周長吉（農業(yè)農村部規(guī)劃設計研究院，北京 100125）

CO2施肥是大規(guī)模連棟溫室番茄長季節(jié)栽培不可或缺的生產條件之一。雖然溫室生產中CO2施肥的方式有多種，包括增施有機肥、燃燒油氣、化學物質反應以及開窗通風等[1]，但目前中國建設生產番茄的大規(guī)模連棟溫室中大量使用且經濟有效的CO2施肥方式還是采用以天然氣為燃料的鍋爐熱氣聯供模式[2]，即利用鍋爐加熱過程中燃燒天然氣的尾氣，經檢驗合格后直接導入溫室進行CO2施肥。作為溫室冬季供熱的一種副產品，這種CO2供應模式在保證供熱的前提下實現了資源的高效利用，而且還解決了傳統(tǒng)鍋爐供熱尾氣排入大氣造成大氣污染或形成溫室氣體給生態(tài)環(huán)境造成危害的問題。

周年生產溫室鍋爐供熱的季節(jié)和每天供熱的時長因溫室建設地區(qū)氣候條件不同而有較大差異，即使寒冷的北方地區(qū)，從晚春到初秋溫室也基本不需要供熱，期間如果仍然用鍋爐燃料燃燒的尾氣進行溫室CO2施肥，則大量熱量將被浪費，也將造成更大的能源浪費和經濟損失。為保證非采暖季節(jié)溫室作物的CO2供應，除了溫室通風換氣引進室外CO2外，最常用的方法是用液態(tài)CO2罐供氣。事實上，有些溫室生產者，為保證CO2的純潔度甚至生產全過程采用液態(tài)CO2罐供氣，而不用天然氣熱氣聯供的模式供應CO2；為保證作物的品質，有的生產者甚至都不使用工業(yè)純度的CO2，而是使用食品級純度的CO2。另外，在一些天然氣供應不方便或比較困難的地區(qū)，燃燒天然氣進行溫室熱氣聯供沒有條件或運行成本很高，而當地液態(tài)CO2供應方便且充足，這種條件下解決大規(guī)模連棟溫室蔬菜生產中CO2供氣也可選用液態(tài)CO2罐供應。

溫室液態(tài)CO2 供氣系統(tǒng)的組成

一套完整的液態(tài)CO2供氣系統(tǒng)一般由液態(tài)CO2儲液罐、為長時間保持液態(tài)CO2低溫的制冷系統(tǒng)、液態(tài)CO2氣化設備、氣態(tài)CO2升溫設備、氣態(tài)CO2調壓穩(wěn)壓設備、氣態(tài)CO2緩存設備、氣態(tài)CO2在溫室內的輸送與布施管道以及各設備間的連接管路與控制設備等，系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 液態(tài)CO2 供氣流程示意圖

溫室用CO2，由于每天都需要用氣，而且用氣量較大，1 罐液態(tài)CO2的使用時間一般在5～10天，大面積溫室可能在3～5 天。由于液態(tài)CO2為瓶膽式結構，保溫隔熱性能良好，在這么短的使用期內不會引起罐內液體大幅升溫，此外，即使有一定幅度的升溫引起少量液體氣化，在儲液罐上也安裝有氣體排放口，可將氣化后的CO2直接引入到氣態(tài)CO2調壓設備，與氣化器中氣化后的氣體一并調壓后送入緩存罐儲存或直接配送到溫室輸氣管路。因此，大部分的溫室工程中都不配置液態(tài)CO2儲存罐的制冷設備。此外，氣態(tài)CO2緩存設備也可以是選配設備，在氣化和調壓設備容量滿足溫室內CO2小時最大高峰用氣的條件下，也可以不用選配。氣化器吸收熱量將液態(tài)CO2相變氣化后，溫度仍然保持在液態(tài)CO2的低溫狀態(tài)，為了避免將低溫CO2氣體直接輸送到溫室造成溫室內空氣溫度降低引起作物應激或增加溫室供熱負荷，一般應將氣化后的CO2進行升溫，將其溫度提升到接近溫室室內空氣溫度水平。為此，常用的做法，一是加大氣化器的容量，二是在CO2氣化后再配置加溫設備，將其溫度提高后再送入穩(wěn)壓調壓管路。對于空浴式氣化器，冬季運行室外空氣溫度遠低于溫室內作物生長溫度，即使加大氣化器的容量，氣化后CO2氣體的溫度也難以達到室內空氣溫度的水平，這種情況下，配置加溫設備是必需的，但如果氣化器采用水浴式，通過調節(jié)換熱熱媒的溫度可實現對氣化后CO2氣體的升溫，后續(xù)的加溫設備也可省略。

氣態(tài)CO2在溫室內的配送，筆者已進行過總結[1]，本文主要總結液態(tài)CO2的儲存、氣化和調壓設備，可供溫室設計者參考。

CO2 儲液罐

CO2在常溫常壓下是氣體，要保持其液相狀態(tài)必須要保持其始終處于特定的溫度和壓力環(huán)境中。CO2的氣液臨界點最高溫度和壓力分別為31.1℃和7.38 MPa，固-氣-液三相共存平衡點的溫度和壓力分別是-56.6℃和0.518 MPa。當溫度超過31.1℃后，無論多大壓力CO2也無法以液體狀態(tài)存在，而當溫度低于-56.6℃后，進一步減小壓力CO2將會氣化，加大壓力則固化。如果CO2形成固態(tài)將由于體積膨大在儲液罐內形成超高的壓力而可能造成儲液罐的爆裂或損壞。因此，儲液罐內保持CO2液態(tài)的溫度必須處于-56.6～31.1℃范圍內。

保持CO2為液相狀態(tài)，除了溫度要求外，尚需要相應的壓力。只有在溫度低于臨界溫度且壓力高于臨界壓力時，CO2才能保持液相狀態(tài)。圖2 為不同溫度下CO2保持液相的臨界壓力曲線。由圖可見，隨著溫度的升高，對應臨界壓力也不斷增大，而且壓力與溫度的關系近乎拋物線曲線，也就是說隨著溫度的升高，對壓力的要求更大。由于加大壓力對CO2儲液罐的強度要求更高，因此生產中盡量以低溫狀態(tài)儲存CO2。

圖2 CO2 液相臨界壓力與溫度

對空浴式氣化器而言，要使氣化器內液體能吸收空氣中的熱量實現液體的氣化，氣化器內液體的溫度必須低于氣化器外部空氣溫度。一般氣化器放置在室外，中國北方地區(qū)冬季室外氣溫多在-10℃以下，寒冷地區(qū)經常達到-20℃以下，甚至接近-30℃，因此，在北方地區(qū)使用，液態(tài)CO2罐內液體的溫度至少要保持在-30℃以下，對應的壓力應達到2 MPa 以上。為保證安全，一般液態(tài)CO2罐的設計壓力為2.3 MPa，工作壓力為2.2 MPa，溫度多控制在-30～-40℃。

根據液態(tài)CO2儲液對溫度和壓力的要求，儲液罐必須具有耐低溫和承受高壓的能力，此外，在材料選擇上還必須具有對CO2的抗腐蝕能力。為此，CO2儲液罐一般采用雙層圓筒形結構，內筒材料為l6MnDR 優(yōu)質合金鋼，外筒材料為Q235B 優(yōu)質碳素鋼。圓筒結構抗壓能力強，雙層中空結構保溫隔熱能力強。為增強筒體的保溫隔熱能力，雙層筒體間層采用高真空珠光砂填充或在筒體外表面進行多層包扎保溫。珠光砂是一種輕質絕熱材料，其松散容重為35～60 kg/m3，壓實容重為45～70 kg/m3，導熱系數為0.022～0.026 W/(m?K)。對筒體間層的真空度要求在5 Pa 以下，隨儲液罐的容積不同而有變化，如表1。

表1 液態(tài)CO2 罐筒體間層真空度要求

液態(tài)CO2儲液罐根據罐體的放置形式不同分臥式和立式兩種。臥式罐占地面積大，但安裝和抗風要求低，相反，立式罐占地面積小，對安裝基礎的要求高，設計和施工中應針對建設地區(qū)的地質條件按照罐體滿載的荷載精心勘探、精心設計和精心施工。

除罐體外，CO2儲液罐尚必須安裝液體進出、氣體進出的管路以及保證安全運行的各種監(jiān)測和控制設備（圖3）。其中連接管道包括進液管、排液管、出氣管和回氣管；測控設備包括真空度測控、液位測控、充滿度測控和外殼防爆閥門等。

圖3 CO2 儲液罐結構及配套管路

進液管是向罐體注入液態(tài)CO2的接口；排液管是罐體清掃階段以及罐體排空時用于排出罐體內殘液的接口；出氣管是用于排出因罐體內溫度和壓力變化發(fā)生液體氣化后產生的CO2氣體，該管一般直接連接到調壓器的供氣管以充分利用管內CO2氣體；回氣管是為了保證罐體內壓力在液位下降后向罐體內充氣的接口。為保證安全，每根管道上都安裝有2 道閥門。管路材料一般采用奧氏體不銹鋼制造。

真空度測控是測量和控制罐體夾層內的壓力，當由于連接閥等設備漏氣原因造成罐體夾層內壓力上升后應及時報警，并用外接真空泵連接真空度閥降低夾層內壓力，保證夾層內要求的真空度；液位測控是測量罐體內的壓力和液位變化，保證罐體內的壓力始終處于工作壓力，當液位降低到設計液位時發(fā)出報警并關閉出液閥，提示管理人員及時補液；充滿度測控主要用于充液時罐體內最高液位的控制；外殼防爆裝置是安裝在罐體外殼上的安全設備，依靠罐體夾層內的真空度來控制閥門的啟閉，當真空度過低時為防止罐體爆裂應打開閥門引入室外壓力，保證罐體安全。

液態(tài)C O2罐的常用規(guī)格根據有效容積從5～100 m3不等，不同規(guī)格的儲液罐的外形參數和重量參見表2。

表2 液態(tài)CO2 罐常用規(guī)格

CO2儲液罐容積應根據溫室種植面積以及溫室內CO2設計供氣濃度、每天供氣時長和儲液罐內液體更換周期通過計算確定[2]。對溫室面積較大或者供應液態(tài)CO2不方便的地方，CO2儲液罐一般應配置2 臺（圖4a），可以1 備1 用，也可以在用氣高峰時2 臺罐同時使用。如果溫室面積較小，或者供應液態(tài)CO2的渠道或途徑很方便，也可以配套1 臺儲液罐（圖4b），并根據罐體內液位的變化定期或隨時向罐體補充液態(tài)CO2。

圖4 CO2 儲液罐的配置形式

氣化設備

氣化器是將液態(tài)CO2加熱相變?yōu)闅鈶B(tài)CO2的設備。加熱的方式可以是間接的（蒸氣加熱式氣化器、熱水水浴式氣化器、自然通風空浴式氣化器、強制通風式氣化器、電加熱式氣化器、固體導熱式氣化器或傳熱流體），也可以是直接的（熱氣或浸沒燃燒）。在設計和選擇氣化設備前，首先要明確氣化設備的耗熱量，據此來選擇和確定氣化器需要的散熱片數量和/或加熱器功率。

氣化設備耗熱量

將液態(tài)CO2氣化為常溫的氣態(tài)CO2需要經歷兩個階段：第一階段是將液態(tài)CO2氣化為同溫度的低溫氣態(tài)CO2；第二階段是將低溫的氣態(tài)CO2升溫到常溫。在這兩個階段中，需要外部的總熱量為：

式中，Q—CO2從液態(tài)氣化到常溫氣體所需要的總熱量（kJ 或kcal，1 kJ=0.2389 kcal）；Q1—CO2從液態(tài)氣化為同溫度氣態(tài)所需要的熱量（kJ 或kcal），是氣化的潛熱部分，亦稱氣化潛熱；Q2—低溫的氣態(tài)CO2升溫到常溫所需要的熱量（kJ 或kcal），是氣化的顯熱部分。

氣化需要的潛熱量按照CO2的氣化潛熱可按式（2）計算：

式中，m—氣化CO2的質量（kg）；r—單位質量CO2的氣化潛熱（kJ/kg 或kcal/kg），不同溫度下CO2的氣化潛熱如圖5，具體取值應按CO2儲液罐的儲液溫度確定，儲液溫度一般取-30～-40 ℃，相應氣化潛熱在300～ 320 kJ/kg。

將氣化后的低溫CO2氣體加熱到常溫，所需要的熱量可按式（3）計算：

式中，ρ1，ρ2—分別為CO2氣體升溫前后的容重（kg/m3），可根據對應溫度按圖6 確定；cp1，cp2—分別為CO2氣體升溫前后的比熱容[kJ/（kg?℃）]，可根據對應溫度按圖7 確定；t1—液態(tài)CO2氣化后的溫度（℃），根據液態(tài)CO2罐的儲液溫度確定，一般可取-30～-40℃；t2—氣態(tài)CO2升溫后的溫度（℃），根據輸送到溫室CO2氣體的溫度確定，一般可取5～10℃，對于分階段氣化和升溫的設備配置分別按不同升溫階段的溫度選定。

圖6 不同溫度下CO2 氣體容重

圖7 不同溫度下CO2 氣體比熱容

氣化設備選型

目前周年生產番茄等果菜作物的大規(guī)模連棟溫室，采用液態(tài)CO2供氣的氣化器主要有兩類：空浴式氣化器和水浴式氣化器。所謂空浴式氣化器，就是將氣化器置于空氣中，利用空氣與液態(tài)CO2之間的溫差將空氣中的熱量導入液態(tài)CO2中，從而實現液態(tài)CO2的氣化。根據空氣在空浴器周圍的狀態(tài)，可將空浴器分為自然對流空浴器和強制對流空浴器，前者能耗少、運行成本低、換熱效率也相對低。而水浴式氣化器是將液態(tài)CO2盤管浸沒在水中，用外界能源提高水溫，依靠高溫水與液態(tài)CO2之間的溫差將水中熱量導入液態(tài)CO2中，從而實現液態(tài)CO2的氣化，其中提高水溫的工程方法有電熱絲加熱法和熱水/蒸汽管加熱法等。

空浴式氣化器

空浴式氣化器是利用空氣對流加熱低溫液態(tài)CO2使其氣化成常溫氣體的換熱設備。液態(tài)CO2在盤管中流動，吸收空氣中熱量，一方面提高液態(tài)CO2的液相溫度，另一方面則是吸收熱量實現CO2相變。由于相變需要的熱量遠大于液相升溫所需要的熱量，所以，在散熱器設計中散熱片的面積可只按相變需要的氣化潛熱按式（4）進行計算。

式中，F—空浴器散熱片總面積（m2）；K—散熱片傳熱系數[kcal/（m2.h.℃）]，根據散熱器的材料和形式，查閱相關設計手冊或咨詢產品制造企業(yè)確定；△T—為空浴器外部空氣溫度與空浴器內CO2之間的溫度差，由于空浴器內CO2的溫度隨其在散熱片內的流動不斷在提高，不是一個定值，所以該溫差應按照式（5）的對數溫差法計算：

式中，t0—氣化器工作期間的室外空氣溫度（℃），為保證換熱的效率，一般要求t0應大于t2至少10℃，如果氣化器工作期間的室外溫度較低，應將CO2的氣化分為兩個階段進行，即在低溫氣化的基礎上再增設一個強制加溫的階段或設置緩沖罐進行二次升溫。

由式（4）計算出的散熱片面積除以管道單位長度的表面積，即得到散熱管的總長度。為了加強換熱，換熱管的外側一般都加裝了星形翅片，目前最常用的是8 翅片結構，另外還有12 翅片和4 翅片結構，不同翅片結構傳熱性能的差異表現在傳熱系數K的不同。

求得散熱管總長后可按流體單程流動的方式，將散熱管分成若干組，再將多組散熱器組成一套氣化器（圖8），如果1 套氣化器不能滿足供氣要求時，可配置多套氣化器。

圖8 空浴式氣化器

水浴式氣化器

水浴式氣化器是以水為熱媒的氣化器，主要包括電加熱式、燃料燃燒式等。與空浴式氣化器相比，水浴式氣化器傳熱效率高、結構緊湊、占地面積小，但其運行成本高也成為限制其應用的最大障礙。

大型連棟溫室CO2供氣系統(tǒng)中使用的水浴式氣化器主要為電加熱氣化器（圖9）。其作用可分為兩種：一種是加熱液態(tài)CO2使之轉化為氣態(tài)CO2，直接供溫室使用；另一種是作為空浴式氣化器的補充，將空浴式氣化器氣化后的低溫CO2氣體加熱升溫，使之達到供應溫室要求的溫度，主要應用在CO2液態(tài)罐使用期間室外溫度較低的地區(qū)。

圖9 電熱水浴氣化器

電熱水浴式氣化器的電功率可根據氣化器的用途以及低溫氣體的升溫要求按照式（2）和式（3）分別計算。實際功率配置中還應考慮電熱絲的電熱轉換效率，這里不多贅述。

減壓穩(wěn)壓設備

經過氣化器氣化的氣態(tài)CO2為常溫高壓氣體，在接入CO2緩存罐或溫室輸送主管前應配置減壓穩(wěn)壓閥。溫室CO2供氣系統(tǒng)常用的減壓穩(wěn)壓閥主要采用自力式調壓閥。一般應設計雙路壓力調節(jié)閥（圖10a），對于可靠度要求不高的溫室工程也可以采用單路壓力調節(jié)閥（圖10b），以節(jié)約建設投資。

圖10 減壓閥在管路中的設置形式

自力式壓力調節(jié)閥是由執(zhí)行器和閥門兩部分組成。執(zhí)行器是由橡膠薄膜、調節(jié)彈簧等零部件組成，調節(jié)彈簧主要用來調整壓力參數，和控制的壓力保持平衡。

工作介質的閥前壓力P1 經過閥芯、閥座的節(jié)流后，變?yōu)殚y后壓力P2。P2 經過控制管線輸入到執(zhí)行器的下膜室內作用在頂盤上，產生的作用力與彈簧的反作用力相平衡，決定了閥芯、閥座的相對位置，控制閥后壓力。當閥后壓力P2增加時，P2 作用在頂盤上的作用力也隨之增加，此時，頂盤的作用力大于彈簧的反作用力，使閥芯關向閥座的位置，直到頂盤的作用力與彈簧的反作用力相平衡為止。這時，閥芯與閥座的流通面積減少，流阻變大，從而使P2 降為設定值。同理，當閥后壓力P2 降低時，作用方向與上述相反，這就是自力式(閥后) 壓力調節(jié)閥的工作原理。當需要調整壓力參數時，只需要順時針或逆時針轉動調節(jié)螺釘即可。

在氣體進入調壓閥之前和離開調壓閥之后都應設置閘閥和壓力表以控制管路的啟閉和壓力，對于雙路調壓系統(tǒng)，應在進入調壓閥支管前的主管上再安裝一個閘閥，整體用于控制管路中的流量。

自力式壓力調節(jié)閥無需外加能源，利用被調介質自身能量動力源，引入執(zhí)行機構控制閥芯位置，改變兩端的壓差和流量，使閥前（或閥后）壓力穩(wěn)定。具有動作靈敏，密封性好，壓力設定點波動小等優(yōu)點，廣泛應用于氣體、液體及蒸汽介質減壓穩(wěn)壓或泄壓穩(wěn)壓的自動控制。