甲醇能源在設施農業中的應用研究

馬毅

摘要：甲醇能源在理化性質、生產制備、價格方面具有諸多優勢，討論其在設施農業生產中的控溫、補充二氧化碳、制備農藥、提供機械動力、制備生物催化劑等作用，為甲醇能源的開發和利用提供理論借鑒。

關鍵詞：甲醇;設施農業;控溫、CO₂;農藥

中圖分類號：S316??? 文獻標識碼：A??? 文章編號：1674-1161（2021）04-0047-03

設施農業能滿足人們對食物的全年需求，推動農業經濟現代化發展，因此逐漸成為農業重點發展方向。在設施農業的運行過程中，需要能源作為支撐。相較于傳統設施農業能源，甲醇能源的優勢非常明顯，不僅能降低環境污染，還能從其能源延伸物中滿足設施農業的多元需求。探究甲醇能源在設施農業中的應用價值和方向，對設施農業發展具有積極的促進作用。

1 甲醇能源的優勢分析

試驗和實踐證明，甲醇能源在經濟性、環保性和節能性方面的優勢非常突出，逐漸被應用于各個生產領域。

1.1 理化性質優良

從甲醇的構成體系可以看出，其化學式為CH₃OH（一元醇），主要由38%的炭，12%的氫，50%的氧構成，熱利用率較高，燃燒完全;在化學式構成基礎上，氣化潛熱是汽油的3倍多。上海內燃機研究證明，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。《工業用甲醇-國家標準規范》（GB338-2011）中明確指出：甲醇純度100%時，燃燒產物為二氧化碳和水，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。從生產工藝上看，甲醇制備主要有聯產和單產兩種方式。聯產甲醇不僅可以利用相應裝備制備，還可在城市煤氣和化工廠的基礎上進行制備，制備方式具有多樣性。從其化學反應過程看，甲醇制備主要利用蒸汽轉化或部分氧化方式，化學反應方程式為2H₂+CO→CH₃OH，處理相應原料后獲得H₂與CO，過程非常簡單。同時，反應過程也較溫和，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

將甲醇汽油應用于設施農業機械動力系統，在降低成本輸出的同時，還能提升運行潔凈性。將甲醇應用于汽油領域，能節約大量油費成本。92號汽油的價格為5～6元/L，綜合價格5 000～6 000元/t，而甲醇汽油的出廠價在3 000元/t左右，可節約40%～50%的成本。

2 設施農業生產需要分析

設施農業主要利用體系裝置和設施為農作物或禽類營造良好的生長環境，保障農作物和禽類健康生長。設施農業的設備主要有溫室、禽舍和蘑坊，這些設施運行需要氣、水、光、溫等的支持，其中溫度調控最為關鍵。

設施農業系統的溫度調控一般采用燃煤鍋爐加熱方式，但煤燃燒容易產生大量煤灰，造成經濟和環境兩方面的壓力，亟需污染程度低、清潔高效的能源。用污染程度低、環境污染效果友好的甲醇能源代替煤能源，有利于實現設施農業社會效果最大化。

3 甲醇在設施農業中的應用途徑

3.1 溫度調控

基于可持續發展的視角，我國開始治理各項環境問題，既要充分發揮能源的作用，又要降低煙塵、CO₂及SO₂等污染物的排放。在此情況下，設施農業溫控應盡量選擇清潔能源。一般情況下，設施農業建在距離生產者聚集區較遠的地區，若以鋪設管道方式傳遞熱量，不僅造價高，而且會消耗大量能量。利用甲醇能源建立以設施農業為中心的溫度控制中心，是一種行之有效的方法。甲醇溫度控制系統有鍋爐式、立體式及真空式等類型，適用不同的設施農業環境。

甲醇鍋爐可在較短時間內升壓升溫，具有熱效率大、燃燒完全、結構合理、壽命長、占地面積小、運行可靠、自動化程度高等優勢（如1所示）。其原理為：利用鼓風機將空氣送入反應爐內，與O₂結合發生放熱反應，反應式為：CH₃OH（L）+2/3O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（L），△H=-725.8 kJ/mol，即1 mol甲烷完全燃燒放熱725.8 kJ的熱量。根據植物或生物的溫度需求，利用溫度控制系統控制反應系統啟停使溫室達到預期溫度，具體原理見圖1。

設施農業一般為密閉空間，作物在夜間進行呼吸作用，若將甲醇反應結果物（CO₂）排入室內，可能會導致作物CO₂中毒。因此，夜間加溫時需將甲醇反應產物排出室內。

3.2 補充CO₂

一般來說，設施農業中的作物需要補充CO₂，傳統補充方式主要有三類：1） 利用設備鋼瓶等裝載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。而甲醇燃燒反應可形成農作物所需的水和CO₂，反應過程為：3O₂+2CH₃OH=4H₂O+2CO₂。一般來說，1 kg甲醇完全燃燒得到1.375 kg的CO₂，可使

1 000 m³的溫室中的CO₂濃度達到1 000 μL/ m³以上。

當溫室中的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致濕度過高，可利用冷凝方式提出水汽。

需注意的是：1） CO₂應在白天補充，夜間補充會導致作物中毒。2） 補充CO₂氣體時，應將濃度控制在臨界值以下，保護作業人員的安全;3） 依據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 制備農藥

甲醇是很多農藥的制備材料。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%的苯胺構成。其生產過程是利用銅鋅鉻催化甲醇和苯胺反應，再在真空或蒸餾基礎上剔除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 甲醇在設施農業中應用的展望

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施農業綠色化發展。甲醇可與90號、97號等汽油混合使用，發揮等同于汽油的功效。甲醇也是一種生物催化劑，能夠催生設施作物生長，除增加作物產量外，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。

當前，應充分利用甲烷能源在理化性質方面、制備方面、價格方面的優勢，在設施農業中發揮控溫、補充二氧化碳、制備農藥、提供機械動力、制備生物催化劑和促生長等作用，為設施農業的可持續發展提供支持。

參考文獻

[1] 付學謙，周亞中，孫宏斌，等.園區農業能源互聯網在線安全分析：評述與展望[J].中國電機工程學報，2020，40（17）：5 404-5 412.

[2] 張杰，張天柱.設施農業產業集群模式創新與實踐——以河北邢臺為例[J].園藝與種苗，2020，40（1）：47-49+59.

[3] 田巖.榆林市榆陽區設施蔬菜產業現狀調查及發展對策研究[D].咸陽：西北農林科技大學，2019.

[4] 張逸曼，李智超，魏德欣.設施農業技術現狀與展望[J].河北農機，2019（9）：17-18.

[5] 杜家樂，焦偉.淺析綠色能源在農業設施與裝備上的應用[J].農業裝備與車輛工程，2018，56（2）：91-93.

Research on Application of Methanol Energy in Facility Agriculture

MA Yi

（Aba Vocational College， Aba Tibetan and Qiang Autonomous Prefecture Sichuan 623200， China）

Abstract： Methanol energy has many advantages in physical and chemical properties， production preparation and price. This paper discussed the effects of methanol energy on temperature control， carbon dioxide supplement， pesticide preparation， mechanical power supply and biocatalyst preparation in facility agriculture production， in order to provide theoretical reference for the development and utilization of methanol energy.

Key words： methanol; facility agriculture; temperature control; CO₂; pesticide

收稿日期：2020-11-12

作者簡介：馬 毅（1984—），男，講師，從事農業工程方面的研究。