氫能源技術(shù)在農(nóng)業(yè)大棚中的應(yīng)用設(shè)計(jì)及其發(fā)展前景

李 哲，張 晶，胡 越，潘立衛(wèi)

（大連大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，而非農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，其中供能方式則是影響我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，科技農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路。我國農(nóng)業(yè)大棚的數(shù)量十分龐大，資料[1]顯示，農(nóng)業(yè)設(shè)施數(shù)量3 000多萬個，設(shè)施農(nóng)業(yè)占地面積近267萬hm2，農(nóng)業(yè)大棚占地面積已超100萬hm2。我國農(nóng)業(yè)大棚類型可大致分為傳統(tǒng)燃煤大棚、智能溫室大棚和光伏大棚，三種主要類型的農(nóng)業(yè)大棚都無法通過單一設(shè)備同時滿足供熱和供電的需求[2]。農(nóng)業(yè)大棚的升溫方式主要包括明火升溫、熱風(fēng)爐加溫、電熱線升溫、生態(tài)保溫、水暖加溫、熱水袋加溫等方式，其中前三種方式耗能較高，后三種方式升溫效果不明顯。在所有升溫方式中，采用日光保溫和燃煤明火升溫的農(nóng)業(yè)大棚約占全部的80%。我國農(nóng)業(yè)大棚的供能方式普遍存在成本高、熱效率低、污染環(huán)境嚴(yán)重等問題[3]。

這些問題的存在制約著農(nóng)業(yè)大棚的快速發(fā)展，特別是在能源結(jié)構(gòu)改革的推動下，傳統(tǒng)燃煤供暖的方式將逐漸被取代，發(fā)展科技農(nóng)業(yè)、大力推行以電代煤將成為農(nóng)業(yè)大棚未來發(fā)展的重要方向，氫能源技術(shù)與農(nóng)業(yè)大棚相結(jié)合正好順應(yīng)這一發(fā)展方向[4]。氫能源型農(nóng)業(yè)大棚則可以實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，產(chǎn)生的熱量以維持農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)農(nóng)作物適宜的生長溫度，產(chǎn)生的電則滿足農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的照明和灌溉等設(shè)備所需。除此之外，氫能源型熱電聯(lián)供系統(tǒng)可有效提高資源利用效率和原料轉(zhuǎn)化效率、減少污染物質(zhì)的產(chǎn)生、避免火災(zāi)有毒氣體中毒等安全事故，同時保證農(nóng)作物在適宜的條件下進(jìn)行生長，減少農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的燃料成本、運(yùn)營成本，縮短投資回報期，從而提高農(nóng)戶收入。

我國經(jīng)濟(jì)快速增長，能源結(jié)構(gòu)在不斷轉(zhuǎn)型升級，以氫能源為代表的清潔能源在近年來受到廣泛關(guān)注。以重整制氫為技術(shù)核心，為農(nóng)業(yè)大棚打造氫能源型熱電聯(lián)供系統(tǒng)，不僅可以克服傳統(tǒng)大棚缺陷、提高農(nóng)業(yè)大棚的生產(chǎn)效率，同時為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和科技農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了嶄新的思路。

1 氫能源技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 來源廣泛

氫能源作為清潔能源，具有來源豐富、獲取方式容易且多樣的特點(diǎn)，電解水制氫、碳?xì)浠衔恢卣茪涠伎梢垣@得氫氣，與煤炭資源相比較，氫能源屬于可再生能源，獲取容易且方式多樣[5]。其中碳?xì)浠衔锖吞妓衔锎呋卣恢茪浼夹g(shù)的出現(xiàn)，為有效解決氫的儲存和運(yùn)輸問題提供了一種新方法。除此之外，氫能源原料價格低廉，使用氫能源為農(nóng)業(yè)大棚供能可有效縮減農(nóng)業(yè)大棚的消耗成本，從而提高農(nóng)戶收入。

1.2 清潔

煤炭燃燒會產(chǎn)生大量二氧化碳、一氧化碳以及含硫化合物等污染物質(zhì)，這些污染物質(zhì)的存在污染環(huán)境、危害人類健康，還會對農(nóng)作物產(chǎn)生一系列不利影響[6]。高純度氫氣在空氣中的燃燒產(chǎn)物僅為水，對環(huán)境無污染，是目前研究較熱的一種清潔能源。使用氫能源不僅可以保證農(nóng)作物的種植環(huán)境，同時可以有效為農(nóng)作物補(bǔ)充部分碳源。

1.3 高效

氫氣燃燒熱值約為1.43×105kJ/kg，柴油的燃燒熱值約為9.6×104kJ/kg，煤炭燃燒熱值約為2.05×104kJ/kg，氫氣燃燒熱值最高，通過燃燒所帶來的熱量也最高，在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的升溫效果更明顯[7]。煤炭燃燒還存在著燃燒不充分、熱值浪費(fèi)等問題，這些都直接影響大棚升溫效果，而氫氣燃燒不存在其他限制條件，可循環(huán)產(chǎn)氫以供燃燒，且熱量在產(chǎn)生、傳遞的過程中消耗也較小，氫能源的資源利用效率也遠(yuǎn)高出其他化石燃料。

2 氫能源型熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原料

利用天然氣、沼氣、甲烷、甲醇、乙醇或二甲醚作為燃料，都可以進(jìn)行碳?xì)浠衔飪?nèi)部重整制氫。在所有制氫原料中，甲醇具有易于獲得、重整制氫過程簡單、可在低溫下進(jìn)行重整的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最好的制氫原料之一。

甲醇制氫的方法，主要包括甲醇蒸氣重整(MSR)、甲醇部分氧化重整(POM)、甲醇氧化蒸氣重整(OSRM)和吸附增強(qiáng)的蒸氣甲醇重整。在這幾種方式的比較中，甲醇蒸氣重整制氫具有產(chǎn)H2率高、產(chǎn)生CO含量低的特點(diǎn)，所以制氫途徑更多的選擇甲醇蒸氣重整。而根據(jù)重整條件的不同，甲醇蒸氣重整又可分為熱催化甲醇蒸氣重整、光催化甲醇蒸氣重整、高溫甲醇蒸氣重整和水相甲醇重整。

2.2 系統(tǒng)核心零部件

如圖1所示，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚的氫能源型熱電聯(lián)供系統(tǒng)中包括了3個子系統(tǒng)：控制單元、反應(yīng)單元和執(zhí)行單元，這些單元是為它們的集成而設(shè)計(jì)的，但它們也可以單獨(dú)使用?？刂茊卧饕怯煽刂泼姘暹B接各個液泵、流量計(jì)、熱電偶等零件進(jìn)行流程控制和操作；反應(yīng)單元主要是氫原料進(jìn)入重整反應(yīng)器中進(jìn)行燃燒反應(yīng)、制氫反應(yīng)的單元；執(zhí)行單元則是熱、電進(jìn)行釋放為農(nóng)業(yè)大棚供能的單元。

其中系統(tǒng)的核心零部件為反應(yīng)單元的制氫反應(yīng)器，如圖2所示，管式反應(yīng)器由反應(yīng)室、燃燒室組成，利用強(qiáng)吸放熱耦合集成技術(shù)和能量梯級利用技術(shù)所自主研發(fā)設(shè)計(jì)，可有效保證氫原料的資源利用率和產(chǎn)氫效率，同時大幅度降低熱值損耗。為提高反應(yīng)器的反應(yīng)速率，在反應(yīng)器中核心位置還負(fù)載了高儲放氧性能整體結(jié)構(gòu)催化劑，使氫原料在有限的空間內(nèi)得到高效利用。

2.3 系統(tǒng)工作原理

如圖3所示，在一體化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，甲醇儲存于原料罐體經(jīng)換熱器后升溫加熱，由液泵霧化后通入制氫反應(yīng)器的反應(yīng)室，此時后續(xù)流程產(chǎn)生的氫氣會進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量，為反應(yīng)室提供熱量和為農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行供暖，在適宜溫度條件下，反應(yīng)室中小分子原料與催化劑反應(yīng)產(chǎn)出富含氫氣的氣體，隨后進(jìn)入吸附罐體中進(jìn)行氣體提純，所產(chǎn)高純度氫氣一部分聯(lián)通至氫氧燃料電池實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)變，以此實(shí)現(xiàn)為農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行供電，另一部分則進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒，剩余氣體則經(jīng)換熱器、冷凝器后重新進(jìn)入原料罐體。在該系統(tǒng)中，通過集成式的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了資源循環(huán)以及農(nóng)業(yè)大棚的熱電聯(lián)供，資源利用率達(dá)90%以上，展現(xiàn)出安全、節(jié)能、高效的特點(diǎn)。

3 氫能源技術(shù)在農(nóng)業(yè)大棚的發(fā)展前景

3.1 氫能源技術(shù)的發(fā)展

由于傳統(tǒng)化石燃料的不斷消耗，全球都在尋求能源方面的突破，未來新型能源的發(fā)展將直接影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著能源結(jié)構(gòu)對于經(jīng)濟(jì)增長的影響日益明顯，發(fā)展清潔能源已成為各國尋求促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和減緩環(huán)境污染的重要途徑。大多數(shù)的溫室氣體主要是由燃燒碳、石油或者天然氣等化石燃料所產(chǎn)生，因此減少其使用將逐漸成為強(qiáng)制性的要求。目前替代傳統(tǒng)能源的新型能源都展現(xiàn)出了較強(qiáng)的生命力，其中氫能源綠色、節(jié)能且高效的特點(diǎn)使其具有較強(qiáng)的競爭力，是未來能源發(fā)展的生力軍，氫能源目前已經(jīng)在汽車、便攜式電源等方面得到推廣和應(yīng)用，將氫能源技術(shù)拓展于農(nóng)業(yè)大棚中為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和科技農(nóng)業(yè)的發(fā)展開辟了新的途徑。

3.2 農(nóng)業(yè)大棚的發(fā)展

我國正處在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的轉(zhuǎn)型階段，農(nóng)業(yè)農(nóng)村也向現(xiàn)代化邁進(jìn)，科技農(nóng)業(yè)是未來的發(fā)展方向。農(nóng)業(yè)大棚作為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分，供能方式影響著發(fā)展規(guī)模和發(fā)展速度，使用傳統(tǒng)化石燃料進(jìn)行供能的方式也將逐漸被淘汰。農(nóng)業(yè)大棚是高投入、高產(chǎn)出、高效益的產(chǎn)業(yè)，只有形成相當(dāng)?shù)囊?guī)模、具備科技的支持，才有利于規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)，才可能形成有影響力的品牌，從而占領(lǐng)市場，使資源優(yōu)勢得到有效開發(fā)與持續(xù)利用，同時帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益[8]。使用氫能源技術(shù)進(jìn)行熱電聯(lián)供，縮小農(nóng)業(yè)大棚運(yùn)營成本、減少化石燃料帶來的污染，可有效保證農(nóng)業(yè)大棚健康持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

農(nóng)業(yè)大棚的傳統(tǒng)供能方式存在著成本高、熱效率低、污染嚴(yán)重、資源利用率低等問題，這些問題嚴(yán)重制約了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)大棚的發(fā)展道路。以重整制氫技術(shù)為核心，打造應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚的氫能源型熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以有效克服原有供能方式的缺陷、實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，同時優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和提高資源利用效率，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)大棚的發(fā)展提供了一種新的思路。