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(jīng)開發(fā)出了應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)。一處試驗設(shè)施已經(jīng)在哥本哈根運行了幾個月，該設(shè)施采用了一種新型氣體監(jiān)測技術(shù)來優(yōu)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(jīng)濟上可行。
- Jens Jørsboe，DTU
如果全球領(lǐng)導(dǎo)人要兌現(xiàn)實現(xiàn)凈零排放的承諾，他們要達成的其中一項主要目標(biāo)就是開發(fā)和利用脫碳技術(shù)，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(shù)大學(xué) (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(fā)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(shè)施來分離 Amager Bakke 垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒爐排放物中的 CO2，該發(fā)電廠是北歐熱電聯(lián)產(chǎn) (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(fā)建設(shè)，該公司由哥本哈根地區(qū)的五個市政當(dāng)局共同擁有。Amager Bakke 工廠有許多創(chuàng)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(shè)試驗設(shè)施是為了從廢水處理、沼氣生產(chǎn)、厭氧發(fā)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(shè)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(shù)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(jīng)濟上可行。”
Amager Bakke 焚燒爐產(chǎn)生的廢氣經(jīng)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(jīng)過這些流程，高濃度的 CO2 將留存在煙氣中，碳捕獲試驗設(shè)施的主要目的則是調(diào)查碳捕獲的可行性。為了實現(xiàn)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(fù)使用的 MEA。由于這只是一項研究項目，因此產(chǎn)生的 CO2 目前仍然排放到空氣中，但在商業(yè)情形中，有許多不同的工業(yè)應(yīng)用可以對 CO2 加以利用。例如，在高溫高壓的環(huán)境中，CO2 在鎳催化劑的作用下可以與氫氣在 Sabatier 工藝中反應(yīng)產(chǎn)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(fēng)能等可再生能源通過電解的方式產(chǎn)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(yè)，包括食品和飲料、制冷、醫(yī)療、園藝、消防、焊接等。因此，如果 CO2 能夠以商業(yè)化品質(zhì)和規(guī)模生產(chǎn)，將會迎來廣闊的潛在市場。
監(jiān)測碳捕獲效率
只有能夠在碳捕獲過程前后連續(xù)監(jiān)測 CO2 濃度，才能實現(xiàn)碳捕獲工藝的優(yōu)化。幸運的是，在上文提到的試驗設(shè)施建立之前，芬蘭的維薩拉研發(fā)出了在線 CO2、濕度和甲烷監(jiān)測儀。
焚燒爐產(chǎn)生的廢氣可能具有腐蝕性并可能會導(dǎo)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(yōu)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(fā)的多氣體探頭 MGP261 解決了上述監(jiān)測難題，特別是當(dāng)它的姊妹產(chǎn)品 MGP262 問世后。MGP262 適用于測量高濃度的 CO2，因此適合在試驗設(shè)施解吸塔工序之后連續(xù)在線監(jiān)測幾乎純凈的 CO2。
該試驗設(shè)施總共采用了三種維薩拉探頭，MGP261 用于監(jiān)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(shè)施廢氣中的（碳捕獲后）CO2 濃度。
可靠的監(jiān)測技術(shù)
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?qū)贌a(chǎn)生的煙氣有更多管理方面的了解。
- Jens Jørsboe，DTU
三個監(jiān)測探頭都采用了利用電調(diào)諧法布里-珀羅干涉儀 (FPI) 濾波器的 CARBOCAP® 技術(shù)。除了測量目標(biāo)參數(shù)之外，該微機電 FPI 濾波器還能夠以不會發(fā)生吸收的波長執(zhí)行參考測量。在執(zhí)行參考測量時，對 FPI 濾波器進行電動調(diào)節(jié)，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(nèi)，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(xiàn)了實驗室光譜儀分析能力與工業(yè)過程控制儀器簡單堅固設(shè)計的融合。
在評論監(jiān)測設(shè)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?qū)贌a(chǎn)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(guān)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(shù)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(fā)生。”
哥本哈根及全球的碳捕獲情況
得益于連續(xù)原位在線測量，研究人員在評估了 12 種不同的試驗設(shè)施配置后，已經(jīng)能夠優(yōu)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(yōu)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(shè)施，前提是丹麥政府能夠提供合適的監(jiān)管框架和足夠的資金。該設(shè)施將采用與碳捕獲試驗設(shè)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(shù)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(chǎn)生不可接受的大量溫室氣體。
展望未來，Jens 相信這項技術(shù)可以廣泛應(yīng)用。根據(jù) ecoprog 的近期數(shù)據(jù)，世界上大約有 2500 個垃圾焚燒發(fā)電廠，每年大約處理 4 億噸垃圾。
此外，焚燒產(chǎn)生的余熱應(yīng)該也可以收集起來，供當(dāng)?shù)毓I(yè)或區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)使用。
Jens 總結(jié)道：“近期在格拉斯哥舉行的 COP26 氣候變化會議，強調(diào)了對有助于減少 CO2 等溫室氣體排放技術(shù)的迫切需求。許多國家和地區(qū)已承諾要實現(xiàn)凈零排放目標(biāo)，因此我們在 Amager Bakke 垃圾焚燒發(fā)電廠進行的工作為他們提供了可用于實現(xiàn)該目標(biāo)的方法之一，并讓他們有機會對其加以投資。”