甲醇能源在設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用
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摘要：甲醇能源在理化性質(zhì)、生產(chǎn)制備、價格方面具有諸多優(yōu)勢，討論其在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的控溫、補充二氧化碳、制備農(nóng)藥、提供機械動力、制備生物催化劑等作用，為甲醇能源的開發(fā)和利用提供理論借鑒。
關(guān)鍵詞：甲醇；設(shè)施農(nóng)業(yè)；控溫、CO2；農(nóng)藥
設(shè)施農(nóng)業(yè)能滿足人們對食物的全年需求，推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化發(fā)展，因此逐漸成為農(nóng)業(yè)重點發(fā)展方向。在設(shè)施農(nóng)業(yè)的運行過程中，需要能源作為支撐。相較于傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)能源，甲醇能源的優(yōu)勢非常明顯，不僅能降低環(huán)境污染，還能從其能源延伸物中滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)的多元需求。探究甲醇能源在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用價值和方向，對設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。
1甲醇能源的優(yōu)勢分析
試驗和實踐證明，甲醇能源在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能性方面的優(yōu)勢非常突出，逐漸被應(yīng)用于各個生產(chǎn)領(lǐng)域。
1.1理化性質(zhì)優(yōu)良
從甲醇的構(gòu)成體系可以看出，其化學(xué)式為CH3OH（一元醇），主要由38%的炭，12%的氫，50%的氧構(gòu)成，熱利用率較高，燃燒完全；在化學(xué)式構(gòu)成基礎(chǔ)上，氣化潛熱是汽油的3倍多。上海內(nèi)燃機研究證明，其腐蝕性良好，還能強化和汽油的互溶性，能與汽油交叉或混合使用。甲醇自燃需要較高溫度，儲運較為安全?！豆I(yè)用甲醇－國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》（GB338-2011）中明確指出：甲醇純度100%時，燃燒產(chǎn)物為二氧化碳和水，潔凈性非常高。
1.2制備工藝簡單
甲醇的制備一般以煤和天然氣為原材料。我國煤資源蘊藏豐富，煤田面積55萬km2，有充足的甲醇制備原材料。從生產(chǎn)工藝上看，甲醇制備主要有聯(lián)產(chǎn)和單產(chǎn)兩種方式。聯(lián)產(chǎn)甲醇不僅可以利用相應(yīng)裝備制備，還可在城市煤氣和化工廠的基礎(chǔ)上進(jìn)行制備，制備方式具有多樣性。從其化學(xué)反應(yīng)過程看，甲醇制備主要利用蒸汽轉(zhuǎn)化或部分氧化方式，化學(xué)反應(yīng)方程式為2H2+CO→CH3OH，處理相應(yīng)原料后獲得H2與CO，過程非常簡單。同時，反應(yīng)過程也較溫和，不僅能提升煤炭資源的潔凈性，還能在某種程度上提升煤炭的使用效率。
1.3價格低廉
將甲醇汽油應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)機械動力系統(tǒng)，在降低成本輸出的同時，還能提升運行潔凈性。將甲醇應(yīng)用于汽油領(lǐng)域，能節(jié)約大量油費成本。92號汽油的價格為5~6元/L，綜合價格5000~6000元/t，而甲醇汽油的出廠價在3000元/t左右，可節(jié)約40%~50%的成本。
2設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要分析
設(shè)施農(nóng)業(yè)主要利用體系裝置和設(shè)施為農(nóng)作物或禽類營造良好的生長環(huán)境，保障農(nóng)作物和禽類健康生長。設(shè)施農(nóng)業(yè)的設(shè)備主要有溫室、禽舍和蘑坊，這些設(shè)施運行需要氣、水、光、溫等的支持，其中溫度調(diào)控最為關(guān)鍵。設(shè)施農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的溫度調(diào)控一般采用燃煤鍋爐加熱方式，但煤燃燒容易產(chǎn)生大量煤灰，造成經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩方面的壓力，亟需污染程度低、清潔高效的能源。用污染程度低、環(huán)境污染效果友好的甲醇能源代替煤能源，有利于實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)社會效果最大化。
3甲醇在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用途徑
3.1溫度調(diào)控
基于可持續(xù)發(fā)展的視角，我國開始治理各項環(huán)境問題，既要充分發(fā)揮能源的作用，又要降低煙塵、CO2及SO2等污染物的排放。在此情況下，設(shè)施農(nóng)業(yè)溫控應(yīng)盡量選擇清潔能源。一般情況下，設(shè)施農(nóng)業(yè)建在距離生產(chǎn)者聚集區(qū)較遠(yuǎn)的地區(qū)，若以鋪設(shè)管道方式傳遞熱量，不僅造價高，而且會消耗大量能量。利用甲醇能源建立以設(shè)施農(nóng)業(yè)為中心的溫度控制中心，是一種行之有效的方法。甲醇溫度控制系統(tǒng)有鍋爐式、立體式及真空式等類型，適用不同的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境。甲醇鍋爐可在較短時間內(nèi)升壓升溫，具有熱效率大、燃燒完全、結(jié)構(gòu)合理、壽命長、占地面積小、運行可靠、自動化程度高等優(yōu)勢（如1所示）。其原理為：利用鼓風(fēng)機將空氣送入反應(yīng)爐內(nèi)，與O2結(jié)合發(fā)生放熱反應(yīng)，反應(yīng)式為：CH3OH（L）+2/3O2（g）=CO2（g）+2H2O（L），△H=-725.8kJ/mol，即1mol甲烷完全燃燒放熱725.8kJ的熱量。根據(jù)植物或生物的溫度需求，利用溫度控制系統(tǒng)控制反應(yīng)系統(tǒng)啟停使溫室達(dá)到預(yù)期溫度，具體原理見圖1。設(shè)施農(nóng)業(yè)一般為密閉空間，作物在夜間進(jìn)行呼吸作用，若將甲醇反應(yīng)結(jié)果物（CO2）排入室內(nèi)，可能會導(dǎo)致作物CO2中毒。因此，夜間加溫時需將甲醇反應(yīng)產(chǎn)物排出室內(nèi)。
3.2補充CO2
一般來說，設(shè)施農(nóng)業(yè)中的作物需要補充CO2，傳統(tǒng)補充方式主要有三類：1）利用設(shè)備鋼瓶等裝載CO2，再利用電加熱方式將其以氣化的方式傳輸至大棚溫室；2）利用碳酸鹽和硝酸反應(yīng)獲得CO2；3）通過生物堆肥方式形成適量的CO2。這3種方式速度慢、安全差和成本高，綜合效果一般。而甲醇燃燒反應(yīng)可形成農(nóng)作物所需的水和CO2，反應(yīng)過程為：3O2+2CH3OH=4H2O+2CO2。一般來說，1kg甲醇完全燃燒得到1.375kg的CO2，可使1000m3的溫室中的CO2濃度達(dá)到1000μL/m3以上。當(dāng)溫室中的CO2含量較低時，利用排氣管道將甲醇燃燒形成的氣體補充到溫室中。為防止排放水氣過量導(dǎo)致濕度過高，可利用冷凝方式提出水汽。需注意的是：1）CO2應(yīng)在白天補充，夜間補充會導(dǎo)致作物中毒。2）補充CO2氣體時，應(yīng)將濃度控制在臨界值以下，保護(hù)作業(yè)人員的安全；3）依據(jù)作物實際生長情況如生育周期、類型等選擇合理的CO2濃度。
3.3制備農(nóng)藥
甲醇是很多農(nóng)藥的制備材料。除草劑莎稗靈、稻豐散、亞胺硫磷、馬拉硫磷、樂果等的原材料是O,O二甲基二硫代磷酸酯，其由98%甲醇和98%五硫化二磷制備而成。蔬果磷、苯胺硫磷、甲基異柳磷、水胺硫磷、甲胺磷和甲基對硫磷等的原材料是甲氧基硫代磷酰二氯，其主要由甲醇和三氯硫磷制備而成。除草劑苯噻酰草胺、噻嗪酮和撲虱靈殺蟲劑的原材料是N-甲基苯胺，其主要要由98%甲醇和99%的苯胺構(gòu)成。其生產(chǎn)過程是利用銅鋅鉻催化甲醇和苯胺反應(yīng)，再在真空或蒸餾基礎(chǔ)上剔除N、苯胺、水、甲醇等。此外，利用乙酰乙酸甲酯還可以制備密啶氧磷、蠅毒磷和二嗪農(nóng)等殺蟲劑，或乙密酚、二甲密酚、嗯霉靈等殺菌劑，或咪唑乙煙酸除草劑，或殺鼠靈、殺鼠醚等殺鼠劑等。
4甲醇在設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的展望
甲醇作為一種清潔能源，不僅能替代污染性能源，還能在一定程度上推動設(shè)施農(nóng)業(yè)綠色化發(fā)展。甲醇可與90號、97號等汽油混合使用，發(fā)揮等同于汽油的功效。甲醇也是一種生物催化劑，能夠催生設(shè)施作物生長，除增加作物產(chǎn)量外，還能在一定程度上保持枝葉鮮嫩、茁壯茂盛，在炎熱的夏季可減少灌溉用水。當(dāng)前，應(yīng)充分利用甲烷能源在理化性質(zhì)方面、制備方面、價格方面的優(yōu)勢，在設(shè)施農(nóng)業(yè)中發(fā)揮控溫、補充二氧化碳、制備農(nóng)藥、提供機械動力、制備生物催化劑和促生長等作用，為設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供支持。
作者:馬毅 單位:阿壩職業(yè)學(xué)院
