为了实现全球净零排放的宏伟目标，开发和利用脱碳技术显得尤为关键，其中碳捕获和封存（CCS）以及碳捕获、利用和封存（CCUS)技术备受瞩目。尽管市面上已提出了多种解决方案，但在验证这些创新技术的实际效果方面，仍存在诸多挑战。因此，为了确保这些技术的有效性和可持续性，我们必须重视准确监测、验证和报告实际捕获和封存的二氧化碳量，从而为全球净零排放目标的实现提供坚实的技术支撑和数据保障。
在丹麦技术大学的研究团队与哥本哈根的一家垃圾焚烧发电厂展开的合作中，双方正在研发一种能够从垃圾焚烧排放物中捕获CO2的工艺，从而验证CCUS技术的可行性。在这一过程中，如何准确测量碳捕获率至关重要。维萨拉气体分析仪来以其可靠的测量数据为支持，为决策提供了明智的依据，确保了碳捕获和封存过程的透明度和准确性，向绿色转型迈出坚实的一步。
该发电厂每年能处理约56万吨的垃圾。为了从排放物中有效分离CO2，研究人员们建立了一座试验设施。这一设施不仅针对垃圾焚烧排放物，还涵盖了废水处理、沼气生产、厌氧发酵等多个过程。与此同时，研究人员也在研究捕获并利用CO2的方法。在此之前，这套碳捕获试验设施已在一家废水处理厂进行了初步的测试与运行，随后被安装在了该垃圾焚烧发电厂。
丹麦技术大学的研究人员强调，虽然碳捕获技术并非全新概念，但他们的研究重点在于如何降低其成本，使其在经济上更具吸引力。
位于丹麦的某垃圾焚烧发电厂
该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。经过这些净化流程，高浓度的CO2被留在烟气中。碳捕获试验设施的主要目的则是验证碳捕获的可行性。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。
目前，该项目尚处于研究阶段，因此产生的CO2仍被排放到空气中，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（由诺贝尔奖得主、法国化学家Paul Sabatier于20世纪初开发的工艺）中反应产生甲烷和水。如果氢气是来源于太阳能、沼气或风能等可再生能源的电解过程，这将成为一种绿色的燃料生产方式。
除了上述应用外，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。这意味着，如果能够以商业化的品质和规模生产CO2，将会开辟出广阔的潜在市场。
监测碳捕获效率
为了确保碳捕获工艺的优化，关键在于能够在整个碳捕获过程中持续监测CO2浓度。幸运的是，在上文提到的试验设施建立之前，维萨拉已成功研发出在线CO2、湿度和甲烷监测仪，为这一目标的实现提供了有力工具。
焚烧炉产生的废气可能具有腐蚀性并存在爆炸风险，因此原位在线测量在过去极其困难。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重新校准。
维萨拉开发的多气体探头MGP261高效地解决了上述监测难题，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，因此适合在试验设施解吸塔工序之后连续在线监测高纯度的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，而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（碳捕获后）的CO2浓度。
可靠的监测技术
三个监测探头均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滤波器还能够在非吸收波长下执行参考测量。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的潜在变化并减少光路中的污染，进一步提高了传感器的长期可靠性。
在MGP261和MGP262内，湿度和CO2采用了相同的滤波器测量，并且通过第二个光通道测量甲烷。这种设计融合了实验室光谱仪分析能力与工业过程控制仪器的简单坚固设计。
丹麦技术大学的研究团队对监测设备的表现给予了高度评价：“我们对多气体探头的准确性和可靠性感到非常满意。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深入的了解。尽管化石燃料燃烧的排放特性已为人们所熟知，但垃圾焚烧排放的研究仍然有限。此外，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，从而证明了碳捕获过程的可行性。而研究的下一步则是评估碳封存和利用的相对优势。研究人员表示：“目前，由于CO2需要进一步提纯，而该费用较高，因此利用CO2会是一个更加昂贵的选项。该垃圾焚烧发电工厂的所有者计划申请15亿丹麦克朗（15.62亿人民币）用于建造一个每年能够捕获50万吨CO2的CCS设施，然而这需要丹麦政府提供合适的监管框架和足够的资金支持。该设施将采用与碳捕获试验设施相同的胺洗涤工艺。”
焚烧城市垃圾每吨会释放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，产生的碳强度更高。碳捕获为管理日益增长的城市垃圾处理需求提供了一个契机，同时在过程中不会产生大量的温室气体。
展望未来，研究团队对这项技术的广泛应用前景充满信心。根据ecoprog的2022年的数据，世界上大约有2,500个垃圾焚烧发电厂，每年处理约4亿吨垃圾。值得一提的是，焚烧产生的余热也有望收集起来，供当地工业或区域供热网络使用。
研究人员总结道：“许多国家和地区已承诺要实现净零排放目标，这凸显了对有助于减少CO2等温室气体排放技术的迫切需求。因此，我们在该垃圾焚烧发电厂进行的研究工作，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CCUS技术加以投资。”
维萨拉的CCUS解决方案
维萨拉不仅在垃圾焚烧发电厂领域助力脱碳，还正广泛支持多个工业领域的减碳进程。从建筑施工应用中的CCS解决方案，到废弃物回收和碳中和能源生产，维萨拉始终为合作伙伴提供准确仪表与关键数据，让他们能够专注投入核心业务。凭借数十年的CO2仪表经验，维萨拉运用这些丰富知识和屡获殊荣的仪表来监测CO2的捕获、利用和封存。
基于可靠的测量数据做出更明智的决策——这便是维萨拉为客户的CCUS解决方案带来的价值。维萨拉的目标是竭尽所能，推动各行业实现低碳转型，共同迈向可持续发展的未来。
MGP261
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