高炉热风系统工艺流程图（温室液态CO2供气系统要点）

CO2施肥是大规模连栋温室番茄长季节栽培不可或缺的生产条件之一。虽然温室生产中CO2施肥的方式有多种，但目前中国建设生产番茄的大规模连栋温室中大量使用且经济有效的CO2施肥方式还是采用以天然气为燃料的锅炉热气联供模式，即利用锅炉加热过程中燃烧天然气的尾气，经检验合格后直接导入温室进行CO2施肥。本文主要总结液态CO2的储存、气化和调压设备，可供温室设计者参考。

温室液态CO2供气系统的组成

一套完整的液态CO2供气系统一般由液态CO2储液罐、为长时间保持液态CO2低温的制冷系统、液态CO2气化设备、气态CO2升温设备、气态CO2调压稳压设备、气态CO2缓存设备、气态CO2在温室内的输送与布施管道以及各设备间的连接管路与控制设备等。

液态CO2供气流程示意图

CO2储液罐

CO2在常温常压下是气体，要保持其液相状态必须要保持其始终处于特定的温度和压力环境中。储液罐内保持CO2液态的温度必须处于-56.6~31.1℃范围内。保持CO2为液相状态，除了温度要求外，尚需要相应的压力。只有在温度低于临界温度且压力高于临界压力时，CO2才能保持液相状态。不同温度下CO2保持液相的临界压力曲线如下图，随着温度的升高，对应临界压力也不断增大，因此生产中尽量以低温状态储存CO2。

CO2 液相临界压力与温度

根据液态CO2储液对温度和压力的要求，储液罐必须具有耐低温和承受高压的能力，此外，在材料选择上还必须具有对CO2的抗腐蚀能力。为此，CO2储液罐一般采用双层圆筒形结构，内筒材料为l6MnDR优质合金钢，外筒材料为Q235B优质碳素钢。圆筒结构抗压能力强，双层中空结构保温隔热能力强。为增强筒体的保温隔热能力，双层筒体间层采用高真空珠光砂填充或在筒体外表面进行多层包扎保温。珠光砂是一种轻质绝热材料，其松散容重为35~60 kg/m3，压实容重为45~70 kg/m3，导热系数为0.022~0.026 W/(m•K)。对筒体间层的真空度要求在5 Pa以下，随储液罐的容积不同而有变化。

液态 CO2 罐筒体间层真空度要求

CO2储液罐必须安装液体进出、气体进出的管路以及保证安全运行的各种监测和控制设备。其中连接管道包括进液管、排液管、出气管和回气管；测控设备包括真空度测控、液位测控、充满度测控和外壳防爆阀门等。

CO2 储液罐结构及配套管路

液态CO2罐的常用规格根据有效容积从5~100 m3不等，不同规格的储液罐的外形参数和重量参见下表。

液态 CO2 罐常用规格

对温室面积较大或者供应液态CO2不方便的地方，CO2储液罐一般应配置2台，可以1备1用，也可以在用气高峰时2台罐同时使用。如果温室面积较小，或者供应液态CO2的渠道或途径很方便，也可以配套1台储液罐，并根据罐体内液位的变化定期或随时向罐体补充液态CO2。

CO2 储液罐的配置形式

气化设备

气化器是将液态CO2加热相变为气态CO2的设备。加热的方式可以是间接的（蒸气加热式气化器、热水水浴式气化器、自然通风空浴式气化器、强制通风式气化器、电加热式气化器、固体导热式气化器或传热流体），也可以是直接的（热气或浸没燃烧）。在设计和选择气化设备前，首先要明确气化设备的耗热量，据此来选择和确定气化器需要的散热片数量和/或加热器功率。

气化设备耗热量

将液态CO2气化为常温的气态CO2需要经历两个阶段：第一阶段是将液态CO2气化为同温度的低温气态CO2；第二阶段是将低温的气态CO2升温到常温。在这两个阶段中，需要外部的总热量为：

Q=Q1 Q2（1）

式中，Q—CO2从液态气化到常温气体所需要的总热量（kJ或kcal，1 kJ=0.2389 kcal）；Q1—CO2从液态气化为同温度气态所需要的热量（kJ或kcal），是气化的潜热部分，亦称气化潜热；Q2—低温的气态CO2升温到常温所需要的热量（kJ或kcal），是气化的显热部分。气化需要的潜热量按照CO2的气化潜热可按式（2）计算：

Q1=m×r（2）

式中，m—气化CO2的质量（kg）；r—单位质量CO2的气化潜热（kJ/kg或kcal/kg），不同温度下CO2的气化潜热如图5，具体取值应按CO2储液罐的储液温度确定，储液温度一般取-30~-40℃，相应气化潜热在300~320 kJ/kg。

不同温度下 CO2 汽化潜热

将气化后的低温CO2气体加热到常温，所需要的热量可按式（3）计算：

不同温度下 CO2 气体容重

不同温度下 CO2 气体比热容 不同温度下 CO2 气体比热容

气化设备选型

目前周年生产番茄等果菜作物的大规模连栋温室，采用液态CO2供气的气化器主要有两类：空浴式气化器和水浴式气化器。

空浴式气化器

空浴式气化器是利用空气对流加热低温液态CO2使其气化成常温气体的换热设备。液态CO2在盘管中流动，吸收空气中热量，一方面提高液态CO2的液相温度，另一方面则是吸收热量实现CO2相变。由于相变需要的热量远大于液相升温所需要的热量，所以，在散热器设计中散热片的面积可只按相变需要的气化潜热按式（4）进行计算。

式中，F —空浴器散热片总面积（m2）；K—散热片传热系数[kcal/（m2.h.℃）]，根据散热器的材料和形式，查阅相关设计手册或咨询产品制造企业确定；△T—为空浴器外部空气温度与空浴器内CO2之间的温度差，由于空浴器内CO2的温度随其在散热片内的流动不断在提高，不是一个定值，所以该温差应按照式（5）的对数温差法计算：

式中，t 0—气化器工作期间的室外空气温度（℃），为保证换热的效率，一般要求t 0应大于t 2至少10℃，如果气化器工作期间的室外温度较低，应将CO2的气化分为两个阶段进行，即在低温气化的基础上再增设一个强制加温的阶段或设置缓冲罐进行二次升温。

由式（4）计算出的散热片面积除以管道单位长度的表面积，即得到散热管的总长度。为了加强换热，换热管的外侧一般都加装了星形翅片，目前最常用的是8翅片结构，另外还有12翅片和4翅片结构，不同翅片结构传热性能的差异表现在传热系数K 的不同。

求得散热管总长后可按流体单程流动的方式，将散热管分成若干组，再将多组散热器组成一套气化器，如果1套气化器不能满足供气要求时，可配置多套气化器。

空浴式气化器

水浴式气化器

大型连栋温室CO2供气系统中使用的水浴式气化器主要为电加热气化器。其作用可分为两种：一种是加热液态CO2使之转化为气态CO2，直接供温室使用；另一种是作为空浴式气化器的补充，将空浴式气化器气化后的低温CO2气体加热升温，使之达到供应温室要求的温度，主要应用在CO2液态罐使用期间室外温度较低的地区。

电热水浴气化器

减压稳压设备

经过气化器气化的气态CO2为常温高压气体，在接入CO2缓存罐或温室输送主管前应配置减压稳压阀。温室CO2供气系统常用的减压稳压阀主要采用自力式调压阀。一般应设计双路压力调节阀，对于可靠度要求不高的温室工程也可以采用单路压力调节阀，以节约建设投资。

双路并联减压阀

单路减压阀

自力式压力调节阀是由执行器和阀门两部分组成。执行器是由橡胶薄膜、调节弹簧等零部件组成，调节弹簧主要用来调整压力参数，和控制的压力保持平衡。自力式压力调节阀无需外加能源，利用被调介质自身能量动力源，引入执行机构控制阀芯位置，改变两端的压差和流量，使阀前（或阀后）压力稳定。具有动作灵敏，密封性好，压力设定点波动小等优点，广泛应用于气体、液体及蒸汽介质减压稳压或泄压稳压的自动控制。

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