高浓度团粒法复合肥配方设计及工艺参数控制要点

陈卫民，姚 安，丁方军

（1. 农业农村部腐植酸类肥料重点实验室，山东 泰安 271600；2. 山东农大肥业科技有限公司，山东 泰安 271600；3. 山东腾跃注册安全工程师服务有限公司，山东 泰安 271600）

0 引言

团粒法复合肥造粒工艺（简称团粒法）根据造粒设备分为圆盘造粒和转鼓造粒两种，圆盘造粒操作灵活，可满足小规模生产需要；转鼓造粒产量大，生产连续，显示出更大的优越性。

通常来说传统转鼓蒸汽造粒复合肥生产主要是物理掺拌滚动成球的过程，但实际生产过程中有些细微的化学反应会影响整个生产过程。在配方设计时要注重调配原料抑制副反应的发生、促进反应向有利于生产的方向发展，在生产过程中要熟练掌握温度、水分、pH、溶解度等物理特性的平衡关系。

因此，结合理论试验数据和生产实践经验可以从5个方面来指导配方设计和生产工艺操作，分别指黏度、细度、pH、湿度、温度。

1 物料黏度是造粒的基础

传统转鼓蒸汽造粒复合肥生产所用原料主要有氮肥类、磷肥类和钾肥类，此外还有些调理剂、添加剂和中微量元素等。氮肥类涉及的原料有尿素、硫酸铵、氯化铵等，磷肥类涉及的原料有磷酸一铵、过磷酸钙、重过磷酸钙、磷酸氢钙等，钾肥类涉及的原料有氯化钾、硫酸钾等，调理剂又分为调节化学反应类和黏土类，添加剂类包括腐植酸、海藻酸、高分子聚合物、聚谷氨酸等。

复合肥所用的原料可区分为黏性、中性和沙性物料，氮磷钾三大主料仅有磷肥类具有黏性，而磷肥类中最常用、黏性最好的是磷酸一铵，根据生产经验以及物料的成球机制，选择黏性好的磷酸一铵是提高成球率的前提［1］。因此许多生产厂家对于磷酸一铵的质量要求较高。

根据研究和生产经验，对磷酸一铵进行适度的氨化能够抑制副反应的发生，当磷酸一铵和氨化物质的物质的量之比在1.4 ～1.5时，磷酸一铵的黏性能够最大化地激活，成粒率比原来平均提高5%～6%，且产品外观有明显改善。可采用碱性物料（碳酸氢铵、气氨、钙镁磷肥、生石灰等）对物料（主要是磷铵）进行适度氨化，调节物料的pH，增加黏性。

此外，添加适量的黏性调理剂也可增加物料的黏性，常用的黏性调理剂有耐火土、凹凸棒粉、膨润土、白色黏土、高岭土、海泡石粉等。

2 原料和返料的合理细度

对于任何一种原料来说，尤其是黏性调理剂，粒径越小黏性越大。高细度物料具有更大的比表面积，与其他物料有更多的接触面积，物料在被蒸汽或者其他液相浸润时能形成更大的表面张力，有助于各种物料吸附成团。

但应注意的是，肥料生产是多种物料混配的过程，每种物料均有其特定的物理和化学特性。从物理特性来说，多种物料混配后混合物的熔点会比各种单独物料低，混合物的临界相对湿度也会发生变化［2］；从化学特性来说，各种物料会发生化学反应，对于生产过程中影响最大的是产生并释放游离水导致物料整体水含量过大。因此，物料细度也需要根据物料类型区别考虑，就原料来看物理化学特性最活泼的是尿素，其最容易产生不利于生产的物理化学变化，如果将尿素粉碎过细，将加剧尿素与其他物料的副反应。

此外，由于肥料特性和生产工艺的限定，团粒法生产过程要求有一定的返料，返料不仅可以提供部分热量，而且可以提供团粒核心。团粒核心大部分是原料经过一次造粒后形成的小颗粒，这些返料颗粒有助于提高成球率、增加颗粒强度、降低干燥负荷。需要注意的是生产过程中应尽量避免大颗粒产生，大颗粒作为返料时需要粉碎后再返回系统，颗粒破碎效果不达标会导致成品颗粒圆润度较差。

3 pH是化学反应的指示

在肥料生产使用的原料中，通常需要考虑pH的是磷肥类。磷肥类的原料中含有游离的磷酸、硫酸等物质，其与尿素反应生成的硫酸脲、磷酸脲具有很大的溶解度以及较强的吸湿性；所含的过磷酸钙（带有结晶水）也会与尿素反应，生成易溶于水的物质，并释放出结晶水。以上多种化学反应综合作用，严重时会导致生产不加液相也出现糨糊状，压缩了操作空间，使生产难以持续进行。

通常来说，需要将物料的pH 调节在5.5 ～6.5。如果pH低于5.5，说明其中游离酸比较多，在有尿素存在时会发生大量副反应［3］；如果pH 大于6.5，会导致部分原料的水溶性下降，液相中物料含量降低，液相表面张力下降，其所展现的黏结作用下降，此外pH 过高也会导致某些物料化学性质发生变化，吸收游离水变成结晶水造成物料发干。

根据试验研究，当磷酸一铵中n（N）/n（P）在1.5时，磷酸一铵处于溶解度最大、黏性最佳的阶段，在此物质的量之比下混合物料的pH基本为5.5 ～6.5。

4 湿度是系统可操作的先决条件

团粒法生产肥料需要适宜的液相量，而所谓的液相量是指混合物料中的液相以及溶解在液相中的物质总量。不同配方、原料及环境对于团粒法生产要求的液相量是有差异的。

液相量主要从物料自带的游离水、物料发生化学反应产生的水、从空气中吸收的水以及外部添加的水4个方面考虑。通常来说，在不考虑结晶水的情况下，物料w（H2O）控制在2%～4%比较适宜，尿素添加量多的配方应尽量控制低水含量［4］；化学反应不仅影响物料的溶解度，还会导致水的形态发生变化，从而影响物料的水含量；由两种以上肥料组成的混合物其相对临界湿度比单独任何一种肥料的相对临界湿度均要低，通常物料混合后临界相对湿度在40%～55%，这也是潮湿季节肥料难以生产的主要原因之一；蒸汽、水、脲液、氨酸溶液等外部添加水量的准确和稳定控制是决定产品产量和质量的重要步骤［5］，可通过调整外部添加水量使混合物料的整体液相量达到最佳状态，为物料在造粒机内的成球以及干燥机内的二次成球提供先决条件。

5 温度是系统操作方式的决定因素

理论上讲，每种混合物料都有一个造粒效率最佳的“造粒曲线”。温度不仅影响液相量的变化从而影响颗粒成球，还对产品的质量起决定性作用。

大部分团粒法生产用原料的溶解度随着温度升高而增加，温度越高物料溶解度越大，混合物料在相同水含量情况下，所展现的液相量也就越大，颗粒成球效果越佳。但是当混合物料的温度超过65 ℃时，过高的液相量会使物料出现过度粒化而形成过多小颗粒，无法维持系统进出物料平衡；反之，当造粒基本在常温下操作时，颗粒成球需要更多的外部液相量，物料进入造粒机后吸收烘干炉内热量温度升高，混合物料的溶解度急速增加，最终出现物料大量熔融导致生产无法继续。

另外，产品温度与结块有较大关系。产品温度过高会导致相同水含量条件下，产品颗粒中的液相量处于高位状态，储存期间随着热量逐步释放，颗粒温度逐步降低，颗粒水含量降低，溶解在液相中的物质逐步结晶析出，形成晶桥而造成产品结块。因此，在生产过程中要尽量控制产品包装温度接近室温以降低结块发生概率。但是高温潮湿季节要注意产品的包装温度应高于环境温度5 ～10 ℃，这是因为产品的临界相对湿度低于环境的湿度，产品在冷却、运送、后处理过程中温度越低吸湿越严重，留有适当的温度空间可有效减少吸湿情况发生。

6 总结

团粒法生产虽然没有化工生产流程中严格的操作和工艺指标要求，更多是被看作相对粗犷的物理混配加工过程，但是其生产过程中影响因素更为错综复杂，不同的配方、原料品种和厂家差异、气候条件的变化等对生产操作有不同的要求，更是有一系列的科学理论可以参考借鉴。在错综复杂的因素下发现影响生产的主导因素，是配方设计人员和操作人员在生产实践过程中需具备的基本能力。