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甲醇能源在设施农业中应用

 2021-08-28 12:00  来源:杂志社网 

  [ 摘要 ] 甲醇能源在理化性质、生产制备、价格方面具有诸多优势,讨论其在设施农业生产中的控温、补充二氧化碳、制备农药、提供机械动力、制备生物催化剂等作用,为甲醇能源的开发和利用提供理论借鉴。


  [ 关键词 ] 甲醇;设施农业;控温、CO2;农药


  设施农业能满足人们对食物的全年需求,推动农业经济现代化发展,因此逐渐成为农业重点发展方向。在设施农业的运行过程中,需要能源作为支撑。相较于传统设施农业能源,甲醇能源的优势非常明显,不仅能降低环境污染,还能从其能源延伸物中满足设施农业的多元需求。探究甲醇能源在设施农业中的应用价值和方向,对设施农业发展具有积极的促进作用。


甲醇能源在设施农业中应用


  1甲醇能源的优势分析


  试验和实践证明,甲醇能源在经济性、环保性和节能性方面的优势非常突出,逐渐被应用于各个生产领域。


  1.1理化性质优良


  从甲醇的构成体系可以看出,其化学式为CH3OH(一元醇),主要由38%的炭,12%的氢,50%的氧构成,热利用率较高,燃烧完全;在化学式构成基础上,气化潜热是汽油的3倍多。上海内燃机研究证明,其腐蚀性良好,还能强化和汽油的互溶性,能与汽油交叉或混合使用。甲醇自燃需要较高温度,储运较为安全。《工业用甲醇-国家标准规范》(GB338-2011)中明确指出:甲醇纯度100%时,燃烧产物为二氧化碳和水,洁净性非常高。


  1.2制备工艺简单


  甲醇的制备一般以煤和天然气为原材料。我国煤资源蕴藏丰富,煤田面积55万km2,有充足的甲醇制备原材料。从生产工艺上看,甲醇制备主要有联产和单产两种方式。联产甲醇不仅可以利用相应装备制备,还可在城市煤气和化工厂的基础上进行制备,制备方式具有多样性。从其化学反应过程看,甲醇制备主要利用蒸汽转化或部分氧化方式,化学反应方程式为2H2+CO→CH3OH,处理相应原料后获得H2与CO,过程非常简单。同时,反应过程也较温和,不仅能提升煤炭资源的洁净性,还能在某种程度上提升煤炭的使用效率。


  1.3价格低廉


  将甲醇汽油应用于设施农业机械动力系统,在降低成本输出的同时,还能提升运行洁净性。将甲醇应用于汽油领域,能节约大量油费成本。92号汽油的价格为5~6元/L,综合价格5000~6000元/t,而甲醇汽油的出厂价在3000元/t左右,可节约40%~50%的成本。


  2设施农业生产需要分析


  设施农业主要利用体系装置和设施为农作物或禽类营造良好的生长环境,保障农作物和禽类健康生长。设施农业的设备主要有温室、禽舍和蘑坊,这些设施运行需要气、水、光、温等的支持,其中温度调控最为关键。设施农业系统的温度调控一般采用燃煤锅炉加热方式,但煤燃烧容易产生大量煤灰,造成经济和环境两方面的压力,亟需污染程度低、清洁高效的能源。用污染程度低、环境污染效果友好的甲醇能源代替煤能源,有利于实现设施农业社会效果最大化。


  3甲醇在设施农业中的应用途径


  3.1温度调控


  基于可持续发展的视角,我国开始治理各项环境问题,既要充分发挥能源的作用,又要降低烟尘、CO2及SO2等污染物的排放。在此情况下,设施农业温控应尽量选择清洁能源。一般情况下,设施农业建在距离生产者聚集区较远的地区,若以铺设管道方式传递热量,不仅造价高,而且会消耗大量能量。利用甲醇能源建立以设施农业为中心的温度控制中心,是一种行之有效的方法。甲醇温度控制系统有锅炉式、立体式及真空式等类型,适用不同的设施农业环境。甲醇锅炉可在较短时间内升压升温,具有热效率大、燃烧完全、结构合理、寿命长、占地面积小、运行可靠、自动化程度高等优势(如1所示)。其原理为:利用鼓风机将空气送入反应炉内,与O2结合发生放热反应,反应式为:CH3OH(L)+2/3O2(g)=CO2(g)+2H2O(L),△H=-725.8kJ/mol,即1mol甲烷完全燃烧放热725.8kJ的热量。根据植物或生物的温度需求,利用温度控制系统控制反应系统启停使温室达到预期温度,具体原理见图1。设施农业一般为密闭空间,作物在夜间进行呼吸作用,若将甲醇反应结果物(CO2)排入室内,可能会导致作物CO2中毒。因此,夜间加温时需将甲醇反应产物排出室内。


  3.2补充CO2


  一般来说,设施农业中的作物需要补充CO2,传统补充方式主要有三类:1)利用设备钢瓶等装载CO2,再利用电加热方式将其以气化的方式传输至大棚温室;2)利用碳酸盐和硝酸反应获得CO2;3)通过生物堆肥方式形成适量的CO2。这3种方式速度慢、安全差和成本高,综合效果一般。而甲醇燃烧反应可形成农作物所需的水和CO2,反应过程为:3O2+2CH3OH=4H2O+2CO2。一般来说,1kg甲醇完全燃烧得到1.375kg的CO2,可使1000m3的温室中的CO2浓度达到1000μL/m3以上。当温室中的CO2含量较低时,利用排气管道将甲醇燃烧形成的气体补充到温室中。为防止排放水气过量导致湿度过高,可利用冷凝方式提出水汽。需注意的是:1)CO2应在白天补充,夜间补充会导致作物中毒。2)补充CO2气体时,应将浓度控制在临界值以下,保护作业人员的安全;3)依据作物实际生长情况如生育周期、类型等选择合理的CO2浓度。


  3.3制备农药


  甲醇是很多农药的制备材料。除草剂莎稗灵、稻丰散、亚胺硫磷、马拉硫磷、乐果等的原材料是O,O二甲基二硫代磷酸酯,其由98%甲醇和98%五硫化二磷制备而成。蔬果磷、苯胺硫磷、甲基异柳磷、水胺硫磷、甲胺磷和甲基对硫磷等的原材料是甲氧基硫代磷酰二氯,其主要由甲醇和三氯硫磷制备而成。除草剂苯噻酰草胺、噻嗪酮和扑虱灵杀虫剂的原材料是N-甲基苯胺,其主要要由98%甲醇和99%的苯胺构成。其生产过程是利用铜锌铬催化甲醇和苯胺反应,再在真空或蒸馏基础上剔除N、苯胺、水、甲醇等。此外,利用乙酰乙酸甲酯还可以制备密啶氧磷、蝇毒磷和二嗪农等杀虫剂,或乙密酚、二甲密酚、嗯霉灵等杀菌剂,或咪唑乙烟酸除草剂,或杀鼠灵、杀鼠醚等杀鼠剂等。


  4甲醇在设施农业中应用的展望


  甲醇作为一种清洁能源,不仅能替代污染性能源,还能在一定程度上推动设施农业绿色化发展。甲醇可与90号、97号等汽油混合使用,发挥等同于汽油的功效。甲醇也是一种生物催化剂,能够催生设施作物生长,除增加作物产量外,还能在一定程度上保持枝叶鲜嫩、茁壮茂盛,在炎热的夏季可减少灌溉用水。当前,应充分利用甲烷能源在理化性质方面、制备方面、价格方面的优势,在设施农业中发挥控温、补充二氧化碳、制备农药、提供机械动力、制备生物催化剂和促生长等作用,为设施农业的可持续发展提供支持。


  作者:马毅


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