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经垃圾焚烧发电厂证实可行的脱碳技术

Amager Bakke 的设施和 CopenHill 中心
Amager Bakke
哥本哈根, Denmark
Published: 三 月 17, 2022
沼气生产
可持续性

丹麦研究人员已证实垃圾焚烧炉排放中的大部分二氧化碳 (CO2) 都可以被分离,通过演示该工艺的可行性,研究人员相信他们已经开发出了应对气候变化的关键技术。一处试验设施已经在哥本哈根运行了几个月,该设施采用了一种新型气体监测技术来优化效率。

图片来源:Hufton&Crow/ARC

如果全球领导人要兑现实现净零排放的承诺,他们要达成的其中一项主要目标就是开发和利用脱碳技术,如碳捕获和封存 (CCS) 以及碳捕获、利用和存储 (CCUS)。因此,丹麦技术大学 (DTU) 的研究人员正在与哥本哈根的一家高度创新的垃圾焚烧厂合作,以研发一种能够从其排放物中捕获二氧化碳 (CO2) 的工艺。该项目正利用维萨拉先进的气体分析仪来测量碳捕获率,从而验证 CCUS 的可行性。

研究人员们建立了一个试验设施来分离 Amager Bakke 垃圾焚烧发电厂焚烧炉排放物中的 CO2,该发电厂是北欧屈指可数的热电联产 (CHP) 工厂之一,每年能处理 56 万吨垃圾。这家 CHP 工厂由总部位于哥本哈根的垃圾管理公司 ARC (Amager Ressourcecenter) 开发建设,该公司由哥本哈根地区的五个市政当局共同拥有。Amager Bakke 工厂有许多创新举措,CopenHill 户外活动中心的屋顶人工滑雪场就是其中之一。

建设试验设施是为了从废水处理、沼气生产、厌氧发酵和垃圾焚烧等过程的排放物中捕获 CO2。与此同时,研究人员也在研究捕获并利用 CO2 的方法。这套碳捕获试验设施先在一家废水处理厂运行了一段时间,随后安装在了 Amager Bakke。“这项技术本身并不新鲜,”DTU 的研究人员 Jens Jørsboe 解释道,“然而,我们的工作重点是降低碳捕获的成本,使其在经济上可行。”

Amager Bakke 焚烧炉产生的废气经由电除尘器 (ESP) 去除颗粒物,通过选择性催化还原 (SCR) 去除氮氧化合物,并使用洗涤塔去除硫氧化物。经过这些流程,高浓度的 CO2 将留存在烟气中,碳捕获试验设施的主要目的则是调查碳捕获的可行性。为了实现这一点,气体向上通过装有珠子和单乙醇胺 (MEA) 溶剂的柱体,该溶剂能将 CO2 从气体中去除。然后将溶剂通入解吸塔,分离出几乎纯净的 CO2,并重新生成可重复使用的 MEA。由于这只是一项研究项目,因此产生的 CO2 目前仍然排放到空气中,但在商业情形中,有许多不同的工业应用可以对 CO2 加以利用。例如,在高温高压的环境中,CO2 在镍催化剂的作用下可以与氢气在 Sabatier 工艺中反应产生甲烷(一种气体燃料)和水。如果氢气是使用太阳能、沼气或风能等可再生能源通过电解的方式产生的,这将会是一种绿色的燃料制造方法。

CO2 还广泛用于其他行业,包括食品和饮料、制冷、医疗、园艺、消防、焊接等。因此,如果 CO2 能够以商业化品质和规模生产,将会迎来广阔的潜在市场。

监测碳捕获效率

只有能够在碳捕获过程前后连续监测 CO2 浓度,才能实现碳捕获工艺的优化。幸运的是,在上文提到的试验设施建立之前,芬兰的维萨拉研发出了在线 CO2、湿度和甲烷监测仪。

焚烧炉产生的废气可能具有腐蚀性并可能会导致爆炸,因此原位在线测量在过去是不可能的。近些年,解决方案是在工艺过程之外提取样本进行分析,但这种方法无法满足工艺控制和优化的需求,并且存在许多固有缺陷,例如需要去除样本管线中的湿气以及需要频繁进行重新校准。

维萨拉开发的多气体探头 MGP261 解决了所有监测难题,特别是当它的姊妹产品 MGP262 问世后。MGP262 适用于测量高浓度的 CO2,因此非常适合在试验设施解吸塔工序之后连续在线监测几乎纯净的 CO2

该试验设施总共采用了三种维萨拉探头,MGP261 用于监测进入焚烧炉的废气,MGP262 用于测量提取的 CO2 的纯度。第三个探头是维萨拉 CARBOCAP® CO2 探头 GMP251,用于检查试验设施废气中的(碳捕获后)CO2 浓度。

独特的监测技术

三个监测探头都采用了利用电调谐法布里-珀罗干涉仪 (FPI) 滤波器的 CARBOCAP® 技术。除了测量目标参数之外,该微机电 FPI 滤波器还能够以不会发生吸收的波长执行参考测量。在执行参考测量时,对 FPI 滤波器进行电动调节,以便将带通波段从吸收波长切换到非吸收波长。该参考测量可补偿光源强度中任何可能的变化以及光路中的污染,这意味着传感器即使长时间工作也高度可靠。

在 MGP261 和 MGP262 内,湿度和 CO2 用相同的滤波器测量,并且使用第二个光通道测量甲烷。这在许多方面实现了实验室光谱仪分析能力与工业过程控制仪器简单坚固设计的融合。

在评论监测设备的性能时,Jens Jørsboe 说:“我们对多气体探头的准确性和可靠性感到非常满意,更值得一提的是,借助探头,我们能够对垃圾焚烧产生的烟气有更多管理方面的了解。人们对化石燃料燃烧的排放了解很多,但关于垃圾焚烧排放的信息却知之甚少。

维萨拉探头所采用的技术也有助于降低运营成本,因为探头能够有效地进行自我校准,其维修要求也因此降低,并且避免了停机的发生。”

哥本哈根及全球的碳捕获情况

得益于连续原位在线测量,研究人员在评估了 12 种不同的试验设施配置后,已经能够优化碳捕获性能。证明了碳捕获过程的可行性后,下一步是评估碳封存和利用的相对优势。Jens Jørsboe 说:“目前,因为 CO2 需要进一步提纯,费用高昂,故利用 CO2 会是一个更加昂贵的选项,所以 Amager Bakke 工厂的所有者计划申请 15 亿丹麦克朗(2.3 亿美元)用于建造一个每年能够捕获 50 万吨 CO2 的 CCS 设施,前提是丹麦政府能够提供合适的监管框架和足够的资金。该设施将采用与碳捕获试验设施相同的胺洗涤工艺。”

焚烧 1 吨城市垃圾 (MSW) 会释放 0.7 至 1.7 吨 CO2,具体数值取决于垃圾的种类。因此,通过垃圾焚烧供能相较于燃烧化石气体,碳强度更高。碳捕获为管理日益增长的城市垃圾处理需求提供了一个机会,而且过程中不会产生不可接受的大量温室气体。

展望未来,Jens 相信这项技术可以广泛应用。根据 ecoprog 的近期数据,世界上大约有 2500 个垃圾焚烧发电厂,每年大约处理 4 亿吨垃圾。
此外,焚烧产生的余热应该也可以收集起来,供当地工业或区域供热网络使用。

Jens 总结道:“近期在格拉斯哥举行的 COP26 气候变化会议,强调了对有助于减少 CO2 等温室气体排放技术的迫切需求。许多国家和地区已承诺要实现净零排放目标,因此我们在 Amager Bakke 垃圾焚烧发电厂进行的工作为他们提供了可用于实现该目标的方法之一,并让他们有机会对其加以投资。”