工业烟气中CO2 直接用于增施气肥的流动及扩散特性

陶建国， 吴其荣， 王 进， 黎方潜

（1.国家电力投资集团有限公司，北京 100029； 2.重庆远达烟气治理特许经营有限公司科技分公司，重庆 401122）

0 引言

气候变化是人类社会发展面临的重大挑战之一。为应对全球变暖等气候问题，在第75 届联合国大会上，中国提出其CO2排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。有效控制碳排放是目前解决全球气候变化的主要手段。2010-2020 年全球碳排放总体呈上升趋势，2020 年全球化石能源碳排放总量约为322.8 亿t，较2019 年减少约20 亿t，但中国目前仍然是全球最大的碳排放主体，2020 年化石能源碳排放达99 亿t[1]。在排放的CO2中，大多来自工业行业，其中最多的为火电行业，2020 年中国火电机组CO2排放量约为45 亿t，约占全国化石能源排放总量的45%，其次为钢铁、水泥等工业行业[2]。工业烟气中一般含10%～20%的CO2，是目前我国碳排放的主要来源，有效降低CO2排放或经济高效地实现CO2利用是目前面临的难点，也是未来我国实现“碳达峰、碳中和”的重点发展方向。

在农业生产区域中，增施气肥是保持适宜的CO2浓度，创造高效率的光合作用环境，提高农作物的产量和质量，提升农作物对碳的吸收，实现CO2经济利用，同时可以减少农药和化肥的使用量，生产出高品质农作物供给人类生活，也被称为富碳农业[3]。近年来，富碳农业产业在我国广泛开展，并取得了良好的增产效果。内蒙古包头市果树果品科学技术研究所于2017年开展了利用CO2气肥在设施栽培中的肥效反应，研究表明，增施CO2气肥后，草莓植株抗病能力得到提高，提升了草莓植株的品质及产量[4]。当温室大棚内CO2的浓度大于大气中的2～3 倍时，大部分蔬菜产量可以提高1 倍。CO2浓度充足可使蔬菜提早上市，减少农药用量，改善作物品质[3]。

富碳农业所用的CO2一般是通过购买所得，其CO2来源一般包括气矿开采、工业提纯等方式。其生产过程涉及捕集、再生、压缩和干燥等众多环节，投资和运行成本均较高[5-6]。采用经环保净化后的工业烟气直接用于提升农业生产中的CO2浓度，无须对原烟气中的CO2进行提纯处理，将极大节约成本，提升碳捕集和利用的经济性。目前，采用纯CO2用于农业增产的研究较多，但直接采用工业烟气用于农业增产的案例目前还缺少，结合烟气中CO2和污染物特点，开展相关研究也较少。

本文结合目前工业烟气特点和富碳农业中农业生产对气肥的要求，进行可行性分析，并基于计算流体动力学（computational fluent dynamics，CFD）数值模拟技术，对CO2分布及扩散特性进行模拟分析，提出相关可行性方案。

1 工业烟气特性

目前，电力、钢铁、铝业、水泥、化工等工业是我国主要碳排放行业。化工行业一般排放的CO2浓度较高，可达50%～90%，具有较好的捕集提纯潜力，而其他工业行业烟气中的CO2浓度大多在20%以下（表1），其通过捕集、提纯、压缩等工艺后，将产生较大的成本支出，因此，如对其直接进行应用则可以大幅降低现有CO2的捕集和利用成本。

表1 工业典型行业烟气中CO2 含量Tab.1 CO2 content in flue gas of typical industrial industries

一般而言，工业烟气都需要经过严格的脱硫、脱硝、除尘、除VOCs 等污染物处理，其中电力、钢铁行业大多要求达到超低排放水平，铝行业中电解铝工段排放的烟气量最大，部份地区也已开始实行超低排放限值的要求，不同行业的污染物排放限值要求如表2 所示。目前，各典型工业中的污染物要求均较为严格，如SO2、NOx、粉尘需达到35、50 和10 mg/m3，此外，还有一些微量污染物，这些污染物可能会对植物生产产生一些影响，对其浓度进行有效控制是工业烟气能够直接用于富碳农业的重要保障。

表2 工业典型工段烟气污染物排放限值对比Tab.2 Comparison of emission limits of flue gas pollutants in typical industrial sections

2 工业烟气对农业生产的影响特性

2.1 CO2 浓度对农业生产的影响

大气环境中CO2浓度一般在350～450 mg/m3，可为自然生长的植物提供源源不断的原料供给[9-10]。研究证明，通常提高CO2浓度会提高植株的光合速率，其机理主要有调整Rubisco 双向酶活性、促使植物的气孔关闭、降低蒸腾速率、提高水分利用率及抑制植物呼吸作用等[11-12]。CO2对植物的增产需要控制合适的浓度，左鹏[13]通过控制CO2气肥浓度为1 130～1 765 mg/m3栽培黄瓜，结果表明，黄瓜品质和抗病能力增加。赵敏等[10]在莴苣和芹菜生长过程中，将大气CO2含量提高2～3 倍， 结 果 表 明， 可 增 产30%～40%或 提 早10～15 d 收获。一般认为，适宜植株生长环境中的CO2质量分数需控制在0.06%～0.30%，即体积分数在600～3 000 μL/L，过高或过低都会影响植物的生长，因此实际应用中需通过合理手段施补CO2至农作物适宜浓度才能有效促进农作物生长[13]。

2.2 不同污染物对农业生产的影响

2.2.1 SO2对农作物的影响

SO2对植物的影响具有双重作用，低浓度可以促进植物生长，特别是在缺硫的土壤中，不同植物对SO2的耐受作用是不同的，过高的SO2会对植物产生毒害作用[14]。农作物长期接触SO2可导致叶片胁迫症状及相关细胞生理生化指标的变化，使农作物生理机能减弱，生产力降低。席君兰[15]通过研究发现，油菜、水稻、红薯在经过SO2熏气处理后，增加了叶片的细胞膜透性、含硫量，减少了体内可溶性蛋白含量，影响细胞生理代谢过程，在SO2浓度达到8.56 mg/m3时，对植物的活性影响开始显著。吴世军[16]研究了不同环境浓度下的SO2含量对植物叶片的影响，在特征点浓度为0.043 mg/m3的环境中，影响较小，而在特征点0.108 8 mg/m3的环境中影响较大。

2.2.2 NOx对农作物的影响

NOx是包含多种氮氧化合物的混合物，其主要成分为NO2[17]。NO2对农作物的作用主要在于能够调节农作物的营养生长和生殖生长。ADAM S E H 等[18]研究认为，NO2可以作为农作物的调节剂。不同NO2浓度对农作物生长的影响也不同，适宜NO2浓度下，可以促进植物生长的NO2活化效应。TAKAHASH M 等[19]进行不同NO2浓度下熏蒸番茄品种试验，结果表明，NO2熏蒸番茄果实的产量得到了增加，尤其是红色番茄的果实产量和番茄果实的总产量都增加了40%左右。滕士元等[20]采用开顶式人工熏气装置，利用不同NO2浓度（0.1、0.5 和4.0 μL/L）熏气处理樟树幼苗，结果表明，樟树幼苗叶片的活力随NO2浓度的增加呈先增加后降低的趋势。

2.2.3 其他污染物对农业生产的影响

其他微量污染物也会对植物生产产生影响，如重金属和氟化物等[21]。植物体吸收重金属过多，植株会出现生长变缓、生物量降低、叶片失绿等现象，植物细胞质膜的选择透性、组成、结构受到影响，甚至出现植株死亡情况，同时重金属可通过食物链迁入人体，影响健康[22-23]。氟化物对作物生长也会产生影响，植物长期接触含氟烟气，可导致植物出现一些中毒症状，如植物叶片在不同部位出现伤斑，部分叶片枯萎脱落，结实能力降低，甚至会出现植株死亡，不同作物对氟化物的抵抗能力是不同的[24]。

因此，对于工业烟气直接用于农业生产，需要对不同污染物的影响特性进行适当分析，或者采取进一步的污染净化后方可应用于农业生产中。

3 模拟方法

利用数值模拟技术对工业烟气通过农业大棚后的烟气和污染物扩散特性进行分析[25]。建立的大棚模型尺寸为100 m×20 m×3 m，如图1 所示。其入口考虑5 种不同方案：方案一为前部入口，方案二为底部入口，方案三为单侧面入口，方案四为双侧面入口，方案五为方案二和方案四的组合方案，即入口包括两侧边缘和底部，出口均设置在底部中间区域。模型下方1 m 高度区域内为植物区，设置为多孔介质区域，并设置植物吸收CO2速率为恒定常数。入口烟气采用目前工业企业达到超低排放要求下的出口烟气参数，对于其他污染物采用实际排放值，如氟化物在一般行业中规定其出口排放限制为3 mg/m3，但实际其排放值＜1mg/m3，汞的排放限制规定是30 μg/m3，但其实际排放值较低[26-27]。本文对粉尘粒径，汞和氟化物的浓度采用目前典型燃煤电厂烟气中颗粒大小和污染物浓度进行设定[28]。模型采用的默认边界条件参数如表3 所示。

表3 模型边界条件Tab.3 Model boundary conditions

图1 方案示意Fig.1 Schematic diagram of solution

4 结果分析

4.1 CO2 浓度影响分析

以燃煤电厂为例，常规烟气出口的CO2质量浓度为12%左右，分别设置不同稀释比下的入口CO2浓度（C0），并检测沿大棚长度方向L=0～100 m 各断面的CO2浓度来分析其衰减情况。设置多孔区域的CO2吸收速率φCO2=5×10-8m3/s，基于数值模拟计算，得到不同入口浓度下的截面CO2浓度如图2 所示。从图中可以看出，在C0＝0.12 和0.012 时，CO2的浓度下降较缓慢，在整个断面内，CO2浓度均超过0.003，该浓度已超过一般植物生长的最佳CO2浓度[13]。而在C0＝0.001 2 和0.006 2 时，CO2的初始浓度由0.001 972 和0.010 161 下降到0 左右，其终点值分别在40 和80 m 左右，CO2浓度快速下降会导致在大棚后端的CO2浓度缺少。相关研究表明，适宜植株生长环境中的CO2质量分数一般需控制在0.06%～0.30%，同时考虑不同植物对CO2的吸收速率存在较大差异，因此对于C0＝0.001 2 时其CO2浓度控制值较适合植物的生长，但由于吸收作用导致的大棚后端CO2浓度过低问题，需考虑多点布置的方式进行改善[13]。

图2 不同断面的CO2 浓度（φCO2=5×10-8 m3/s）Fig.2 CO2 concentration at different sections（φCO2=5×10-8 m3/s）

4.2 CO2 吸收速率影响分析

不同CO2吸收速率下的CO2分布情况如图3 所示。从图中可以看出，不同的吸收速率以大棚内碳的衰减特性影响较大，在烟气体积流量为5.2 g/s，体积浓度C0＝0.012 时，吸收速率φCO2在1×10-6m3/s 和1×10-7m3/s时，其衰减终点值30 m；吸收速率φCO2＝5×10-8m3/s 时，在大棚出口处仍有一定浓度（0.003 029），达到植物适宜环境的临界高点，此时大棚内的CO2浓度不适合植物生长；在φCO2＝1×10-9m3/s 时，大棚内沿整个断面方向的CO2浓度衰减较少，但由于入口高浓度的CO2，整体浓度较高，也会对植物的生长产生抑制作用。应结合不同植物对CO2的吸收速率不同，选择合适的入口CO2浓度，以促进大棚内植物的有效生长。

图3 不同断面的CO2 浓度（C0=0.012）Fig.3 CO2 concentration at different sections （C0=0.012）

4.3 CO2 喷入位置影响分析

不同CO2喷入位置的大棚内CO2浓度分布及沿大棚长度L方向各截面的浓度分布相对偏差（RSD）如图4 所示。从图中可以看出，方案一由于从前部入口喷入CO2，随着L方向的增加，CO2浓度不断下降，而其他喷入方案下，CO2平均浓度随长度方向变化较小，能够满足CO2浓度在大棚内沿长度方向上的平均分布，说明方案一的布置方式不利于大棚内植物均匀吸收，而沿长度方向多点布置的方案可以避免大棚后端因吸收导致的CO2缺少问题。同时，从CO2浓度平均值看，除方案一的浓度呈下降趋势外，方案三的平均浓度较其他方案明显偏高，这主要是因为方案三在单侧喷入，在大棚宽度方向上不能有效扩散，导致CO2的吸收量较小。从图4 中RSD 值可以看出，方案二、三、四布置方式下其RSD 值明显偏高，而方案一的入口布置RSD 值最小，说明其均匀性最佳，但由于其沿长度方向浓度衰减值最大，因此，实际工程中也不宜采用该方式布置，而方案五的两侧和底部同时布置，导致在沿L方向上的CO2浓度变化及各断面的均匀性均较方案二、三、四明显改善。由图5 可知，方案五在整个断面上的分布更为均匀，而方案一在沿L方向上明显不均，方案二、三、四在断面方向上也明显不均，这主要是由于通入的烟气扩散能力有限，大棚整个截面较大，不能完全扩散，从而影响了CO2浓度分布。

图4 不同喷入位置下的截面CO2 浓度（C0=0.012）Fig.4 CO2 concentration at different sections （C0=0.012）

图5 不同方案下的CO2 浓度分布云图（C0=0.001 2）Fig.5 CO2 concentration contours of different schemes （C0=0.012）

4.4 污染物浓度影响分析

由于工业烟气中的CO2浓度一般高于农业大棚中的实际需要，因此为了保障合适的CO2浓度，需对其进行适当稀释，同时工业烟气中的污染物也可能对植物的生长和环境空气质量产生一定影响，基于模型入口边界条件，并考虑不同稀释倍数下的特征污染物浓度和环境空气质量标准（GB 3095-2012）中一、二级标准的要求，将不同污染物的浓度列于图6 中，从图中可以看出，当稀释到C0＝0.001 2（即稀释100 倍后）时，SO2、NO2、Hg、HF、PM 等污染物浓度达到0.35 mg/m3、0.5 mg/m3、 0.01 μg/m3、 0.003 mg/m3和0.1 mg/m3， 除Hg 和 PM 外，其他污染物均出现了超过环境空气质量标准的一、二级要求，如进一步进行稀释，其入口CO2浓度会出现低于0.001 972 的情况，过低的CO2浓度达不到植物生长所需的富碳要求，说明在不考虑稀释法带来的污染物浓度凝结降低或植物的吸收吸附作用降低效应下，基于超低排放限值要求下的工业烟气直接用于富碳农业的可行性不足。

图6 不同稀释倍数下的污染物浓度Fig.6 Pollutant concentrations at different dilution ratios

基于反推法，假设排放烟气中的污染物浓度进行进一步洗涤后，当SO2、NO2、Hg、HF 和PM 等污染物浓度 达到 15 mg/m3、 8 mg/m3、 5 μg/m3、 0.2 mg/m3和7.5 mg/m3，其出口污染物浓度可以达到环境空气质量标准的一级标准要求。而经过分析我国燃煤电厂机组的实际排放情况可知，目前已有不少机组的污染物实际排放限制可以小于上述排放限值[29]。因此，通过对燃煤烟气进行进一步的预洗涤或者选择排放浓度较低的燃煤电厂烟气，可以满足富碳农业生产过程中所述的CO2浓度和大棚内环境空气质量要求。

5 结论

基于我国主要工业行业的烟气特点和富碳农业生产中大棚内CO2浓度的要求，总结和分析了工业烟气排放特性及不同组分对农业生产的影响，基于数值模拟技术和理论分析，建立了大棚内的气体流动模型，对CO2浓度分布、吸收速率、喷入位置、污染物浓度限制进行了分析，主要结论如下。

（1）电力、钢铁、水泥等主要工业烟气中的高浓度CO2可用于富碳农业中植物生长，从而提升植物固碳能力、提高农作物产量，有利于提升工业烟气中CO2利用经济性，大幅降低传统捕集后再利用成本。

（2）工业烟气中含有不同的污染物成份可能会对大棚内的环境空气质量产生影响，需经过合理评估并采取适当措施后方可用于富碳农业的要求。

（3）基于燃煤电厂行业的烟气特点，在CO2吸收速率为5×10-8m3/s 时，对烟气稀释100 倍，并控制进入大棚内的SO2、NO2、Hg、HF 和PM 等污染物浓度达到15 mg/m3、8 mg/m3、5 μg /m3、0.2 mg/m3和7.5 mg/m3，其出口污染物浓度可以达到环境空气质量标准的一级标准，能够实现工业烟气直接用于富碳农业，并且CO2的浓度满足植物生长的浓度要求。不同入口布置方式，对大棚内的CO2浓度分析影响较大，采用两边和中间同时布点的方案可以较好实现CO2浓度在大棚内均匀性要求。

（4）CO2浓度、植物的吸收速率、CO2喷入位置、稀释倍数和污染物浓度均会对大棚内沿长度和宽度方向上的CO2浓度分布产生影响。实际应用过程中，应结合上述因素进行综合评估，并应用于农业生产。