丹麥研究人員已證實垃圾焚燒爐排放中的大部分二氧化碳 (CO2) 都可以被分離，通過演示該工藝的可行性，研究人員相信他們已經開發出了應對氣候變化的關鍵技術。一處試驗設施已經在哥本哈根運行了幾個月，該設施采用了一種新型氣體監測技術來優化效率。

　　圖片來源：Hufton&Crow/ARC

　　我們的工作重點是降低碳捕獲的成本，使其在經濟上可行。

　　- Jens Jørsboe，DTU

　　如果全球領導人要兌現實現凈零排放的承諾，他們要達成的其中一項主要目標就是開發和利用脫碳技術，如碳捕獲和封存 (CCS) 以及碳捕獲、利用和存儲 (CCUS)。因此，丹麥技術大學 (DTU) 的研究人員正在與哥本哈根的一家垃圾焚燒廠合作，以研發一種能夠從其排放物中捕獲二氧化碳 (CO2) 的工藝。該項目正利用維薩拉氣體分析儀來測量碳捕獲率，從而驗證 CCUS 的可行性。

　　研究人員們建立了一個試驗設施來分離 Amager Bakke 垃圾焚燒發電廠焚燒爐排放物中的 CO2，該發電廠是北歐熱電聯產 (CHP) 工廠之一，每年能處理 56 萬噸垃圾。這家 CHP 工廠由總部位于哥本哈根的垃圾管理公司 ARC (Amager Ressourcecenter) 開發建設，該公司由哥本哈根地區的五個市政當局共同擁有。Amager Bakke 工廠有許多創新舉措，CopenHill 戶外活動中心的屋頂人工滑雪場就是其中之一。

　　建設試驗設施是為了從廢水處理、沼氣生產、厭氧發酵和垃圾焚燒等過程的排放物中捕獲 CO2。與此同時，研究人員也在研究捕獲并利用 CO2 的方法。這套碳捕獲試驗設施先在一家廢水處理廠運行了一段時間，隨后安裝在了 Amager Bakke。“這項技術本身并不新鮮，”DTU 的研究人員 Jens Jørsboe 解釋道，“然而，我們的工作重點是降低碳捕獲的成本，使其在經濟上可行。”

　　Amager Bakke 焚燒爐產生的廢氣經由電除塵器 (ESP) 去除顆粒物，通過選擇性催化還原 (SCR) 去除氮氧化合物，并使用洗滌塔去除硫氧化物。經過這些流程，高濃度的 CO2 將留存在煙氣中，碳捕獲試驗設施的主要目的則是調查碳捕獲的可行性。為了實現這一點，氣體向上通過裝有珠子和單乙醇胺 (MEA) 溶劑的柱體，該溶劑能將 CO2 從氣體中去除。然后將溶劑通入解吸塔，分離出幾乎純凈的 CO2，并重新生成可重復使用的 MEA。由于這只是一項研究項目，因此產生的 CO2 目前仍然排放到空氣中，但在商業情形中，有許多不同的工業應用可以對 CO2 加以利用。例如，在高溫高壓的環境中，CO2 在鎳催化劑的作用下可以與氫氣在 Sabatier 工藝中反應產生甲烷（一種氣體燃料）和水。如果氫氣是使用太陽能、沼氣或風能等可再生能源通過電解的方式產生的，這將會是一種綠色的燃料制造方法。

　　CO2 還廣泛用于其他行業，包括食品和飲料、制冷、醫療、園藝、消防、焊接等。因此，如果 CO2 能夠以商業化品質和規模生產，將會迎來廣闊的潛在市場。

　　監測碳捕獲效率

　　只有能夠在碳捕獲過程前后連續監測 CO2 濃度，才能實現碳捕獲工藝的優化。幸運的是，在上文提到的試驗設施建立之前，芬蘭的維薩拉研發出了在線 CO2、濕度和甲烷監測儀。

　　焚燒爐產生的廢氣可能具有腐蝕性并可能會導致爆炸，因此原位在線測量在過去是極其困難的。近些年，解決方案是在工藝過程之外提取樣本進行分析，但這種方法無法滿足工藝控制和優化的需求，并且存在許多固有缺陷，例如需要去除樣本管線中的濕氣以及需要頻繁進行重新校準。

　　維薩拉開發的多氣體探頭 MGP261 解決了上述監測難題，特別是當它的姊妹產品 MGP262 問世后。MGP262 適用于測量高濃度的 CO2，因此適合在試驗設施解吸塔工序之后連續在線監測幾乎純凈的 CO2。

　　該試驗設施總共采用了三種維薩拉探頭，MGP261 用于監測進入焚燒爐的廢氣，MGP262 用于測量提取的 CO2 的純度。第三個探頭是維薩拉 CARBOCAP® CO2 探頭 GMP251，用于檢查試驗設施廢氣中的（碳捕獲后）CO2 濃度。

　　可靠的監測技術

　　我們對多氣體探頭的準確性和可靠性感到非常滿意，更值得一提的是，借助探頭，我們能夠對垃圾焚燒產生的煙氣有更多管理方面的了解。

　　- Jens Jørsboe，DTU

　　三個監測探頭都采用了利用電調諧法布里-珀羅干涉儀 (FPI) 濾波器的 CARBOCAP® 技術。除了測量目標參數之外，該微機電 FPI 濾波器還能夠以不會發生吸收的波長執行參考測量。在執行參考測量時，對 FPI 濾波器進行電動調節，以便將帶通波段從吸收波長切換到非吸收波長。該參考測量可補償光源強度中可能的變化以及光路中的污染，這意味著傳感器即使長時間工作也高度可靠。

　　在 MGP261 和 MGP262 內，濕度和 CO2 用相同的濾波器測量，并且使用第二個光通道測量甲烷。這在許多方面實現了實驗室光譜儀分析能力與工業過程控制儀器簡單堅固設計的融合。

　　在評論監測設備的性能時，Jens Jørsboe 說：“我們對多氣體探頭的準確性和可靠性感到非常滿意，更值得一提的是，借助探頭，我們能夠對垃圾焚燒產生的煙氣有更多管理方面的了解。人們對化石燃料燃燒的排放了解很多，但關于垃圾焚燒排放的信息卻知之甚少。

　　維薩拉探頭所采用的技術也有助于降低運營成本，因為探頭能夠有效地進行自我校準，其維修要求也因此降低，并且避免了停機的發生。”

　　哥本哈根及全球的碳捕獲情況

　　得益于連續原位在線測量，研究人員在評估了 12 種不同的試驗設施配置后，已經能夠優化碳捕獲性能。證明了碳捕獲過程的可行性后，下一步是評估碳封存和利用的相對優勢。Jens Jørsboe 說：“目前，因為 CO2 需要進一步提純，費用高昂，故利用 CO2 會是一個更加昂貴的選項，所以 Amager Bakke 工廠的所有者計劃申請 15 億丹麥克朗（2.3 億美元）用于建造一個每年能夠捕獲 50 萬噸 CO2 的 CCS 設施，前提是丹麥政府能夠提供合適的監管框架和足夠的資金。該設施將采用與碳捕獲試驗設施相同的胺洗滌工藝。”

　　焚燒 1 噸城市垃圾 (MSW) 會釋放 0.7 至 1.7 噸 CO2，具體數值取決于垃圾的種類。因此，通過垃圾焚燒供能相較于燃燒化石氣體，碳強度更高。碳捕獲為管理日益增長的城市垃圾處理需求提供了一個機會，而且過程中不會產生不可接受的大量溫室氣體。

　　展望未來，Jens 相信這項技術可以廣泛應用。根據 ecoprog 的近期數據，世界上大約有 2500 個垃圾焚燒發電廠，每年大約處理 4 億噸垃圾。

　　此外，焚燒產生的余熱應該也可以收集起來，供當地工業或區域供熱網絡使用。

　　Jens 總結道：“近期在格拉斯哥舉行的 COP26 氣候變化會議，強調了對有助于減少 CO2 等溫室氣體排放技術的迫切需求。許多國家和地區已承諾要實現凈零排放目標，因此我們在 Amager Bakke 垃圾焚燒發電廠進行的工作為他們提供了可用于實現該目標的方法之一，并讓他們有機會對其加以投資。”