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化学吸收法捕集二氧化碳(CO2)是控制温室效应的有效方法之一，但是，它的高再生能耗一直制约其广泛应用。为了降低化学吸收法捕集CO2的能耗，本文以乙醇胺溶液（MEA）化学吸收法捕集CO2过程为基础，从热力学系统集成、关键设备塔系统场协同强化和多元溶剂开发三方面，实现化学吸收法高效捕集CO2，主要内容包括： （1）基于集成理论提出了化学吸收法捕集电厂烟道气中CO2同时回收烟道气余热和压缩机级间热的改进流程。以简单换热器系统实现两部分能量回收，该流程在捕集CO2的同时能脱除烟道气中的二氧化硫，捕集后生成的醇胺碳酸盐采用热再生，少量醇胺硫酸盐则采用耦合的双极膜电解。基于夹点分析，改进流程能获得最低的CO2再生能耗为2.75 GJ·t-1，较常规流程降低9％。建立了火用分析模型，对比分析了改进流程和常规流程的热力学完善度，发现改进流程的火用损失较常规流程在不同烟道气回收温度条件下降低约15%~21%，改进流程具有较好的热力学完善度。 （2）建立了吸收过程一维多场协同模型，实现了MEA溶液吸收CO2的流动、传热和化学反应耦合作用下的协同描述，提出了协同数实现流场、温度场和浓度场等多场协同量化，建立了协同数越小，协同性越优良的协同准则。最后，揭示了吸收温度、贫液负荷、MEA质量分数和填料对应的协同数对CO2脱除效率、溶液温度和再生能耗的影响规律，得出了较小的协同数产生较高的CO2脱除效率和较低的再生能耗的协同规律。 （3）二维反应塔器中MEA溶液吸收CO2是多物理现象耦合作用的过程。为了获得反应塔器的最优协同效应，建立了基于连续性方程、动量方程、能量方程和浓度方程的二维气液两相流模型，并建立了以速度和浓度的场协同方程为优化目标函数的场协同优化模型。采用Kvamsdal中实验数据验证了模型，探讨了场协同优化前后的速度分布、温度分布和浓度分布，得出了最优的速度分布和浓度分布是MEA溶液吸收CO2过程强化的目标流场和浓度场，优化后CO2脱除效率提高9%。基于对MEA溶液吸收CO2系统火用分析，场协同优化后传质和化学反应两部分主要火用损失分别降低23.99%和10.58%，总的火用损失大约降低12.8%。 （4）对于再生CO2过程，建立了完整的气液两相流模型，并与Tobiesen实验结果对比分析验证了模型。为了强化再生过程，实现传质和传热最大化，基于场协同分析和氢夹点理论，提出了协同夹点理论，并形成了协同夹点图形分析法，以碳（能量）源和碳（能量）阱获得碳（能量）余量。建立了碳余量和能量余量达到零值时，再生CO2过程性能最优的协同夹点原则。经过协同夹点分析，提出的内环绕壁填料塔较光滑内壁填料塔碳余量和能量余量大幅度降低，更趋于协同夹点。当负荷从0.286 mol·mol-1增加至0.429 mol·mol-1时，内环绕壁塔再生能耗降低10%至14%。 （5）混合醇胺溶剂是提高化学吸收法捕集CO2性能的有效方法之一。提出了乙醇胺（MEA）、甲基二乙醇胺(MDEA),三乙醇胺(TEA),二乙醇胺(DEA)和2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）组成的多元（三元、四元和五元）混合醇胺溶液捕集CO2过程，建立了协同分子动力学模型，分析了多元混合溶液捕集CO2时体系的传递性质，获得了CO2在多元混合溶剂中的扩散系数和多元混合溶液的粘度。基于吸收过程宏观协同数类比建立了分子协同数，揭示了扩散和分子运动协同性规律，获得了三元混合溶液吸收CO2较四元和五元混合溶液具有更高的协同性，特别是MDEA-DEA-TEA是研究的三元混合溶剂中协同性最高的一组，最小的分子协同数为3.39。 （6）搭建了乙醇胺和甲醇混合非水溶剂吸收和再生CO2性能测试系统，采用PIV测试系统探讨了反应塔中流场和浓度场分布。在不同的塔结构条件下，测试了MEA体积分数为50%的非水溶剂吸收CO2的性能，得出了该混合溶剂吸收CO2性能优于同体积分数的MEA水溶液。同时，非水溶剂在含内件的吸收反应塔中具有更高的吸收性能。开展的再生CO2性能测试获得了非水溶剂再生CO2反应动力学参数，测试了在343 K~353 K等低于常规温度条件下再生CO2性能，说明了非水溶剂再生CO2较水溶液再生CO2过程具有更大的节能潜力。 上述工作的开展从系统构成和捕集内部物理过程两方面强化了化学吸收法捕集CO2过程，促进了复杂多物理过程多场耦合作用体系的理论研究，提出的场协同方法和协同夹点分析方法可望在捕集系统反应塔器高效开发的工程应用中发挥理论指导作用。