一种模拟地质封存CO₂泄漏的栽培箱的制作方法

专利名称：一种模拟地质封存CO₂泄漏的栽培箱的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及作物栽培箱，特别是指一种可以模拟植物根层土壤外源CO2侵入的作物栽培装置，主要用于温室气体减排背景下地质封存CO2可能产生的泄漏对农业的影响评估研究。
技术背景
二氧化碳捕获和封存(Carbon Capture and Storage,简称CCS),是指通过碳捕获技术，将工业和相关能源产业所生产的CO2分离出来，输送到一个封存地点，并且通过封存手段使其长期与大气隔绝的一个过程(IPCC，2005)。CCS被认为是一个新兴的、具有大规模碳减排潜力的技术。2010年12月，在墨西哥坎昆举行的联合国气候变化谈判大会通过了《将地质形式的CCS作为CDM项目活动》的协议，并承认“认识到地质形式CCS是实现大会最终目标的有关科技，并有可能成为减少温室气体排放的潜在手段之一”。同时，2011年12月，在南非德班召开的全球气候变化大会再次明确将CCS技术与CDM (清洁发展机制)等一并列举为未来全球CO2减排的主要措施，SBSTA (科技咨询附属机构)分会也就CCS项目在CDM下的方法学进行了进一步探索和讨论，预示着CCS将进入快速发展期。但是CCS技术存在泄漏的风险，一旦发生泄漏将会对地区甚至全球生态和大气环境造成不利影响。要实现CCS技术的大规模应用和项目部署，必须了解CO2泄漏可能造成的潜在安全隐患。目前用于模拟地质封存CO2泄漏对农业生态环境影响的研究主要分为天然排放源和人工泄漏源这两种思路。其中，天然CO2排放源主要包括蒸汽型地热、火山和热水型地热温泉等，然而这类天然试验地的影响规模较为单一和狭窄，无法模拟出工业级CCS封存库的效果，且试验地在研究前已长期暴露于高浓度CO2环境中，生态系统可能已经完成了适应和恢复过程，无法评估影响发生的代表性和全过程。而基于人工泄漏模拟装置的作物栽培平台，可以定量控制CO2的泄漏时机和程度，人工选择试验对象和规模，为提供了较多的研究情景，正逐渐成为研究地质封存CO2泄漏对农业生态系统影响的热点。现有的人工控制CO2泄漏模拟装置研究分别来自英国诺丁汉大学的人工土壤放气及响应检测(artificial soil gassing and response detection,简称 ASGARD)和美国蒙大拿州立大学的零排放研究及技术中心(zero emission research and technologycenter，简称ZERT)。英国诺丁汉大学在野外试验场地中使用低温的CO2气瓶保证气体供应，在气体流量控制器的控制下，利用垂直安放的底部带有圆孔的塑料管，向各试验小区中心地下60cm处通入纯净的CO2气体，结合GA2000气体仪，分析土壤C02/02浓度，并在地表安装0. 5m*0. 5m为单位的德尔格管(Draeger tubes)检测近地表CO2对植被的影响。美国蒙大拿州立大学设计了一个长97m的水平管道埋入地下2m处，管道两端各有一个长分别为12m和15m的不锈钢保护套，剩下的70m管道利用天然橡胶阻隔为6部分并设有裂缝，以供CO2的均匀泄漏。CO2气体来源于液态CO2气瓶，在流量控制仪的控制下以气态形式通入地下管道。这两者对深入研究泄漏CO2在近地表的时空变化起到了很好的作用。此类人工试验方法的构建思想以及基于现实模拟的特点，使其在未来评估CCS泄漏风险的研究方面具有十分重要的借鉴意义。然而，这些人工控制试验都存在特定性，泄漏速率恒定、单一，对现实可能泄漏情景的多样性考虑不够，其结果很难比对。
发明内容针对上述问题，本实用新型的主要目的在于设计一种可控速率的单点封存CO2泄漏作物栽培盆钵，模拟出多种地下封存CO2泄漏对地上作物影响的情景，进而提供一种装置简便、易操作，使得多泄漏速率、多作物类型的对比研究更接近于真实自然环境状况的模拟地质封存CO2泄漏的栽培箱。为实现上述功能，本实用新型提供了一种模拟地质封存CO2泄漏的栽培箱，包括箱主体、透气分隔板、气室进气系统、气室排水系统、观察窗以及移动固定机构，所述透气分隔板固定在箱主体内，透气分隔板上均匀设有多排圆形气孔，把整个箱主体分隔成上层的作物栽培土壤室和下层的CO2封存气体室。其中，所述透气分隔板上铺设有多层尼龙纱布。所述土壤室上方敞口，所述气体室除上面透气分隔板，其余面密封。气室进气系统连通气体室，包括依次连接的内气体导管、固定于气体室右侧板中上部中央的过壁接头、外气体导管、固定于所述移动固定机构上的气体流量计以及用于连接气路转换装置的气体导管。所述气室排水系统位于气体室下部，由固定于所述气室进气系统下方的过壁接头、铜质排水管以及控制阀门构成。所述箱主体为一个长方体盆钵，包括正面板、右侧板、背面板、左侧板和底板；所述透气分隔板固定在箱主体内中下部并与底板平行。所述观察窗位于所述箱主体的正面板，横跨所述透气分隔板上下的土壤室和气体室。采用了上述技术方案，本实用新型具有以下优点1、采用土壤栽培室和气体泄漏室上下两层独自分布的构造模式来实现农田土壤下的CCS封存库模拟，并且土室和气室之间的透气分隔板在保证土室土壤不下渗到气室的同时，又能使气室的CO2气体顺利、均匀地进入土室土壤中，有利于更准确地模拟地质封存CO2泄漏对地表农作物和土壤等的影响情况。2、箱体气室右侧壁进气口下方装有排水系统，解决气室排水和密闭的问题。3、箱体正面装有观察窗，有利于观察气室水位状况和土室土壤干湿度状况等。4、箱体主框架和透气分隔板结构简单，且均由PVC材料组成，具有强度高、泄漏速率易控制等优点。

图1是本实用新型的总体构造示意图。图2是本实用新型箱主体的正视图。图3是本实用新型箱主体的右视图。图4是本实用新型透气分隔板的俯视图。图5是本实用新型气室的剖视图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本实用新型模拟地质封存CO2泄漏的栽培箱包括一箱主体10，由5块PVC板无缝焊接而成的一个长方体盆钵，包括正面板11、右侧板12、背面板13、左侧板14和底板15 ;固定在箱主体10中下部的一透气分隔板20,以便把整个箱主体10分隔成上层的作物栽培土壤室(土室)和下层的CO2封存气体室(气室);安装在箱右侧板12的一气室进气系统30，为所模拟的CO2封存气室提供充足的CO2气体；安装在所述气室进气系统30正下方的一气室排水系统40，以解决气室排水和密闭的问题；一观察窗50，固定在箱主体正面板11中间，以观察气室水位状况和土室土壤干湿度状况；以及在所述箱主体10长方体框架的四个侧棱的中下部分别焊有的移动固定机构60，以便于移动满载箱主体10以及固定气体流量计34。其中，结合图4和图5，所述透气分隔板20以一块正方形PVC分隔板2 1为基板，分隔板21上均匀的设有多排圆形气孔22，同时在分隔板21上铺设有多层尼龙纱布23。其中，结合图5，所述气室进气系统30连通气体室，包括内气体导管31、固定于气室右侧板12中上部中央的一过壁接头32、气室外的外气体导管33、固定于所述移动固定机构60上的一气体流量计34及连接气路转换装置和CO2气瓶(图中未示)的气体导管35。其中，结合图5，所述气室排水系统40位于气体室下部，包括固定于气室右侧板12中下部的所述气室进气系统下方的一过壁接头42、一铜质排水管41及一阀门43。其中，所述观察窗50位于所述箱主体的正面板11，横跨所述透气分隔板20上下的土室和气室。在一个具体的实例中，结合图1来说明本实用新型的田间安装及具体动作方式。本实用新型的模拟地质封存CO2泄漏的栽培箱由上层土壤栽培部分和下层模拟气体泄漏部分组成。土壤栽培部分是由箱主体10和透气分隔板20共同隔出的上层土室，实验时用于装上土壤和栽培作物，并按照正常盆栽试验要求进行水肥管理。模拟气体泄漏部分包括透气分隔板20与箱主体10共同隔出下层气室，板上设有多排圆形气孔22，同时铺设有多层尼龙纱布23，以便保证土室土壤不下渗到气室的同时，又能使气室的CO2气体顺利、均匀地进入土室土壤中；气室进气系统30的气体流量计34，固定于移动固定机构60上，在向气室通气前连接外置的气路转换装置和CO2气瓶，可人工设定气体的泄漏速率大小，气室内气体导管31和气室外气体导管33通过固定于右侧板12中上部中央的过壁接头32相连可以保证气室的密封性；气室排水系统40，设有固定于所述气室进气系统30正下方的过壁接头42、铜质排水管41及阀门43，在气室水位过高时打开排水，其余时间关闭以保证气室密封性。下面描述本实用新型模拟地质封存CO2泄漏的一个具体过程预先把箱主体10移动到计划栽培作物的大田环境里，土壤取自当地，并尽可能保持原状土，避免对土壤孔隙度、厚度和容重等物理性质的干扰，土壤和作物保持原态装入栽培箱上部土室内，可同时用多个栽培箱，模拟泄漏栽培箱个数和作物种植密度根据需要而定。连接好气路转换装置和CO2气瓶，开始泄漏模拟时，首先打开CO2气瓶，然后依据试验处理要求的泄漏速率来调节气体流量计34，并保持速率稳定；试验过程中，注意透过观察窗50关注气室水位，可通过打开阀门43进行排水，其余时间关闭。一般一个模拟泄漏栽培箱可以作为一个处理的一个重复，多个样点的观测需要同时设置多个本实用新型，随机 排列。
权利要求1.一种模拟地质封存CO2泄漏的栽培箱,其特征在于,包括箱主体、透气分隔板、气室进气系统、气室排水系统、观察窗以及移动固定机构，所述透气分隔板固定在箱主体内，透气分隔板上均匀设有多排圆形气孔，把整个箱主体分隔成上层的作物栽培土壤室和下层的 CO2封存气体室。
2.如权利要求1所述的模拟地质封存CO2泄漏的栽培箱，其特征在于，所述透气分隔板上铺设有多层尼龙纱布。
3.如权利要求1或2所述的模拟地质封存CO2泄漏的栽培箱，其特征在于，所述土壤室上方敞口，所述气体室除上面透气分隔板，其余面密封。
4.如权利要求3所述的模拟地质封存CO2泄漏的栽培箱，其特征在于，气室进气系统连通气体室，包括依次连接的内气体导管、固定于气体室右侧板中上部中央的过壁接头、外气体导管、固定于所述移动固定机构上的气体流量计以及用于连接气路转换装置的气体导管。
5.如权利要求3所述的模拟地质封存CO2泄漏的栽培箱，其特征在于，所述气室排水系统位于气体室下部，由固定于所述气室进气系统下方的过壁接头、铜质排水管以及控制阀门构成。
6.如权利要求3所述的模拟地质封存CO2泄漏的栽培箱，其特征在于，所述箱主体为一个长方体盆钵，包括正面板、右侧板、背面板、左侧板和底板；所述透气分隔板与底板平行。
7.如权利要求6所述的模拟地质封存CO2泄漏的栽培箱，其特征在于，所述观察窗位于所述箱主体的正面板，横跨所述透气分隔板上下的土壤室和气体室。
专利摘要本实用新型公开了一种模拟地质封存CO2泄漏的栽培箱，属于地质封存安全性评估领域，包括箱主体、透气分隔板、气室进气系统、气室排水系统、观察窗以及移动固定机构，其中透气分隔板上均匀的凿有多排圆形气孔，并铺设有多层尼龙纱布，把整个箱主体分隔成上层的作物栽培土壤室和下层的CO2封存气体室；气室进气系统用于定量控制外源CO2气体进入气室。本实用新型用于模拟评估温室气体减排背景下的地质封存CO2泄漏对农业的影响，能取得较好的模拟效果，并具有结构简单、泄漏速率易控制等优点。
文档编号A01G9/20GK202842005SQ20122049670
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者马欣, 伍洋, 李玉娥, 万运帆, 田地 申请人:中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 马欣, 伍洋