李德軍, 尹連偉

(山東合力泰化工有限公司 山東淄博 256100)

硝基復(fù)合肥因具有營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)均衡、養(yǎng)分含量高、作物易吸收等特點(diǎn),深受消費(fèi)者的歡迎。然而硝基復(fù)合肥在生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象,不僅影響了產(chǎn)品的外在質(zhì)量,而且影響其運(yùn)輸、計(jì)量和使用,尤其是在機(jī)械化施肥過程中出現(xiàn)諸多不便。

1 硝基復(fù)合肥的生產(chǎn)工藝流程

常見的硝基復(fù)合肥生產(chǎn)工藝有硝酸磷酸法、硝酸分解磷礦冷凍法、硝酸銨熔體造粒法等3種,其中硝酸銨熔體造粒法應(yīng)用最為廣泛,主要包括斗提機(jī)、計(jì)量皮帶、輸送皮帶、一混槽、二混槽、均混器、造粒塔、成品篩、粉體流冷卻器、包裹滾筒等設(shè)備,生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 硝酸銨熔體造粒法生產(chǎn)硝基復(fù)合肥工藝流程

1.1 配料

磷酸一銨由磷肥斗提機(jī)提升至磷肥料倉(cāng),經(jīng)倉(cāng)底的計(jì)量皮帶計(jì)量后,由傳送皮帶傳送至高塔斗提機(jī)。

抗爆劑由抗爆劑斗提機(jī)提升至抗爆劑料倉(cāng),經(jīng)倉(cāng)底的計(jì)量皮帶計(jì)量后,由傳送皮帶傳送至磷酸一銨傳送皮帶,與磷酸一銨一同進(jìn)入高塔斗提機(jī)。

硫酸鉀由鉀肥斗提機(jī)提升至鉀肥料倉(cāng),經(jīng)倉(cāng)底的計(jì)量皮帶計(jì)量后,由傳送皮帶傳送至高塔斗提機(jī)。

1.2 造粒

來自中和崗位的硝酸銨溶液進(jìn)入高塔上部的硝酸銨溶液高位槽,經(jīng)真空蒸發(fā)提濃后進(jìn)入硝酸銨溶液緩沖槽,然后經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入一混槽。磷酸一銨經(jīng)高塔斗提機(jī)提升并送至一混槽內(nèi),與硝酸銨溶液混合均勻并加熱熔融。混合后的料漿進(jìn)入二混槽,同時(shí)硫酸鉀經(jīng)高塔斗提機(jī)提升后送入二混槽,再次混合均勻并加熱熔融。最后料漿經(jīng)管道送至造粒機(jī),從造粒機(jī)噴出的料漿在造粒塔內(nèi)向下降落,塔底獲得的球形顆粒經(jīng)收集后由輸送皮帶送至成品處理崗位。

1.3 成品處理

來自造粒崗位的成品顆粒經(jīng)輸送皮帶送至成品篩進(jìn)行篩分,篩出過大或過小的不合格顆粒后,合格產(chǎn)品進(jìn)入粉體流冷卻器進(jìn)行冷卻,然后進(jìn)入包裹滾筒進(jìn)行表面防結(jié)塊包裹處理,處理完成后輸送至包裝工序進(jìn)行裝袋包裝,最后交付倉(cāng)庫(kù)。

2 硝基復(fù)合肥結(jié)塊的原因分析

2.1 水

導(dǎo)致硝基復(fù)合肥結(jié)塊的水來源于肥料自身和環(huán)境兩個(gè)方面,硝基復(fù)合肥自身攜帶的水又可分為游離水和結(jié)晶水。

高塔造粒生產(chǎn)硝基復(fù)合肥工藝中使用的硝酸銨溶液含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2%,其余原料如磷酸一銨、硫酸鉀等也含有水,所以原料本身含水。造粒后顆粒與冷空氣逆流接觸降溫的過程中,雖然通過空氣帶走大部分的水,但最終產(chǎn)品中還含有部分殘留的游離水。結(jié)晶水是硝基復(fù)合肥各組分間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)形成的結(jié)構(gòu)水,在硝基復(fù)合肥顆粒中不是十分穩(wěn)定,特別是在硝基復(fù)合肥顆粒溫度變化和晶型轉(zhuǎn)化等過程中,會(huì)伴隨著結(jié)晶水和游離水的相互轉(zhuǎn)化[1],這些轉(zhuǎn)化也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品中水含量的增加。由于硝基復(fù)合肥內(nèi)部尤其是靠近顆粒中心部位滯留的水相對(duì)于表面較多,形成水含量梯度,殘留在顆粒內(nèi)部的水會(huì)逐漸向表面遷移,并將部分易溶解的物質(zhì)帶向顆粒表面,在硝基復(fù)合肥顆粒表面形成飽和溶液。

環(huán)境中的水主要是指大氣中的水。首先,由于硝基復(fù)合肥顆粒表面存在毛細(xì)孔狀結(jié)構(gòu),而且其孔徑大于水分子的直徑,對(duì)大氣中的水分子形成了毛細(xì)吸附效應(yīng)。其次,由于硝基復(fù)合肥顆粒相互接觸,在接觸位置形成狹小的縫隙,也能產(chǎn)生毛細(xì)吸附效應(yīng)。這就導(dǎo)致顆粒接觸面處的飽和蒸汽壓比大氣中的飽和蒸汽壓低,大氣中的水在壓差的作用下向顆粒接觸面處富集。當(dāng)大氣濕度大于硝基復(fù)合肥的臨界濕度時(shí),顆粒表面發(fā)生溶解,也會(huì)形成飽和溶液。

實(shí)際上,水并不能直接引起硝基復(fù)合肥結(jié)塊,但是水使硝基復(fù)合肥表面形成飽和溶液,而且會(huì)隨著溫度的降低重新結(jié)晶,導(dǎo)致顆粒之間形成晶橋,相互黏合在一起發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象[2]。

2.2 溫度

降低硝基復(fù)合肥顆粒溫度是成品處理崗位的重要任務(wù)之一。常見的硝基復(fù)合肥降溫設(shè)施有冷卻滾筒、粉體流冷卻器、流化床冷卻器,生產(chǎn)實(shí)踐中常采用2種或2種以上的冷卻設(shè)施配合使用。另外,產(chǎn)品在皮帶上輸送的過程中也會(huì)散失一部分的熱量。硝基復(fù)合肥顆粒掉落至高塔底部時(shí),產(chǎn)品溫度高達(dá)70 ℃以上,經(jīng)逐級(jí)降溫處理后,包裝時(shí)的溫度仍達(dá)40 ℃左右。

溫度對(duì)硝基復(fù)合肥結(jié)塊的影響,首先是作為重要組分的硝酸銨受溫度變化的影響存在多樣化的晶型變化。硝酸銨在常壓下存在5種晶型,125.2～169.6 ℃時(shí)呈Ⅰ-立方晶系,84.2～125.2 ℃時(shí)呈Ⅱ-三方晶系,32.3～84.2 ℃時(shí)呈Ⅲ-單斜晶系,-16.9～32.3 ℃時(shí)呈Ⅳ-斜方晶系,-16.9 ℃以下呈Ⅴ-正方晶系。在大氣溫度條件下,發(fā)生Ⅲ-單斜晶系和Ⅳ-斜方晶系間的轉(zhuǎn)化時(shí),體積變化率高達(dá)3.79%[3]。在碼垛儲(chǔ)存條件下,體積的膨大導(dǎo)致硝基復(fù)合肥顆粒間的接觸更為緊密,為顆粒黏連結(jié)塊的發(fā)生提供了條件。其次,在晶型轉(zhuǎn)化過程中,常伴隨著晶型轉(zhuǎn)變熱、游離水的產(chǎn)生和化學(xué)鍵的變化,在顆粒接觸面產(chǎn)生新的晶橋,促進(jìn)了結(jié)塊的發(fā)生。

在緩慢降溫過程中,硝酸銨的5種晶型隨著溫度的變化依次變化;若溫度快速降低,則晶型結(jié)構(gòu)可以由高溫時(shí)所呈現(xiàn)的晶型直接跳躍轉(zhuǎn)化至低溫時(shí)的晶型[4],而晶型變化的次數(shù)越多,體積、能量、結(jié)構(gòu)、密度等性質(zhì)的變化就越頻繁,結(jié)塊越嚴(yán)重。所以產(chǎn)品的降溫速率應(yīng)盡可能迅速,使晶型轉(zhuǎn)化的次數(shù)盡可能少。在生產(chǎn)實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn),產(chǎn)品包裝溫度越高、產(chǎn)品散熱情況越差,結(jié)塊現(xiàn)象越明顯。另外,硝酸銨的晶型轉(zhuǎn)化過程必須有水分子的參與才能順利完成,所以降低水含量不僅能從晶橋理論的角度減輕硝基復(fù)合肥的結(jié)塊,還能夠通過抑制硝酸銨晶型轉(zhuǎn)化來避免硝基復(fù)合肥的結(jié)塊。

在硝基復(fù)合肥儲(chǔ)存過程中,由于顆粒內(nèi)部熱量未完全散出,顆粒內(nèi)的晶型轉(zhuǎn)化和離子間的反應(yīng)會(huì)伴隨有反應(yīng)熱,常導(dǎo)致硝基復(fù)合肥產(chǎn)品出現(xiàn)“回溫”的現(xiàn)象。顆粒表面溫度的升高導(dǎo)致硝酸銨的吸濕點(diǎn)降低,再次從空氣中吸收水;溫度的保持使晶型轉(zhuǎn)化過程變得緩慢,結(jié)塊現(xiàn)象會(huì)進(jìn)一步加重。

較高的溫度還會(huì)導(dǎo)致顆粒變軟,易受壓變形,增大顆粒之間的緊密度,也是導(dǎo)致結(jié)塊加重的原因之一。

2.3 原料的溶解度和金屬離子

通過分析水對(duì)硝基復(fù)合肥結(jié)塊的影響后可發(fā)現(xiàn),若硝基復(fù)合肥中含有的高溶解度物質(zhì)越多,水分向表面轉(zhuǎn)移時(shí)帶出的溶解性物質(zhì)就越多,飽和溶解度越大,將加劇晶橋效應(yīng),使顆粒更加容易產(chǎn)生黏連結(jié)塊現(xiàn)象。生產(chǎn)全水溶硝基復(fù)合肥時(shí),鉀肥、磷肥等原料的溶解性比普通硝基復(fù)合肥的更好,因此全水溶硝基復(fù)合肥的結(jié)塊現(xiàn)象往往比普通硝基復(fù)合肥的更加嚴(yán)重。

2.4 原料的酸堿度

2.5 顆粒粒度和強(qiáng)度

顆粒粒度均勻、規(guī)則的硝基復(fù)合肥有利于減小顆粒間的接觸面積。同樣,強(qiáng)度高的顆粒不容易破碎、粉化,也有利于減小顆粒間的接觸面積,進(jìn)而抑制結(jié)塊的發(fā)生。另外,在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),硝基復(fù)合肥產(chǎn)品的水含量與顆粒強(qiáng)度有密切的關(guān)系,當(dāng)水含量較高時(shí),顆粒更容易粉化和破碎。

3 緩解硝基復(fù)合肥結(jié)塊的措施

3.1 嚴(yán)格執(zhí)行工藝指標(biāo)

嚴(yán)格執(zhí)行工藝指標(biāo)是保證安全生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的前提。在硝酸銨溶液提濃階段,要保證溫度和真空度符合工藝指標(biāo),確保硝酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到98%以上。通過添加磷酸氫二鉀、碳酸氫銨等中和料漿中的游離酸,嚴(yán)格控制混合料漿的pH≥5。加強(qiáng)設(shè)備維護(hù),確保篩分機(jī)運(yùn)行正常,將粒度不合格的顆粒篩出至返料系統(tǒng),提高產(chǎn)品粒度的均勻性。在成品冷卻階段,確保水溫、風(fēng)量等工藝指標(biāo)符合要求,最大限度地降低成品顆粒溫度,當(dāng)成品顆粒溫度降至35 ℃以下時(shí),產(chǎn)品結(jié)塊現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。通過調(diào)整工藝指標(biāo),嚴(yán)格控制產(chǎn)品水含量和顆粒強(qiáng)度,普通產(chǎn)品含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過1.0%,顆粒強(qiáng)度不宜低于50 N/顆。

3.2 嚴(yán)格把控原料品質(zhì)

對(duì)采購(gòu)的磷酸一銨、硫酸鉀等原料,嚴(yán)格把控水含量、pH、雜質(zhì)含量等指標(biāo),杜絕不合格原料進(jìn)入系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),磷肥和鉀肥含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過2%,pH不宜低于4。

3.3 使用防結(jié)塊劑

在實(shí)際生產(chǎn)過程中,水、溫度、pH等不利因素的影響是無法通過嚴(yán)控工藝指標(biāo)和原料品質(zhì)等措施完全杜絕的,使用防結(jié)塊劑成為抑制硝基復(fù)合肥結(jié)塊的最直接、最高效、最經(jīng)濟(jì)的措施。防結(jié)塊劑分為內(nèi)部防結(jié)塊劑和外部防結(jié)塊劑。內(nèi)部防結(jié)塊通常采用加入少量硝酸鎂等物質(zhì),提高硝基復(fù)合肥顆粒的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)抑制結(jié)塊的目的。外部防結(jié)塊是通過在硝基復(fù)合肥顆粒表面包裹一層油狀或粉狀的保護(hù)層,阻止顆粒間的相互接觸,抑制水的吸收。目前市場(chǎng)上的防結(jié)塊劑種類繁多,可適合不同的產(chǎn)品和工藝需求。山東合力泰化工有限公司經(jīng)多年的生產(chǎn)實(shí)踐,找到了適合自身工藝、產(chǎn)品特點(diǎn)的防結(jié)塊劑添加方案。目前公司將粉狀防結(jié)塊劑和油狀防結(jié)塊劑搭配添加,粉狀防結(jié)塊劑和油狀防結(jié)塊劑分別經(jīng)計(jì)量絞龍和計(jì)量泵輸送至包裹滾筒內(nèi),通過滾筒將防結(jié)塊劑均勻地包裹在硝基復(fù)合肥顆粒表面。生產(chǎn)1 t硝基復(fù)合肥添加粉狀防結(jié)塊劑4 kg、油狀防結(jié)塊劑2 kg,可取得較好的防結(jié)塊效果。

3.4 合理調(diào)整生產(chǎn)周期并科學(xué)儲(chǔ)存

在高溫、高濕的季節(jié),盡量不安排生產(chǎn)難以降溫的高鉀類復(fù)合肥和全水溶肥料等易結(jié)塊的產(chǎn)品。應(yīng)盡量縮短硝基復(fù)合肥的儲(chǔ)存時(shí)間,根據(jù)市場(chǎng)需求及時(shí)調(diào)整硝基復(fù)合肥的產(chǎn)品型號(hào),避免因產(chǎn)品不符合農(nóng)時(shí)需要出現(xiàn)積壓。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),產(chǎn)品的儲(chǔ)存時(shí)間盡量不要超過3個(gè)月。產(chǎn)品碼垛高度不宜過高,否則會(huì)造成下層產(chǎn)品壓力過大,碼垛層數(shù)一般不宜超過10層。儲(chǔ)存場(chǎng)所應(yīng)保持干燥、通風(fēng),垛間應(yīng)留有足夠的通道(通常1 m)以便于產(chǎn)品及時(shí)散熱,防止“回溫”影響。必要時(shí)要組織人員及時(shí)實(shí)施翻包、壓包等干預(yù)措施。

4 結(jié)語

硝基復(fù)合肥結(jié)塊的最直接因素是顆粒接觸面處形成了晶橋,水、溫度、pH、金屬離子、粒度等因素均是通過促成晶橋的形成來加劇硝基復(fù)合肥的結(jié)塊。受硝基復(fù)合肥生產(chǎn)工藝條件的影響,徹底消除這些影響因素?zé)o法實(shí)現(xiàn),只能盡量降低這些因素的影響,同時(shí)合理使用防結(jié)塊劑,以取得較好的硝基復(fù)合肥防結(jié)塊效果。