固定式膜分离制氮系统在横向通风仓房充环方式的改良*
2021-06-16俞鲁锋宋福亮钱程超张凯毅王启辉
俞鲁锋 徐 炜 宋福亮 岑 威 钱程超 张凯毅 徐 锐 王启辉
(浙江中穗省级粮食储备库 311201)
随着科技的进步和人们生活水平的不断提高，世界各国越来越重视食品安全和环境保护，化学药剂的使用日益受到限制，气调储粮成为世界上公认的绿色环保、安全有效的储粮害虫防治技术。该技术通过向密闭性能良好的粮仓内充入高浓度的CO2或N2，破坏虫霉的生存环境，达到抑制粮食呼吸，实现杀虫抑菌、延缓粮食品质劣变的作用，从而实现绿色储粮[1]。我国自2000年开始在国内大规模地推广应用气调储粮，各粮食企业采用变压吸附制氮机组和气囊密闭粮面的方法，在储粮害虫防治和粮食品质保持方面取得了显著效果，积累了相当多的气调操作方法和技术。
充氮气调作为绿色储粮的技术手段，已经在全国粮食储存企业普遍应用，我库是国内首家大规模运用固定式膜分离制氮系统、横向充环工艺进行充氮气调的粮食企业，在操作和工艺上借鉴了国内兄弟粮库的方法和经验，但由于制氮工艺的不同，在实际运作中仍存在较多的困难和问题，如何在横向通风仓房实现充环方式的改良，是目前我库仓储工作的重点。
1 项目的背景和意义
2019年12月我库完成整体迁建，新建的64幢仓房全部采用以横向通风为主要内容的“四合一”升级新技术，依托“风道上墙、机械作业、全程覆膜、负压通风、网络共享、功能互补、数据共享、智能监控”的集成系统[2]进行粮食储藏管理。我库作为国内首家大规模运用固定式膜分离制氮系统、横向充环工艺进行充氮气调的粮食企业，在2019年对12个仓房进行首次充氮气调，在膜分离制氮系统调试、工艺摸索的试用阶段，气调杀虫的最终结果不太理想，出现杀虫效果一般、粮堆内氮气分布不匀、出气端氮气浓度上升慢于整仓、充氮时间过长的问题。经过对制氮工艺、充环方式等的深入分析，我们对充氮作业、原环流系统存在的缺陷提出若干修改建议，本次试验针对充氮气调中充环工艺的进出口位置作了较大调整，从而改变膜下粮堆气流的运行轨迹，达到缩短充氮气调时间，提高氮气均匀度的目的。
2 试验材料
2.1 供试仓房
供试仓房为浙江中穗省级粮食储备库新建P11号仓和P21号仓。其中P11号仓为试验仓、P21号仓为对照仓，两个仓房规格相同，均为2019年度投入使用的、规格相同的采用横向通风技术的高大平房仓。基本情况见表1。
表1 供试仓房基本情况
2.2 储粮基本情况
试验仓房所储粮食均为2019年入库的早籼稻，储粮基本情况见表2。
表2 供试仓房储粮基本情况
2.3 主要仪器和设备
2.3.1 气调装置 我库采用CHMG-180智能充环气调膜分离制氮装置，氮气产量为180 Nm3/h～350 Nm3/h，氮气纯度≥99%(氧气纯度≤1%)，氮气出口压力：≥1.0 MPa。
2.3.2 环流风机 RT-H814BS-Z型风机，额定功率4 kW，最大风量530 m3/h。
2.3.3 其他设备 多参数粮情检测系统、AIPUINS便携式数字测氧仪1套、ALTAIR POR氧气报警仪、SCBA105M的空气呼吸器3套等。
2.4 仓内环流形式
试验仓和对照仓均采用横向通风风网(见图1)，通风途径比1.05∶1，风网安装于南北檐墙，共2条1/4圆主风道和43条半圆支风道。横向通风系统主风道为半径0.6 m的半“∩”形风道，高0.85 m；支风道为直径0.5 m的“∩”形风道，高0.36 m，长3.84 m，均固定于檐墙，支风道中距为1.5 m～2 m。
图1 横向通风风道示意图
对照仓P21号仓氮气进口与南侧主风道连接，出口(回流口)通过安装于粮面的PVC管道与北侧大门侧的两个支风道顶端连接。试验仓P11号仓在仓房外改变其进出管道方向，实现从北侧大门两支风道顶端进气，回流口设置在南侧主风道。
2.5 气体浓度检测点布置
仓内共布置25个测气点。在仓房四角及中心各设上中下3个点，共计15个；在粮堆南侧和北侧的上层各设3个点，共计6个；在粮堆中心点的东西两侧上、中层各设1点，共计4个点，其中25号点处在粮面以上薄膜以下用于检测膜下浓度。情况如图2。
图2 气体浓度检测点示意图
2.6 粮堆密闭及气密性检测
粮堆表面、入粮门及通风口均采用塑料双槽管、五层共挤茂金丝气调专用膜进行密闭。按照《粮油储藏平房仓气密性要求》(GB/25229-2010)进行测定，要求仓内实仓气密性须达到气调仓一级标准(-300 Pa～150 Pa的半衰期300 s)以上，经测定，P11号仓气密性为367 s，P21号仓气密性为300 s。
2.7 试虫笼布设及杀虫效果检测
在待气调的粮堆内筛取部分害虫，选取活动正常的个体装入试虫笼，并放置适当的饲料制作试虫笼，在粮堆表面以梅花布点的形式，共布设试虫笼5只；在氮气回流侧的粮堆中下层布设试虫笼6只，整个粮堆共布设试虫笼11只。在充氮气调结束及揭膜散气后检查试虫笼内的害虫存活情况，根据试虫笼中害虫的死亡情况评价气调杀虫的效果。
3 试验方法
3.1 充氮方法
3.1.1 试验方法 对照仓采用的充环方式为南进北回的循环模式(图3)，从仓房南侧的主风道充入氮气，自南向北穿过粮堆，再从仓房北侧中间两支风道顶端通过Φ200 mm的横向PVC管道，经由仓外的环流风机排出并送入回气管路循环使用。
图3 南进北回充氮模式纵剖面
图4 南进北回充氮模式横剖面
试验仓改用北进南回的循环模式(图5)，从仓房南侧预埋出气管道进气，经由Φ200 mm的横向PVC管道向仓房北侧的主支风道充入氮气，自北向南穿过粮堆，再从仓房南侧的主风道经由仓外的环流风机排出并送入原进气管路循环使用。
图5 北进南回充氮模式横剖面
图6 北进南回充氮模式纵剖面
3.1.2 操作方案 试验仓与对照仓分别按两个浓度阶段进行充氮，第一阶段粮堆平均氮气浓度从79%提升到95%，制氮机设定的氮气浓度为98%左右，产量230 Nm3/h；第二阶段，氮气浓度从95%提升到98%，制氮机生产的氮气浓度为99%以上，产量180 Nm3/h。气调仓内一直保持10 Pa～15 Pa的微正压状态，长时间压制气调专用薄膜紧贴粮面，期间通过仓内监控系统对仓内情况进行监视，一旦发现气调专用薄膜出现鼓膜现象，立即通过远程系统调节环流风机的运行频率，加大回流气量、调节堆内压力、促使薄膜重新紧贴粮面，避免出现气流短路，提高充氮效率。第三阶段粮堆平均浓度达到98%及以上时，制氮机生产的氮气浓度仍为99%以上，产量180 Nm3/h进行鼓膜作业，2 h后在粮堆上方形成明显的气囊后停止作业。
3.2 试验数据分析
3.2.1 氮气浓度平均值 从表3、表4对比可知，在充氮气调8 h，P11号仓平均浓度比P21号仓高2.5个百分点，各截面的浓度接近，呈现进气面浓度高、出气面浓度低，表层浓度高、底层浓度低的趋势，且粮堆中间纵切面的浓度远远高于P21号仓。由于更换进气部位后，两侧风网间产生的压差增大，高浓度氮气运动锋面推进更快更远的粮堆部位。充氮气调16 h，P11号仓平均浓度比P21号仓高1.6个百分点，P11号仓表层和底层的差值较小仅为0.8个百分点，而P21号仓差值达2.2个百分点，说明P11号仓的氮气能在垂直方向上较好的均匀分布。在充氮气调24 h后P11号仓平均浓度达98%，而P21号仓在充氮气调32 h后仍然只有96%。
表3 P11号仓各截面平均浓度变化 (单位：%)
表4 P21号仓各截面平均浓度变化 (单位：%)
3.2.2 氮气浓度均匀性
其中：xi——任意检测点浓度；
A——所有检测点的平均浓度。
由表5、表6可知，在整个充氮过程中，两仓粮堆各个截面的氮气浓度以不同的速率提升。在充氮过程中P11号仓各截面的氮气平均浓度和均匀度均高于P21号仓，特别是粮堆底层和出气面这两个平均浓度和均匀度较低的截面。说明P11号仓在底层和出气口等部位存在的氮气低浓度部位较少，氮气能够在粮堆内较均匀且快速的分布，而P21号仓存在较多氮气低浓度区，特别是底部，氮气难以到达。
表5 P11号仓各截面浓度均匀度 (单位：%)
表6 P21号仓各截面浓度均匀度 (单位：%)
3.2.3 能耗
P11号仓氮气浓度充至98%，P21号仓氮气浓度充至96%，P11号仓的吨粮耗电量为P21号仓的75%，详情见表7。
表7 P11和P21仓充氮气调的吨粮能耗对比
P11号仓和P21号仓在高浓度氮气维持期间，只经过一次鼓膜作业阶段，该期间粮堆氮气浓度维持较好，在充氮气调结束后检查试虫笼内的虫害存活情况，虫笼内的害虫全部死亡，气调杀虫效果较好。
4 结论
试验结果表明，通过两个仓的数据对比，氮气管道改造后，改变了氮气进出口方向的P11号仓在充氮时间，氮气浓度、氮气均匀度、能耗等方面均优于P21号仓，时间缩短30%，浓度高2个百分点，均匀度略优，吨粮耗电量下降25%。同时在充氮过程及结果上我们可以得出以下几点结论：
①采用老工艺南进北回进行充氮气调时，从大门两侧的支风道进行大频率抽气回流时易造成大门位置负压较大、门窗密封薄膜拉脱，进而影响粮堆气密性，建议回流口应设置在与大门相反的部位或设置在主风道内。
②本次试验结果和预期一致，将氮气回流口设置在主风道上，可以使粮堆内气流轨迹更加合理，从而减少粮堆底层和回流口的氮气低浓度部位，提高整仓的氮气浓度和均匀度，充氮效率明显上升。
③进行横向充氮气调时要充分考虑粮堆主风道在横向风网中的主导地位，从仓房任意侧的主风道进行充氮和环流均可以取得较好的均匀性。
本次试验仅采用两个仓房对比，未考虑实施分别从南北两侧主风道进出气的试验项目，下一步将增加试验仓房，并对部分空仓风道进行升级改造，将北侧与支风道相连的回流管下移接入主风道并进行相关试验，若效果依旧明显，将在全库范围内进行横向充氮管道的升级改造。
