摘要：为提高粮食储藏的品质，降低低温储粮的能耗，提出了利用LNG冷能进行粮食低温储藏的思路。在对现有低温储粮工艺的技术经济分析基础上，介绍了直接利用LNG冷能和利用LNG冷能空分厂副产品污氮这两种低温储粮的工艺方案，并对这两种方案进行了比较，指出在邻近LNG接收站或者卫星气化站的粮库开展利用LNG冷能实现低温储粮，不仅可以降低低温储粮的能耗成本，而且也为LNG冷能利用提供了一种新的方法。
关键词：液化天然气；冷能利用；低温储粮；污氮；方案对比
1 中国储粮现状和低温储粮的意义
1.1 中国三级储粮体系状况
制定有效的粮食储备制度，保持适度的粮食储备，对保障社会稳定，促进国民经济健康发展具有不可替代的重要作用[1]。我国于1990年建立了国家粮食储备局作为管理机构，目前已形成国家、地方和农户组成的三级粮食储备体系[2]。
1.2 南方地区低温储粮的需求及其意义
在储粮生态系统中非生物因子(温度)与生物因子关系密切。一般而言，20℃以下储粮害虫发育缓慢，完成一代需要60d左右，15℃以下，害虫发育极慢，全年不能完成世代。因此低温控制可以有效地防治储粮害虫；同时也能抑制粮食呼吸，减少干物质损耗及储粮水分的转移；延缓储粮品质劣变，保持原有新鲜度；防止微生物的孳生；减少化学药剂的残留污染。综合效益很好。
低温储粮是最常见的绿色储粮技术之一，目前实现低温储粮的途径主要有3种：自然低温储藏、冬季自然冷源机械通风以及机械制冷低温储藏。
我国南方地区常年气温较高，高温高湿的气候持续时间较长，单纯利用自然冷源无法实现粮食的低温储藏，因此，在南方地区大部分均采用自然冷源和机械制冷相结合的方法，在冬季气温较低的时候利用机械通风将粮食温度降低，然后密闭保温储藏，到夏秋季节粮食温度超过20℃时，再通过机械制冷来降低粮温。该法需耗费大量的电能用于制冷，能耗成本高。
2 现有低温储粮工艺的技术经济分析
2.1 粮温随外界气温和热负荷的年度变化规律
南方地区某高大平房仓(稻谷)冬季采用强制通风降温后全年的气温、仓温和全仓粮温变化曲线如图1所示。
由图1可知，气温、仓温和上层平均粮温在高温季节都超过了20℃的准低温储粮标准，同时，全仓平均粮温在高温季节也高于15℃的低温储粮标准。因此，在南方高温地区单靠冬季机械通风方式是达不到低温储粮要求的，要采取适当的补冷措施才能达到低温储粮的要求。粮堆的垂直方向上存在着较大的温度梯度，粮堆上层粮温和底层平均粮温由于受气温影响较大，所以比中上层和中下层的平均粮温高。凭借冬季自然冷源机械通风以及粮仓的隔热保温措施，粮堆的中层平均粮温可以全年维持在准低温环境，并可在全年大部分时间内维持在低温环境下。因此，要实现低温储粮，在高温季节必须通入温度湿度合适的冷风抑制粮堆上层和底层粮温的上升。
2.2 通风降温过程的传热传质分析
在穿透通风条件下，粮食与冷空气之间存在传热传质过程：一方面低温空气将冷量传递给粮食，降低粮温；另一方面粮食中的水分被干燥的冷空气带走，水分蒸发过程会带走大量的热量，使粮温进一步降低。冷空气的温度和湿度不同时，粮堆通风降温所需的时间和通风量会不同，通风过程导致的失水量也不同。在通风条件下，冷空气排出粮仓的温度随通风时间而变化。设冷气体的初始焓值是h0，含湿量为d0，用穿透粮堆通风后，开始时出仓的低温气体的焓值为h1，含湿量为d1，结束通风后低温气体的焓值为h2，含湿量为d2，则开始冷却焓差为：
H1=h1-h0 (1)
结束通风焓差：
H2=h2-h0 (2)
按温度均匀降低计算，冷空气升温平均吸收热量为：
H=(H1+H2)/2 (3)
粮食降温所需的热量为：
Qfood=mCp△t (4)
式中：m为粮食的重量，Cp为粮食的热容，△t为粮温变化量。
根据能量平衡可计算出穿透粮堆降温所需的冷空气量Gair为：
Gair=2mCp△t/(H1+H2) (5)
但此时粮食将失水，假设粮食的初始含水量d0。采用穿透粮堆通风后为：
初始时粮食失水：D1=d1-d0 (6)
结束时粮食失水：D2=d2-d0 (7)
按含水量均匀降低计算，粮食平均失水量为：
D=(D1+D2)/2 (8)
则粮堆通风降温过程中的总失水量W为：
W=GairD (9)
以一个储藏5000t粮食的仓库为例，利用10℃、相对湿度为70%的冷空气进行穿透通风，将粮食温度从15℃降至12℃，粮食热容取1.68kJ/(kg℃)，由上述公式可计算出粮食降温的热负荷为2.52×107kJ，共需冷空气约1965t，粮食的总失水量为5.2t，约占总重的1%。水的汽化热约为2260kJ/kg，通风过程中粮食失水汽化可从粮堆带走的热量约1.18×107kJ，约占粮食降温所需热负荷的46.8%，其余的53.2%的热负荷由冷空气的显热提供。
2.3 谷冷机和冬季自然冷空气机械通风工艺的技术经济评价
在冬季利用环境的冷空气对粮库进行穿透通风，一般可将整仓的平均粮温降至10℃左右，然后通过粮仓的密闭保温，使粮食保持在较低的温度。随着气温慢慢升高，粮仓的平均粮温将超过20℃，为实现低温储粮，采用谷冷机产生低温空气进行穿透通风降温。当环境空气温度为28℃，相对湿度80%时，利用谷冷机生产6000m3/h的10℃、相对湿度70%的冷空气需要消耗33kW电量。而冬季利用自然通风时，仅鼓风机需要消耗电能，将1×104m3/h常压的冷空气增压4kPa通入粮仓进行穿透通风需要的功率约为14kW。由此可见，冬季自然通风可充分利用环境的冷量，能耗小于谷冷机制冷所需的能耗。
2.4 粮食降温/含水量的权衡与保质效益分析
粮食的低温储藏可以有效地防治储粮害虫，减少化学熏蒸次数，还可以抑制粮食呼吸，减少干物质损耗及延缓储粮品质劣变，能够提高粮食储藏的经济效益。由粮堆通风降温过程的传热传质计算模型可知，粮堆降温过程必然导致粮食脱水，此举会增大粮食储藏过程的损耗率，降低储粮的经济效益。因此，粮食低温储藏过程的穿透通风降温次数需要与粮食的失水率进行综合分析，选择最佳的操作模式。
3 利用LNG冷能的低温储粮工艺
近年来，我国开始大量进口液化天然气(LNG)，常压下的LNG为-162℃的低温液体，在供给下游用户使用前需要将其加热气化，1t LNG气化可以放出240kWh的冷能，LNG携带的冷能巨大，可用于空气分离、冷能发电、轻烃分离等多方面[3～6]。目前，我国规划建设的LNG接收站均位于经济发达的东、南沿海地区的港口旁边。而同样为了便于运输和周转，大型的粮食储备库也均设在交通运输便利的港口附近，如福建LNG接收站紧临中央储备粮莆田直属库，这为粮库利用LNG的冷能进行低温储粮提供了可能。粮库利用LNG冷能进行低温储粮主要有两种方法，即直接利用LNG冷能和利用LNG冷能空分装置副产的污氮气体。
3.1 直接利用LNG的冷能
直接利用LNG的冷能来替代谷冷机生产冷空气，工艺流程如图2所示。LNG从接收站的大罐中抽出，然后经高压泵增压至7.0～8.0MPa。按照“温度对口，梯级利用”的原则，先经保温管线将LNG用于冷能用户，温度升高到0℃左右的天然气用于低温储粮。在粮库内冷媒经换热器E1与天然气换热，天然气温度超过5℃后进入高压天然气管网；冷媒从10℃左右降温到5℃左右，通过冷媒泵输送到换热器E2中和增压的空气换热，冷媒释放出冷能后通过管线输送回E1，空气吸收冷媒的冷能后温度降低，低于10℃后，经过脱水装置从塔底将水分离后获得湿度适当的低温空气，然后通入粮仓中用于粮食的通风降温，实现低温储粮。
3.2 利用LNG冷能空分装置副产的污氮
目前，我国福建、广东、上海、河北和江苏等地的LNG接收站均规划建设利用LNG冷能的空分装置，其规模均在日产液体空分产品600t左右，空气分离过程同时副产了大量的污氮。从空分装置排出的污氮含氧量在5%以下，温度为5～10℃，几乎不含水。假定污氮温度为10℃，热容为1.035kJ/(kg℃)，则100t/d的污氮从10℃升高至20℃时提供的显冷约为12.0kW。同时污氮绝对干燥，通过加水增湿可将低湿度转化为冷量，10℃绝对干燥的污氮气体的焓值为10.1kJ/kg，当污氮变成20℃、相对湿度80%时的焓值为50.24kJ/kg，则100t/d的污氮可提供冷能约46.5kW。因此，10℃、100t/d的污氮可以提供58.5kw的冷能，其中显冷仅占20.5%，而干度转化成的冷能占79.5%。污氮用于低温储粮主要有两种方式：①将污氮进行雾化增湿，温度降低，低于10℃后通入粮仓进行穿透降温，替代谷冷机；②根据仓储经验，大约有70%的热量是通过仓房顶部传入库内的，所以可将污氮充入密闭的粮仓上层空间，然后在仓内进行雾化增湿降低污氮温度，使仓温保持在20℃以下，抵消掉从仓房顶部传入的热量，减缓平均粮温的升高速度。其工艺流程如图3所示。
3.3 两方案的技术经济比较
直接利用LNG的冷能用于低温储粮，工艺简单。而空分厂副产的排弃物10℃污氮气体具有压力较低、不可燃烧等特点，因此直接利用污氮气体安全性较高，还可变废为宝、符合国家提倡的发展循环经济和节能减排的政策，而且通过仔细设计控制回路、充分利用污氮的排空余压，污氮是非常经济的冷源。两种方案具体比较如表1。
表1 LNG冷能低温储粮不同方案的比较分析表
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指标
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直接利用LNG冷能
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利用LNG空分副产的污氮
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前提
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粮库附近有LNG深冷用户
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粮库附近有LNG空分厂
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用量
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粮库冷用量受上游冷能用户限制
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粮库冷用量受空分厂限制
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距离
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粮库需靠近其他的冷能用户厂；输送距离近
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粮库需靠近橡胶粉碎厂；输送距离较近
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安全
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可能产生LNG泄漏而爆炸
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无危险
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操作
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困难；需与其他用冷用户配合
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困难；需与空气厂配合
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工程投资
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低
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低
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冷能价格
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较低
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无
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技术
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可行
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可行
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3.4 应用实例介绍
某粮库附近的LNG空分厂日产液体空分产品约600t，同时副产400t的污氮气体，温度为10℃，压力为0.11MPa，氧含量为4.5%。现粮库利用空分厂的污氮进行低温储粮，主要的方案有利用污氮气体进行粮面控温和粮堆穿透通风降温这两种。
利用污氮采用如图3所示的工艺流程进行粮面控温，在粮仓上部空间充入污氮，然后进行喷雾增湿降温，将仓温控制在20℃以下。通过粮面控温，平均粮温的变化曲线如图4所示。从图可知，从8月份开始，平均粮温超过15℃，全年的最高粮温出现在11月份，达到17.2℃。由此可见，全年采用粮面控温时，只有4个月左右的平均粮温超过15℃，其余均控制在15℃以下，平均粮温低于常规的无粮面控温的粮温。
第二种方法是先将污氮采用喷雾加湿，温度从10℃降至5.3℃，相对湿度增至29%，然后将此低温污氮气体进行粮堆穿透通风，平均粮温变化曲线如图5所示。由图可知，无穿透降温时仓内平均粮温在8月份已经超过20℃的准低温标准。为了实现低温储粮，当平均粮温超过15℃时，采取污氮穿透粮堆的通风方式进行降温，将粮食冷却到12℃；随着外界环境对粮温的影响，冷却后的粮温会继续升高，当平均粮温升高到15℃时，继续采用穿透粮堆通风的方式进行降温，从而实现全年的低温储粮。
采用粮面控温的方式，污氮不与粮食直接接触，因污氮的含湿量低导致粮食的失水少、损耗低、使用安全。污氮穿透通风方式操作简单、灵活，可以根据不同的粮食品种进行通风复冷，并且可以对需要降温降水的玉米进行多次通风复冷，但其缺点是由于增加了通风次数，粮食的失水量有所增加。根据计算，空分厂副产的400t/d污氮可以满足14个高大平房仓(约8×104t粮食)的低温储粮的冷能需求，整个工程投资约232.6万元，每年低温储粮可产生直接经济效益80万元，经济上可行。
4 结论
我国南方地区年平均气温在10℃以上，高温高湿的气候持续时间长，因此在这些地方进行低温储粮对延长粮食储备时间，提高粮食品质均有重要意义。我国目前在东南沿海地区规划了多个大型的LNG接收站，且有200多个LNG卫星站分布在全国各地，这给利用利用LNG冷能实现低温储粮提供了可能。因此，在邻近LNG接收站或者卫星站的粮库开展利用LNG冷能实现低温储粮，不仅可以降低低温储粮的能耗成本，而且也为LNG冷能利用提供了一个新的方法，发展前景广阔。
参考文献
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[2] 滕祥文.浅谈我国的粮食储备[J].粮食流通技术.2003(4)：7-8.
[3] ROSETTA M J，PRICE B C，HIMMELBERGER L. Optimize energy consumption for LNG vaporization [J]. Hydrocarbon Processing.2006，85(1)：57-64.
[4] 顾安忠.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2004.
[5] 熊永强，李亚军，华贲.液化天然气冷量利用的集成与优化[J].华南理工大学学报：自然科学版，2008，36(3)：20-25.
[6] SUN WEI，HU PENG，CHEN ZESHAO，et al. Performance of cryogenic thermoelectric generators in LNG cold energy utilization [J]. Energy Conversion and Management，2005(46)：789-796.
(本文作者：熊永强1 华赉1 陈忠南2 陈萍3 李炬2 李亚军1 高丽荣1 1.华南理工大学天然气利用研究中心；2.中央储备粮莆田直属库；3.中央储备粮管理总公司福建分公司)
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