含聚合磷水溶肥料微粒化造粒试验研究

舒艺周, 马 航,2, 匡家灵, 杨 先, 张 恒, 黄照昊

(1.云南云天化以化磷业研究技术有限公司 云南昆明 650228;2.云南云天化股份有限公司研发中心 云南昆明 650228)

聚磷酸铵是一种由氮、磷缩聚而成的盐,当其聚合度低于20 时,具有水溶性高、螯合金属离子性能好、盐指数低等优势。 早在二十世纪六七十年代,欧美发达国家就大量使用低聚合度聚磷酸铵作为水溶性肥料的基础原料[1]。 近年来,我国化肥行业开始关注并研究聚磷酸铵在农业生产中的应用。 农用聚磷酸铵是含有正磷酸盐、焦磷酸盐、三聚磷酸盐及多聚磷酸盐的混合物,通常只有正磷酸盐形态的磷才能被作物吸收,聚磷酸铵中的多聚磷酸盐需要经过水解才能转化成正磷酸盐,水解速率决定了含聚磷酸铵肥料的肥效,所以相较于其他传统肥料,聚磷酸铵兼具速效和长效的特点。 另有研究显示,含聚磷酸铵的肥料可有效提高磷在土壤中的移动性,促进作物根系生长,并能在一定范围内螯合钙、镁、铁等离子,可替代部分价格较高的有机螯合剂[2-3]。

随着水肥一体化技术的推广和不断发展,水溶肥料产业迅速崛起,聚磷酸铵类优质肥料将成为水溶肥料行业的亮点。 从目前的情况看,水溶肥料生产技术落后,主要是将各类原料进行简单的混合,生产的产品会出现吸潮、结块、水解等现象,影响其在农业生产中的施用效果,所以很多企业对水溶肥料的造粒开展了技术攻关[4-5]。 虽然聚磷酸铵有诸多的农用优势,但多聚磷酸盐的特点决定了其具有吸潮快、结块严重及高温热分解等缺点,将聚磷酸铵用作水溶肥料的生产原料,防水解和防结块是主要的技术难点。

本文将含聚合磷的水溶肥料进行造粒,以解决结块问题,但考虑到粒径太大可能会影响溶解速率,故拟开发粒径为0.85 ～2.00 mm 的微颗粒产品。

1 试验原料及设备

1.1 试验原料

水溶性聚磷酸铵(18-58-0),云南天耀化工有限公司;工业级磷酸一铵(12-61-0),云南磷化集团海口磷业有限公司;尿素(46-0-0),云南云天化股份有限公司;农用硫酸钾,唐山三孚钾肥有限公司;农用硝酸钾,青海盐湖元通钾肥有限公司。

1.2 仪器及设备

实验室小型转鼓造粒机,实验室定制;DFY1000 型摇摆式粉碎机,温岭市林大机械有限公司;DHG-9245A 型电热恒温高温鼓风干燥箱,上海笃特科学仪器有限公司;THZ-82 型振荡器,金坛区金城海澜仪器制造厂;85-2A 型磁力搅拌器,常州市亿能实验仪器厂;AR842A+型红外测温仪,香港希玛仪器仪表有限公司;方孔筛(孔径0.85、1.00、2.00 mm),上虞申克实验仪器厂。

2 试验方法

试验以N-P2O5-K2O 配方为20-20-20 的水溶肥料进行造粒,制备粒径0.85 ～2.00 mm 的微颗粒产品。 将水溶性聚磷酸铵、工业级磷酸一铵、尿素、硫酸钾和硝酸钾按比例混合后,粉碎至一定的粒径,利用实验室小型转鼓造粒机进行造粒;造粒后的颗粒物料在恒温干燥箱中于70 ℃进行干燥,用方孔筛进行筛分,得到粒径0.85 ～2.00 mm 的微颗粒成品;粒径＜0.85 mm 的细颗粒作为返料直接进入实验室小型转鼓造粒机继续造粒,粒径＞2.0 mm 的粗颗粒经粉碎后重新造粒;检测制得的微颗粒含聚合磷水溶肥料的化学成分,考察造粒对肥料养分含量的影响,优选出造粒条件,并对产品进行溶解、粉化及结块性能测试。

3 试验结果及讨论

3.1 微粒化造粒试验

3.1.1 聚合磷占比对微粒化造粒的影响

聚合磷占比以聚合态P2O5占总P2O5的质量分数表示,设5 个处理,即聚合磷占比分别为0、10%、25%、50%、75%。 原料按比例混合后粉碎至粒径≤1 mm;在转鼓造粒机内,根据成粒情况分多次喷水,至物料潮湿无干粉时为止;转鼓匀速转动3 min 后完成造粒,比较造粒效果。 不同聚合磷占比对肥料微粒化造粒的影响见表1。

表1 不同聚合磷占比对肥料微粒化造粒的影响

从表1 可知,聚合磷占比对配方20-20-20 水溶肥料的微粒化造粒有明显影响。 随着聚合磷占比的增加,加水量逐渐减少,虽然不含聚合磷的配方加水量最大,但其成粒情况并不好,产品质量分数仅为31.98%,主要以小颗粒形态存在。 随着聚合磷占比不断增加,产品质量分数也随着增大,其中聚合磷占比为50%时,产品质量分数高达74.13%;聚合磷占比继续增大至75%时,大颗粒逐渐增多,颗粒相互粘连,且随着转鼓转动物料变稀,产品明显减少。

试验配方20-20-20 水溶肥料中的聚合磷来自原料聚磷酸铵,聚磷酸铵中的磷主要以多聚磷酸根形态存在,多聚磷酸具有一定的黏性,使得聚磷酸铵是一种较好的黏结剂,在造粒过程中不需要添加过多的水分,物料很容易成粒。控制聚磷酸铵的加入量,使聚合磷的占比为25%～50%,可使肥料微粒化造粒达到较好的效果,产品质量分数为70%左右。 如果聚合磷占比较高,其黏结性太强,同时由于聚磷酸铵具有吸潮严重的特点,成粒效果较差,大颗粒较多且物料会吸收空气中的水分使物料变稀,致使目标产品较少。 由试验结果可得出,制备微颗粒的20-20-20 含聚合磷水溶肥料,聚合磷占比为25%～50%较合适。

3.1.2 造粒温度对微粒化造粒的影响

试验选用聚合磷占比为50%的配方,开启转鼓造粒机加热夹套,造粒过程中间歇通入蒸汽,用红外测温仪测量温度,考察造粒温度对微粒化造粒的影响及产品中聚合磷占比的变化情况,试验结果见表2。

表2 造粒温度对肥料微粒化造粒的影响

从表2 可知,随着造粒温度升高,20-20-20 含聚合磷水溶肥料成粒效果变差,且造粒温度高于55 ℃时,颗粒粘连,大颗粒较多,物料会变稀。 分析产品中聚合磷占比发现,升高造粒温度,会使产品中的聚合磷占比降低,造粒温度为70 ℃时,聚合磷占比显著降低至46.01%。 由于聚磷酸铵的溶解度随着温度升高而增加,在造粒过程中加水量不变的情况下,造粒温度升高导致聚磷酸铵部分溶解于水,出现物料变稀的现象,部分聚磷酸根被加热水解为正磷酸根,后续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态混合存在[6]。 聚磷酸铵水解是一种酶促反应,温度升高会激发水解酶的活性,加快化学反应速率,从而使聚磷酸铵水解加速;但在温度不高于25 ℃时,聚磷酸铵是稳定的[7-8]。 所以,当造粒温度升高后,产品中聚磷酸铵的水解导致聚合磷占比降低。 试验结果表明,含聚合磷水溶肥料的造粒温度不宜超过40 ℃。

3.2 微颗粒产品性能测试

配制20-20-20 含聚合磷水溶肥料,聚合磷占比为50%,常温下采用实验室小型转鼓造粒机制得粒径0.85～2.00 mm 的微颗粒产品,然后进行各项指标检测,并与粒径≤1 mm 的粉状肥料进行比较,结果见表3。

表3 20-20-20 含聚合磷水溶肥料指标检测结果

从表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 养分含量的要求,对养分含量影响不大。

称取10 g 样品置于200 mL 烧杯中,将烧杯放在磁力搅拌器上,设定转速100 r/min,加100 mL 水,启动搅拌,记录至样品全部溶解的时间,为溶解时间。 粉状肥料的溶解时间稍短于微颗粒肥料的,说明粉状肥料的溶解速率比微颗粒肥料的稍快。

由于微颗粒产品粒径较小,难以用粒子强度仪对其颗粒强度进行检测,故采用测定粉化率的方式对微颗粒肥料的强度进行判断。 称取一定量的微颗粒肥料样品(质量为m1)置于容量瓶中,以样品体积占容量瓶容积的2/3 为宜;盖好盖子,放在振荡器上,以200 次/min 的频率振荡30 min;取出肥料样品后用0.85 mm 方孔筛筛分,筛网上部是未粉化肥料,下部即粉化肥料(质量为m2),粉化率按式(1)计算:

经多次试验,测得微颗粒肥料的粉化率为2%～6%,平均值为3.83%,说明微颗粒肥料的颗粒强度较高,具有一定的抗外力能力。

称取一定量的肥料样品(质量为m3)放入自封袋,试验台上放置一块平板,将装有样品的自封袋均匀堆放在平板上,再加盖一块平板,平板上部放置80 kg 沙袋,使每份样品均匀受力。 每间隔3 d 取一份样品,捡出结块的肥料称其质量(m4),计算结块率。 结块率按式(2)计算,20-20-20 含聚合磷水溶肥料的结块率与时间的关系见图1。

图1 20-20-20 含聚合磷水溶肥料结块率与时间的关系

从图1 可以看出:随着时间的延长,结块率增大;对比粉状和微颗粒肥料,粉状肥料第9 天开始结块,第30 天时结块率已经达到12%,而微颗粒肥料第18 天才开始出现轻微结块,第30 天结块率为2%左右。 试验结果证明粉状肥料较微颗粒肥料结块严重,说明微粒化造粒对20-20-20 含聚合磷水溶肥料具有防结块的效果。

4 结语

以20-20-20 含聚合磷水溶肥料为例,通过转鼓造粒,能够制备0.85～2.00 mm 的微颗粒肥料,产品具有一定的抗击外力能力,不易粉化,能够有效防止结块。

聚合磷占比对造粒效果有明显的影响,聚合磷占比低成粒困难,占比高影响造粒效果,导致出现大颗粒肥料多、生产中返料量大等现象。 造粒温度也是影响造粒效果的主要因素之一,随着造粒温度的升高,大颗粒质量分数增大,物料变稀,颗粒出现粘连,聚合磷发生水解导致产品中聚合磷占比降低。 根据试验结果,较优的造粒条件为聚合磷占比为25%～50%,造粒温度不高于40 ℃。

在较优的造粒条件下,通过微粒化造粒得到的微颗粒肥料产品与粉状肥料相比,养分含量变化不大,能够满足指标要求,但溶解速率较粉状产品慢,后续可针对溶解速率进一步开展研究。