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。現在，科學家們給工廠研發了一臺“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，而且反應快——發現燃料變化時，能快速調整工作狀態，甚至會省錢——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“三好學生”：排放指標“優等生”、能源消耗“節約標兵”、處理成本“理財能手”。
而由浙江大學等多家單位聯合完成的“智能化煙氣碳污協同減排關鍵技術及應用”成果，就好比一臺“超級智能集成凈化器”。它的本質就是，通過智能控制實現碳污協同治理，在提升處理效率的同時顯著降低能耗，從而達到高效減排。
不久前，這項成果入選中國科協生態環境產學聯合體發布的2024年度中國生態環境十大科技進展。
AI技術賦能減污降碳
數據顯示，電力、熱力、鋼鐵等重點耗煤行業排放了全國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、實現“雙碳”目標的“主戰場”。
煤炭燃燒時產生的煙氣含有二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等影響空氣質量的物質，同時含有大量引起溫室效應的二氧化碳。我國已出臺全球最嚴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《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》等系列政策，要求燃煤電廠實現超低排放，即在6%的基準含氧量下，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，這一標準顯著嚴于美國和歐盟。面對如此嚴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得到規模化應用。
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，燃料變得復雜多變（不同煤種、生物質和污泥等摻燒），負荷波動更為頻繁（如煤電機組調峰時，鍋爐負荷在20%至100%間波動），煙氣碳污減排系統所承擔的負荷（如電力負荷、機械負荷、業務負荷等）波動也隨之更為頻繁。
同時，由于煙氣碳污減排系統不同裝置運行控制彼此獨立，基于反饋的控制方法被動應對燃料/負荷波動，帶來了污染物排放濃度波動大、瞬時超標，以及裝備運行能耗、物耗高等問題，會影響裝備高效、穩定、低碳運行。
為此，亟待研發智能、靈活、低碳智能化全流程碳污減排技術與系統。
人工智能的發展，為研發這一技術與系統帶來了機遇。
近年來，人工智能技術的應用場景全面開花。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荷的適應性，降低運營成本？
為此，浙江大學等單位聯合組建了一個多學科交叉融合的產學研團隊。“我們團隊的研究涵蓋環境、能源控制、信息計算機等不同領域。項目之初，研發團隊就提出了碳污減排調控機理與人工智能深度融合的思路。”浙江大學碳中和研究院副院長鄭成航教授說。
鍋爐裝上“智能大腦”
研發團隊研發了多參量聯控的源頭碳污減排智能調控技術，建立了強擾動、復雜約束環境下鍋爐風—燃比等關鍵參數優化梯度的動態辨識方法。通俗來說，這個技術就相當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，在鍋爐運行過程中，常遇到燃料忽好忽壞、負荷時高時低等情況，風量和燃料的比例總是調不好。現在，源頭碳污減排智能調控技術能實時盯著這些變化，自動算出最優的風量和燃料比例。這就好比家用智能空氣凈化器——能實時監測空氣污染程度，自動調節風速和凈化強度，既保證高效過濾，又避免電量浪費。
另外，不管是燒普通煤、生物質，還是幾種燃料混著燒，無論鍋爐是滿負荷運行還是低負荷運行，這套技術都能直接調出最合適的燒煤參數，不用人天天調整。
更關鍵的是，這套技術能“盯”著鍋爐煙氣含氧量、爐膛負壓、污染物濃度等“信號”，從燒煤一開始就自動調整，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。
鄭成航強調，就算混合了很多不同品質的燃料（比如生物質、煤炭），鍋爐也能自己適應，游刃有余地處理。
可以說，源頭碳污減排智能調控技術，讓鍋爐燃燒變得環保、省錢又高效。
協同治理展現綜合效益
研發團隊還開發了知識與數據協同驅動的煙氣治理過程精準建模及智能調控技術。團隊成員表示，這可以理解為，給煙氣治理裝備安裝了一個“智能導航+精準操控系統”。
據介紹，研發團隊把治污過程中積累的經驗、總結的規律和實際監測到的數據結合起來，建立了一個智能調控大模型。這個模型能提前至少90秒精準算出不同負荷下不同位置的污染物濃度會怎么變化，就像智能導航能讓司機提前知道“哪里會堵車、堵多久”一樣，從而給后續調控留出充足時間。
更重要的是，它能對不同治污設備進行“精準指揮”。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備協調好多個電場的電源參數；讓吸收二氧化硫裝置的多個子系統配合得更默契；讓捕集二氧化碳的設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現明顯下降，在保障環境效益的同時提升了經濟效益。
此外，研發團隊還首創了“源頭—末端全流程智能化碳污協同減排系統”，解決了多行業燃用復雜燃料、多變工況下煙氣多污染物高效精準治理協同降碳的難題。
中國工程院院士、浙江大學能源工程學院院長高翔介紹，智能化煙氣碳污協同減排關鍵技術已在多個行業推廣應用，取得了良好的環境效益和經濟效益。行業專家指出，這種智能化協同治理模式，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。現在，科學家們給工廠研發了一臺“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，而且反應快——發現燃料變化時，能快速調整工作狀態，甚至會省錢——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“三好學生”：排放指標“優等生”、能源消耗“節約標兵”、處理成本“理財能手”。
而由浙江大學等多家單位聯合完成的“智能化煙氣碳污協同減排關鍵技術及應用”成果，就好比一臺“超級智能集成凈化器”。它的本質就是，通過智能控制實現碳污協同治理，在提升處理效率的同時顯著降低能耗，從而達到高效減排。
不久前，這項成果入選中國科協生態環境產學聯合體發布的2024年度中國生態環境十大科技進展。
AI技術賦能減污降碳
數據顯示，電力、熱力、鋼鐵等重點耗煤行業排放了全國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、實現“雙碳”目標的“主戰場”。
煤炭燃燒時產生的煙氣含有二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等影響空氣質量的物質，同時含有大量引起溫室效應的二氧化碳。我國已出臺全球最嚴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《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》等系列政策，要求燃煤電廠實現超低排放，即在6%的基準含氧量下，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，這一標準顯著嚴于美國和歐盟。面對如此嚴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得到規模化應用。
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，燃料變得復雜多變（不同煤種、生物質和污泥等摻燒），負荷波動更為頻繁（如煤電機組調峰時，鍋爐負荷在20%至100%間波動），煙氣碳污減排系統所承擔的負荷（如電力負荷、機械負荷、業務負荷等）波動也隨之更為頻繁。
同時，由于煙氣碳污減排系統不同裝置運行控制彼此獨立，基于反饋的控制方法被動應對燃料/負荷波動，帶來了污染物排放濃度波動大、瞬時超標，以及裝備運行能耗、物耗高等問題，會影響裝備高效、穩定、低碳運行。
為此，亟待研發智能、靈活、低碳智能化全流程碳污減排技術與系統。
人工智能的發展，為研發這一技術與系統帶來了機遇。
近年來，人工智能技術的應用場景全面開花。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荷的適應性，降低運營成本？
為此，浙江大學等單位聯合組建了一個多學科交叉融合的產學研團隊。“我們團隊的研究涵蓋環境、能源控制、信息計算機等不同領域。項目之初，研發團隊就提出了碳污減排調控機理與人工智能深度融合的思路。”浙江大學碳中和研究院副院長鄭成航教授說。
鍋爐裝上“智能大腦”
研發團隊研發了多參量聯控的源頭碳污減排智能調控技術，建立了強擾動、復雜約束環境下鍋爐風—燃比等關鍵參數優化梯度的動態辨識方法。通俗來說，這個技術就相當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，在鍋爐運行過程中，常遇到燃料忽好忽壞、負荷時高時低等情況，風量和燃料的比例總是調不好。現在，源頭碳污減排智能調控技術能實時盯著這些變化，自動算出最優的風量和燃料比例。這就好比家用智能空氣凈化器——能實時監測空氣污染程度，自動調節風速和凈化強度，既保證高效過濾，又避免電量浪費。
另外，不管是燒普通煤、生物質，還是幾種燃料混著燒，無論鍋爐是滿負荷運行還是低負荷運行，這套技術都能直接調出最合適的燒煤參數，不用人天天調整。
更關鍵的是，這套技術能“盯”著鍋爐煙氣含氧量、爐膛負壓、污染物濃度等“信號”，從燒煤一開始就自動調整，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。
鄭成航強調，就算混合了很多不同品質的燃料（比如生物質、煤炭），鍋爐也能自己適應，游刃有余地處理。
可以說，源頭碳污減排智能調控技術，讓鍋爐燃燒變得環保、省錢又高效。
協同治理展現綜合效益
研發團隊還開發了知識與數據協同驅動的煙氣治理過程精準建模及智能調控技術。團隊成員表示，這可以理解為，給煙氣治理裝備安裝了一個“智能導航+精準操控系統”。
據介紹，研發團隊把治污過程中積累的經驗、總結的規律和實際監測到的數據結合起來，建立了一個智能調控大模型。這個模型能提前至少90秒精準算出不同負荷下不同位置的污染物濃度會怎么變化，就像智能導航能讓司機提前知道“哪里會堵車、堵多久”一樣，從而給后續調控留出充足時間。
更重要的是，它能對不同治污設備進行“精準指揮”。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備協調好多個電場的電源參數；讓吸收二氧化硫裝置的多個子系統配合得更默契；讓捕集二氧化碳的設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現明顯下降，在保障環境效益的同時提升了經濟效益。
此外，研發團隊還首創了“源頭—末端全流程智能化碳污協同減排系統”，解決了多行業燃用復雜燃料、多變工況下煙氣多污染物高效精準治理協同降碳的難題。
中國工程院院士、浙江大學能源工程學院院長高翔介紹，智能化煙氣碳污協同減排關鍵技術已在多個行業推廣應用，取得了良好的環境效益和經濟效益。行業專家指出，這種智能化協同治理模式，為推動減污降碳提供了新的解決方案。
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