基于水合物冰成反应制备二氧化碳固态气肥装置及方法 |
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| 申请号 | CN202410195767.8 | 申请日 | 2024-02-22 | 公开(公告)号 | CN118045529A | 公开(公告)日 | 2024-05-17 |
| 申请人 | 青岛海洋地质研究所; | 发明人 | 刘昌岭; 孟庆国; 陈强; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种基于 水 合物 冰 成反应制备二 氧 化 碳 固态气肥装置及方法，其主要包括反应器、供气管路、造球机和存储单元。其中，反应器连接供气管路，且出料端直接或间接连接造球机，造球机的出料端连接存储单元。装置通过混合冰粉和二氧化碳低温制备二氧化碳固态气肥。本发明装置整体结构简单、成本低，对应的固态二氧化碳气肥的制备流程简单，生产成本低的同时安全性好；进一步，固态二氧化碳气肥储气量较高，且具有自保护效应，便于储存和运输，且分解后的产物为二氧化碳和水，无污染、无残渣，施用后不会改变 土壤 的性质，可同时提供 植物 生长所需的二氧化碳和水。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于水合物冰成反应制备二氧化碳固态气肥装置，其特征在于，包括反应器、供气管路、造球机和存储单元；所述反应器连接所述供气管路，且出料端直接或间接连接所述造球机；所述造球机的出料端连接所述存储单元； |
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| 说明书全文 | 基于水合物冰成反应制备二氧化碳固态气肥装置及方法技术领域[0001] 本发明属于农业技术领域，具体涉及一种基于水合物冰成反应制备二氧化碳固态气肥装置及方法。 背景技术[0002] 二氧化碳(CO2)是植物光合作用所必须的物质基础，绿色植物合成有机物质，就需要吸收CO2。目前的农业作业中，特别是大棚栽培会存在CO2不足的问题，具体是日出后棚内CO2浓度随着植物光合作用快速下降到100ppm以下，从而是植物出现CO“2 饥饿症”，进而使产量和品质下降。研究表明，当二氧化碳增加到1000ppm左右，蔬菜产量可以增加30～100％；除了增产提收外，增施CO2还可以提升产品的外观质量和内在品质，也可增加其抗虫、抗病和其它抗害能力。因此，在大棚栽培等场景下增施CO2气肥是非常有必要的措施。 [0003] 近年来，各国为提高设施农业产量与质量，普遍采用了CO2气肥增施措施，其中70％‑80％的设施农业都通过燃烧白煤油、天然气等来增施CO2。在我国部分地区也已开展增施CO2气肥的实践，并取得了良好的成果。但大范围的推广使用CO2气肥尚没有引起社会足够重视，主要原因是种植人员对CO2气肥认识不足，且CO2气肥技术尚不够成熟。 [0004] 现有技术中，施用CO2气肥的方法主要有： [0006] 2.燃烧法：分为直接燃烧释放法和间接释放法两大类，直接法通过燃烧液化石油气、丙烷气、天然气、白煤油等产生CO2；间接法是棚外燃烧(如点蜂窝煤炉)的气体经处理消除有害气体后放入棚内，如专利CN1209425A；但是上述方法存在操作繁琐的问题； [0007] 3.CO2发生法：将稀硫酸放入耐酸容器加入过量碳酸氢铵，反应放出大量CO2，如专利CN2143228A、CN2109071A；上述方法原料来源方便，放气直接，但操作不方便，且浓硫酸运输和使用都存在安全隐患； [0009] 5.固体气体肥料法：将不同的物质作成固体颗粒施用在土壤中或容器中可放出CO2，如专利CN1115748A、CN1125707A、CN1840509A，CN103193518A、CN1849870A等，在专利中采用了固体化学物质与含碳化合物共同造粒，制备颗粒CO2气体肥料，然而使用这些方法生产固体CO2气肥流程复杂，制造成本高，CO2产气量无法控制，而且在施用时不可避免会产生固体化学物质的残渣，易对土壤质量造成伤害。 发明内容[0011] 本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种基于水合物冰成反应制备二氧化碳固态气肥装置及方法，以解决上述问题。 [0012] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： [0013] 一方面，本发明提供了一种基于水合物冰成反应制备二氧化碳固态气肥装置，其主要包括反应器、供气管路、造球机和存储单元；所述反应器连接所述供气管路，且出料端直接或间接连接所述造球机；所述造球机的出料端连接所述存储单元； [0014] 所述反应器为密封容器，并设有进料口和出料口；装置还包括回转机构，所述回转机构与所述反应器连接； [0015] 所述供气管路的末端连接有外设的二氧化碳气源； [0016] 所述存储单元外连制冷设备。 [0017] 可选的，所述反应器为高压反应釜，并设有保温夹套； [0018] 所述保温夹套与外设的恒温槽连接； [0022] 所述供气管路的至少一条支路连接所述二氧化碳气源； [0023] 所述供气管路还设有至少一条排气支路。 [0024] 可选的，所述供气管路上串接有气体预冷器。 [0025] 可选的，所述存储单元包括第一存储单元和第二存储单元； [0026] 所述反应器的出料端间接连接所述造球机，所述第一存储单元位于所述反应器和所述造球机之间； [0027] 所述造球机的出料端连接所述第二存储单元。 [0028] 另一方面，本发明还提供一种基于水合物冰成反应制备二氧化碳固态气肥方法，步骤包括： [0029] S1、将制备的冰粉装入反应器中，并进行密封； [0030] S2、将二氧化碳气体输送至所述反应器内； [0031] S3、启动回转机构，使所述反应器内的冰粉翻动，生成固态二氧化碳水合物； [0032] S4、将所述S3中生成的所述固态二氧化碳水合物转移到造球机中进行球化； [0033] S5、将所述S4中球化的产品放入存储单元中保存。 [0034] 可选的，所述S1中，冰粉的粒径小于或等于1mm； [0035] 所述S3中，所述固态二氧化碳水合物的粒径范围为10mm‑50mm。 [0036] 可选的，所述S2中，通入二氧化碳气体前对所述反应器抽真空，并通过热交换方式控制所述反应器的温度小于或等于‑5℃； [0037] 对二氧化碳气体进行预冷，降温至‑5℃或以下，并增压通入所述反应器中，且所述反应器中气体压力范围为2.5MPa‑3.5MPa。 [0038] 可选的，所述存储单元的温度小于或等于‑5℃。 [0039] 相对于现有技术，本发明具有以下有益效果： [0040] 本发明装置整体结构简单、成本低，对应的固态二氧化碳气肥的制备流程简单；原料为二氧化碳气体和水，生产成本低的同时安全性好，可持续进行且生产效率高；进一步，固态二氧化碳气肥储气量较高，且具有自保护效应，便于储存和运输，具备使用安全、方便等特性；更进一步，本发明提供的固态二氧化碳气肥分解后的产物为二氧化碳和水，无污染、无残渣，施用后不会改变土壤的性质，可同时提供植物生长所需的二氧化碳和水。附图说明 [0041] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0042] 图1为本发明中装置结构示意图； [0043] 图2为本发明中方法流程图； [0044] 图3为二氧化碳水合物相平衡图。 [0045] 图中：1、高压反应釜，2、保温夹套，3、电机，4、恒温槽，5、出料口，6、进料口，7、安全阀，8、温度计，9、压力表，10、第一阀门，11、第二阀门，12、排气口，13、气体预冷器，14、第三阀门，15、真空泵，16、真空泵排气口，17、第四阀门，18、增压泵，19、第五阀门，20、进气口，21、第一存储单元，22、造球机，23、第二存储单元。 具体实施方式[0046] 为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。 [0047] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。 [0048] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“上方”、“下方”等指示的相对关系为基于实际应用中转动方向上与物料接触顺序，为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的位置，因此不能理解为对本发明的限制。 [0049] 此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。 [0050] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0051] 还需要说明的是，本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。 [0052] 本发明提供一种如图1所示的基于水合物冰成反应制备二氧化碳(以下部分简写CO2)固态气肥装置，其主要包括反应器、供气管路、造球机和存储单元。 [0053] 其中，反应器选为高压反应釜1，为了能更好的混合物料还设计装置有回转机构。其转动方式有多种，可以是内胆旋转或增设的搅拌机构旋转，本实施例中高压反应釜1的回转单元选取釜体整体，因此回转机构的电机3通过齿轮或皮带机构带动釜体旋转，高压反应釜1则通过外设的旋转环与安装台转动连接，并保持倾斜设计，使釜体的回转轴与水平面呈 45°夹角；虽然现有技术中可以通过旋转接头的方式将各管路与釜体连接，以实现单向旋转的能力，但是本实施例为了化简结构设计，选取各接头固定连接的方式，并保持釜体做回转角度小于360°的绕轴往复摆动。在釜体停止位的状态下，釜体上部设有进料口6，并在下部设有出料口5，用于填充和卸载冰粉。可选的，高压反应釜1的内胆与壳体之间设有保温夹套 2，并将其与外设的恒温槽4连通，其可使内胆的温度保持‑5℃左右，达到CO2水合物形成需要的温度条件。进一步，为了能监测内胆的加工参数变化，可选的在釜体上部安装有传感器，具体有温度计8和压力表9，温度计8用于实时监测内部的温度，配合保温夹套2实现高压反应釜1的调温和保温功能。压力表9安装于釜体的通气口处，用于实时监测釜体及进气管道内气体的压力，以保证进入釜体的气体压力的稳定性。更进一步，在釜体上还安装有安全阀7，以增加系统的安全性，防止高压反应釜1内压力过高而造成的安全隐患。 [0054] 高压反应釜1的通气口连接供气管路；可选的，如图1所示，供气管路设有排气支路，并通过排气口12连通外部环境，且排气支路上串接有第二阀门11。供气管路的主路上依次串接有第一阀门10和气体预冷器13，气体预冷器13可以为CO2气体降温，使其进入釜体时处于低温状态。供气管路在气体预冷器13的下游还分别设有两条支路，第一支路上依次串接有第三阀门14和真空泵15，并通过真空泵排气口16连通外界；第二支路上依次串接有第四阀门17、增压泵18、第五阀门19，并通过进气口20与外设的二氧化碳气源连接，为装置整体提供CO2气体，并进行增压操作。 [0055] 高压反应釜1出料口5的下方间接连接造球机22，造球机22的出料端连接存储单元；可选的，本实施例中存储单元分为两部分，包括第一存储单元21和第二存储单元23。其中，第一存储单元21为低温存储器，作为物料中转存储单元，其安装于出料口5的下方，且出料端连接造球机22。第一存储单元21通过制冷设备控制温度在‑5℃，用于临时储存从高压反应釜1中取出的固态CO2水合物。当高压反应釜1反应结束后，迅速打开出料口5，将固态CO2水合物从中迅速取出并转移至低温储存器中。造球机22为工业用低温造雪球机，其可将生成的固态CO2水合物进行球化。造球机22的出料端连接第二存储单元23，第二存储单元23为提供固态CO2水合物低温储存空间，具体可以是冷库等设施，其采用工业制冷压缩机将环境温度控制在253K‑273K之间，优选为268K。在此温度下水合物雪球有最佳的自保护效应，同时对于冷冻设备的功耗要求又具有较好的经济性。 [0056] 本发明还提供基于水合物冰成反应制备二氧化碳固态气肥装置的加工方法，如图2所示，其主要步骤包括： [0057] S1、首先通过恒温槽4和保温夹套2对高压反应釜1进行降温，控制其内胆温度保持在‑5℃左右，并将制冰机制备的粒径小于1mm的冰粉通过进料口6装入高压反应釜1中，填装至内胆三分之一左右的体积，而后关闭进料口6进行密封； [0058] S2、打开第一阀门10和第三阀门14，保持其他阀门关闭，通过供气管路的第一支路上真空泵15对釜体进行抽真空操作，当达到气压标准后关闭第三阀门14；之后打开第四阀门17、第五阀门19和外设的二氧化碳气源，启动增压泵18将CO2气体增压至3MPa左右输送至釜体内，期间流经气体预冷器13，使CO2降温至‑5℃以下，同时参考图3所示，根据CO2水合物形成的相平衡条件，通过压力表9实时监测进气管道内的进气压力，以保证内胆中气体压力维持在CO2水合物形成所需要的压力范围内，即2.5MPa‑3.5MPa； [0059] S3、启动回转机构的电机3，使内胆中的冰粉随釜体倾斜绕轴往复摆动而翻动，从而使冰粉与气体分子充分混合，增大冰粉与CO2气体分子的接触面积，快速生成固态CO2水合物；其中，高压反应釜1具体摆动方式可根据需求进行持续摆动，而本实施例中采取间歇式摆动方式，以增加固态CO2水合物制备效率和品质，并且在停止摆动期间可以对温度计8和压力表9读数；进一步，本步骤中涉及CO2气体供气的阀门持续保持打开状态，以便维持内胆中气压范围为2.5MPa‑3.5MPa，保证固态CO2水合物合成效率； [0060] S4、当达到预设加工时间后，关闭其他阀门及增压泵18，再打开第二阀门11，通过排气口12将剩余气体排出，之后打开出料口5将生成的固态CO2水合物快速转移到第一存储单元21中；然后，第一存储单元21根据预设输送速度向造球机22输送固态CO2水合物以进行球化，之后造球机22将固态CO2水合物制成直径10mm‑50mm的球化后产品，即为固态CO2气肥，控制产品粒径的目的主要是为了增加其有效推挤密度并减少水合物颗粒气化面积，控制颗粒体积/表面积比值为1‑20； [0061] S5、将上述球化的产品送入第二存储单元23中保存，第二存储单元23采用工业制冷压缩机将其内部存储空间的环境温度控制在253K‑273K之间，优选控制为268K，在此温度下水合物雪球有最佳的自保护效应，同时对于制冷设备的功耗要求又具有较好的经济性。 [0062] 本发明是在一定的温度与压力下，将CO2气体与水生成一种白色晶体，为CO2水合物，1单位体积的固体CO2水合物可释放约160体积的CO2和0.8体积的水；采用粉末冰代替水与CO2反应，可以大大增大水分子与CO2气体分子接触面积，显著加快CO2水合物的生成速度；由于CO2水合物在冰点以下具有自保护效应，故可在常压下低于273K实现稳定存储，一般选择储存温度为268K，从而也有利于后续低成本存储及转运，便于施肥操作。 |
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