想象一下，你家有一臺老式空氣凈化器，只會“呼哧呼哧”地埋頭干活，不管外面是霧霾天還是大晴天，都按照固定模式工作?，F(xiàn)在，科學(xué)家們給工廠研發(fā)了一臺“智能凈化器”，它不僅會“看天氣”，還會“聞味道”，更會“算賬本”。
這臺“智能凈化器”有多聰明？它不僅鼻子靈——能聞出煙氣里每一樣“壞東西”的含量，而且反應(yīng)快——發(fā)現(xiàn)燃料變化時，能快速調(diào)整工作狀態(tài)，甚至?xí)″X——自動選擇最省電的工作模式。
最神奇的是，它讓工廠的煙囪成為了“三好學(xué)生”：排放指標(biāo)“優(yōu)等生”、能源消耗“節(jié)約標(biāo)兵”、處理成本“理財能手”。
而由浙江大學(xué)等多家單位聯(lián)合完成的“智能化煙氣碳污協(xié)同減排關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”成果，就好比一臺“超級智能集成凈化器”。它的本質(zhì)就是，通過智能控制實(shí)現(xiàn)碳污協(xié)同治理，在提升處理效率的同時顯著降低能耗，從而達(dá)到高效減排。
不久前，這項成果入選中國科協(xié)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)學(xué)聯(lián)合體發(fā)布的2024年度中國生態(tài)環(huán)境十大科技進(jìn)展。
AI技術(shù)賦能減污降碳
數(shù)據(jù)顯示，電力、熱力、鋼鐵等重點(diǎn)耗煤行業(yè)排放了全國30%以上的大氣污染物、60%以上的二氧化碳，是深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的“主戰(zhàn)場”。
煤炭燃燒時產(chǎn)生的煙氣含有二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等影響空氣質(zhì)量的物質(zhì)，同時含有大量引起溫室效應(yīng)的二氧化碳。我國已出臺全球最嚴(yán)的煙氣排放限值要求。以我國對燃煤電廠的排放要求為例，我國出臺了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》等系列政策，要求燃煤電廠實(shí)現(xiàn)超低排放，即在6%的基準(zhǔn)含氧量下，燃煤電廠的二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放限值分別不超過35毫克/立方米、50毫克/立方米、10毫克/立方米，這一標(biāo)準(zhǔn)顯著嚴(yán)于美國和歐盟。面對如此嚴(yán)格的煙氣排放限值要求，煙氣治理裝備開始“走上舞臺”。目前，我國各類煙氣治理裝備已經(jīng)得到規(guī)?；瘧?yīng)用。
但是，碳排放雙控約束下低碳或零碳燃料的利用比例不斷提升，燃料變得復(fù)雜多變（不同煤種、生物質(zhì)和污泥等摻燒），負(fù)荷波動更為頻繁（如煤電機(jī)組調(diào)峰時，鍋爐負(fù)荷在20%至100%間波動），煙氣碳污減排系統(tǒng)所承擔(dān)的負(fù)荷（如電力負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷、業(yè)務(wù)負(fù)荷等）波動也隨之更為頻繁。
同時，由于煙氣碳污減排系統(tǒng)不同裝置運(yùn)行控制彼此獨(dú)立，基于反饋的控制方法被動應(yīng)對燃料/負(fù)荷波動，帶來了污染物排放濃度波動大、瞬時超標(biāo)，以及裝備運(yùn)行能耗、物耗高等問題，會影響裝備高效、穩(wěn)定、低碳運(yùn)行。
為此，亟待研發(fā)智能、靈活、低碳智能化全流程碳污減排技術(shù)與系統(tǒng)。
人工智能的發(fā)展，為研發(fā)這一技術(shù)與系統(tǒng)帶來了機(jī)遇。
近年來，人工智能技術(shù)的應(yīng)用場景全面開花。能不能利用人工智能算法，提升鍋爐效率，降低煙氣治理的能耗，同時提高煙氣治理裝備對燃料和負(fù)荷的適應(yīng)性，降低運(yùn)營成本？
為此，浙江大學(xué)等單位聯(lián)合組建了一個多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊。“我們團(tuán)隊的研究涵蓋環(huán)境、能源控制、信息計算機(jī)等不同領(lǐng)域。項目之初，研發(fā)團(tuán)隊就提出了碳污減排調(diào)控機(jī)理與人工智能深度融合的思路。”浙江大學(xué)碳中和研究院副院長鄭成航教授說。
鍋爐裝上“智能大腦”
研發(fā)團(tuán)隊研發(fā)了多參量聯(lián)控的源頭碳污減排智能調(diào)控技術(shù)，建立了強(qiáng)擾動、復(fù)雜約束環(huán)境下鍋爐風(fēng)—燃比等關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化梯度的動態(tài)辨識方法。通俗來說，這個技術(shù)就相當(dāng)于給鍋爐及煙氣治理裝置裝上了“智能大腦”，解決了以前燒煤時存在的不少難題。
以前，在鍋爐運(yùn)行過程中，常遇到燃料忽好忽壞、負(fù)荷時高時低等情況，風(fēng)量和燃料的比例總是調(diào)不好?，F(xiàn)在，源頭碳污減排智能調(diào)控技術(shù)能實(shí)時盯著這些變化，自動算出最優(yōu)的風(fēng)量和燃料比例。這就好比家用智能空氣凈化器——能實(shí)時監(jiān)測空氣污染程度，自動調(diào)節(jié)風(fēng)速和凈化強(qiáng)度，既保證高效過濾，又避免電量浪費(fèi)。
另外，不管是燒普通煤、生物質(zhì)，還是幾種燃料混著燒，無論鍋爐是滿負(fù)荷運(yùn)行還是低負(fù)荷運(yùn)行，這套技術(shù)都能直接調(diào)出最合適的燒煤參數(shù)，不用人天天調(diào)整。
更關(guān)鍵的是，這套技術(shù)能“盯”著鍋爐煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓、污染物濃度等“信號”，從燒煤一開始就自動調(diào)整，從源頭抑制二氧化碳和污染物生成，而不是等生成后再處理。
鄭成航強(qiáng)調(diào)，就算混合了很多不同品質(zhì)的燃料（比如生物質(zhì)、煤炭），鍋爐也能自己適應(yīng)，游刃有余地處理。
可以說，源頭碳污減排智能調(diào)控技術(shù)，讓鍋爐燃燒變得環(huán)保、省錢又高效。
協(xié)同治理展現(xiàn)綜合效益
研發(fā)團(tuán)隊還開發(fā)了知識與數(shù)據(jù)協(xié)同驅(qū)動的煙氣治理過程精準(zhǔn)建模及智能調(diào)控技術(shù)。團(tuán)隊成員表示，這可以理解為，給煙氣治理裝備安裝了一個“智能導(dǎo)航+精準(zhǔn)操控系統(tǒng)”。
據(jù)介紹，研發(fā)團(tuán)隊把治污過程中積累的經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)的規(guī)律和實(shí)際監(jiān)測到的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，建立了一個智能調(diào)控大模型。這個模型能提前至少90秒精準(zhǔn)算出不同負(fù)荷下不同位置的污染物濃度會怎么變化，就像智能導(dǎo)航能讓司機(jī)提前知道“哪里會堵車、堵多久”一樣，從而給后續(xù)調(diào)控留出充足時間。
更重要的是，它能對不同治污設(shè)備進(jìn)行“精準(zhǔn)指揮”。比如，能讓處理氮氧化物的催化脫硝裝置精確控制噴氨量；讓處理粉塵的靜電除塵設(shè)備協(xié)調(diào)好多個電場的電源參數(shù)；讓吸收二氧化硫裝置的多個子系統(tǒng)配合得更默契；讓捕集二氧化碳的設(shè)備在吸收和解吸過程匹配得更高效。
這么一來，不僅確保了各類污染物達(dá)到超低排放要求，更有效控制了氮氧化物、二氧化硫等主要污染物排放的濃度波動。與此同時，污染治理過程的能源消耗也實(shí)現(xiàn)明顯下降，在保障環(huán)境效益的同時提升了經(jīng)濟(jì)效益。
此外，研發(fā)團(tuán)隊還首創(chuàng)了“源頭—末端全流程智能化碳污協(xié)同減排系統(tǒng)”，解決了多行業(yè)燃用復(fù)雜燃料、多變工況下煙氣多污染物高效精準(zhǔn)治理協(xié)同降碳的難題。
中國工程院院士、浙江大學(xué)能源工程學(xué)院院長高翔介紹，智能化煙氣碳污協(xié)同減排關(guān)鍵技術(shù)已在多個行業(yè)推廣應(yīng)用，取得了良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。行業(yè)專家指出，這種智能化協(xié)同治理模式，為推動減污降碳提供了新的解決方案。
想象一下，你家有一臺老式空氣凈化器，只會“呼哧呼哧”地埋頭干活，不管外面是霧霾天還是大晴天，都按照固定模式工作?，F(xiàn)在，科學(xué)家們給工廠研發(fā)了一臺“智能凈化器”，它不僅會“看天氣”，還會“聞味道”，更會“算賬本”。
這臺“智能凈化器”有多聰明？它不僅鼻子靈——能聞出煙氣里每一樣“壞東西”的含量，而且反應(yīng)快——發(fā)現(xiàn)燃料變化時，能快速調(diào)整工作狀態(tài)，甚至?xí)″X——自動選擇最省電的工作模式。
最神奇的是，它讓工廠的煙囪成為了“三好學(xué)生”：排放指標(biāo)“優(yōu)等生”、能源消耗“節(jié)約標(biāo)兵”、處理成本“理財能手”。
而由浙江大學(xué)等多家單位聯(lián)合完成的“智能化煙氣碳污協(xié)同減排關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”成果，就好比一臺“超級智能集成凈化器”。它的本質(zhì)就是，通過智能控制實(shí)現(xiàn)碳污協(xié)同治理，在提升處理效率的同時顯著降低能耗，從而達(dá)到高效減排。
不久前，這項成果入選中國科協(xié)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)學(xué)聯(lián)合體發(fā)布的2024年度中國生態(tài)環(huán)境十大科技進(jìn)展。
AI技術(shù)賦能減污降碳
數(shù)據(jù)顯示，電力、熱力、鋼鐵等重點(diǎn)耗煤行業(yè)排放了全國30%以上的大氣污染物、60%以上的二氧化碳，是深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的“主戰(zhàn)場”。
煤炭燃燒時產(chǎn)生的煙氣含有二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等影響空氣質(zhì)量的物質(zhì)，同時含有大量引起溫室效應(yīng)的二氧化碳。我國已出臺全球最嚴(yán)的煙氣排放限值要求。以我國對燃煤電廠的排放要求為例，我國出臺了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》等系列政策，要求燃煤電廠實(shí)現(xiàn)超低排放，即在6%的基準(zhǔn)含氧量下，燃煤電廠的二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放限值分別不超過35毫克/立方米、50毫克/立方米、10毫克/立方米，這一標(biāo)準(zhǔn)顯著嚴(yán)于美國和歐盟。面對如此嚴(yán)格的煙氣排放限值要求，煙氣治理裝備開始“走上舞臺”。目前，我國各類煙氣治理裝備已經(jīng)得到規(guī)?；瘧?yīng)用。
但是，碳排放雙控約束下低碳或零碳燃料的利用比例不斷提升，燃料變得復(fù)雜多變（不同煤種、生物質(zhì)和污泥等摻燒），負(fù)荷波動更為頻繁（如煤電機(jī)組調(diào)峰時，鍋爐負(fù)荷在20%至100%間波動），煙氣碳污減排系統(tǒng)所承擔(dān)的負(fù)荷（如電力負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷、業(yè)務(wù)負(fù)荷等）波動也隨之更為頻繁。
同時，由于煙氣碳污減排系統(tǒng)不同裝置運(yùn)行控制彼此獨(dú)立，基于反饋的控制方法被動應(yīng)對燃料/負(fù)荷波動，帶來了污染物排放濃度波動大、瞬時超標(biāo)，以及裝備運(yùn)行能耗、物耗高等問題，會影響裝備高效、穩(wěn)定、低碳運(yùn)行。
為此，亟待研發(fā)智能、靈活、低碳智能化全流程碳污減排技術(shù)與系統(tǒng)。
人工智能的發(fā)展，為研發(fā)這一技術(shù)與系統(tǒng)帶來了機(jī)遇。
近年來，人工智能技術(shù)的應(yīng)用場景全面開花。能不能利用人工智能算法，提升鍋爐效率，降低煙氣治理的能耗，同時提高煙氣治理裝備對燃料和負(fù)荷的適應(yīng)性，降低運(yùn)營成本？
為此，浙江大學(xué)等單位聯(lián)合組建了一個多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊。“我們團(tuán)隊的研究涵蓋環(huán)境、能源控制、信息計算機(jī)等不同領(lǐng)域。項目之初，研發(fā)團(tuán)隊就提出了碳污減排調(diào)控機(jī)理與人工智能深度融合的思路。”浙江大學(xué)碳中和研究院副院長鄭成航教授說。
鍋爐裝上“智能大腦”
研發(fā)團(tuán)隊研發(fā)了多參量聯(lián)控的源頭碳污減排智能調(diào)控技術(shù)，建立了強(qiáng)擾動、復(fù)雜約束環(huán)境下鍋爐風(fēng)—燃比等關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化梯度的動態(tài)辨識方法。通俗來說，這個技術(shù)就相當(dāng)于給鍋爐及煙氣治理裝置裝上了“智能大腦”，解決了以前燒煤時存在的不少難題。
以前，在鍋爐運(yùn)行過程中，常遇到燃料忽好忽壞、負(fù)荷時高時低等情況，風(fēng)量和燃料的比例總是調(diào)不好?，F(xiàn)在，源頭碳污減排智能調(diào)控技術(shù)能實(shí)時盯著這些變化，自動算出最優(yōu)的風(fēng)量和燃料比例。這就好比家用智能空氣凈化器——能實(shí)時監(jiān)測空氣污染程度，自動調(diào)節(jié)風(fēng)速和凈化強(qiáng)度，既保證高效過濾，又避免電量浪費(fèi)。
另外，不管是燒普通煤、生物質(zhì)，還是幾種燃料混著燒，無論鍋爐是滿負(fù)荷運(yùn)行還是低負(fù)荷運(yùn)行，這套技術(shù)都能直接調(diào)出最合適的燒煤參數(shù)，不用人天天調(diào)整。
更關(guān)鍵的是，這套技術(shù)能“盯”著鍋爐煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓、污染物濃度等“信號”，從燒煤一開始就自動調(diào)整，從源頭抑制二氧化碳和污染物生成，而不是等生成后再處理。
鄭成航強(qiáng)調(diào)，就算混合了很多不同品質(zhì)的燃料（比如生物質(zhì)、煤炭），鍋爐也能自己適應(yīng)，游刃有余地處理。
可以說，源頭碳污減排智能調(diào)控技術(shù)，讓鍋爐燃燒變得環(huán)保、省錢又高效。
協(xié)同治理展現(xiàn)綜合效益
研發(fā)團(tuán)隊還開發(fā)了知識與數(shù)據(jù)協(xié)同驅(qū)動的煙氣治理過程精準(zhǔn)建模及智能調(diào)控技術(shù)。團(tuán)隊成員表示，這可以理解為，給煙氣治理裝備安裝了一個“智能導(dǎo)航+精準(zhǔn)操控系統(tǒng)”。
據(jù)介紹，研發(fā)團(tuán)隊把治污過程中積累的經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)的規(guī)律和實(shí)際監(jiān)測到的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，建立了一個智能調(diào)控大模型。這個模型能提前至少90秒精準(zhǔn)算出不同負(fù)荷下不同位置的污染物濃度會怎么變化，就像智能導(dǎo)航能讓司機(jī)提前知道“哪里會堵車、堵多久”一樣，從而給后續(xù)調(diào)控留出充足時間。
更重要的是，它能對不同治污設(shè)備進(jìn)行“精準(zhǔn)指揮”。比如，能讓處理氮氧化物的催化脫硝裝置精確控制噴氨量；讓處理粉塵的靜電除塵設(shè)備協(xié)調(diào)好多個電場的電源參數(shù)；讓吸收二氧化硫裝置的多個子系統(tǒng)配合得更默契；讓捕集二氧化碳的設(shè)備在吸收和解吸過程匹配得更高效。
這么一來，不僅確保了各類污染物達(dá)到超低排放要求，更有效控制了氮氧化物、二氧化硫等主要污染物排放的濃度波動。與此同時，污染治理過程的能源消耗也實(shí)現(xiàn)明顯下降，在保障環(huán)境效益的同時提升了經(jīng)濟(jì)效益。
此外，研發(fā)團(tuán)隊還首創(chuàng)了“源頭—末端全流程智能化碳污協(xié)同減排系統(tǒng)”，解決了多行業(yè)燃用復(fù)雜燃料、多變工況下煙氣多污染物高效精準(zhǔn)治理協(xié)同降碳的難題。
中國工程院院士、浙江大學(xué)能源工程學(xué)院院長高翔介紹，智能化煙氣碳污協(xié)同減排關(guān)鍵技術(shù)已在多個行業(yè)推廣應(yīng)用，取得了良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。行業(yè)專家指出，這種智能化協(xié)同治理模式，為推動減污降碳提供了新的解決方案。
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