高氮復合肥顆粒表面成分與結塊關系研究

楊振軍，吳 舒，2，吳沿博，王金銘

（1.中國-阿拉伯化肥有限公司，河北 秦皇島 066003；2.燕山大學 亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北 秦皇島 066004）

傳統的顆粒肥料防結塊技術多指在肥料顆粒外表面涂布粉狀或油狀疏水物質，通過物理阻隔的方式減輕顆粒的板結程度。這種外表面的修飾效果取決于所選用的惰性粉末和疏水油脂的種類以及用量。

我國現代農業正朝著集約化和規模化的方向發展，大型農場不斷涌現，滴灌、噴灌節水設施農業面積迅速擴大。與傳統的肥料相比，水溶肥及其施用技術符合“低碳節能、高效環保”的要求，是可持續發展的新一代肥料，有廣闊的發展前景，也是肥料工業未來發展的重點。同時，水溶肥對顆粒肥料的純度和水溶性提出了更高的要求，傳統防結塊劑通常是不溶于水的粉體和油類物質，不適用于水溶肥料，主要原因是粉狀或油狀疏水物質容易引起水肥一體化設備的部件（濾芯和滴頭）堵塞，影響自動化施肥的順利進行。

除了使用外源防結塊劑以外，在不引入更多外涂布防結塊物質的前提下，通過改善復合肥顆粒的結構和抑制復鹽反應來提升顆粒的防結塊性能是粒狀水溶肥改性的急需技術，也是未來顆粒肥料防結塊技術的發展方向。顆粒之間接觸點的相互作用是導致復合肥結塊的主要因素，表面成分的塑性形變、物理化學性質直接影響顆粒之間的黏結強度。復合肥顆粒表面的氮、磷、鉀比例通常不同于肥料配方設計的氮、磷、鉀配比，顆粒表面可能富集肥料中溶解度最大的物質，也可能是某種物質升華之后在表面富集。筆者對顆粒復合肥的表面成分與形態進行分析，討論高氮復合肥顆粒的結塊機制，并提出應對措施。

1 肥料結塊的影響因素

肥料結塊包括內部因素和外部因素。內部因素由肥料自身特性引起，包括配方、吸濕性、顆粒強度、粒徑分布、幾何形狀、化學組成、原料形態（無機鹽、短鏈聚合物、無機高分子化合物、高聚物等）；外界因素指環境因素，包括包裝袋密封性，環境溫度、濕度，肥料的存儲時間與壓力。顆粒肥料存儲過程中的塑性形變、復鹽反應引起的重結晶、溶解度大的物質的表面富集、升華現象等都會導致肥料結塊。肥料中某些成分隨溫度變化會產生體積膨脹等物理結構的改變，例如，硝銨在環境溫度劇變時，晶體結構發生改變，其體積隨之變化，伴有能量的吸收和釋放，進而導致結塊。

2 復鹽反應與升華現象

肥料顆粒表面氮、磷、鉀的比例通常不同于肥料配方設計的氮、磷、鉀配比，GAVIN M W等［1］研究了高氮氯基肥的結塊機制與表面成分，發現肥料顆粒中存在飽和的肥料溶液，而且銨離子和氯離子的相對濃度較高，這直接影響到肥料顆粒之間的結塊。X射線衍射分析（XRD）顯示，顆粒表面氯化銨的濃度越高，復合肥結塊越嚴重。通過X射線顯微鏡（X-ray M）對肥料顆粒表面的成分進行觀測和對比，結果表明，肥料中的KCl能夠與硝酸銨反應，并且完全轉換成氯化銨。化學反應方程式為：

KUVSHINNIKOV 等［2］報道肥料顆粒之間氯化銨的形成是肥料結塊的主要原因，因為顆粒表面的飽和氯化銨溶液與相鄰的顆粒表面形成鹽橋。

對存儲后的肥料表面成分進行XRD 分析，結果顯示，與未結塊的肥料相比，結塊的肥料表面存在大量的氯化銨——樣品表面物質的XRD 譜圖在2θ=32.4°處存在明顯的氯化銨的衍射峰，但是由于肥料表面成分較復雜，無法應用XRD 對氯化銨含量進行定量檢測。肥料表面的KCl濃度較低，也證明了KCl大部分轉化成了氯化銨和硝酸鉀。

在肥料造粒過程中，氮、磷、鉀粉狀物料按比例添加到造粒機中，通過加熱、加濕，使物料之間黏結，造粒機中的顆粒尺寸由造粒溫度和濕度控制。溫度和濕度增加，物料溶解量加大，黏結程度增大，物料成分之間發生明顯的物理和化學作用。含氯化鉀和硫酸銨的配方，通常發生如下化學反應［1-3］：

肥料顆粒中形成的氯化銨溶液擴散到顆粒表面導致鹽橋的形成，其中氯化銨溶液的含量與肥料中游離水的含量有關。自由水是產生毛細管黏附力的前提，肥料的游離水也會向表面擴散。肥料中的自由水含量較高時，顆粒之間的接觸面積和表面張力增大，顆粒之間的毛細管黏附力增加，雖然形成氯化銨的反應在肥料存儲之前已充分進行，但是肥料中的游離水仍然會使飽和的氯化銨溶液向顆粒表面轉移，從而形成鹽橋。由此可以判斷顆粒肥料表面氯化銨溶液量越多，越容易形成鹽橋。在游離水存在的情況下，氯化銨向顆粒表面移動并集中在表面，這是結塊的主要原因，因此，盡可能減少肥料中的游離水有助于抑制上述現象的發生。

3 溶解度大的物質的表面富集

干燥后的顆粒肥料若不經過充分冷卻就進行包裝，顆粒表面與肥芯之間存在溫度和水分梯度，水分向表面遷移的過程中會攜帶易溶解的成分到顆粒的表層，水分蒸發后，析出形成針狀晶體，通常溶解度較大的鹽類與溶解度較小的鹽類會出現分層現象。

有文獻［4］表明，20-10-10 尿基硫型產品（Cl質量分數0.6%）存儲1 ～2 周后，顆粒表面出現針狀物，按照 GAVIN M W 等［1-3］的理論，氯化銨在氯基肥顆粒表面的富集是氯化銨升華導致的，當肥料采用較高的溫度進行干燥時，便會有更多的氯化銨向表面富集。但是，文獻［4］中研究的肥料為低氯品級，不會出現氯化銨的升華現象，它的顆粒表面卻同樣出現針狀晶體物質。將肥料顆粒之間生成的晶體針狀物進行氮、磷、鉀的含量分析，結果顯示，w（N）為32.5%，w（P2O5）為6.3%，w（K2O）為3.2%，w（總養分）為42.0%，w（水）為0.6%，明顯不同于肥料的配方成分，表面針狀物的氮含量顯著高于平均水平，w（總養分）高于平均水平2.0 百分點；而應用國家標準方法對顆粒肥料均勻取樣，并化驗平均養分含量，平均w（N）為19.4%，w（P2O5）為10.4%，w（K2O）為10.6%，基本與配方一致。在該文章研究的體系下，顆粒表面富集了溶解度更大的鹽類（w（N）32.5%），這點可能與GAVIN M W 等人的研究結果不同。在以往的實驗中，將具有較好流動性的復合肥飽和溶液或是料漿放置在托盤中靜置干燥，脫水至失去流動性時，往往會產生分層現象，表層和底層的成分呈現顯著的差別。由此可以推斷，在加熱和增濕的情況下，粉狀物料在造粒機內充分混合成粒，造粒機出口的濕顆粒經過干燥機脫水的過程也會有分層現象，即溶解度大的鹽分向顆粒表面遷移。常溫下尿素的溶解度顯著高于硫酸鉀、磷酸一銨，并且在造粒溫度下（80 ～100 ℃）這種差距更為明顯，所以導致20-10-10尿基硫型產品（Cl質量分數0.6%）存儲1 ～2周后，顆粒表面出現的針狀物中w（N）32.5%。顆粒肥料中溶解度大的物質含量越多，該物質在肥料表面的富集量越大，形成的針狀晶體量越多，鹽橋效應越嚴重；相反，顆粒肥料中溶解度低的物質含量越多，肥料表面形成的針狀晶體量越少，鹽橋效應越弱，肥料顆粒之間接觸點形成的黏結力越小，肥料越容易在外力作用下恢復流動性。

4 氮與鉀的替換

通常的復合肥品級中銨離子的含量要顯著高于氯離子，氯離子以氯化銨的形式存在，過量的銨離子形成復鹽KNH4SO4，由于鉀離子與銨離子的半徑基本一致，因此可以按比例形成復鹽。鉀離子的這種特性常用于取代硝酸銨中的銨離子，對硝酸銨的相變溫度進行改性。硝酸銨在常壓下的熱力學穩定晶型分別是Ⅰ-立方晶體（125～169 ℃）、Ⅱ-四方晶體 （84～125 ℃）、Ⅲ-β斜方晶體 （32～84 ℃）、Ⅳ-α斜方晶體（18～32 ℃）、Ⅴ-正方晶體（-170～-18 ℃）。當外界環境溫度波動較大時，硝酸銨的晶型也會隨著溫度的變化而轉變，隨之引起的變化還有晶格體積、結構、密度、比容、膨脹系數等。硝酸銨的結塊主要在常溫常壓下放置過程中產生，引起結塊的主要原因是硝酸銨的晶型轉變和吸濕，硝酸銨的Ⅲ-β斜方晶體與Ⅳ-α斜方晶體之間的相互轉變過程會引起硝酸銨的體積變化，進而導致結塊。

硝酸銨中硝酸根的位置及角度的差異是形成不同晶型的主要原因，各相之間的相轉變需要硝酸根發生不同角度的轉變［5］，例如Ⅱ相與Ⅳ相間的轉變，硝酸根要發生45°的轉動，Ⅱ相與Ⅴ相間的轉變硝酸根需要發生9°的轉動。常溫區間硝酸銨的Ⅲ相與Ⅳ相之間的轉變會伴有溶解、結晶、升溫等現象，這會加快硝酸根的轉動并破壞氫鍵網絡，進而形成新的晶型。因此，通過引入改性劑形成不易被破壞的氫鍵網絡，同時使硝酸根的轉動難度增加，是抑制晶變的有效方法。

為了使硝酸銨在存儲和運輸過程中更加穩定，需要在常溫變化區間內抑制硝酸銨相變的發生，也就是抑制硝酸銨的Ⅲ-β斜方晶體與Ⅳ-α斜方晶體間的轉變。

改性劑與硝酸銨的共晶方式有如下幾種［6-7］：①硝酸銨中的硝酸根或銨離子被外源離子取代，形成新的晶體結構；②硝酸銨晶體中的點陣缺陷被引入外源離子而產生晶型的轉變；③晶體形態的改性劑摻雜在硝酸銨的晶體中。

熱分析研究結果表明［8-9］，硝酸銨中的銨離子可被聚丙烯酸鉀中的鉀離子取代，長鏈結構又可對其產生包覆，因此向硝酸銨中添加適量的聚丙烯酸鉀，能夠抑制硝酸銨在常溫區間發生晶型轉變。由于NH4+替換為K+而破壞了初始的晶格結構，阻止了硝酸銨的IV-Ⅲ相變，提高了Ⅲ-II 相變的溫度，能夠使相轉變峰提高至100 ℃以上，遠高于硝酸銨存儲和運輸時的環境溫度。

亓希國等［10］研究了抗爆劑對硝酸銨晶型轉變的抑制效果，抗爆劑中的主要成分能夠與硝酸銨發生反應，改變硝酸銨的物理結構，導致硝酸銨的晶型可以由Ⅳ相直接向Ⅱ相轉變，而不發生Ⅳ相與Ⅲ相之間的轉變，改性后硝酸銨的Ⅳ-Ⅱ相轉變發生在52 ℃，晶型穩定性得到了提高。有研究顯示，硝酸鉀作為改性劑能夠顯著抑制硝酸銨的Ⅳ相與Ⅲ相間的轉變，能夠提高硝酸銨的晶型穩定性，增強其防結塊能力。

蔡敏敏等［11］研究發現，硫酸銨、碳酸銨、硫酸鐵、硝酸鎂作為改性劑與硝酸銨發生相互作用后，均能夠使Ⅳ相與Ⅲ相之間的相轉變溫度提升，同時能夠顯著減少硝酸銨的結塊現象。

5 顆粒表面晶體的生長

由于游離水的存在，復合肥顆粒表面附著一層飽和鹽溶液，肥料中溶解度越大的物質在飽和溶液中的含量越高，隨著復合肥所處環境溫度和濕度的變化，肥料顆粒表面的游離水含量和飽和鹽溶液的溫度也隨之改變，引起鹽類的反復析出和溶解，所以顆粒肥料表面容易富集溶解度較大的物質。

當顆粒復合肥中同時存在復鹽KNH4SO4和NH4Cl時，雖然KNH4SO4的溶解度顯著高于NH4Cl，但是顆粒肥料的表面并沒有富集KNH4SO4，而溶解度較低的NH4Cl 卻在肥料表面富集。這說明NH4Cl 在顆粒表面具有較高的濃度，但這并不是由氯化銨飽和鹽溶液的重結晶引起的，而是氯化銨升華導致的，所以當肥料采用較高的溫度進行干燥時，便會有更多的氯化銨向顆粒表面富集。

盡管肥料顆粒的干燥溫度足夠高，但是由于干燥時間不夠充分等原因，仍有少量水殘留其中，成粒過程中，結晶水合物的形成也會滯留一些水分。較高的干燥溫度會加速氯化銨升華，但是在適宜的干燥溫度下，用較長的時間來脫水是可行的。用光學顯微鏡可以觀察到顆粒復合肥表面覆蓋著一層白色的晶體物質，分析發現這些針狀物質成分是由氯化銨構成的。結塊程度越高的肥料表面，氯化銨的濃度越高。

將肥料顆粒放置在流動的濕空氣中，能夠觀察到針狀晶體縱向生長，而在橫向上并沒有明顯增長。因為晶體傾向于朝著一個方向生長，所以形成針狀。當肥料顆粒置于濕空氣環境下，銨和氯離子在濕空氣的作用下從顆粒表面向外形成針狀物，直至不再移動。毫無疑問，潮濕的條件下，氯化銨向外生長是結塊的主要原因。那么，減輕結塊的方法，一方面是降低氯化銨在顆粒表面的富集濃度，另一方面是在制備復合肥時進行干預控制。

因此，氯基高氮復合肥結塊是由于原料之間相互作用形成氯化銨，氯化銨升華導致其在顆粒表面富集，顆粒之間的接觸點再結晶引起。

6 潮解對顆粒表面形貌的影響

LEAPER等［12］采用示差掃描量熱法（DSC）對一水碳酸鈉、無水碳酸鈉和噴霧干燥碳酸鈉進行對比分析，結果表明噴霧干燥碳酸鈉主要是非晶態的，水分散在整個顆粒中。吸濕曲線顯示，非晶態的噴霧干燥碳酸鈉的潮解僅發生在環境相對濕度80%以上時，而在環境相對濕度70%以下時的吸濕量很低。將噴霧干燥碳酸鈉在不同的濕度循環下進行吸濕效果評價，考察環境濕度的循環變化對樣品表面形貌的影響。結果表明，低濕度-高濕度-低濕度的一次循環與多次循環對樣品表面形態的影響基本一致，并沒有因為多次循環而導致表面形貌的改變。隨著濕度變化幅度的增加，樣品的表面形貌變化受到影響。當相對濕度達到75%以上時，形貌變化非常大，這會加快樣品的結塊。

綜上，暴露在高濕度下，可導致干燥的噴霧干燥碳酸鈉潮解，低濕度下則不會潮解；暴露在高濕度下，還會導致其顆粒表面的形貌發生改變，使得結塊加快，而低濕度則不論多長時間都不會使表面形貌改變。因此在化肥存儲時，為減緩結塊，應盡量避免將肥料暴露在高濕度下。鑒于上述分析，肥料表面的形態變化也會受到環境濕度的影響，并且環境濕度越大，表面形貌的變化幅度也就越大，越容易發生結塊。

7 結論

傳統外包裹防結塊劑通常是不溶于水的粉狀和油類物質，不適用于水溶肥料。通過改善顆粒的結構和抑制復鹽反應，減少高溶解度物質在顆粒表面的富集，弱化鹽橋效應、塑性形變，減少表面晶體物質的縱向生長等措施是提升水溶性顆粒復合肥防結塊性能的急需技術，尤其對顆粒復合肥的表面成分與形態進行改性，是未來顆粒肥料防結塊技術的發展方向。