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摘 要

温室效应的加剧与化石燃料用于发电而排放的大量二氧化碳（CO₂）气体有着密切联系。对排放的CO₂气体进行碳捕集，是我国的节能减排政策的要求，符合可持续发展战略。火力发电厂是CO₂排放的主要来源，采用基于溶液的燃烧后碳捕集技术对电厂烟气中的CO₂进行捕集，可减少电厂碳排放，为减缓温室效应大有裨益。基于溶液的燃烧后碳捕集技术已成为火力发电厂减少CO₂排放的关键技术。然而，由于碳捕集机组具有高能耗特点，如何优化运行碳捕集机组、最大化集成碳捕集机组电厂的利润是亟待解决的问题。

本文围绕集成了基于乙醇胺溶液的燃烧后碳捕集装置的燃气电厂的运行优化问题展开研究，建立集成碳捕集机组的燃气电厂的利润模型。接着，在该经济模型的基础上，对电厂碳捕集机组的优化决策问题展开探讨和分析。研究和学习用来求解带约束优化问题的原理与方法，如梯度法、牛顿法等。

在上述工作的基础上编写MATLAB^®程序进行模拟仿真，定量地得出以下结论：电价越高，电厂对碳捕集依赖程度越低；CO₂排放配额价格越高，电厂获得最大收益时的最优碳捕集水平越高。综上分析，碳捕集技术对于燃气电厂实现减排目标有着重要作用。在具有较高碳配额价格的市场环境下，碳捕集机组的优化运行可提高燃气电厂收益，有着广阔的应用前景。

关键词：燃烧后碳捕集；燃气电厂；经济性分析；优化运行；仿真实验

Operation optimization of carbon capture after combustion

device based on ethanolamine solution in gas power plant

Abstract

The increased greenhouse effect is closely related to the large amount of carbon dioxide gas emitted by fossil fuels for power generation. Carbon capture of the emitted carbon dioxide gas is a requirement of my country's energy-saving and emission-reduction policies and is in line with the sustainable development strategy. Thermal power plants are the main source of carbon dioxide emissions. The use of solution-based post-combustion carbon capture technology to capture carbon dioxide in the flue gas of power plants can reduce the carbon emissions of power plants and greatly benefit the mitigation of the greenhouse effect. Solution-based post-combustion carbon capture technology has become a key technology for thermal power plants to reduce carbon dioxide emissions. However, due to the high energy consumption characteristics of carbon capture units, how to optimize the operation of carbon capture units and maximize the profit of integrated carbon capture unit power plants is an urgent problem to be solved.

This paper focuses on the operation optimization of gas-fired power plants integrating post-combustion carbon capture devices based on ethanolamine solutions, and establishes a profit model for gas-fired power plants with integrated carbon capture units. Then, on the basis of this economic model, the optimal decision-making problem of power plant carbon capture unit is discussed and analyzed. Research and study the principles and methods used to solve constrained optimization problems, such as gradient method and Newton method.

Based on the above work, the MATLAB program was written for simulation and simulation, and the following conclusions were quantitatively drawn: the higher the electricity price, the lower the dependence of the power plant on carbon capture; the higher the price of the carbon dioxide emission quota, the optimal when the power plant obtains the maximum benefit The higher the carbon capture level. In summary, carbon capture technology plays an important role in achieving emission reduction targets for gas-fired power plants. In a market environment with higher carbon quota prices, the optimized operation of carbon capture units can increase the profitability of gas-fired power plants, and has broad application prospects.

Keywords: Post-combustion carbon capture; Gas-fired power plant; Economic analysis; Optimal operation; Simulation experiment

目 录

摘 要 1

Abstract 1

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究意义 2

1.3研究思路和技术方法 2

1.4论文结构 3

第二章 文献综述 4

2.1碳捕集技术

2.1.1燃烧前碳捕集技术 4

2.1.2燃烧中碳捕集技术(富氧燃烧捕集) 4

2.1.3燃烧后碳捕集技术 5

2.2燃气电厂碳捕集经济效益的研究进展 8

2.2.1燃气电厂碳捕集研究现状 8

2.2.2现有研究路线及不足 9

2.3碳捕集相关的经济问题 9

第三章 碳捕集机组的经济模型 12

3.1 背景介绍 12

3.3 燃气电厂碳捕集的经济模型 15

第四章 碳捕集机组的优化决策理论 17

4.1梯度法 17

4.1.1梯度 17

4.1.2梯度下降法 18

4.1.3梯度下降的效果分析 18

4.2牛顿法 19

4.3内点法 20

4.3.1方法定义 20

4.3.2算法步骤 21

4.3.3内点惩罚函数法特点及其应用 21

4.4理论工具 21

第五章 碳捕集机组的优化决策仿真 24

5.1利用MATLAB^®编写M文件 24

5.2仿真 27

第六章 结论与展望 31

6.1主要结论 31

6.2不足与展望 31

参考文献 33

致谢 36

第一章 绪论

1.1研究背景

十九世纪至今，全球的平均气温上升已经成为了人类生存不可忽视的问题之一，而温室效应加剧是致使气温上升的最主要因素。温室效应是指太阳的辐射穿过大气时和由地面反射返回太空时，都会被空气所部分吸收，从而使大气增温的过程，而空气中CO₂等温室气体会增强这个过程从而使气温上升过度^[1]。在这一百多年中，全球变暖已经对生态环境和人类社会的经济造成了无法估量的损失。

第一次工业革命以来，煤炭便逐渐成为了人类社会使用的最多的能源。随着石油与天然气等化石能源的发掘与利用，化石能源便逐渐成为人类社会不可或缺的生存资料，其燃烧所带来的碳排放量也在日益增多。根据碳监测行动网站提供的数据，2007年，中国的碳排放总量为27亿吨，位居世界第二，仅次于美国，十年后，我国每年的碳排放量为10357万吨为世界第一，比第二位美国碳的排放量多将近一倍，是导致我国雾霾天气的主要原因^[2]。以天然气为主导，所有燃料的消耗均不同程度增加，其中，与能源相关的CO₂排放量增长了约1.7%，其中，电力部门CO₂排放量的增长占总增长的一半以上^[3]。

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