新型粮仓熏蒸杀虫磷化氢发生器

刘玉峰

[摘    要]磷化氢发生器是针对粮仓储存，在密闭条件下，采用低浓度磷化氢气体熏蒸，进行库房内杀虫。该法操作简便、安全、经济、杀虫效果理想，且对储存粮食的无明显影响，可以达到国家规定的仓储标准。磷化氢发生器为全自动控制，标准配置彩色触摸屏和可编程逻辑控制器，可根据实际应用工况自行设置相关参数，实时显示系统工作状态。磷化氢发生器可提供远程报警信号接口，可接入中央监控系统，实现设备状态的远程监测。具有高处理效率、低运行成本、操作维护简单方便、全面的安全保证等优点。

[关键词]磷化氢;反应釜;爆炸极限;引射器;稀释器;环流熏蒸

[中图分类号]S379 [文献标志码]A [文章编号]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

熏蒸杀虫是采用熏蒸剂在密闭的粮仓或其他密闭储物空间内杀死害虫或其他有害动植物的技术手段。熏蒸剂是指在规定要求的湿度、温度和压力下能产生对有害生物致死的一种化学药剂。熏蒸所用的分子状态的气体，能够穿透到被熏蒸的物质中去，且不易于被所熏蒸的物质吸附。熏蒸后通风散气，能扩散出去。总之，熏蒸剂是以其气体分子起作用的不包含呈液态或固态的颗粒悬浮在空气中的烟、雾或霾等气雾剂。

1 粮仓熏蒸杀虫的现状及趋势

当今粮食市场熏蒸作业主要依靠人工投放磷化铝片，然后闭仓自然潮解生成磷化氢气体来熏蒸杀虫。因为磷化铝农药直接投放禁止采用，所以新型的符合规范要求的熏蒸杀虫方式就需要投放到糧食熏蒸的市场。混合气体杀虫目前比较流行的是利用熏蒸机释放磷化氢气体及二氧化碳，混合产生磷化氢、二氧化碳混合气体进入粮仓，迅速使整个粮堆达到一个比较持久的、均衡的和较高的磷化氢浓度，从而达到有效地消灭粮仓中各部位害虫。但是此熏蒸杀虫装置中需要大量固体干冰来产生二氧化碳气体，尤其是应用在大型粮仓，消耗干冰量较多，经济性较差且造成过量碳排放。

另外一种装置是磷化氢气体与氮气混合成熏蒸气体，从粮仓之外或者粮仓内采用钢瓶混和装置，利用制氮机制造粮堆低氧环境，同时通入采用药剂或者磷化氢氮气混气进行熏蒸杀虫，降低了用药量，提高了熏蒸效果，取得了理想的杀虫效果，并结合惰性粉拌合粮面、防虫线的粮堆防护措施，减少了一个轮换储存期的熏蒸次数，为绿色储粮技术做了有益探索。但是与磷化氢和干冰混合有一个通病，混气装置需要制氮机或者大量的氮气，经济性较差。

2 磷化氢发生器小试验证

磷化氢发生器装置产出磷化氢气体与空气直接混配，在国内装置属于首套装置，反应原料磷化铝颗粒含量﹑反应温度﹑注水速度﹑引射器孔径等关键参数都需要一步步摸索。因此，设计磷化氢发生器之前需要一系列的实验验证摸索相关参数，从而保证设计的设备能够满足国家安全规范并达到应用要求。

2.1 56%磷化铝颗粒水解实验

2.1.1 实验步骤

（1）取4只锥形瓶，烘干后称重。编号1#，2#，3#，4#;

（2）取一定量的AlP（浓度：56%，形态：片），加入1#，2#称重;

（3）取一定量的AlP（浓度：77.5%，形态：粉），加入3#，4#称重;

（4）在锥形瓶中加入20 ml水，放在恒温水浴中反应;

（5）设定恒温水浴温度为30 ℃、40 ℃、50 ℃;

（6）反应10 h，后取出，敞口放置继续慢反应20 h;

（7）将4只锥形瓶放入烘箱（温度150 ℃）进行烘干（4 h）;

（8）取出锥形瓶进行称重，分别记录4只锥形瓶连同反应残渣的重量。

2.1.2 实验目标

采用56%磷化铝颗粒在不同的水温下反应，测试其反应速率及生成磷化氢气体量，从而筛选出合适56%含量的磷化铝颗粒反应温度。

实验数据如图1所示。

2.2 PH3发生器原理机实验步骤

（1）取一定量的磷化铝（浓度：56%，形态：颗粒），称重并记录;

（2）反应器内装入磷化铝颗粒;

（3）储水罐内注水2 L，记录水温39.8 ℃，设定储水罐的加热温度为40 ℃;

（4）设定反应器夹套温度为40 ℃;

（5）启动循环风机，打开风机补风阀，将气包鼓满，记录鼓满所需时间;

（6）气包鼓满后，关闭补风阀，打开进口的循环阀，让风机和气包自循环;

（7）启动鼓风风机，将风机出口压力设定在600 g/cm2;

（8）打开储水罐压料阀，注水入反应器，开始记录反应，开始记录。

实验数据（磷化氢浓度曲线）如图2所示。

3 磷化氢发生器装置

本装置用于防治储粮害虫，在数次的配比实验中累积了丰富的数据，可以根据不同的粮仓及害虫种类，设置不同浓度磷化氢的混气;本装置通过注入定量的水与磷化铝反应产生磷化氢气体，直接与空气进行混合，不需要额外地采用二氧化碳、氮气，采用独特的发生装置及高精度智能化远程控制，实现了磷化氢气体与超高速速空气直接混合，配比出安全范围内的高浓度混气，对于粮仓杀虫熏蒸防治效果更佳。

（1）设备组成。磷化氢发生器系统，包括吹扫N2钢瓶、磷化氢反应釜、引射器、混气装置、空压机、连接柔性管、排风扇、PLC系统、智能模块等组成。利用PLC智能控制，根据相关的粮仓容量和害虫类型，在HMI输入相关参数，系统会根据设置启动空压机产生超高速的空气气流，压缩机的高速气流通过磷化氢发生器，在特定的设计截面后，进一步增加风速，根据风量风速度，通过质量流量控制器精确控制反应釜内注水量，从而控制磷化铝反应产生磷化氢气体的速度。本装置能将出口磷化氢浓度最大提升至12 000 PPM。同时，本装置一次性投药量最高可以达到45 kg磷化铝，完全领先于国内混合干冰小的磷化氢反应装置的8 kg，且反应时间<4 h。

（2）反应釜引射器。因为磷化氢气体属于易燃易爆气体，与空气混合物爆炸下限：1.79%（26 g/m3），磷化氢是一种无色有味、剧毒、易燃的气体，常规状态是储存于钢瓶内，化学分子式为PH3。正常情况下，纯磷化氢气体是无色无味的，但在金属磷化物产生磷化氢气体时常带有乙炔味或者大蒜味或者腐鱼味，进入空气后会自燃。因此，直接与空气混合成低于爆炸下限的混合气体，就需要特别的设备构造以及精准的智能控制。本装置的核心装置在于，利用反应釜引射器将进口的空压机空气流以高速的方式环流喷射，在反应釜内（图3）将遇水反应生成磷化氢气体，快速的带入发生器出口管道，避免发生器内部磷化氢气体浓度堆积，导致自燃爆炸。

引射器喷嘴按最狭窄处的线速度接近声速进行改进，并在改进在喷嘴前后端安装一个差压计，即时传输相关压力信号到系统PLC，以调节变频风机，使气流从亚音速到音速。引射器的计算原理參照热力学拉伐尔喷管计算方法，引射器参照拉瓦尔喷管原理并参照实验测试数据进行设计制造。所谓拉瓦尔喷管是推力室的重要组成部分，喷管的前端是由大管径缩小成一定尺寸的管径，直至收缩成一个狭窄的部件。经过该部件后，扩管由小变大，直到向外扩张至箭底。腔体内的气体受高压流入喷嘴的前半部，穿过狭窄部件后从后半部流出。这一个特殊的部件可使混合气体的流速因喷截面积的变化而变化，从而得到超音速的气流。反应釜设备见图4。

（3）系统PID。磷化氢发生器工艺流程简图见图5，因涉及商业产权保密及技术专利保密要求，本图仅提供涉及装置主设备配置走向，不涉及核心关键元器件的详细描述。

（4）系统智能化控制。熏蒸系统需要精密流量控制、定量风机流量及压力连锁控制、精确的浓度配比控制、远程实时监测控制、仓内环流控制等，控制逻辑复杂，控制精度及动态响应要求极高，需要系统PLC及前端检测仪表满足精度、偏移量、灵敏度、智能化等比较严格的选型。

（1）流量控制器。在注水流量控制中采用了高精度的质量流量控制器（MFC），其响应时间﹑控制精度都达到国际领先水平;设计选型的产品为CS200-A系列数字型产品，为注水质量流量的控制、测量提供了高准确度及高可靠性。其能够支持自动故障报警，多介质多量程等功能。采用标准开放的通讯协议采集上传至PLC系统。氮气吹扫也采用了同类型的流量计，采用PID串级控制，在管线吹扫时，给前端流量控制器信号，保持流量控制器处于全开状态，打开质量流量控制器的电磁阀，整个管路使用氮气进行大流量的吹扫，保证整个管线和盘面的残留磷化氢气体浓度在爆炸极限之下。

（2）设备风机。系统中的风机选型及相关控制要求也非常苛刻，因为后端引射器的风阻，会导致前端风机后的空气有温度的变化也有压力的剧烈波动，随着后端引射器的工作，产生风阻，空气温度会快速升温至xxx度左右，压力会升压至xx毫巴，对风量的检测带来不确定性，直接会导致后端反应釜内磷化氢气体浓度上升至爆炸极限，引起反应釜爆燃。因此采用自带温压补偿的涡街流量计，精度及响应时间均能够达到有效测量风速风量的要求。

（3）磷化氢气体稀释侦测装置。混气浓度检测对于分析仪表选型要求相对更高，测试PH3浓度的常规分析仪表，检测范围在0～1000 ppm，但我实际需要配比的浓度值远大于市场主流侦测器的检测范围。在本装置中采用国际一线品牌气体传感器，长期稳定不漂移;自带全量程温度补偿和数据修正，大幅提高产品的精度性和稳定性。另外根据实际情况我们设计安装了一套稀释装置，气体浓度稀释器混配控制方式采用全自动混配，质量流量控制法;混配范围为按比例稀释，最大稀释100倍;多组份气体混合系统，通入的磷化氢混气配备预定比例的氮气，混智能化集成系统将各组介质进行精确、均匀的按照比例之间的混合，同时也可以按照现场设定旋钮随时调整设定值。本装置的稀释侦测器反应灵敏、测量精准、抗干扰能力强，且测量范围可以达到系统所需要的范围0～12000 ppm。

（4）远程智能模块。因为本设备使用场所的特殊性，实时移动，分区域释放混气杀虫，并在不同的监测点需要实时监测浓度数据等，就将实时远程控制、重要参数实时报警手机传输功能加入到系统中，应用物联网模块与系统PLC通讯，自带4G卡、GPS全球定位模块、无线侦测器等智能化模块。能够实时监测系统的运行状况、重要报警信息的实时监控、设备运行地点确认等关键参数。尤其是在粮仓五点分布式监测PH3浓度的前端仪表，采用无线传输及锂电池自供电模式，真正实现无线，能够及时的将检测的浓度参数传输至系统PLC。

本设备中的触摸屏用一体机代替，内置系统厂家的SCADA Runtime，网络版、无限点、内置云引擎、PLC引擎、数据库引擎、支持视频流;支持二次组态。可灵活调用各地设备变量数据，实现对异地设备的集中控制，内置MQTT服务端，可开启MQTT 代理功能，轻松实现MQTT自组网，支持多屏功能，同时通过TV盒子将反应釜内化学反应画面远传至办公室，远程监控反应过程。

4 操作步骤

（1）启动设备，通入空气对整个盘面及混合仓引射器进行吹扫置换，检查各部件的有效性，利用管道文丘里对整个管道系统抽真空保负压，检查系统的密闭性能，防止通入磷化氢气体时在管道盘面内自燃或爆炸。

（2）启动空压机，将自吸的空气按照设定的流量通入引射器，制造超声速的气流到混合仓。

（3）根据粮仓类型、粮仓尺寸、害虫种类、三温三湿（“三温”即仓外温度、仓温、粮温;“三湿”即仓外湿度、仓内湿度、粮食水分）等具体参数，输入设定值，系统根据设定值来修正磷化氢气体质量流量控制器;然后开启磷化氢铝料仓，将原料磷化铝投入反应釜内，同时开始控制注水，进入混配程序。

（4）启动发生器后5～10min，后端的磷化氢侦测器实时检测气体浓度，并会反映在HMI畫面，实时显示的浓度作为连锁参数，及时调整反应釜注水的流量，以满足系统设定的浓度值。

（5）产生的磷化氢混气通过粮仓自带通风、环流设施，使磷化氢混合气体直接进入通风、环流系统，加速混合气体在仓内的扩散，提高气体浓度分布的均匀度，以进行有效地杀虫。

（6）在熏蒸杀虫前，后端粮仓装置内会设置最低5点的气体浓度监测点，通过无线的形式传输到熏蒸装置的HMI一体机显示，系统根据粮仓的磷化氢实时检测浓度设置相应的浓度及入口混气流量。

（7）在熏蒸杀虫后，粮仓磷化氢气体浓度会持续进行实时监测，并根据浓度监测情况，及时自动启动混气装置进行补气，以实现对粮仓虫子进行彻底灭杀，满足相关的杀虫设置要求。

5 结束语

本设备具有以下几个特点：设备采用电子行业安全设计，实现“人药分离”功能;采用空气取代二氧化碳稀释磷化氢气体，降低混气原料成本，提高混气速度，并减少温室气体排放;新型均匀混气装置，消除了磷化氢浓度局部超限，实现空气与磷化氢的安全混合;配有高灵敏度检测器，可远程智能终端APP查看实时浓度，并实现远程控制。

参考文献

[1] 王柏青等.磷化氢和二氧化碳混合气调对土耳其扁谷盗成虫毒杀作用的研究[J].郑州粮食学院学报1990（3）：42-51.

[2] 王殿轩. 磷化氢对赤拟谷盗的毒理学及熏蒸关键技术研究[D].北京：中国农业大学，2006.