CN101175400B - 用于调节封闭空间中空气的热量和co2浓度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于调节其中生长有植物和/或农作物的封闭空间中空气的热量和CO2浓度的方法，在该方法中，含氧气体和含烃气体交替地经过能够结合氧的颗粒床，其中，该含氧气体在由此氧化颗粒并释放热量的条件下经过该颗粒床，之后，至少部分的热量被提供给该封闭空间，并且其中，该含烃气体在由此化学还原该氧化的颗粒并产生水和CO2的条件下经过如此获得的该氧化的颗粒床，之后，至少部分如此获得的CO2被提供给该封闭空间。

Description

用于调节封闭空间中空气的热量和CO2浓度的方法
本发明涉及一种用于调节其中生长(种植)有植物和/或农作物的封闭空间中空气的热量和CO2浓度的方法。 
CO2是用于生长植物和/或农作物的必需因素，因为在存在光的情况下，并同时吸收CO2，在植物和/或农作物中才会发生光合作用，以便实现生长。相反地，在黑暗中，不会发生光合作用，植物或农作物吸收氧气并放出CO2。尤其是当对种植的农作物的需求增加而通常可用于种植农作物的空间很有限时，在温室园艺中对农作物的生长刺激是至关重要的。例如，可以通过人工光源(同化光照，人工补光，assimilation lighting)和通过增加其中种植有相应农作物的空间中的CO2浓度来刺激农作物的生长。CO2浓度的增加尤其是农作物生长中的一个重要特征。通常，用于此目的的CO2是通过其中进行传统的燃烧过程的加热锅炉产生的，在该加热锅炉中产生CO2，同时放出热量。如此获得的热量可用于在温室中需要热量的时间段来加热温室。然而，这样的传统方法具有以下缺点：CO2的产生和热量释放结合在一起，但实际上对CO2的产生和热量释放的各自需求经常是分离的。在这点上，例如，要注意到在白天，尤其是在夏天的白天，通常对CO2存在相对高的需求，而同时只存在很有限的热量需求。另一方面，在夜里，尤其是在冬天的夜里，通常对热量存在相对高的需求，而对CO2的需求将仅很有限。因此，传统方法不能将温室中实际出现的分别对CO2和热量的需求令人满意地结合起来。虽然可以在热量需求仅为有限的时候，捕获在所谓的热缓冲器(heat buffer)中产生的热量用于以后的使用，但通常会发生大量的热量浪费。此外，在对CO2仅存在有限的需求的时候，产生的 大多数CO2通常是以烟道气的形式直接排放到外部空气中。因此，不仅经常涉及热量的浪费，而且涉及CO2的不必要的产生和排放。很显然，考虑到关于能量消耗和CO2排放的日益严格的标准，迫切需要更有效地使用或减少温室中产生的热量和CO2。 
本发明的目的在于提供一种可以在温室中以改进的、更有效的方式调节CO2的产生和热量释放的方法。 
出人意料地，现在已经发现，这在使用其上可以以交替方式实施两种过程的颗粒床时是可以做到的。 
因此，本发明涉及一种用于调节其中生长有植物和/或农作物的封闭空间中空气的热量和CO2浓度的方法，在该方法中，含氧气体和含烃气体交替地经过能够结合氧的颗粒床，其中，该含氧气体在由此氧化颗粒并释放热量的条件下经过该颗粒床，之后，至少部分的热量被提供给该封闭空间，并且其中，该含烃气体在由此化学还原该氧化的颗粒并产生水和CO2的条件下经过如此获得的该氧化的颗粒床，之后，至少部分如此获得的CO2被提供给该封闭空间。 
根据本发明的方法允许大大节约能量，同时可以显著地降低CO2的排放。而且，该技术能够在一定时间段(取决于床的大小)产生热量而不必依赖于烃类燃料的供给，或者在燃料的最高价格很高时可以减少或停止燃料的供给，而由较低燃料(价格)的杠杆作用得到益处(峰值削减(peak shaving))。 
在根据本发明的方法中，优选在单个反应器中进行颗粒的氧化和还原，由此含氧气体和含烃气体交替地经过同一颗粒床。 
在本发明的另一个有吸引力的具体实施方式中，在不同的反应器中进行颗粒的氧化和还原，每个反应器容纳能够结合氧的颗粒 床，并且含氧气体和含烃气体被周期性地切换用于在各自的反应器中的每个床中建立颗粒的氧化和化学还原。 
在本发明的一个优选的具体实施方式中，多孔陶瓷或金属管用来在低压降(low-pressure drop)下将含氧气体和含烃气体分配到颗粒床。 
适宜地，在100至1500℃范围的温度下和1至100巴范围的压力下进行颗粒的氧化。优选地，在700至1100℃范围的温度下和1至2巴范围的压力下进行颗粒的氧化。 
适宜地，在300至1500℃范围的温度下和1至100巴范围的压力下进行催化剂颗粒的还原。优选地，在600至1100℃范围的温度下和1至40巴范围的压力下进行催化剂颗粒的还原。 
根据本发明使用的含烃气体适宜地包含一种或多种气态烃类。 
优选地，该含烃气体包含丙烷、丁烷或在反应器工作温度和压力条件下为气态的任何烃。更优选地，含烃气体包含天然气或甲烷。 
根据本发明使用的含氧气体优选包含空气。 
能够结合氧的颗粒适宜地包含金属或金属氧化物和载体材料。 
优选地，该金属选自由Cu、Fe、Ni、Co、以及Mn组成的组，该金属以还原的金属形式或氧化的衍生物状态存在，而该载体材料优选选自由氧化铝、硅石、氧化锆、以及二氧化钛组成的组。 
优选地，当在封闭空间中进行光合作用时产生CO2。通常，这将在白天或在利用人工光源时的晚上进行。 
优选地，该封闭空间是温室，如使用的例如温室园艺。 
优选地，容纳一个或多个床的单个反应器或不同的反应器设置在封闭空间本身之内，或者位于附近的空间内，例如毗连的空间内。 
适宜地，在颗粒的氧化过程中释放的热量，在用来促使CO2形成之前，被全部(或部分)贮存在反应器的颗粒床中，该CO2是当含烃气体经过该氧化的颗粒床时化学还原该氧化的颗粒过程中形成的。为此目的，金属颗粒床的热容通常是足够的。同样地，被床结合的氧可以通过增加颗粒床的氧化程度(oxidation level)来贮存。贮存在颗粒床中的热和氧的量代表CO2的产生潜力，其在需要时可以通过注入烃类气体(气态烃)来释放。然后反应器用作集成热量和CO2的缓冲器，该缓冲器可以贮存热量和CO2数天，并且在该缓冲器尺寸合适时可以贮存热量和CO2甚至数周或数月。可替换地，产生的CO2可以在通到该封闭空间之前被贮存。为此目的，例如，可以使用加压的气体缓冲器(gas buffer)。从这样的加压的气体缓冲器中，当封闭空间内对CO2的需求增加时可以随后释放CO2。可替换地，CO2可以从加压的气体缓冲器中供应给外部用户。 
在本发明的有吸引力的具体实施方式中，耗尽氧气的空气，在经过颗粒床之后，接着在无氧条件下被用于对植物或食品，尤其是对氧敏感的产品进行干燥、消毒、巴氏法杀菌或除虫(debug)，或者包装易氧化或易腐烂的产品。 
在本发明的另一个有吸引力的具体实施方式中，在颗粒的化学还原过程中产生的至少一部分CO2在无氧条件下被用于给食品充CO2或除虫，或者包装产品。 
根据本发明的植物和/或农作物包括通常生长在温室中的所有那些植物和/或农作物。 

Claims (14)

1.一种用于调节其中生长有植物和/或农作物的封闭空间中空气的热量和CO2浓度的方法，在所述方法中，含氧气体和含烃气体交替地经过能够结合氧的颗粒床，其中，所述含氧气体在由此氧化所述颗粒并释放热量的条件下经过所述颗粒床，之后，至少部分的所述热量被提供给所述封闭空间，并且其中，所述含烃气体在由此化学还原所述氧化的颗粒并产生水和CO2的条件下经过如此获得的所述氧化的颗粒床，之后，至少部分如此获得的CO2被提供给所述封闭空间，其中，所述氧化在700至1100℃范围的温度下和1至2巴范围的压力下进行，所述还原在600至1100℃范围的温度下和1至40巴范围的压力下进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在单个反应器中进行所述颗粒的氧化和还原，并且所述含氧气体和含烃气体交替地经过同一颗粒床。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在不同的反应器中进行所述颗粒的所述氧化和还原，每个反应器容纳能够结合氧的颗粒床，并且所述含氧气体和含烃气体被周期性地切换用于在所述各自的反应器中的每个所述床中建立所述颗粒的氧化和化学还原。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，多孔陶瓷或金属管用来在低压降下将所述含氧气体和含烃气体分配到所述颗粒床。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在100至1500℃范围的温度下和1至100巴范围的压力下进行所述颗粒的所述氧化。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在300至1500℃范围的温度下和1至100巴范围的压力下进行所述催化剂颗粒的所述还原。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述含烃气体包含一种或多种气态烃类。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述含烃气体包含天然气或甲烷。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述含氧气体包含空气。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述颗粒包含金属或金属氧化物和载体材料。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属选自由Cu、Fe、Ni、Co、以及Mn组成的组，所述金属以还原的金属形式或氧化的衍生物状态存在，而所述载体材料选自由氧化铝、硅石、氧化锆、以及二氧化钛组成的组。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在所述颗粒的所述氧化过程中释放的所述热量，在用来促使CO2形成之前，被全部或(部分)贮存，所述CO2是当所述含烃气体经过所述氧化的颗粒床时化学还原所述氧化的颗粒过程中形成的。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述含氧气体，在经过所述颗粒床之后，接着被用于对植物或食品进行干燥、消毒、巴氏法杀菌或除虫，或者包装易氧化的产品。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在所述颗粒的所述化学还原过程中产生的至少一部分CO2在无氧条件下被用于给食品充CO2或除虫，或者包装产品。
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