CN111248005B - 一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统及使用方法 - Google Patents

一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统及其使用方法，第三阀门和第五阀门连通再生碳酸化反应器和太阳能蓄热器并将二氧化碳输入再生碳酸化反应器；第六阀门和第四阀门连通碳酸化再生反应器和太阳能蓄热器并将二氧化碳输入碳酸化再生反应器；第十阀门连通大棚和太阳能蓄热器，并将热量输入大棚；第七阀门连通再生碳酸化反应器和大棚，并将二氧化碳输入大棚；第八阀门和第九阀门连通碳酸化再生反应器和大棚，其中第八阀门将二氧化碳从碳酸化再生反应器输入大棚，第九阀门将二氧化碳从大棚输入碳酸化再生反应器和再生碳酸化反应器中。利用固体K2CO3的碳酸化反应与再生反应实现温室大棚内二氧化碳浓度的更替，使温室大棚实现温度调控，同时吸附剂可多次进行循环使用。

Description

一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统及使用 方法
技术领域
本发明涉及一种温度调控系统与使用方法，具体涉及一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统及其使用方法。
背景技术
工业革命以来，由于经济的快速发展，化石燃料的消耗也急剧增加，导致二氧化碳的排放量急剧增加。二氧化碳的过度排放导致了全球变暖，引发温室效应、冰川融化，海平面上升、气候带北移等一系列环境问题，给人类经济和社会生活带来了威胁。
经济的发展为我们带来了好处的同时，随之发展的还有人民日益增长的生活品质需求。民以食为天，人们对食物的追求也从数量上升到品质。自从1974年杭州市江干区首次利用竹架塑料大棚栽培蔬菜获得成功，这为大棚的迅速发展起了重要作用。目前中国南方地区的大棚面积已经发展到了前所未有的程度，如上海市有2000公顷，江苏省有60000余公顷，整个南方地区的大棚面积已达到15万公顷以上，不少早春韭菜、黄瓜已基本自给，大大缩短了淡季，栽培蔬菜种类已由过去的黄瓜、韭菜、豆角等少数品种扩大到茄子、番茄、菜花、油菜、莴笋和芹菜等。尽管如此，蔬菜仍存在供应不足的现象，为缓解我国副食品供应偏紧的矛盾，农业部于1988年提出建设“菜篮子工程”。
然而，在冬春季节，北方温室相对密闭的环境中，空气不流通，大棚内二氧化碳亏缺，限制了蔬菜的光合作用，特别是低温弱光的环境，大幅度抑制了蔬菜的生长。
植物生存的基本条件不是肥料，而是水分、光照、二氧化碳。二氧化碳是植物光合作用中不可缺少的原料，植物中的碳素主要来自于二氧化碳。自然界中二氧化碳的浓度已达到400ppm，一般蔬菜作物的二氧化碳饱和点是1000～1600ppm。在冬季密闭的温室大棚中，为保持有一定的棚温，就不能大量通风换气，空气难以换流，作物吸收棚内二氧化碳，导致内部二氧化碳浓度降到临界值，使作物出现生理反应，难以进行正常的光合作用，不能正常生长。特别是在太阳出来以后，作物要进行光合作用，光照达到1000～3000lx，就开始大量吸收二氧化碳，在这个时期二氧化碳不能及时补充进来，植物就会因缺少二氧化碳，而停止光合作用，长时间势必影响作物的产量和品质。实践证明，缺少二氧化碳已成为棚室增产的重要限制因素之一。因此，人工补充二氧化碳是实现大棚生产高产稳产的重要措施。且研究表明，增施二氧化碳气肥，不仅可实现作物增产，还可使作物增糖、抗病、早熟等。
基于以上情况，如何高效、节能、环保地向温室大棚源源不断地供应二氧化碳，以实现大棚增产、温度调控和二氧化碳减排，缓解全球气候变暖,目前仍是空白。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：本发明提供一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统，所述系统包括第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门、再生碳酸化反应器、碳酸化再生反应器、太阳能蓄热器和大棚；其中第一阀门和第二阀门连通大气和太阳能蓄热器；第三阀门和第五阀门连通再生碳酸化反应器和太阳能蓄热器并将二氧化碳输入再生碳酸化反应器；第六阀门和第四阀门连通碳酸化再生反应器和太阳能蓄热器并将二氧化碳输入碳酸化再生反应器；第十阀门连通大棚和太阳能蓄热器，并将热量输入大棚；第七阀门连通再生碳酸化反应器和大棚，并将二氧化碳输入大棚；第八阀门和第九阀门连通碳酸化再生反应器和大棚，其中第八阀门将二氧化碳从碳酸化再生反应器输入大棚，第九阀门将二氧化碳从大棚输入碳酸化再生反应器。
其中，所述再生碳酸化反应器和碳酸化再生反应器中均设置有K2CO3/γAl2O3作为吸附剂。
优选地，所述K2CO3/γAl2O3中，K2CO3占吸附剂总质量的20~25%。
优选地，所述太阳能蓄热器内设置有发热电阻丝、高温管道和低温管道；其中，高温管道靠近发热电阻丝，高温管道的一端连接第一阀门，另一端连接第三阀门和第四阀门；低温管道远离发热电阻丝，低温管道的一端连接第二阀门，另一端连接第五阀门、第六阀门和第十阀门。
本发明还提供上述温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统的使用方法，包括以下步骤：
光照条件下，太阳能蓄热器进行蓄热，通过第一阀门和第二阀门与外界大气连通，再生碳酸化反应器与碳酸化再生反应器交替发生碳酸化反应和再生反应，并且交替将产生的二氧化碳通过第七阀门和第八阀门提供给大棚；
光照消失条件下，太阳能蓄热器通过高温管道和低温管道加热放出热量，经由第三阀门和第四阀门将热空气输送至碳酸化再生反应器和再生碳酸化反应器；经过第五阀门、第六阀门和第十阀门将低温空气输送至碳酸化再生反应器、再生碳酸化反应器和大棚；此时，碳酸化再生反应器和再生碳酸化反应器中发生碳酸化反应，放出的热量经由第七阀门和第八阀门输送至大棚，大棚吸收热量产生二氧化碳，经由阀门输送二氧化碳至碳酸化再生反应器和再生碳酸化反应器用以提供发应原料。
优选地，所述再生碳酸化反应器和碳酸化再生反应器发生碳酸化反应的温度为60~120℃。
进一步地，所述再生碳酸化反应器和碳酸化再生反应器发生再生反应的温度为120~200℃。
优选地，所述大棚光照条件下温度为22~32℃。
优选地，所述大棚光照消失条件下温度为16~24℃。
进一步地，再生碳酸化反应器和碳酸化再生反应器在光照条件下，即白天时，共同向大棚提供二氧化碳的量为1000ppm~1600ppm。
上述步骤中，大棚白天温度为22~32℃、夜晚温度为16~24℃左右时，最适宜植物的生长。白天，太阳能蓄热为整个系统提供充足的热量，保证系统处在适宜的温度范围。其中，一部分热量使K2CO3的碳酸化反应接近其反应的最佳温度；另一部分热量用于保证KHCO3在较高的温度下分解释放出二氧化碳，再生碳酸化反应器与碳酸化再生反应器交替发生碳酸化反应和再生反应；以实现负载型钾基吸附剂的循环利用；在此过程中，碳酸化反应释放出的热量将会通过管道供给大棚。
光照条件消失时，即夜晚，大棚内气温极低，此时大棚内的温度将由碳酸化反应放出的热量和太阳能蓄热器的放热进行调控。
通过蓄热器与空气进行热交换，使得一个管道热交换面积较大且距离较近，以获得更高的温度；另一个管道热交换面积较小且距离较远，获得较低的温度。
有益效果：本申请利用固体K2CO3的碳酸化反应与再生反应来实现温室大棚内二氧化碳浓度的更替和温室大棚，同时此方案还兼具了温室大棚的温度调控的能力。同时吸附剂可多次进行循环使用。此外，本发明设计的K2CO3—KHCO3反应室使K2CO3的碳酸化与再生反应同时进行，同时碳酸化反应所释放的热量将供给大棚，再生反应所需的热量则来自蓄热器，在实现节能的基础上还提高了生产效率。同时，利用冷空气与蓄热器的热交换来达到反应室所需要的温度，节约能源，同时也避免了再生温度过高而使吸附剂性能发生改变，吸附性能下降。最后，通过对K2CO3反应的控制，可以做到对大棚二氧化碳浓度的控制，避免因浓度控制不当而导致的一系列问题。
附图说明
图1为温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统。
具体实施方式
下面结合附图1详细描述本发明。
K2CO3的碳酸化反应的温度在60℃~120℃，再生反应的温度120℃~200℃。因此，温度的合理控制是整个系统运行的前提，只有当反应室和大棚温度都各自处在合适值时，K2CO3的碳酸化和再生反应才能顺利且高效进行，大棚内绿色植物光合作用速率也较快。根据上述发明设计思路，本发明设计了工艺系统图，如图1所示。
其中，吸附剂的吸附和解吸过程时整个系统的核心所在。白天，为了能连续不断地向大棚提供1000ppm~1600ppm的二氧化碳，设置了两个反应器，即再生碳酸化反应器11和碳酸化再生反应器12。当再生碳酸化反应器11发生再生反应向大棚供二氧化碳时，碳酸化再生反应器12碳酸化，由于再生反应与碳酸化反应所需温度不同，即提出固定物料的方案，不断改变反应温度，即设置热量的转移—通过蓄热器与空气进行热交换，使得一个管道热交换面积较大且距离较近，获得更高的温度；另一个管道热交换面积较小且距离较远，获得较低的温度。
因此，当再生碳酸化反应器11再生向大棚供二氧化碳时，第一阀门1、第三阀门3、第七阀门7开，此时碳酸化再生反应器12碳酸化，第二阀门2、第六阀门6开；当碳酸化再生反应器12再生向大棚供二氧化碳时，第一阀门1、第四阀门4、第八阀门8开，此时再生碳酸化反应器11碳酸化，第二阀门2、第五阀门5开。此时，所有碳酸化反应放出的热量都将在下一阶段的再生反应中通过输送的二氧化碳输入大棚，确保白天大棚的温度维持在23℃左右。
此后，整个白天再生碳酸化反应器11进行再生—碳酸化往复循环，相对的，碳酸化再生反应器12进行碳酸化—再生循环。夜晚时间，为使大棚白天能在充足且适宜的二氧化碳浓度下进行工作，经过计算，整个夜晚，再生碳酸化反应器11、碳酸化再生反应器12都需要进行碳酸化反应，一方面通过阀9吸附大棚夜晚呼吸作用所产生的二氧化碳，另一方面通过第二阀门2、第五阀门5、第六阀门6源源不断地从空气中吸附二氧化碳，此时两个反应器的温度都只需要60℃，因此，从白天吸收的太阳能还可以用于维持大棚夜晚的温度，即通过阀10向大棚输送热空气供热、与阀9输送出去的空气维持大棚内部的气流平衡与热量增长，即可达到夜间大棚所需的适宜温度16℃左右。
光照条件下，太阳能蓄热器13进行蓄热，通过第一阀门1和第二阀门2与外界大气连通，再生碳酸化反应器11与碳酸化再生反应器12交替发生碳酸化反应和再生反应，并且同时将产生的二氧化碳通过第七阀门7和第八阀门8提供给大棚14；
光照条件消失后，太阳能蓄热器13通过高温管道16和低温管道17加热放出热量，经由第三阀门3和第四阀门4将热空气输送至碳酸化再生反应器12和再生碳酸化反应器11；经过第五阀门5、第六阀门6和第十阀门10将低温空气输送至碳酸化再生反应器12、再生碳酸化反应器11和大棚14；此时，碳酸化再生反应器12和再生碳酸化反应器11中发生碳酸化反应，放出的热量经由第七阀门7和第八阀门8输送至大棚14，大棚14吸收热量产生二氧化碳，经由阀门9输送二氧化碳至碳酸化再生反应器12和再生碳酸化反应器11用以提供发应原料。
本申请技术方案采用的将温室大棚、太阳能、负载型钾基吸附剂三者结合的方法，实现供热—减排—增产三位一体。据初步计算，理论上该系统二氧化碳年吸收量达9.25万吨，相当于3.71万吨标准煤所释放的二氧化碳，同时可使大棚增产约40%，实现节能减排和提升经济效益的双丰收。

Claims (7)

1.一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统的使用方法，其特征在于，所述系统包括第一阀门(1)、第二阀门(2)、第三阀门(3)、第四阀门(4)、第五阀门(5)、第六阀门(6)、第七阀门(7)、第八阀门(8)、第九阀门(9)、第十阀门(10)、再生碳酸化反应器(11)、碳酸化再生反应器(12)、太阳能蓄热器(13)和大棚(14)；其中第一阀门(1)和第二阀门(2)连通大气和太阳能蓄热器(13)；第三阀门(3)和第五阀门(5)连通再生碳酸化反应器(11)和太阳能蓄热器(13)并将二氧化碳输入再生碳酸化反应器(11)；第六阀门(6)和第四阀门(4)连通碳酸化再生反应器(12)和太阳能蓄热器(13)并将二氧化碳输入碳酸化再生反应器(12)；第十阀门(10)连通大棚(14)和太阳能蓄热器(13)，并将热量输入大棚(14)；第七阀门(7)连通再生碳酸化反应器(11)和大棚(14)，并将二氧化碳输入大棚(14)；第八阀门(8)和第九阀门(9)连通碳酸化再生反应器(12)和大棚(14)，其中第八阀门(8)将二氧化碳从碳酸化再生反应器(12)输入大棚(14)，第九阀门(9)将二氧化碳从大棚(14)输入碳酸化再生反应器(12)；所述太阳能蓄热器(13)内设置有发热电阻丝(15)、高温管道(16)和低温管道(17)；其中，高温管道(16)靠近发热电阻丝(15)，高温管道(16)的一端连接第一阀门(1)，另一端连接第三阀门(3)和第四阀门(4)；低温管道(17)远离发热电阻丝(15)，低温管道(17)的一端连接第二阀门(2)，另一端连接第五阀门(5)、第六阀门(6)和第十阀门(10)；
使用方法包括以下步骤：
光照条件下，太阳能蓄热器(13)进行蓄热，通过第一阀门(1)和第二阀门(2)与外界大气连通，再生碳酸化反应器(11)与碳酸化再生反应器(12)交替发生碳酸化反应和再生反应，并且交替将产生的二氧化碳通过第七阀门(7)和第八阀门(8)提供给大棚(14)；当再生碳酸化反应器(11)再生向大棚供二氧化碳时，第一阀门(1)、第三阀门(3)、第七阀门(7)开，此时碳酸化再生反应器(12)碳酸化，第二阀门(2)、第六阀门(6)开；当碳酸化再生反应器(12)再生向大棚供二氧化碳时，第一阀门(1)、第四阀门(4)、第八阀门(8)开，此时再生碳酸化反应器(11)碳酸化，第二阀门(2)、第五阀门(5)开；
光照消失条件下，太阳能蓄热器(13)通过高温管道(16)和低温管道(17) 加热放出热量，经由第三阀门(3)和第四阀门(4)将热空气输送至碳酸化再生反应器(12)和再生碳酸化反应器(11)；经过第五阀门(5)、第六阀门(6)和第十阀门(10)将低温空气输送至碳酸化再生反应器(12)、再生碳酸化反应器(11)和大棚(14)；此时，碳酸化再生反应器(12)和再生碳酸化反应器(11)中发生碳酸化反应，放出的热量经由第七阀门(7)和第八阀门(8)输送至大棚(14)，大棚(14)吸收热量产生二氧化碳，经由阀门(9)输送二氧化碳至碳酸化再生反应器(12)和再生碳酸化反应器(11)用以提供发应原料。
2.根据权利要求1所述的一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统的使用方法，其特征在于：所述再生碳酸化反应器(11)和碳酸化再生反应器(12)发生碳酸化反应的温度为60～120℃。
3.根据权利要求1所述的一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统的使用方法，其特征在于：所述再生碳酸化反应器(11)和碳酸化再生反应器(12)发生再生反应的温度为120～200℃。
4.根据权利要求1所述的一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统的使用方法，其特征在于：所述大棚(14)光照条件下温度为22～32℃。
5.根据权利要求1所述的一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统的使用方法，其特征在于：所述大棚(14)光照消失条件下温度为16～24℃。
6.根据权利要求1所述的一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统的使用方法，其特征在于：所述再生碳酸化反应器(11)和碳酸化再生反应器(12)中均设置有K2CO3/γAl2O3作为吸附剂。
7.根据权利要求6所述的一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统的使用方法，其特征在于：所述K2CO3/γAl2O3中，K2CO3占吸附剂总质量的20～25％。
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