何夢婷, 葛中健, 張 景, 郭 超, 林 乾, 陳 亮, 白春啟, 王智穎

(廣東省糧食科學(xué)研究所有限公司1，廣州 510310) (廣州嶺南穗糧谷物股份有限公司2，廣州 510800) (河南工業(yè)大學(xué)3，鄭州 450052)

磷化氫是全球應(yīng)用較普遍的熏蒸劑，廣泛應(yīng)用在糧食、煙草、干果、藥材、機(jī)械、船舶等儲藏物害蟲防治，并被國際貿(mào)易認(rèn)可和接受[1]。與其他熏蒸劑相比，磷化氫的價格低，易于應(yīng)用，殘留量極少[2]。為了提高磷化氫熏蒸效果，解決害蟲對磷化氫的抗性問題，糧食筒倉中熏蒸劑的濃度和運(yùn)動分布值得研究分析[3,4]。

熏蒸劑在谷粒間的擴(kuò)散過程是熏蒸劑在谷物間對流擴(kuò)散和谷物顆粒對熏蒸劑吸附以及二者之間的不可逆反應(yīng)的過程，熏蒸劑損失的主要來源是從筒倉的熏蒸劑泄漏和谷物的吸附[4]。磷化氫熏蒸常采用全倉平均濃度的變化反應(yīng)和熏蒸時間來反映殺蟲效果，熏蒸過程熏蒸劑的濃度在空間和時間上是連續(xù)變化的[5]，即糧堆內(nèi)不同部位的磷化氫濃度隨時間的變化而變化，如何評估糧堆內(nèi)具體部位殺蟲效果是個難點。國內(nèi)外開展磷化氫熏蒸技術(shù)研究發(fā)表了諸多的研究報告，王遠(yuǎn)成等[5]、Isa 等[6]、Agrafioti等[7]、Mat Isa[8]采用計算流體動力學(xué)方法對筒倉內(nèi)中磷化氫的分布規(guī)律預(yù)測。代永等[9]、韓志強(qiáng)等[10]、胡寰翀等[11]、祁正亞等[12]報道了高大平房倉、淺圓倉等倉型的糧堆中磷化氫熏蒸時，糧堆內(nèi)不同深度磷化氫平均濃度隨時間的變化趨勢，分析了淺圓倉磷化氫濃度氣體濃度分布與環(huán)流風(fēng)道設(shè)計的關(guān)系。郭超等[13]、曹文杰等[14]報道了高大平房倉磷化氫熏蒸后，糧堆內(nèi)磷化氫濃度衰減階段的濃度呈指數(shù)下降趨勢[13]。此外，Agrafioti等[7]、Shi等[2]以儲糧害蟲的概率、邏輯、柯西分布和Ct濃度積等死亡模型，評價了糧堆熏蒸過程害蟲防治效果，其中部分研究采用計算流體動力學(xué)方法建模預(yù)測糧堆內(nèi)谷蠹和鋸谷盜等害蟲的死亡率分布，并現(xiàn)場實驗驗證[7]。現(xiàn)有研究主要以計算流體動力學(xué)方法模擬糧堆內(nèi)磷化氫濃度分布或以磷化氫平均濃度變化研究濃度值變化趨勢，而對糧堆內(nèi)不同部位磷化氫濃度的變化趨勢及具體部位防蟲效果研究報道較少。

采用糧面藥袋投藥和兩側(cè)梳型風(fēng)道環(huán)流熏蒸技術(shù)，研究了淺圓倉糧堆內(nèi)磷化氫濃度隨時間變化規(guī)律，分析了糧堆內(nèi)部縱向和橫向上磷化氫擴(kuò)散及分布特性，并采用磷化氫濃度累計Ct值評估了不同部位蟲害防治效果，以期解決目前淺圓倉使用過程中害蟲難以防治的問題，為指導(dǎo)糧食倉儲行業(yè)實施磷化氫熏蒸作業(yè)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 實驗倉房及儲糧情況

廣州某公司新建Q207號淺圓倉，直徑27 m，裝糧線高度18 m，倉內(nèi)體積12 000 m3，設(shè)計倉容7 700 t。進(jìn)糧通過4根溜管4點落料，地槽有梳型風(fēng)道兩組，雙側(cè)通風(fēng)，倉底9個出糧口，倉內(nèi)回風(fēng)管道尺寸為500 mm×400 mm，外側(cè)4 mm鋼板，內(nèi)側(cè)2 mm鍍鋅板，管道壁內(nèi)填充保溫材料，如圖1所示。儲存糧種1#加麥，雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%以內(nèi)，含水量12.6%，總計入糧7 061 t。倉內(nèi)有玉米象、赤擬谷盜、銹赤扁谷盜等蟲害活動，數(shù)量較多。

圖1 倉底風(fēng)道、出糧口示意圖(mm)

1.2 實驗儀器和設(shè)備

X-am 5000磷化氫檢測儀；Pac 7000磷化氫報警儀；環(huán)流熏蒸設(shè)備、倉房氣密性檢測裝置；糧倉深層扦樣器。倉底A面、B面采用兩套熏蒸系統(tǒng)。環(huán)流風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：功率0.75 kW，風(fēng)壓900 Pa，風(fēng)量800 m3，轉(zhuǎn)速2 800 r/min。

1.3 實驗方法

1.3.1 倉房氣密性測定

參照張來林等[15]的方法測定。

1.3.2 磷化氫濃度檢測點的設(shè)置

糧面空間距糧面30 cm設(shè)置1點，為空間濃度檢測點，倉內(nèi)磷化氫濃度檢測點分別距離糧面1.2、4.8、8.4、12、14.4 m設(shè)置5層，分別記為1層、2層、3層、4層和5層。每層在中心位置設(shè)置1個檢測點、內(nèi)圈設(shè)置5個檢測點、外圈設(shè)置5個檢測點，每層中心位置檢測點濃度均值計為中軸線濃度，各層內(nèi)圈檢測點濃度均值計為糧堆內(nèi)圈濃度，各層外圈檢測點濃度均值計為糧堆外圈濃度。倉底設(shè)兩側(cè)環(huán)流管道A面、B面和中心取樣口3個點。整倉共計59個磷化氫檢測點。磷化氫濃度檢測從熏蒸次日開始，檢測頻率按照前13 d每天定時檢測1次，之后2～3 d 檢測1次，共計檢測21次。

圖2 倉熏蒸取樣點分布(黑色圓點標(biāo)識檢測點)

1.3.3 熏蒸方式及環(huán)流工藝

采用糧面藥袋投藥方式，單位用藥量按照4g/m3，每1瓶(1.5 kg)裝4袋，1袋約117粒，設(shè)128個施藥點，投藥點在糧面均勻分布，共計用藥48 kg。投藥后進(jìn)行環(huán)流40 h，磷化氫濃度均勻后，每天環(huán)流4 h(13:00～17:00)。環(huán)流后每天定時檢測各點磷化氫濃度。

1.3.4 熏蒸過程磷化氫Ct值計算

參照白旭光等[16]的方法計算。Ct值為相鄰兩次磷化氫濃度相加除以2后，再乘以兩次測定間隔時間h。

式中：Ct為t時的磷化氫體積分?jǐn)?shù)/mL/m3;Ct+h為t+h時的磷化氫體積分?jǐn)?shù)/mL/m3;h為2次測定間隔時間/d。

1.3.5 熏蒸過程磷化氫均勻性N計算

均勻性參照韓志強(qiáng)等[17]的方法計算。

式中：Ci為糧堆檢測點的磷化氫體積分?jǐn)?shù)/mL/m3;C為糧堆磷化氫平均體積分?jǐn)?shù)/mL/m3;n為檢測點的數(shù)量。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

磷化氫衰減階段模型參照郭超等[13]，模型的擬合和參數(shù)計算采用Origin Pro 9.1.0分析[18]。淺圓倉磷化氫濃度分布情況參照白世彪等[19]，采用Surfer11.0和AutoCAD2008繪制，將各層繪制圖像沿水平方向旋轉(zhuǎn)45°，并將各層按照從上至下的順序合并為淺圓倉磷化氫濃度分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 熏蒸過程中淺圓倉Q207倉磷化氫濃度隨時間變化

經(jīng)檢測，淺圓倉從-300 Pa升高至-150 Pa的壓力半衰期為600 s。淺圓倉Q207倉磷化氫濃度隨時間的變化如圖3所示。在倉內(nèi)糧面按4 g/m3投放磷化鋁后，磷化氫濃度先升高后逐漸降低。經(jīng)過環(huán)流，淺圓倉Q207倉內(nèi)磷化氫體積分?jǐn)?shù)在第5.8 d達(dá)到最高值328.9 mL/m3。隨著時間的延長，磷化氫濃度逐漸降低，第24.8 d體積分?jǐn)?shù)降低為223.2 mL/m3，第40.8 d體積分?jǐn)?shù)降低至45.8 mL/m3。對磷化氫衰減階段濃度C和熏蒸時間t擬合曲線，結(jié)果表明磷化氫衰減階段遵循C=1 061.7e-0.071t模型(R2=0.917 1)。

圖3 淺圓倉Q207倉磷化氫體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化

2.2 淺圓倉磷化氫濃度濃度實倉擴(kuò)散分布

淺圓倉Q207倉內(nèi)磷化氫隨時間的擴(kuò)散分布情況如圖4、表1所示。由圖4可知，磷化鋁投藥后，淺圓倉Q207倉磷化氫濃度逐漸增加，第0.3天磷化氫擴(kuò)散至全倉，平均體積分?jǐn)?shù)為47 mL/m3，均勻度為80.8%，磷化氫濃度最高點在B面內(nèi)環(huán)流回流管內(nèi)，為80 mL/m3，最低點在糧面下14.4 m處，為31mL/m3。第0.7天至第2.3天內(nèi)，在環(huán)流系統(tǒng)的作用下，糧堆內(nèi)磷化氫快速分布，均勻度介于86.8%～93.4%。第2.8天至第5.8天內(nèi)，磷化鋁大量反應(yīng)，糧堆表層1.2 m處磷化氫濃度較高，并逐漸開始在筒倉中軸處聚集，第2.8天的均勻度為76.4%。第5.8天全倉磷化氫體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值329 mL/m3，第5.8天均勻度為83.9%，從橫向方向看，磷化氫在中軸聚集，濃度以中軸為中心向倉壁遞減，其中筒倉中軸處磷化氫濃度較高，平均體積分?jǐn)?shù)達(dá)415 mL/m3，最大體積分?jǐn)?shù)為444 mL/m3，最小體積分?jǐn)?shù)為392mL/m3。從縱向方向看，從上到下各層磷化氫體積分?jǐn)?shù)依次為351、326、322、325、315 mL/m3。在淺圓倉熏蒸初期，糧堆內(nèi)表層和中軸處磷化氫濃度相對較高。由表1可知，1層至5層的單層磷化氫的均勻度高于全倉磷化氫濃度的均勻度。堆內(nèi)最高濃度點主要分布在中心和內(nèi)圈，從2.8 d至7.8 d，堆內(nèi)最高濃度點主要分布在中心，從2.8 d至40.8 d最低濃度點分布集中在外圈。

淺圓倉Q207倉磷化氫濃度升高至最大后，磷化氫濃度逐漸減低。第6.8天至第19.8天糧堆內(nèi)磷化氫平均體積分?jǐn)?shù)波動較小，處于319 ～273 mL/m3之間，均勻度介于70.2%～90.3%。糧堆內(nèi)磷化氫在中軸聚集，濃度以中軸為中心向倉壁遞減。第21.8天至第40.8天, 糧堆內(nèi)磷化氫平均體積分?jǐn)?shù)由259 mL/m3降低至46 mL/m3，均勻度介于60.9%～89.1%，筒倉中軸未呈現(xiàn)明顯的磷化氫聚集區(qū)域，從縱向方向看，在第40.8天糧堆在上層和下層濃度低，均勻度為60.9%，中間層8.4 m處形成磷化氫濃度相對較高的區(qū)域。由表1可知，環(huán)流熏蒸系統(tǒng)促進(jìn)糧堆內(nèi)磷化氫的均勻分布，但糧堆內(nèi)磷化氫在不同區(qū)域濃度仍然存在差異。Agrafioti等[7]也指出環(huán)流熏蒸系統(tǒng)改善了熏蒸過程中磷化氫的分布，這與本研究結(jié)果一致。本研究以實際檢測的磷化氫濃度為數(shù)據(jù)源，采用sufer繪制淺圓倉倉內(nèi)磷化氫擴(kuò)散的實際分布情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)流熏蒸系統(tǒng)導(dǎo)致磷化氫在中軸聚集，濃度以中軸為中心向倉壁遞減的現(xiàn)象，這在以往文獻(xiàn)研究中鮮見報道。祁正亞等[12]報道了淺圓倉使用三層環(huán)槽結(jié)構(gòu)的風(fēng)道時，磷化氫氣體絕大部分從外環(huán)及中環(huán)釋放出來, 而內(nèi)環(huán)最少，磷化氫氣體濃度最高的是外層及中層環(huán)之間, 其次為中層與內(nèi)層環(huán)之間, 濃度最低的是靠近倉壁的地方。這與本研究結(jié)果不同，本研究采用兩側(cè)梳型風(fēng)道，磷化氫氣體濃度在中軸聚集，這表明通過優(yōu)化改進(jìn)環(huán)流熏蒸風(fēng)道可以改變糧堆內(nèi)磷化氫氣體的分布。Smith等[20]將二氧化碳?xì)庹{(diào)當(dāng)作熏蒸劑研究時，提出計算熏蒸氣體分布的方法對于谷物存儲工藝的設(shè)計和管理很有用。這表明谷物存儲工藝設(shè)計和熏蒸劑氣體分布研究能夠相互促進(jìn)。韓志強(qiáng)等[10]與本研究均在相同結(jié)構(gòu)的淺圓倉內(nèi)配備相同型號環(huán)流風(fēng)機(jī)下，環(huán)流管道磷化氫濃度存在差異，均為B面環(huán)流管道中磷化氫高于A面濃度，其原因需進(jìn)一步分析。因此，在實際工作中，淺圓倉倉底風(fēng)道設(shè)計對全倉磷化氫濃度分布能夠產(chǎn)生影響，可通過優(yōu)化改進(jìn)環(huán)流熏蒸風(fēng)道可以改變糧堆內(nèi)磷化氫氣體的分布。此外，基于CFD的建?？梢詼?zhǔn)確地模擬和預(yù)測熏蒸結(jié)果，并提供對熏蒸區(qū)域內(nèi)的每個位置都有良好的預(yù)測[7]。而Plumier等[4]指出在使用任何的流體動力學(xué)時軟件包具有易于使用和易于可視化結(jié)果的優(yōu)點，也具有忽略天氣條件、缺失操作變量、邊界條件設(shè)置單一或模糊來控制的缺點，這可能導(dǎo)致采用流體動力學(xué)軟件模擬糧堆內(nèi)磷化氫分布變化時，部分細(xì)節(jié)難以模擬出來。采用計算流體動力學(xué)方法對筒倉內(nèi)中磷化氫的分布規(guī)律預(yù)測時，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步優(yōu)化邊界條件設(shè)置，將熏蒸區(qū)域內(nèi)的每個位置的細(xì)節(jié)模擬出來，以便更加精準(zhǔn)指導(dǎo)實際工作。

2.3 淺圓倉不同部位磷化氫Ct值的變化

淺圓倉不同部位磷化氫和時間的Ct值如圖5所示。由圖5可知，淺圓倉不同部位磷化氫Ct值隨時間的增加數(shù)量逐漸增大。筒倉空間的磷化氫濃度較高，相對其他部位Ct值較大，第40.8天為13 341 mL/m3·d，其他部位的Ct值增加趨勢在第32.8天逐漸趨以平緩。以中軸為中心，筒倉中軸線處磷化氫Ct值相對較大，為9 445 mL/m3·d，糧堆內(nèi)圈、外圈部位的Ct值與平均體積分?jǐn)?shù)累計值接近，分別為8 032、8 950 mL/m3·d。環(huán)流熏蒸系統(tǒng)A面管、B面管的Ct值低于平均體積分?jǐn)?shù)累積值，分別為7 076、7 706 mL/m3·d。筒倉從上至下，糧堆內(nèi)部第1層至第5層的Ct值接近平均體積分?jǐn)?shù)累積值，分別為8 917、9 003、8 566、8 487、7 916 mL/m3·d。倉底取樣口磷化氫Ct值第40.8 d僅為895 mL/m3·d，為全倉Ct值最低部位。結(jié)合取樣口磷化氫濃度變化情況，倉底取樣口位置磷化氫濃度整體較低，最低體積分?jǐn)?shù)為3 mL/m3，但最高體積分?jǐn)?shù)仍可達(dá)到134mL/m3，這表明并非倉底取樣口為熏蒸絕對死角，在磷化氫濃度在一些情況下濃度還是可以達(dá)到較高濃度的。基于《糧油儲藏技術(shù)規(guī)范》表E.1[21]，15～20 ℃下抗性蟲種推薦的有效熏蒸濃度和密閉時間，密閉21、28 d以上所需磷化氫Ct值分別為7 350、8 400 mL/m3·d，環(huán)流熏蒸系統(tǒng)A面管、B面管和倉底取樣口均存在害蟲防治隱患。因現(xiàn)有的環(huán)流熏蒸系統(tǒng)未能夠有效分配到磷化氫，建議通過進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計磷化氫分配系統(tǒng)，增加此部位熏蒸劑濃度。在促進(jìn)熏蒸氣體均勻而有效分布的施藥技術(shù)中，以促進(jìn)密閉環(huán)境氣體循環(huán)的技術(shù)(環(huán)流熏蒸)最為有效[16]，從本研究結(jié)果表明環(huán)流熏蒸可以避免因過高濃度造成的不利，但難以避免熏蒸死角的存在。

圖5 淺圓倉Q207倉不同部位磷化氫Ct值

3 結(jié)論

淺圓倉糧堆內(nèi)磷化氫濃度衰減階段的濃度呈指數(shù)下降趨勢，磷化氫濃度衰減階段濃度和時間符合指數(shù)模型C=1 061.7e-0.071t模型(R2=0.917 1)。環(huán)流熏蒸系統(tǒng)促進(jìn)糧堆內(nèi)磷化氫的均勻分布，可以避免因過高濃度造成的不利，但糧堆內(nèi)磷化氫在不同區(qū)域濃度仍然存在差異，且難以避免熏蒸死角的存在。淺圓倉Q207倉內(nèi)初期磷化氫濃度隨時間逐漸增大。在淺圓倉熏蒸初期，糧堆磷化氫濃度衰減階段中間層和中軸處磷化氫濃度相對較高，橫向方向上空間、中軸、內(nèi)圈、外圈部位以及縱向方向上各層磷化氫Ct值較高，蟲害防治難度較小，環(huán)流熏蒸系統(tǒng)A面管、B面管和倉底取樣口磷化氫Ct值低于平均濃度累計值，蟲害防治難度較大。