萬夫偉，李小燕，吳錫林，張明飛，孫懷濤

(天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司/天津市中微量元素肥研制與應用企業(yè)重點實驗室 天津 300400)

0 前言

自20世紀80年代以來，由于片面追求農(nóng)作物的高產(chǎn)，通過大量施用化肥來補充養(yǎng)分，導致土壤微生態(tài)平衡遭到破壞，引起土壤退化，造成我國耕地肥力出現(xiàn)了明顯下降。目前，我國化肥平均施用量為434.3 kg/hm2，是國際公認的化肥施用安全上限的1.93倍，但是養(yǎng)分平均利用率僅40%左右[1]?；实拇罅渴┯靡呀?jīng)引起了土壤的酸化[2]、板結(jié)[3]等問題，化肥的低利用率不僅造成了資源的大量浪費，而且對水資源和大氣環(huán)境造成了嚴重的污染，甚至有些地區(qū)近年來出現(xiàn)的鎘污染[4]、鋁毒[5]、汞污染[6]等問題都與大量施用化肥和土壤酸化有關。為此，農(nóng)業(yè)部制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，大力推進化肥減量提效、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展之路。

土壤調(diào)理劑可用于改良土壤結(jié)構、減輕土壤鹽堿危害、調(diào)節(jié)土壤酸堿度、改善土壤水分狀況和修復污染土壤等[7]。硅鈣鉀土壤調(diào)理劑(硅鈣鉀肥)是一種綠色環(huán)保、緩釋長效的新型礦物肥料，其在水中溶解度小，可在植物根系及微生物分泌的酸作用下溶解供作物吸收。硅鈣鉀肥具有提供養(yǎng)分和調(diào)理土壤的雙重功效，可以補充土壤中缺乏的硅、鈣、鉀、鎂等元素，調(diào)節(jié)土壤的酸堿度，能夠增強作物的抗逆性[8]。

目前，將土壤調(diào)理劑制成圓顆粒，很好地適應了當前土地流轉(zhuǎn)大趨勢下機械化施肥的要求。與粉狀肥料相比，顆粒肥料流動性好，運輸和裝卸時粉塵少，長期存放不易結(jié)塊，施肥時易撒播，甚至可以實現(xiàn)飛機撒施。現(xiàn)階段，復合肥的造粒烘干工藝經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)成熟，但硅鈣鉀等礦物肥料發(fā)展較晚，還沒有專用的造粒烘干工藝。為此，專門針對硅鈣鉀土壤調(diào)理劑的造粒工藝及其專用設備進行討論，以期為建設硅鈣鉀肥、硅肥、鈣鎂磷肥等土壤調(diào)理劑的造粒烘干車間提供一定的指導。

1 造粒烘干工藝流程

如圖1所示：來自上游工段的硅鈣鉀肥原料粉劑與造粒助劑經(jīng)過充分混合之后，連續(xù)均勻地撒入圓盤造粒機，邊噴水邊滾動造粒；出圓盤造粒機的顆粒首先進行濕球篩分，將粒徑<1.00 mm的小顆粒返回圓盤造粒機；篩分后粒徑>1.00 mm的顆粒進入滾筒烘干機，將大部分的水分去除，二段烘干采用振動流化床進一步烘干；烘干后的顆粒經(jīng)冷卻后進入成品篩，粒徑>4.75 mm的顆粒經(jīng)過破碎與濕球篩分工序產(chǎn)生的小顆粒一起返回圓盤造粒機繼續(xù)造粒；整個造粒烘干車間設計中布置了干粉收塵和濕粉收塵2組袋式收塵器。

圖1 硅鈣鉀土壤調(diào)理劑造粒烘干工藝流程

2 工藝流程分析

2.1 原料混合

硅鈣鉀肥造粒中大部分的原料是以粉狀參與的，由于這些原料相對密度較小，物理性質(zhì)穩(wěn)定，與水的親和力差，不溶于水，成粒比較困難。微粒細度越小，成球后微粒間的空隙越小，粉粒間的結(jié)合強度就越大[9]。因此，造粒前必須將硅鈣鉀肥、造粒助劑粉磨至符合造粒要求的細度，然后嚴格按所需比例準確計量后配加至雙筒混料機內(nèi)混合均勻，才能滿足造粒工藝要求。

2.2 造粒工藝

目前，對于濕度較小的物料常用的造粒方法有壓力法和團粒法[10]。

壓力法可以將細粉壓得十分密實，制得的顆粒有較高的強度，但是對于含水量低、微粉很細、孔隙率大、流動性好的細粉進行擠壓造粒，不僅電耗高，而且成球率低，單機產(chǎn)能不高。

團粒法是將松散的濕物料(原料細粉和一定比例的潤濕液)加入造粒裝置中(圓盤或轉(zhuǎn)鼓)，通過攪拌翻動形成初始團粒核心，隨后核心以團聚和包層2種方式長大。團聚的顆粒球形不規(guī)則，表面粗糙；包層制得的顆粒球形度好，表面光滑。在造粒過程中，可以控制操作條件，形成表面光滑、強度高的球形顆粒。

為了滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模機械化施肥的要求，需將粉狀肥料制成顆粒，且制得的顆粒既要顆粒強度高(在搬運過程中不碎球、不掉粉)，又要求在施入土壤后吸潮或遇水易于崩解。基于以上因素，壓力法無法滿足硅鈣鉀造粒生產(chǎn)的要求，圓盤滾動造粒則是比較理想的選擇。在圓盤滾動造粒過程中，經(jīng)形成母球核心、母球核心表面黏結(jié)干粉長大、球化成粒3個階段，顆粒由小到大，強度逐漸提高，制得的小顆粒在圓盤底部，大顆粒逐漸被小顆粒抬高后由圓盤邊緣溢出。

2.3 顆粒篩分

一般在圓盤造粒生產(chǎn)中，出圓盤造粒機的顆粒合格率在80%左右[11]。顆粒在進行烘干之前，先進行濕球篩分，其目的是將小顆粒肥料(<1.00 mm)直接返回圓盤造粒機作為母球參與造粒，有利于粉劑成球，>1.00 mm的顆粒進入烘干機，以減小烘干機的運行負荷，降低能耗。為了減少顆粒的振動和防止顆粒堵塞網(wǎng)孔，一般選擇分級滾筒篩，并且在篩網(wǎng)內(nèi)外增設振動和清掃裝置。

由于硅鈣鉀肥顆粒在烘干和冷卻過程中存在顆粒破碎現(xiàn)象，顆粒之間的相互摩擦也會出現(xiàn)掉粉情況，因此需在包裝前設置1只成品篩除去細粉和碎顆粒，并將大顆粒(>4.75 mm)輸送至圓錐破破碎后與細粉一起返回圓盤造粒機再次成球，以提高產(chǎn)品的合格率。

2.4 兩段烘干

為了研究烘干工藝對顆粒強度的影響，通過實驗室試驗，繪制了如圖2所示的顆粒強度與顆粒含水質(zhì)量分數(shù)的關系圖。

圖2 顆粒強度與顆粒含水質(zhì)量分數(shù)的關系

為研究不同水分含量顆粒的抗摔打情況，將以上試驗樣品進行2 m高處自由落體試驗，結(jié)果顯示：在顆粒含水質(zhì)量分數(shù)>7%時，其具有一定的塑性，不容易摔碎；顆粒含水質(zhì)量分數(shù)在3%～7%時，雖然其表面已經(jīng)硬化，但反而更容易破碎；當顆粒含水質(zhì)量分數(shù)<3%時，硅鈣鉀肥顆粒已經(jīng)完全硬化，顆粒強度提高，得到成品。因此，在烘干機的設計中必須優(yōu)化揚料板的設計，避免顆粒含水質(zhì)量分數(shù)在3%～7%之間時對其進行摔打。

硅鈣鉀肥的造粒過程是一個細粉間的物理團聚過程，形成的顆粒有2種類型：團聚形成的顆粒球形不規(guī)則，表面粗糙；包層制出的顆粒表面呈球形，斷面為一層包一層的“洋蔥皮”結(jié)構。這2種結(jié)構要么球形不規(guī)則，要么烘干后容易脫殼。為了提高硅鈣鉀肥的成球率，在滾筒烘干機的進料端預留4～6 m長的二次造粒區(qū)，通過濕顆粒的相互擠壓揉搓，使球內(nèi)水分被擠出至顆粒表面，然后被烘干熱風帶走。出圓盤造粒機的物料經(jīng)過二次造粒后，可以進一步提高顆粒的球形度，還可以提高其強度。在滾筒烘干機的中后端設置揚料板，可以使顆粒水分含量迅速下降。當顆粒含水質(zhì)量分數(shù)較低時(3%～7%)，采用振動流化床烘干機對物料進行干燥，既能在易碎區(qū)減少對顆粒的摔打，又能將剩余水分去除。

2.5 滾筒冷卻

硅鈣鉀肥顆粒經(jīng)過兩段烘干流程后，已經(jīng)具有很高的強度，可以采用滾筒冷卻機將其冷卻，冷卻后的顆粒經(jīng)過成品篩篩分后送至包裝車間進行成品包裝。

2.6 系統(tǒng)除塵

從混料開始，圓盤造粒、濕球篩分、顆粒烘干、顆粒冷卻、成品篩分等工藝環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生粉塵，這就要求在造粒烘干車間設計時必須考慮除塵設備的配置。按照含水率的不同，硅鈣鉀肥生產(chǎn)中的粉塵可分為2種：①原料混合、圓盤造粒、顆粒冷卻和成品篩分工序產(chǎn)生的干粉塵，其比較容易清除回收，常規(guī)的袋式收塵器就可以達到環(huán)保指標要求；②濕球篩分、顆粒烘干工序產(chǎn)生的含有高溫水汽的粉塵，其回收較復雜，如果采用常規(guī)的袋式收塵器，當粉塵溫度下降至露點溫度以下時會發(fā)生結(jié)露，出現(xiàn)“糊布袋”現(xiàn)象。為了避免含有高溫水汽的粉塵發(fā)生結(jié)露而影響收塵效果，在設計中配置配風管，通過摻入一定量的熱空氣以保證除塵器出口溫度高于露點溫度。

通過以上分析可知，在硅鈣鉀肥除塵設計中，整個造粒烘干車間應選用2組除塵器，在工藝布置時要將產(chǎn)生干粉塵的工序與產(chǎn)生含有高溫水汽的粉塵工序隔開。

3 結(jié)語

以硅鈣鉀肥為研究對象，系統(tǒng)研究了其造粒烘干工藝，討論了原料混合、圓盤造粒、濕球篩分、滾筒烘干(含二次造粒功能)、流化床烘干、顆粒冷卻、成品篩分和系統(tǒng)除塵等關鍵設備，得出如下結(jié)論：

(1)原料混合和造粒過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，須注意設備的密封；

(2)硅鈣鉀肥造粒中濕球篩分是可行的，有利于細粉成球，可減輕后續(xù)烘干設備的負荷，降低能耗；

(3)硅鈣鉀肥濕顆粒強度很低，烘干時設置二次造粒以提高顆粒強度，同時應避免濕顆粒的摔打，以降低碎球的概率；

(4)硅鈣鉀肥需設置2組收塵器，分別回收干粉塵和含高溫水汽的粉塵。