甲醇作为能源在设施农业的应用前景.pdf

北 方 园 艺 农业经纬 第一作者简介 刘晨霞 女 博士 工程师 现主要 从事设施园艺工程等研究工作 收稿日期 甲醇作为能源在设施农业的应用前景 刘 晨 霞 马 智 宏 陈 小 文 刘 鲁 江 北京中农富通园艺有限公司 北京 摘 要 从设施农业能耗问题出发 阐述甲醇作为能源的优势及其在设施农业上可能的 应用方式 温室加温 补充二氧化碳气肥 通过对目前温室加温 补充二氧化碳气肥能源特 点进行分析 说明了甲醇作为能源在设施农业的应用前景 为甲醇在设施农业的推广应用提 供了参考依据 关键词 设施农业 加温 二氧化碳气肥 甲醇 中图分类号 文献标识码 文章编号 设施农业是知识与技术密集的产业 我国经 过 多年的发展和探索 已取得了长足的进步 成为全球设施农业面积最大的国家 然而 高能 耗始终是设施农业发展道路上的 拦路虎 一直 以来备受学者们关注 据联合国粮食计划署统计 数据显示 温室加温的能耗量占全球每年农业生 产能耗量的 冬季在北方大型温室中 根 据纬度不同加温耗能约占运行总成本的 与此同时 随着各国经济的发展 大气 污染等环境问题也日益彰显 传统的化石能源不 仅因其被过渡开采利用而导致逐渐走向枯竭 也 因其燃烧时 生成的产物是造成大气污染的主要 来源而备受关注 因此 发展并应用清洁能源 减 少传统化石能源的使用 已成为世界各国的努力 方向 甲醇作为一种可再生且在充分燃烧条件下 排放物无污染的能源 已是世界公认的清洁能源 目前甲醇在我国已广泛用于民用 餐饮 取暖 和 汽车领域 然而甲醇作为能源在农业能耗量 较大的设施农业中的应用值得探索 甲醇作为能源的应用优势 甲醇的理化性质 甲醇 是简单的饱和一元 醇 分子中碳含量为 氢含量为 氧含量 为 因此 甲醇作为燃料燃烧会更充分 热利 用率高 热值虽然低 但甲醇汽化潜热是汽油 的 倍多 在燃烧过程中 火焰温度能得到降低 可以避免局部高温 同时 甲醇具有闪点高 自 燃温度高的特点 使其在运输过程中比较安全 根据 工 业 用 甲 醇 国 家 标 准 规 范 可知 醇燃料是 的甲醇时 燃烧的产 物是确定的 在完全燃烧的条件下仅产生 和 而且非常清洁环保 因此 甲醇在环保方面 的竞争力具有明显的优势 甲醇的制备 甲醇制备原料采用天然气和煤的较多 而我 国能源资源的特点是 富煤 贫油 少气 因此主 要以煤为原料制备甲醇 生产工艺有单产甲醇和 联产甲醇 种 联产甲醇除在合成氨装置联产甲 醇外 还可利用化工厂尾气或结合城市煤气联产 甲醇 随着国家近几年对煤炭直接燃烧使用的限 制 大量的燃煤供应开始转向煤化工产业 煤制 甲醇的兴起不仅解决了煤炭产业的高产能 而且 使煤炭从高污染燃料直接变成了清洁燃料 甲醇的生产工艺简单 反应条件温和 技术容 易突破 目前劣质煤 煤矸石均可提制甲醇 煤制 甲醇综合成本不高于 元 除此之外 石脑油 渣油 油田气 煤层气等均可以用来制备 甲醇 原料经过部分氧化法或蒸汽转化制得合成 气 和 进而制得甲醇 综上可知 甲醇作为能源 其具有节能 环保 经济性等优势 目前 甲醇在我国已被广泛用于 民用和汽车领域 试验监测数据显示 在工业窑炉 内和汽车发动机中的能量利用效率高于汽油和柴 油 其中 车 用 甲 醇 相 对 于 汽 油 节 省 燃 料 费 用 其经济性具有明显的竞争力 据悉 现今除甲醇汽车外 甲醇燃料已应用于船 舶 工业锅炉 民用取暖 炊事灶具等能源领域 甲醇在设施农业上的应用 设施农业加温 加温需求 设施农业是通过采用一定的设施和装置 对 其内部环境进行调控 以达到进行动 植物高效生 产的一种农业生产方式 属于高投入 高产出的产 业 设施农业的高投入 很大程度上是能源消耗 的投入 它包括冬季加温 夏季降温等环节 荷兰是世界设施园艺强国 从产业发展角度 考虑 荷兰冬季不冷 夏季不热 多数地区在一年 中较多的时间处于 有利于设施农业的 发展 即便如此 万 温室能耗消耗量却 占荷兰能源总消耗量的 能源消耗量的投入 可见一斑 季风气候是我国气候的突出特征 也 因此我国绝大部分地区冬季要比世界上同纬度地 区冷 夏季比世界上同纬度地区热 造成我国较多 地区温度年较差在 以上 长江以北地区的年 较差甚至在 以上 较少地区的温度年较差低 于 因此会造成我国设施农业能耗投入更 大 由于我国是世界设施农业生产大国 设施农 业占世界总面积的 截止 年 温室总面 积达 万 其中日光温室面积为 万 约占温室总面积的 塑料大棚 万 连栋温室 万 我国设施农 业能耗量会更大 总投入会更高 进行种植的设施可根据有无蓄热体分为无蓄 热功能温室和有蓄热功能温室 一般情况下 连 栋温室和塑料大棚无蓄热构件 仅能够满足叶菜 类作物春提前 秋延后的栽培 生产 在冬季则需 要加温才能进行生产 其加温时长 可根据地理 位置来确定 我国东北地区玻璃温室和大棚的 加温时间大约需要 个月 在华北地区则需要 个月 即使在南方地区 如果在该类温室中 种植花卉或育苗也需要进行加温或临时补温 众所周知 我国拥有独立自主知识产权的日 光温室具有蓄热功能 其后墙和土壤具有一定的 蓄热功能 可以将白天的太阳辐射能储存 夜间通 过热交换将蓄积的热量供给温室 但是由于墙体 材料的传热特性及热容量的限制 热能蓄积与释 放过程比较缓慢 且释放的热能是有限的 在 华北及东北地区日光温室越冬生产果菜类蔬菜 如果没有加温措施 风险很大 冬季连续阴 雪天气导致的持续低温会使作物生长迟缓 病虫 害多发 严重影响产品的产量和质量 因此 日光温室育苗或种植果菜类蔬菜 配备加温设施 是必要的 温度环境是影响温室作物生产的重要 因素 合理的温度是保障作物品质和产量的重要 手段 目前加温能源 温室的加温方式多为锅炉配套暖气系统或电 能加温 锅炉燃料为燃煤 燃油 燃气 均为不可再 生能源 目前加温能源应用不足 随着国家对环境治理 保护措施及法规的制 定和实施 特别是 年 月 日由国务院公开 发布了 打赢蓝天保卫战三年行动计划 计划中 制定了详细的任务标准 对重点区域继续实施煤 炭消费总量控制 燃煤这类高耗低效燃烧效率燃 料 向空气中排放出大量 和烟尘 造成大气污染的能源的应用领域及应用量也逐渐 缩小 燃料油主要由石油的裂化残渣油和直馏残 渣油制成 其粘度大 胶质 沥青质多 一般需经预 热 才能使燃料进行喷散雾化 燃料油燃烧时 如 果空气供应不合适 就会造成燃料燃烧不完全 排 烟温度高 形成能源较大的浪费 燃气相对于燃煤 北 方 园 艺 月 上 来说 比较洁净 但由于天然气成分复杂 燃烧过 程中也会产生 等污染气体 且由于设施 农业园区一般距离居民区较远 如果通过管道运 输燃料 管道的埋设等施工量大 成本高 电能加 温表面上看起来环保 利用也比较方便 但是我国 电力有 左右来源于火力发电 而火力发电的 原料是煤 因此 作为二次能源的电能本身成本较 其它燃料高 综上所述 作为产出比较低的设施农业 亟待 寻找无污染 价格低的加温燃料及燃烧设备 甲 醇这种清洁能源 必将在设施农业中得以推广 应用 甲醇用于温室加温方法及注意事项 甲醇在温室加温方面的应用 利用甲醇燃烧 产生的热量 可以采用直接加热温室空气的方法 为温室供暖 也可采用以水或其它物质为媒介 暖 气片 管道等 为温室供暖 为了较为精准的控 制温度 可以通过开发控制系统 根据不同种类的 植物及其生育期 设置其适宜温度 进而控制加温 设备的启停 保证作物的高效生产 注意事项 温室是密闭的空间 夜间植物已不 进行光合作用 作物的呼吸作用会使温室中二氧 化碳的浓度不断上升 因此 夜间不能将甲醇燃烧 后的气体直接排放进温室 以免使温室中的二氧 化碳浓度过高 造成植物中毒 园艺设施内补充二氧化碳气肥 温室补气肥的优点 二氧化碳是植物光合作用的主要原料 被称 为 植物的粮食 生产中的日光温室是一个相对 封闭的空间 当太阳升起 植物就已经开始进行光 合作用 随着光合作用的增强 温室内的二氧化 碳浓度不断降低 甚至低于室外的浓度 而对于多数作物 光合作用需要 二氧化碳的最佳浓度为 因此 为了使温室内种植作物有较好的产量 可以 通过给温室补充二氧化碳的方式 满足作物光合 作用需求 有研究显示 温室内补充适量二氧化 碳气肥 不仅能够提高产量 还可以提高果实品 质 作物的抗病性 等 所以为生产温室内 补充二氧化碳肥非常有必要 目前温室补二氧化碳气肥的方法 温室中施用的二氧化碳气肥 其主要来源有 采用钢瓶盛装液体二氧化碳 通过配置电加热 装置 使钢瓶内输出的二氧化碳由液体转变为气 态 再利用塑料管将二氧化碳气体输送到温室 内 利用硫酸和碳酸盐发生反应产生二氧化 碳 采用生物质堆肥发酵方法产生二氧化 碳 以上二氧化碳气肥来源分别存在成本 高 不安 全 产生二氧化碳速度慢且不可控的 问题 甲醇作为能源补气的优点 补气肥方式及 注意事项 甲醇点燃条件下 充分燃烧后 其生成物仅为 二氧化碳和水 见式 通过甲醇燃烧式及分子摩尔质量可知 甲醇燃烧 可产生 二氧化碳 将 其释放到 的空间内 该部分二氧化碳的 浓度大于 因此 通过甲醇燃烧 可以迅速补充二氧化碳至作物所需量 甲醇作为能源补气肥方式 如果温室补充二 氧化碳量较小 则可以将甲醇燃烧后的气体直接 排放到温室中 如果温室内空气湿度较大 则可以 通过冷凝的方法 将水汽冷凝排出 仅将二氧化碳 和空气中的氮气释放到温室中 注意事项 由于是在白天补充二氧化碳气肥 所以要考虑人体对二氧化碳的反应临界浓度 保 证室内工作人员的安全 另外 长时期使用过高浓 度的二氧化碳 植物光合作用增强的反应将变弱 植物也容易产生叶片黄萎 褐变和早衰等问题 因 此 二氧化碳的浓度应根据植物的种类 生育期及 不同的天气条件等因素而定 展望 面对设施农业生产过程中能源消耗及短缺问 题 可再生能源取代化石燃料的能源是必然趋势 我国煤矿资源丰富 在甲醇制备技术不断突破的 基础上 甲醇作为一种可再生的清洁能源 也必将 在设施农业上有更大的推广和应用空间 特别是 温室加温及补气肥方面 另外 由于甲醇作为能 源 其压力燃烧技术非常成熟 并已广泛应用于汽 第 期 北 方 园 艺 车行业 因此 甲醇也可为设施农业中的机械提供 动力 目前 北京中农富通园艺有限公司已经开始 以甲醇作为能源为温室补充二氧化碳气肥进行初 步探索 期望以甲醇作为能源在温室加温 补气肥 应用过程中探索更好的节能应用方式 为甲醇在 设施农业中的应用提供经验借鉴和数据支持 参考文献 崔敏 设施农业面临难题 如何做到既节能又保产 农 机质量与监督 曲梅 温室地板加热系统的研究 北 京 中 国 农 业 大 学 舟唱机 现代温室工程 北京 化学工业出版社 罗艳托 徐英俊 汤湘华 等 国内车用替代燃料的发展前景 国际石油经济 王亚红 甲醇 柴油双燃料发送机性能及排放研究 西 安 长安大学 杨文 山西代表团代表联名提交建议 发展甲醇替代燃料推 广应用甲醇汽车 山西日报 朱晶宇 柴油甲醇组合燃烧模式的甲醛排放特性研究 天津 天津大学 朱金良 发动机燃用汽油与甲醇的性能对比研究 武 汉 华中科技大学 工业用甲醇 国家标准规范 北京 中国标 准出版社 胥富春 平凉试水推广甲醇燃 甘肃经济日报 周升 大跨度主动蓄能型温室太阳能热泵增温试验研究 北京 中国农业科学院 冯玉龙 姜淑梅 根系温度对甜椒生理特性的影响 植物 生理学通讯 明村豪 蒋芳玲 王广龙 等 黄瓜壮苗指标与辐热积关系的 模拟模型 农业工程学报 孙维拓 郭文忠 徐凡 等 日光温室空气余热热泵加温系统 应用效果 中国农业工程学报 陈冰 罗小林 毕方琳 等 温室太阳能与空气源热泵联合加 温系统的试验 中国农业科技导报 赵云龙 于贤昌 李衍素 碳晶电地热系统在日光温室番茄 生产中的应用 农业工程学报 姜兆彤 杜玉斌 王春华 等 温室释放二氧化碳气肥对草莓 生产的影响 北方果蔬 李向前 梁然 张红 等 二氧化碳气肥在日光温室黄瓜上的 应用试验 现代农村科技 魏珉 王秀峰 邢禹贤 等 几种主要 施肥肥源性能的比 较与评价 农业工程学报 高瑞龙 王琨琦 郭文忠 等 基于生物质原料的二氧化碳施 肥器效果试验 农机化研究 刘猷红 孟英 唐傲 等 农业有机废弃物发酵 施肥对生 菜产量及品质的影响 北方园艺 高瑞龙 设施蔬菜生产中的二氧化碳施肥器设计 西安 西安工业大学 北 方 园 艺 月 上