甲醇作為能源在設施農業(yè)的應用前景.pdf

北 方 園 藝 農業(yè)經(jīng)緯 第一作者簡介 劉晨霞 女 博士 工程師 現(xiàn)主要 從事設施園藝工程等研究工作 收稿日期 甲醇作為能源在設施農業(yè)的應用前景 劉 晨 霞 馬 智 宏 陳 小 文 劉 魯 江 北京中農富通園藝有限公司 北京 摘 要 從設施農業(yè)能耗問題出發(fā) 闡述甲醇作為能源的優(yōu)勢及其在設施農業(yè)上可能的 應用方式 溫室加溫 補充二氧化碳氣肥 通過對目前溫室加溫 補充二氧化碳氣肥能源特 點進行分析 說明了甲醇作為能源在設施農業(yè)的應用前景 為甲醇在設施農業(yè)的推廣應用提 供了參考依據(jù) 關鍵詞 設施農業(yè) 加溫 二氧化碳氣肥 甲醇 中圖分類號 文獻標識碼 文章編號 設施農業(yè)是知識與技術密集的產(chǎn)業(yè) 我國經(jīng) 過 多年的發(fā)展和探索 已取得了長足的進步 成為全球設施農業(yè)面積最大的國家 然而 高能 耗始終是設施農業(yè)發(fā)展道路上的 攔路虎 一直 以來備受學者們關注 據(jù)聯(lián)合國糧食計劃署統(tǒng)計 數(shù)據(jù)顯示 溫室加溫的能耗量占全球每年農業(yè)生 產(chǎn)能耗量的 冬季在北方大型溫室中 根 據(jù)緯度不同加溫耗能約占運行總成本的 與此同時 隨著各國經(jīng)濟的發(fā)展 大氣 污染等環(huán)境問題也日益彰顯 傳統(tǒng)的化石能源不 僅因其被過渡開采利用而導致逐漸走向枯竭 也 因其燃燒時 生成的產(chǎn)物是造成大氣污染的主要 來源而備受關注 因此 發(fā)展并應用清潔能源 減 少傳統(tǒng)化石能源的使用 已成為世界各國的努力 方向 甲醇作為一種可再生且在充分燃燒條件下 排放物無污染的能源 已是世界公認的清潔能源 目前甲醇在我國已廣泛用于民用 餐飲 取暖 和 汽車領域 然而甲醇作為能源在農業(yè)能耗量 較大的設施農業(yè)中的應用值得探索 甲醇作為能源的應用優(yōu)勢 甲醇的理化性質 甲醇 是簡單的飽和一元 醇 分子中碳含量為 氫含量為 氧含量 為 因此 甲醇作為燃料燃燒會更充分 熱利 用率高 熱值雖然低 但甲醇汽化潛熱是汽油 的 倍多 在燃燒過程中 火焰溫度能得到降低 可以避免局部高溫 同時 甲醇具有閃點高 自 燃溫度高的特點 使其在運輸過程中比較安全 根據(jù) 工 業(yè) 用 甲 醇 國 家 標 準 規(guī) 范 可知 醇燃料是 的甲醇時 燃燒的產(chǎn) 物是確定的 在完全燃燒的條件下僅產(chǎn)生 和 而且非常清潔環(huán)保 因此 甲醇在環(huán)保方面 的競爭力具有明顯的優(yōu)勢 甲醇的制備 甲醇制備原料采用天然氣和煤的較多 而我 國能源資源的特點是 富煤 貧油 少氣 因此主 要以煤為原料制備甲醇 生產(chǎn)工藝有單產(chǎn)甲醇和 聯(lián)產(chǎn)甲醇 種 聯(lián)產(chǎn)甲醇除在合成氨裝置聯(lián)產(chǎn)甲 醇外 還可利用化工廠尾氣或結合城市煤氣聯(lián)產(chǎn) 甲醇 隨著國家近幾年對煤炭直接燃燒使用的限 制 大量的燃煤供應開始轉向煤化工產(chǎn)業(yè) 煤制 甲醇的興起不僅解決了煤炭產(chǎn)業(yè)的高產(chǎn)能 而且 使煤炭從高污染燃料直接變成了清潔燃料 甲醇的生產(chǎn)工藝簡單 反應條件溫和 技術容 易突破 目前劣質煤 煤矸石均可提制甲醇 煤制 甲醇綜合成本不高于 元 除此之外 石腦油 渣油 油田氣 煤層氣等均可以用來制備 甲醇 原料經(jīng)過部分氧化法或蒸汽轉化制得合成 氣 和 進而制得甲醇 綜上可知 甲醇作為能源 其具有節(jié)能 環(huán)保 經(jīng)濟性等優(yōu)勢 目前 甲醇在我國已被廣泛用于 民用和汽車領域 試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示 在工業(yè)窯爐 內和汽車發(fā)動機中的能量利用效率高于汽油和柴 油 其中 車 用 甲 醇 相 對 于 汽 油 節(jié) 省 燃 料 費 用 其經(jīng)濟性具有明顯的競爭力 據(jù)悉 現(xiàn)今除甲醇汽車外 甲醇燃料已應用于船 舶 工業(yè)鍋爐 民用取暖 炊事灶具等能源領域 甲醇在設施農業(yè)上的應用 設施農業(yè)加溫 加溫需求 設施農業(yè)是通過采用一定的設施和裝置 對 其內部環(huán)境進行調控 以達到進行動 植物高效生 產(chǎn)的一種農業(yè)生產(chǎn)方式 屬于高投入 高產(chǎn)出的產(chǎn) 業(yè) 設施農業(yè)的高投入 很大程度上是能源消耗 的投入 它包括冬季加溫 夏季降溫等環(huán)節(jié) 荷蘭是世界設施園藝強國 從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度 考慮 荷蘭冬季不冷 夏季不熱 多數(shù)地區(qū)在一年 中較多的時間處于 有利于設施農業(yè)的 發(fā)展 即便如此 萬 溫室能耗消耗量卻 占荷蘭能源總消耗量的 能源消耗量的投入 可見一斑 季風氣候是我國氣候的突出特征 也 因此我國絕大部分地區(qū)冬季要比世界上同緯度地 區(qū)冷 夏季比世界上同緯度地區(qū)熱 造成我國較多 地區(qū)溫度年較差在 以上 長江以北地區(qū)的年 較差甚至在 以上 較少地區(qū)的溫度年較差低 于 因此會造成我國設施農業(yè)能耗投入更 大 由于我國是世界設施農業(yè)生產(chǎn)大國 設施農 業(yè)占世界總面積的 截止 年 溫室總面 積達 萬 其中日光溫室面積為 萬 約占溫室總面積的 塑料大棚 萬 連棟溫室 萬 我國設施農 業(yè)能耗量會更大 總投入會更高 進行種植的設施可根據(jù)有無蓄熱體分為無蓄 熱功能溫室和有蓄熱功能溫室 一般情況下 連 棟溫室和塑料大棚無蓄熱構件 僅能夠滿足葉菜 類作物春提前 秋延后的栽培 生產(chǎn) 在冬季則需 要加溫才能進行生產(chǎn) 其加溫時長 可根據(jù)地理 位置來確定 我國東北地區(qū)玻璃溫室和大棚的 加溫時間大約需要 個月 在華北地區(qū)則需要 個月 即使在南方地區(qū) 如果在該類溫室中 種植花卉或育苗也需要進行加溫或臨時補溫 眾所周知 我國擁有獨立自主知識產(chǎn)權的日 光溫室具有蓄熱功能 其后墻和土壤具有一定的 蓄熱功能 可以將白天的太陽輻射能儲存 夜間通 過熱交換將蓄積的熱量供給溫室 但是由于墻體 材料的傳熱特性及熱容量的限制 熱能蓄積與釋 放過程比較緩慢 且釋放的熱能是有限的 在 華北及東北地區(qū)日光溫室越冬生產(chǎn)果菜類蔬菜 如果沒有加溫措施 風險很大 冬季連續(xù)陰 雪天氣導致的持續(xù)低溫會使作物生長遲緩 病蟲 害多發(fā) 嚴重影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量 因此 日光溫室育苗或種植果菜類蔬菜 配備加溫設施 是必要的 溫度環(huán)境是影響溫室作物生產(chǎn)的重要 因素 合理的溫度是保障作物品質和產(chǎn)量的重要 手段 目前加溫能源 溫室的加溫方式多為鍋爐配套暖氣系統(tǒng)或電 能加溫 鍋爐燃料為燃煤 燃油 燃氣 均為不可再 生能源 目前加溫能源應用不足 隨著國家對環(huán)境治理 保護措施及法規(guī)的制 定和實施 特別是 年 月 日由國務院公開 發(fā)布了 打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃 計劃中 制定了詳細的任務標準 對重點區(qū)域繼續(xù)實施煤 炭消費總量控制 燃煤這類高耗低效燃燒效率燃 料 向空氣中排放出大量 和煙塵 造成大氣污染的能源的應用領域及應用量也逐漸 縮小 燃料油主要由石油的裂化殘渣油和直餾殘 渣油制成 其粘度大 膠質 瀝青質多 一般需經(jīng)預 熱 才能使燃料進行噴散霧化 燃料油燃燒時 如 果空氣供應不合適 就會造成燃料燃燒不完全 排 煙溫度高 形成能源較大的浪費 燃氣相對于燃煤 北 方 園 藝 月 上 來說 比較潔凈 但由于天然氣成分復雜 燃燒過 程中也會產(chǎn)生 等污染氣體 且由于設施 農業(yè)園區(qū)一般距離居民區(qū)較遠 如果通過管道運 輸燃料 管道的埋設等施工量大 成本高 電能加 溫表面上看起來環(huán)保 利用也比較方便 但是我國 電力有 左右來源于火力發(fā)電 而火力發(fā)電的 原料是煤 因此 作為二次能源的電能本身成本較 其它燃料高 綜上所述 作為產(chǎn)出比較低的設施農業(yè) 亟待 尋找無污染 價格低的加溫燃料及燃燒設備 甲 醇這種清潔能源 必將在設施農業(yè)中得以推廣 應用 甲醇用于溫室加溫方法及注意事項 甲醇在溫室加溫方面的應用 利用甲醇燃燒 產(chǎn)生的熱量 可以采用直接加熱溫室空氣的方法 為溫室供暖 也可采用以水或其它物質為媒介 暖 氣片 管道等 為溫室供暖 為了較為精準的控 制溫度 可以通過開發(fā)控制系統(tǒng) 根據(jù)不同種類的 植物及其生育期 設置其適宜溫度 進而控制加溫 設備的啟停 保證作物的高效生產(chǎn) 注意事項 溫室是密閉的空間 夜間植物已不 進行光合作用 作物的呼吸作用會使溫室中二氧 化碳的濃度不斷上升 因此 夜間不能將甲醇燃燒 后的氣體直接排放進溫室 以免使溫室中的二氧 化碳濃度過高 造成植物中毒 園藝設施內補充二氧化碳氣肥 溫室補氣肥的優(yōu)點 二氧化碳是植物光合作用的主要原料 被稱 為 植物的糧食 生產(chǎn)中的日光溫室是一個相對 封閉的空間 當太陽升起 植物就已經(jīng)開始進行光 合作用 隨著光合作用的增強 溫室內的二氧化 碳濃度不斷降低 甚至低于室外的濃度 而對于多數(shù)作物 光合作用需要 二氧化碳的最佳濃度為 因此 為了使溫室內種植作物有較好的產(chǎn)量 可以 通過給溫室補充二氧化碳的方式 滿足作物光合 作用需求 有研究顯示 溫室內補充適量二氧化 碳氣肥 不僅能夠提高產(chǎn)量 還可以提高果實品 質 作物的抗病性 等 所以為生產(chǎn)溫室內 補充二氧化碳肥非常有必要 目前溫室補二氧化碳氣肥的方法 溫室中施用的二氧化碳氣肥 其主要來源有 采用鋼瓶盛裝液體二氧化碳 通過配置電加熱 裝置 使鋼瓶內輸出的二氧化碳由液體轉變?yōu)闅?態(tài) 再利用塑料管將二氧化碳氣體輸送到溫室 內 利用硫酸和碳酸鹽發(fā)生反應產(chǎn)生二氧化 碳 采用生物質堆肥發(fā)酵方法產(chǎn)生二氧化 碳 以上二氧化碳氣肥來源分別存在成本 高 不安 全 產(chǎn)生二氧化碳速度慢且不可控的 問題 甲醇作為能源補氣的優(yōu)點 補氣肥方式及 注意事項 甲醇點燃條件下 充分燃燒后 其生成物僅為 二氧化碳和水 見式 通過甲醇燃燒式及分子摩爾質量可知 甲醇燃燒 可產(chǎn)生 二氧化碳 將 其釋放到 的空間內 該部分二氧化碳的 濃度大于 因此 通過甲醇燃燒 可以迅速補充二氧化碳至作物所需量 甲醇作為能源補氣肥方式 如果溫室補充二 氧化碳量較小 則可以將甲醇燃燒后的氣體直接 排放到溫室中 如果溫室內空氣濕度較大 則可以 通過冷凝的方法 將水汽冷凝排出 僅將二氧化碳 和空氣中的氮氣釋放到溫室中 注意事項 由于是在白天補充二氧化碳氣肥 所以要考慮人體對二氧化碳的反應臨界濃度 保 證室內工作人員的安全 另外 長時期使用過高濃 度的二氧化碳 植物光合作用增強的反應將變弱 植物也容易產(chǎn)生葉片黃萎 褐變和早衰等問題 因 此 二氧化碳的濃度應根據(jù)植物的種類 生育期及 不同的天氣條件等因素而定 展望 面對設施農業(yè)生產(chǎn)過程中能源消耗及短缺問 題 可再生能源取代化石燃料的能源是必然趨勢 我國煤礦資源豐富 在甲醇制備技術不斷突破的 基礎上 甲醇作為一種可再生的清潔能源 也必將 在設施農業(yè)上有更大的推廣和應用空間 特別是 溫室加溫及補氣肥方面 另外 由于甲醇作為能 源 其壓力燃燒技術非常成熟 并已廣泛應用于汽 第 期 北 方 園 藝 車行業(yè) 因此 甲醇也可為設施農業(yè)中的機械提供 動力 目前 北京中農富通園藝有限公司已經(jīng)開始 以甲醇作為能源為溫室補充二氧化碳氣肥進行初 步探索 期望以甲醇作為能源在溫室加溫 補氣肥 應用過程中探索更好的節(jié)能應用方式 為甲醇在 設施農業(yè)中的應用提供經(jīng)驗借鑒和數(shù)據(jù)支持 參考文獻 崔敏 設施農業(yè)面臨難題 如何做到既節(jié)能又保產(chǎn) 農 機質量與監(jiān)督 曲梅 溫室地板加熱系統(tǒng)的研究 北 京 中 國 農 業(yè) 大 學 舟唱機 現(xiàn)代溫室工程 北京 化學工業(yè)出版社 羅艷托 徐英俊 湯湘華 等 國內車用替代燃料的發(fā)展前景 國際石油經(jīng)濟 王亞紅 甲醇 柴油雙燃料發(fā)送機性能及排放研究 西 安 長安大學 楊文 山西代表團代表聯(lián)名提交建議 發(fā)展甲醇替代燃料推 廣應用甲醇汽車 山西日報 朱晶宇 柴油甲醇組合燃燒模式的甲醛排放特性研究 天津 天津大學 朱金良 發(fā)動機燃用汽油與甲醇的性能對比研究 武 漢 華中科技大學 工業(yè)用甲醇 國家標準規(guī)范 北京 中國標 準出版社 胥富春 平?jīng)鲈囁茝V甲醇燃 甘肅經(jīng)濟日報 周升 大跨度主動蓄能型溫室太陽能熱泵增溫試驗研究 北京 中國農業(yè)科學院 馮玉龍 姜淑梅 根系溫度對甜椒生理特性的影響 植物 生理學通訊 明村豪 蔣芳玲 王廣龍 等 黃瓜壯苗指標與輻熱積關系的 模擬模型 農業(yè)工程學報 孫維拓 郭文忠 徐凡 等 日光溫室空氣余熱熱泵加溫系統(tǒng) 應用效果 中國農業(yè)工程學報 陳冰 羅小林 畢方琳 等 溫室太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合加 溫系統(tǒng)的試驗 中國農業(yè)科技導報 趙云龍 于賢昌 李衍素 碳晶電地熱系統(tǒng)在日光溫室番茄 生產(chǎn)中的應用 農業(yè)工程學報 姜兆彤 杜玉斌 王春華 等 溫室釋放二氧化碳氣肥對草莓 生產(chǎn)的影響 北方果蔬 李向前 梁然 張紅 等 二氧化碳氣肥在日光溫室黃瓜上的 應用試驗 現(xiàn)代農村科技 魏珉 王秀峰 邢禹賢 等 幾種主要 施肥肥源性能的比 較與評價 農業(yè)工程學報 高瑞龍 王琨琦 郭文忠 等 基于生物質原料的二氧化碳施 肥器效果試驗 農機化研究 劉猷紅 孟英 唐傲 等 農業(yè)有機廢棄物發(fā)酵 施肥對生 菜產(chǎn)量及品質的影響 北方園藝 高瑞龍 設施蔬菜生產(chǎn)中的二氧化碳施肥器設計 西安 西安工業(yè)大學 北 方 園 藝 月 上