综述：不同碳捕集技术模拟工具的系统性综述

《Energies》：A Systematic Review of Different Carbon Capture Technology Simulation Tools

　　

全球能源需求的不断增长和温室气体排放的日益增加需要有效的减缓策略，包括碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）技术。本研究综述了16种广泛使用的模拟工具，包括Aspen Plus、MATLAB、Fluent和gPROMS，用于后燃烧、前燃烧和富氧燃烧碳捕集过程的稳态和动态建模。采用五个标准对这些工具进行评估：化工过程模拟能力、动态建模功能、热力学性质管理、传热精度以及工具集成特性。结果显示各平台具有显著不同的优势。Aspen Plus和Aspen Plus Dynamics在化工过程模拟和热力学性质建模方面表现突出，反映了它们在反应建模和性质估算方面的稳健性。gPROMS在动态建模方面表现出色，展示了其在时间依赖性和瞬态过程分析方面的强大能力。MATLAB在工具集成方面获得最高分，突显了其在与优化求解器、控制系统和外部编程环境耦合方面的灵活性。Fluent在传热建模方面表现出色，特别是在富氧燃烧系统的详细热分析中。现有大多数研究侧重于单个碳捕集技术而非模拟工具的能力。遵循PRISMA 2020指南，对Scopus数据库的系统检索产生了53篇关于CCS模拟的同行评审论文，通过分析确定了主导工具，并为基于解析层次过程（Analytic Hierarchy Process, AHP）的评估提供了依据。本工作通过阐明工具特定的优势，支持明智的模型选择，以提高CCS过程设计的效率和可持续性。

1. 1.
   引言
   能源消耗的全球增长导致大量温室气体（Greenhouse Gas, GHG）排放，主要是二氧化碳（CO₂），源于化石燃料的燃烧。GHG导致气候变化，并使全球平均气温升高1.1°C。CO₂作为主要的人为GHG，带来不可逆的环境后果，是一个全球性问题。减少CO₂排放的技术解决方案包括转向低碳燃料、推广可再生或核能，以及实施CO₂捕集与封存（CCS）技术。三种主要的CCS技术为后燃烧捕集、前燃烧捕集和富氧燃烧捕集。后燃烧CO₂捕集利用物理或化学过程从烟道气中提取CO₂；前燃烧CO₂捕集通过碳基燃料的气化产生合成气，再经水汽变换反应转化为CO₂和氢气（H₂）；富氧燃烧使用纯氧而非空气进行燃烧，产生高浓度CO₂烟气，便于捕集。精心的过程设计对于这些技术的成本高效扩展和实际经济效益至关重要。过程模拟能够创建虚拟环境以分析不同策略和情景，实现更安全、更具弹性的动态操作。常用的商业软件包括Fluent、Chemkin Pro、Aspen Plus、Hysys、gPROMS和Thermoflex等。尽管许多研究评估了模拟工具，但往往侧重于一般工程或工业应用，缺乏对CCS系统的关注，且多采用主观定性标准，未应用结构化方法如解析层次过程（AHP）。本研究填补了这一空白，通过系统比较多种模拟工具在三种主要捕集路线中的应用，采用AHP框架进行量化评估。
2. 2.
   材料与方法
   2.1 研究方案
   本系统性综述遵循PRISMA 2020指南进行。
   2.2 合格标准
   纳入标准：英文撰写的同行评审期刊论文；明确使用模拟工具对一种或多种CCS过程建模；涉及后燃烧、前燃烧或富氧燃烧三种目标碳捕集技术类型之一。排除标准：综述文章或灰色文献、无完整方法的会议摘要、非英文出版物、不涉及三种指定CCS技术类型的研究、未使用可识别模拟工具的研究。
   2.3 信息来源与检索策略
   在Scopus数据库中进行了系统文献检索，检索词涵盖“carbon capture”、“CO2 capture”、“CCS”、“simulation”、“modeling”以及相关软件名称和技术术语，限定为英文文章。检索获得2427条记录，另通过反向引文追踪增加3条，共2430条进入筛选。
   2.4 研究选择与数据提取
   筛选分两个阶段：第一阶段评估标题和摘要，排除2365条，保留65篇全文；第二阶段详细评估全文，排除12篇，最终纳入53项研究。提取的数据包括所用模拟工具、CCS技术类型、建模方法（稳态或动态）和主要发现。
   2.5 PRISMA流程图
   展示了研究的识别、筛选和纳入流程。
3. 3.
   不同技术的模拟过程
   在CCS领域，动态建模和模拟研究取得了重大进展。研究人员利用各种过程模拟工具复制、评估和改进过程，节省时间和成本。常见的稳态建模假设过程条件恒定，不包括时间变量；动态建模则将时间作为关键因素，捕捉过程的瞬态行为和系统对输入及干扰的响应。常用的CO₂捕集过程建模软件包括Aspen HYSYS、Aspen Plus、gPROMS、Aspen Custom Modeller、ProMax with Tsweet和Protreat等。
   3.1 后燃烧CO₂捕集技术
   描述了燃料和空气燃烧形成CO₂混合物，随后进行捕集的过程。
   3.1.1 后燃烧技术的稳态建模
   研究人员使用多种工具进行稳态建模，包括gPROMS用于旋转填充床吸收器，Aspen Plus用于低温碳捕集和热力学模型优化，以及其他软件如EBSILON Professional、ProMax、Pyomo等。这些研究突出了稳态模拟在设计高效经济的后燃烧CO₂捕集系统中的作用。
   3.1.2 后燃烧技术的动态建模
   动态建模利用了gPROMS、MATLAB、Aspen Plus Dynamics、Modelica、UniSim Design等工具。gPROMS被用于燃煤电厂的动态行为建模，MATLAB因其在微分方程和动态系统建模方面的鲁棒性而突出。这些工具提高了后燃烧捕集系统的有效性和经济可行性。
   3.2 前燃烧CO₂捕集技术
   前燃烧捕集通过气化燃料产生合成气，经水汽变换将一氧化碳（CO）转化为CO₂和H₂，然后分离CO₂。
   3.2.1 前燃烧CO₂捕集的稳态模拟
   使用了Aspen Plus、HYSYS、UniSim、ANSYS Fluent、SPIDER CFD、ChemCAD等工具，用于比较整体煤气化联合循环（IGCC）系统、评估溶剂、优化系统等。
   3.2.2 前燃烧技术的动态建模
   gPROMS用于压力摆动吸附（Pressure Swing Adsorption, PSA），MATLAB用于氢气膜重整循环和气体切换制氧反应器，Modelica和内部PSA模型也被应用，增强了系统效率和控制策略。
   3.3 富氧燃烧CO₂捕集技术
   富氧燃烧使用纯氧燃烧，产生主要为CO₂和水蒸气（H₂O）的烟气，冷凝后获得几乎纯的CO₂。
   3.3.1 碳捕集系统富氧燃烧的稳态建模
   ANSYS Fluent主要用于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟，研究燃烧过程、传热和系统性能；Aspen Plus用于离子液体吸收剂优化和水泥厂集成；Fluent和MATLAB结合用于流化床放大挑战。
   3.3.2 富氧碳捕集过程的动态建模
   Aspen Plus Dynamics用于优化空气和富氧燃烧模式切换，Fluent用于高CO₂浓度下的燃烧行为，Apros Combustion用于流化床锅炉瞬态行为，OpenFOAM用于直接数值模拟（Direct Numerical Simulations, DNS）湍流燃烧。这些研究优化了操作效率和适应性。
4. 4.
   CCS技术模拟工具评估
   基于53篇论文的样本，列出了各CCS技术中模拟软件的使用频率。Aspen Plus是后燃烧和前燃烧稳态建模最常用的软件，gPROMS和MATLAB是后燃烧动态建模最常用的，MATLAB也是前燃烧动态建模最常用的，Fluent是富氧燃烧稳态建模最常用的，Aspen Plus Dynamics是富氧燃烧动态建模最常用的。进一步分析了这些工具的优势：gPROMS基于方程的建模方法提供灵活性，MATLAB擅长微分方程组求解和控制设计，Aspen Plus Dynamics便于实际工厂动态模拟并与MATLAB/Simulink集成，Aspen Plus和Fluent分别在稳态过程模拟和复杂流体动力学传热方面领先。此外，讨论了动态与稳态模拟的权衡、多软件工作流的互操作性挑战、不确定性量化和敏感性评估、过程规模和操作范围的影响，以及开放源代码替代方案（如OpenFOAM、OpenModelica、IDAES、COMSOL Multiphysics）和新兴技术（直接空气捕集（Direct Air Capture, DAC）和生物能源与碳捕集和封存（Bioenergy with Carbon Capture and Storage, BECCS））对模拟工具的新需求。
5. 5.
   碳捕集模拟软件的解析层次过程分析
   采用多准则决策分析（Multi-Criteria Decision Analysis, MCDA）中的AHP方法，评估了四个最常用工具：Aspen Plus/Aspen Plus Dynamics、gPROMS、MATLAB、ANSYS Fluent。评估准则包括化工过程模拟、传热、热力学、动态建模和工具集成。通过成对比较确定权重，所有一致性比率（Consistency Ratio, CR）均小于0.1，确保有效性。结果显示Aspen Plus/Aspen Plus Dynamics以0.31的加权总分排名第一，得益于其在化工过程模拟和热力学性质建模的优异表现；gPROMS以0.26排名第二，在动态建模方面突出；MATLAB以0.23排名第三，在工具集成方面最佳；ANSYS Fluent以0.20排名第四，在传热模拟方面出色。讨论中还指出了各工具的计算和数值问题，以及AHP分析的主观性限制。
6. 6.
   结论
   本研究系统综述了不同碳捕集技术的模拟工具，通过AHP评估明确了各工具的优势：Aspen Plus/Aspen Plus Dynamics在化工过程模拟和热力学建模方面强大，MATLAB在工具集成方面灵活，Fluent专精于流体动力学和传热，gPROMS在动态建模和化学过程优化方面卓越。这些发现为研究人员选择适合特定碳捕集建模任务的工具提供了框架。同时指出新兴技术DAC和BECCS对传统工具的挑战，建议未来增强工具功能，如混合建模、综合性质库和模块化设计。最后，承认了本综述的局限性，包括仅检索Scopus数据库、限于英文和三种技术类型，以及未将计算性能作为AHP独立准则等，为未来研究指明方向。