氢能源技术在农业大棚中的应用设计及其发展前景

李 哲，张 晶，胡 越，潘立卫

（大连大学 环境与化学工程学院，辽宁 大连 116622）

我国是传统的农业大国，而非农业强国，其中供能方式则是影响我国农业发展的重要因素，科技农业是未来农业发展的必由之路。我国农业大棚的数量十分庞大，资料[1]显示，农业设施数量3 000多万个，设施农业占地面积近267万hm2，农业大棚占地面积已超100万hm2。我国农业大棚类型可大致分为传统燃煤大棚、智能温室大棚和光伏大棚，三种主要类型的农业大棚都无法通过单一设备同时满足供热和供电的需求[2]。农业大棚的升温方式主要包括明火升温、热风炉加温、电热线升温、生态保温、水暖加温、热水袋加温等方式，其中前三种方式耗能较高，后三种方式升温效果不明显。在所有升温方式中，采用日光保温和燃煤明火升温的农业大棚约占全部的80%。我国农业大棚的供能方式普遍存在成本高、热效率低、污染环境严重等问题[3]。

这些问题的存在制约着农业大棚的快速发展，特别是在能源结构改革的推动下，传统燃煤供暖的方式将逐渐被取代，发展科技农业、大力推行以电代煤将成为农业大棚未来发展的重要方向，氢能源技术与农业大棚相结合正好顺应这一发展方向[4]。氢能源型农业大棚则可以实现热电联供，产生的热量以维持农业大棚内农作物适宜的生长温度，产生的电则满足农业大棚内的照明和灌溉等设备所需。除此之外，氢能源型热电联供系统可有效提高资源利用效率和原料转化效率、减少污染物质的产生、避免火灾有毒气体中毒等安全事故，同时保证农作物在适宜的条件下进行生长，减少农业大棚内的燃料成本、运营成本，缩短投资回报期，从而提高农户收入。

我国经济快速增长，能源结构在不断转型升级，以氢能源为代表的清洁能源在近年来受到广泛关注。以重整制氢为技术核心，为农业大棚打造氢能源型热电联供系统，不仅可以克服传统大棚缺陷、提高农业大棚的生产效率，同时为现代化农业和科技农业的发展提供了崭新的思路。

1 氢能源技术的特点

1.1 来源广泛

氢能源作为清洁能源，具有来源丰富、获取方式容易且多样的特点，电解水制氢、碳氢化合位重整制氢都可以获得氢气，与煤炭资源相比较，氢能源属于可再生能源，获取容易且方式多样[5]。其中碳氢化合物和碳水化合物催化重整原位制氢技术的出现，为有效解决氢的储存和运输问题提供了一种新方法。除此之外，氢能源原料价格低廉，使用氢能源为农业大棚供能可有效缩减农业大棚的消耗成本，从而提高农户收入。

1.2 清洁

煤炭燃烧会产生大量二氧化碳、一氧化碳以及含硫化合物等污染物质，这些污染物质的存在污染环境、危害人类健康，还会对农作物产生一系列不利影响[6]。高纯度氢气在空气中的燃烧产物仅为水，对环境无污染，是目前研究较热的一种清洁能源。使用氢能源不仅可以保证农作物的种植环境，同时可以有效为农作物补充部分碳源。

1.3 高效

氢气燃烧热值约为1.43×105kJ/kg，柴油的燃烧热值约为9.6×104kJ/kg，煤炭燃烧热值约为2.05×104kJ/kg，氢气燃烧热值最高，通过燃烧所带来的热量也最高，在农业大棚内的升温效果更明显[7]。煤炭燃烧还存在着燃烧不充分、热值浪费等问题，这些都直接影响大棚升温效果，而氢气燃烧不存在其他限制条件，可循环产氢以供燃烧，且热量在产生、传递的过程中消耗也较小，氢能源的资源利用效率也远高出其他化石燃料。

2 氢能源型热电联供系统设计

2.1 系统原料

利用天然气、沼气、甲烷、甲醇、乙醇或二甲醚作为燃料，都可以进行碳氢化合物内部重整制氢。在所有制氢原料中，甲醇具有易于获得、重整制氢过程简单、可在低温下进行重整的优点，被认为是最好的制氢原料之一。

甲醇制氢的方法，主要包括甲醇蒸气重整(MSR)、甲醇部分氧化重整(POM)、甲醇氧化蒸气重整(OSRM)和吸附增强的蒸气甲醇重整。在这几种方式的比较中，甲醇蒸气重整制氢具有产H2率高、产生CO含量低的特点，所以制氢途径更多的选择甲醇蒸气重整。而根据重整条件的不同，甲醇蒸气重整又可分为热催化甲醇蒸气重整、光催化甲醇蒸气重整、高温甲醇蒸气重整和水相甲醇重整。

2.2 系统核心零部件

如图1所示，应用于农业大棚的氢能源型热电联供系统中包括了3个子系统：控制单元、反应单元和执行单元，这些单元是为它们的集成而设计的，但它们也可以单独使用。控制单元主要是由控制面板连接各个液泵、流量计、热电偶等零件进行流程控制和操作；反应单元主要是氢原料进入重整反应器中进行燃烧反应、制氢反应的单元；执行单元则是热、电进行释放为农业大棚供能的单元。

其中系统的核心零部件为反应单元的制氢反应器，如图2所示，管式反应器由反应室、燃烧室组成，利用强吸放热耦合集成技术和能量梯级利用技术所自主研发设计，可有效保证氢原料的资源利用率和产氢效率，同时大幅度降低热值损耗。为提高反应器的反应速率，在反应器中核心位置还负载了高储放氧性能整体结构催化剂，使氢原料在有限的空间内得到高效利用。

2.3 系统工作原理

如图3所示，在一体化的系统设计中，甲醇储存于原料罐体经换热器后升温加热，由液泵雾化后通入制氢反应器的反应室，此时后续流程产生的氢气会进入燃烧室进行燃烧反应，产生大量热量，为反应室提供热量和为农业大棚进行供暖，在适宜温度条件下，反应室中小分子原料与催化剂反应产出富含氢气的气体，随后进入吸附罐体中进行气体提纯，所产高纯度氢气一部分联通至氢氧燃料电池实现化学能向电能的转变，以此实现为农业大棚进行供电，另一部分则进入燃烧室进行燃烧，剩余气体则经换热器、冷凝器后重新进入原料罐体。在该系统中，通过集成式的设计实现了资源循环以及农业大棚的热电联供，资源利用率达90%以上，展现出安全、节能、高效的特点。

3 氢能源技术在农业大棚的发展前景

3.1 氢能源技术的发展

由于传统化石燃料的不断消耗，全球都在寻求能源方面的突破，未来新型能源的发展将直接影响经济的发展。随着能源结构对于经济增长的影响日益明显，发展清洁能源已成为各国寻求促进经济发展和减缓环境污染的重要途径。大多数的温室气体主要是由燃烧碳、石油或者天然气等化石燃料所产生，因此减少其使用将逐渐成为强制性的要求。目前替代传统能源的新型能源都展现出了较强的生命力，其中氢能源绿色、节能且高效的特点使其具有较强的竞争力，是未来能源发展的生力军，氢能源目前已经在汽车、便携式电源等方面得到推广和应用，将氢能源技术拓展于农业大棚中为现代化农业和科技农业的发展开辟了新的途径。

3.2 农业大棚的发展

我国正处在经济发展的转型阶段，农业农村也向现代化迈进，科技农业是未来的发展方向。农业大棚作为农业发展的重要组成部分，供能方式影响着发展规模和发展速度，使用传统化石燃料进行供能的方式也将逐渐被淘汰。农业大棚是高投入、高产出、高效益的产业，只有形成相当的规模、具备科技的支持，才有利于规范化、标准化的生产，才可能形成有影响力的品牌，从而占领市场，使资源优势得到有效开发与持续利用，同时带来巨大的经济效益[8]。使用氢能源技术进行热电联供，缩小农业大棚运营成本、减少化石燃料带来的污染，可有效保证农业大棚健康持续发展。

4 结 论

农业大棚的传统供能方式存在着成本高、热效率低、污染严重、资源利用率低等问题，这些问题严重制约了现代化农业大棚的发展道路。以重整制氢技术为核心，打造应用于农业大棚的氢能源型热电联供系统设计，可以有效克服原有供能方式的缺陷、实现热电联供，同时优化能源结构和提高资源利用效率，为现代化农业大棚的发展提供了一种新的思路。