高濃度團粒法復(fù)合肥配方設(shè)計及工藝參數(shù)控制要點

陳衛(wèi)民，姚 安，丁方軍

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部腐植酸類肥料重點實驗室，山東 泰安 271600；2. 山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司，山東 泰安 271600；3. 山東騰躍注冊安全工程師服務(wù)有限公司，山東 泰安 271600）

0 引言

團粒法復(fù)合肥造粒工藝（簡稱團粒法）根據(jù)造粒設(shè)備分為圓盤造粒和轉(zhuǎn)鼓造粒兩種，圓盤造粒操作靈活，可滿足小規(guī)模生產(chǎn)需要；轉(zhuǎn)鼓造粒產(chǎn)量大，生產(chǎn)連續(xù)，顯示出更大的優(yōu)越性。

通常來說傳統(tǒng)轉(zhuǎn)鼓蒸汽造粒復(fù)合肥生產(chǎn)主要是物理摻拌滾動成球的過程，但實際生產(chǎn)過程中有些細微的化學(xué)反應(yīng)會影響整個生產(chǎn)過程。在配方設(shè)計時要注重調(diào)配原料抑制副反應(yīng)的發(fā)生、促進反應(yīng)向有利于生產(chǎn)的方向發(fā)展，在生產(chǎn)過程中要熟練掌握溫度、水分、pH、溶解度等物理特性的平衡關(guān)系。

因此，結(jié)合理論試驗數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗可以從5個方面來指導(dǎo)配方設(shè)計和生產(chǎn)工藝操作，分別指黏度、細度、pH、濕度、溫度。

1 物料黏度是造粒的基礎(chǔ)

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)鼓蒸汽造粒復(fù)合肥生產(chǎn)所用原料主要有氮肥類、磷肥類和鉀肥類，此外還有些調(diào)理劑、添加劑和中微量元素等。氮肥類涉及的原料有尿素、硫酸銨、氯化銨等，磷肥類涉及的原料有磷酸一銨、過磷酸鈣、重過磷酸鈣、磷酸氫鈣等，鉀肥類涉及的原料有氯化鉀、硫酸鉀等，調(diào)理劑又分為調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)類和黏土類，添加劑類包括腐植酸、海藻酸、高分子聚合物、聚谷氨酸等。

復(fù)合肥所用的原料可區(qū)分為黏性、中性和沙性物料，氮磷鉀三大主料僅有磷肥類具有黏性，而磷肥類中最常用、黏性最好的是磷酸一銨，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗以及物料的成球機制，選擇黏性好的磷酸一銨是提高成球率的前提［1］。因此許多生產(chǎn)廠家對于磷酸一銨的質(zhì)量要求較高。

根據(jù)研究和生產(chǎn)經(jīng)驗，對磷酸一銨進行適度的氨化能夠抑制副反應(yīng)的發(fā)生，當(dāng)磷酸一銨和氨化物質(zhì)的物質(zhì)的量之比在1.4 ～1.5時，磷酸一銨的黏性能夠最大化地激活，成粒率比原來平均提高5%～6%，且產(chǎn)品外觀有明顯改善?？刹捎脡A性物料（碳酸氫銨、氣氨、鈣鎂磷肥、生石灰等）對物料（主要是磷銨）進行適度氨化，調(diào)節(jié)物料的pH，增加黏性。

此外，添加適量的黏性調(diào)理劑也可增加物料的黏性，常用的黏性調(diào)理劑有耐火土、凹凸棒粉、膨潤土、白色黏土、高嶺土、海泡石粉等。

2 原料和返料的合理細度

對于任何一種原料來說，尤其是黏性調(diào)理劑，粒徑越小黏性越大。高細度物料具有更大的比表面積，與其他物料有更多的接觸面積，物料在被蒸汽或者其他液相浸潤時能形成更大的表面張力，有助于各種物料吸附成團。

但應(yīng)注意的是，肥料生產(chǎn)是多種物料混配的過程，每種物料均有其特定的物理和化學(xué)特性。從物理特性來說，多種物料混配后混合物的熔點會比各種單獨物料低，混合物的臨界相對濕度也會發(fā)生變化［2］；從化學(xué)特性來說，各種物料會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對于生產(chǎn)過程中影響最大的是產(chǎn)生并釋放游離水導(dǎo)致物料整體水含量過大。因此，物料細度也需要根據(jù)物料類型區(qū)別考慮，就原料來看物理化學(xué)特性最活潑的是尿素，其最容易產(chǎn)生不利于生產(chǎn)的物理化學(xué)變化，如果將尿素粉碎過細，將加劇尿素與其他物料的副反應(yīng)。

此外，由于肥料特性和生產(chǎn)工藝的限定，團粒法生產(chǎn)過程要求有一定的返料，返料不僅可以提供部分熱量，而且可以提供團粒核心。團粒核心大部分是原料經(jīng)過一次造粒后形成的小顆粒，這些返料顆粒有助于提高成球率、增加顆粒強度、降低干燥負荷。需要注意的是生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量避免大顆粒產(chǎn)生，大顆粒作為返料時需要粉碎后再返回系統(tǒng)，顆粒破碎效果不達標會導(dǎo)致成品顆粒圓潤度較差。

3 pH是化學(xué)反應(yīng)的指示

在肥料生產(chǎn)使用的原料中，通常需要考慮pH的是磷肥類。磷肥類的原料中含有游離的磷酸、硫酸等物質(zhì)，其與尿素反應(yīng)生成的硫酸脲、磷酸脲具有很大的溶解度以及較強的吸濕性；所含的過磷酸鈣（帶有結(jié)晶水）也會與尿素反應(yīng)，生成易溶于水的物質(zhì)，并釋放出結(jié)晶水。以上多種化學(xué)反應(yīng)綜合作用，嚴重時會導(dǎo)致生產(chǎn)不加液相也出現(xiàn)糨糊狀，壓縮了操作空間，使生產(chǎn)難以持續(xù)進行。

通常來說，需要將物料的pH 調(diào)節(jié)在5.5 ～6.5。如果pH低于5.5，說明其中游離酸比較多，在有尿素存在時會發(fā)生大量副反應(yīng)［3］；如果pH 大于6.5，會導(dǎo)致部分原料的水溶性下降，液相中物料含量降低，液相表面張力下降，其所展現(xiàn)的黏結(jié)作用下降，此外pH 過高也會導(dǎo)致某些物料化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，吸收游離水變成結(jié)晶水造成物料發(fā)干。

根據(jù)試驗研究，當(dāng)磷酸一銨中n（N）/n（P）在1.5時，磷酸一銨處于溶解度最大、黏性最佳的階段，在此物質(zhì)的量之比下混合物料的pH基本為5.5 ～6.5。

4 濕度是系統(tǒng)可操作的先決條件

團粒法生產(chǎn)肥料需要適宜的液相量，而所謂的液相量是指混合物料中的液相以及溶解在液相中的物質(zhì)總量。不同配方、原料及環(huán)境對于團粒法生產(chǎn)要求的液相量是有差異的。

液相量主要從物料自帶的游離水、物料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水、從空氣中吸收的水以及外部添加的水4個方面考慮。通常來說，在不考慮結(jié)晶水的情況下，物料w（H2O）控制在2%～4%比較適宜，尿素添加量多的配方應(yīng)盡量控制低水含量［4］；化學(xué)反應(yīng)不僅影響物料的溶解度，還會導(dǎo)致水的形態(tài)發(fā)生變化，從而影響物料的水含量；由兩種以上肥料組成的混合物其相對臨界濕度比單獨任何一種肥料的相對臨界濕度均要低，通常物料混合后臨界相對濕度在40%～55%，這也是潮濕季節(jié)肥料難以生產(chǎn)的主要原因之一；蒸汽、水、脲液、氨酸溶液等外部添加水量的準確和穩(wěn)定控制是決定產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要步驟［5］，可通過調(diào)整外部添加水量使混合物料的整體液相量達到最佳狀態(tài)，為物料在造粒機內(nèi)的成球以及干燥機內(nèi)的二次成球提供先決條件。

5 溫度是系統(tǒng)操作方式的決定因素

理論上講，每種混合物料都有一個造粒效率最佳的“造粒曲線”。溫度不僅影響液相量的變化從而影響顆粒成球，還對產(chǎn)品的質(zhì)量起決定性作用。

大部分團粒法生產(chǎn)用原料的溶解度隨著溫度升高而增加，溫度越高物料溶解度越大，混合物料在相同水含量情況下，所展現(xiàn)的液相量也就越大，顆粒成球效果越佳。但是當(dāng)混合物料的溫度超過65 ℃時，過高的液相量會使物料出現(xiàn)過度?；纬蛇^多小顆粒，無法維持系統(tǒng)進出物料平衡；反之，當(dāng)造?；驹诔叵虏僮鲿r，顆粒成球需要更多的外部液相量，物料進入造粒機后吸收烘干爐內(nèi)熱量溫度升高，混合物料的溶解度急速增加，最終出現(xiàn)物料大量熔融導(dǎo)致生產(chǎn)無法繼續(xù)。

另外，產(chǎn)品溫度與結(jié)塊有較大關(guān)系。產(chǎn)品溫度過高會導(dǎo)致相同水含量條件下，產(chǎn)品顆粒中的液相量處于高位狀態(tài)，儲存期間隨著熱量逐步釋放，顆粒溫度逐步降低，顆粒水含量降低，溶解在液相中的物質(zhì)逐步結(jié)晶析出，形成晶橋而造成產(chǎn)品結(jié)塊。因此，在生產(chǎn)過程中要盡量控制產(chǎn)品包裝溫度接近室溫以降低結(jié)塊發(fā)生概率。但是高溫潮濕季節(jié)要注意產(chǎn)品的包裝溫度應(yīng)高于環(huán)境溫度5 ～10 ℃，這是因為產(chǎn)品的臨界相對濕度低于環(huán)境的濕度，產(chǎn)品在冷卻、運送、后處理過程中溫度越低吸濕越嚴重，留有適當(dāng)?shù)臏囟瓤臻g可有效減少吸濕情況發(fā)生。

6 總結(jié)

團粒法生產(chǎn)雖然沒有化工生產(chǎn)流程中嚴格的操作和工藝指標要求，更多是被看作相對粗獷的物理混配加工過程，但是其生產(chǎn)過程中影響因素更為錯綜復(fù)雜，不同的配方、原料品種和廠家差異、氣候條件的變化等對生產(chǎn)操作有不同的要求，更是有一系列的科學(xué)理論可以參考借鑒。在錯綜復(fù)雜的因素下發(fā)現(xiàn)影響生產(chǎn)的主導(dǎo)因素，是配方設(shè)計人員和操作人員在生產(chǎn)實踐過程中需具備的基本能力。