氮氣氣調(diào)倉進氣量對糧堆氮氣濃度的影響

曹文杰，何國強，黃榮輝，李 明，江華邦，郭 超?

（1. 珠海市斗門區(qū)糧食收儲公司，廣東 珠海 519110；2. 廣東省糧食科學研究所糧食儲藏與害蟲防治研究室/廣東省糧食儲藏工程技術研究中心，廣東 廣州 510050）

通過人為向倉房內(nèi)部通入高濃度氮氣，使糧食處于高氮低氧氣的儲藏環(huán)境中，以達到抑制蟲霉生長、延緩糧食品質劣變的充氮氣調(diào)儲糧技術，是一項公認的綠色儲糧技術，受到人們的重視與推廣。氮氣氣調(diào)儲糧技術是我國長江流域及以南地區(qū)經(jīng)濟可行的糧油產(chǎn)后減損及綠色保鮮儲糧技術，與傳統(tǒng)儲糧技術相比，其優(yōu)勢明顯[1]。從上世紀六十年代末我國開展低氧儲糧技術試驗[2]，上世紀七十年代至九十年代期間國內(nèi)逐漸完善低氧儲糧技術理論和分子篩和膜分離等制氮設備，氮氣氣調(diào)儲糧逐漸開始規(guī)模化應用。

目前，國內(nèi)外儲糧科研工作者對氮氣氣調(diào)儲糧的研究較多，主要集中在氮氣氣調(diào)儲糧充氣方式、殺蟲效果和儲糧品質變化的研究，而關于氣調(diào)倉氮氣濃度維持方面的研究相對較少。隨著氮氣氣調(diào)在糧食儲藏中的擴大應用，糧堆中氮氣濃度是否達到設定的濃度成為氮氣氣調(diào)儲糧成功與否的關鍵因素[3]。孫相榮等[3]報道了不同糧種在氣調(diào)儲糧時所需要的氮氣量。張中等報道了移動式膜分離制氮設備充氮效率的研究，環(huán)流充氮模式下,回流氮氣濃度低于90%和在90%～95%之間時,設定制氮設備濃度和回流氮氣濃度差在 7%和3%～5%左右，充氮效果最佳，環(huán)流充氮有利于提高充氮效率和促進氮氣濃度的均勻分布[4]。黃祖亮等提到改進倉房氣密性可以提高氣調(diào)儲糧的效果[5]。此外，韓志強等研究報道了淺圓倉充氮過程中氮氣濃度分布規(guī)律，結果表明，在充氮結束后，氮氣在糧堆中分布均勻，均勻度達99.58%，不同糧層氮氣濃度基本上呈從上到下依次遞減的分布變化規(guī)律，只根據(jù)氮氣出口濃度不能代表糧堆內(nèi)各處濃度，不能以此來判定再次充氮的時間點，應該通過糧堆多點預埋管的氮氣濃度來判定[6]。此外，由于現(xiàn)有的糧食專用膜制氮設備存在產(chǎn)氣量小，充氮時間長、能耗高等問題，在一定程度上制約了充氮氣調(diào)的發(fā)展和推廣[4]。因此，開展氮氣氣調(diào)儲糧氮氣維持濃度方面的研究，合理利用制氮設備具有重要的意義。

本文采用上充下排的充氮方式，研究高大平房倉氮氣氣調(diào)儲糧氮氣維持濃度與時間的關系，分析早秈稻谷氣調(diào)倉在氣調(diào)儲糧過程所需要的氮氣量，探討糧堆中氮氣濃度與氮氣進氣量、糧堆溫度的關系，為高大平房合理使用氮氣氣調(diào)作業(yè)提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 實驗倉房及儲糧情況

某糧庫 4P1-1號高大平房倉，長 39 m，寬21 m，裝糧線高度7 m，墻體為490厚燒結頁巖實心磚，倉頂為自呼吸通風雙層板式屋蓋，倉架為鋼筋混凝土門式鋼架。

表1 4P1-1號倉儲糧情況統(tǒng)計

1.2 實驗器材和設備

LY-99.5-220型氮氣發(fā)生器，產(chǎn)氮量：220 Nm3/h，產(chǎn)氮濃度 99.5%：江陰隆耀機械制造有限公司；HA300-N2型氣體濃度檢測儀，精度±3% F.S：深圳市華瑞祥科技有限公司；CQMY型倉房氣密性測定裝置：河南未來機電工程有限公司；DP2000型智能數(shù)字微壓計：上海永智儀表設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 倉房氣密性測定

參照 GB/T 25229—2010《糧油儲藏 平房倉氣密性要求》[7]。

1.3.2 氮氣濃度檢測點的設置

氮氣濃度檢測點設置參照 GB/T 29890—2013《糧油儲藏技術規(guī)范》[8]，在倉房糧堆布置6個檢測點，其中 5個檢測點布置在糧面垂直向下1.5、2.5、3.5、5、6.5 m處，第6個點布置在氣囊中，用來檢測糧堆空間的氮氣濃度。濃度檢測從氣調(diào)次日開始，9:00定時檢測。

1.3.3 氣調(diào)充氮工藝及充氣實驗方案

采用膜分離制氮機，采用上充下排充氣方式，設置倉內(nèi)氮氣濃度為98%，待糧面氣囊縮小，倉內(nèi)氮氣濃度低于95%時，開啟氮氣制氮機組。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析，采用SPSS 17.0。

V1，充氣量，m3；V，糧堆體積V，m3；e，孔隙度，%。

2 結果與分析

2.1 4P1-1號倉氣密性分析

4P1-1號倉壓力從500 Pa降低至250 Pa所需時間，結果如表2所示。由表2可知，4P1-1號倉壓力半衰期為165 s，根據(jù)GB/T 25229《糧油儲藏 平房倉氣密性要求》，4P1-1號倉達到氣調(diào)倉三級要求。

表2 4P1-1號倉氣密檢測記錄表

2.2 氮氣氣調(diào)儲糧期間糧溫和氮氣濃度的變化

4P1-1號倉氮氣氣調(diào)儲糧實驗期間糧溫和氮氣濃度的變化情況見圖1、圖2所示。由圖1可知，氮氣氣調(diào)儲糧期間，倉外氣溫和倉內(nèi)溫度變化幅度較大，均先降低再升溫。其中倉外氣溫最高溫度31.1 ℃，最低氣溫8.5 ℃，而倉內(nèi)溫度最高27.8 ℃，最低14.8 ℃。平均糧溫為24.3 ℃，最高糧溫為25.7 ℃，最低糧溫為22.8 ℃。如圖2所示，倉內(nèi)氮氣濃度達到目標濃度98.0%后，隨著時間的延長氮氣濃度逐漸降低。從2018年5月至10月，氮氣濃度由97.1%降低至94.7%，降低量為2.4%，即4P1-1號倉月氮氣減少量為0.4%。從10月份起，持續(xù)的氮氣補氣，氮氣濃度由94.3%升高到 97.9%，然后氮氣濃度緩慢降低。實驗期間氮氣濃度最低為89.9%，最高濃度為97.9%。

圖1 4P1-1號倉倉內(nèi)外溫度、平均糧溫的變化

圖2 4P1-1號倉氮氣濃度的變化

2.3 氮氣充氣量與氮氣平均濃度的關聯(lián)性分析

4P1-1號倉不同時間氮氣補氣量和氮氣平均濃度的變化如圖2、圖3所示。由圖2可知，從2018年11月份至2019年5月份，不同月份補氣量不同，氮氣濃度的升高幅度存在差異，其中補氣量越大氮氣濃度升高的越高，2019年3月份氮氣濃度升高幅度最大，由 90.7%升高到 97.6%，升高幅度6.9%。結合表2，不同月份氮氣的補氣量與氮氣濃度的增加值有關系，其中當糧堆內(nèi)無氮氣補充進去時，氮氣濃度呈下降趨勢，如2019年2月份，糧堆內(nèi)氮氣濃度下降了1.6%；當糧堆內(nèi)氮氣月補氣量在 12.4%～23.6%時，氮氣濃度增加值在 0.1%～0.9%；當糧堆內(nèi)氮氣月補氣量在27.0%～28.3%時，氮氣濃度增加值在1.0%～3.9%；當糧堆內(nèi)氮氣月補氣量在 110.5%時，氮氣濃度增加值在6.9%。結合圖3可知，糧堆內(nèi)日氮氣充氣量并未導致糧堆氮氣濃度的升高。如2018年10月至2019年1月期間，日氮氣充氣量在250 m3以下的，糧堆內(nèi)氮氣濃度有可能降低，而日氮氣充氣量在300 m3以上的，糧堆內(nèi)氮氣濃度呈現(xiàn)升高現(xiàn)象。

圖3 4P1-1號倉不同日期氮氣補氣量和氮氣平均濃度的變化

表2 不同月份氮氣補氣量與濃度變化關系

2.4 氮氣充氣量與糧溫的關聯(lián)性分析

4P1-1號倉氮氣氣調(diào)儲糧實驗期間氮氣充氣對糧溫變化的影響見情況見圖4所示。由圖4可知，氮氣氣調(diào)儲糧期間，糧堆上層溫度變化較大，平均溫度為23.5 ℃，最高溫度為28.2 ℃，最低溫度為19.2 ℃。中層和下層溫度變化較小，平均溫度分別為23.4、26.1 ℃，最高溫度分別為23.9、26.7 ℃，最低溫度分別為22.3、25.4 ℃。結合圖1中實驗期間倉內(nèi)溫度和倉外溫度變化趨勢，糧堆上層溫度受到倉內(nèi)溫度和倉外溫度變化影響，氮氣充氣過程氮氣充氣量與糧溫無直接影響。

圖4 4P1-1號倉實驗期間氮氣充氣對上層中層下層糧溫變化影響

2.5 成本分析

4P1-1號倉氣調(diào)儲藏期間，全年開機時間累計194 h，每小時耗電60 ℃，每度電以0.7元計，儲藏成本為8 148元，即氣調(diào)儲藏保管成本每噸為 2.47元，而同樣倉型的熏蒸倉一年使用磷化鋁177 kg，每公斤磷化鋁按48元計，合計費用為8 496元。此外，使用磷化鋁熏蒸施藥、藥渣處理等人工費用2 376元，藥劑配送費用667元，即同樣倉型的熏蒸倉保管成本每噸為3.5元。早秈稻氣調(diào)充氮保管比使用磷化鋁熏蒸節(jié)約每噸1.03元。

3 結果與討論

在壓力半衰期為165 s的三級氣調(diào)倉，采用上充下排的充氮方式結果表明，倉內(nèi)氮氣濃度達到目標濃度 98.0%后，隨著時間的延長氮氣濃度逐漸降低，半年內(nèi)氮氣濃度由97.1%降低至94.7%，降低量為2.4%。從10月份起，持續(xù)的氮氣補氣，氮氣濃度由 94.3%升高到 97.9%，然后氮氣濃度緩慢降低。不同月份氮氣的補氣量與氮氣濃度的增加值有關系，其中當糧堆內(nèi)無氮氣補充進去時，氮氣濃度呈下降趨勢；當糧堆內(nèi)氮氣月補氣量在12.4%～23.6%時，氮氣濃度增加值在0.1%～0.9%；當糧堆內(nèi)氮氣月補氣量在 27.0%～28.3%時，氮氣濃度增加值在 1.0%～3.9%；當糧堆內(nèi)氮氣月補氣量在110.5%時，氮氣濃度增加值為6.9%。氮氣氣調(diào)儲藏過程，糧堆內(nèi)氮氣濃度是氮氣泄露量和補氣量平衡的結果，對內(nèi)氮氣濃度的升高要求氮氣的補氣量大于泄漏量。此外，氮氣充氣過程氮氣充氣量與糧溫無直接影響。

在生產(chǎn)實踐過程中，倉內(nèi)氮氣濃度設置目標濃度為 98.0%，但實驗期間氮氣平均濃度為94.3%，最高濃度為 97.9%，最低濃度為 89.9%，倉內(nèi)氮氣濃度隨著時間的延長濃度逐漸降低。根據(jù)Q/ZCL T8—2009《氮氣氣調(diào)儲糧技術規(guī)程（試行）》5.5.2.3款[9]，本實驗的三級氣調(diào)倉符合氣調(diào)儲藏要求。本文實驗后期在倉外通風管道外圍也發(fā)現(xiàn)少量書虱和扁谷盜類害蟲，那么在保管過程應密切關注外界害蟲侵入倉內(nèi)感染為害。此外，氣調(diào)儲藏過程對糧堆氣密性要求較高，而實踐中氣調(diào)儲藏過程糧堆內(nèi)害蟲發(fā)生情況無法有效的檢測，那么氣調(diào)儲藏過程害蟲檢測技術的開發(fā)將具有重要的意義。