氮气气调仓进气量对粮堆氮气浓度的影响

曹文杰，何国强，黄荣辉，李 明，江华邦，郭 超✉

（1. 珠海市斗门区粮食收储公司，广东 珠海 519110；2. 广东省粮食科学研究所粮食储藏与害虫防治研究室/广东省粮食储藏工程技术研究中心，广东 广州 510050）

通过人为向仓房内部通入高浓度氮气，使粮食处于高氮低氧气的储藏环境中，以达到抑制虫霉生长、延缓粮食品质劣变的充氮气调储粮技术，是一项公认的绿色储粮技术，受到人们的重视与推广。氮气气调储粮技术是我国长江流域及以南地区经济可行的粮油产后减损及绿色保鲜储粮技术，与传统储粮技术相比，其优势明显[1]。从上世纪六十年代末我国开展低氧储粮技术试验[2]，上世纪七十年代至九十年代期间国内逐渐完善低氧储粮技术理论和分子筛和膜分离等制氮设备，氮气气调储粮逐渐开始规模化应用。

目前，国内外储粮科研工作者对氮气气调储粮的研究较多，主要集中在氮气气调储粮充气方式、杀虫效果和储粮品质变化的研究，而关于气调仓氮气浓度维持方面的研究相对较少。随着氮气气调在粮食储藏中的扩大应用，粮堆中氮气浓度是否达到设定的浓度成为氮气气调储粮成功与否的关键因素[3]。孙相荣等[3]报道了不同粮种在气调储粮时所需要的氮气量。张中等报道了移动式膜分离制氮设备充氮效率的研究，环流充氮模式下,回流氮气浓度低于90%和在90%～95%之间时,设定制氮设备浓度和回流氮气浓度差在 7%和3%～5%左右，充氮效果最佳，环流充氮有利于提高充氮效率和促进氮气浓度的均匀分布[4]。黄祖亮等提到改进仓房气密性可以提高气调储粮的效果[5]。此外，韩志强等研究报道了浅圆仓充氮过程中氮气浓度分布规律，结果表明，在充氮结束后，氮气在粮堆中分布均匀，均匀度达99.58%，不同粮层氮气浓度基本上呈从上到下依次递减的分布变化规律，只根据氮气出口浓度不能代表粮堆内各处浓度，不能以此来判定再次充氮的时间点，应该通过粮堆多点预埋管的氮气浓度来判定[6]。此外，由于现有的粮食专用膜制氮设备存在产气量小，充氮时间长、能耗高等问题，在一定程度上制约了充氮气调的发展和推广[4]。因此，开展氮气气调储粮氮气维持浓度方面的研究，合理利用制氮设备具有重要的意义。

本文采用上充下排的充氮方式，研究高大平房仓氮气气调储粮氮气维持浓度与时间的关系，分析早籼稻谷气调仓在气调储粮过程所需要的氮气量，探讨粮堆中氮气浓度与氮气进气量、粮堆温度的关系，为高大平房合理使用氮气气调作业提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 实验仓房及储粮情况

某粮库 4P1-1号高大平房仓，长 39 m，宽21 m，装粮线高度7 m，墙体为490厚烧结页岩实心砖，仓顶为自呼吸通风双层板式屋盖，仓架为钢筋混凝土门式钢架。

表1 4P1-1号仓储粮情况统计

1.2 实验器材和设备

LY-99.5-220型氮气发生器，产氮量：220 Nm³/h，产氮浓度 99.5%：江阴隆耀机械制造有限公司；HA300-N2型气体浓度检测仪，精度±3% F.S：深圳市华瑞祥科技有限公司；CQMY型仓房气密性测定装置：河南未来机电工程有限公司；DP2000型智能数字微压计：上海永智仪表设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 仓房气密性测定

参照 GB/T 25229—2010《粮油储藏 平房仓气密性要求》[7]。

1.3.2 氮气浓度检测点的设置

氮气浓度检测点设置参照 GB/T 29890—2013《粮油储藏技术规范》[8]，在仓房粮堆布置6个检测点，其中 5个检测点布置在粮面垂直向下1.5、2.5、3.5、5、6.5 m处，第6个点布置在气囊中，用来检测粮堆空间的氮气浓度。浓度检测从气调次日开始，9:00定时检测。

1.3.3 气调充氮工艺及充气实验方案

采用膜分离制氮机，采用上充下排充气方式，设置仓内氮气浓度为98%，待粮面气囊缩小，仓内氮气浓度低于95%时，开启氮气制氮机组。

1.3.4 数据处理

数据分析，采用SPSS 17.0。

V1，充气量，m3；V，粮堆体积V，m3；e，孔隙度，%。

2 结果与分析

2.1 4P1-1号仓气密性分析

4P1-1号仓压力从500 Pa降低至250 Pa所需时间，结果如表2所示。由表2可知，4P1-1号仓压力半衰期为165 s，根据GB/T 25229《粮油储藏 平房仓气密性要求》，4P1-1号仓达到气调仓三级要求。

表2 4P1-1号仓气密检测记录表

2.2 氮气气调储粮期间粮温和氮气浓度的变化

4P1-1号仓氮气气调储粮实验期间粮温和氮气浓度的变化情况见图1、图2所示。由图1可知，氮气气调储粮期间，仓外气温和仓内温度变化幅度较大，均先降低再升温。其中仓外气温最高温度31.1 ℃，最低气温8.5 ℃，而仓内温度最高27.8 ℃，最低14.8 ℃。平均粮温为24.3 ℃，最高粮温为25.7 ℃，最低粮温为22.8 ℃。如图2所示，仓内氮气浓度达到目标浓度98.0%后，随着时间的延长氮气浓度逐渐降低。从2018年5月至10月，氮气浓度由97.1%降低至94.7%，降低量为2.4%，即4P1-1号仓月氮气减少量为0.4%。从10月份起，持续的氮气补气，氮气浓度由94.3%升高到 97.9%，然后氮气浓度缓慢降低。实验期间氮气浓度最低为89.9%，最高浓度为97.9%。

图1 4P1-1号仓仓内外温度、平均粮温的变化

图2 4P1-1号仓氮气浓度的变化

2.3 氮气充气量与氮气平均浓度的关联性分析

4P1-1号仓不同时间氮气补气量和氮气平均浓度的变化如图2、图3所示。由图2可知，从2018年11月份至2019年5月份，不同月份补气量不同，氮气浓度的升高幅度存在差异，其中补气量越大氮气浓度升高的越高，2019年3月份氮气浓度升高幅度最大，由 90.7%升高到 97.6%，升高幅度6.9%。结合表2，不同月份氮气的补气量与氮气浓度的增加值有关系，其中当粮堆内无氮气补充进去时，氮气浓度呈下降趋势，如2019年2月份，粮堆内氮气浓度下降了1.6%；当粮堆内氮气月补气量在 12.4%～23.6%时，氮气浓度增加值在 0.1%～0.9%；当粮堆内氮气月补气量在27.0%～28.3%时，氮气浓度增加值在1.0%～3.9%；当粮堆内氮气月补气量在 110.5%时，氮气浓度增加值在6.9%。结合图3可知，粮堆内日氮气充气量并未导致粮堆氮气浓度的升高。如2018年10月至2019年1月期间，日氮气充气量在250 m3以下的，粮堆内氮气浓度有可能降低，而日氮气充气量在300 m3以上的，粮堆内氮气浓度呈现升高现象。

图3 4P1-1号仓不同日期氮气补气量和氮气平均浓度的变化

表2 不同月份氮气补气量与浓度变化关系

2.4 氮气充气量与粮温的关联性分析

4P1-1号仓氮气气调储粮实验期间氮气充气对粮温变化的影响见情况见图4所示。由图4可知，氮气气调储粮期间，粮堆上层温度变化较大，平均温度为23.5 ℃，最高温度为28.2 ℃，最低温度为19.2 ℃。中层和下层温度变化较小，平均温度分别为23.4、26.1 ℃，最高温度分别为23.9、26.7 ℃，最低温度分别为22.3、25.4 ℃。结合图1中实验期间仓内温度和仓外温度变化趋势，粮堆上层温度受到仓内温度和仓外温度变化影响，氮气充气过程氮气充气量与粮温无直接影响。

图4 4P1-1号仓实验期间氮气充气对上层中层下层粮温变化影响

2.5 成本分析

4P1-1号仓气调储藏期间，全年开机时间累计194 h，每小时耗电60 ℃，每度电以0.7元计，储藏成本为8 148元，即气调储藏保管成本每吨为 2.47元，而同样仓型的熏蒸仓一年使用磷化铝177 kg，每公斤磷化铝按48元计，合计费用为8 496元。此外，使用磷化铝熏蒸施药、药渣处理等人工费用2 376元，药剂配送费用667元，即同样仓型的熏蒸仓保管成本每吨为3.5元。早籼稻气调充氮保管比使用磷化铝熏蒸节约每吨1.03元。

3 结果与讨论

在压力半衰期为165 s的三级气调仓，采用上充下排的充氮方式结果表明，仓内氮气浓度达到目标浓度 98.0%后，随着时间的延长氮气浓度逐渐降低，半年内氮气浓度由97.1%降低至94.7%，降低量为2.4%。从10月份起，持续的氮气补气，氮气浓度由 94.3%升高到 97.9%，然后氮气浓度缓慢降低。不同月份氮气的补气量与氮气浓度的增加值有关系，其中当粮堆内无氮气补充进去时，氮气浓度呈下降趋势；当粮堆内氮气月补气量在12.4%～23.6%时，氮气浓度增加值在0.1%～0.9%；当粮堆内氮气月补气量在 27.0%～28.3%时，氮气浓度增加值在 1.0%～3.9%；当粮堆内氮气月补气量在110.5%时，氮气浓度增加值为6.9%。氮气气调储藏过程，粮堆内氮气浓度是氮气泄露量和补气量平衡的结果，对内氮气浓度的升高要求氮气的补气量大于泄漏量。此外，氮气充气过程氮气充气量与粮温无直接影响。

在生产实践过程中，仓内氮气浓度设置目标浓度为 98.0%，但实验期间氮气平均浓度为94.3%，最高浓度为 97.9%，最低浓度为 89.9%，仓内氮气浓度随着时间的延长浓度逐渐降低。根据Q/ZCL T8—2009《氮气气调储粮技术规程（试行）》5.5.2.3款[9]，本实验的三级气调仓符合气调储藏要求。本文实验后期在仓外通风管道外围也发现少量书虱和扁谷盗类害虫，那么在保管过程应密切关注外界害虫侵入仓内感染为害。此外，气调储藏过程对粮堆气密性要求较高，而实践中气调储藏过程粮堆内害虫发生情况无法有效的检测，那么气调储藏过程害虫检测技术的开发将具有重要的意义。