CN108738817B - 用于温室定时定量增施co2气肥的系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所设计的用于温室定时定量增施CO2气肥的系统，它的吸收剂富液转运设备的吸收剂富液转运设备出液口连接加热器的加热器入口，加热器的加热器出口连接蠕动泵的蠕动泵输入端，蠕动泵的蠕动泵输出端连接减压膜吹脱设备的减压膜吹脱设备管层入口，减压膜吹脱设备的减压膜吹脱设备管层出口连接吸收剂富液转运设备的循环液进液口，减压膜吹脱设备的减压膜吹脱设备管层出口的减压膜吹脱设备壳层入口连接空气泵的空气泵输出口，减压膜吹脱设备的减压膜吹脱设备壳层出口连接释放设备。本发明在为温室提供CO2时，能够通过调节液气流速比进行控制CO2产生速率，并用CO2浓度检测仪进行控制系统开关，实现CO2的定时定量增施。
Description
技术领域
本发明涉及设施农业气体环境调控技术领域，具体地指一种用于温室定时定量增施CO2气肥的系统与方法。
技术背景
有研究发现，CO2施肥对提高设施作物的产量、品质的作用十分明显。国外已经进行了大量有关CO2施肥的研究，在生产中已取得了显著的效果。早在1840年，法国人DeSaussure就对豌豆进行了高浓度CO2的处理试验；在1920年德国首先提出“碳酸气施肥”后，设施栽培的CO2施肥就在欧美、日本等地开始推广大规模的应用。
近年来国内在温室CO2增施对设施作物的产量、品质改善方面的研究不断系统完善。研究发现，增施CO2除了能够明显提高设施作物的光合作用外，其株高、叶面积及干叶比均增加，而且增施CO2后可使黄瓜的雌花增多，坐果率增加。试验也表明，施CO2后的黄瓜结瓜率可提高约27.1％。在青椒开花结果期增施CO2也会得到同样的结果，单株开花平均可增加2.4个，单株坐果率增加约29％。增施CO2也可促进设施作物的生长发育，相应的产量和产值均有较大幅度增加，特别使早期产量可增加约66％，产值增加约84％，总产量增加约31％，总产值增加约30％。番茄较对照可平均增产约4.5％，青椒较对照增产约36％。温室作物增施CO2后，不但增加了产量，提高了经济效益，同时也改善了蔬菜的品质，消费者反应色正，口味好，到市场后大受欢迎。经过对黄瓜和番茄果实进行分析，果实中维生素C和可溶性糖的含量均有所增加，黄瓜的可溶性糖比对照增加了约13.8％。因此，给温室在一定范围内增施CO2是非常有必要的。
目前，设施农业增施CO2的方法主要是CO2钢瓶气供应法、有机堆肥法、有机物燃烧法、化学反应法、气肥吊袋法等。发达国家多采用钢瓶气直接增施CO2，具有安全、洁净、浓度可控的特点，如荷兰、日本等国在20世纪已普遍使用。但冬季使用时，CO2气化吸热易降低温室内的温度，特别是钢瓶很笨重，不便搬运且来源有限。有机堆肥法和气肥吊袋法，成本低廉，但对CO2浓度、施放时间、高度不可控，应用效果有限。有机物燃烧法属于燃烧化石能源后产生CO2，但烟气成分复杂，易产生有毒有害气体，存在安全隐患，与国家节能减排战略不符，无法满足当前设施农业标准化、大规模生产的发展需求。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种用于温室定时定量增施CO2气肥的系统与方法，该系统与方法首先利用氨基酸盐类吸收剂吸收沼气工程生产的沼气中的CO2，在对沼气进行提纯的同时，将CO2从气相转变为液相，从而获得温室增施所需的CO2来源。吸收CO2后的富CO2氨基酸盐类吸收剂则取出用于温室增施CO2气肥。通过减压膜吹脱的方式对富CO2氨基酸盐类吸收剂进行CO2再生，而吹脱出来的空气将携带CO2，一般本系统每吹出1m3空气，将携带60-100L的CO2气体。温室内CO2释放浓度不能过高，应控制在0.08％～0.15％(800～1500ppm)，过浓反而会对作物有害，通过改变CO2定量释放装置的液气流速(液气比)，可对CO2产生速率进行调节，进而实现温室内CO2气肥的定量增施。除了设定在晴天的8：00-14：00定时增施CO2外，本系统同时通过CO2浓度检测仪可对CO2施放时间进行控制，当检测到室内CO2浓度高于1200ppm时，系统停止工作，当CO2浓度低于600ppm时，系统重新开始工作，进而实现温室内CO2气肥的定时增施。
为实现此目的，本发明所设计的一种用于温室定时定量增施CO2气肥的系统，其特征在于，它包括吸收剂富液转运设备、加热器、蠕动泵、CO2减压膜吹脱设备、空气泵和CO2释放设备。其中，吸收剂富液转运设备的吸收剂富液转运设备出液口连接加热器的加热器入口，加热器的加热器出口连接蠕动泵的蠕动泵输入端，蠕动泵的蠕动泵输出端连接CO2减压膜吹脱设备的CO2减压膜吹脱设备管层入口，CO2减压膜吹脱设备的CO2减压膜吹脱设备管层出口连接吸收剂富液转运设备的循环液进液口，CO2减压膜吹脱设备的CO2减压膜吹脱设备壳层入口连接空气泵的空气泵输出口，CO2减压膜吹脱设备的CO2减压膜吹脱设备壳层出口连接CO2释放设备的CO2释放设备入口。
一种上述系统的温室定时定量增施CO2气肥的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：吸收剂富液转运设备中的氨基酸盐类吸收剂富液从吸收剂富液转运设备出液口输出，并进入加热器中加热到50～90℃，加热后的氨基酸盐类吸收剂富液经蠕动泵从CO2减压膜吹脱设备管层入口泵入到CO2减压膜吹脱设备的管层。与此同时，空气泵将空气经CO2减压膜吹脱设备壳层入口泵入到CO2减压膜吹脱设备的壳层，在CO2减压膜吹脱设备中空气的流动方向与加热后的氨基酸盐类吸收剂富液的流动方向相反，同时，通过循环水真空泵对CO2减压膜吹脱设备的壳层进行减压，使CO2减压膜吹脱设备的壳层内的压力稳定在预设值；
步骤2：经过空气吹脱后的氨基酸盐类吸收剂贫液由CO2减压膜吹脱设备的CO2减压膜吹脱设备管层出口流出，经吸收剂富液转运设备的循环液进液口回流到吸收剂富液转运设备中，继续循环用于空气吹脱再生CO2，带有CO2且被加热的空气由CO2减压膜吹脱设备的CO2减压膜吹脱设备壳层出口进入到CO2释放设备，CO2减压膜吹脱设备的CO2减压膜吹脱设备壳层出口输出的吹脱空气中携带CO2的含量，通过调节通入CO2减压膜吹脱设备的液相及气相流量进行控制，吹脱空气由CO2释放设备将含有CO2气体的热空气均匀的释放到室中。
本发明所构思的以上技术方案和现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明以沼气中的CO2为来源，用于温室CO2增施。在获得CO2的同时，根据所选吸收剂的不同，能够对沼气进行一定程度的提纯，所用的氨基酸盐类吸收剂可将沼气提纯至95％以上。
2、本发明在为温室提供CO2时，能够通过调节液气流速比进行控制CO2产生速率，并用CO2浓度检测仪进行控制系统开关，进而实现CO2的定时定量增施。
3、本发明在增施CO2时，吹出的CO2混合气温度可在CO2释放设备中进行调节，一般温度下降至少可达到40℃左右。冬天时可为温室提供加热，在其他季节不会造成温室温度升高。
4、本发明使用的富CO2氨基酸盐类吸收剂可工厂化生产，可循环使用。使用过程中仅会损失一定水分，CO2吹脱再生效果好，CO2吹脱效率可达70％～85％。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
1—吸收剂富液转运设备、1.1—循环液进液口、1.2—吸收剂富液转运设备出液口、1.3—吸收剂富液转运设备进液口、2—加热器、2.1—加热器入口、2.2—加热器出口、3—蠕动泵、3.1—蠕动泵输入端、3.2—蠕动泵输出端、4—CO2减压膜吹脱设备、4.1—CO2减压膜吹脱设备管层入口、4.2—CO2减压膜吹脱设备壳层出口、4.3—CO2减压膜吹脱设备壳层入口、4.4—CO2减压膜吹脱设备管层出口、5—气体流量计、6—空气泵、6.1—空气泵输出口、7—CO2释放设备、7.1—CO2释放设备入口、8—CO2浓度检测仪、9—CO2定量释放装置控制器、10—沼气储存设备、10.1—沼气储存设备出气口、11—CO2吸收装置、11.1—CO2吸收装置进气口、11.2—CO2吸收装置出气口、11.3—CO2吸收装置出液口、12—生物天然气储存设备、12.1—生物天然气储存设备进气口、13—循环水真空泵。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明首先利用氨基酸盐类吸收剂吸收沼气工程生产的沼气中的CO2，在对沼气进行提纯的同时，将CO2从气相转变为液相，从而获得温室增施所需的CO2来源。吸收CO2后的富CO2氨基酸盐类吸收剂取出用于温室增施CO2气肥。通过减压膜吹脱的方式对富CO2氨基酸盐类吸收剂进行CO2再生，而吹脱出来的空气将携带CO2，一般本系统每吹出1m3空气，将携带60-100L的CO2气体。温室内CO2释放浓度不能过高，应控制在0.08％～0.15％(800～1500ppm)，过浓反而会对作物有害，通过改变CO2定量释放装置的液气流速(液气比)，可对CO2产生速率进行调节，进而实现温室内CO2气肥的定量增施。除了设定在晴天的8：00-14：00定时增施CO2外本系统同时通过CO2浓度检测仪可对CO2施放时间进行控制，当检测到室内CO2浓度高于1200ppm时，系统停止工作，当CO2浓度低于600ppm时，系统重新开始工作，进而实现温室内CO2气肥的定时增施。本系统将释放完CO2后的贫液运回，补充进入CO2吸收装置中，进行吸收剂的循环利用，一般使333m2的温室(600m3)的二氧化碳浓度达到0.1％，需要消耗60L的该氨基酸盐类吸收剂(运行温度80℃，70％再生率)。为了使温室中CO2的浓度能够尽快达标，建议每200m3温室增设一台气体释放装置。
具体来说，本发明设计的一种用于温室定时定量增施CO2气肥的系统，如图1所示，它包括吸收剂富液转运设备1、加热器2、蠕动泵3(可调节液相流量)、CO2减压膜吹脱设备4、空气泵6和CO2释放设备7(主要功能是将CO2气体均匀的释放到室内)，其中，吸收剂富液转运设备1的吸收剂富液转运设备出液口1.2连接加热器2的加热器入口2.1，加热器2的加热器出口2.2连接蠕动泵3的蠕动泵输入端3.1，蠕动泵3的蠕动泵输出端3.2连接CO2减压膜吹脱设备4的CO2减压膜吹脱设备管层入口4.1，CO2减压膜吹脱设备4的CO2减压膜吹脱设备管层出口4.4连接吸收剂富液转运设备1的循环液进液口1.1，CO2减压膜吹脱设备4的CO2减压膜吹脱设备壳层入口4.3连接空气泵6的空气泵输出口6.1，CO2减压膜吹脱设备4的CO2减压膜吹脱设备壳层出口4.2连接CO2释放设备7的CO2释放设备入口7.1。
上述技术方案中，它还包括CO2浓度检测仪8和CO2定量释放装置控制器9，CO2浓度检测仪8的信号输出端连接CO2定量释放装置控制器9的CO2浓度信号输入端，CO2定量释放装置控制器9的蠕动泵控制信号输出端连接蠕动泵3的控制端，CO2定量释放装置控制器9的空气泵控制信号输出端连接空气泵6的控制端，CO2定量释放装置控制器9的加热器控制信号输出端连接加热器2的控制端。
上述技术方案中，它还包括沼气储存设备10、CO2吸收装置11和生物天然气储存设备12，所述沼气储存设备10的沼气储存设备出气口10.1连接CO2吸收装置11的CO2吸收装置进气口11.1，CO2吸收装置11的CO2吸收装置出气口11.2连接生物天然气储存设备12的生物天然气储存设备进气口12.1，CO2吸收装置11的CO2吸收装置出液口11.3连接吸收剂富液转运设备1的吸收剂富液转运设备进液口1.3。
上述技术方案中，它还包括气体流量计5，所述气体流量计5安装在CO2减压膜吹脱设备4的CO2减压膜吹脱设备壳层入口4.3与空气泵6的空气泵输出口6.1之间的管道上。
上述技术方案中，它还包括循环水真空泵13，所述循环水真空泵13的输入端连接CO2减压膜吹脱设备4的CO2减压膜吹脱设备壳层出口4.2。
上述技术方案中，所述CO2定量释放装置控制器9的循环水真空泵控制信号输出端连接循环水真空泵13的控制端。
一种上述系统的温室定时定量增施CO2气肥的方法，它包括如下步骤：
步骤1：吸收剂富液转运设备1中的氨基酸盐类吸收剂富液从吸收剂富液转运设备出液口1.2输出并进入加热器2中加热到50～90℃，加热后的氨基酸盐类吸收剂富液经蠕动泵3从CO2减压膜吹脱设备管层入口4.1泵入到CO2减压膜吹脱设备4的管层，与此同时，空气泵6将空气经CO2减压膜吹脱设备壳层入口4.3泵入到CO2减压膜吹脱分离设备4的壳层，在CO2减压膜吹脱设备4中空气的流动方向与加热后的氨基酸盐类吸收剂富液的流动方向相反，同时，通过循环水真空泵13对CO2减压膜吹脱设备4的壳层进行减压，使CO2减压膜吹脱设备4的壳层内的压力稳定在预设值(Pg＝80kpa)，保证液体侧与气体侧有明显压力差，使二氧化碳更容易穿透膜管进入气体侧被带出；
步骤2：经过空气吹脱后的氨基酸盐类吸收剂贫液由CO2减压膜吹脱设备4的CO2减压膜吹脱设备管层出口4.4流出，经吸收剂富液转运设备1的循环液进液口1.1回流到吸收剂富液转运设备1中，继续循环用于空气吹脱再生CO2，带有CO2且被加热的空气由CO2减压膜吹脱设备4的CO2减压膜吹脱设备壳层出口4.2进入到CO2释放设备7，CO2减压膜吹脱设备4的CO2减压膜吹脱设备壳层出口4.2输出的吹脱空气中携带CO2的含量，通过调节通入CO2减压膜吹脱设备4的液相及气相流量进行控制(液气比参考范围为1/150～1/60，液气比越大，吹脱气含CO2量越多)，吹脱空气由CO2释放设备7将含有CO2气体的热空气均匀的释放到室(温室)中；
步骤3：CO2浓度检测仪8实时检测放置有CO2释放设备7的室的CO2浓度，当室内CO2的浓度≥1200ppm时，CO2浓度检测仪会发出反馈信号给CO2定量释放装置控制器9，CO2定量释放装置控制器9在此时控制蠕动泵3、空气泵6、加热器2和循环水真空泵13停机，从而使用于温室定时定量增施CO2气肥的系统停止工作，当室内CO2的浓度≤600ppm时，CO2浓度检测仪会发出反馈信号给CO2定量释放装置控制器9，CO2定量释放装置控制器9在此时控制蠕动泵3、空气泵6、加热器2和循环水真空泵13恢复工作，从而使用于温室定时定量增施CO2气肥的系统恢复工作。
步骤1前还包括CO2吸收的过程：沼气从沼气储存设备10出来后，在CO2吸收装置11中与氨基酸盐类吸收剂溶液充分接触，进行CO2分离，被提纯的沼气经过CO2吸收装置11的CO2吸收装置出气口11.2进入到生物天然气储存设备12进行存储，待氨基酸盐类吸收剂溶液达到指定的CO2负荷(是指不同吸收剂的吸收负荷，每种吸收剂的吸收负荷是确定的)后，关闭CO2吸收装置11的CO2吸收装置进气口11.1和CO2吸收装置出气口11.2，将富CO2氨基酸盐吸收剂溶液经过CO2吸收装置出液口11.3通入到吸收剂富液转运设备1中进行备用(为了方便人力搬运，本系统设计的吸收剂富液转运箱含富液40L，总箱重<45kg，以下设计均按40L富液/台设备计算)，在CO2吸收设备中重新通入回收的、且释放了CO2后的氨基酸盐类吸收剂贫液，补充适当水分后继续循环用于提纯沼气。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种基于温室定时定量增施CO2气肥系统的增施CO2气肥方法，其特征在于，温室定时定量增施CO2气肥系统包括吸收剂富液转运设备(1)、加热器(2)、蠕动泵(3)、CO2减压膜吹脱设备(4)、空气泵(6)和CO2释放设备(7)，其中，吸收剂富液转运设备(1)的吸收剂富液转运设备出液口(1.2)连接加热器(2)的加热器入口(2.1)，加热器(2)的加热器出口(2.2)连接蠕动泵(3)的蠕动泵输入端(3.1)，蠕动泵(3)的蠕动泵输出端(3.2)连接CO2减压膜吹脱设备(4)的CO2减压膜吹脱设备管层入口(4.1)，CO2减压膜吹脱设备(4)的CO2减压膜吹脱设备管层出口(4.4)连接吸收剂富液转运设备(1)的循环液进液口(1.1)，CO2减压膜吹脱设备(4)的CO2减压膜吹脱设备壳层入口(4.3)连接空气泵(6)的空气泵输出口(6.1)，CO2减压膜吹脱设备(4)的CO2减压膜吹脱设备壳层出口(4.2)连接CO2释放设备(7)的CO2释放设备入口(7.1)；
温室定时定量增施CO2气肥系统还包括循环水真空泵(13)，所述循环水真空泵(13)的输入端连接CO2减压膜吹脱设备(4)的CO2减压膜吹脱设备壳层出口(4.2)；
所述CO2定量释放装置控制器(9)的循环水真空泵控制信号输出端连接循环水真空泵(13)的控制端；
利用氨基酸盐类吸收剂吸收沼气工程生产的沼气中的CO2，在对沼气进行提纯的同时，将CO2从气相转变为液相，从而获得温室增施所需的CO2来源，吸收CO2后的富CO2氨基酸盐类吸收剂取出用于温室增施CO2气肥，通过减压膜吹脱的方式对富CO2氨基酸盐类吸收剂进行CO2再生，而吹脱出来的空气将携带CO2；
温室定时定量增施CO2气肥系统还包括沼气储存设备(10)、CO2吸收装置(11)和生物天然气储存设备(12)，所述沼气储存设备(10)的沼气储存设备出气口(10.1)连接CO2吸收装置(11)的CO2吸收装置进气口(11.1)，CO2吸收装置(11)的CO2吸收装置出气口(11.2)连接生物天然气储存设备(12)的生物天然气储存设备进气口(12.1)，CO2吸收装置(11)的CO2吸收装置出液口(11.3)连接吸收剂富液转运设备(1)的吸收剂富液转运设备进液口(1.3)；
通过减压膜吹脱的方式对富CO2氨基酸盐类吸收剂进行CO2再生，而吹脱出来的空气将携带CO2，通过改变CO2定量释放装置的液气流速，对CO2产生速率进行调节，进而实现温室内CO2气肥的定量增施，除了设定定时增施CO2外，本系统同时通过CO2浓度检测仪可对CO2施放时间进行控制，当检测到室内CO2浓度高于1200ppm时，系统停止工作，当CO2浓度低于600ppm时，系统重新开始工作，进而实现温室内CO2气肥的定时增施，本系统将释放完CO2后的贫液运回，补充进入CO2吸收装置中，进行吸收剂的循环利用；
增施CO2气肥方法，它包括如下步骤：
步骤1：吸收剂富液转运设备(1)中的氨基酸盐类吸收剂富液从吸收剂富液转运设备出液口(1.2)输出并进入加热器(2)中加热到50～90℃，加热后的氨基酸盐类吸收剂富液经蠕动泵(3)从CO2减压膜吹脱设备管层入口(4.1)泵入到CO2减压膜吹脱设备(4)的管层，与此同时，空气泵(6)将空气经CO2减压膜吹脱设备壳层入口(4.3)泵入到CO2减压膜吹脱设备(4)的壳层，在CO2减压膜吹脱设备(4)中空气的流动方向与加热后的氨基酸盐类吸收剂富液的流动方向相反，同时，通过循环水真空泵(13)对CO2减压膜吹脱设备(4)的壳层进行减压，使CO2减压膜吹脱设备(4)的壳层内的压力稳定在预设值；
步骤2：经过空气吹脱后的氨基酸盐类吸收剂贫液由CO2减压膜吹脱设备(4)的CO2减压膜吹脱设备管层出口(4.4)流出，经吸收剂富液转运设备(1)的循环液进液口(1.1)回流到吸收剂富液转运设备(1)中，继续循环用于空气吹脱再生CO2，带有CO2且被加热的空气由CO2减压膜吹脱设备(4)的CO2减压膜吹脱设备壳层出口(4.2)进入到CO2释放设备(7)，CO2减压膜吹脱设备(4)的CO2减压膜吹脱设备壳层出口(4.2)输出的吹脱空气中携带CO2的含量，通过调节通入CO2减压膜吹脱设备(4)的液相及气相流量进行控制，吹脱空气由CO2释放设备(7)将含有CO2气体的热空气均匀的释放到室中；
步骤3：CO2浓度检测仪(8)实时检测放置有CO2释放设备(7)的室的CO2浓度，当室内CO2的浓度≥1200ppm时，CO2浓度检测仪会发出反馈信号给CO2定量释放装置控制器(9)，CO2定量释放装置控制器(9)在此时控制蠕动泵(3)、空气泵(6)、加热器(2)和循环水真空泵(13)停机，从而使用于温室定时定量增施CO2气肥的系统停止工作，当室内CO2的浓度≤600ppm时，CO2浓度检测仪会发出反馈信号给CO2定量释放装置控制器(9)，CO2定量释放装置控制器(9)在此时控制蠕动泵(3)、空气泵(6)、加热器(2)和循环水真空泵(13)恢复工作，从而使用于温室定时定量增施CO2气肥的系统恢复工作；
步骤1前还包括CO2吸收的过程：沼气从沼气储存设备(10)出来后，在CO2吸收装置(11)中与氨基酸盐类吸收剂溶液充分接触，进行CO2分离，被提纯的沼气经过CO2吸收装置(11)的CO2吸收装置出气口(11.2)进入到生物天然气储存设备(12)进行存储，待氨基酸盐类吸收剂溶液达到指定的CO2负荷后，关闭CO2吸收装置(11)的CO2吸收装置进气口(11.1)和CO2吸收装置出气口(11.2)，将富CO2氨基酸盐吸收剂溶液经过CO2吸收装置出液口(11.3)通入到吸收剂富液转运设备(1)中进行备用。
2.根据权利要求1所述的增施CO2气肥方法，其特征在于：它还包括CO2浓度检测仪(8)和CO2定量释放装置控制器(9)，CO2浓度检测仪(8)的信号输出端连接CO2定量释放装置控制器(9)的CO2浓度信号输入端，CO2定量释放装置控制器(9)的蠕动泵控制信号输出端连接蠕动泵(3)的控制端，CO2定量释放装置控制器(9)的空气泵控制信号输出端连接空气泵(6)的控制端，CO2定量释放装置控制器(9)的加热器控制信号输出端连接加热器(2)的控制端。
3.根据权利要求1所述的增施CO2气肥方法，其特征在于：它还包括气体流量计(5)，所述气体流量计(5)安装在CO2减压膜吹脱设备(4)的CO2减压膜吹脱设备壳层入口(4.3)与空气泵(6)的空气泵输出口(6.1)之间的管道上。
4.根据权利要求1所述的增施CO2气肥方法，其特征在于：所述步骤1中，通过循环水真空泵(13)对CO2减压膜吹脱设备的壳层进行减压，使CO2减压膜吹脱设备的壳层内的压力稳定在Pg＝80kpa。
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