考虑热泵设置的换热网络分步改造及其多目标优化策略

为了研究热泵设置对换热网络系统节能和CO₂减排的综合影响,建立了以换热网络年度化的改造费用和新增CO₂排放量最小为目标的多策略分步改造的多目标优化模型。以酮苯脱蜡装置的换热网络改造为例,阐明了本文所提方法的有效性,并获得了经济性和CO₂排放量目标权衡的Pareto曲线。本文还对热泵在换热网络中的设置位置进行了讨论,对比和分析了换热网络优化、热泵设置和燃料替换3种改造策略的经济性、减排效果以及节能效果。该方法可为过程工业系统的节能和CO₂排放控制策略的制定提供理论依据。     

数据驱动的跨临界CO2热泵多目标优化设计

针对跨临界CO₂热泵成本过高与占用空间大等问题,提出了一种基于经济性与实用性的数据驱动跨临界CO₂热泵多目标优化设计方法。本文通过对跨临界CO₂热泵进行性能模拟获得大量的驱动数据,然后经由BP神经网络构建跨临界CO₂热泵的热力学预测模型,并且从投资、运营、环境以及空间占用等多角度建立跨临界CO₂热泵的多目标优化模型。最后以住宅用户最关心的总年度成本与水箱容积为设计优化目标,通过精英策略非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）与TOPSIS决策法进行最优设计方案求解。案例研究表明,占用空间小、总年度成本低的最优设计方案的水箱体积为0.235m³、总年度成本为958.1USD/a。且通过分析设计参数对优化目标的影响,发现水箱保温层厚度的影响主要集中在一个较优区域,水箱直径与高度的影响较大,而气冷器换热温差的影响较小。     

基于非支配排序遗传算法的乙苯脱氢工艺条件优化

为提高现有乙苯脱氢制苯乙烯生产装置的生产率和节能水平,优化技术是一种有效的技术手段。基于改进的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)研究了乙苯脱氢工艺条件的优化问题。把乙苯脱氢反应过程的转化率、选择性作为优化目标,动力学模型以及实际生产状况作为约束条件,构造乙苯脱氢过程的多目标优化问题。基于NSGA-Ⅱ算法求解得到的优化问题的Pareto最优集,分析了各个操作条件对乙苯脱氢生产过程转化率和选择性的影响,最后利用模糊综合评价法,为合理决策提供了有效的依据。结果表明NSGA-Ⅱ具有良好的全局优化性能,运用该算法可在不同的操作约束条件下,求解得到相应的满意解。     

典型现代煤化工过程的二氧化碳排放比较

基于低碳经济发展的要求,对几种典型煤化工过程中的CO₂排放情况进行了分析,提出科学比较现代煤化工过程的CO₂排放量。对于煤制烯烃、煤制乙二醇等煤基化学品而言,使用单位热值CO₂排放量作为评价指标并不合适。基于煤基燃料产品和化学品的不同特点,结合我国碳排放强度的控制目标,本文探索采用单位产值CO₂排放量和单位工业增加值CO₂排放量作为补充指标,用以比较研究不同现代煤化工过程的低碳水平和碳排放强度。研究结果表明,用不同的指标来衡量比较现代煤化工过程的CO₂排放量,得到的结果不同。煤制甲醇、煤制二甲醚的吨产品CO₂排放量虽然较低,分别为3.85t和5.0t,但单位热值CO₂排放量较高,分别为0.159t/GJ和0.160t/GJ。在80美元/bbl和40美元/bbl的原油价格体系下,煤制天然气和煤制甲醇的单位产值和单位工业增加值CO₂排放量均高于其他现代煤化工产品。     

典型核电国家温室气体排放现状

通过分析全球能源消费数据和核电数据,得到了核电发展最快、核电反应堆关闭最快、核电装机量最大和核电占比最大等特征的典型核电国家。对这些国家的能源结构、电力组成、CO₂排放和核电减排作用进行了深入研究。通过研究得到:电力是各国CO₂排放的主要源头,但单位发电量的CO₂放电量均呈逐年下降趋势,这和各国能源结构调整存在密切关系;美国是人均CO₂排放第一大国,但韩国人均CO₂排放量增速最快;基于煤电CO₂排放因子,2011年全球核电CO₂年减排量约占全球年总排放量8.3%,而中国核电CO₂年减排量占国内总排放量的1.1%。     

CO2加氢制甲醇反应动力学及工艺能耗优化

为应对全球气候变暖等环境问题,碳捕集、利用和封存(CCUS)技术得到了越来越多的关注。CO₂加氢制甲醇既可以实现CO₂资源化利用,也可实现可再生能源的化学储存,是一种重要的CCUS技术。为探索优化CO₂加氢制甲醇的工艺,在固定床反应器中测试了商用Cu-ZnO/Al₂O₃催化剂在CO₂加氢制甲醇过程中的催化性能。探究了催化剂在448.15～543.15 K,1～3 MPa, H₂、CO₂物质的量比3～9的催化效果。结果表明,CO₂转化率随反应温度升高而增加;甲醇选择性主要受温度和氢碳物质的量比影响：温度越高甲醇选择性越低,氢碳物质的量比越大甲醇选择性越高;压力升高对CO₂转化率和甲醇选择性均有促进作用。以甲酸盐加氢步骤为反应的速率控制步骤,在LHHW动力学理论基础上推导建立了该催化剂用于CO₂加氢制甲醇的反应动力学模型,在MATLAB中构建模型优化函...     

基于多策略集成优化算法的己烷油精馏过程3E多目标优化

己烷油精馏工序是溶剂油生产过程的重要环节,但其伴随着高能耗和高排放。因此,己烷油精馏工序的能量、经济和环境（3E）多目标优化对于溶剂油工业的可持续发展具有重要意义。针对传统非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）收敛速度慢、易陷入局部最优等问题,本文提出了一种改进的基于多策略集成的多目标遗传算法（MENSGA-Ⅱ）。该算法发展了一种基于邻域的引导策略,以增强算法的搜索能力进而加快收敛速度;同时引入随机极限游走策略以维持算法所获得解集的分布性。将MENSGA-Ⅱ应用于典型的测试函数和实际的己烷油精馏过程,结果表明,该算法在鲁棒性、收敛速度和解集分布性上具有优越性。与实际运行工况相比,典型优化工况下精馏系统年度毛利润可提升4.99×10⁵USD/a,能源消耗和CO₂排放可分别减少5.09×10²kW/a和4.82×10²kg/a。     

耦合膜分离的新型CO2低温捕集系统性能优化

CO₂捕集作为温室气体排放控制的有效手段已成为重要研究课题。作为新兴捕集技术之一,低温CO₂捕集因产品纯度高、无附加污染等优势受到关注。然而,该技术能耗和捕集率对于气体中CO₂浓度十分敏感,对于高CO₂浓度气体可获得较高的CO₂捕集率和较低能耗水平。基于此,本文提出了耦合膜分离的新型CO₂低温捕集系统,通过膜材料选择渗透性实现待捕集气体CO₂浓度主动调控,并在最优浓度下进行CO₂低温捕集。首先基于不同传统低温捕集系统特点,对比分析了不同耦合系统模式,从而确定了最优耦合系统结构。针对最优耦合系统进行了运行参数优化,并分别基于实现系统捕集能耗最低与捕集率最高的目标,获得了膜渗透侧CO₂浓度与进气CO₂浓度间的关系式,为该耦合系统中膜组件选型提供指导。研究表明,本文提出的耦合系统捕集能耗为1.92MJ/kgCO₂,相比于传统单一低温系统捕集能耗可降低16.5%。     

膜分离捕集燃煤电厂烟气CO2过程优化设计

全球CO₂的排放量不断升高,导致气候问题频发。“双碳”目标下,如何高效、低成本地捕集燃煤电厂烟气CO₂已经成为迫在眉睫的问题。传统的化学吸收法由于能耗高、成本高、溶剂易挥发等问题严重制约了其发展,而膜法碳捕集因为其操作简单、能耗低、环境污染小等优势被认为是最有前景的捕集方式。本文以PI中空纤维膜为分离膜,建立和求解了气体分离膜模型。并以燃煤电厂烟气CO₂为捕集目标,利用多岛遗传算法求解了膜分离捕集CO₂工艺的不同配置,并优化了分离过程中的关键参数(膜面积、操作压力)。结果显示：在二级膜分离工艺中,二级一段膜分离工艺的第一级膜和第二级膜操作压力分别为5.8 bar和7.1 bar,第一级膜和第二级膜的面积分别为448000 m²和180000 m²时,单位捕集成本为27.36 USD/t CO₂。与二级二段膜分离以及其他几种传统的CO₂捕集方法(MEA法、相变吸收法)相比,二级一段膜分离捕集CO₂的捕集成本和能耗均最小。本研究将为CO₂捕集实现低能耗和低成本化提供依据。     

基于STEP7的加热炉燃烧系统CO2减排技术研究与应用

针对目前CO₂减排技术存在的减排效果较差的问题,提出了一种基于STEP7的加热炉燃烧系统CO₂减排技术。介绍了加热炉燃烧系统的结构,分析了常规CO₂减排流程在变量复杂度方面存在的不足,引入了化学吸收法优化减排效率,并建立了应用有机醇胺的CO₂吸收模型。实际测试结果表明：该方法具有较好的减排性能,CO₂吸收速率高、减排负荷低、CO₂能源再生效果好。     

基于NSGA-Ⅱ的模拟移动床色谱分离过程多目标操作优化

多目标优化策略被应用于模拟移动床过程的操作优化中，采用一种基于Pareto最优解的多目标优化算法——NSGA-Ⅱ算法，以分离联萘酚对映体的模拟移动床色谱分离过程作为研究对象，利用模拟移动床TMB数学模型，以分离性能指标作为目标函数进行了多目标操作优化设计。优化结果表明，NSGA-Ⅱ算法得到的非劣解在目标空间分布均匀，算法收敛性和鲁棒性好。基于NSGA-Ⅱ算法的面向分离性能多目标优化设计方法为模拟移动床分离过程的工艺设计和操作指导提供了有效的工具。     

利用元胞自动机模拟CO2或水蒸气在液态甲烷中的凝华行为

利用热质传输方程、流体动力学方程、连续性方程和生长动力学规律分析了晶体生长的物理机制,同时利用元胞自动机法建立了凝华相变的模型,通过计算机模拟了水蒸气以及CO₂在低温液态甲烷中凝华形成晶体的过程,得到了冰晶的二维模拟结果以及CO₂晶体的二维和三维模拟结果。结果显示该模型能够模拟出指定温度和过饱和度下的冰晶以及CO₂晶体生长过程。冰晶以及CO₂晶体生长过程中具有一定的各向异性。该模型可以用于分析LNG中冰晶以及CO₂晶体的形成,有利于改善LNG储存运输使用等过程中的技术流程。     

高炉多目标优化模型的建立及验证

采用线性规划方法,建立了以能耗和成本为目标函数的高炉炼铁优化数学模型,根据目标函数和高炉过程特性确定优化变量和约束条件,利用Lingo软件设计程序求得优化结果,通过单目标优化得到多目标最优化模型,利用该优化模型并借助Origin软件分析了焦比、鼓风温度、焦炉煤气的喷吹量等因素对能耗和成本的影响,提出节能降耗的途径,并与生产数据比较验证模型的可靠性.结果表明,与高炉生产数据相比,按标准煤计,模型优化后能耗降低了24.1 kg/t,成本节省了42.7$/t.高炉降低能耗和节约成本的措施为:降低焦比,提高喷煤比,增加焦炉煤气喷吹量,富氧及提高热风温度.     

基于沸石ZSM-5的CH4/N2/CO2二元体系吸附平衡

采用Rubotherm磁悬浮天平测量CH₄、N₂和CO₂在沸石ZSM-5上的单组分吸附平衡等温线,温度273～353 K,压力0～500 kPa。采用Sips模型、Toth模型和MSL模型对单组分吸附平衡实验数据进行拟合,拟合结果良好,非线性回归得到相应的模型参数。测量双组分CO₂/N₂、CO₂/CH₄和CH₄/N₂在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,实验温度为293 K,实验压力为0～500 kPa。采用基于Sips模型的理想吸附溶液理论和双组分MSL模型预测双组分气体在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,并与实验结果进行比较,预测结果良好。比较CO₂/N₂、CO₂/CH₄以及CH₄/N₂体系在沸石ZSM-5上的竞争吸附选择性系数,探究沸石ZSM-5吸附分离烟道气（CO₂/N₂体系）、垃圾填埋气（CO₂/CH₄体系）或煤层气（CH₄/N₂体系）的可行性,为将来进行工艺设计提供基础数据。     

CO2跨临界热泵系统热力性能提升与经济性分析

CO₂跨临界热泵系统热力性能优化,往往其设备的初始投资成本会增加,在设备生命周期内其对总体费用的影响不明确。本文建立了常规CO₂跨临界热泵系统（BASE）、CO₂双级压缩热泵系统（TSCHPS）和CO₂/CO₂机械过冷热泵系统（MSHPS）的热力学与经济学模型,其中在经济学模型中定义了综合考虑设备初投资及运行费用的目标函数,研究了3种热泵系统在小温差风机盘管、地暖以及暖气片作为散热终端下热力性与经济性之间的关系,讨论了系统升级后的生命周期经济性变化。研究结果表明：在3种散热终端的系统名义工况下,TSCHPS、MSHPS的能效比（COP）均比BASE系统提升15%以上,但其生命周期经济性却不一定得到改善;BASE系统热力性与经济性之间相互关联,TSCHPS、MSHPS的热力性与经济性之间关联性不强;系统升级后的经济性变化与蒸发温度及供热量有关,给出了3种散热终端下不同应用范围内经济性最优系统。     

炭膜分离CO2/CH4混合气的分子模拟

针对炭膜分离CO₂/CH₄混合气体的过程,分别采用Materials Studio和Lammps软件进行分子模拟,建立与炭膜孔结构相近的Z字形孔模型,通过实验数据验证了模型的可靠性,通过对CO₂/CH₄纯组分及混合气体在膜孔内的吸附和扩散过程的模拟得到分离系数并探讨气体分离机理。综合吸附与扩散过程的模拟结果表明:适当的低温和较小的孔径有利于实现CO₂/CH₄混合气体的分离;随着温度的升高,CO₂/CH₄的分离系数减小,而且膜孔径对分离系数的排序为0.670nm>1.005nm>1.340nm;在温度为298K、膜孔径为0.670nm的操作条件下CO₂/CH₄的分离系数为20.1,与实验数据较吻合。研究结果可为优化炭膜制备提供指导,并为探讨分离过程机理提供依据。     

铁基氧载体化学链CO2重整CH4方法制备合成气

提出一种铁基氧载体（Fe₃O₄/FeO）化学链CO₂重整CH₄方法制备合成气。为评价该系统的性能,采用Aspen Plus软件对其进行过程模拟和热力学分析。以CH₄转化率、CO₂转化率、能源利用效率和产气氢碳比（H₂/CO）为评价指标,得到系统的优化运行条件,并研究各操作参数（包括各反应器的温度和压力、氧载体甲烷比和CO₂甲烷比）对系统性能的影响。结果表明：当系统处于优化工况时,得到CH₄转化率为97.91%、CO₂转化率为32.76%、能源利用效率为93.77%及产气氢碳比为0.93。该系统能有效利用CO₂和CH₄这两种温室气体获得较低氢碳比的合成气,利于二甲醚的高效合成。     

离子液体中电化学还原CO2研究评述与展望

近百年来,伴随着矿石燃料的大量消耗,CO₂的排放量剧增,引发了全球性的生态环境和社会问题。CO₂同时也是廉价且可再生的碳资源,可作为生产醇、醚、酸、酯等重要化工品的原料。在众多吸引力十足的CO₂利用路线中,作为清洁、可控的反应过程,电化学还原固定CO₂技术在温和条件下生产化学品方面具有独特的优势。离子液体以其特有的性质被广泛用于电化学还原CO₂过程,本文对目前国内外离子液体介质中电化学还原CO₂的研究现状进行了综述,介绍了离子液体介质中电化学还原CO₂的主要反应及基本原理;针对离子液体对CO₂高效活化和转化等关键科学问题进行深入探讨,提出新型功能化离子液体的应用将成为CO₂电化学还原领域的发展方向和热点。     

CO2跨临界热泵系统采暖工况下能效和经济对比分析

为提高CO₂跨临界热泵采暖系统的性能,提出了双级压缩双气冷器中间补气回热系统。结合其他3种CO₂热泵系统和R134a单级压缩回热系统,通过建立热力学模型,分析各因素对系统能效的影响。此外,通过构建综合考虑初始投资成本和年运行成本的经济性评价模型,结合典型年气象参数,研究不同城市中各系统在运行周期内的总投资情况。结果表明,CO₂热泵系统中,双级压缩双气冷器中间补气回热系统最优COP_h最高且可以超过R134a单级压缩回热系统,在环境温度为0℃、出水/回水温度为65℃/40℃时,理论性能系数（COP_h）可达2.58,比R134a系统高9.1%,比CO₂单级压缩系统高22.5%,且排气温度不超过现有压缩机排气温度极限,是能效最优系统。在选定样本城市中,热泵系统运行周期内的总投资成本在上海最低,而在沈阳最高,可见总投资成本受气候区域影响较大。由于CO₂压缩机成本过高,CO₂热泵系统的总投资成本高于R134a系统。随着CO₂热泵技术的提高和生产规模的扩大,当压缩机成本降低80%,CO₂双级压缩双气冷器中间补气回热系统的总投资成本将低于R134a系统。     

CO2驱采气脱水过程模拟与工艺参数优化

在“双碳”目标的大趋势下，研究CO₂的转化与利用对促进低碳社会的构建具有重要的意义。以CO₂驱采气为原料，构建了CO₂驱采出气脱水与精馏提纯耦合工艺过程模型。基于现场工业装置数据，对CO₂驱采出气脱水工艺进行了模拟，探究了影响精馏塔顶物流中水含量的工艺参数，并得到了优化后的操作参数。在不增加塔板数目，维持塔操作压力4.52 MPa的最小工艺改动前提下，采用优化后的CO₂驱采出气脱水过程模型操作参数，仅需提升精馏塔物质的量回流比至0.34,即可满足精馏塔顶物流中水含量≤200×10^-6的这一工艺指标。此时工艺总能耗为7455.60 kW,较优化前的工艺总能耗增加了196.16 kW。