CN111011057A - 一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统及方法，该系统包括提纯装置、CH4储气罐、燃气锅炉、CO2储气罐、烟气净化装置、温室、烟气冷凝换热器、气水分离装置、CO2气肥增施喷管、热水换热器、集水槽、储水箱、沼气灯和控制系统，根据温室的实际情况，选择沼气直燃或CH4直燃为温室提供热量，燃烧产生的烟气冷凝得到的CO2和H2O用于温室CO2气肥增施和作物用水，同时烟气冷凝换热器融化冬季温室顶部的积雪，融化得到的水作为温室作物的用水；该系统及方法在提供温室作物生长所需条件的过程中实现CO2“零排放”，富余的CH4和CO2可出售或用于其他工业生产，达到温室增效、减排和增收的三重目标。

Description

一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统及方法
技术领域
本发明属于能源高效利用、温室增效技术和环境保护领域，具体涉及一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统及方法。
背景技术
在作物生长过程中，温室内的CO2浓度、温度、水和光照是影响作物产量和品质的重要因素，因此做好温室内CO2浓度、温度、水和光照的来源供应和及时调控是十分有必要的。
目前所采用的CO2气肥增施手段主要包括CO2钢瓶法、气肥吊袋法、有机堆肥法等，均存在着CO2供给成本高、释放量不易控制等缺点，而使用燃煤、化学反应法等方法，又会带来二次污染的问题。
温室增温和增施CO2气肥的一种方法是直接在温室内燃烧沼气，利用燃烧过程中产生的热量对温室增温，燃烧产物CO2为温室增施CO2气肥，虽然可以达到温室增温和增施CO2气肥的目的，但燃烧产生的热量没有被完全利用，燃烧产物中存在其它不利于作物生长的气体，并且在实施过程中不便于采用智能化的控制装置，操作困难。
沼气中含有60％的CH4和40％的CO2，在利用之前需要进行提纯，提纯后得到的CH4燃烧放出热量，得到含有CO2和H2O的燃烧产物，目前因技术、成本等原因沼气提纯过程分离出的CO2与CH4燃烧产生的CO2和H2O没有得到充分地利用。
目前温室所采用的增温系统对天气变化做出的响应有一定的滞后性，导致在外界温度变化较大时，温室内的温度也随之有较大的波动，不利于温室作物的生长。
在寒冷的冬季，温室大棚顶部的积雪过多会导致温室大棚的坍塌，同时也会影响温室作物的光照。目前所采用的除雪方法包括人工除雪、机械除雪、高压冲水除雪、融雪剂除雪法等，人工除雪耗费人力，且在恶劣天气下不能及时除雪，机械除雪装置复杂，高压冲水除雪法在室外温度较低时极易结冰，融雪剂除雪采用的融雪剂对环境有一定的污染。
发明内容
本发明的目的就是提供一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统及方法，该系统与方法将沼气提纯过程中的CH4和CO2充分用于温室的CO2浓度、温度、水和光照的供应，在达到现代农业生产的基本要求过程中实现CO2的“零排放”，满足绿色生态农业的要求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统，包括提纯装置1、CH4储气罐2、燃气锅炉3、CO2储气罐4、烟气净化装置5、温室6、烟气冷凝换热器7、气水分离装置8、CO2气肥增施喷管9、热水换热器10、集水槽11、储水箱12和沼气灯13，沼气通入提纯装置1提纯，或直接通入燃气锅炉3中燃烧，提纯装置1的出口与CH4储气罐2和CO2储气罐4相连通，燃气锅炉3与CH4储气罐2相连通，烟气净化装置5与燃气锅炉3相连通，烟气冷凝换热器7与烟气净化装置5的出口相连通，气水分离装置8与烟气冷凝换热器7的出口相连，CO2气肥增施喷管9与气水分离装置8的出口相连，气水分离装置8的出口也同时连通CO2储气罐4和储水箱12，热水换热器10与燃气锅炉3相连通，集水槽11位于温室6底部，与储水箱12相连通，沼气灯13与CH4储气罐2相连接，烟气冷凝换热器7、气水分离装置8、CO2气肥增施喷管9、热水换热器10和沼气灯13均位于温室6内；
所述温室大棚增效系统还包括控制系统实现各参数实时监测和调整，该控制系统包括计算机20以及与计算机20连接的温度传感器14、光照传感器15、CO2浓度检测仪16、第一CO2控制阀门17、第二CO2控制阀门18和热水换热器控制阀门19，第一CO2控制阀门17位于气水分离装置8和CO2气肥增施喷管9之间，第二CO2控制阀门18位于气水分离装置8和CO2储气罐4之间，热水换热器控制阀门19位于燃气锅炉3和热水换热器10之间。
所述烟气冷凝换热器7包括冷凝段和非冷凝段，冷凝段布置于温室(6)顶棚位置，非冷凝段布置在温室(6)侧壁面；热水换热器10位于温室6内地下。
提纯过程中分离出的CO2和CH4，经过处理满足温室对于温度、CO2浓度、光照和水的要求；CO2能够直接用于温室6增施CO2气肥，沼气直燃或CH4直燃产生热量，为温室6增温，也能够融化温室顶部的积雪产生水，同时通过沼气灯13为温室提供光照，燃烧产生的CO2和H2O也能够为温室6提供CO2气肥和水。
所述计算机20中包含温度预设系统，根据天气预报情况对温室内所需热量进行预设，提前对温室6进行增温，一方面满足温室作物生长对所需温度稳定性的要求，另一方面也能够及时融化积雪，防止积雪对温室造成破坏。
所述温室6内的作物根据其生长特点的不同采用分层排布，位于底层的是对根系生长要求严格的作物，直接种植在温室地面上，其余作物在高度方向上均匀分布在温室空间内。
所述温度传感器14安装在每层作物中部，光照传感器15和CO2浓度检测仪16分别安装在每层作物的上方。
所述的一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统的工作方法，将沼气发酵与酒精发酵集中布置，一方面满足发酵生物质原料来源的要求，另一方面，将沼气提纯过程和酒精发酵过程中产生的CH4和CO2气体进行集中处理和回收，酒精发酵产生的酒精出售；沼气发酵和酒精发酵产生的气体经提纯装置1提纯后，分离出的CO2储存在CO2储气罐4中；
温室的热量由位于温室6中的烟气冷凝换热器7和位于温室6地下的热水换热器10两部分共同提供；生物质原料通过沼气发酵和酒精发酵产生的气体直接在燃气锅炉3中进行燃烧，或进入提纯装置1提纯，提纯后的CH4储存在CH4储气罐2中，储存在CH4储气罐2中的CH4在燃气锅炉3中进行燃烧，燃烧产生的烟气进入烟气净化装置5处理后进入烟气冷凝换热器7中冷凝散热，燃烧产生的热量用于热水换热器10，为温室提供热量；
在温室所需热量和CO2负荷较低的情况下，燃气锅炉3中直接燃烧沼气，富余沼气进入提纯装置1提纯后储存在CH4储气罐2和CO2储气罐4中；在温室所需热量和CO2负荷较高的情况下，直接在燃气锅炉3中燃烧储存在CH4储气罐2的CH4，保证温室热量和CO2负荷的供应；沼气提纯后产生的CH4热值较沼气高，对于温室热量供应的响应速度更快，避免暴雪情况下温室积雪；除此之外，分离出的CH4也用于出售、供暖或工业生产；
燃烧产生的烟气在烟气冷凝换热器7中冷凝散热后进入气水分离装置8，分离得到CO2和H2O；CO2一部分经CO2气肥增施喷管9为温室作物提供CO2气肥，剩余的部分储存在CO2储气罐4中，用于出售或工业生产；
在寒冷的冬季，布置在温室顶棚和侧壁面的烟气冷凝换热器7通过散热融化温室顶部的积雪，产生的水被温室底部的集水槽11收集，与经过气水分离装置8产生的水一起储存在储水箱12中，供应温室的用水；
经气水分离装置8分离得到CO2为温室作物提供CO2气肥，当温室内的CO2浓度低于温室作物所需浓度时，第一CO2控制阀门17打开，第二CO2控制阀门18关闭，为温室提供CO2气肥，当温室内的CO2浓度高于温室作物所需浓度时，关闭第一CO2控制阀门17，打开第二CO2控制阀门18，将产生的CO2气体储存在CO2储气罐4中；
通过控制温室6地下的热水换热器10来调节温室的热量供应，当温室内的温度低于作物正常生长所需的温度时，温度传感器14将信号传递给计算机20，计算机20通过控制系统打开热水换热器控制阀门19，为温室增温；反之，当温室内的温度高于作物正常生长所需的温室时，则关闭热水换热器控制阀门19。
本发明和现有技术相比，将沼气提纯过程中的CH4和CO2用于温室的增温、光照、水和CO2气肥增施的温室增效系统，根据温室的实际情况，选择燃烧沼气或CH4对温室进行增温，燃烧产生的烟气冷凝后的CO2和H2O分别用于温室的CO2气肥增施和作物用水，同时将酒精发酵与沼气发酵集中布置，满足集中供应生物质原料与集中处理、收集生产过程中产生的CH4和CO2的要求，减少CO2排放污染，增加效益。同时利用温室顶棚和侧壁面的烟气冷凝换热器散热融化冬季温室顶部的积雪，融化产生的水也可作为温室作物的水源。设置温度预设控制系统，根据天气预报对温室增温系统进行预设，满足温室供热及时性和稳定性的要求。本发明将沼气提纯过程中的CH4和CO2充分用于温室的增效系统，在满足温室温度、光照、水和CO2气肥供应的基础上，其余的大部分CH4和CO2也可用于其它的工业生产过程，将原本直接排放于大气的CO2和H2O用于温室增效，减少CO2对温室效应增加的影响，降低温室CO2气肥和H2O的供应成本，增加效益，实现CO2“零排放”。
附图说明
图1为本发明集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统示意图；
1-提纯装置、2-CH4储气罐、3-燃气锅炉、4-CO2储气罐、5-烟气净化装置、6-温室、7-烟气冷凝换热器、8-气水分离装置、9-CO2气肥增施喷管、10-热水换热器、11-集水槽、12-储水箱、13-沼气灯、14-温度传感器、15-光照传感器、16-CO2浓度检测仪、17-第一CO2控制阀门、18-第二CO2控制阀门、19-热水换热器控制阀门、20-计算机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明：
本发明利用沼气提纯过程中的CH4和CO2，满足温室对于温度、光照、水和CO2气肥的需求。根据温室的实际情况，选择燃烧沼气或CH4为温室提供热量，燃烧产生的烟气冷凝得到的CO2和H2O可用于温室CO2气肥增施和作物用水，同时温室侧壁的散热器可融化冬季温室顶部的积雪，融化过程得到的水也可作为温室作物的用水，温室内设置沼气灯满足温室光照的要求。将酒精发酵与沼气发酵集中布置，便于生产原料生物质和生产过程产生的CH4和CO2气体的集中处理，酒精发酵产生的酒精可出售。设置温度预设控制系统，根据天气情况对温度控制系统进行预设，及时调控温度的热量供应，使温室始终处于适于作物生长的最佳状态。除此之外，根据不同作物不同的生长特点分配在温室中的位置，根据作物在温室的空间分布安装不同的传感器。
具体来说，本发明一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统，如图1所示，包括提纯装置1、CH4储气罐2、燃气锅炉3、CO2储气罐4、烟气净化装置5、温室6、烟气冷凝换热器7、气水分离装置8、CO2气肥增施喷管9、热水换热器10、集水槽11、储水箱12和沼气灯13，沼气可通入提纯装置1提纯，也可直接通入燃气锅炉3中燃烧，提纯装置1的出口与CH4储气罐2和CO2储气罐4相连通，燃气锅炉3与CH4储气罐2相连通，烟气净化装置5与燃气锅炉3相连通，烟气冷凝换热器7与烟气净化装置5的出口相连通，气水分离装置8与烟气冷凝换热器7的出口相连，CO2气肥增施喷管9与气水分离装置8的出口相连，气水分离装置8的出口也同时连通CO2储气罐4和储水箱12，热水换热器10与燃气锅炉3相连通，集水槽11位于温室6底部，与储水箱12相连通，沼气灯13与CH4储气罐2相连接，烟气冷凝换热器7、气水分离装置8、CO2气肥增施喷管9、热水换热器10和沼气灯13均位于温室6内。
上述系统中，它还包括温度传感器14、光照传感器15、CO2浓度检测仪16、第一CO2控制阀门17、第二CO2控制阀门18、热水换热器控制阀门19和计算机20，温度传感器14、光照传感器15、CO2浓度检测仪16与计算机20相连，第一CO2控制阀门17位于气水分离装置8和CO2气肥增施喷管9之间，第二CO2控制阀门18位于气水分离装置8和CO2储气罐4之间，热水换热器控制阀门19位于燃气锅炉3和热水换热器10之间，第一CO2控制阀门17、第二CO2控制阀门18、热水换热器控制阀门19与计算机20相连。
利用沼气提纯过程中的CO2和CH4，经过一系列的装置满足温室对于温度、CO2浓度、光照和水的要求。CO2可直接用于温室增施CO2气肥，CH4燃烧为温室提供热量，为温室增温，也可融化温室顶部的积雪，产生水，同时通过沼气灯为温室提供光照，燃烧产生的CO2和H2O也可为温室提供CO2气肥和水。
一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统的方法如下：
沼气发酵与酒精发酵集中布置，一方面满足沼气发酵和酒精发酵的生物质来源的要求，另一方面，可将沼气发酵和酒精发酵过程中产生的CH4和CO2进行集中处理和回收，酒精发酵产生的酒精可出售用于其它的工业生产中。沼气发酵和酒精发酵产生的气体经提纯装置1提纯后，分离出的CO2储存在CO2储气罐4中。
温室6的热量由位于温室中的烟气冷凝换热器7和位于温室地下的热水换热器10两部分共同提供。生物质原料通过沼气发酵产生的沼气可直接在燃气锅炉3中进行燃烧，也可进入提纯装置1提纯，提纯后的CH4储存在CH4储气罐2中，储存在CH4储气罐2中的CH4在燃气锅炉3中进行燃烧，燃烧产生的烟气进入烟气净化装置5处理后进入烟气冷凝换热器7中冷凝散热，燃烧产生的热量用于热水换热器10，为温室提供热量。
在温室所需热量和CO2负荷较低的情况下，燃气锅炉3中直接燃烧沼气，多余的沼气进入提纯装置1提纯后储存在CH4储气罐2和CO2储气罐4中。在温室所需热量和CO2负荷较高的情况下，直接在燃气锅炉3中燃烧储存在CH4储气罐2的CH4，保证温室热量和CO2负荷的供应。沼气提纯后产生的CH4热值比沼气高很多，对于温室热量供应的响应速度更快，除此之外，分离出的CH4也可用于出售、供暖或其它的工业生产。
燃烧产生的烟气在烟气冷凝换热器7中冷凝散热后进入气水分离装置8，分离得到CO2和H2O。CO2一部分经CO2气肥增施喷管9为温室作物提供CO2气肥，剩余的部分储存在CO2储气罐4中，用于出售或其它的工业生产。
在寒冷的冬季，布置在温室顶棚和侧壁面的烟气冷凝换热器7通过散热可融化温室顶部的积雪，产生的水被温室底部的集水槽11收集，与经过气水分离装置8产生的水一起储存在储水箱12中，供应温室的用水。
经气水分离装置8分离得到CO2为温室作物提供CO2气肥，当温室内的CO2浓度低于温室作物所需浓度时，第一CO2控制阀门17打开，第二CO2控制阀门18关闭，为温室提供CO2气肥，当温室内的CO2浓度高于温室作物所需浓度时，关闭第一CO2控制阀门17，打开第二CO2控制阀门18，将产生的CO2气体储存在CO2储气罐4中。
通过控制温室地下的热水换热器来调控温室的温度，当温室内的温度低于作物正常生长所需的温度时，温度传感器14将信号传递给计算机20，计算机20通过控制系统打开热水换热器控制阀门19，为温室增温。反之，当温室内的温度高于作物正常生长所需的温室时，则关闭热水换热器控制阀门19。
作为本发明的优选实施方式，所述烟气冷凝换热器7布置在温室6的顶棚和侧壁面；热水换热器10位于温室6内地下。
作为本发明的优选实施方式，计算机20中包含温度预设系统，根据天气预报情况对温室内所需热量进行预设，提前对温室进行增温或降温，一方面满足温室作物生长对所需温度稳定性的要求，另一方面也可及时融化积雪，防止积雪对温室造成破坏。
作为本发明的优选实施方式，温室内的作物根据其生长特点的不同采用分层排布，位于底层的是对根系生长要求严格的作物，直接种植在温室地面上，其余作物在高度方向上均匀分布在温室空间内。
作为本发明的优选实施方式，温度传感器14安装在每层作物中部，光照传感器15和CO2浓度检测仪16分别安装在每层作物的上方。

Claims (7)

1.一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统，其特征在于：包括提纯装置(1)、CH4储气罐(2)、燃气锅炉(3)、CO2储气罐(4)、烟气净化装置(5)、温室(6)、烟气冷凝换热器(7)、气水分离装置(8)、CO2气肥增施喷管(9)、热水换热器(10)、集水槽(11)、储水箱(12)和沼气灯(13)，沼气通入提纯装置(1)提纯，或直接通入燃气锅炉(3)中燃烧，提纯装置(1)的出口与CH4储气罐(2)和CO2储气罐(4)相连通，燃气锅炉(3)与CH4储气罐(2)相连通，烟气净化装置(5)与燃气锅炉(3)相连通，烟气冷凝换热器(7)与烟气净化装置(5)的出口相连通，气水分离装置(8)与烟气冷凝换热器(7)的出口相连，CO2气肥增施喷管(9)与气水分离装置(8)的出口相连，气水分离装置(8)的出口也同时连通CO2储气罐(4)和储水箱(12)，热水换热器(10)与燃气锅炉(3)相连通，集水槽(11)位于温室(6)底部，与储水箱(12)相连通，沼气灯(13)与CH4储气罐(2)相连接，烟气冷凝换热器(7)、气水分离装置(8)、CO2气肥增施喷管(9)、热水换热器(10)和沼气灯(13)均位于温室(6)内；
所述温室大棚增效系统还包括控制系统实现各参数实时监测和调整，该控制系统包括计算机(20)以及与计算机(20)连接的温度传感器(14)、光照传感器(15)、CO2浓度检测仪(16)、第一CO2控制阀门(17)、第二CO2控制阀门(18)和热水换热器控制阀门(19)，第一CO2控制阀门(17)位于气水分离装置(8)和CO2气肥增施喷管(9)之间，第二CO2控制阀门(18)位于气水分离装置(8)和CO2储气罐(4)之间，热水换热器控制阀门(19)位于燃气锅炉(3)和热水换热器(10)之间。
2.根据权利要求1所述的一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统，其特征在于：所述烟气冷凝换热器(7)包括冷凝段和非冷凝段，冷凝段布置于温室(6)顶棚位置，非冷凝段布置在温室(6)侧壁面；热水换热器(10)位于温室(6)内地下。
3.根据权利要求1所述的一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统，其特征在于：提纯过程中分离出的CO2和CH4，经过处理满足温室对于温度、CO2浓度、光照和水的要求；CO2能够直接用于温室(6)增施CO2气肥，沼气直燃或CH4直燃产生热量为温室(6)增温，也能够融化温室顶部的积雪产生水，同时通过沼气灯(13)为温室提供光照，燃烧产生的CO2和H2O也能够为温室(6)提供CO2气肥和水。
4.根据权利要求1所述的一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统的方法，其特征在于：所述计算机(20)中包含温度预设系统，根据天气预报情况对温室内所需热量进行预设，提前对温室(6)进行增温，一方面满足温室作物生长对所需温度稳定性的要求，另一方面也能够及时融化积雪，防止积雪对温室造成破坏。
5.根据权利要求1所述的一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统，其特征在于：所述温室(6)内的作物根据其生长特点的不同采用分层排布，位于底层的是对根系生长要求严格的作物，直接种植在温室地面上，其余作物在高度方向上均匀分布在温室空间内。
6.根据权利要求1所述的一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统的方法，其特征在于：所述温度传感器(14)安装在每层作物中部，光照传感器(15)和CO2浓度检测仪(16)分别安装在每层作物的上方。
7.权利要求1至6任一项所述的一种集成沼气提纯应用的温室大棚增效系统的工作方法，其特征在于：将沼气发酵与酒精发酵集中布置，一方面满足发酵生物质原料来源的要求，另一方面，将沼气提纯过程和酒精发酵过程中产生的CH4和CO2气体进行集中处理和回收，酒精发酵产生的酒精出售；沼气发酵和酒精发酵产生的气体经提纯装置(1)提纯后，分离出的CO2储存在CO2储气罐(4)中；
温室(6)的热量由位于温室(6)中的烟气冷凝换热器(7)和位于温室(6)地下的热水换热器(10)两部分共同提供；生物质原料通过沼气发酵和酒精发酵产生的气体直接在燃气锅炉(3)中进行燃烧，或进入提纯装置(1)提纯，提纯后的CH4储存在CH4储气罐(2)中，储存在CH4储气罐(2)中的CH4在燃气锅炉(3)中进行燃烧，燃烧产生的烟气进入烟气净化装置(5)处理后进入烟气冷凝换热器(7)中冷凝散热，燃烧产生的热量用于热水换热器(10)，为温室提供热量；
在温室所需热量和CO2负荷较低的情况下，燃气锅炉(3)中直接燃烧沼气，富余沼气进入提纯装置(1)提纯后储存在CH4储气罐(2)和CO2储气罐(4)中；在温室所需热量和CO2负荷较高的情况下，直接在燃气锅炉(3)中燃烧储存在CH4储气罐(2)的CH4，保证温室热量和CO2负荷的供应；沼气提纯后产生的CH4热值较沼气高，对于温室热量供应的响应速度更快，避免暴雪情况下温室积雪；除此之外，分离出的CH4也用于出售、供暖或工业生产；
燃烧产生的烟气在烟气冷凝换热器(7)中冷凝散热后进入气水分离装置(8)，分离得到CO2和H2O；CO2一部分经CO2气肥增施喷管(9)为温室作物提供CO2气肥，剩余的部分储存在CO2储气罐(4)中，用于出售或工业生产；
在寒冷的冬季，布置在温室顶棚和侧壁面的烟气冷凝换热器(7)通过散热融化温室顶部的积雪，产生的水被温室底部的集水槽(11)收集，与经过气水分离装置(8)产生的水一起储存在储水箱(12)中，供应温室的用水；
经气水分离装置(8)分离得到CO2为温室作物提供CO2气肥，当温室内的CO2浓度低于温室作物所需浓度时，第一CO2控制阀门(17)打开，第二CO2控制阀门(18)关闭，为温室提供CO2气肥，当温室内的CO2浓度高于温室作物所需浓度时，关闭第一CO2控制阀门(17)，打开第二CO2控制阀门(18)，将产生的CO2气体储存在CO2储气罐(4)中；
通过控制温室(6)地下的热水换热器(10)来调节温室的热量供应，当温室内的温度低于作物正常生长所需的温度时，温度传感器(14)将信号传递给计算机(20)，计算机(20)通过控制系统打开热水换热器控制阀门(19)，为温室增温；反之，当温室内的温度高于作物正常生长所需的温室时，则关闭热水换热器控制阀门(19)。
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