)技術，將傳感器獲取的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街悄鼙O(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺。該平臺具備大數(shù)據(jù)處理和分析的能力，可采用先進的數(shù)據(jù)挖掘和機器學習算法，對傳感器數(shù)據(jù)進行實時分析和建模。這種實時性的數(shù)據(jù)分析有助于發(fā)現(xiàn)設備運行中的異常和潛在問題，并能夠及時預測設備性能的變化趨勢。智能監(jiān)測與反饋系統(tǒng)的關鍵創(chuàng)新在于其反饋機制。系統(tǒng)根據(jù)分析結果實時生成優(yōu)化建議，并通過自適應控制系統(tǒng)與設備控制單元進行實時通信。這樣，系統(tǒng)能夠根據(jù)分析結果智能調整設備的操作參數(shù)，優(yōu)化吸附劑的利用效率，提高膜分離過程的效果，從而最大程度地提高捕集效率和降低能耗。

4 實驗模擬驗證

4.1 設備改進實驗設計

為了驗證CO2 捕集設備的改進效果，設計了一系列實驗。針對吸附法設備，文章選擇引入經(jīng)過優(yōu)化的吸附劑材料，并對其性能進行實驗驗證。實驗過程中，將設備置于不同CO2 濃度的煙氣環(huán)境中，監(jiān)測捕集效率、能耗及設備穩(wěn)定性的變化。對于膜分離技術，通過改良膜分離材料，著重考察其在高溫、高濕等復雜環(huán)境下的捕集性能。實驗模擬了真實電廠煙氣的復雜成分，評估膜分離設備對CO2 的選擇性和透過性。

4.2 實驗結果分析與對比

實驗結果見表1。

從實驗結果來看，改進膜分離技術相較于優(yōu)化吸附劑材料在捕集效率和能耗方面都取得了更好的表現(xiàn)。這表明膜分離技術在CO2捕集中具有較大的潛力，并且對設備的穩(wěn)定性也有積極的影響。

5 結束語

文章的研究為電力系統(tǒng)中CO2 捕集設備的優(yōu)化提供了全面而深入的認識，為未來進一步推動該技術的發(fā)展和應用提供了有力支持。在不斷探索創(chuàng)新的過程中，期待CO2 捕集技術能夠成為減緩氣候變化和實現(xiàn)碳中和的關鍵環(huán)節(jié)，為可持續(xù)發(fā)展貢獻更多的可能性。

參考文獻

[1] 張力婕，張英，黎曉璇. 二氧化碳捕集技術研究進展[J].中外能源，2023，28（12）：73-81.

[2] 劉雨詩，李晶晶，唐曉東. 離子液體吸收二氧化碳研究進展[J]. 精細石油化工，2023，40（6）：80-84.

[3] 王曉瓊，陳水挾. 二氧化碳捕獲材料的研究進展[J]. 離子交換與吸附，2023，39（5）：381-408.

[4] 王旭，楊昊，王滿倉，等. 燃氣電廠化學吸收二氧化碳捕獲系統(tǒng)運行參數(shù)與能耗分析[J]. 分布式能源，2023，8（5）：69-76.

[5] 賈凌寒. 淺談二氧化碳捕集和封存工藝研究現(xiàn)狀[J]. 皮革制作與環(huán)保科技，2023，4（18）：166-168.