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作者与发表信息

本文的主要作者包括Robert Symonds、Marzieh Shokrollahi、Robin Hughes、Philippe Navarri和Rebecca Modler，他们分别来自加拿大自然资源部的CanmetENERGY研究所。该研究于2025年发表在期刊《Carbon Capture Science & Technology》上。

学术背景

本研究的主要科学领域是碳捕集、利用与封存（CCUS）技术，特别是针对二氧化碳（CO₂）捕集技术的设计、建模及技术经济环境分析。研究的背景是全球对2050年实现净零排放的承诺，而CCUS技术是实现这一目标的关键手段之一。然而，CCUS的大规模部署面临高成本、CO₂分压、能源需求大以及基础设施不足等挑战。因此，研究旨在开发一个全国性的CCUS评估框架（NCAF），以支持区域和国家层面的CCUS基础设施战略规划。

研究流程

研究流程分为五个主要步骤，涵盖了从CO₂捕集技术的建模到技术经济环境分析的完整链条。

1. 过程建模
   研究首先使用Aspen Hysys软件对CO₂捕集过程进行建模，特别是基于溶剂的燃烧后捕集技术。建模过程包括三个模块：烟气处理模块（Module A）、CO₂洗涤模块（Module B）和CO₂压缩与干燥模块（Module C）。每个模块的流程都通过Aspen Hysys进行了详细的热质平衡计算和设备尺寸设计。

2. 过程数据生成
   在建模的基础上，研究通过一系列案例研究生成训练数据，覆盖了不同工业排放源的烟气条件。这些数据包括烟气流量、CO₂浓度、捕集率等参数，用于后续的机器学习模型训练。

3. 成本与环境影响分析
   研究使用Databricks平台对每个案例的CO₂捕集成本（包括资本支出CAPEX和运营支出OPEX）和环境影响（如全球变暖潜势GWP）进行了计算。成本计算基于Seider方法和Aspen In-Plant Cost Estimator，而环境影响分析则考虑了从摇篮到大门（cradle-to-gate）的全生命周期。

4. 机器学习模型训练
   研究使用Databricks的自动机器学习（AutoML）工具，基于生成的数据训练了多个机器学习模型，用于快速预测不同烟气条件下的CO₂捕集成本和环境影响。这些模型能够替代传统的详细过程模拟，显著提高了计算效率。

5. 应用案例研究
   研究将开发的机器学习模型应用于加拿大300多个排放设施的实际数据，分析了不同行业、设施规模和地理位置的CO₂捕集成本和环境影响。研究还通过敏感性分析，探讨了烟气流量、CO₂浓度、捕集率等关键参数对成本和环境影响的敏感性。

主要结果

1. 过程建模与数据生成
   研究成功建立了基于Aspen Hysys的CO₂捕集过程模型，并通过广泛的案例研究生成了覆盖多种工业排放源的训练数据。这些数据为后续的机器学习模型训练提供了坚实的基础。

2. 成本与环境影响分析
   研究结果表明，CO₂捕集成本在CCUS价值链中占据最大比重，且在不同技术和行业之间差异显著。基于溶剂的燃烧后捕集技术在经济上更适合大规模高CO₂浓度的工业设施，如水泥、石灰和石油天然气行业。

3. 机器学习模型训练
   训练的机器学习模型在预测CO₂捕集成本和环境影响方面表现出色，R²值均接近1，且预测误差在±5%以内。这些模型能够快速准确地评估不同烟气条件下的CO₂捕集性能，为CCUS的战略规划提供了有力支持。

4. 应用案例研究
   研究通过对加拿大300多个排放设施的分析，发现溶剂基CO₂捕集技术在水泥、石灰和石油天然气行业中具有较高的经济性，而在钢铁、化工和小型采矿设施中则成本较高。研究还指出，捕集率在95%左右时，CO₂捕集成本最低，超过97%后成本会显著增加。

结论

本研究开发的CO₂捕集建模与成本/生命周期分析工具是NCAF平台的核心组成部分，能够为CCUS基础设施的战略规划提供快速、准确的技术经济环境评估。研究结果表明，溶剂基CO₂捕集技术在大规模高CO₂浓度的工业设施中具有较高的经济性，而在低CO₂浓度和小规模设施中则需要考虑其他捕集技术。此外，研究还强调了清洁电力和上游工艺优化在降低CO₂捕集成本和环境影响中的重要性。

研究亮点

1. 新颖的建模方法
   研究采用模块化设计和机器学习模型相结合的方法，显著提高了CO₂捕集技术评估的效率和准确性。

2. 广泛的应用案例
   研究通过对加拿大300多个排放设施的分析，提供了不同行业、设施规模和地理位置的CO₂捕集成本和环境影响的实际数据，为CCUS的战略规划提供了重要参考。

3. 技术经济环境综合分析
   研究不仅考虑了CO₂捕集的技术性能，还对其经济成本和环境影响进行了全面评估，为CCUS的可持续发展提供了科学依据。

其他有价值的内容

研究还探讨了其他CO₂捕集技术，如膜分离、低温分离和化学循环等，并计划在未来研究中进一步开发这些技术的模型。此外，研究还强调了共享基础设施（如运输和封存设施）在降低CCUS成本中的重要性，特别是通过集群和枢纽模式实现规模经济。