劉玉峰

[摘? ? 要]磷化氫發(fā)生器是針對(duì)糧倉(cāng)儲(chǔ)存，在密閉條件下，采用低濃度磷化氫氣體熏蒸，進(jìn)行庫(kù)房?jī)?nèi)殺蟲(chóng)。該法操作簡(jiǎn)便、安全、經(jīng)濟(jì)、殺蟲(chóng)效果理想，且對(duì)儲(chǔ)存糧食的無(wú)明顯影響，可以達(dá)到國(guó)家規(guī)定的倉(cāng)儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。磷化氫發(fā)生器為全自動(dòng)控制，標(biāo)準(zhǔn)配置彩色觸摸屏和可編程邏輯控制器，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用工況自行設(shè)置相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。磷化氫發(fā)生器可提供遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)接口，可接入中央監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。具有高處理效率、低運(yùn)行成本、操作維護(hù)簡(jiǎn)單方便、全面的安全保證等優(yōu)點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]磷化氫;反應(yīng)釜;爆炸極限;引射器;稀釋器;環(huán)流熏蒸

[中圖分類號(hào)]S379 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）12–00–03

Novel Phosphine Generator for Fumigation and Insecticidal in Granary

Liu Yu-feng

[Abstract]Phosphine generator is used to kill insects in the warehouse by fumigation with low concentration phosphine gas under closed conditions. The method has the advantages of simple operation， safety， economy， ideal insecticidal effect and no obvious impact on the storage of grain， so as to meet the storage standard stipulated by the state. The phosphine generator is fully automatic control， with standard color touch screen and programmable logic controller. It can set relevant parameters according to the actual application conditions and display the working state of the system in real time. Phosphine generator can provide remote alarm signal interface and can be connected to central monitoring system to realize remote monitoring of equipment status. It has the advantages of high processing efficiency， low operation cost， simple and convenient operation and maintenance， comprehensive safety guarantee and so on.

[Keywords]phosphine; reaction kettle; explosion limit; ejector; diluter; recirculation fumigation

熏蒸殺蟲(chóng)是采用熏蒸劑在密閉的糧倉(cāng)或其他密閉儲(chǔ)物空間內(nèi)殺死害蟲(chóng)或其他有害動(dòng)植物的技術(shù)手段。熏蒸劑是指在規(guī)定要求的濕度、溫度和壓力下能產(chǎn)生對(duì)有害生物致死的一種化學(xué)藥劑。熏蒸所用的分子狀態(tài)的氣體，能夠穿透到被熏蒸的物質(zhì)中去，且不易于被所熏蒸的物質(zhì)吸附。熏蒸后通風(fēng)散氣，能擴(kuò)散出去?？傊?，熏蒸劑是以其氣體分子起作用的不包含呈液態(tài)或固態(tài)的顆粒懸浮在空氣中的煙、霧或霾等氣霧劑。

1 糧倉(cāng)熏蒸殺蟲(chóng)的現(xiàn)狀及趨勢(shì)

當(dāng)今糧食市場(chǎng)熏蒸作業(yè)主要依靠人工投放磷化鋁片，然后閉倉(cāng)自然潮解生成磷化氫氣體來(lái)熏蒸殺蟲(chóng)。因?yàn)榱谆X農(nóng)藥直接投放禁止采用，所以新型的符合規(guī)范要求的熏蒸殺蟲(chóng)方式就需要投放到糧食熏蒸的市場(chǎng)?；旌蠚怏w殺蟲(chóng)目前比較流行的是利用熏蒸機(jī)釋放磷化氫氣體及二氧化碳，混合產(chǎn)生磷化氫、二氧化碳混合氣體進(jìn)入糧倉(cāng)，迅速使整個(gè)糧堆達(dá)到一個(gè)比較持久的、均衡的和較高的磷化氫濃度，從而達(dá)到有效地消滅糧倉(cāng)中各部位害蟲(chóng)。但是此熏蒸殺蟲(chóng)裝置中需要大量固體干冰來(lái)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，尤其是應(yīng)用在大型糧倉(cāng)，消耗干冰量較多，經(jīng)濟(jì)性較差且造成過(guò)量碳排放。

另外一種裝置是磷化氫氣體與氮?dú)饣旌铣裳魵怏w，從糧倉(cāng)之外或者糧倉(cāng)內(nèi)采用鋼瓶混和裝置，利用制氮機(jī)制造糧堆低氧環(huán)境，同時(shí)通入采用藥劑或者磷化氫氮?dú)饣鞖膺M(jìn)行熏蒸殺蟲(chóng)，降低了用藥量，提高了熏蒸效果，取得了理想的殺蟲(chóng)效果，并結(jié)合惰性粉拌合糧面、防蟲(chóng)線的糧堆防護(hù)措施，減少了一個(gè)輪換儲(chǔ)存期的熏蒸次數(shù)，為綠色儲(chǔ)糧技術(shù)做了有益探索。但是與磷化氫和干冰混合有一個(gè)通病，混氣裝置需要制氮機(jī)或者大量的氮?dú)?，?jīng)濟(jì)性較差。

2 磷化氫發(fā)生器小試驗(yàn)證

磷化氫發(fā)生器裝置產(chǎn)出磷化氫氣體與空氣直接混配，在國(guó)內(nèi)裝置屬于首套裝置，反應(yīng)原料磷化鋁顆粒含量﹑反應(yīng)溫度﹑注水速度﹑引射器孔徑等關(guān)鍵參數(shù)都需要一步步摸索。因此，設(shè)計(jì)磷化氫發(fā)生器之前需要一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證摸索相關(guān)參數(shù)，從而保證設(shè)計(jì)的設(shè)備能夠滿足國(guó)家安全規(guī)范并達(dá)到應(yīng)用要求。

2.1 56%磷化鋁顆粒水解實(shí)驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）取4只錐形瓶，烘干后稱重。編號(hào)1#，2#，3#，4#;

（2）取一定量的AlP（濃度：56%，形態(tài)：片），加入1#，2#稱重;

（3）取一定量的AlP（濃度：77.5%，形態(tài)：粉），加入3#，4#稱重;

（4）在錐形瓶中加入20 ml水，放在恒溫水浴中反應(yīng);

（5）設(shè)定恒溫水浴溫度為30 ℃、40 ℃、50 ℃;

（6）反應(yīng)10 h，后取出，敞口放置繼續(xù)慢反應(yīng)20 h;

（7）將4只錐形瓶放入烘箱（溫度150 ℃）進(jìn)行烘干（4 h）;

（8）取出錐形瓶進(jìn)行稱重，分別記錄4只錐形瓶連同反應(yīng)殘?jiān)闹亓俊?/p>

2.1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

采用56%磷化鋁顆粒在不同的水溫下反應(yīng)，測(cè)試其反應(yīng)速率及生成磷化氫氣體量，從而篩選出合適56%含量的磷化鋁顆粒反應(yīng)溫度。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示。

2.2 PH3發(fā)生器原理機(jī)實(shí)驗(yàn)步驟

（1）取一定量的磷化鋁（濃度：56%，形態(tài)：顆粒），稱重并記錄;

（2）反應(yīng)器內(nèi)裝入磷化鋁顆粒;

（3）儲(chǔ)水罐內(nèi)注水2 L，記錄水溫39.8 ℃，設(shè)定儲(chǔ)水罐的加熱溫度為40 ℃;

（4）設(shè)定反應(yīng)器夾套溫度為40 ℃;

（5）啟動(dòng)循環(huán)風(fēng)機(jī)，打開(kāi)風(fēng)機(jī)補(bǔ)風(fēng)閥，將氣包鼓滿，記錄鼓滿所需時(shí)間;

（6）氣包鼓滿后，關(guān)閉補(bǔ)風(fēng)閥，打開(kāi)進(jìn)口的循環(huán)閥，讓風(fēng)機(jī)和氣包自循環(huán);

（7）啟動(dòng)鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)，將風(fēng)機(jī)出口壓力設(shè)定在600 g/cm2;

（8）打開(kāi)儲(chǔ)水罐壓料閥，注水入反應(yīng)器，開(kāi)始記錄反應(yīng)，開(kāi)始記錄。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（磷化氫濃度曲線）如圖2所示。

3 磷化氫發(fā)生器裝置

本裝置用于防治儲(chǔ)糧害蟲(chóng)，在數(shù)次的配比實(shí)驗(yàn)中累積了豐富的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)不同的糧倉(cāng)及害蟲(chóng)種類，設(shè)置不同濃度磷化氫的混氣;本裝置通過(guò)注入定量的水與磷化鋁反應(yīng)產(chǎn)生磷化氫氣體，直接與空氣進(jìn)行混合，不需要額外地采用二氧化碳、氮?dú)猓捎锚?dú)特的發(fā)生裝置及高精度智能化遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了磷化氫氣體與超高速速空氣直接混合，配比出安全范圍內(nèi)的高濃度混氣，對(duì)于糧倉(cāng)殺蟲(chóng)熏蒸防治效果更佳。

（1）設(shè)備組成。磷化氫發(fā)生器系統(tǒng)，包括吹掃N2鋼瓶、磷化氫反應(yīng)釜、引射器、混氣裝置、空壓機(jī)、連接柔性管、排風(fēng)扇、PLC系統(tǒng)、智能模塊等組成。利用PLC智能控制，根據(jù)相關(guān)的糧倉(cāng)容量和害蟲(chóng)類型，在HMI輸入相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)置啟動(dòng)空壓機(jī)產(chǎn)生超高速的空氣氣流，壓縮機(jī)的高速氣流通過(guò)磷化氫發(fā)生器，在特定的設(shè)計(jì)截面后，進(jìn)一步增加風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)量風(fēng)速度，通過(guò)質(zhì)量流量控制器精確控制反應(yīng)釜內(nèi)注水量，從而控制磷化鋁反應(yīng)產(chǎn)生磷化氫氣體的速度。本裝置能將出口磷化氫濃度最大提升至12 000 PPM。同時(shí)，本裝置一次性投藥量最高可以達(dá)到45 kg磷化鋁，完全領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)混合干冰小的磷化氫反應(yīng)裝置的8 kg，且反應(yīng)時(shí)間<4 h。

（2）反應(yīng)釜引射器。因?yàn)榱谆瘹錃怏w屬于易燃易爆氣體，與空氣混合物爆炸下限：1.79%（26 g/m3），磷化氫是一種無(wú)色有味、劇毒、易燃的氣體，常規(guī)狀態(tài)是儲(chǔ)存于鋼瓶?jī)?nèi)，化學(xué)分子式為PH3。正常情況下，純磷化氫氣體是無(wú)色無(wú)味的，但在金屬磷化物產(chǎn)生磷化氫氣體時(shí)常帶有乙炔味或者大蒜味或者腐魚味，進(jìn)入空氣后會(huì)自燃。因此，直接與空氣混合成低于爆炸下限的混合氣體，就需要特別的設(shè)備構(gòu)造以及精準(zhǔn)的智能控制。本裝置的核心裝置在于，利用反應(yīng)釜引射器將進(jìn)口的空壓機(jī)空氣流以高速的方式環(huán)流噴射，在反應(yīng)釜內(nèi)（圖3）將遇水反應(yīng)生成磷化氫氣體，快速的帶入發(fā)生器出口管道，避免發(fā)生器內(nèi)部磷化氫氣體濃度堆積，導(dǎo)致自燃爆炸。

引射器噴嘴按最狹窄處的線速度接近聲速進(jìn)行改進(jìn)，并在改進(jìn)在噴嘴前后端安裝一個(gè)差壓計(jì)，即時(shí)傳輸相關(guān)壓力信號(hào)到系統(tǒng)PLC，以調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)，使氣流從亞音速到音速。引射器的計(jì)算原理參照熱力學(xué)拉伐爾噴管計(jì)算方法，引射器參照拉瓦爾噴管原理并參照實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。所謂拉瓦爾噴管是推力室的重要組成部分，噴管的前端是由大管徑縮小成一定尺寸的管徑，直至收縮成一個(gè)狹窄的部件。經(jīng)過(guò)該部件后，擴(kuò)管由小變大，直到向外擴(kuò)張至箭底。腔體內(nèi)的氣體受高壓流入噴嘴的前半部，穿過(guò)狹窄部件后從后半部流出。這一個(gè)特殊的部件可使混合氣體的流速因噴截面積的變化而變化，從而得到超音速的氣流。反應(yīng)釜設(shè)備見(jiàn)圖4。

（3）系統(tǒng)PID。磷化氫發(fā)生器工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5，因涉及商業(yè)產(chǎn)權(quán)保密及技術(shù)專利保密要求，本圖僅提供涉及裝置主設(shè)備配置走向，不涉及核心關(guān)鍵元器件的詳細(xì)描述。

（4）系統(tǒng)智能化控制。熏蒸系統(tǒng)需要精密流量控制、定量風(fēng)機(jī)流量及壓力連鎖控制、精確的濃度配比控制、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制、倉(cāng)內(nèi)環(huán)流控制等，控制邏輯復(fù)雜，控制精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求極高，需要系統(tǒng)PLC及前端檢測(cè)儀表滿足精度、偏移量、靈敏度、智能化等比較嚴(yán)格的選型。

（1）流量控制器。在注水流量控制中采用了高精度的質(zhì)量流量控制器（MFC），其響應(yīng)時(shí)間﹑控制精度都達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平;設(shè)計(jì)選型的產(chǎn)品為CS200-A系列數(shù)字型產(chǎn)品，為注水質(zhì)量流量的控制、測(cè)量提供了高準(zhǔn)確度及高可靠性。其能夠支持自動(dòng)故障報(bào)警，多介質(zhì)多量程等功能。采用標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放的通訊協(xié)議采集上傳至PLC系統(tǒng)。氮?dú)獯祾咭膊捎昧送愋偷牧髁坑?jì)，采用PID串級(jí)控制，在管線吹掃時(shí)，給前端流量控制器信號(hào)，保持流量控制器處于全開(kāi)狀態(tài)，打開(kāi)質(zhì)量流量控制器的電磁閥，整個(gè)管路使用氮?dú)膺M(jìn)行大流量的吹掃，保證整個(gè)管線和盤面的殘留磷化氫氣體濃度在爆炸極限之下。

（2）設(shè)備風(fēng)機(jī)。系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)選型及相關(guān)控制要求也非?？量?，因?yàn)楹蠖艘淦鞯娘L(fēng)阻，會(huì)導(dǎo)致前端風(fēng)機(jī)后的空氣有溫度的變化也有壓力的劇烈波動(dòng)，隨著后端引射器的工作，產(chǎn)生風(fēng)阻，空氣溫度會(huì)快速升溫至xxx度左右，壓力會(huì)升壓至xx毫巴，對(duì)風(fēng)量的檢測(cè)帶來(lái)不確定性，直接會(huì)導(dǎo)致后端反應(yīng)釜內(nèi)磷化氫氣體濃度上升至爆炸極限，引起反應(yīng)釜爆燃。因此采用自帶溫壓補(bǔ)償?shù)臏u街流量計(jì)，精度及響應(yīng)時(shí)間均能夠達(dá)到有效測(cè)量風(fēng)速風(fēng)量的要求。

（3）磷化氫氣體稀釋偵測(cè)裝置?；鞖鉂舛葯z測(cè)對(duì)于分析儀表選型要求相對(duì)更高，測(cè)試PH3濃度的常規(guī)分析儀表，檢測(cè)范圍在0～1000 ppm，但我實(shí)際需要配比的濃度值遠(yuǎn)大于市場(chǎng)主流偵測(cè)器的檢測(cè)范圍。在本裝置中采用國(guó)際一線品牌氣體傳感器，長(zhǎng)期穩(wěn)定不漂移;自帶全量程溫度補(bǔ)償和數(shù)據(jù)修正，大幅提高產(chǎn)品的精度性和穩(wěn)定性。另外根據(jù)實(shí)際情況我們?cè)O(shè)計(jì)安裝了一套稀釋裝置，氣體濃度稀釋器混配控制方式采用全自動(dòng)混配，質(zhì)量流量控制法;混配范圍為按比例稀釋，最大稀釋100倍;多組份氣體混合系統(tǒng)，通入的磷化氫混氣配備預(yù)定比例的氮?dú)?，混智能化集成系統(tǒng)將各組介質(zhì)進(jìn)行精確、均勻的按照比例之間的混合，同時(shí)也可以按照現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定旋鈕隨時(shí)調(diào)整設(shè)定值。本裝置的稀釋偵測(cè)器反應(yīng)靈敏、測(cè)量精準(zhǔn)、抗干擾能力強(qiáng)，且測(cè)量范圍可以達(dá)到系統(tǒng)所需要的范圍0～12000 ppm。

（4）遠(yuǎn)程智能模塊。因?yàn)楸驹O(shè)備使用場(chǎng)所的特殊性，實(shí)時(shí)移動(dòng)，分區(qū)域釋放混氣殺蟲(chóng)，并在不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濃度數(shù)據(jù)等，就將實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制、重要參數(shù)實(shí)時(shí)報(bào)警手機(jī)傳輸功能加入到系統(tǒng)中，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)模塊與系統(tǒng)PLC通訊，自帶4G卡、GPS全球定位模塊、無(wú)線偵測(cè)器等智能化模塊。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、重要報(bào)警信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行地點(diǎn)確認(rèn)等關(guān)鍵參數(shù)。尤其是在糧倉(cāng)五點(diǎn)分布式監(jiān)測(cè)PH3濃度的前端儀表，采用無(wú)線傳輸及鋰電池自供電模式，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)線，能夠及時(shí)的將檢測(cè)的濃度參數(shù)傳輸至系統(tǒng)PLC。

本設(shè)備中的觸摸屏用一體機(jī)代替，內(nèi)置系統(tǒng)廠家的SCADA Runtime，網(wǎng)絡(luò)版、無(wú)限點(diǎn)、內(nèi)置云引擎、PLC引擎、數(shù)據(jù)庫(kù)引擎、支持視頻流;支持二次組態(tài)?？伸`活調(diào)用各地設(shè)備變量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異地設(shè)備的集中控制，內(nèi)置MQTT服務(wù)端，可開(kāi)啟MQTT 代理功能，輕松實(shí)現(xiàn)MQTT自組網(wǎng)，支持多屏功能，同時(shí)通過(guò)TV盒子將反應(yīng)釜內(nèi)化學(xué)反應(yīng)畫面遠(yuǎn)傳至辦公室，遠(yuǎn)程監(jiān)控反應(yīng)過(guò)程。

4 操作步驟

（1）啟動(dòng)設(shè)備，通入空氣對(duì)整個(gè)盤面及混合倉(cāng)引射器進(jìn)行吹掃置換，檢查各部件的有效性，利用管道文丘里對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)抽真空保負(fù)壓，檢查系統(tǒng)的密閉性能，防止通入磷化氫氣體時(shí)在管道盤面內(nèi)自燃或爆炸。

（2）啟動(dòng)空壓機(jī)，將自吸的空氣按照設(shè)定的流量通入引射器，制造超聲速的氣流到混合倉(cāng)。

（3）根據(jù)糧倉(cāng)類型、糧倉(cāng)尺寸、害蟲(chóng)種類、三溫三濕（“三溫”即倉(cāng)外溫度、倉(cāng)溫、糧溫;“三濕”即倉(cāng)外濕度、倉(cāng)內(nèi)濕度、糧食水分）等具體參數(shù)，輸入設(shè)定值，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值來(lái)修正磷化氫氣體質(zhì)量流量控制器;然后開(kāi)啟磷化氫鋁料倉(cāng)，將原料磷化鋁投入反應(yīng)釜內(nèi)，同時(shí)開(kāi)始控制注水，進(jìn)入混配程序。

（4）啟動(dòng)發(fā)生器后5～10min，后端的磷化氫偵測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)氣體濃度，并會(huì)反映在HMI畫面，實(shí)時(shí)顯示的濃度作為連鎖參數(shù)，及時(shí)調(diào)整反應(yīng)釜注水的流量，以滿足系統(tǒng)設(shè)定的濃度值。

（5）產(chǎn)生的磷化氫混氣通過(guò)糧倉(cāng)自帶通風(fēng)、環(huán)流設(shè)施，使磷化氫混合氣體直接進(jìn)入通風(fēng)、環(huán)流系統(tǒng)，加速混合氣體在倉(cāng)內(nèi)的擴(kuò)散，提高氣體濃度分布的均勻度，以進(jìn)行有效地殺蟲(chóng)。

（6）在熏蒸殺蟲(chóng)前，后端糧倉(cāng)裝置內(nèi)會(huì)設(shè)置最低5點(diǎn)的氣體濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線的形式傳輸?shù)窖粞b置的HMI一體機(jī)顯示，系統(tǒng)根據(jù)糧倉(cāng)的磷化氫實(shí)時(shí)檢測(cè)濃度設(shè)置相應(yīng)的濃度及入口混氣流量。

（7）在熏蒸殺蟲(chóng)后，糧倉(cāng)磷化氫氣體濃度會(huì)持續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)濃度監(jiān)測(cè)情況，及時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)混氣裝置進(jìn)行補(bǔ)氣，以實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)蟲(chóng)子進(jìn)行徹底滅殺，滿足相關(guān)的殺蟲(chóng)設(shè)置要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)備具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：設(shè)備采用電子行業(yè)安全設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“人藥分離”功能;采用空氣取代二氧化碳稀釋磷化氫氣體，降低混氣原料成本，提高混氣速度，并減少溫室氣體排放;新型均勻混氣裝置，消除了磷化氫濃度局部超限，實(shí)現(xiàn)空氣與磷化氫的安全混合;配有高靈敏度檢測(cè)器，可遠(yuǎn)程智能終端APP查看實(shí)時(shí)濃度，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 王柏青等.磷化氫和二氧化碳混合氣調(diào)對(duì)土耳其扁谷盜成蟲(chóng)毒殺作用的研究[J].鄭州糧食學(xué)院學(xué)報(bào)1990（3）：42-51.

[2] 王殿軒. 磷化氫對(duì)赤擬谷盜的毒理學(xué)及熏蒸關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.