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摘 要

随着我国在哥本哈根会议上签署减排协议，发展二氧化碳减排技术迫在眉睫。燃煤发电厂作为二氧化碳排放的主要来源，必须控制排放，而燃烧后二氧化碳捕集系统则是目前最成熟有效的系统。现行的燃烧后二氧化碳捕集技术还有较多问题，其中最主要的问题在于系统能耗过大；而且，由于系统的大惯性，常用的调节方式难以适应电站频繁的负荷波动及脱碳要求。针对这一现状，本文建立捕集系统动态模型，研究捕集系统的动态特性，并通过对关键输入-输出参数的辨识，为后续的先进控制方式做好前瞻工作。

本文使用gCCS软件建立基于MEA溶液的燃烧后二氧化碳捕集系统动态模型。在该仿真平台对模型进行单变量阶跃响应，分析系统特性，并以此设计激励信号。采集开环输入-输出辨识数据，并利用MATLAB工具箱进行辨识。辨识结果能够较好显示捕集系统的动态特性。

关键词：二氧化碳捕集系统 gCCS建模 系统辨识

Abstract

Development on carbon capture technology has become more urgently since China signed agreement on emission reduction in Copenhagen. Abundant researches have been employed on this area. Coal-fired power plants, which is the main stationary source, draws the most attention. Among all the methods, chemical absorption based on MEA solvent is found to be the most mature and appealing technology. Unfortunately, however, current carbon capture technique still remains limitation. The extensive energy requirement is the main issue with highest priority. Besides, owing to the large system inertia and intricate dynamic characteristic, conventional control scheme cannot operate system flexibly to accommodate economical and environmental requirements in the presence of large-scale variation in output network. In this regard, the proposed paper presented a dynamic amine-based carbon capture model to study the in-depth nature of carbon capture system. The following identification results are also preliminary work for the future controllability research.

The current work built a post-combustion MEA-based carbon dioxide capture model in gCCS environment. Sensitivity analysis was implemented by step response test, which provides knowledge for excitation signal design. Open-loop input output data was gathered and used to do identification using matlab identification toolbox. The results show the quantitative agreement between validation data and experimental data.

KEY WORDS: Carbon dioxide capture system, Modeling by gCCS, System identification

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 CCS常用分离方法简介 2

1.2.1物理吸附 2

1.2.2物理分离 2

1.2.3低温分离 2

1.2.4膜吸收 2

1.2.5膜分离 3

1.2.6化学法 3

1.3国内外研究现状 3

1.3.1 CCS系统现状 3

1.3.2 系统辨识 4

1.4全文提纲 5

第二章 燃烧后二氧化碳捕集系统动态建模 6

2.1搭建平台简介 6

2.1.1 gPROMS软件背景 6

2.1.2建模环境—gCCS介绍 6

2.2 gCCS使用说明 11

2.3主要模型介绍及选型 14

2.3.1吸收塔（absorber）： 15

2.3.2解析塔（stripper）： 16

2.3.3再沸器（reboiler）： 17

2.3.4冷凝器（condenser）： 18

2.3.5贫富液热交换器（heat exchanger）： 19

2.3.6补水补液系统（buffer tank）： 20

2.4控制器的选用 20

2.5阶跃特性 22

第三章 二氧化碳捕集系统基于数据建模 24

3.1 辨识方法简介 24

3.2激励信号设计 25

3.2.1伪随机信号 25

3.2.2数据处理 26

3.2.3辨识变量 26

3.2.4辨识结果 27

第四章 结论与展望 36

致 谢 37

参考文献： 38

第一章 绪论

1.1引言

温室气体的排放对全球气候变化的有巨大影响。二氧化碳，作为主要的温室气体之一，其浓度已经从1860年的百万分之280ppmv上升至百万分之369 ppmv左右，并且已经造成了冰川融化，全球变暖等影响。因此日趋严重的 “温室效应”引起了全世界对节能减排技术的关注。中国政府在哥本哈根气候会议之后也作出承诺: 要在 2020 年把单位GDP二氧化碳排放量在2005年的基础上降低 40% ～ 45%。

人类活动所带来的温室气体排放主要来源于能源消费，近年来，在我国的一次能源消耗结构中，煤炭所占比例均保持在 70% 左右，其中火电（燃煤）发电的煤炭消耗量占到总煤炭消耗总量的一半以上，相应地，其碳排放量也相当巨大。因此，对火力发电的碳排放经行控制、脱除是近期电力行业的重要任务之一。

“碳捕集和储存技术（二氧化碳 Capture and Storage，CCS）”，是一种前沿的减排技术。CCS技术的核心是采用物理或化学的方法把二氧化碳从工业废气中脱离出来，并将脱除的二氧化碳运输到指定的存储位置进行永久封存。另外，封存二氧化碳不能再次泄露到自然环境中，因此需要选择合适封存位置，例如废弃的矿井，海底的岩层等等“（IPCC，2005）。根据这个定义，CCS由三个基本的步骤组成：（a）二氧化碳的分离和压缩; （b）二氧化碳的封装和运输（c）二氧化碳的储存。

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