引进荷兰大规模连栋玻璃温室长季节栽培番茄的工艺与设备配置——CO2施肥系统
CO₂是作物进行光合作用的必需元素。由于温室内作物处于相对密闭空间，如果没有外界CO₂补充，仅靠室内夜间土壤或基质释放的CO₂以及夜间作物呼吸作用等自主产生的CO₂在日出后将很快被消耗殆尽。没有充足的CO₂供给，即使再适宜的温光环境，作物也不可能合成足够的有机物质来保证自身的生长和生殖，最终将直接影响作物的产量和品质。
中国大部分的温室设施，包括塑料大棚、日光温室和连栋温室，由于受蔬菜销售价格、运行成本和CO₂碳源供应的限制，大都不配套CO₂施肥设备，温室内CO₂的补充主要依靠白天的通风和夜间地面土壤或基质中有机质的分解。温室冬季白天通风，虽能引进室外CO₂，但同时也在大量损失室内热量。因此，温室通风换气，一般只在中午前后较短的高温时段进行，除此之外的大部分时间内为减少热量损失温室通风系统都处于关闭状态，也就是说温室内CO₂长时间都处于严重匮缺状态，这是造成中国温室作物冬季生产产量不高除温光之外的另一个重要原因。
大型连栋温室高架基质种植番茄，由于地面铺设了地布、栽培基质数量有限，有些还是无机的岩棉基质，从地面和基质中释放的CO₂极其有限，甚至可以忽略不计，而且采用文洛型结构温室四周不设通风窗，标准的屋面通风窗多采用间隔交错开窗，温室自然通风的换气效率较低，虽然有的温室采用了屋脊两侧双向连续开窗的通风方式，显著增大了温室屋面通风窗的面积，但由于大型连栋温室单栋温室面积较大，完全依靠屋面自然通风的方式从室外大气中补充CO₂很难达到作物适宜生长光合作用的需要。事实上，为了尽量减少热量损失，从而节约能源消耗、节省温室运行成本，冬季温室开窗通风的目的主要是排除室内湿气，降低室内空气相对湿度，而非补充室内CO₂。
从另一个角度看，即使温室能够与室外进行完全的空气交换，由于室外空气中CO₂浓度基本稳定在340 μmol/mol左右，温室内CO₂浓度最高也就只能与室外空气中CO₂浓度持平，要想进一步提高室内CO₂浓度仅靠自然通风已经无能为力了。
针对提高作物产量的生理研究和生产实践都证明，将室内CO₂浓度提高到600~800 μmol/mol可提高作物产量20%以上，而且对产品的品质也有显著提升。为此，有的生产者甚至建议在上午温光条件较好的时段将室内CO₂浓度提高到1000 μmol/mol以上。
从温室自然通风补给CO₂的能力和提高作物光合作用强度对CO₂需要两个方面综合考虑，温室配套CO₂补给系统是非常必要的，而且近年来中国引进荷兰种植模式新建的大面积商品化生产番茄的玻璃温室中基本都配置了CO₂供给系统。本文就笔者在近来调研中看到的各类温室中CO₂供给技术和设备做一总结和梳理，可供温室设计者和研究者借鉴和参考。
科学研究和生产实践早已确认了在温室中补充CO₂对加强作物光合作用提高产量和品质的作用，但选择什么样的碳源，用什么样的方式向温室补充CO₂却是一个经济、社会和技术综合平衡的结果。国内在温室CO₂施肥的问题上也做过很多研究和实践。早期的手段是在土壤中增施有机肥（包括秸秆反应堆技术），通过微生物分解有机质释放CO₂，后来还相继研究开发了化学方法（用硫酸或硝酸与碳酸钙或碳酸氢钠反应生成CO₂）、燃烧方法（燃烧柴油、煤油或沼气）等，生产中也使用过一种袋装的缓释CO₂颗粒肥，但这些方法调控不方便，使用中和使用后还可能有有毒有害残留，为此，有的温室生产者直接采用了瓶装液化CO₂向温室供应CO₂。液化CO₂虽然控制方便、气体成分纯洁，但使用成本较高，有些地方当地也没有供应渠道，所以在实际生产中应用很少。
荷兰采用天然气热水锅炉，将锅炉燃烧后的烟气回收进行温室CO₂施肥，在解决温室供暖的同时也解决了温室CO₂供应的问题；有的温室生产企业还采用热电联产技术，将发电、产热和回收利用CO₂三者结合，使燃烧天然气的能量和物质得到最大限度的挖掘利用，实现了能源的高效利用。
近年来国内引进荷兰温室及种植技术，同时也将天然气燃烧后的烟气回收用于温室白天CO₂施肥这一技术和设备一并引进（由于国内散户发电上网的国家政策执行中存在很大难度，热电联产技术和设备还没有引进），并在国内得到进一步的改进和发展，设备的国产化率也在不断提高。为了保证温室在非供暖季节室内CO₂的补给，引进荷兰温室设计中还配套了灌装液态CO₂供应系统。文章将重点针对大面积番茄生产连栋玻璃温室周年生产模式，采暖季节以天然气为燃料，从燃气锅炉烟气中回收利用CO₂、非采暖季节利用灌装液态CO₂这种联合供应CO₂的技术和设备进行总结和梳理。
天然气的主要成分为烷烃，其中甲烷占绝大多数（约占85%），另有少量的乙烷（9%）、丙烷（3%）和丁烷（1%）。按照标准的组分，1 Nm3天然气燃烧后除放出8000~8500 kcal热量（显热）外，还会产生1.16 m3的CO₂气体，如表1。
表1 1 Nm3天然气燃烧后产生CO2量计算表
以北京为例，一个生产季节1 hm2番茄生产温室天然气的消耗量约为30万Nm3，完全燃烧后将产生约35万m3（折合约250 t）CO₂。如果将这部分CO₂直接排向大气，大量的温室气体将给全球气候控制带来不利的影响，但如果将它全部释放在温室中用于作物的光合作用制造有机物质，则不仅减少了温室气体排放，而且还可提高作物产量，造福人类。所以，利用好燃气锅炉烟气中的CO₂不仅具有良好的经济效益，而且更具有巨大的生态效益。
按照光合作用的化学方程（式1），6摩尔当量的CO₂经过作物的光合作用后将能合成1摩尔当量的有机物质和6摩尔当量的氧气。尽管温室作物对空气中CO₂的固定率可能不足5%，但显著的作物增产却能给温室生产者带来明显的经济效益。
6CO2+6H2O→C6H12O6（CH2O）+6O2 （1）
回收燃气锅炉的烟气向温室供应CO₂，从工程上讲，就是将燃气锅炉排烟道内的烟气通过风机加压后送到温室中即可。但事实上，由于从燃气锅炉排烟道排出的烟气，一是高温气体，为节约能源一般还要配套余热回收装置，将烟气的温度由几百度降到几十度后再输送到温室，同时输送较低温度气体对输送管道的耐热要求也相应降低；二是由于天然气原料中一般还会有硫化氢、CO₂、氮、水汽和少量一氧化碳及微量的稀有气体，如氦和氩等，天然气在送到最终用户之前，为有助于泄漏检测，还要用硫醇、四氢噻吩等来给天然气添加气味，所以天然气燃烧后除了产生CO₂和水之外还会有硫化物、氮氧化物等有毒有害物质产生，如果在燃烧过程中出现不完全燃烧，烟气中还会有一氧化碳产生（式2），如果不加检验地直接将这些烟气送入温室，不仅不利于作物生长和工作人员的健康，而且也会腐蚀温室的结构和设备；三是如果直接在燃气锅炉的排烟道上安装风机向温室内输送CO₂将可能使锅炉的燃烧炉膛内形成负压，进一步加剧炉膛内燃气的不完全燃烧。
2CH4+3O2=2CO+4H2O （2）
为此，从燃气锅炉烟气中回收CO₂用于温室作物的CO₂施肥时，在锅炉的烟道上还应配置余热回收装置、烟气中有害物质监测设备和烟道减压设备等，如图1所示。
图1 锅炉烟气回收处理系统
余热回收装置
回收燃气热水锅炉烟气中的热量，就需要在锅炉的排烟管上安装余热回收装置。1 Nm3的天然气燃烧产生的热量为9450 kcal，其中显热8500 kcal，潜热950 kcal（潜热蕴含在水中，1 Nm3天然气完全燃烧后会产生1.66 kg水）。锅炉燃烧后的烟气温度在120~250℃，如果将烟气的温度降低到40~80℃，加装烟气余热回收装置后可回收8%~15%的显热和11%的潜热，而且还可以冷凝和回收水蒸气，减少后续向温室输送CO2过程中管道中水汽的凝结量。
余热回收的方式一般有气-气热交换和气-水热交换两种。所谓气-气热交换就是用冷空气来冷却锅炉排放的热烟气，在燃气锅炉系统中经过气-气热交换升温后的冷空气可作为天然气燃烧前的预热空气，与天然气混合后燃烧可提高燃料燃烧的效率。气-水热交换是用冷水来冷却锅炉排放的热烟气，气-水热交换后的温水可送入锅炉继续升温最终成为95℃高温水用于温室供暖；也可以作为与锅炉高温水（95℃）或者温室散热器的回水（75℃）混合用的低温水，混合后形成中温水（40~45℃），用于作物冠层内供热管的供热水；还可用于对天然气燃烧前混合冷空气的预热。具体采用哪种用途，可根据锅炉采暖系统设计的需要确定。目前大部分的余热回收基本采用气-水热交换的方式，经过热交换升温后的水则主要用于调节供暖管道中供热水的温度，或者回流到锅炉进一步升温后用于温室供暖。
国内外烟气余热回收装置大多采用金属换热材料，主要结构有回转式换热器、焊接板（管）换热器、热管换热器和热媒式换热器等。目前国内温室天然气供热系统烟气余热回收大都采用翅片管换热，低温水在翅片管内流动，高温烟气在翅片间流动，从而实现热烟气和低温水之间的高效换热。
有害物质监测与控制
经过余热回收降温除湿后的烟气，是否能作为温室光合作用的CO₂气体直接输送到温室还要看烟气中硫化物和氮氧化物的含量是否超标。如果有害物质浓度超过设定值，则余热回收后的烟气将通过自动控制系统控制三通阀门将烟气直接排入直通室外的烟囱而排向室外，如果有害气体浓度在设定控制范围之内，则三通阀门向温室输送CO₂的管路开通，烟气可输送到温室。
监测有害气体的方法是在余热回收装置烟道的出口端将烟气引入二氧化硫和氮氧化物探测器（图2），进行在线监测，测定的结果即时输入控制三通阀的自动控制系统，根据监测到的烟气中有害气体浓度，自动控制烟气的排向。监测到烟气中有害气体的浓度也同时输送到锅炉的控制系统，随即调节和控制燃烧器喷射天然气流量以及天然气与空气混合的比例，使之达到完全燃烧的最佳配比，保证天然气的充分燃烧，进而降低燃烧后烟气中有害物质的浓度。
图2 有害气体检测仪
控制烟气中有害气体浓度的方法，一是要选择优质的天然气，从源头上控制有害物质的含量；二是要选择优质的燃烧器及其控制系统，精准控制天然气和空气的混合浓度，保证天然气与空气充分混合，并完全燃烧。
天然气的质量主要以含硫量为判定依据。中国民用天然气的允许含硫量和对应1 Nm3天然气燃烧后释放的最大二氧化硫量如表2。将天然气燃烧后的烟气输送到温室生产中，大量的CO₂被作物吸收，但二氧化硫和氮氧化物则可能被富集，因此在实际生产中一是要在适当的时候开窗通风，排除富集的有害物质；二是要尽可能选择使用一类等级的天然气。
表2 1 Nm3不同等级天然气含硫量及完全燃烧后的二氧化硫量
控制天然气完全燃烧的措施，一是选择配套性能良好的燃烧器，保证天然气与空气的混合比例；二是要对进入燃烧室的空气进行预热。天然气与空气的混合一是要保证有充足的氧气；二是要保证天然气的浓度远离爆炸浓度（表3）。
表3 天然气不同成分的爆炸浓度
为了保证天然气的完全燃烧，有的设备配套企业将与天然气混合燃烧的自然空气改为了人工制备的纯氧和纯氮混合气体。虽然制备纯氧和纯氮需要再配套设备，而且也加大了锅炉的运行成本，但由于保证了天然气的完全燃烧，也省去烟道烟气中有害气体浓度的监测设备。对于大规模温室生产企业，由于满足白天供应CO₂需要启动的锅炉数量比满足热负荷需要启动的锅炉数少，所以，不一定每台锅炉都配备纯氧和纯氮制备设备。建设中只要对向温室白天供应CO₂的锅炉配套制备纯氧和纯氮的设备，其他锅炉甚至可以不用配套烟气回收设备，燃烧后的烟气可直接排放（这样做虽然节省了一些投资但也同时浪费了可利用的CO₂）。也有的企业将锅炉燃烧的烟气回收后压缩到高压罐中，可在白天温室不需要加热的时段停止锅炉运行而直接用压缩罐中的烟气向温室提供CO₂，从而使燃气的能量和物质得到更充分的利用（经济条件允许时尽量选择这种设备配备和运行方式）。当然，在未来的建设和生产中，如果能引进热电联产锅炉，将发电、供热与输送CO₂三位一体，则对天然气的开发利用将能达到“吃尽榨干”，从而实现天然气利用最好的经济、社会和生态效益。
烟道减压与CO₂主管道加压
锅炉中燃气从燃烧器喷出与进风口空气（或氧气与氮气混合气体）混合后在炉膛内燃烧形成烟气，烟气通过余热回收装置降温除湿后排向CO₂输送管道或室外，这个过程中所有气体都在一个封闭的正压空间中运行。由于温室中CO₂配送的距离长、面积大，所以从余热回收装置出来经过检验合格的CO₂在送入温室前必须在其主管道上增压才能保证CO₂在温室内的均匀输送和分布。但如果直接将输送进入温室的CO₂主管连接到封闭的烟气余热回收装置的排气口末端，在CO₂输送主管上的风机开启后将可能造成锅炉炉膛内出现负压而影响燃气不能充分燃烧，为此，在CO₂主管的加压风机前应开设一个进气口（图1），将管外空气引入管内并与锅炉燃烧后的烟气混合，形成空气和CO₂的混合气体再通过CO₂主管送入温室。通过调节空气和烟气进风口的比例，可控制锅炉炉膛和烟道内的压力，保证锅炉炉膛内燃气的充分完全燃烧。
室外温度较高的春秋季节和夏季，温室全天候不需要采暖，这时如果还采用燃气锅炉燃烧天然气产生CO₂的生产模式，大量的热量无法利用将会造成很大的浪费，从经济上分析也很不合算，为此，对于大规模周年生产温室，大都配备了液态CO₂罐来供应温室所需要的CO₂。
液态CO₂的密度为1.1 t/m3，除以分子量44为25 kmol。标准状态下，1 mol气体的体积为22.4 L，故1 m3液态CO₂转化为气态CO₂的体积将变为560 m3，或者说，1 t液态CO₂转化为气态CO₂的体积为509 m3。按照温室实际种植面积和室内设计CO₂浓度，可计算出温室每天气态CO₂的消耗量。根据气态CO₂的需求量折算为液态CO₂的体积或质量，即可按照供应周期确定液态CO₂罐的总容量。
液态CO₂相变为气态CO₂需要吸收大量的热量，所以，采用液态CO₂罐供应CO₂时除了要配套液态CO₂罐之外还要配套CO₂汽化器（图3）。具体配置方法可咨询专业的生产企业。
图3 液态CO2罐及其汽化器
CO₂在温室内的传输采用支管和毛管输送的方法。毛管为透明的塑料薄膜管道，管道上按照一定间距扎孔开设出风口，保证CO₂沿毛管长度方向均匀释放，一般毛管沿栽培架的长度方向布设，每个栽培架对应一条毛管。毛管可布置在栽培架的上方（图4a），也可以布置在栽培架的下方（图4b），还可以直接铺设在温室地面上（图4c）。
a. 输气管置于作物冠层之上
b. 输气管置于栽培架下方
c. 输气管置于地面
图4 CO₂输送毛管在温室中的布置
支管是从送入温室的CO₂主管上接出，一般垂直于栽培架布置在一条完整栽培架沿长度方向的中部，并埋设在地面以下，在每个栽培架的下部伸出分管与毛管相接（图4b）。分管连接在毛管的中部，从分管输出的CO₂气体向毛管两端输送。与分管连接毛管端部相比，这种连接方法可减少一半送风管道的送风动力，毛管输出的CO₂分布也更均匀。
在标准条件下（0℃，1个标准大气压），气态CO₂的容重为1.977 kg/m3，空气的容重为1.293 kg/m3。所以CO₂比空气略重，温室中CO₂一般会沉积在温室的下部。对于高架栽培的种植模式，如果CO₂大量集聚在栽培架下部而不是最大浓度分布在作物冠层和株间，叶片光合作用中将无法获得有效的CO₂。从这个角度讲，将CO₂输送毛管布置在作物冠层的上部，在CO₂下沉的过程中首先进入作物冠层，应该是一种比较快捷有效的供气方法，将CO₂毛管布置在栽培架下方或地面都不是最好的方法。
将CO₂供气毛管布置在作物冠层上方，一是需要配专门的吊线和挂钩；二是会遮挡一部分光照，所以，番茄生产企业大都还是将其布置在栽培床的下部。为了能将沉积在栽培床下部的CO₂扩散到作物冠层和株间，以便作物叶片能有效触及CO₂进行光合作用，在工程设计中，往往都配置室内空气循环风机来强制扰动气流运动，将沉积在栽培架下部的CO₂弥散到温室的整个空间中。
温室内扰流空气的方法有水平扰流和垂直扰流两种方式，相应配套水平环流风机（图5a）和垂直环流风机（图5b）。不论哪种形式的风机，其安装的位置都在温室的下弦杆下，借助下弦杆做支撑吊挂安装。
a. 水平环流风机
b. 垂直环流风机
c.套风管的垂直环流风机
图5 循环风机
为了提高水平环流风机的单机射程，一般风机上都加装风筒。风机之间的间距沿风向方向一般控制在20~25 m，每跨设置1组或2组，相邻两跨风机的风向应相向流动，这样扰流的作用更强。
垂直循环风机扰动气流运动的方向是从上往下，为了有效地将风机的风力输送到CO₂沉积的栽培架下部位置，有的生产者在风机上加装了引风套管（图5c），将风机更大的动力直接输送到CO₂富集区，在冲力的作用下将CO₂吹起并扩散到作物的叶面空间。但由于垂直引风管垂落在作物的行间或多或少会影响工人的作业，所以大部分的温室生产者并未安装这种引风风管。垂直循环风机的布置间距和位置基本与水平循环风机相同，不多赘述。