甲醇作為能源在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用前景.pdf

北 方 園 藝 農(nóng)業(yè)經(jīng)緯 第一作者簡(jiǎn)介 劉晨霞 女 博士 工程師 現(xiàn)主要 從事設(shè)施園藝工程等研究工作 收稿日期 甲醇作為能源在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用前景 劉 晨 霞 馬 智 宏 陳 小 文 劉 魯 江 北京中農(nóng)富通園藝有限公司 北京 摘 要 從設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗問(wèn)題出發(fā) 闡述甲醇作為能源的優(yōu)勢(shì)及其在設(shè)施農(nóng)業(yè)上可能的 應(yīng)用方式 溫室加溫 補(bǔ)充二氧化碳?xì)夥?通過(guò)對(duì)目前溫室加溫 補(bǔ)充二氧化碳?xì)夥誓茉刺?點(diǎn)進(jìn)行分析 說(shuō)明了甲醇作為能源在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用前景 為甲醇在設(shè)施農(nóng)業(yè)的推廣應(yīng)用提 供了參考依據(jù) 關(guān)鍵詞 設(shè)施農(nóng)業(yè) 加溫 二氧化碳?xì)夥?甲醇 中圖分類(lèi)號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 文章編號(hào) 設(shè)施農(nóng)業(yè)是知識(shí)與技術(shù)密集的產(chǎn)業(yè) 我國(guó)經(jīng) 過(guò) 多年的發(fā)展和探索 已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步 成為全球設(shè)施農(nóng)業(yè)面積最大的國(guó)家 然而 高能 耗始終是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展道路上的 攔路虎 一直 以來(lái)備受學(xué)者們關(guān)注 據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食計(jì)劃署統(tǒng)計(jì) 數(shù)據(jù)顯示 溫室加溫的能耗量占全球每年農(nóng)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(yùn)行總成本的 與此同時(shí) 隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 大氣 污染等環(huán)境問(wèn)題也日益彰顯 傳統(tǒng)的化石能源不 僅因其被過(guò)渡開(kāi)采利用而導(dǎo)致逐漸走向枯竭 也 因其燃燒時(shí) 生成的產(chǎn)物是造成大氣污染的主要 來(lái)源而備受關(guān)注 因此 發(fā)展并應(yīng)用清潔能源 減 少傳統(tǒng)化石能源的使用 已成為世界各國(guó)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(wú)污染的能源 已是世界公認(rèn)的清潔能源 目前甲醇在我國(guó)已廣泛用于民用 餐飲 取暖 和 汽車(chē)領(lǐng)域 然而甲醇作為能源在農(nóng)業(yè)能耗量 較大的設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用值得探索 甲醇作為能源的應(yīng)用優(yōu)勢(shì) 甲醇的理化性質(zhì) 甲醇 是簡(jiǎn)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(huì)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(guò)程中 火焰溫度能得到降低 可以避免局部高溫 同時(shí) 甲醇具有閃點(diǎn)高 自 燃溫度高的特點(diǎn) 使其在運(yùn)輸過(guò)程中比較安全 根據(jù) 工 業(yè) 用 甲 醇 國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn) 規(guī) 范 可知 醇燃料是 的甲醇時(shí) 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(jìng)爭(zhēng)力具有明顯的優(yōu)勢(shì) 甲醇的制備 甲醇制備原料采用天然氣和煤的較多 而我 國(guó)能源資源的特點(diǎn)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(jié)合城市煤氣聯(lián)產(chǎn) 甲醇 隨著國(guó)家近幾年對(duì)煤炭直接燃燒使用的限 制 大量的燃煤供應(yīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)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(jiǎn)單 反應(yīng)條件溫和 技術(shù)容 易突破 目前劣質(zhì)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(lái)制備 甲醇 原料經(jīng)過(guò)部分氧化法或蒸汽轉(zhuǎn)化制得合成 氣 和 進(jìn)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(jì)性等優(yōu)勢(shì) 目前 甲醇在我國(guó)已被廣泛用于 民用和汽車(chē)領(lǐng)域 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示 在工業(yè)窯爐 內(nèi)和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的能量利用效率高于汽油和柴 油 其中 車(chē) 用 甲 醇 相 對(duì) 于 汽 油 節(jié) 省 燃 料 費(fèi) 用 其經(jīng)濟(jì)性具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)力 據(jù)悉 現(xiàn)今除甲醇汽車(chē)外 甲醇燃料已應(yīng)用于船 舶 工業(yè)鍋爐 民用取暖 炊事灶具等能源領(lǐng)域 甲醇在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 設(shè)施農(nóng)業(yè)加溫 加溫需求 設(shè)施農(nóng)業(yè)是通過(guò)采用一定的設(shè)施和裝置 對(duì) 其內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行調(diào)控 以達(dá)到進(jìn)行動(dòng) 植物高效生 產(chǎn)的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式 屬于高投入 高產(chǎn)出的產(chǎn) 業(yè) 設(shè)施農(nóng)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(shè)施園藝強(qiáng)國(guó) 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(shí)間處于 有利于設(shè)施農(nóng)業(yè)的 發(fā)展 即便如此 萬(wàn) 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(jiàn)一斑 季風(fēng)氣候是我國(guó)氣候的突出特征 也 因此我國(guó)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(guó)較多 地區(qū)溫度年較差在 以上 長(zhǎng)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(huì)造成我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗投入更 大 由于我國(guó)是世界設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó) 設(shè)施農(nóng) 業(yè)占世界總面積的 截止 年 溫室總面 積達(dá) 萬(wàn) 其中日光溫室面積為 萬(wàn) 約占溫室總面積的 塑料大棚 萬(wàn) 連棟溫室 萬(wàn) 我國(guó)設(shè)施農(nóng) 業(yè)能耗量會(huì)更大 總投入會(huì)更高 進(jìn)行種植的設(shè)施可根據(jù)有無(wú)蓄熱體分為無(wú)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(wú)蓄熱構(gòu)件 僅能夠滿足葉菜 類(lèi)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(jìn)行生產(chǎn) 其加溫時(shí)長(zhǎng) 可根據(jù)地理 位置來(lái)確定 我國(guó)東北地區(qū)玻璃溫室和大棚的 加溫時(shí)間大約需要 個(gè)月 在華北地區(qū)則需要 個(gè)月 即使在南方地區(qū) 如果在該類(lèi)溫室中 種植花卉或育苗也需要進(jìn)行加溫或臨時(shí)補(bǔ)溫 眾所周知 我國(guó)擁有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(yáng)輻射能儲(chǔ)存 夜間通 過(guò)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(guò)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(lèi)蔬菜 如果沒(méi)有加溫措施 風(fēng)險(xiǎn)很大 冬季連續(xù)陰 雪天氣導(dǎo)致的持續(xù)低溫會(huì)使作物生長(zhǎng)遲緩 病蟲(chóng) 害多發(fā) 嚴(yán)重影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量 因此 日光溫室育苗或種植果菜類(lèi)蔬菜 配備加溫設(shè)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(zhì)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?xì)?均為不可再 生能源 目前加溫能源應(yīng)用不足 隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境治理 保護(hù)措施及法規(guī)的制 定和實(shí)施 特別是 年 月 日由國(guó)務(wù)院公開(kāi) 發(fā)布了 打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃 計(jì)劃中 制定了詳細(xì)的任務(wù)標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)重點(diǎn)區(qū)域繼續(xù)實(shí)施煤 炭消費(fèi)總量控制 燃煤這類(lèi)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(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用量也逐漸 縮小 燃料油主要由石油的裂化殘?jiān)秃椭别s殘 渣油制成 其粘度大 膠質(zhì) 瀝青質(zhì)多 一般需經(jīng)預(yù) 熱 才能使燃料進(jìn)行噴散霧化 燃料油燃燒時(shí) 如 果空氣供應(yīng)不合適 就會(huì)造成燃料燃燒不完全 排 煙溫度高 形成能源較大的浪費(fèi) 燃?xì)庀鄬?duì)于燃煤 北 方 園 藝 月 上 來(lái)說(shuō) 比較潔凈 但由于天然氣成分復(fù)雜 燃燒過(guò) 程中也會(huì)產(chǎn)生 等污染氣體 且由于設(shè)施 農(nóng)業(yè)園區(qū)一般距離居民區(qū)較遠(yuǎn) 如果通過(guò)管道運(yùn) 輸燃料 管道的埋設(shè)等施工量大 成本高 電能加 溫表面上看起來(lái)環(huán)保 利用也比較方便 但是我國(guó) 電力有 左右來(lái)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(shè)施農(nóng)業(yè) 亟待 尋找無(wú)污染 價(jià)格低的加溫燃料及燃燒設(shè)備 甲 醇這種清潔能源 必將在設(shè)施農(nóng)業(yè)中得以推廣 應(yīng)用 甲醇用于溫室加溫方法及注意事項(xiàng) 甲醇在溫室加溫方面的應(yīng)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(zhì)為媒介 暖 氣片 管道等 為溫室供暖 為了較為精準(zhǔn)的控 制溫度 可以通過(guò)開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng) 根據(jù)不同種類(lèi)的 植物及其生育期 設(shè)置其適宜溫度 進(jìn)而控制加溫 設(shè)備的啟停 保證作物的高效生產(chǎn) 注意事項(xiàng) 溫室是密閉的空間 夜間植物已不 進(jìn)行光合作用 作物的呼吸作用會(huì)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(jìn)溫室 以免使溫室中的二氧 化碳濃度過(guò)高 造成植物中毒 園藝設(shè)施內(nèi)補(bǔ)充二氧化碳?xì)夥?溫室補(bǔ)氣肥的優(yōu)點(diǎn) 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(gè)相對(duì) 封閉的空間 當(dāng)太陽(yáng)升起 植物就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行光 合作用 隨著光合作用的增強(qiáng) 溫室內(nèi)的二氧化 碳濃度不斷降低 甚至低于室外的濃度 而對(duì)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(nèi)種植作物有較好的產(chǎn)量 可以 通過(guò)給溫室補(bǔ)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(nèi)補(bǔ)充適量二氧化 碳?xì)夥?不僅能夠提高產(chǎn)量 還可以提高果實(shí)品 質(zhì) 作物的抗病性 等 所以為生產(chǎn)溫室內(nèi) 補(bǔ)充二氧化碳肥非常有必要 目前溫室補(bǔ)二氧化碳?xì)夥实姆椒?溫室中施用的二氧化碳?xì)夥?其主要來(lái)源有 采用鋼瓶盛裝液體二氧化碳 通過(guò)配置電加熱 裝置 使鋼瓶?jī)?nèi)輸出的二氧化碳由液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅?態(tài) 再利用塑料管將二氧化碳?xì)怏w輸送到溫室 內(nèi) 利用硫酸和碳酸鹽發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生二氧化 碳 采用生物質(zhì)堆肥發(fā)酵方法產(chǎn)生二氧化 碳 以上二氧化碳?xì)夥蕘?lái)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(wèn)題 甲醇作為能源補(bǔ)氣的優(yōu)點(diǎn) 補(bǔ)氣肥方式及 注意事項(xiàng) 甲醇點(diǎn)燃條件下 充分燃燒后 其生成物僅為 二氧化碳和水 見(jiàn)式 通過(guò)甲醇燃燒式及分子摩爾質(zhì)量可知 甲醇燃燒 可產(chǎn)生 二氧化碳 將 其釋放到 的空間內(nèi) 該部分二氧化碳的 濃度大于 因此 通過(guò)甲醇燃燒 可以迅速補(bǔ)充二氧化碳至作物所需量 甲醇作為能源補(bǔ)氣肥方式 如果溫室補(bǔ)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(nèi)空氣濕度較大 則可以 通過(guò)冷凝的方法 將水汽冷凝排出 僅將二氧化碳 和空氣中的氮?dú)忉尫诺綔厥抑?注意事項(xiàng) 由于是在白天補(bǔ)充二氧化碳?xì)夥?所以要考慮人體對(duì)二氧化碳的反應(yīng)臨界濃度 保 證室內(nèi)工作人員的安全 另外 長(zhǎng)時(shí)期使用過(guò)高濃 度的二氧化碳 植物光合作用增強(qiáng)的反應(yīng)將變?nèi)?植物也容易產(chǎn)生葉片黃萎 褐變和早衰等問(wèn)題 因 此 二氧化碳的濃度應(yīng)根據(jù)植物的種類(lèi) 生育期及 不同的天氣條件等因素而定 展望 面對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能源消耗及短缺問(wèn) 題 可再生能源取代化石燃料的能源是必然趨勢(shì) 我國(guó)煤礦資源豐富 在甲醇制備技術(shù)不斷突破的 基礎(chǔ)上 甲醇作為一種可再生的清潔能源 也必將 在設(shè)施農(nóng)業(yè)上有更大的推廣和應(yīng)用空間 特別是 溫室加溫及補(bǔ)氣肥方面 另外 由于甲醇作為能 源 其壓力燃燒技術(shù)非常成熟 并已廣泛應(yīng)用于汽 第 期 北 方 園 藝 車(chē)行業(yè) 因此 甲醇也可為設(shè)施農(nóng)業(yè)中的機(jī)械提供 動(dòng)力 目前 北京中農(nóng)富通園藝有限公司已經(jīng)開(kāi)始 以甲醇作為能源為溫室補(bǔ)充二氧化碳?xì)夥蔬M(jìn)行初 步探索 期望以甲醇作為能源在溫室加溫 補(bǔ)氣肥 應(yīng)用過(guò)程中探索更好的節(jié)能應(yīng)用方式 為甲醇在 設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)借鑒和數(shù)據(jù)支持 參考文獻(xiàn) 崔敏 設(shè)施農(nóng)業(yè)面臨難題 如何做到既節(jié)能又保產(chǎn) 農(nóng) 機(jī)質(zhì)量與監(jiān)督 曲梅 溫室地板加熱系統(tǒng)的研究 北 京 中 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 舟唱機(jī) 現(xiàn)代溫室工程 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 羅艷托 徐英俊 湯湘華 等 國(guó)內(nèi)車(chē)用替代燃料的發(fā)展前景 國(guó)際石油經(jīng)濟(jì) 王亞紅 甲醇 柴油雙燃料發(fā)送機(jī)性能及排放研究 西 安 長(zhǎng)安大學(xué) 楊文 山西代表團(tuán)代表聯(lián)名提交建議 發(fā)展甲醇替代燃料推 廣應(yīng)用甲醇汽車(chē) 山西日?qǐng)?bào) 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(xué) 朱金良 發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油與甲醇的性能對(duì)比研究 武 漢 華中科技大學(xué) 工業(yè)用甲醇 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 北京 中國(guó)標(biāo) 準(zhǔn)出版社 胥富春 平?jīng)鲈囁茝V甲醇燃 甘肅經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào) 周升 大跨度主動(dòng)蓄能型溫室太陽(yáng)能熱泵增溫試驗(yàn)研究 北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 馮玉龍 姜淑梅 根系溫度對(duì)甜椒生理特性的影響 植物 生理學(xué)通訊 明村豪 蔣芳玲 王廣龍 等 黃瓜壯苗指標(biāo)與輻熱積關(guān)系的 模擬模型 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 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(yīng)用效果 中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 陳冰 羅小林 畢方琳 等 溫室太陽(yáng)能與空氣源熱泵聯(lián)合加 溫系統(tǒng)的試驗(yàn) 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào) 趙云龍 于賢昌 李衍素 碳晶電地?zé)嵯到y(tǒng)在日光溫室番茄 生產(chǎn)中的應(yīng)用 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 姜兆彤 杜玉斌 王春華 等 溫室釋放二氧化碳?xì)夥蕦?duì)草莓 生產(chǎn)的影響 北方果蔬 李向前 梁然 張紅 等 二氧化碳?xì)夥试谌展鉁厥尹S瓜上的 應(yīng)用試驗(yàn) 現(xiàn)代農(nóng)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(píng)價(jià) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 高瑞龍 王琨琦 郭文忠 等 基于生物質(zhì)原料的二氧化碳施 肥器效果試驗(yàn) 農(nóng)機(jī)化研究 劉猷紅 孟英 唐傲 等 農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物發(fā)酵 施肥對(duì)生 菜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響 北方園藝 高瑞龍 設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的二氧化碳施肥器設(shè)計(jì) 西安 西安工業(yè)大學(xué) 北 方 園 藝 月 上