工業煙氣中CO2 直接用于增施氣肥的流動及擴散特性

陶建國， 吳其榮， 王 進， 黎方潛

（1.國家電力投資集團有限公司，北京 100029； 2.重慶遠達煙氣治理特許經營有限公司科技分公司，重慶 401122）

0 引言

氣候變化是人類社會發展面臨的重大挑戰之一。為應對全球變暖等氣候問題，在第75 屆聯合國大會上，中國提出其CO2排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。有效控制碳排放是目前解決全球氣候變化的主要手段。2010-2020 年全球碳排放總體呈上升趨勢，2020 年全球化石能源碳排放總量約為322.8 億t，較2019 年減少約20 億t，但中國目前仍然是全球最大的碳排放主體，2020 年化石能源碳排放達99 億t[1]。在排放的CO2中，大多來自工業行業，其中最多的為火電行業，2020 年中國火電機組CO2排放量約為45 億t，約占全國化石能源排放總量的45%，其次為鋼鐵、水泥等工業行業[2]。工業煙氣中一般含10%～20%的CO2，是目前我國碳排放的主要來源，有效降低CO2排放或經濟高效地實現CO2利用是目前面臨的難點，也是未來我國實現“碳達峰、碳中和”的重點發展方向。

在農業生產區域中，增施氣肥是保持適宜的CO2濃度，創造高效率的光合作用環境，提高農作物的產量和質量，提升農作物對碳的吸收，實現CO2經濟利用，同時可以減少農藥和化肥的使用量，生產出高品質農作物供給人類生活，也被稱為富碳農業[3]。近年來，富碳農業產業在我國廣泛開展，并取得了良好的增產效果。內蒙古包頭市果樹果品科學技術研究所于2017年開展了利用CO2氣肥在設施栽培中的肥效反應，研究表明，增施CO2氣肥后，草莓植株抗病能力得到提高，提升了草莓植株的品質及產量[4]。當溫室大棚內CO2的濃度大于大氣中的2～3 倍時，大部分蔬菜產量可以提高1 倍。CO2濃度充足可使蔬菜提早上市，減少農藥用量，改善作物品質[3]。

富碳農業所用的CO2一般是通過購買所得，其CO2來源一般包括氣礦開采、工業提純等方式。其生產過程涉及捕集、再生、壓縮和干燥等眾多環節，投資和運行成本均較高[5-6]。采用經環保凈化后的工業煙氣直接用于提升農業生產中的CO2濃度，無須對原煙氣中的CO2進行提純處理，將極大節約成本，提升碳捕集和利用的經濟性。目前，采用純CO2用于農業增產的研究較多，但直接采用工業煙氣用于農業增產的案例目前還缺少，結合煙氣中CO2和污染物特點，開展相關研究也較少。

本文結合目前工業煙氣特點和富碳農業中農業生產對氣肥的要求，進行可行性分析，并基于計算流體動力學（computational fluent dynamics，CFD）數值模擬技術，對CO2分布及擴散特性進行模擬分析，提出相關可行性方案。

1 工業煙氣特性

目前，電力、鋼鐵、鋁業、水泥、化工等工業是我國主要碳排放行業。化工行業一般排放的CO2濃度較高，可達50%～90%，具有較好的捕集提純潛力，而其他工業行業煙氣中的CO2濃度大多在20%以下（表1），其通過捕集、提純、壓縮等工藝后，將產生較大的成本支出，因此，如對其直接進行應用則可以大幅降低現有CO2的捕集和利用成本。

表1 工業典型行業煙氣中CO2 含量Tab.1 CO2 content in flue gas of typical industrial industries

一般而言，工業煙氣都需要經過嚴格的脫硫、脫硝、除塵、除VOCs 等污染物處理，其中電力、鋼鐵行業大多要求達到超低排放水平，鋁行業中電解鋁工段排放的煙氣量最大，部份地區也已開始實行超低排放限值的要求，不同行業的污染物排放限值要求如表2 所示。目前，各典型工業中的污染物要求均較為嚴格，如SO2、NOx、粉塵需達到35、50 和10 mg/m3，此外，還有一些微量污染物，這些污染物可能會對植物生產產生一些影響，對其濃度進行有效控制是工業煙氣能夠直接用于富碳農業的重要保障。

表2 工業典型工段煙氣污染物排放限值對比Tab.2 Comparison of emission limits of flue gas pollutants in typical industrial sections

2 工業煙氣對農業生產的影響特性

2.1 CO2 濃度對農業生產的影響

大氣環境中CO2濃度一般在350～450 mg/m3，可為自然生長的植物提供源源不斷的原料供給[9-10]。研究證明，通常提高CO2濃度會提高植株的光合速率，其機理主要有調整Rubisco 雙向酶活性、促使植物的氣孔關閉、降低蒸騰速率、提高水分利用率及抑制植物呼吸作用等[11-12]。CO2對植物的增產需要控制合適的濃度，左鵬[13]通過控制CO2氣肥濃度為1 130～1 765 mg/m3栽培黃瓜，結果表明，黃瓜品質和抗病能力增加。趙敏等[10]在萵苣和芹菜生長過程中，將大氣CO2含量提高2～3 倍， 結 果 表 明， 可 增 產30%～40%或 提 早10～15 d 收獲。一般認為，適宜植株生長環境中的CO2質量分數需控制在0.06%～0.30%，即體積分數在600～3 000 μL/L，過高或過低都會影響植物的生長，因此實際應用中需通過合理手段施補CO2至農作物適宜濃度才能有效促進農作物生長[13]。

2.2 不同污染物對農業生產的影響

2.2.1 SO2對農作物的影響

SO2對植物的影響具有雙重作用，低濃度可以促進植物生長，特別是在缺硫的土壤中，不同植物對SO2的耐受作用是不同的，過高的SO2會對植物產生毒害作用[14]。農作物長期接觸SO2可導致葉片脅迫癥狀及相關細胞生理生化指標的變化，使農作物生理機能減弱，生產力降低。席君蘭[15]通過研究發現，油菜、水稻、紅薯在經過SO2熏氣處理后，增加了葉片的細胞膜透性、含硫量，減少了體內可溶性蛋白含量，影響細胞生理代謝過程，在SO2濃度達到8.56 mg/m3時，對植物的活性影響開始顯著。吳世軍[16]研究了不同環境濃度下的SO2含量對植物葉片的影響，在特征點濃度為0.043 mg/m3的環境中，影響較小，而在特征點0.108 8 mg/m3的環境中影響較大。

2.2.2 NOx對農作物的影響

NOx是包含多種氮氧化合物的混合物，其主要成分為NO2[17]。NO2對農作物的作用主要在于能夠調節農作物的營養生長和生殖生長。ADAM S E H 等[18]研究認為，NO2可以作為農作物的調節劑。不同NO2濃度對農作物生長的影響也不同，適宜NO2濃度下，可以促進植物生長的NO2活化效應。TAKAHASH M 等[19]進行不同NO2濃度下熏蒸番茄品種試驗，結果表明，NO2熏蒸番茄果實的產量得到了增加，尤其是紅色番茄的果實產量和番茄果實的總產量都增加了40%左右。滕士元等[20]采用開頂式人工熏氣裝置，利用不同NO2濃度（0.1、0.5 和4.0 μL/L）熏氣處理樟樹幼苗，結果表明，樟樹幼苗葉片的活力隨NO2濃度的增加呈先增加后降低的趨勢。

2.2.3 其他污染物對農業生產的影響

其他微量污染物也會對植物生產產生影響，如重金屬和氟化物等[21]。植物體吸收重金屬過多，植株會出現生長變緩、生物量降低、葉片失綠等現象，植物細胞質膜的選擇透性、組成、結構受到影響，甚至出現植株死亡情況，同時重金屬可通過食物鏈遷入人體，影響健康[22-23]。氟化物對作物生長也會產生影響，植物長期接觸含氟煙氣，可導致植物出現一些中毒癥狀，如植物葉片在不同部位出現傷斑，部分葉片枯萎脫落，結實能力降低，甚至會出現植株死亡，不同作物對氟化物的抵抗能力是不同的[24]。

因此，對于工業煙氣直接用于農業生產，需要對不同污染物的影響特性進行適當分析，或者采取進一步的污染凈化后方可應用于農業生產中。

3 模擬方法

利用數值模擬技術對工業煙氣通過農業大棚后的煙氣和污染物擴散特性進行分析[25]。建立的大棚模型尺寸為100 m×20 m×3 m，如圖1 所示。其入口考慮5 種不同方案：方案一為前部入口，方案二為底部入口，方案三為單側面入口，方案四為雙側面入口，方案五為方案二和方案四的組合方案，即入口包括兩側邊緣和底部，出口均設置在底部中間區域。模型下方1 m 高度區域內為植物區，設置為多孔介質區域，并設置植物吸收CO2速率為恒定常數。入口煙氣采用目前工業企業達到超低排放要求下的出口煙氣參數，對于其他污染物采用實際排放值，如氟化物在一般行業中規定其出口排放限制為3 mg/m3，但實際其排放值＜1mg/m3，汞的排放限制規定是30 μg/m3，但其實際排放值較低[26-27]。本文對粉塵粒徑，汞和氟化物的濃度采用目前典型燃煤電廠煙氣中顆粒大小和污染物濃度進行設定[28]。模型采用的默認邊界條件參數如表3 所示。

表3 模型邊界條件Tab.3 Model boundary conditions

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

4 結果分析

4.1 CO2 濃度影響分析

以燃煤電廠為例，常規煙氣出口的CO2質量濃度為12%左右，分別設置不同稀釋比下的入口CO2濃度（C0），并檢測沿大棚長度方向L=0～100 m 各斷面的CO2濃度來分析其衰減情況。設置多孔區域的CO2吸收速率φCO2=5×10-8m3/s，基于數值模擬計算，得到不同入口濃度下的截面CO2濃度如圖2 所示。從圖中可以看出，在C0＝0.12 和0.012 時，CO2的濃度下降較緩慢，在整個斷面內，CO2濃度均超過0.003，該濃度已超過一般植物生長的最佳CO2濃度[13]。而在C0＝0.001 2 和0.006 2 時，CO2的初始濃度由0.001 972 和0.010 161 下降到0 左右，其終點值分別在40 和80 m 左右，CO2濃度快速下降會導致在大棚后端的CO2濃度缺少。相關研究表明，適宜植株生長環境中的CO2質量分數一般需控制在0.06%～0.30%，同時考慮不同植物對CO2的吸收速率存在較大差異，因此對于C0＝0.001 2 時其CO2濃度控制值較適合植物的生長，但由于吸收作用導致的大棚后端CO2濃度過低問題，需考慮多點布置的方式進行改善[13]。

圖2 不同斷面的CO2 濃度（φCO2=5×10-8 m3/s）Fig.2 CO2 concentration at different sections（φCO2=5×10-8 m3/s）

4.2 CO2 吸收速率影響分析

不同CO2吸收速率下的CO2分布情況如圖3 所示。從圖中可以看出，不同的吸收速率以大棚內碳的衰減特性影響較大，在煙氣體積流量為5.2 g/s，體積濃度C0＝0.012 時，吸收速率φCO2在1×10-6m3/s 和1×10-7m3/s時，其衰減終點值30 m；吸收速率φCO2＝5×10-8m3/s 時，在大棚出口處仍有一定濃度（0.003 029），達到植物適宜環境的臨界高點，此時大棚內的CO2濃度不適合植物生長；在φCO2＝1×10-9m3/s 時，大棚內沿整個斷面方向的CO2濃度衰減較少，但由于入口高濃度的CO2，整體濃度較高，也會對植物的生長產生抑制作用。應結合不同植物對CO2的吸收速率不同，選擇合適的入口CO2濃度，以促進大棚內植物的有效生長。

圖3 不同斷面的CO2 濃度（C0=0.012）Fig.3 CO2 concentration at different sections （C0=0.012）

4.3 CO2 噴入位置影響分析

不同CO2噴入位置的大棚內CO2濃度分布及沿大棚長度L方向各截面的濃度分布相對偏差（RSD）如圖4 所示。從圖中可以看出，方案一由于從前部入口噴入CO2，隨著L方向的增加，CO2濃度不斷下降，而其他噴入方案下，CO2平均濃度隨長度方向變化較小，能夠滿足CO2濃度在大棚內沿長度方向上的平均分布，說明方案一的布置方式不利于大棚內植物均勻吸收，而沿長度方向多點布置的方案可以避免大棚后端因吸收導致的CO2缺少問題。同時，從CO2濃度平均值看，除方案一的濃度呈下降趨勢外，方案三的平均濃度較其他方案明顯偏高，這主要是因為方案三在單側噴入，在大棚寬度方向上不能有效擴散，導致CO2的吸收量較小。從圖4 中RSD 值可以看出，方案二、三、四布置方式下其RSD 值明顯偏高，而方案一的入口布置RSD 值最小，說明其均勻性最佳，但由于其沿長度方向濃度衰減值最大，因此，實際工程中也不宜采用該方式布置，而方案五的兩側和底部同時布置，導致在沿L方向上的CO2濃度變化及各斷面的均勻性均較方案二、三、四明顯改善。由圖5 可知，方案五在整個斷面上的分布更為均勻，而方案一在沿L方向上明顯不均，方案二、三、四在斷面方向上也明顯不均，這主要是由于通入的煙氣擴散能力有限，大棚整個截面較大，不能完全擴散，從而影響了CO2濃度分布。

圖4 不同噴入位置下的截面CO2 濃度（C0=0.012）Fig.4 CO2 concentration at different sections （C0=0.012）

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

4.4 污染物濃度影響分析

由于工業煙氣中的CO2濃度一般高于農業大棚中的實際需要，因此為了保障合適的CO2濃度，需對其進行適當稀釋，同時工業煙氣中的污染物也可能對植物的生長和環境空氣質量產生一定影響，基于模型入口邊界條件，并考慮不同稀釋倍數下的特征污染物濃度和環境空氣質量標準（GB 3095-2012）中一、二級標準的要求，將不同污染物的濃度列于圖6 中，從圖中可以看出，當稀釋到C0＝0.001 2（即稀釋100 倍后）時，SO2、NO2、Hg、HF、PM 等污染物濃度達到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，其他污染物均出現了超過環境空氣質量標準的一、二級要求，如進一步進行稀釋，其入口CO2濃度會出現低于0.001 972 的情況，過低的CO2濃度達不到植物生長所需的富碳要求，說明在不考慮稀釋法帶來的污染物濃度凝結降低或植物的吸收吸附作用降低效應下，基于超低排放限值要求下的工業煙氣直接用于富碳農業的可行性不足。

圖6 不同稀釋倍數下的污染物濃度Fig.6 Pollutant concentrations at different dilution ratios

基于反推法，假設排放煙氣中的污染物濃度進行進一步洗滌后，當SO2、NO2、Hg、HF 和PM 等污染物濃度 達到 15 mg/m3、 8 mg/m3、 5 μg/m3、 0.2 mg/m3和7.5 mg/m3，其出口污染物濃度可以達到環境空氣質量標準的一級標準要求。而經過分析我國燃煤電廠機組的實際排放情況可知，目前已有不少機組的污染物實際排放限制可以小于上述排放限值[29]。因此，通過對燃煤煙氣進行進一步的預洗滌或者選擇排放濃度較低的燃煤電廠煙氣，可以滿足富碳農業生產過程中所述的CO2濃度和大棚內環境空氣質量要求。

5 結論

基于我國主要工業行業的煙氣特點和富碳農業生產中大棚內CO2濃度的要求，總結和分析了工業煙氣排放特性及不同組分對農業生產的影響，基于數值模擬技術和理論分析，建立了大棚內的氣體流動模型，對CO2濃度分布、吸收速率、噴入位置、污染物濃度限制進行了分析，主要結論如下。

（1）電力、鋼鐵、水泥等主要工業煙氣中的高濃度CO2可用于富碳農業中植物生長，從而提升植物固碳能力、提高農作物產量，有利于提升工業煙氣中CO2利用經濟性，大幅降低傳統捕集后再利用成本。

（2）工業煙氣中含有不同的污染物成份可能會對大棚內的環境空氣質量產生影響，需經過合理評估并采取適當措施后方可用于富碳農業的要求。

（3）基于燃煤電廠行業的煙氣特點，在CO2吸收速率為5×10-8m3/s 時，對煙氣稀釋100 倍，并控制進入大棚內的SO2、NO2、Hg、HF 和PM 等污染物濃度達到15 mg/m3、8 mg/m3、5 μg /m3、0.2 mg/m3和7.5 mg/m3，其出口污染物濃度可以達到環境空氣質量標準的一級標準，能夠實現工業煙氣直接用于富碳農業，并且CO2的濃度滿足植物生長的濃度要求。不同入口布置方式，對大棚內的CO2濃度分析影響較大，采用兩邊和中間同時布點的方案可以較好實現CO2濃度在大棚內均勻性要求。

（4）CO2濃度、植物的吸收速率、CO2噴入位置、稀釋倍數和污染物濃度均會對大棚內沿長度和寬度方向上的CO2濃度分布產生影響。實際應用過程中，應結合上述因素進行綜合評估，并應用于農業生產。