聚磷酸铵在我国的发展前景探讨

吴 磊，赵 勇，杨 俊

（1.中低品位磷矿及其共伴生资源高效利用国家重点实验室，贵州 贵阳 550016；2.瓮福（集团）有限责任公司，贵州 贵阳 550000）

聚磷酸铵（APP）是一种含氮、磷的聚磷酸盐，又被称作多聚磷酸铵，按其结构可分为结晶型长链状的水不溶性聚磷酸铵和无定型短链的水溶性聚磷酸铵。聚磷酸铵分子通式为（NH4）n+2PnO3n+1，当n≤20 时，为水溶性聚磷酸铵；当n大于20 时，为难溶性聚磷酸铵［1］。聚磷酸铵按聚合度可分为低聚、中聚和高聚3 种，聚合度越高，水溶性越小。高聚合度聚磷酸铵是一种高效磷系无卤阻燃剂，具有能与其他物质复配、热稳定性好、无毒无味、吸湿性小、不产生腐蚀性气体以及阻燃性能持久等优点，被广泛应用于各种高分子材料（如树脂、橡胶、高档防火涂料、塑料等）的阻燃［2］。低聚合度聚磷酸铵呈中性，能够螯合中微量元素，促进农作物对中微量元素的吸收利用；促进农作物增产和品质改善；不易从水溶液中析出，能够提高肥料中的磷含量；对土壤和农作物有较高的安全性，被应用于农业生产上。因此又将聚合度在2～5 的聚磷酸铵称为农用聚磷酸铵。目前，农用聚磷酸铵作为一种新型水溶肥，常用作配制高浓度液体复合肥料的基础磷肥。

1 聚磷酸铵国内外发展及市场分析

1.1 国外发展及市场情况分析

1857 年，Schiff 采用五氧化二磷与氨反应，首次合成聚磷酸铵盐，但未能得到进一步发展。1965年美国孟山都公司针对聚磷酸盐的阻燃效果，进行相关研发并成功实现聚磷酸铵产品工业化生产。随后，日本、苏联等国家开始生产低聚合度聚磷酸铵，并用于农业肥料。20 世纪70 年代初，美国TVA公司采用w（P2O5）54%的湿法磷酸进行管式氨化反应，生产出了熔融态的聚磷酸铵，用作悬浮液态肥［3-4］。聚磷酸铵肥料是通过液氨与w（H3PO4）95%的磷酸（w（P2O5）68.8%，而w（P2O5）68%～72%的磷酸通常称为过磷酸）在管式反应器中高温反应得到。在高温下，磷酸根发生分子间脱水形成低聚合度的聚磷酸根。

聚磷酸铵的合成反应是可逆的，即聚磷酸铵可以通过水解重新生成正磷酸铵。聚磷酸铵液体肥，如果在温度32 ℃附近储存，由于水解，聚磷酸铵的聚合比每月会降低约1%；如果在温度低于28 ℃条件下储存，则聚磷酸铵水解的速率可以忽略不计。液体聚磷酸铵产品中三聚磷酸盐与磷酸根离子含量一般比颗粒产品更高，但是成分是变化的，常用的产品中w（正磷酸盐）30%～40%，w（焦磷酸盐）50%～55%，还含有一部分三聚磷酸盐与四聚磷酸盐。常用聚磷酸铵液体肥料的养分规格有8-24-0、10-34-0、11-37-0、11-44-0、8-28-0。

作为高浓度磷氮肥料，聚磷酸铵具有易于复配、施用方便、节省人工、肥效高等优势，符合大型农场机械化作业等现代农业生产要求，因而在美国磷肥中占有非常重要的地位，每年的使用量在140 万～160 万t。根据资料显示，美国液体肥料占肥料总量的38%，年消耗液体肥料1 600 多万吨。美国拥有2 800 多家液体肥料工厂，其中有130 家工厂生产农用聚磷酸铵，年产量达到150万t。

近年来，聚磷酸铵在欧美等发达国家广泛应用。根据相关数据统计，目前全球磷酸及液体化肥市场容量超过1 000 亿美元，聚磷酸铵化肥市场仅有100亿美元，全球年需求量仅500万t左右，发展空间巨大［5-6］。从区域分布来看，北美、西欧、亚太地区是聚磷酸铵的主要市场，2005 年北美、西欧聚磷酸铵消费量分别占全球聚磷酸铵消费总量的37.99%和33.06%；2014 年分别下降至28.19%、22.07%。而亚太市场聚磷酸铵需求增长速度显著大于老牌发达国家，现已成为全球最大的聚磷酸铵消费市场［6］。

1.2 国内液体聚磷酸铵发展及市场情况分析

为保证农产品的产量，农业生产中化学肥料的使用量很大，但是传统的施肥方法肥效低，既浪费资源又增加了农业生产成本，且大量使用化肥对土壤环境破坏大，对农业可持续生产造成极大的困难。为认真落实“一增两减三基本”的精神，提高耕地质量，开发新型肥料，提升肥效成为一种有效手段。聚磷酸铵液体肥是一种低氮高磷的复合液体肥，它可螯合湿法磷酸中的金属离子及附加离子，不产生沉淀，也不会损失有效磷。

我国农用聚磷酸铵处于刚起步阶段，专业生产聚磷酸铵肥料的企业尚少，其性状、组成及生产方法尚存在争议，在产品质量、数量和应用范围方面与国外都存在较大差距［7-8］。目前我国聊城联丰化工有限公司和山东一家公司引进以色列技术在组织生产聚磷酸铵溶液，市场供应短缺，发展前景看好。与国外相比，我国聚磷酸铵发展具有以下特点：

（1）总体技术水平仅相当于发达国家20 世纪80 年代末、90 年代初的水平，而且，原材料消耗以及生产成本普遍高于国外。

（2）目前我国只有十几家企业进行聚磷酸铵生产和销售，规模不大，产品应用范围比较单一；产能10万t/a左右（含未投产），年产量不足5万t，主要用途是阻燃剂，但用于肥料的比例在逐步增加。

近年随着水肥一体化技术不断推广、发展，液体肥、复合肥厂家对聚磷酸铵关注度越来越高，市场需求提升，前景可期。

但聚磷酸铵的推广应用，对于农民来说一次性投入较大，对生产企业来说风险较大，必须有国家政策扶持才能顺利实现。

2 聚磷酸铵的特性及在农业上的应用优势

2.1 聚磷酸铵的特性

聚磷酸铵液体肥w（H2O）约40%，除了养分外，关键指标为：

（1）聚合比≥70%。该指标保证聚磷酸铵液体肥在1年的储存期内，聚合比不至于下降太多而导致沉淀产生；同时也保证有足够的聚合度来螯合自身含有和添加的微量元素。

（2）w（MgO）＜0.25%。磷酸-铵-镁体系很容易形成继沉淀，给聚磷酸铵液体肥的生产、存储、转运、使用过程带来诸多问题。因此，国外通常把聚磷酸铵中w（MgO）控制在0.25%以下。表1 为聚磷酸铵液体肥的行业标准（HG/T 5939—2021）指标要求。

表1 聚磷酸铵液体肥行业标准指标要求 %

为达到上述指标，聚磷酸铵液体肥生产必须要使用合格的磷酸。表2 为生产聚磷酸铵液体肥使用的过磷酸指标。从表2 可以看出，为制备合格的聚磷酸铵液体肥，所使用的磷酸w（H3PO4）≥94%（w（P2O5）≥68%），为浓缩至此浓度，磷酸中的杂质含量不能超过一定范围，否则浓缩效率较低；在浓缩至w（P2O5）≥68%后，为后续生产合格的聚磷酸铵产品，需要控制金属杂质的含量，特别是要控制w（MgO）＜0.5%，优选＜0.3%。

表2 生产聚磷酸铵液体肥所用过磷酸指标

2.2 聚磷酸铵在农业上的应用优势

聚磷酸铵在北美地区有超过60年的使用经验，北美的经验表明：聚磷酸铵相对普通磷铵来说装卸方便、易于复配、施用方便、肥效高；而相对于晶体磷酸一铵来说具有更高的性价比，更适合于土豆、小麦、玉米等大田作物。由于土地流转等原因，中国现在已有众多相当规模的粮食种植大户，这就为液体肥-水肥一体化这种低人工需求的高效现代农业生产模式创造了前提。聚磷酸铵液体肥是适应于我国农业发展水平的肥料。聚磷酸铵在农业上的应用优势有以下几点：

（1）磷元素高效利用。短链聚磷酸铵溶解度高，可配制磷含量较高的液体肥料；农作物施用聚磷酸铵安全系数高，通常不被农作物直接吸收，而是在土壤中逐步水解成正磷酸盐再被农作物吸收利用，因此是一种缓释性长效磷肥，磷元素有效利用率提高3倍以上［6-8］。

（2）具有螯合作用。聚磷酸铵对金属离子具有显著螯合作用，可以作为基肥中的无机螯合剂添加一些微量元素以提高肥效。一些微量元素在聚磷酸铵溶液中的溶解度远高于在正磷酸铵溶液中的溶解度，利用聚磷酸铵作为无机螯合剂，较有机螯合剂便宜［6-8］。

（3）成品的稳定性好。目前固体大量元素水溶肥料存放时间长了，容易出现结块、胀袋、变色等现象，液体水溶肥料容易出现沉淀、胀瓶等现象，以农用聚磷酸铵为原料制成大量元素水溶肥可避免以上情况发生［6-8］。

（4）成品的水溶性好。目前微滴灌设备对水溶肥的水溶性要求越来越高，市场上大部分水溶肥产品存在杂质堵塞滴灌管情况，以聚磷酸铵为原料制成的大量元素水溶肥水溶率达99.7%，且能快速水溶［6-8］。

（5）呈碱性，可改良酸性土壤。目前土地酸化严重，市场上水溶肥料呈酸性的居多，以聚磷酸铵为原料制成的大量元素水溶肥pH为8.0～8.5，长期使用对酸性土壤改良有显著效果［6-8］。

3 聚磷酸铵液体肥在我国发展的意义和必要性

从国家的政策导向层面而言，2015年农业部制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，国家在2015 年投入380 亿元，完成253.33 万hm2的节水增粮面积，并且新增东北地区抗旱节水补贴面积566.67万hm2。“十四五”期间将是水溶性肥料和水肥一体化快速发展的新阶段。差异性产品，一方面，在适用性上要符合当前用肥实际，或引领未来用肥的趋势；另一方面，此产品需要达到一定的规模，以从根本上改变我国磷复肥的产品结构。聚磷酸铵液体肥更符合当前西北地区对低人工、高肥效、高性价比、水肥一体化的需要。

3.1 相对于普通固体磷铵的比较优势

目前水肥一体化还是处于“固体→液体”的模式。特别对于普通磷酸二铵而言，在施用到田间地头之前，需要经过“反应→造粒（烘干、防结块和染色处理）→包装→生产商装卸→运输→分销商装卸→储存→用户装卸→溶解→过滤除渣→施用”这个冗余的流程。固体磷铵需要大型生产装置以达到造粒、干燥、筛分、破碎、粉尘及尾气的分离吸收、添加防结块剂和染色剂、包装等目的，要求的投资较多，且在仓储、物流、运输和装卸过程中需要较多的人工。在固体复配过程中，由于固体自身的因素，无法根据测土结果和作物营养需求灵活、精准地配方施肥。而液体肥可以方便、准确地复配大量元素和中微量元素，真正达到按需施肥的要求。聚磷酸铵液体肥与普通固体磷铵在生产、使用过程中的对比优势见表3。

表3 聚磷酸铵液体肥与普通固体磷铵优势对比

肥料需要溶解在土壤溶液中才能够被农作物吸收，被吸收的养分也需要大量的水分才能够被农作物进一步利用。因此，即便使用普通固体磷铵，也需要浇灌、喷洒水分，才能够为农作物所吸收。在西北干旱的气候条件下，人工灌溉、水肥一体是农作物吸收养分、获取水分的必备条件。液体肥可以方便地与既有的人工灌溉管道相配合，实现水肥一体化，省时省力，简单高效。而普通固体磷铵的施用与灌溉流程是割离的两道工序，费时费力，不适合大规模种植的需要。

3.2 相对于晶体磷酸一铵的优势

晶体磷酸一铵在100 mL水中的溶解度为40.4 g，即晶体磷酸一铵饱和水溶液的养分规格为3.5-25-0，而聚磷酸铵液体肥养分规格可达到11-37-0，远高于晶体磷酸一铵。聚磷酸铵中的聚磷酸根螯合了湿法磷酸中含有的氧化铁、氧化镁，而铁、镁这两种元素是农作物生长所必需的元素。铁是构成叶绿素的核心金属元素，而叶绿素主导植物的光合作用，是农作物生长的根本。镁也是叶绿素的重要组成成分之一，同时还是植物体内酶的重要活化剂，对植物体内多种代谢活动有促进作用。聚磷酸铵液体肥本身就含有了这两种至关重要的元素，对用户而言属于零成本。晶体磷酸一铵不具备螯合功能，因此对于高钙、高镁的硬水兼容性差，很容易在泵、管道、喷嘴沉积堵塞，而在需要加入其他如锌、锰、铜等微量元素时，需要使用螯合剂乙二胺四乙酸（EDTA）；而聚磷酸铵本身含有的聚磷酸根具有很好的金属离子螯合能力，是复配液体肥的优良载体，能够低成本加入微量元素。

3.3 国内市场发展前景

西北地区土地缺水，气候干旱；但是农作物种植面积大、机械化程度高，已经具有较大的水肥一体化推广面积，并且今后5年水肥一体化面积将翻倍。这些条件都为推广聚磷酸铵液体肥奠定了坚实的市场基础。西北高钙、高碱性的土壤和干旱的气候条件是推广聚磷酸铵液体肥的有利条件。国外研究和多年的田间试验证明，在一般土壤和气候条件下，聚磷酸铵液体肥的优势在于它使用方便、节省人工。而在高钙、高碱性的土壤和干旱的气候条件下，聚磷酸铵液体肥与普通磷铵相比磷、氮养分的吸收效率更高，粮食产量也显著提高。因此，对于西北地区大规模农业用肥市场来说，聚磷酸铵液体肥具有施用方便、节省人工、肥效高等综合优势，具有很大的市场潜力。

4 结论

聚磷酸铵由于资源、技术等限制原因，在国内市场方兴未艾。鉴于国内几大磷肥基地在聚磷酸铵上有资源、技术和区位优势，可以将聚磷酸铵液体肥作为战略产品，集中资源打开这一突破口，拓宽此产品的市场占有率。由于土地流转等原因，我国现在已有众多相当规模的粮食种植大户，这就为液体肥-水肥一体化这种低人工需求的高效现代农业生产模式创造了前提。液体聚磷酸铵是适应于我国农业发展水平的肥料。