高濃度團(tuán)粒法復(fù)合肥配方設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)控制要點(diǎn)

陳衛(wèi)民，姚 安，丁方軍

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部腐植酸類(lèi)肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)安全工程師服務(wù)有限公司，山東 泰安 271600）

0 引言

團(tuán)粒法復(fù)合肥造粒工藝（簡(jiǎn)稱團(tuán)粒法）根據(jù)造粒設(shè)備分為圓盤(pán)造粒和轉(zhuǎn)鼓造粒兩種，圓盤(pán)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(lái)說(shuō)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)鼓蒸汽造粒復(fù)合肥生產(chǎn)主要是物理?yè)桨铦L動(dòng)成球的過(guò)程，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中有些細(xì)微的化學(xué)反應(yīng)會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。在配方設(shè)計(jì)時(shí)要注重調(diào)配原料抑制副反應(yīng)的發(fā)生、促進(jìn)反應(yīng)向有利于生產(chǎn)的方向發(fā)展，在生產(chǎn)過(guò)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(yàn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以從5個(gè)方面來(lái)指導(dǎo)配方設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝操作，分別指黏度、細(xì)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(lèi)、磷肥類(lèi)和鉀肥類(lèi)，此外還有些調(diào)理劑、添加劑和中微量元素等。氮肥類(lèi)涉及的原料有尿素、硫酸銨、氯化銨等，磷肥類(lèi)涉及的原料有磷酸一銨、過(guò)磷酸鈣、重過(guò)磷酸鈣、磷酸氫鈣等，鉀肥類(lèi)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(lèi)和黏土類(lèi)，添加劑類(lèi)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(lèi)具有黏性，而磷肥類(lèi)中最常用、黏性最好的是磷酸一銨，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及物料的成球機(jī)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(duì)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(yàn)，對(duì)磷酸一銨進(jìn)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(shí)，磷酸一銨的黏性能夠最大化地激活，成粒率比原來(lái)平均提高5%～6%，且產(chǎn)品外觀有明顯改善。可采用堿性物料（碳酸氫銨、氣氨、鈣鎂磷肥、生石灰等）對(duì)物料（主要是磷銨）進(jìn)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(rùn)土、白色黏土、高嶺土、海泡石粉等。

2 原料和返料的合理細(xì)度

對(duì)于任何一種原料來(lái)說(shuō)，尤其是黏性調(diào)理劑，粒徑越小黏性越大。高細(xì)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(rùn)時(shí)能形成更大的表面張力，有助于各種物料吸附成團(tuán)。

但應(yīng)注意的是，肥料生產(chǎn)是多種物料混配的過(guò)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(lái)說(shuō)，多種物料混配后混合物的熔點(diǎn)會(huì)比各種單獨(dú)物料低，混合物的臨界相對(duì)濕度也會(huì)發(fā)生變化［2］；從化學(xué)特性來(lái)說(shuō)，各種物料會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)于生產(chǎn)過(guò)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(guò)大。因此，物料細(xì)度也需要根據(jù)物料類(lèi)型區(qū)別考慮，就原料來(lái)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(guò)細(xì)，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(tuán)粒法生產(chǎn)過(guò)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(tuán)粒核心。團(tuán)粒核心大部分是原料經(jīng)過(guò)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(qiáng)度、降低干燥負(fù)荷。需要注意的是生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)盡量避免大顆粒產(chǎn)生，大顆粒作為返料時(shí)需要粉碎后再返回系統(tǒng)，顆粒破碎效果不達(dá)標(biāo)會(huì)導(dǎo)致成品顆粒圓潤(rùn)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(lèi)。磷肥類(lèi)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(qiáng)的吸濕性；所含的過(guò)磷酸鈣（帶有結(jié)晶水）也會(huì)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(yán)重時(shí)會(huì)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(jìn)行。

通常來(lái)說(shuō)，需要將物料的pH 調(diào)節(jié)在5.5 ～6.5。如果pH低于5.5，說(shuō)明其中游離酸比較多，在有尿素存在時(shí)會(huì)發(fā)生大量副反應(yīng)［3］；如果pH 大于6.5，會(huì)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(guò)高也會(huì)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(yàn)研究，當(dāng)磷酸一銨中n（N）/n（P）在1.5時(shí)，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(tuán)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(duì)于團(tuán)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(gè)方面考慮。通常來(lái)說(shuō)，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(huì)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(duì)臨界濕度比單獨(dú)任何一種肥料的相對(duì)臨界濕度均要低，通常物料混合后臨界相對(duì)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(zhǔn)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(guò)調(diào)整外部添加水量使混合物料的整體液相量達(dá)到最佳狀態(tài)，為物料在造粒機(jī)內(nèi)的成球以及干燥機(jī)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(gè)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(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起決定性作用。

大部分團(tuán)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(guò)65 ℃時(shí)，過(guò)高的液相量會(huì)使物料出現(xiàn)過(guò)度粒化而形成過(guò)多小顆粒，無(wú)法維持系統(tǒng)進(jìn)出物料平衡；反之，當(dāng)造粒基本在常溫下操作時(shí)，顆粒成球需要更多的外部液相量，物料進(jìn)入造粒機(jī)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(wú)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(guò)高會(huì)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(chǔ)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(guò)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?yàn)楫a(chǎn)品的臨界相對(duì)濕度低于環(huán)境的濕度，產(chǎn)品在冷卻、運(yùn)送、后處理過(guò)程中溫度越低吸濕越嚴(yán)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(tuán)粒法生產(chǎn)雖然沒(méi)有化工生產(chǎn)流程中嚴(yán)格的操作和工藝指標(biāo)要求，更多是被看作相對(duì)粗獷的物理混配加工過(guò)程，但是其生產(chǎn)過(guò)程中影響因素更為錯(cuò)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(duì)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(cuò)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(jì)人員和操作人員在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中需具備的基本能力。