含聚合磷水溶肥料微粒化造粒試驗研究

舒藝周, 馬 航,2, 匡家靈, 楊 先, 張 恒, 黃照昊

(1.云南云天化以化磷業研究技術有限公司 云南昆明 650228;2.云南云天化股份有限公司研發中心 云南昆明 650228)

聚磷酸銨是一種由氮、磷縮聚而成的鹽,當其聚合度低于20 時,具有水溶性高、螯合金屬離子性能好、鹽指數低等優勢。 早在二十世紀六七十年代,歐美發達國家就大量使用低聚合度聚磷酸銨作為水溶性肥料的基礎原料[1]。 近年來,我國化肥行業開始關注并研究聚磷酸銨在農業生產中的應用。 農用聚磷酸銨是含有正磷酸鹽、焦磷酸鹽、三聚磷酸鹽及多聚磷酸鹽的混合物,通常只有正磷酸鹽形態的磷才能被作物吸收,聚磷酸銨中的多聚磷酸鹽需要經過水解才能轉化成正磷酸鹽,水解速率決定了含聚磷酸銨肥料的肥效,所以相較于其他傳統肥料,聚磷酸銨兼具速效和長效的特點。 另有研究顯示,含聚磷酸銨的肥料可有效提高磷在土壤中的移動性,促進作物根系生長,并能在一定范圍內螯合鈣、鎂、鐵等離子,可替代部分價格較高的有機螯合劑[2-3]。

隨著水肥一體化技術的推廣和不斷發展,水溶肥料產業迅速崛起,聚磷酸銨類優質肥料將成為水溶肥料行業的亮點。 從目前的情況看,水溶肥料生產技術落后,主要是將各類原料進行簡單的混合,生產的產品會出現吸潮、結塊、水解等現象,影響其在農業生產中的施用效果,所以很多企業對水溶肥料的造粒開展了技術攻關[4-5]。 雖然聚磷酸銨有諸多的農用優勢,但多聚磷酸鹽的特點決定了其具有吸潮快、結塊嚴重及高溫熱分解等缺點,將聚磷酸銨用作水溶肥料的生產原料,防水解和防結塊是主要的技術難點。

本文將含聚合磷的水溶肥料進行造粒,以解決結塊問題,但考慮到粒徑太大可能會影響溶解速率,故擬開發粒徑為0.85 ～2.00 mm 的微顆粒產品。

1 試驗原料及設備

1.1 試驗原料

水溶性聚磷酸銨(18-58-0),云南天耀化工有限公司;工業級磷酸一銨(12-61-0),云南磷化集團海口磷業有限公司;尿素(46-0-0),云南云天化股份有限公司;農用硫酸鉀,唐山三孚鉀肥有限公司;農用硝酸鉀,青海鹽湖元通鉀肥有限公司。

1.2 儀器及設備

實驗室小型轉鼓造粒機,實驗室定制;DFY1000 型搖擺式粉碎機,溫嶺市林大機械有限公司;DHG-9245A 型電熱恒溫高溫鼓風干燥箱,上海篤特科學儀器有限公司;THZ-82 型振蕩器,金壇區金城海瀾儀器制造廠;85-2A 型磁力攪拌器,常州市億能實驗儀器廠;AR842A+型紅外測溫儀,香港希瑪儀器儀表有限公司;方孔篩(孔徑0.85、1.00、2.00 mm),上虞申克實驗儀器廠。

2 試驗方法

試驗以N-P2O5-K2O 配方為20-20-20 的水溶肥料進行造粒,制備粒徑0.85 ～2.00 mm 的微顆粒產品。 將水溶性聚磷酸銨、工業級磷酸一銨、尿素、硫酸鉀和硝酸鉀按比例混合后,粉碎至一定的粒徑,利用實驗室小型轉鼓造粒機進行造粒;造粒后的顆粒物料在恒溫干燥箱中于70 ℃進行干燥,用方孔篩進行篩分,得到粒徑0.85 ～2.00 mm 的微顆粒成品;粒徑＜0.85 mm 的細顆粒作為返料直接進入實驗室小型轉鼓造粒機繼續造粒,粒徑＞2.0 mm 的粗顆粒經粉碎后重新造粒;檢測制得的微顆粒含聚合磷水溶肥料的化學成分,考察造粒對肥料養分含量的影響,優選出造粒條件,并對產品進行溶解、粉化及結塊性能測試。

3 試驗結果及討論

3.1 微粒化造粒試驗

3.1.1 聚合磷占比對微粒化造粒的影響

聚合磷占比以聚合態P2O5占總P2O5的質量分數表示,設5 個處理,即聚合磷占比分別為0、10%、25%、50%、75%。 原料按比例混合后粉碎至粒徑≤1 mm;在轉鼓造粒機內,根據成粒情況分多次噴水,至物料潮濕無干粉時為止;轉鼓勻速轉動3 min 后完成造粒,比較造粒效果。 不同聚合磷占比對肥料微粒化造粒的影響見表1。

表1 不同聚合磷占比對肥料微粒化造粒的影響

從表1 可知,聚合磷占比對配方20-20-20 水溶肥料的微粒化造粒有明顯影響。 隨著聚合磷占比的增加,加水量逐漸減少,雖然不含聚合磷的配方加水量最大,但其成粒情況并不好,產品質量分數僅為31.98%,主要以小顆粒形態存在。 隨著聚合磷占比不斷增加,產品質量分數也隨著增大,其中聚合磷占比為50%時,產品質量分數高達74.13%;聚合磷占比繼續增大至75%時,大顆粒逐漸增多,顆粒相互粘連,且隨著轉鼓轉動物料變稀,產品明顯減少。

試驗配方20-20-20 水溶肥料中的聚合磷來自原料聚磷酸銨,聚磷酸銨中的磷主要以多聚磷酸根形態存在,多聚磷酸具有一定的黏性,使得聚磷酸銨是一種較好的黏結劑,在造粒過程中不需要添加過多的水分,物料很容易成粒。控制聚磷酸銨的加入量,使聚合磷的占比為25%～50%,可使肥料微粒化造粒達到較好的效果,產品質量分數為70%左右。 如果聚合磷占比較高,其黏結性太強,同時由于聚磷酸銨具有吸潮嚴重的特點,成粒效果較差,大顆粒較多且物料會吸收空氣中的水分使物料變稀,致使目標產品較少。 由試驗結果可得出,制備微顆粒的20-20-20 含聚合磷水溶肥料,聚合磷占比為25%～50%較合適。

3.1.2 造粒溫度對微粒化造粒的影響

試驗選用聚合磷占比為50%的配方,開啟轉鼓造粒機加熱夾套,造粒過程中間歇通入蒸汽,用紅外測溫儀測量溫度,考察造粒溫度對微粒化造粒的影響及產品中聚合磷占比的變化情況,試驗結果見表2。

表2 造粒溫度對肥料微粒化造粒的影響

從表2 可知,隨著造粒溫度升高,20-20-20 含聚合磷水溶肥料成粒效果變差,且造粒溫度高于55 ℃時,顆粒粘連,大顆粒較多,物料會變稀。 分析產品中聚合磷占比發現,升高造粒溫度,會使產品中的聚合磷占比降低,造粒溫度為70 ℃時,聚合磷占比顯著降低至46.01%。 由于聚磷酸銨的溶解度隨著溫度升高而增加,在造粒過程中加水量不變的情況下,造粒溫度升高導致聚磷酸銨部分溶解于水,出現物料變稀的現象,部分聚磷酸根被加熱水解為正磷酸根,后續的物料干燥并不能使其再次聚合,而是以聚磷酸根和正磷酸根形態混合存在[6]。 聚磷酸銨水解是一種酶促反應,溫度升高會激發水解酶的活性,加快化學反應速率,從而使聚磷酸銨水解加速;但在溫度不高于25 ℃時,聚磷酸銨是穩定的[7-8]。 所以,當造粒溫度升高后,產品中聚磷酸銨的水解導致聚合磷占比降低。 試驗結果表明,含聚合磷水溶肥料的造粒溫度不宜超過40 ℃。

3.2 微顆粒產品性能測試

配制20-20-20 含聚合磷水溶肥料,聚合磷占比為50%,常溫下采用實驗室小型轉鼓造粒機制得粒徑0.85～2.00 mm 的微顆粒產品,然后進行各項指標檢測,并與粒徑≤1 mm 的粉狀肥料進行比較,結果見表3。

表3 20-20-20 含聚合磷水溶肥料指標檢測結果

從表3 可知,含聚合磷水溶肥料造粒后,N 含量和聚合磷占比有小幅降低,P2O5、K2O 含量有所升高,但符合20-20-20 養分含量的要求,對養分含量影響不大。

稱取10 g 樣品置于200 mL 燒杯中,將燒杯放在磁力攪拌器上,設定轉速100 r/min,加100 mL 水,啟動攪拌,記錄至樣品全部溶解的時間,為溶解時間。 粉狀肥料的溶解時間稍短于微顆粒肥料的,說明粉狀肥料的溶解速率比微顆粒肥料的稍快。

由于微顆粒產品粒徑較小,難以用粒子強度儀對其顆粒強度進行檢測,故采用測定粉化率的方式對微顆粒肥料的強度進行判斷。 稱取一定量的微顆粒肥料樣品(質量為m1)置于容量瓶中,以樣品體積占容量瓶容積的2/3 為宜;蓋好蓋子,放在振蕩器上,以200 次/min 的頻率振蕩30 min;取出肥料樣品后用0.85 mm 方孔篩篩分,篩網上部是未粉化肥料,下部即粉化肥料(質量為m2),粉化率按式(1)計算:

經多次試驗,測得微顆粒肥料的粉化率為2%～6%,平均值為3.83%,說明微顆粒肥料的顆粒強度較高,具有一定的抗外力能力。

稱取一定量的肥料樣品(質量為m3)放入自封袋,試驗臺上放置一塊平板,將裝有樣品的自封袋均勻堆放在平板上,再加蓋一塊平板,平板上部放置80 kg 沙袋,使每份樣品均勻受力。 每間隔3 d 取一份樣品,撿出結塊的肥料稱其質量(m4),計算結塊率。 結塊率按式(2)計算,20-20-20 含聚合磷水溶肥料的結塊率與時間的關系見圖1。

圖1 20-20-20 含聚合磷水溶肥料結塊率與時間的關系

從圖1 可以看出:隨著時間的延長,結塊率增大;對比粉狀和微顆粒肥料,粉狀肥料第9 天開始結塊,第30 天時結塊率已經達到12%,而微顆粒肥料第18 天才開始出現輕微結塊,第30 天結塊率為2%左右。 試驗結果證明粉狀肥料較微顆粒肥料結塊嚴重,說明微粒化造粒對20-20-20 含聚合磷水溶肥料具有防結塊的效果。

4 結語

以20-20-20 含聚合磷水溶肥料為例,通過轉鼓造粒,能夠制備0.85～2.00 mm 的微顆粒肥料,產品具有一定的抗擊外力能力,不易粉化,能夠有效防止結塊。

聚合磷占比對造粒效果有明顯的影響,聚合磷占比低成粒困難,占比高影響造粒效果,導致出現大顆粒肥料多、生產中返料量大等現象。 造粒溫度也是影響造粒效果的主要因素之一,隨著造粒溫度的升高,大顆粒質量分數增大,物料變稀,顆粒出現粘連,聚合磷發生水解導致產品中聚合磷占比降低。 根據試驗結果,較優的造粒條件為聚合磷占比為25%～50%,造粒溫度不高于40 ℃。

在較優的造粒條件下,通過微粒化造粒得到的微顆粒肥料產品與粉狀肥料相比,養分含量變化不大,能夠滿足指標要求,但溶解速率較粉狀產品慢,后續可針對溶解速率進一步開展研究。