脲甲醛緩釋肥料的研究進展與聚脲甲醛緩釋肥料新工藝介紹

胡建民，苗俊艷，許秀成

（1. 鄭州高富肥料有限公司，河南鄭州 451450；2. 鄭州大學(xué)國家鈣鎂磷復(fù)合肥技術(shù)研究推廣中心，河南鄭州 450001）

化肥對農(nóng)業(yè)的貢獻不言而喻。但目前常用的化肥絕大多數(shù)為速效肥料，長期過量施用導(dǎo)致土壤有機質(zhì)匱乏，化肥利用效率直線下降，也帶來了水體富營養(yǎng)化，溫室氣體排放，土壤板結(jié)、酸化、鹽堿化和病蟲害加重等一系列環(huán)境問題。當(dāng)前，我國化肥的利用率不高，當(dāng)季氮肥利用率僅為35%左右，而溫室大棚內(nèi)更低，只有10%。

鄭州大學(xué)磷肥與復(fù)肥研究所是國內(nèi)最早從事提高肥料利用率研究的院所之一，尤其是在提高氮利用率方面?；阝}鎂磷肥為包裹層的第一代包裹型肥料，20 世紀(jì)80 年代已取得國家發(fā)明專利，并獲得國家發(fā)明專利優(yōu)秀獎；20 世紀(jì)90 年代又發(fā)明了以微溶性二價金屬磷酸鹽為包裹層的新一代緩釋肥料，并取得中、美兩國發(fā)明專利。所生產(chǎn)的玉米專用肥，能夠做到基肥一次性施入不追肥。在稍增加施肥成本的情況下，水稻、玉米增產(chǎn)5% ～10%，明顯提高了氮肥利用率。2008 年10 月以原化學(xué)工業(yè)部經(jīng)濟技術(shù)委員會化肥組組長、中國寰球工程有限公司總工程師伍宏業(yè)高級工程師為首，聯(lián)合5位中國化工、化肥、農(nóng)業(yè)專家，聯(lián)名提出《關(guān)于采用發(fā)展化肥等有效措施，提高我國糧食增產(chǎn)潛力的建議》書面報告，得到了中央領(lǐng)導(dǎo)的首肯。其中，許秀成教授提出“增加脲甲醛及肥包肥的緩釋肥生產(chǎn)裝置，提高糧食產(chǎn)量”的建議。為落實增加脲甲醛生產(chǎn)裝置，開發(fā)新的脲甲醛類肥料生產(chǎn)方法，降低脲醛類肥料生產(chǎn)成本，鄭州高富肥料有限公司歷經(jīng)10 多年，在生產(chǎn)工藝技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)上取得了巨大的技術(shù)進步，申請了中國、美國和PCT（專利合作協(xié)定）等多項發(fā)明專利。新的聚脲甲醛緩控釋肥生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)成本大幅度降低，使得過去只能應(yīng)用于高爾夫球場草坪、園林花卉及高附加值經(jīng)濟作物的高價產(chǎn)品，能夠應(yīng)用于大田作物上。

1 脲甲醛緩釋肥料國內(nèi)外研究進展

1924年，德國巴斯夫（BASF）公司獲得了脲甲醛肥料的第一個專利，1955年開始商業(yè)化生產(chǎn)，并成為20 世紀(jì)國際上主要緩釋肥料品種之一，銷售量約占全部緩控釋肥料的50%［1］。1947年，美國開始生產(chǎn)脲甲醛類肥料［2-3］。Christianson等［4］利用質(zhì)量比為6%～15%的多聚甲醛與尿素反應(yīng)制備了系列脲甲醛肥料，與尿素對比發(fā)現(xiàn)，脲甲醛肥料可以減少37%的氮損失。但脲醛肥料主要應(yīng)用于高爾夫球場、花卉、園藝等非農(nóng)市場，僅日本少量用于水稻種植中。根據(jù)1965 年美國聯(lián)合化學(xué)公司和1966年美國杜邦公司的技術(shù)，在尿素表面噴涂尿素和甲醛的酸性混合溶液后，確實能起到改善肥料性能的作用——主要是防吸潮、結(jié)塊及提高運輸過程中尿素的耐磨性?，F(xiàn)在歐美市場銷售的很多尿素，還都進行這樣的處理，與未處理尿素相比，其在水中和土壤中的溶解和礦化速度幾乎無差別，因此宣傳此種產(chǎn)品是緩釋尿素顯然是不正確的。

20 世紀(jì)70 年代，我國才開始對脲甲醛緩釋肥料進行研究［5］。20 世紀(jì)90 年代，我國一些企業(yè)開始生產(chǎn)和銷售脲甲醛緩釋肥料，但與世界先進水平相比，工藝技術(shù)落后、質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)成本高，未得到大面積推廣應(yīng)用。石學(xué)勇等［6］分析脲甲醛復(fù)合肥裝置的投資、效益和市場前景，為轉(zhuǎn)鼓造?；蛩綇?fù)合肥造粒裝置改產(chǎn)脲甲醛緩釋肥料技術(shù)提供了思路。

傳統(tǒng)的脲甲醛緩釋氮肥生產(chǎn)（見圖1）采用間歇式反應(yīng)釜，工藝復(fù)雜，能耗高，成本相對較高，無法大規(guī)模生產(chǎn)。我國生產(chǎn)脲甲醛肥料的一些廠家主要采用的生產(chǎn)工藝是在復(fù)合肥料造粒過程中噴入尿素、甲醛、稀硫酸的混合液，產(chǎn)品中冷水不溶性氮幾乎為零，不具有緩釋性能。還有一些生產(chǎn)廠家是將尿素和甲醛酸化縮合后的懸浮液直接用作復(fù)合肥料生產(chǎn)過程中的黏結(jié)劑，簡化了工藝過程，節(jié)省了脲甲醛肥料的干燥能耗，但該工藝存在的問題是由于脲醛懸浮液中水含量較高，復(fù)合肥料生產(chǎn)過程中的添加量受限，產(chǎn)品中緩釋氮的含量不易保證。

圖1 傳統(tǒng)脲甲醛緩釋氮肥生產(chǎn)工藝流程

2 聚脲甲醛緩釋肥料新工藝

鄭州高富肥料有限公司創(chuàng)新了脲甲醛（Urea Formaldehyde 或Methylene Urea，簡稱UF 或MU）緩釋氮肥生產(chǎn)工藝，稱為聚脲甲醛緩釋氮肥生產(chǎn)新工藝（見圖2）。該工藝采用連續(xù)化反應(yīng)器，充分利用反應(yīng)熱，能耗低；在造粒的過程中尿素和甲醛發(fā)生聚合反應(yīng)，工藝路線簡單，可大規(guī)模、連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)，成本大大降低，可用于農(nóng)業(yè)種植中。生產(chǎn)工藝條件和參數(shù)容易控制，能夠生產(chǎn)出活性系數(shù)為45%～70%的產(chǎn)品，滿足不同釋放期的需求，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

圖2 聚脲甲醛緩釋氮肥生產(chǎn)新工藝流程

聚脲甲醛緩釋氮肥是在生產(chǎn)過程中尿素和甲醛發(fā)生了“有限度的聚合”，產(chǎn)品中含有一定量的冷水（25 ℃）不溶解的氮（CWIN）和熱水（100 ℃）不溶解的氮（HWIN）。為滿足農(nóng)作物當(dāng)季生長對氮肥的需求，其w（CWIN）應(yīng)≥20%，w（HWIN）應(yīng)≤15%。在復(fù)合肥料添加一定量“有限度聚合”的聚脲甲醛，氮肥將具有緩慢釋放的作用，可稱作“聚脲甲醛”緩控釋復(fù)合肥料，其中脲甲醛緩釋氮含量一般不能低于復(fù)合肥料中總氮含量的30%。根據(jù)多年的研究結(jié)果，對大多數(shù)作物來說，聚脲甲醛作為基肥，一次性施入，即可滿足作物整個生長期的需求。

為了驗證聚脲甲醛的緩釋性能和適用性，公司曾委托國內(nèi)多家科研院所開展農(nóng)化試驗研究。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院在德州試驗基地開展玉米和小麥連耕、連作肥效試驗，結(jié)果表明施用聚脲甲醛緩釋氮肥MU50處理較普通尿素處理最高增產(chǎn)5.5%；聚脲甲醛緩釋氮肥與普通尿素配合施用（每667 m2MU50用量8.4 kg，施氮量13.9 kg），氮肥表觀利用率最高為35.88%，比普通尿素處理提高11.13%。中國科學(xué)院南京土壤研究所在常熟試驗基地開展小麥和水稻連耕、連作肥效試驗，研究表明水稻季50%MU50處理的氮肥利用率比尿素處理顯著提高了8.1%；小麥季50%MU70處理的氮肥利用率比尿素處理顯著提高3%；與尿素處理相比，50% MU50處理和50%MU70 處理氨揮發(fā)量分別降低了38.1%和28.0%［7］。

黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院范立春等［8］在黑龍江水稻和玉米上開展肥效試驗，施用全量MU50、MU70處理穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量高于常規(guī)處理，全量50%MU50＋50%尿素處理，氮肥利用率為51.9%，比常規(guī)施肥處理提高8.2%。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院在廣東臺山和惠州試驗基地開展雙季稻上連耕、連作肥效試驗及配方檢驗，聚脲甲醛減氮23%一次性基施處理，作物不減產(chǎn)，氮肥利用率提高［9］。河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院在豫南砂姜黑土開展小麥和玉米連耕、連作肥效試驗研究，結(jié)果表明冬小麥、夏玉米田施用聚脲甲醛的氨揮發(fā)量比尿素降低49.5%和76.1%，氮肥利用率分別相應(yīng)提高11.0%和17.3%［10］。福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究聚脲甲醛緩釋肥在玉米上的施用效果，研究表明聚脲甲醛緩釋肥比復(fù)合肥料的氨揮發(fā)損失減少42.63%。

以上國家級和省市級科研院所的多年試驗表明，基于新技術(shù)所生產(chǎn)的聚脲甲醛緩釋氮肥及其復(fù)合肥料具有廣泛的適應(yīng)性；與傳統(tǒng)復(fù)合肥料相比，在減氮15%～30%的情況下，聚脲甲醛緩釋氮肥及其復(fù)合肥料作基肥一次性施入，在整個生長季不需追肥，作物增產(chǎn)5%～10%；氨氮揮發(fā)遠遠低于傳統(tǒng)復(fù)合肥料，適合在大田作物上大面積推廣應(yīng)用。

3 聚脲甲醛緩釋肥經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益分析

我國是世界上最大的氮肥消費國，化肥過量施用也是導(dǎo)致溫室氣體排放的原因之一。中國科學(xué)院南京土壤研究所朱兆良院士在研究我國農(nóng)田中化肥氮的去向時，分析尿素氮的氨揮發(fā)量約為11%。2019 年河南省氮肥施用量（折純量）為190 萬t，以中國科學(xué)院南京土壤研究所研究結(jié)果（50%MU50氨揮發(fā)量降低了38.1%）計算，若用MU替代50%的尿素，則氨排放量減少7.94 萬t，減少環(huán)境污染。2019年河南三大作物播種面積1 012.46萬hm2，每667 m2MU緩控釋肥比傳統(tǒng)施肥少用尿素7.9 kg，若推廣面積達到50%，則減施尿素60 萬t，減少碳排放量（以生產(chǎn)碳排放限額CO20.511 t/t 計算）30.7萬t，減碳潛能巨大。

2020 年，聚脲甲醛緩控釋肥在鞏義米娃娃農(nóng)場千畝水稻示范田上應(yīng)用。每667 m2施用普通復(fù)合肥（15-15-15，價格2 300 元/t）50 kg，成本115元；每667 m2追施2次尿素，每次20 kg（當(dāng)年尿素價格2 000元/t），成本40元；每667 m2追肥一次人工成本10元，施肥成本共計175元，水稻產(chǎn)量510 kg。每667 m2施用MU 緩控釋肥（25-14-6）50 kg 作基肥，不追肥，少施氮4.2 kg，成本169.5 元（售價3 390元/t），水稻產(chǎn)量620 kg。MU緩控釋肥與普通復(fù)合肥相比，每667 m2增產(chǎn)110 kg，增收286元。

與傳統(tǒng)復(fù)合肥料相比，聚脲甲醛緩控釋肥不增加農(nóng)民綜合施肥成本，氮肥利用率高，配方科學(xué)合理，一次施肥不追肥，降低了勞動力成本，節(jié)肥增效，成本優(yōu)勢明顯，具有顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

4 展望

在我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色環(huán)保發(fā)展，化肥“減量、增效”的方針指引下，在我國“2030 碳達峰，2060 碳中和”的國家戰(zhàn)略目標(biāo)下，必將對我國肥料行業(yè)，尤其是對以煤炭為主要原材料的氮肥行業(yè)帶來巨大的壓力。因此，提高肥料利用率，尤其是氮肥的利用率顯得更加迫切。聚脲甲醛緩釋氮肥及緩控釋復(fù)合肥料，價格低廉、質(zhì)量穩(wěn)定、能夠大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)，經(jīng)濟、環(huán)保和社會效益顯著，符合國家提倡的“減肥增效、低碳綠色”的發(fā)展方針，必將迎來廣闊的發(fā)展前景！