固體大量元素水溶肥料結塊因素分析及防控措施

周晶晶，蘇小林

（湖北大峪口化工有限責任公司，湖北 鐘祥 431910）

0 引言

我國磷復肥生產(chǎn)從2007 年以來進入產(chǎn)能過剩期，雖然消費量逐年上升，但利潤非常微薄。2016年12 月開始，磷酸二銨行業(yè)圍繞著“集體限產(chǎn)”和“聯(lián)合挺價”兩方面召開多次會議，提議以一年為周期，各大磷酸二銨企業(yè)聯(lián)合限產(chǎn)30%左右，以緩解產(chǎn)能過剩壓力。磷復肥企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)型，開發(fā)新產(chǎn)品。同時，隨著我國水資源與礦物資源短缺問題日益嚴重，以水溶性肥料為代表的新型肥料備受關注。水肥同施、以水調(diào)肥不僅能節(jié)水節(jié)肥，提高水肥利用率，而且能減少勞動力投入，提高生產(chǎn)效率。在國家提倡發(fā)展節(jié)水節(jié)肥農(nóng)業(yè)的大背景下，越來越多的企業(yè)順應時代潮流，投身水溶肥料產(chǎn)業(yè)［1］。

大量元素水溶肥料是指以大量元素氮、磷、鉀為主要成分，經(jīng)水溶解或稀釋，用于灌溉施肥、葉面施肥、無土栽培、浸種蘸根等用途的液體或固體肥料［2］。固體大量元素水溶肥料以粉劑為主，在生產(chǎn)、包裝和儲運過程中受原料特性，環(huán)境溫度、濕度和儲存堆壓等因素影響易結塊。結塊產(chǎn)品不僅給用戶施用帶來不便，而且影響產(chǎn)品銷量。為此，筆者從原料特性、包裝袋類型及尺寸、環(huán)境溫度、堆存壓力和防結塊劑等方面分析固體大量元素水溶肥料結塊因素。

1 原料特性

固體大量元素水溶肥料所用原料主要有硫酸銨、氯化鉀、磷酸一銨、磷酸二氫鉀、尿素、硫酸鉀、硝酸鉀、硝酸銨等。這些原料具有不同的吸濕點，原料混合后也會導致吸濕性發(fā)生變化。比如，在30 ℃條件下，尿素的臨界相對濕度為75.2%，硝酸銨的臨界相對濕度為59.4%，當尿素與硝酸銨兩種原料混配后，其混合物的臨界相對濕度為18%。通常尿素與硫酸銨、尿素與氯化銨等混配后混合物的臨界相對濕度都在60%以下。

因此，在進行配方設計時應注意原料混合后的臨界相對濕度，減少吸濕結塊［3］。同時，根據(jù)生產(chǎn)排產(chǎn)計劃，合理安排生產(chǎn)原料庫存。

2 包裝袋

固體大量元素水溶肥料因其養(yǎng)分利用率高，每公頃施用量較普通復合肥料少，故主要的包裝規(guī)格為20 kg 和5 kg。以包裝規(guī)格為5 kg 的20-20-20 固體大量元素水溶肥料為例，對使用不同類型、不同尺寸包裝袋時，其產(chǎn)品結塊情況進行研究分析。

2.1 包裝袋的類型

包裝袋的類型有單內(nèi)膜編織袋、雙內(nèi)膜編織袋、內(nèi)覆膜編織袋、鋁塑包裝袋、密封厚膜袋、帶呼吸閥密封厚膜袋。在包裝袋尺寸相同的情況下，將正常生產(chǎn)的產(chǎn)品采用不同類型包裝袋分別包裝，每種包裝袋均按五花垛進行碼垛，每層5袋，垛高24 層。在倉庫中存放90 d 后抽樣，并按照重量法檢測產(chǎn)品結塊率，結果見圖1。

圖1 不同類型包裝袋對產(chǎn)品結塊率的影響

從圖1 可知，不同類型包裝袋防結塊效果不同。內(nèi)覆膜編織袋的防結塊效果最差，其主要原因是相較于單內(nèi)膜編織袋和雙內(nèi)膜編織袋，內(nèi)覆膜編織袋灌入產(chǎn)品后，內(nèi)覆膜和編織袋之間無空氣緩沖區(qū)，產(chǎn)品在灌裝和運輸過程中對膜產(chǎn)生的摩擦力相對較大，易造成內(nèi)膜破損。內(nèi)膜破損后，產(chǎn)品將直接與外界空氣中的水分接觸，加速結塊。鋁塑包裝袋、密封厚膜袋和帶呼吸閥密封厚膜袋較編織袋的防結塊效果要好，主要是因為鋁塑包裝袋、密封厚膜袋和帶呼吸閥密封厚膜袋采用熱熔塑封，編織袋采用縫包機線縫，線縫封口的密封效果較熱熔塑封效果差。另外，鋁塑包裝袋和密封厚膜袋相較普通內(nèi)膜編織袋耐磨性更好。

對于需求量較大、儲存時間相對較短的固體大量元素水溶肥料，包裝袋可選擇20 kg規(guī)格的雙內(nèi)膜編織袋，不僅提高包裝能力，也能降低包裝成本。對于需求量相對較小、養(yǎng)分含量高的高附加值固體大量元素水溶肥料，選擇5 kg規(guī)格鋁塑包裝袋、密封厚膜袋和帶呼吸閥密封厚膜袋，防結塊效果相差不大，但帶呼吸閥密封厚膜袋成本稍高。在高溫高濕的南方地區(qū)，選擇帶呼吸閥密封厚膜袋。密封厚膜袋上安裝單向呼吸閥，可避免肥料吸收空氣中水，同時環(huán)境溫度變化引起袋內(nèi)氣體熱脹冷縮，單向呼吸閥可排出多余氣體和部分物質(zhì)在高溫環(huán)境下反應分解產(chǎn)生的氣體及水分，不僅可以減緩結塊速率，而且可以防止脹包現(xiàn)象。

2.2 包裝袋的尺寸

5 kg規(guī)格的帶呼吸閥密封厚膜袋尺寸有480 mm×300 mm、500 mm × 300 mm、520 mm × 300 mm、550 mm×300 mm、550 mm × 350 mm。將正常生產(chǎn)的產(chǎn)品用不同尺寸的包裝袋分別包裝，并按五花垛進行碼垛，每層5袋，垛高24層，在倉庫中存放90 d后，抽樣按照重量法檢測產(chǎn)品結塊率，結果見圖2。

圖2 不同尺寸包裝袋對產(chǎn)品結塊率的影響

由圖2可知，不同尺寸包裝袋包裝時，固體大量元素水溶肥料防結塊效果相差不大。相對而言，包裝袋尺寸越大，防結塊效果越好。原因是尺寸大的包裝袋，在搬運和儲存過程中，肥料流動空間相對較大，使得肥料具有相對較大的松散度，減少物料表面的接觸面積。

在選擇包裝袋的尺寸時，要從防結塊效果、成本以及產(chǎn)品裝容量帶給消費者的觀感3個方面綜合考慮。

3 環(huán)境溫度

固體大量元素水溶肥料結塊問題主要發(fā)生在夏季的華南市場和冬季的東北市場。夏季的華南市場高溫天氣居多，冬季的東北市場極低溫天氣較多。

用5 kg規(guī)格密封厚膜袋包裝正常生產(chǎn)的20-20-20固體大量元素水溶肥料，在不施加壓力情況下，在不同環(huán)境溫度下儲存72 h后，采用重量法檢測結塊率，結果見表1。

表1 不同環(huán)境溫度對產(chǎn)品結塊率的影響

由表1可知，極端低溫和極端高溫條件下，結塊速度均會加快。但溫度達到70 ℃時，會出現(xiàn)明顯的脹包現(xiàn)象。在-18 ℃下，固體大量元素水溶肥料中所含水分和袋中空氣中所含水分固結，使肥料結塊加劇；而在50 ～70 ℃時，隨著溫度升高，肥料的臨界相對濕度降低，顆粒表面吸水能力增強，結塊現(xiàn)象加劇。固體大量元素水溶肥料是根據(jù)配方選取的多種原料經(jīng)過物理方法生產(chǎn)的復混肥料，生產(chǎn)過程中不會發(fā)生化學反應，但在高溫條件下，部分原料會發(fā)生化學反應，生成氣態(tài)物質(zhì)。例如，尿素在60 ℃時開始水解，80 ℃時水解速度加快，145 ℃以上有劇增趨勢。一般認為尿素水解最初轉(zhuǎn)化為甲銨，最后分解成NH3和CO2。

針對華南和東北市場的特殊情況，一是選擇帶呼吸閥密封厚膜袋進行包裝；二是在安排發(fā)運固體大量元素水溶肥料時，華南市場盡量避開夏季，東北市場盡量避開冬季；三是減少倉儲時間，從而降低環(huán)境溫度變化導致的肥料結塊。

4 堆存壓力

固體大量元素水溶肥料一般為粉劑，相較粒狀而言，其分散性更好，物料之間的空隙更小。故一般情況下，粉劑產(chǎn)品的堆存高度小于粒狀產(chǎn)品。5 kg帶呼吸閥密封厚膜袋包裝的20-20-20 產(chǎn)品，按五花垛進行碼垛，每層5袋，垛高分別為8層、16層和24 層。在倉庫中存放90 d 后抽樣，按照重量法檢測結塊率，結果見圖3。

圖3 不同垛高對產(chǎn)品結塊率的影響

由圖3可知，隨著垛高增加，肥料結塊率緩慢增加。儲存壓力增大，會增加物料間的接觸面積，易發(fā)生晶體交聯(lián)，使肥料結塊加速。因此易結塊的大量元素水溶肥料應避免堆放過高。由圖3 可知，當垛高小于16 層時，大量元素水溶肥料的結塊率隨壓力的增大而緩慢升高；當垛高大于16 層時，結塊率升高趨勢明顯。

因此，不考慮倉儲能力的情況下，垛高越低越好。但在企業(yè)經(jīng)營過程中，確定大量元素水溶肥料的堆存垛高時，不僅需要考慮垛高對產(chǎn)品結塊的影響，還要考慮企業(yè)實際倉儲能力和倉儲的流動速度。

5 防結塊劑

隨著近幾年水溶肥料的快速發(fā)展，針對水溶肥料的防結塊劑也迅速發(fā)展起來，一般分為水溶性固體型防結塊劑和水溶性液體型防結塊劑。針對大量元素水溶肥料主要為粉劑、且易吸濕結塊的特性，應選擇粉狀的水溶性固體型防結塊劑，例如碳酸鉀、無水硫酸鎂等無機鹽型和十二烷基苯磺酸鈉等水溶性表面活性劑型［4-6］，盡量減少水分和水不溶物進入產(chǎn)品中。

6 結論

（1）在設計肥料配方時，選擇合適的配伍原料，避免尿素與硝酸銨、尿素與硫酸銨、尿素與氯化銨等配伍禁忌。因硝酸銨極易結塊，且屬于易爆危化品范圍，配方中應不選硝酸銨或盡量減少其用量。

（2）在選擇包裝袋時，根據(jù)產(chǎn)品氮養(yǎng)分、產(chǎn)品需求量、包裝袋的成本和包裝袋的防結塊效果綜合考慮。w（N）≥20%、需求量相對較小的產(chǎn)品選擇5 kg規(guī)格的帶呼吸閥密封厚膜袋；w（N）＜20%、需求量相對較小的產(chǎn)品選擇5 kg規(guī)格的密封厚膜袋；需求量相對較大的產(chǎn)品選擇20 kg 規(guī)格的雙內(nèi)膜編織袋。袋子尺寸在滿足消費者觀感的充填量（一般在70%～80%）下，以最小成本選擇最大的尺寸。

（3）根據(jù)華南和東北兩大銷售區(qū)域，以銷定產(chǎn)，盡量減少儲存時間。同時，避免或減少在高溫或低溫天氣生產(chǎn)、發(fā)貨。

（4）固體大量元素水溶肥料的堆存高度最高以16層為宜。

（5）固體大量元素水溶肥料的防結塊劑選擇固體粉劑。在防結塊效果相近的情況，盡量選擇綠色環(huán)保型防結塊劑，比如碳酸鉀、無水硫酸鎂等含有植物所需營養(yǎng)元素的無機鹽類。