固定式膜分離制氮系統(tǒng)在橫向通風(fēng)倉房充環(huán)方式的改良*

俞魯鋒 徐 煒 宋福亮 岑 威 錢程超 張凱毅 徐 銳 王啟輝

(浙江中穗省級糧食儲備庫 311201)

隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的不斷提高，世界各國越來越重視食品安全和環(huán)境保護(hù)，化學(xué)藥劑的使用日益受到限制，氣調(diào)儲糧成為世界上公認(rèn)的綠色環(huán)保、安全有效的儲糧害蟲防治技術(shù)。該技術(shù)通過向密閉性能良好的糧倉內(nèi)充入高濃度的CO2或N2，破壞蟲霉的生存環(huán)境，達(dá)到抑制糧食呼吸，實現(xiàn)殺蟲抑菌、延緩糧食品質(zhì)劣變的作用，從而實現(xiàn)綠色儲糧[1]。我國自2000年開始在國內(nèi)大規(guī)模地推廣應(yīng)用氣調(diào)儲糧，各糧食企業(yè)采用變壓吸附制氮機(jī)組和氣囊密閉糧面的方法，在儲糧害蟲防治和糧食品質(zhì)保持方面取得了顯著效果，積累了相當(dāng)多的氣調(diào)操作方法和技術(shù)。

充氮?dú)庹{(diào)作為綠色儲糧的技術(shù)手段，已經(jīng)在全國糧食儲存企業(yè)普遍應(yīng)用，我?guī)焓菄鴥?nèi)首家大規(guī)模運(yùn)用固定式膜分離制氮系統(tǒng)、橫向充環(huán)工藝進(jìn)行充氮?dú)庹{(diào)的糧食企業(yè)，在操作和工藝上借鑒了國內(nèi)兄弟糧庫的方法和經(jīng)驗，但由于制氮工藝的不同，在實際運(yùn)作中仍存在較多的困難和問題，如何在橫向通風(fēng)倉房實現(xiàn)充環(huán)方式的改良，是目前我?guī)靷}儲工作的重點(diǎn)。

1 項目的背景和意義

2019年12月我?guī)焱瓿烧w遷建，新建的64幢倉房全部采用以橫向通風(fēng)為主要內(nèi)容的“四合一”升級新技術(shù)，依托“風(fēng)道上墻、機(jī)械作業(yè)、全程覆膜、負(fù)壓通風(fēng)、網(wǎng)絡(luò)共享、功能互補(bǔ)、數(shù)據(jù)共享、智能監(jiān)控”的集成系統(tǒng)[2]進(jìn)行糧食儲藏管理。我?guī)熳鳛閲鴥?nèi)首家大規(guī)模運(yùn)用固定式膜分離制氮系統(tǒng)、橫向充環(huán)工藝進(jìn)行充氮?dú)庹{(diào)的糧食企業(yè)，在2019年對12個倉房進(jìn)行首次充氮?dú)庹{(diào)，在膜分離制氮系統(tǒng)調(diào)試、工藝摸索的試用階段，氣調(diào)殺蟲的最終結(jié)果不太理想，出現(xiàn)殺蟲效果一般、糧堆內(nèi)氮?dú)夥植疾粍颉⒊鰵舛说獨(dú)鉂舛壬仙谡麄}、充氮時間過長的問題。經(jīng)過對制氮工藝、充環(huán)方式等的深入分析，我們對充氮作業(yè)、原環(huán)流系統(tǒng)存在的缺陷提出若干修改建議，本次試驗針對充氮?dú)庹{(diào)中充環(huán)工藝的進(jìn)出口位置作了較大調(diào)整，從而改變膜下糧堆氣流的運(yùn)行軌跡，達(dá)到縮短充氮?dú)庹{(diào)時間，提高氮?dú)饩鶆蚨鹊哪康摹?/p>

2 試驗材料

2.1 供試倉房

供試倉房為浙江中穗省級糧食儲備庫新建P11號倉和P21號倉。其中P11號倉為試驗倉、P21號倉為對照倉，兩個倉房規(guī)格相同，均為2019年度投入使用的、規(guī)格相同的采用橫向通風(fēng)技術(shù)的高大平房倉?；厩闆r見表1。

表1 供試倉房基本情況

2.2 儲糧基本情況

試驗倉房所儲糧食均為2019年入庫的早秈稻，儲糧基本情況見表2。

表2 供試倉房儲糧基本情況

2.3 主要儀器和設(shè)備

2.3.1 氣調(diào)裝置 我?guī)觳捎肅HMG-180智能充環(huán)氣調(diào)膜分離制氮裝置，氮?dú)猱a(chǎn)量為180 Nm3/h～350 Nm3/h，氮?dú)饧兌取?9%(氧氣純度≤1%)，氮?dú)獬隹趬毫Γ骸?.0 MPa。

2.3.2 環(huán)流風(fēng)機(jī) RT-H814BS-Z型風(fēng)機(jī)，額定功率4 kW，最大風(fēng)量530 m3/h。

2.3.3 其他設(shè)備 多參數(shù)糧情檢測系統(tǒng)、AIPUINS便攜式數(shù)字測氧儀1套、ALTAIR POR氧氣報警儀、SCBA105M的空氣呼吸器3套等。

2.4 倉內(nèi)環(huán)流形式

試驗倉和對照倉均采用橫向通風(fēng)風(fēng)網(wǎng)(見圖1)，通風(fēng)途徑比1.05∶1，風(fēng)網(wǎng)安裝于南北檐墻，共2條1/4圓主風(fēng)道和43條半圓支風(fēng)道。橫向通風(fēng)系統(tǒng)主風(fēng)道為半徑0.6 m的半“∩”形風(fēng)道，高0.85 m；支風(fēng)道為直徑0.5 m的“∩”形風(fēng)道，高0.36 m，長3.84 m，均固定于檐墻，支風(fēng)道中距為1.5 m～2 m。

圖1 橫向通風(fēng)風(fēng)道示意圖

對照倉P21號倉氮?dú)膺M(jìn)口與南側(cè)主風(fēng)道連接，出口(回流口)通過安裝于糧面的PVC管道與北側(cè)大門側(cè)的兩個支風(fēng)道頂端連接。試驗倉P11號倉在倉房外改變其進(jìn)出管道方向，實現(xiàn)從北側(cè)大門兩支風(fēng)道頂端進(jìn)氣，回流口設(shè)置在南側(cè)主風(fēng)道。

2.5 氣體濃度檢測點(diǎn)布置

倉內(nèi)共布置25個測氣點(diǎn)。在倉房四角及中心各設(shè)上中下3個點(diǎn)，共計15個；在糧堆南側(cè)和北側(cè)的上層各設(shè)3個點(diǎn)，共計6個；在糧堆中心點(diǎn)的東西兩側(cè)上、中層各設(shè)1點(diǎn)，共計4個點(diǎn)，其中25號點(diǎn)處在糧面以上薄膜以下用于檢測膜下濃度。情況如圖2。

圖2 氣體濃度檢測點(diǎn)示意圖

2.6 糧堆密閉及氣密性檢測

糧堆表面、入糧門及通風(fēng)口均采用塑料雙槽管、五層共擠茂金絲氣調(diào)專用膜進(jìn)行密閉。按照《糧油儲藏平房倉氣密性要求》(GB/25229-2010)進(jìn)行測定，要求倉內(nèi)實倉氣密性須達(dá)到氣調(diào)倉一級標(biāo)準(zhǔn)(-300 Pa～150 Pa的半衰期300 s)以上，經(jīng)測定，P11號倉氣密性為367 s，P21號倉氣密性為300 s。

2.7 試蟲籠布設(shè)及殺蟲效果檢測

在待氣調(diào)的糧堆內(nèi)篩取部分害蟲，選取活動正常的個體裝入試蟲籠，并放置適當(dāng)?shù)娘暳现谱髟囅x籠，在糧堆表面以梅花布點(diǎn)的形式，共布設(shè)試蟲籠5只；在氮?dú)饣亓鱾?cè)的糧堆中下層布設(shè)試蟲籠6只，整個糧堆共布設(shè)試蟲籠11只。在充氮?dú)庹{(diào)結(jié)束及揭膜散氣后檢查試蟲籠內(nèi)的害蟲存活情況，根據(jù)試蟲籠中害蟲的死亡情況評價氣調(diào)殺蟲的效果。

3 試驗方法

3.1 充氮方法

3.1.1 試驗方法 對照倉采用的充環(huán)方式為南進(jìn)北回的循環(huán)模式(圖3)，從倉房南側(cè)的主風(fēng)道充入氮?dú)猓阅舷虮贝┻^糧堆，再從倉房北側(cè)中間兩支風(fēng)道頂端通過Φ200 mm的橫向PVC管道，經(jīng)由倉外的環(huán)流風(fēng)機(jī)排出并送入回氣管路循環(huán)使用。

圖3 南進(jìn)北回充氮模式縱剖面

圖4 南進(jìn)北回充氮模式橫剖面

試驗倉改用北進(jìn)南回的循環(huán)模式(圖5)，從倉房南側(cè)預(yù)埋出氣管道進(jìn)氣，經(jīng)由Φ200 mm的橫向PVC管道向倉房北側(cè)的主支風(fēng)道充入氮?dú)猓员毕蚰洗┻^糧堆，再從倉房南側(cè)的主風(fēng)道經(jīng)由倉外的環(huán)流風(fēng)機(jī)排出并送入原進(jìn)氣管路循環(huán)使用。

圖5 北進(jìn)南回充氮模式橫剖面

圖6 北進(jìn)南回充氮模式縱剖面

3.1.2 操作方案 試驗倉與對照倉分別按兩個濃度階段進(jìn)行充氮，第一階段糧堆平均氮?dú)鉂舛葟?9%提升到95%，制氮機(jī)設(shè)定的氮?dú)鉂舛葹?8%左右，產(chǎn)量230 Nm3/h；第二階段，氮?dú)鉂舛葟?5%提升到98%，制氮機(jī)生產(chǎn)的氮?dú)鉂舛葹?9%以上，產(chǎn)量180 Nm3/h。氣調(diào)倉內(nèi)一直保持10 Pa～15 Pa的微正壓狀態(tài)，長時間壓制氣調(diào)專用薄膜緊貼糧面，期間通過倉內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)對倉內(nèi)情況進(jìn)行監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)氣調(diào)專用薄膜出現(xiàn)鼓膜現(xiàn)象，立即通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)調(diào)節(jié)環(huán)流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，加大回流氣量、調(diào)節(jié)堆內(nèi)壓力、促使薄膜重新緊貼糧面，避免出現(xiàn)氣流短路，提高充氮效率。第三階段糧堆平均濃度達(dá)到98%及以上時，制氮機(jī)生產(chǎn)的氮?dú)鉂舛热詾?9%以上，產(chǎn)量180 Nm3/h進(jìn)行鼓膜作業(yè)，2 h后在糧堆上方形成明顯的氣囊后停止作業(yè)。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

3.2.1 氮?dú)鉂舛绕骄?從表3、表4對比可知，在充氮?dú)庹{(diào)8 h，P11號倉平均濃度比P21號倉高2.5個百分點(diǎn)，各截面的濃度接近，呈現(xiàn)進(jìn)氣面濃度高、出氣面濃度低，表層濃度高、底層濃度低的趨勢，且糧堆中間縱切面的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于P21號倉。由于更換進(jìn)氣部位后，兩側(cè)風(fēng)網(wǎng)間產(chǎn)生的壓差增大，高濃度氮?dú)膺\(yùn)動鋒面推進(jìn)更快更遠(yuǎn)的糧堆部位。充氮?dú)庹{(diào)16 h，P11號倉平均濃度比P21號倉高1.6個百分點(diǎn)，P11號倉表層和底層的差值較小僅為0.8個百分點(diǎn)，而P21號倉差值達(dá)2.2個百分點(diǎn)，說明P11號倉的氮?dú)饽茉诖怪狈较蛏陷^好的均勻分布。在充氮?dú)庹{(diào)24 h后P11號倉平均濃度達(dá)98%，而P21號倉在充氮?dú)庹{(diào)32 h后仍然只有96%。

表3 P11號倉各截面平均濃度變化 (單位：%)

表4 P21號倉各截面平均濃度變化 (單位：%)

3.2.2 氮?dú)鉂舛染鶆蛐?/p>

其中：xi——任意檢測點(diǎn)濃度；

A——所有檢測點(diǎn)的平均濃度。

由表5、表6可知，在整個充氮過程中，兩倉糧堆各個截面的氮?dú)鉂舛纫圆煌乃俾侍嵘?。在充氮過程中P11號倉各截面的氮?dú)馄骄鶟舛群途鶆蚨染哂赑21號倉，特別是糧堆底層和出氣面這兩個平均濃度和均勻度較低的截面。說明P11號倉在底層和出氣口等部位存在的氮?dú)獾蜐舛炔课惠^少，氮?dú)饽軌蛟诩Z堆內(nèi)較均勻且快速的分布，而P21號倉存在較多氮?dú)獾蜐舛葏^(qū)，特別是底部，氮?dú)怆y以到達(dá)。

表5 P11號倉各截面濃度均勻度 (單位：%)

表6 P21號倉各截面濃度均勻度 (單位：%)

3.2.3 能耗

P11號倉氮?dú)鉂舛瘸渲?8%，P21號倉氮?dú)鉂舛瘸渲?6%，P11號倉的噸糧耗電量為P21號倉的75%，詳情見表7。

表7 P11和P21倉充氮?dú)庹{(diào)的噸糧能耗對比

P11號倉和P21號倉在高濃度氮?dú)饩S持期間，只經(jīng)過一次鼓膜作業(yè)階段，該期間糧堆氮?dú)鉂舛染S持較好，在充氮?dú)庹{(diào)結(jié)束后檢查試蟲籠內(nèi)的蟲害存活情況，蟲籠內(nèi)的害蟲全部死亡，氣調(diào)殺蟲效果較好。

4 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，通過兩個倉的數(shù)據(jù)對比，氮?dú)夤艿栏脑旌?，改變了氮?dú)膺M(jìn)出口方向的P11號倉在充氮時間，氮?dú)鉂舛?、氮?dú)饩鶆蚨取⒛芎牡确矫婢鶅?yōu)于P21號倉，時間縮短30%，濃度高2個百分點(diǎn)，均勻度略優(yōu)，噸糧耗電量下降25%。同時在充氮過程及結(jié)果上我們可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

①采用老工藝南進(jìn)北回進(jìn)行充氮?dú)庹{(diào)時，從大門兩側(cè)的支風(fēng)道進(jìn)行大頻率抽氣回流時易造成大門位置負(fù)壓較大、門窗密封薄膜拉脫，進(jìn)而影響糧堆氣密性，建議回流口應(yīng)設(shè)置在與大門相反的部位或設(shè)置在主風(fēng)道內(nèi)。

②本次試驗結(jié)果和預(yù)期一致，將氮?dú)饣亓骺谠O(shè)置在主風(fēng)道上，可以使糧堆內(nèi)氣流軌跡更加合理，從而減少糧堆底層和回流口的氮?dú)獾蜐舛炔课?，提高整倉的氮?dú)鉂舛群途鶆蚨?，充氮效率明顯上升。

③進(jìn)行橫向充氮?dú)庹{(diào)時要充分考慮糧堆主風(fēng)道在橫向風(fēng)網(wǎng)中的主導(dǎo)地位，從倉房任意側(cè)的主風(fēng)道進(jìn)行充氮和環(huán)流均可以取得較好的均勻性。

本次試驗僅采用兩個倉房對比，未考慮實施分別從南北兩側(cè)主風(fēng)道進(jìn)出氣的試驗項目，下一步將增加試驗倉房，并對部分空倉風(fēng)道進(jìn)行升級改造，將北側(cè)與支風(fēng)道相連的回流管下移接入主風(fēng)道并進(jìn)行相關(guān)試驗，若效果依舊明顯，將在全庫范圍內(nèi)進(jìn)行橫向充氮管道的升級改造。