富氮低氧“充環(huán)”氣調(diào)儲糧工藝的研發(fā)及應(yīng)用試驗(yàn)

李 濤 ，俞旭龍 ，吳獻(xiàn)民 ，徐軍玲 ，曹 陽 ，趙會義

（1.義烏市糧食收儲有限公司，浙江 義烏 322000；2.國家糧食局科學(xué)研究院，北京 100037）

0 前言

糧食是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著社會的發(fā)展進(jìn)步、人民生活水平及自我保護(hù)意識的提高，廣大消費(fèi)者對糧食品質(zhì)安全有了更高的要求，糧食儲藏技術(shù)正從過去突出“減損降耗”、“保質(zhì)安全”，向“綠色健康”、“低碳環(huán)?！狈较蜣D(zhuǎn)變[1].

富氮低氧氣調(diào)儲糧技術(shù)是近年來逐步在我國糧食倉儲行業(yè)應(yīng)用的具有防蟲、殺蟲、抑霉、保鮮的綠色儲糧技術(shù)，它是通過變壓吸附或膜分離制氮機(jī)，把氮?dú)鈴目諝庵蟹蛛x并富集，通過管道等送入氣密性良好的倉房內(nèi)，逐步用高純度氮?dú)庵脫Q出糧堆中的氧氣，形成一個(gè)不利于糧食害蟲、微生物生長繁殖的缺氧或無氧環(huán)境，從而殺死糧堆內(nèi)害蟲及霉菌，同時(shí)可抑制糧食生理呼吸作用，延緩糧食品質(zhì)陳化的一種技術(shù)[2-3].不同于傳統(tǒng)的藥物熏蒸殺蟲儲糧方式的是，該技術(shù)不僅能解決傳統(tǒng)的藥物熏蒸殺蟲儲糧對熏蒸藥劑磷化鋁的單一依賴、害蟲抗性增強(qiáng)以及由此導(dǎo)致的用藥量增加、害蟲防治難度加大等難題[4]，還可適當(dāng)延緩糧食的品質(zhì)陳化，相應(yīng)延長輪換周期，降低糧食輪換次數(shù)，從而節(jié)省大量輪換費(fèi)用.

在目前常用的富氮低氧氣調(diào)儲糧基礎(chǔ)上，義烏市糧食收儲有限公司與國家糧食局科學(xué)研究院共同研制開發(fā)出一種新的富氮低氧“充環(huán)”氣調(diào)儲糧技術(shù)，并在義烏市中心糧庫進(jìn)行了實(shí)倉應(yīng)用試驗(yàn)，在糧食害蟲防治方面取得了顯著的效果，同時(shí)獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益.

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)倉房情況

選用義烏市中心糧庫6號倉作為氣調(diào)儲糧試驗(yàn)倉，該倉為2011底建造拱板倉，2012年8月投入使用，倉容2 250 t；該倉山墻一側(cè)設(shè)有3個(gè)通風(fēng)口，每個(gè)通風(fēng)口連接兩條通風(fēng)地槽，共計(jì)6條，每條地槽設(shè)空氣分配器14只；倉外山墻配置有固定式不銹鋼環(huán)流管道及倉外測蟲管道.倉房基本情況見表1.

表1 試驗(yàn)倉房情況

1.2 儲糧情況

該倉存儲的為2012年新收獲的早秈稻谷，儲存方式為散裝，糧食入倉品質(zhì)情況見表2.

1.3 設(shè)備情況

1.3.1 制氮設(shè)備

采用固定式制氮機(jī)（變壓吸附式）和移動(dòng)式制氮機(jī)（膜分離式）相結(jié)合進(jìn)行“充環(huán)”氣調(diào)充氣，設(shè)備主要參數(shù)見表3.

1.3.2 檢測設(shè)備

便攜式測氧儀1臺，量程：0.0～25.0%，分辨率0.1%；低氧報(bào)警儀2臺，報(bào)警點(diǎn)：≤19.5%；計(jì)算機(jī)糧情測控系統(tǒng)一套；XS-C1B型便攜式糧倉害蟲倉外采集檢測器1套及相應(yīng)捕蟲陷阱25支；氣體取樣管采用倉房配備的測蟲管道.

1.3.3 安全防護(hù)設(shè)備

正壓空氣呼吸器2套，氣瓶額定壓力30 MPa，氣瓶容量6.8 L，使用時(shí)間約45 min，報(bào)警壓力：≤5 MPa；高壓充氣泵1臺.二者均為霍尼韋爾公司生產(chǎn).

1.3.4 其他材料

Φ15 cm PVC導(dǎo)氣管若干根；厚度0.12 mm PA/PE 5層共擠尼龍復(fù)合薄膜、雙槽管、密封條及密封膠；U形壓力計(jì)1套.

表2 試驗(yàn)倉稻谷質(zhì)量情況

表3 制氮設(shè)備主要參數(shù)

2 試驗(yàn)方法[5-6]

2.1 害蟲及氣體濃度檢測點(diǎn)的布置

在試驗(yàn)倉安裝XS-C1B型糧倉害蟲倉外檢測系統(tǒng)，用于氣調(diào)期間害蟲及氣體濃度檢測.該系統(tǒng)主要由倉內(nèi)捕蟲陷阱、害蟲倉外取樣裝置、測量管路、分線器組成.倉內(nèi)檢測點(diǎn)分布如圖1所示.在糧面上層均勻布設(shè)5列，每列均勻布設(shè)4個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)20個(gè)檢測點(diǎn)，編號1～20；中上層布設(shè)四角及中心共計(jì)5個(gè)檢測點(diǎn)，編號21～25.四邊沿墻各點(diǎn)距離墻壁均為50 cm；上層檢測點(diǎn)距糧面50 cm，中上層檢測點(diǎn)距糧面120 cm.

圖1 倉內(nèi)害蟲及濃度檢測點(diǎn)分布

2.2 倉房氣密性處理及測定

試驗(yàn)倉在入糧前內(nèi)墻墻體采用2.2 cm PEF保溫板進(jìn)行粘貼處理，倉內(nèi)地面鋪設(shè)高分子氣密防水材料，糧面氣囊及倉門均采用PA/PE五層共擠尼龍復(fù)合薄膜進(jìn)行雙槽管密封；通風(fēng)口采用密封膠配合手輪旋轉(zhuǎn)壓緊構(gòu)件進(jìn)行密封緊固，并在通風(fēng)口箱體與蓋板間襯墊厚度10 mm以上的柔軟膠條，以增大結(jié)合部位的壓緊力，達(dá)到密閉要求；墻體上工藝孔洞均先采用發(fā)泡聚氨酯填實(shí)，再涂上密封膠進(jìn)行密封.處理完畢后，采用負(fù)壓500 Pa法測量該倉氣密性.

2.3 設(shè)備連接與管道布設(shè)

制氮機(jī)充氣管道通過快接頭與地槽通風(fēng)口連接，生產(chǎn)的氮?dú)馔ㄟ^倉內(nèi)地槽進(jìn)入糧堆底部，自底層向上流動(dòng)，經(jīng)糧面回氣管路排出倉外或輸送到膜分離制氮機(jī).為保障輸送的均勻性，采取一主管三副管的方式分別送入3個(gè)地槽通風(fēng)口，并在倉內(nèi)局部增加垂直方向的導(dǎo)氣管.同時(shí)為加強(qiáng)氮?dú)獾沫h(huán)流，在糧面鋪設(shè)一主四副“圭”字形回氣管道，其中主管道無開孔，副（支）管道有開孔，開孔率25%～35%.

2.4 充氮工藝方法

不同于國內(nèi)目前廣泛采用的高濃度氮?dú)庥杉Z面上部直充進(jìn)入糧堆、由底部排出的直充方式，試驗(yàn)通過地槽口向密封糧堆底部充氮，由糧面上部排出或送入膜分離制氮機(jī)，實(shí)現(xiàn)環(huán)流降氧的“充環(huán)”氣調(diào)儲糧新方式.工藝流程如圖2所示：圖2中設(shè)備1為變壓吸附制氮機(jī)（固定式），設(shè)備2為膜分離制氮機(jī)（移動(dòng)式）.

具體操作步驟：試驗(yàn)倉房氣密性檢測達(dá)到氣調(diào)要求后，采用抽風(fēng)機(jī)將糧堆抽至負(fù)壓，由變壓吸附制氮機(jī)制備高濃度氮?dú)獠⒂芍鞴艿缽募Z堆底部輸入糧堆，待糧堆表面密閉膜鼓起至氣囊完全形成，停止充氣，密閉自然均衡至糧堆內(nèi)氧氣濃度均勻（15 h左右），再次利用抽風(fēng)機(jī)將膜內(nèi)氣體抽出，并輸入高濃度氮?dú)猓荛]膜鼓起至氣囊完全形成，停止充氣，密閉自然均衡至糧堆內(nèi)氧氣濃度均勻（15 h左右），改用膜分離制氮機(jī)抽取倉內(nèi)氣體制備高濃度氮?dú)獠⑤斎爰Z堆內(nèi)部，至各檢測點(diǎn)加權(quán)平均濃度達(dá)到目標(biāo)濃度時(shí)停止充氣.

圖2 “充環(huán)”氣調(diào)儲糧工藝示意圖

在低氧儲藏期間，檢測倉內(nèi)氣體濃度和氣囊鼓氣狀況，若濃度下降或者氣囊內(nèi)氣體不足，利用制氮設(shè)備及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)氣.試驗(yàn)期間，及時(shí)做好制氮設(shè)備運(yùn)行情況記錄，并采集相關(guān)糧情數(shù)據(jù).

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)倉房氣密性分析

試驗(yàn)倉房經(jīng)氣密性處理后，實(shí)倉負(fù)壓500 Pa半衰期測試結(jié)果如表4所示.

表4 試驗(yàn)倉房實(shí)倉氣密性檢測結(jié)果

從3次測試結(jié)果可以看出，實(shí)倉壓力從-500 Pa上升到-250 Pa所用時(shí)間（半衰期）均大于300 s，氣密性良好，滿足富氮低氧氣調(diào)儲糧的工藝要求.

3.2 制氮設(shè)備運(yùn)行情況及成本分析

設(shè)備運(yùn)行情況及相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示.

試驗(yàn)期間，設(shè)備充（補(bǔ)）氣累計(jì)運(yùn)行22.5 h，耗電1 245.5 kWh，按照本地工業(yè)用電單價(jià)0.8元·kW-1·h-1，共計(jì)電耗成本為 996.4元，該倉儲存1 700 t早秈稻，噸糧電耗費(fèi)用僅為0.59元；如采取磷化氫整倉環(huán)流熏蒸，根據(jù)6號倉儲糧情況，磷化鋁、CO2及營養(yǎng)費(fèi)共計(jì)2 340元，噸糧費(fèi)用為1.37元，因此，該充氮?dú)庹{(diào)儲糧工藝比磷化氫整倉環(huán)流熏蒸成本降低很多，且有利于保管員身體健康及環(huán)境保護(hù)，具有較高的綜合效益.

3.3 氧氣濃度變化情況

試驗(yàn)期間，倉內(nèi)氧氣濃度檢測記錄如表6所示.由表6可知，經(jīng)過兩次變壓吸附充氣且自然均衡后，全倉氧氣平均濃度可降至8.3%左右；再經(jīng)過一次膜分離充環(huán)，全倉氧氣平均濃度基本可降至5.0%以下；兩次補(bǔ)氣后，在自然降氧及倉內(nèi)氣流微循環(huán)作用下，全倉氧氣平均濃度基本可維持在3.0%左右.

3.4 害蟲防治情況

通過害蟲倉外檢測系統(tǒng)檢測及入倉糧面觀測，試驗(yàn)倉害蟲死亡情況（糧均溫30℃左右）大致可分為3個(gè)階段：

第1階段：9月11日至9月14日，各檢測點(diǎn)均發(fā)現(xiàn)較多活的儲糧害蟲，主要為玉米象、長角扁谷盜、谷蠹、赤擬谷盜等；糧面或走道板上亦有大量儲糧害蟲在劇烈爬動(dòng).

第2階段：9月15日至9月25日，隨著糧堆內(nèi)部氮?dú)鉂舛冗M(jìn)一步升高，各檢測點(diǎn)發(fā)現(xiàn)活的儲糧害蟲陸續(xù)減少，25日檢測時(shí)，除少數(shù)幾個(gè)測點(diǎn)發(fā)現(xiàn)活蟲外，其余測點(diǎn)均未發(fā)現(xiàn)活蟲；糧堆表面害蟲爬行出現(xiàn)遲鈍、緩慢的現(xiàn)象，并陸續(xù)死亡，25日觀測，除密封槽管處有少許赤擬谷盜緩慢爬動(dòng)外，糧面其他部位基本未發(fā)現(xiàn)活蟲.

表5 制氮設(shè)備運(yùn)行及相關(guān)數(shù)據(jù)

表6 試驗(yàn)倉房氧氣濃度檢測數(shù)據(jù)

第3階段：10月11日及以后，糧堆內(nèi)部氮?dú)鉂舛然揪S持在97%左右，除個(gè)別測點(diǎn)檢測到蟲尸外，其他各測點(diǎn)及糧面均未發(fā)現(xiàn)活的害蟲.

通過實(shí)倉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)糧均溫30℃時(shí)，氮?dú)鉂舛染S持在97%左右，15 d可基本殺死大部分儲糧害蟲；30 d可殺死全部儲糧害蟲.

4 討論

4.1 濃度自然平衡時(shí)間

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：一次充氮完成后，保持密閉糧堆一定的濃度自然平衡時(shí)間，可大大降低充氮成本.因?yàn)榈獨(dú)庵脫Q氧氣是一個(gè)遲滯過程，除糧粒縫隙間的空氣需要進(jìn)行置換外，與小麥、玉米不同，稻殼內(nèi)部還存在一定量的空氣需要進(jìn)行置換.因此，需要提供一定的濃度自然平衡時(shí)間.

4.2 氮?dú)鉁囟葘Z堆內(nèi)部溫濕度的影響

在試驗(yàn)過程中，分別利用變壓吸附制氮機(jī)和膜分離式制氮機(jī)（出口加裝干冷機(jī)組）制備不同溫度的氮?dú)膺M(jìn)行氣調(diào)試驗(yàn)，利用倉內(nèi)的糧情檢測系統(tǒng)和單點(diǎn)式無線溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行糧堆內(nèi)部的溫濕度變化測試.

氮?dú)獬隹跍囟瓤刂圃?4～40℃，流量控制在60～220 m3/h范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果表明，氮?dú)獾某隹跍囟扰c流量變化對糧堆內(nèi)部的溫度和濕度幾乎沒影響.此種情況的主要原因?yàn)椋阂环矫婕Z食為熱的不良導(dǎo)體，傳熱阻力大，使得糧堆溫濕度沒有變化，另一方面是因?yàn)闅怏w流量小，熱容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于糧堆熱容，因此無法改變糧堆溫濕度狀態(tài).

4.3 富氮低氧與惰性粉結(jié)合防治儲糧害蟲

試驗(yàn)采取從地槽口向密封糧堆底部充氮，由糧面上部排出或送入膜分離制氮機(jī)的充氣方案，糧堆內(nèi)部害蟲在低氧氣流的推動(dòng)下會爬向糧堆表面（氮?dú)鉂舛容^低），因此，若在糧面拌合食品級惰性粉將能起到很好的殺蟲效果.

5 結(jié)論

試驗(yàn)表明，對儲存1 700 t早秈稻的平房倉，富氮低氧“充環(huán)”氣調(diào)儲糧技術(shù)的噸糧電耗費(fèi)用僅為0.59元，且殺蟲、防蟲效果顯著，同時(shí)避免了化學(xué)藥劑對糧面的直接接觸和污染，實(shí)現(xiàn)了儲糧中化學(xué)藥劑的零排放，符合綠色、安全、衛(wèi)生、經(jīng)濟(jì)、有效的儲糧有害生物防治要求，是今后綠色生態(tài)儲糧技術(shù)的主要手段和發(fā)展方向.

［1］ 吳子丹.綠色生態(tài)低碳儲糧新技術(shù)［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2011.

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