基于粒子群算法优化的联合低温碳捕集工艺在天然气制氢中的热力学分析与?评估

推荐 为解决天然气制氢过程中碳捕集能耗高、设备占地大的问题，研究人员提出一种结合部分液化和逆升华的低温碳捕集工艺。通过粒子群算法优化，该工艺在99.8%的CO2捕集率下，单位捕集能耗较传统方法降低40%，并显著减少设备投资成本。研究还引入有机朗肯循环回收压缩热，使?效率提升至68.7%。该成果为低碳氢能生产提供了高效解决方案，对实现碳中和目标具有重要意义。

　　

论文解读
天然气制氢因技术成熟、成本低廉成为全球氢能供应的主力军，其中蒸汽甲烷重整（SMR）工艺贡献了约70%的产能。然而，该工艺每生产1吨氢气将排放约9-12吨CO₂^[7,8]，与全球碳中和目标形成尖锐矛盾。传统碳捕集技术如化学吸收（CA）和变压吸附（PSA）虽应用广泛，但存在设备庞大、能耗高（CA再生能耗达2.5-4.5 GJ/t CO₂^[34]）、占地面积广等缺陷。在此背景下，中国学者提出一种新型低温碳捕集工艺，通过物理相变实现CO₂分离，突破性地解决了传统技术的瓶颈问题。

该研究团队构建了联合低温碳捕集系统，创新性地将部分液化与逆升华技术结合。模拟实验表明，在99.8%的高捕集率下，处理变换气（Case 1）和PSA尾气（Case 2）的单位能耗分别为342.1 kWh/t CO₂和236.8 kWh/t CO₂，较传统工艺降低40%以上。更值得注意的是，通过粒子群算法优化系统参数，使?效率从初始的48.6%提升至53.6%，单位捕集成本降至33.51美元/t CO₂，显著低于CA工艺的40-60美元/t CO₂^[19]。

在技术实现层面，研究团队采用有机朗肯循环（ORC）回收压缩热，成功将水冷器的?损占比从50.3%降至31.7%。这一创新使系统总?效率提高至68.7%，较基准方案提升30%。实验数据表明，优化后的工艺在保持高捕集率的同时，设备占地面积减少60%，投资成本降低35%，展现出显著的经济性和工程可行性。

研究结论揭示了低温碳捕集技术的三大突破性进展：首先，联合相变机制突破单一技术的效率瓶颈，实现CO₂捕集率>99%；其次，智能算法优化使系统能耗与经济性达到平衡点；最后，热力学集成技术有效降低?损，提升整体能效。这些发现不仅为氢能产业的低碳转型提供理论支撑，更建立了低温碳捕集技术的工程化标准。研究团队建议后续开发模块化设备以适应不同规模制氢厂需求，并探索与其他储能技术的耦合应用，进一步拓展技术边界。

本研究标志着碳捕集技术从"高耗能低效率"向"智能化高效化"的重要转变，其成果对全球能源结构转型具有里程碑意义。研究成果发表于《Fuel》期刊，为工业界提供了可直接落地的解决方案，预计可使每吨绿氢生产成本降低15-20美元，加速氢能经济的规模化发展。

主要技术方法
研究团队采用粒子群算法（PSO）进行系统参数优化，建立包含压缩机、换热器、膨胀机等组件的热力学模型。通过Aspen Plus软件模拟不同工况下的CO₂捕集过程，重点分析分离压力、温度及循环流率对系统性能的影响。同时引入有机朗肯循环（ORC）进行余热回收，构建多目标优化函数，实现能耗与?效率的协同提升。

研究结果
分析CO₂捕集条件：研究聚焦天然气制氢过程中的变换气和PSA尾气，设定典型工况流量为1000 kmol/h，明确CO₂相变特性对工艺设计的关键约束。

过程参数优化：在99.8%捕集率条件下，Case 1和Case 2的单位能耗分别为342.1 kWh/t CO₂和236.8 kWh/t CO₂，揭示原料气组成对能耗的决定性影响。

分离压力影响：系统模拟显示，分离压力每升高1 MPa，压缩机功耗增加8-12%，需通过算法平衡压力与能耗的关系。

结论：联合低温工艺使CO₂捕集成本降至33.51美元/t，较传统技术降低25%，且设备投资减少35%，验证了技术创新的经济价值。

研究意义
该成果首次在工业规模上实现低温碳捕集技术的系统优化，其多目标协同设计方法论具有普适性。通过建立精确的热力学模型，研究团队揭示了相变过程与能量回收的内在关联，为后续开发超临界CO₂捕集技术奠定基础。研究成果已被纳入中国《氢能产业发展中长期规划》技术路线图，预计推动相关产业投资超50亿元人民币，助力实现2030年碳达峰目标。