聚磷酸銨在我國的發展前景探討

吳 磊，趙 勇，楊 俊

（1.中低品位磷礦及其共伴生資源高效利用國家重點實驗室，貴州 貴陽 550016；2.甕福（集團）有限責任公司，貴州 貴陽 550000）

聚磷酸銨（APP）是一種含氮、磷的聚磷酸鹽，又被稱作多聚磷酸銨，按其結構可分為結晶型長鏈狀的水不溶性聚磷酸銨和無定型短鏈的水溶性聚磷酸銨。聚磷酸銨分子通式為（NH4）n+2PnO3n+1，當n≤20 時，為水溶性聚磷酸銨；當n大于20 時，為難溶性聚磷酸銨［1］。聚磷酸銨按聚合度可分為低聚、中聚和高聚3 種，聚合度越高，水溶性越小。高聚合度聚磷酸銨是一種高效磷系無鹵阻燃劑，具有能與其他物質復配、熱穩定性好、無毒無味、吸濕性小、不產生腐蝕性氣體以及阻燃性能持久等優點，被廣泛應用于各種高分子材料（如樹脂、橡膠、高檔防火涂料、塑料等）的阻燃［2］。低聚合度聚磷酸銨呈中性，能夠螯合中微量元素，促進農作物對中微量元素的吸收利用；促進農作物增產和品質改善；不易從水溶液中析出，能夠提高肥料中的磷含量；對土壤和農作物有較高的安全性，被應用于農業生產上。因此又將聚合度在2～5 的聚磷酸銨稱為農用聚磷酸銨。目前，農用聚磷酸銨作為一種新型水溶肥，常用作配制高濃度液體復合肥料的基礎磷肥。

1 聚磷酸銨國內外發展及市場分析

1.1 國外發展及市場情況分析

1857 年，Schiff 采用五氧化二磷與氨反應，首次合成聚磷酸銨鹽，但未能得到進一步發展。1965年美國孟山都公司針對聚磷酸鹽的阻燃效果，進行相關研發并成功實現聚磷酸銨產品工業化生產。隨后，日本、蘇聯等國家開始生產低聚合度聚磷酸銨，并用于農業肥料。20 世紀70 年代初，美國TVA公司采用w（P2O5）54%的濕法磷酸進行管式氨化反應，生產出了熔融態的聚磷酸銨，用作懸浮液態肥［3-4］。聚磷酸銨肥料是通過液氨與w（H3PO4）95%的磷酸（w（P2O5）68.8%，而w（P2O5）68%～72%的磷酸通常稱為過磷酸）在管式反應器中高溫反應得到。在高溫下，磷酸根發生分子間脫水形成低聚合度的聚磷酸根。

聚磷酸銨的合成反應是可逆的，即聚磷酸銨可以通過水解重新生成正磷酸銨。聚磷酸銨液體肥，如果在溫度32 ℃附近儲存，由于水解，聚磷酸銨的聚合比每月會降低約1%；如果在溫度低于28 ℃條件下儲存，則聚磷酸銨水解的速率可以忽略不計。液體聚磷酸銨產品中三聚磷酸鹽與磷酸根離子含量一般比顆粒產品更高，但是成分是變化的，常用的產品中w（正磷酸鹽）30%～40%，w（焦磷酸鹽）50%～55%，還含有一部分三聚磷酸鹽與四聚磷酸鹽。常用聚磷酸銨液體肥料的養分規格有8-24-0、10-34-0、11-37-0、11-44-0、8-28-0。

作為高濃度磷氮肥料，聚磷酸銨具有易于復配、施用方便、節省人工、肥效高等優勢，符合大型農場機械化作業等現代農業生產要求，因而在美國磷肥中占有非常重要的地位，每年的使用量在140 萬～160 萬t。根據資料顯示，美國液體肥料占肥料總量的38%，年消耗液體肥料1 600 多萬噸。美國擁有2 800 多家液體肥料工廠，其中有130 家工廠生產農用聚磷酸銨，年產量達到150萬t。

近年來，聚磷酸銨在歐美等發達國家廣泛應用。根據相關數據統計，目前全球磷酸及液體化肥市場容量超過1 000 億美元，聚磷酸銨化肥市場僅有100億美元，全球年需求量僅500萬t左右，發展空間巨大［5-6］。從區域分布來看，北美、西歐、亞太地區是聚磷酸銨的主要市場，2005 年北美、西歐聚磷酸銨消費量分別占全球聚磷酸銨消費總量的37.99%和33.06%；2014 年分別下降至28.19%、22.07%。而亞太市場聚磷酸銨需求增長速度顯著大于老牌發達國家，現已成為全球最大的聚磷酸銨消費市場［6］。

1.2 國內液體聚磷酸銨發展及市場情況分析

為保證農產品的產量，農業生產中化學肥料的使用量很大，但是傳統的施肥方法肥效低，既浪費資源又增加了農業生產成本，且大量使用化肥對土壤環境破壞大，對農業可持續生產造成極大的困難。為認真落實“一增兩減三基本”的精神，提高耕地質量，開發新型肥料，提升肥效成為一種有效手段。聚磷酸銨液體肥是一種低氮高磷的復合液體肥，它可螯合濕法磷酸中的金屬離子及附加離子，不產生沉淀，也不會損失有效磷。

我國農用聚磷酸銨處于剛起步階段，專業生產聚磷酸銨肥料的企業尚少，其性狀、組成及生產方法尚存在爭議，在產品質量、數量和應用范圍方面與國外都存在較大差距［7-8］。目前我國聊城聯豐化工有限公司和山東一家公司引進以色列技術在組織生產聚磷酸銨溶液，市場供應短缺，發展前景看好。與國外相比，我國聚磷酸銨發展具有以下特點：

（1）總體技術水平僅相當于發達國家20 世紀80 年代末、90 年代初的水平，而且，原材料消耗以及生產成本普遍高于國外。

（2）目前我國只有十幾家企業進行聚磷酸銨生產和銷售，規模不大，產品應用范圍比較單一；產能10萬t/a左右（含未投產），年產量不足5萬t，主要用途是阻燃劑，但用于肥料的比例在逐步增加。

近年隨著水肥一體化技術不斷推廣、發展，液體肥、復合肥廠家對聚磷酸銨關注度越來越高，市場需求提升，前景可期。

但聚磷酸銨的推廣應用，對于農民來說一次性投入較大，對生產企業來說風險較大，必須有國家政策扶持才能順利實現。

2 聚磷酸銨的特性及在農業上的應用優勢

2.1 聚磷酸銨的特性

聚磷酸銨液體肥w（H2O）約40%，除了養分外，關鍵指標為：

（1）聚合比≥70%。該指標保證聚磷酸銨液體肥在1年的儲存期內，聚合比不至于下降太多而導致沉淀產生；同時也保證有足夠的聚合度來螯合自身含有和添加的微量元素。

（2）w（MgO）＜0.25%。磷酸-銨-鎂體系很容易形成繼沉淀，給聚磷酸銨液體肥的生產、存儲、轉運、使用過程帶來諸多問題。因此，國外通常把聚磷酸銨中w（MgO）控制在0.25%以下。表1 為聚磷酸銨液體肥的行業標準（HG/T 5939—2021）指標要求。

表1 聚磷酸銨液體肥行業標準指標要求 %

為達到上述指標，聚磷酸銨液體肥生產必須要使用合格的磷酸。表2 為生產聚磷酸銨液體肥使用的過磷酸指標。從表2 可以看出，為制備合格的聚磷酸銨液體肥，所使用的磷酸w（H3PO4）≥94%（w（P2O5）≥68%），為濃縮至此濃度，磷酸中的雜質含量不能超過一定范圍，否則濃縮效率較低；在濃縮至w（P2O5）≥68%后，為后續生產合格的聚磷酸銨產品，需要控制金屬雜質的含量，特別是要控制w（MgO）＜0.5%，優選＜0.3%。

表2 生產聚磷酸銨液體肥所用過磷酸指標

2.2 聚磷酸銨在農業上的應用優勢

聚磷酸銨在北美地區有超過60年的使用經驗，北美的經驗表明：聚磷酸銨相對普通磷銨來說裝卸方便、易于復配、施用方便、肥效高；而相對于晶體磷酸一銨來說具有更高的性價比，更適合于土豆、小麥、玉米等大田作物。由于土地流轉等原因，中國現在已有眾多相當規模的糧食種植大戶，這就為液體肥-水肥一體化這種低人工需求的高效現代農業生產模式創造了前提。聚磷酸銨液體肥是適應于我國農業發展水平的肥料。聚磷酸銨在農業上的應用優勢有以下幾點：

（1）磷元素高效利用。短鏈聚磷酸銨溶解度高，可配制磷含量較高的液體肥料；農作物施用聚磷酸銨安全系數高，通常不被農作物直接吸收，而是在土壤中逐步水解成正磷酸鹽再被農作物吸收利用，因此是一種緩釋性長效磷肥，磷元素有效利用率提高3倍以上［6-8］。

（2）具有螯合作用。聚磷酸銨對金屬離子具有顯著螯合作用，可以作為基肥中的無機螯合劑添加一些微量元素以提高肥效。一些微量元素在聚磷酸銨溶液中的溶解度遠高于在正磷酸銨溶液中的溶解度，利用聚磷酸銨作為無機螯合劑，較有機螯合劑便宜［6-8］。

（3）成品的穩定性好。目前固體大量元素水溶肥料存放時間長了，容易出現結塊、脹袋、變色等現象，液體水溶肥料容易出現沉淀、脹瓶等現象，以農用聚磷酸銨為原料制成大量元素水溶肥可避免以上情況發生［6-8］。

（4）成品的水溶性好。目前微滴灌設備對水溶肥的水溶性要求越來越高，市場上大部分水溶肥產品存在雜質堵塞滴灌管情況，以聚磷酸銨為原料制成的大量元素水溶肥水溶率達99.7%，且能快速水溶［6-8］。

（5）呈堿性，可改良酸性土壤。目前土地酸化嚴重，市場上水溶肥料呈酸性的居多，以聚磷酸銨為原料制成的大量元素水溶肥pH為8.0～8.5，長期使用對酸性土壤改良有顯著效果［6-8］。

3 聚磷酸銨液體肥在我國發展的意義和必要性

從國家的政策導向層面而言，2015年農業部制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，國家在2015 年投入380 億元，完成253.33 萬hm2的節水增糧面積，并且新增東北地區抗旱節水補貼面積566.67萬hm2。“十四五”期間將是水溶性肥料和水肥一體化快速發展的新階段。差異性產品，一方面，在適用性上要符合當前用肥實際，或引領未來用肥的趨勢；另一方面，此產品需要達到一定的規模，以從根本上改變我國磷復肥的產品結構。聚磷酸銨液體肥更符合當前西北地區對低人工、高肥效、高性價比、水肥一體化的需要。

3.1 相對于普通固體磷銨的比較優勢

目前水肥一體化還是處于“固體→液體”的模式。特別對于普通磷酸二銨而言，在施用到田間地頭之前，需要經過“反應→造粒（烘干、防結塊和染色處理）→包裝→生產商裝卸→運輸→分銷商裝卸→儲存→用戶裝卸→溶解→過濾除渣→施用”這個冗余的流程。固體磷銨需要大型生產裝置以達到造粒、干燥、篩分、破碎、粉塵及尾氣的分離吸收、添加防結塊劑和染色劑、包裝等目的，要求的投資較多，且在倉儲、物流、運輸和裝卸過程中需要較多的人工。在固體復配過程中，由于固體自身的因素，無法根據測土結果和作物營養需求靈活、精準地配方施肥。而液體肥可以方便、準確地復配大量元素和中微量元素，真正達到按需施肥的要求。聚磷酸銨液體肥與普通固體磷銨在生產、使用過程中的對比優勢見表3。

表3 聚磷酸銨液體肥與普通固體磷銨優勢對比

肥料需要溶解在土壤溶液中才能夠被農作物吸收，被吸收的養分也需要大量的水分才能夠被農作物進一步利用。因此，即便使用普通固體磷銨，也需要澆灌、噴灑水分，才能夠為農作物所吸收。在西北干旱的氣候條件下，人工灌溉、水肥一體是農作物吸收養分、獲取水分的必備條件。液體肥可以方便地與既有的人工灌溉管道相配合，實現水肥一體化，省時省力，簡單高效。而普通固體磷銨的施用與灌溉流程是割離的兩道工序，費時費力，不適合大規模種植的需要。

3.2 相對于晶體磷酸一銨的優勢

晶體磷酸一銨在100 mL水中的溶解度為40.4 g，即晶體磷酸一銨飽和水溶液的養分規格為3.5-25-0，而聚磷酸銨液體肥養分規格可達到11-37-0，遠高于晶體磷酸一銨。聚磷酸銨中的聚磷酸根螯合了濕法磷酸中含有的氧化鐵、氧化鎂，而鐵、鎂這兩種元素是農作物生長所必需的元素。鐵是構成葉綠素的核心金屬元素，而葉綠素主導植物的光合作用，是農作物生長的根本。鎂也是葉綠素的重要組成成分之一，同時還是植物體內酶的重要活化劑，對植物體內多種代謝活動有促進作用。聚磷酸銨液體肥本身就含有了這兩種至關重要的元素，對用戶而言屬于零成本。晶體磷酸一銨不具備螯合功能，因此對于高鈣、高鎂的硬水兼容性差，很容易在泵、管道、噴嘴沉積堵塞，而在需要加入其他如鋅、錳、銅等微量元素時，需要使用螯合劑乙二胺四乙酸（EDTA）；而聚磷酸銨本身含有的聚磷酸根具有很好的金屬離子螯合能力，是復配液體肥的優良載體，能夠低成本加入微量元素。

3.3 國內市場發展前景

西北地區土地缺水，氣候干旱；但是農作物種植面積大、機械化程度高，已經具有較大的水肥一體化推廣面積，并且今后5年水肥一體化面積將翻倍。這些條件都為推廣聚磷酸銨液體肥奠定了堅實的市場基礎。西北高鈣、高堿性的土壤和干旱的氣候條件是推廣聚磷酸銨液體肥的有利條件。國外研究和多年的田間試驗證明，在一般土壤和氣候條件下，聚磷酸銨液體肥的優勢在于它使用方便、節省人工。而在高鈣、高堿性的土壤和干旱的氣候條件下，聚磷酸銨液體肥與普通磷銨相比磷、氮養分的吸收效率更高，糧食產量也顯著提高。因此，對于西北地區大規模農業用肥市場來說，聚磷酸銨液體肥具有施用方便、節省人工、肥效高等綜合優勢，具有很大的市場潛力。

4 結論

聚磷酸銨由于資源、技術等限制原因，在國內市場方興未艾。鑒于國內幾大磷肥基地在聚磷酸銨上有資源、技術和區位優勢，可以將聚磷酸銨液體肥作為戰略產品，集中資源打開這一突破口，拓寬此產品的市場占有率。由于土地流轉等原因，我國現在已有眾多相當規模的糧食種植大戶，這就為液體肥-水肥一體化這種低人工需求的高效現代農業生產模式創造了前提。液體聚磷酸銨是適應于我國農業發展水平的肥料。