摘要：為提高糧食儲(chǔ)藏的品質(zhì)，降低低溫儲(chǔ)糧的能耗，提出了利用LNG冷能進(jìn)行糧食低溫儲(chǔ)藏的思路。在對(duì)現(xiàn)有低溫儲(chǔ)糧工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析基礎(chǔ)上，介紹了直接利用LNG冷能和利用LNG冷能空分廠副產(chǎn)品污氮這兩種低溫儲(chǔ)糧的工藝方案，并對(duì)這兩種方案進(jìn)行了比較，指出在鄰近LNG接收站或者衛(wèi)星氣化站的糧庫(kù)開(kāi)展利用LNG冷能實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧，不僅可以降低低溫儲(chǔ)糧的能耗成本，而且也為L(zhǎng)NG冷能利用提供了一種新的方法。
關(guān)鍵詞：液化天然氣；冷能利用；低溫儲(chǔ)糧；污氮；方案對(duì)比
1 中國(guó)儲(chǔ)糧現(xiàn)狀和低溫儲(chǔ)糧的意義
1.1 中國(guó)三級(jí)儲(chǔ)糧體系狀況
制定有效的糧食儲(chǔ)備制度，保持適度的糧食儲(chǔ)備，對(duì)保障社會(huì)穩(wěn)定，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展具有不可替代的重要作用[1]。我國(guó)于1990年建立了國(guó)家糧食儲(chǔ)備局作為管理機(jī)構(gòu)，目前已形成國(guó)家、地方和農(nóng)戶(hù)組成的三級(jí)糧食儲(chǔ)備體系[2]。
1.2 南方地區(qū)低溫儲(chǔ)糧的需求及其意義
在儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)中非生物因子(溫度)與生物因子關(guān)系密切。一般而言，20℃以下儲(chǔ)糧害蟲(chóng)發(fā)育緩慢，完成一代需要60d左右，15℃以下，害蟲(chóng)發(fā)育極慢，全年不能完成世代。因此低溫控制可以有效地防治儲(chǔ)糧害蟲(chóng)；同時(shí)也能抑制糧食呼吸，減少干物質(zhì)損耗及儲(chǔ)糧水分的轉(zhuǎn)移；延緩儲(chǔ)糧品質(zhì)劣變，保持原有新鮮度；防止微生物的孳生；減少化學(xué)藥劑的殘留污染。綜合效益很好。
低溫儲(chǔ)糧是最常見(jiàn)的綠色儲(chǔ)糧技術(shù)之一，目前實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧的途徑主要有3種：自然低溫儲(chǔ)藏、冬季自然冷源機(jī)械通風(fēng)以及機(jī)械制冷低溫儲(chǔ)藏。
我國(guó)南方地區(qū)常年氣溫較高，高溫高濕的氣候持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，單純利用自然冷源無(wú)法實(shí)現(xiàn)糧食的低溫儲(chǔ)藏，因此，在南方地區(qū)大部分均采用自然冷源和機(jī)械制冷相結(jié)合的方法，在冬季氣溫較低的時(shí)候利用機(jī)械通風(fēng)將糧食溫度降低，然后密閉保溫儲(chǔ)藏，到夏秋季節(jié)糧食溫度超過(guò)20℃時(shí)，再通過(guò)機(jī)械制冷來(lái)降低糧溫。該法需耗費(fèi)大量的電能用于制冷，能耗成本高。
2 現(xiàn)有低溫儲(chǔ)糧工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
2.1 糧溫隨外界氣溫和熱負(fù)荷的年度變化規(guī)律
南方地區(qū)某高大平房倉(cāng)(稻谷)冬季采用強(qiáng)制通風(fēng)降溫后全年的氣溫、倉(cāng)溫和全倉(cāng)糧溫變化曲線(xiàn)如圖1所示。
由圖1可知，氣溫、倉(cāng)溫和上層平均糧溫在高溫季節(jié)都超過(guò)了20℃的準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，全倉(cāng)平均糧溫在高溫季節(jié)也高于15℃的低溫儲(chǔ)糧標(biāo)準(zhǔn)。因此，在南方高溫地區(qū)單靠冬季機(jī)械通風(fēng)方式是達(dá)不到低溫儲(chǔ)糧要求的，要采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)冷措施才能達(dá)到低溫儲(chǔ)糧的要求。糧堆的垂直方向上存在著較大的溫度梯度，糧堆上層糧溫和底層平均糧溫由于受氣溫影響較大，所以比中上層和中下層的平均糧溫高。憑借冬季自然冷源機(jī)械通風(fēng)以及糧倉(cāng)的隔熱保溫措施，糧堆的中層平均糧溫可以全年維持在準(zhǔn)低溫環(huán)境，并可在全年大部分時(shí)間內(nèi)維持在低溫環(huán)境下。因此，要實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧，在高溫季節(jié)必須通入溫度濕度合適的冷風(fēng)抑制糧堆上層和底層糧溫的上升。
2.2 通風(fēng)降溫過(guò)程的傳熱傳質(zhì)分析
在穿透通風(fēng)條件下，糧食與冷空氣之間存在傳熱傳質(zhì)過(guò)程：一方面低溫空氣將冷量傳遞給糧食，降低糧溫；另一方面糧食中的水分被干燥的冷空氣帶走，水分蒸發(fā)過(guò)程會(huì)帶走大量的熱量，使糧溫進(jìn)一步降低。冷空氣的溫度和濕度不同時(shí)，糧堆通風(fēng)降溫所需的時(shí)間和通風(fēng)量會(huì)不同，通風(fēng)過(guò)程導(dǎo)致的失水量也不同。在通風(fēng)條件下，冷空氣排出糧倉(cāng)的溫度隨通風(fēng)時(shí)間而變化。設(shè)冷氣體的初始焓值是h0，含濕量為d0，用穿透糧堆通風(fēng)后，開(kāi)始時(shí)出倉(cāng)的低溫氣體的焓值為h1，含濕量為d1，結(jié)束通風(fēng)后低溫氣體的焓值為h2，含濕量為d2，則開(kāi)始冷卻焓差為：
H1=h1-h0 (1)
結(jié)束通風(fēng)焓差：
H2=h2-h0 (2)
按溫度均勻降低計(jì)算，冷空氣升溫平均吸收熱量為：
H=(H1+H2)/2 (3)
糧食降溫所需的熱量為：
Qfood=mCp△t (4)
式中：m為糧食的重量，Cp為糧食的熱容，△t為糧溫變化量。
根據(jù)能量平衡可計(jì)算出穿透糧堆降溫所需的冷空氣量Gair為：
Gair=2mCp△t/(H1+H2) (5)
但此時(shí)糧食將失水，假設(shè)糧食的初始含水量d0。采用穿透糧堆通風(fēng)后為：
初始時(shí)糧食失水：D1=d1-d0 (6)
結(jié)束時(shí)糧食失水：D2=d2-d0 (7)
按含水量均勻降低計(jì)算，糧食平均失水量為：
D=(D1+D2)/2 (8)
則糧堆通風(fēng)降溫過(guò)程中的總失水量W為：
W=GairD (9)
以一個(gè)儲(chǔ)藏5000t糧食的倉(cāng)庫(kù)為例，利用10℃、相對(duì)濕度為70%的冷空氣進(jìn)行穿透通風(fēng)，將糧食溫度從15℃降至12℃，糧食熱容取1.68kJ/(kg℃)，由上述公式可計(jì)算出糧食降溫的熱負(fù)荷為2.52×107kJ，共需冷空氣約1965t，糧食的總失水量為5.2t，約占總重的1%。水的汽化熱約為2260kJ/kg，通風(fēng)過(guò)程中糧食失水汽化可從糧堆帶走的熱量約1.18×107kJ，約占糧食降溫所需熱負(fù)荷的46.8%，其余的53.2%的熱負(fù)荷由冷空氣的顯熱提供。
2.3 谷冷機(jī)和冬季自然冷空氣機(jī)械通風(fēng)工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)
在冬季利用環(huán)境的冷空氣對(duì)糧庫(kù)進(jìn)行穿透通風(fēng)，一般可將整倉(cāng)的平均糧溫降至10℃左右，然后通過(guò)糧倉(cāng)的密閉保溫，使糧食保持在較低的溫度。隨著氣溫慢慢升高，糧倉(cāng)的平均糧溫將超過(guò)20℃，為實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧，采用谷冷機(jī)產(chǎn)生低溫空氣進(jìn)行穿透通風(fēng)降溫。當(dāng)環(huán)境空氣溫度為28℃，相對(duì)濕度80%時(shí)，利用谷冷機(jī)生產(chǎn)6000m3/h的10℃、相對(duì)濕度70%的冷空氣需要消耗33kW電量。而冬季利用自然通風(fēng)時(shí)，僅鼓風(fēng)機(jī)需要消耗電能，將1×104m3/h常壓的冷空氣增壓4kPa通入糧倉(cāng)進(jìn)行穿透通風(fēng)需要的功率約為14kW。由此可見(jiàn)，冬季自然通風(fēng)可充分利用環(huán)境的冷量，能耗小于谷冷機(jī)制冷所需的能耗。
2.4 糧食降溫/含水量的權(quán)衡與保質(zhì)效益分析
糧食的低溫儲(chǔ)藏可以有效地防治儲(chǔ)糧害蟲(chóng)，減少化學(xué)熏蒸次數(shù)，還可以抑制糧食呼吸，減少干物質(zhì)損耗及延緩儲(chǔ)糧品質(zhì)劣變，能夠提高糧食儲(chǔ)藏的經(jīng)濟(jì)效益。由糧堆通風(fēng)降溫過(guò)程的傳熱傳質(zhì)計(jì)算模型可知，糧堆降溫過(guò)程必然導(dǎo)致糧食脫水，此舉會(huì)增大糧食儲(chǔ)藏過(guò)程的損耗率，降低儲(chǔ)糧的經(jīng)濟(jì)效益。因此，糧食低溫儲(chǔ)藏過(guò)程的穿透通風(fēng)降溫次數(shù)需要與糧食的失水率進(jìn)行綜合分析，選擇最佳的操作模式。
3 利用LNG冷能的低溫儲(chǔ)糧工藝
近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)始大量進(jìn)口液化天然氣(LNG)，常壓下的LNG為-162℃的低溫液體，在供給下游用戶(hù)使用前需要將其加熱氣化，1t LNG氣化可以放出240kWh的冷能，LNG攜帶的冷能巨大，可用于空氣分離、冷能發(fā)電、輕烴分離等多方面[3～6]。目前，我國(guó)規(guī)劃建設(shè)的LNG接收站均位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東、南沿海地區(qū)的港口旁邊。而同樣為了便于運(yùn)輸和周轉(zhuǎn)，大型的糧食儲(chǔ)備庫(kù)也均設(shè)在交通運(yùn)輸便利的港口附近，如福建LNG接收站緊臨中央儲(chǔ)備糧莆田直屬庫(kù)，這為糧庫(kù)利用LNG的冷能進(jìn)行低溫儲(chǔ)糧提供了可能。糧庫(kù)利用LNG冷能進(jìn)行低溫儲(chǔ)糧主要有兩種方法，即直接利用LNG冷能和利用LNG冷能空分裝置副產(chǎn)的污氮?dú)怏w。
3.1 直接利用LNG的冷能
直接利用LNG的冷能來(lái)替代谷冷機(jī)生產(chǎn)冷空氣，工藝流程如圖2所示。LNG從接收站的大罐中抽出，然后經(jīng)高壓泵增壓至7.0～8.0MPa。按照“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”的原則，先經(jīng)保溫管線(xiàn)將LNG用于冷能用戶(hù)，溫度升高到0℃左右的天然氣用于低溫儲(chǔ)糧。在糧庫(kù)內(nèi)冷媒經(jīng)換熱器E1與天然氣換熱，天然氣溫度超過(guò)5℃后進(jìn)入高壓天然氣管網(wǎng)；冷媒從10℃左右降溫到5℃左右，通過(guò)冷媒泵輸送到換熱器E2中和增壓的空氣換熱，冷媒釋放出冷能后通過(guò)管線(xiàn)輸送回E1，空氣吸收冷媒的冷能后溫度降低，低于10℃后，經(jīng)過(guò)脫水裝置從塔底將水分離后獲得濕度適當(dāng)?shù)牡蜏乜諝猓缓笸ㄈ爰Z倉(cāng)中用于糧食的通風(fēng)降溫，實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧。
3.2 利用LNG冷能空分裝置副產(chǎn)的污氮
目前，我國(guó)福建、廣東、上海、河北和江蘇等地的LNG接收站均規(guī)劃建設(shè)利用LNG冷能的空分裝置，其規(guī)模均在日產(chǎn)液體空分產(chǎn)品600t左右，空氣分離過(guò)程同時(shí)副產(chǎn)了大量的污氮。從空分裝置排出的污氮含氧量在5%以下，溫度為5～10℃，幾乎不含水。假定污氮溫度為10℃，熱容為1.035kJ/(kg℃)，則100t/d的污氮從10℃升高至20℃時(shí)提供的顯冷約為12.0kW。同時(shí)污氮絕對(duì)干燥，通過(guò)加水增濕可將低濕度轉(zhuǎn)化為冷量，10℃絕對(duì)干燥的污氮?dú)怏w的焓值為10.1kJ/kg，當(dāng)污氮變成20℃、相對(duì)濕度80%時(shí)的焓值為50.24kJ/kg，則100t/d的污氮可提供冷能約46.5kW。因此，10℃、100t/d的污氮可以提供58.5kw的冷能，其中顯冷僅占20.5%，而干度轉(zhuǎn)化成的冷能占79.5%。污氮用于低溫儲(chǔ)糧主要有兩種方式：①將污氮進(jìn)行霧化增濕，溫度降低，低于10℃后通入糧倉(cāng)進(jìn)行穿透降溫，替代谷冷機(jī)；②根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)經(jīng)驗(yàn)，大約有70%的熱量是通過(guò)倉(cāng)房頂部傳入庫(kù)內(nèi)的，所以可將污氮充入密閉的糧倉(cāng)上層空間，然后在倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行霧化增濕降低污氮溫度，使倉(cāng)溫保持在20℃以下，抵消掉從倉(cāng)房頂部傳入的熱量，減緩平均糧溫的升高速度。其工藝流程如圖3所示。
3.3 兩方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
直接利用LNG的冷能用于低溫儲(chǔ)糧，工藝簡(jiǎn)單。而空分廠副產(chǎn)的排棄物10℃污氮?dú)怏w具有壓力較低、不可燃燒等特點(diǎn)，因此直接利用污氮?dú)怏w安全性較高，還可變廢為寶、符合國(guó)家提倡的發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的政策，而且通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)控制回路、充分利用污氮的排空余壓，污氮是非常經(jīng)濟(jì)的冷源。兩種方案具體比較如表1。
表1 LNG冷能低溫儲(chǔ)糧不同方案的比較分析表
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指標(biāo)
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直接利用LNG冷能
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利用LNG空分副產(chǎn)的污氮
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前提
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糧庫(kù)附近有LNG深冷用戶(hù)
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糧庫(kù)附近有LNG空分廠
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用量
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糧庫(kù)冷用量受上游冷能用戶(hù)限制
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糧庫(kù)冷用量受空分廠限制
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距離
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糧庫(kù)需靠近其他的冷能用戶(hù)廠；輸送距離近
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糧庫(kù)需靠近橡膠粉碎廠；輸送距離較近
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安全
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可能產(chǎn)生LNG泄漏而爆炸
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無(wú)危險(xiǎn)
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操作
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困難；需與其他用冷用戶(hù)配合
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困難；需與空氣廠配合
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工程投資
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低
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低
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冷能價(jià)格
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較低
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無(wú)
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技術(shù)
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可行
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可行
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3.4 應(yīng)用實(shí)例介紹
某糧庫(kù)附近的LNG空分廠日產(chǎn)液體空分產(chǎn)品約600t，同時(shí)副產(chǎn)400t的污氮?dú)怏w，溫度為10℃，壓力為0.11MPa，氧含量為4.5%。現(xiàn)糧庫(kù)利用空分廠的污氮進(jìn)行低溫儲(chǔ)糧，主要的方案有利用污氮?dú)怏w進(jìn)行糧面控溫和糧堆穿透通風(fēng)降溫這兩種。
利用污氮采用如圖3所示的工藝流程進(jìn)行糧面控溫，在糧倉(cāng)上部空間充入污氮，然后進(jìn)行噴霧增濕降溫，將倉(cāng)溫控制在20℃以下。通過(guò)糧面控溫，平均糧溫的變化曲線(xiàn)如圖4所示。從圖可知，從8月份開(kāi)始，平均糧溫超過(guò)15℃，全年的最高糧溫出現(xiàn)在11月份，達(dá)到17.2℃。由此可見(jiàn)，全年采用糧面控溫時(shí)，只有4個(gè)月左右的平均糧溫超過(guò)15℃，其余均控制在15℃以下，平均糧溫低于常規(guī)的無(wú)糧面控溫的糧溫。
第二種方法是先將污氮采用噴霧加濕，溫度從10℃降至5.3℃，相對(duì)濕度增至29%，然后將此低溫污氮?dú)怏w進(jìn)行糧堆穿透通風(fēng)，平均糧溫變化曲線(xiàn)如圖5所示。由圖可知，無(wú)穿透降溫時(shí)倉(cāng)內(nèi)平均糧溫在8月份已經(jīng)超過(guò)20℃的準(zhǔn)低溫標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧，當(dāng)平均糧溫超過(guò)15℃時(shí)，采取污氮穿透糧堆的通風(fēng)方式進(jìn)行降溫，將糧食冷卻到12℃；隨著外界環(huán)境對(duì)糧溫的影響，冷卻后的糧溫會(huì)繼續(xù)升高，當(dāng)平均糧溫升高到15℃時(shí)，繼續(xù)采用穿透糧堆通風(fēng)的方式進(jìn)行降溫，從而實(shí)現(xiàn)全年的低溫儲(chǔ)糧。
采用糧面控溫的方式，污氮不與糧食直接接觸，因污氮的含濕量低導(dǎo)致糧食的失水少、損耗低、使用安全。污氮穿透通風(fēng)方式操作簡(jiǎn)單、靈活，可以根據(jù)不同的糧食品種進(jìn)行通風(fēng)復(fù)冷，并且可以對(duì)需要降溫降水的玉米進(jìn)行多次通風(fēng)復(fù)冷，但其缺點(diǎn)是由于增加了通風(fēng)次數(shù)，糧食的失水量有所增加。根據(jù)計(jì)算，空分廠副產(chǎn)的400t/d污氮可以滿(mǎn)足14個(gè)高大平房倉(cāng)(約8×104t糧食)的低溫儲(chǔ)糧的冷能需求，整個(gè)工程投資約232.6萬(wàn)元，每年低溫儲(chǔ)糧可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益80萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)上可行。
4 結(jié)論
我國(guó)南方地區(qū)年平均氣溫在10℃以上，高溫高濕的氣候持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因此在這些地方進(jìn)行低溫儲(chǔ)糧對(duì)延長(zhǎng)糧食儲(chǔ)備時(shí)間，提高糧食品質(zhì)均有重要意義。我國(guó)目前在東南沿海地區(qū)規(guī)劃了多個(gè)大型的LNG接收站，且有200多個(gè)LNG衛(wèi)星站分布在全國(guó)各地，這給利用利用LNG冷能實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧提供了可能。因此，在鄰近LNG接收站或者衛(wèi)星站的糧庫(kù)開(kāi)展利用LNG冷能實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧，不僅可以降低低溫儲(chǔ)糧的能耗成本，而且也為L(zhǎng)NG冷能利用提供了一個(gè)新的方法，發(fā)展前景廣闊。
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(本文作者：熊永強(qiáng)1 華賚1 陳忠南2 陳萍3 李炬2 李亞軍1 高麗榮1 1.華南理工大學(xué)天然氣利用研究中心；2.中央儲(chǔ)備糧莆田直屬庫(kù)；3.中央儲(chǔ)備糧管理總公司福建分公司)
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