高塔硝基復合肥生產中影響因素的分析

周毅博，李飛闊，甘萬強

(武漢江漢化工設計有限公司，湖北 武漢 430223)

高塔硝基復合肥的生產通常以硝酸銨作為基質熔融載體，與鉀鹽、磷銨等粉體物料熔融混合成具有一定流動性的NPK共聚熔融物，再通過塔頂造粒噴頭噴入造粒塔中分散為一定粒度的液滴，液滴在空氣中與上升氣流進行熱交換冷卻，表面收縮成為圓滑的小球粒[1]。

在硝基復合肥的生產過程中，配方選擇、配比、溫度、造粒噴頭等因素都會影響硝基復合肥的產品質量，本文結合生產實際，分析了對以硝酸銨為原料制備高塔硝基復合肥流程中各個因素對生產的影響。

1 配方及配比對高塔硝基復合肥生產的影響

1.1 復合肥配方選擇的影響

復合肥是由不同類型的單一肥料復配而成。我國常用的單一組分肥料有尿素、過磷酸鈣、鈣鎂磷肥、氯化鉀、硫酸鉀、硫酸銨、碳酸氫銨、磷酸一銨、硫酸二銨等。在選擇硝基復合肥配方的過程中，需要考慮各種原料之間水分、粒度和物化性能的相配性，有些組分之間會發生化學反應，這些反應可能會出現在造粒前物料混合階段，也有可能出現在造粒過程中或造粒之后。比如，當以硝酸銨與消石灰配混時，會發生如下反應：

Ca(NO3)2+2NH3↑+2H2O

這就導致了復合肥中氮元素的損失，影響肥料的肥效，并且會導致造粒塔操作場所氨超標，造成安全隱患。因此，在配方選擇時，需要保證原料混配時發生的化學反應能改善混合料的質量，或者能夠保持其物理性質。以硝酸銨為原料生產硝基復合肥常用配混見表1[2]。

表1 硝基復合肥原料配混

工程上常用硫酸銨、氯化鉀/硫酸鉀與硝酸銨配混生產硝基復合肥。

1.2 復合肥配比的影響

硝基復合肥的生產伴隨著一些化學反應，這些反應發生在顆粒表面組分之間以及不同顆粒表面之間，因而引起顆粒表面之間的再結晶，隨著時間的推移，這些晶體之間彼此結合形成晶橋，將肥料顆粒黏合在一起，逐漸形成大的團塊，比如，當硝酸銨與硫酸銨配混造粒時，會形成復鹽2NH4NO3·(NH4)2SO4，該物質會在干燥的過程中發生熱分解形成硝酸銨與硫酸銨，而在后續冷卻過程中又會結合成復鹽，從而容易引起復合肥產品的粉化和結塊。因此，為了避免結塊與粉化現象的發生，在設計硝基復合肥配方時通常選擇控制NO3-與SO42-的摩爾比例在2.5以上[3]。

當采用氯化鉀為原料生產硝基復合肥時，需要注意氯化鉀與硝酸銨為有限配混的限制，這是由于兩者會形成AN(硝酸銨)/KCl體系，在KCl催化作用下，混合體系會發生“緩慢燃燒”現象，也稱作“雪茄燃燒”，其反應方程式為：

硝酸銨-磷酸銨(N/P=1.6)一氯化鉀配比范圍見圖1。緩慢燃燒或將導致生產發生火災和爆炸，為此，加入氯化鉀時，應嚴格控制配比，使其避免在圖1中緩慢燃燒區域內；同時，產品的貯存溫度應低于45℃，使其反應熱不足以引起緩慢燃燒[4]。

圖1 硝酸銨-磷酸銨(N/P=1.6)-氯化鉀配比范圍

通過圖1可知，當配方中m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶1∶1.5、1.5∶1∶2、2∶1∶3、1∶0∶1、3∶0∶2及其鄰近配比3∶1∶2、1.5∶1∶1、1∶1∶1時比較危險，在設計配方時應選擇避開，在工程上通常選用m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=2∶2∶1、2∶1∶1、1∶2∶1、1∶2∶2的安全配方進行硝基復合肥的生產。

當硝酸銨與磷酸一銨配混時，磷酸一銨對硝酸銨具有鈍化作用，當MAP含量達到25%時，硝酸銨將不再具備傳播爆轟的能力，當有效磷(P2O5)質量分數≥4.0%，pH值(質量分數為10%的水溶液)≥4.0，改性后的硝酸銨具有不可復原的防爆性能。在生產中可于混合槽、一混槽加入MAP使硝酸銨鈍化，再于二混槽中加入鉀鹽，從而提升生產的安全性。

2 溫度對高塔硝基復合肥生產的影響

2.1 反應溫度的影響

硝酸銨熔點為169.6℃，極易發生熱分解，在不同的溫度下受熱分解的產物也是不同的，當溫度在185～200℃時，主要發生的分解放熱反應為：NH4NO3→N2O↑+2H2O+36.8kJ·mol-1；當溫度高于230℃時，發生的分解放熱反應為2NH4NO3→2N2↑+O2↑+4H2O+119.3kJ·mol-1，此狀態下硝酸銨分解加速，易發生爆炸；當溫度高于400℃時，硝酸銨將會發生強烈爆炸，其反應式為4NH4NO3→3N2↑+2NO2↑+8H2O+123.5kJ·mol-1。因此，控制復合肥的反應溫度對生產安全至關重要，物料溫度太低，無法達到使混合物保持熔融態的起點溫度，操作過程無法連續進行；若反應溫度過高，不但能耗增加，并且會增加操作危險性，在生產中，通常對各個反應槽溫度進行控制(見表2[5])。

表2 硝基復合肥各個反應槽的溫度控制

在操作時需要嚴格控制溫度，既要防止溫度過低導致物料凝固，也要防止溫度過高導致硝酸銨分解，而形成安全隱患。

2.2 造粒溫度的影響

對于高塔硝基復合肥的生產，選擇不同的配方，造粒溫度也有所差異，通常來說，料漿的流動性是溫度的函數。提高溫度可以使料漿的流動性變好，易于造粒，但產品中細粉會增多，同時顆粒在塔內自由落下時，過高的溫度會使顆粒冷卻效果變差，從而帶來黏塔現象，導致大塊肥、細粉及扁平粒增多，不但造成返料增加，還影響產品的外觀質量；如果造粒溫度控制過低，料漿流動性變差，不利于造粒。

料漿在造粒前存在固、液、氣三態共存的區域，可以通過實驗繪制出對應三態平衡共存狀態的汽化曲線、熔解曲線和升華曲線，這三條曲線的交點就是造粒料漿三相點。選擇造粒溫度在三相點上2～3℃，可以使肥料顆粒易于冷卻固化，提高顆粒的強度。

2.3 成品儲存溫度的影響

硝基復合肥在存儲期間如果發生結塊，將會影響其施用。通常來說，如果儲存溫度過高，在緩慢的冷卻過程中，原來溶解在殘余水分中的肥料鹽會結晶析出，形成鹽橋，從而導致結塊；同時，過高的儲存溫度會降低肥料的臨界相對濕度，從而導致肥料吸濕性增強，影響產品質量。如果儲存溫度高于45℃，還會使AN(硝酸銨)/KCl體系發生“緩慢燃燒”現象，造成安全隱患。

3 造粒過程對硝基復合肥生產的影響

3.1 造粒噴頭孔徑的影響

造粒噴頭孔徑對硝基復合肥產品粒度的影響很大，不同的配方應采用不同的專用噴頭。如果噴頭孔徑選用過大，則造粒時易產生粒徑>4.75mm的次品肥，產品扁平粒多，同時也會出現料漿缺料；如果噴頭孔徑過小，則造粒時易產生粒徑<1.0mm的次品肥。

為了生產出表面光滑、圓潤的復肥，通常在生產黏度高的配方時用孔徑3.2mm外噴頭，生產黏度低的配方時用孔徑2.8mm外噴頭，生產中等黏度的配方使用孔徑3.0mm外噴頭[6]。

3.2 造粒噴頭內外圈轉速的影響

高塔造粒通常采用差動造粒機，噴頭分為內外兩圈，內圈轉速控制顆粒的大小，外圈轉速控制塔內空間的利用率，如果內、外圈轉速過大，則會導致未冷卻的物料噴出黏到塔壁，造成黏塔現象，同時，轉速過高也會導致成品顆粒較小，容易生產出粒徑<1mm的次品肥；如果轉速過小，則會導致顆粒粒度偏大，過大的顆粒在落到塔底時容易摔碎，影響產品質量。在生產過程中需要根據配方、季節綜合考慮選擇內外圈轉速，使粒徑合格的顆粒沿塔內縱向截面均勻自由落到塔底，保證產品質量，提高造粒塔內空間利用率。

4 其他因素的影響

4.1 原料及產品含水量的影響

如果復合肥原料中的水分過低，則在造粒過程中球核長大較慢，很難成球，并且顆粒強度低，易破碎；如果原料水分過高，則造粒初始成球較快，但易造成球核互相黏結變形，導致球核粒度不均勻，影響產品質量。

產品中水分的存在會導致毛細黏合，并產生晶橋；同時，水分會導致肥料顆粒軟化，在壓力作用下變形，使顆粒間接觸面積增大，加大了顆粒間結合的強度，從而導致結塊現象的發生。

在生產中，硝基復合肥通常保證原料水分含量≤1%，產品水分含量≤0.5%，這比GB/T15063—2020中規定高濃度產品含水量≤2.0%的要求高，這是因為以硝酸銨作為有效成分時，對水的吸附作用很大，易吸濕結塊，降低產品中水分含量可以明顯改善產品結塊的現象。

4.2 原料中雜質的影響

氯離子與硝酸銨溶液的分解、爆炸關系密切，經驗表明，硝銨溶液中Cl-含量在<3ppm(即：<3mg/kg)時溶液比較安全；硝銨溶液中Cl-含量在5～10ppm(即：5～10mg/kg)時危險；硝銨溶液中Cl-含量在>10ppm(即：>10mg/kg)時應停車，并排掉槽中溶液，因此，在生產中應要求操作人員1次/4h對硝銨緩沖槽中Cl-的含量進行分析，避免Cl-污染硝酸銨溶液，防止事故的發生。

同時，硝酸銨溶液與有機物、油、木屑、棉紗、石墨接觸會降低硝酸銨溶液的熱穩定性，使其臨界爆炸溫度降低，因此在操作時要防止攪拌器電機油污落入槽內，同時應避免使用石墨墊片。

對于其他固體原料，應避免紙屑(合格證)、 包裝線繩、包裝袋的塑料屑或其他雜質混入，在生產過程中這些雜質會堵塞管道及噴頭，輕則磨損噴頭使噴頭孔徑變形，造粒時產生大量異形顆粒，降低產品合格率，重則導致料漿局部過熱，造成安全隱患。

4.3 貯存壓力與時間的影響

在復合肥貯存期間，增加貯存壓力，會增加顆粒形變的可能性和顆粒間接觸面積，使晶體交聯的可能性加大，從而導致產品容易結塊。

當今的包裝方式做不到完全密封，復合肥與外界空氣接觸產生吸濕、潮解，隨著時間的延長，吸濕量不斷增加，會導致顆粒產生粉化和結塊。

因此，堆積壓力與時間的選擇對外售產品的質量有一定影響，考慮到硝基復合肥的特性，通常選取堆積高度為8～10袋，貯存時間不超過6d。

5 結語

在硝基復合肥生產、貯存過程中需要綜合考慮各項影響因素，選取合適的原料、配方、配比、反應溫度、噴頭及貯存條件，才能保障安全地生產出合格的復合肥產品。