脲甲醛緩釋肥料的研究進展與聚脲甲醛緩釋肥料新工藝介紹

胡建民，苗俊艷，許秀成

（1. 鄭州高富肥料有限公司，河南鄭州 451450；2. 鄭州大學國家鈣鎂磷復合肥技術研究推廣中心，河南鄭州 450001）

化肥對農業的貢獻不言而喻。但目前常用的化肥絕大多數為速效肥料，長期過量施用導致土壤有機質匱乏，化肥利用效率直線下降，也帶來了水體富營養化，溫室氣體排放，土壤板結、酸化、鹽堿化和病蟲害加重等一系列環境問題。當前，我國化肥的利用率不高，當季氮肥利用率僅為35%左右，而溫室大棚內更低，只有10%。

鄭州大學磷肥與復肥研究所是國內最早從事提高肥料利用率研究的院所之一，尤其是在提高氮利用率方面。基于鈣鎂磷肥為包裹層的第一代包裹型肥料，20 世紀80 年代已取得國家發明專利，并獲得國家發明專利優秀獎；20 世紀90 年代又發明了以微溶性二價金屬磷酸鹽為包裹層的新一代緩釋肥料，并取得中、美兩國發明專利。所生產的玉米專用肥，能夠做到基肥一次性施入不追肥。在稍增加施肥成本的情況下，水稻、玉米增產5% ～10%，明顯提高了氮肥利用率。2008 年10 月以原化學工業部經濟技術委員會化肥組組長、中國寰球工程有限公司總工程師伍宏業高級工程師為首，聯合5位中國化工、化肥、農業專家，聯名提出《關于采用發展化肥等有效措施，提高我國糧食增產潛力的建議》書面報告，得到了中央領導的首肯。其中，許秀成教授提出“增加脲甲醛及肥包肥的緩釋肥生產裝置，提高糧食產量”的建議。為落實增加脲甲醛生產裝置，開發新的脲甲醛類肥料生產方法，降低脲醛類肥料生產成本，鄭州高富肥料有限公司歷經10 多年，在生產工藝技術和生產設備的研發上取得了巨大的技術進步，申請了中國、美國和PCT（專利合作協定）等多項發明專利。新的聚脲甲醛緩控釋肥生產技術，生產成本大幅度降低，使得過去只能應用于高爾夫球場草坪、園林花卉及高附加值經濟作物的高價產品，能夠應用于大田作物上。

1 脲甲醛緩釋肥料國內外研究進展

1924年，德國巴斯夫（BASF）公司獲得了脲甲醛肥料的第一個專利，1955年開始商業化生產，并成為20 世紀國際上主要緩釋肥料品種之一，銷售量約占全部緩控釋肥料的50%［1］。1947年，美國開始生產脲甲醛類肥料［2-3］。Christianson等［4］利用質量比為6%～15%的多聚甲醛與尿素反應制備了系列脲甲醛肥料，與尿素對比發現，脲甲醛肥料可以減少37%的氮損失。但脲醛肥料主要應用于高爾夫球場、花卉、園藝等非農市場，僅日本少量用于水稻種植中。根據1965 年美國聯合化學公司和1966年美國杜邦公司的技術，在尿素表面噴涂尿素和甲醛的酸性混合溶液后，確實能起到改善肥料性能的作用——主要是防吸潮、結塊及提高運輸過程中尿素的耐磨性。現在歐美市場銷售的很多尿素，還都進行這樣的處理，與未處理尿素相比，其在水中和土壤中的溶解和礦化速度幾乎無差別，因此宣傳此種產品是緩釋尿素顯然是不正確的。

20 世紀70 年代，我國才開始對脲甲醛緩釋肥料進行研究［5］。20 世紀90 年代，我國一些企業開始生產和銷售脲甲醛緩釋肥料，但與世界先進水平相比，工藝技術落后、質量不穩定、生產成本高，未得到大面積推廣應用。石學勇等［6］分析脲甲醛復合肥裝置的投資、效益和市場前景，為轉鼓造粒或塔式復合肥造粒裝置改產脲甲醛緩釋肥料技術提供了思路。

傳統的脲甲醛緩釋氮肥生產（見圖1）采用間歇式反應釜，工藝復雜，能耗高，成本相對較高，無法大規模生產。我國生產脲甲醛肥料的一些廠家主要采用的生產工藝是在復合肥料造粒過程中噴入尿素、甲醛、稀硫酸的混合液，產品中冷水不溶性氮幾乎為零，不具有緩釋性能。還有一些生產廠家是將尿素和甲醛酸化縮合后的懸浮液直接用作復合肥料生產過程中的黏結劑，簡化了工藝過程，節省了脲甲醛肥料的干燥能耗，但該工藝存在的問題是由于脲醛懸浮液中水含量較高，復合肥料生產過程中的添加量受限，產品中緩釋氮的含量不易保證。

圖1 傳統脲甲醛緩釋氮肥生產工藝流程

2 聚脲甲醛緩釋肥料新工藝

鄭州高富肥料有限公司創新了脲甲醛（Urea Formaldehyde 或Methylene Urea，簡稱UF 或MU）緩釋氮肥生產工藝，稱為聚脲甲醛緩釋氮肥生產新工藝（見圖2）。該工藝采用連續化反應器，充分利用反應熱，能耗低；在造粒的過程中尿素和甲醛發生聚合反應，工藝路線簡單，可大規模、連續化工業生產，成本大大降低，可用于農業種植中。生產工藝條件和參數容易控制，能夠生產出活性系數為45%～70%的產品，滿足不同釋放期的需求，產品質量穩定。

圖2 聚脲甲醛緩釋氮肥生產新工藝流程

聚脲甲醛緩釋氮肥是在生產過程中尿素和甲醛發生了“有限度的聚合”，產品中含有一定量的冷水（25 ℃）不溶解的氮（CWIN）和熱水（100 ℃）不溶解的氮（HWIN）。為滿足農作物當季生長對氮肥的需求，其w（CWIN）應≥20%，w（HWIN）應≤15%。在復合肥料添加一定量“有限度聚合”的聚脲甲醛，氮肥將具有緩慢釋放的作用，可稱作“聚脲甲醛”緩控釋復合肥料，其中脲甲醛緩釋氮含量一般不能低于復合肥料中總氮含量的30%。根據多年的研究結果，對大多數作物來說，聚脲甲醛作為基肥，一次性施入，即可滿足作物整個生長期的需求。

為了驗證聚脲甲醛的緩釋性能和適用性，公司曾委托國內多家科研院所開展農化試驗研究。中國農業科學院在德州試驗基地開展玉米和小麥連耕、連作肥效試驗，結果表明施用聚脲甲醛緩釋氮肥MU50處理較普通尿素處理最高增產5.5%；聚脲甲醛緩釋氮肥與普通尿素配合施用（每667 m2MU50用量8.4 kg，施氮量13.9 kg），氮肥表觀利用率最高為35.88%，比普通尿素處理提高11.13%。中國科學院南京土壤研究所在常熟試驗基地開展小麥和水稻連耕、連作肥效試驗，研究表明水稻季50%MU50處理的氮肥利用率比尿素處理顯著提高了8.1%；小麥季50%MU70處理的氮肥利用率比尿素處理顯著提高3%；與尿素處理相比，50% MU50處理和50%MU70 處理氨揮發量分別降低了38.1%和28.0%［7］。

黑龍江省農業科學院范立春等［8］在黑龍江水稻和玉米上開展肥效試驗，施用全量MU50、MU70處理穗粒數和千粒質量高于常規處理，全量50%MU50＋50%尿素處理，氮肥利用率為51.9%，比常規施肥處理提高8.2%。廣東省農業科學院在廣東臺山和惠州試驗基地開展雙季稻上連耕、連作肥效試驗及配方檢驗，聚脲甲醛減氮23%一次性基施處理，作物不減產，氮肥利用率提高［9］。河南省農業科學院在豫南砂姜黑土開展小麥和玉米連耕、連作肥效試驗研究，結果表明冬小麥、夏玉米田施用聚脲甲醛的氨揮發量比尿素降低49.5%和76.1%，氮肥利用率分別相應提高11.0%和17.3%［10］。福建省農業科學院研究聚脲甲醛緩釋肥在玉米上的施用效果，研究表明聚脲甲醛緩釋肥比復合肥料的氨揮發損失減少42.63%。

以上國家級和省市級科研院所的多年試驗表明，基于新技術所生產的聚脲甲醛緩釋氮肥及其復合肥料具有廣泛的適應性；與傳統復合肥料相比，在減氮15%～30%的情況下，聚脲甲醛緩釋氮肥及其復合肥料作基肥一次性施入，在整個生長季不需追肥，作物增產5%～10%；氨氮揮發遠遠低于傳統復合肥料，適合在大田作物上大面積推廣應用。

3 聚脲甲醛緩釋肥經濟、社會和環境效益分析

我國是世界上最大的氮肥消費國，化肥過量施用也是導致溫室氣體排放的原因之一。中國科學院南京土壤研究所朱兆良院士在研究我國農田中化肥氮的去向時，分析尿素氮的氨揮發量約為11%。2019 年河南省氮肥施用量（折純量）為190 萬t，以中國科學院南京土壤研究所研究結果（50%MU50氨揮發量降低了38.1%）計算，若用MU替代50%的尿素，則氨排放量減少7.94 萬t，減少環境污染。2019年河南三大作物播種面積1 012.46萬hm2，每667 m2MU緩控釋肥比傳統施肥少用尿素7.9 kg，若推廣面積達到50%，則減施尿素60 萬t，減少碳排放量（以生產碳排放限額CO20.511 t/t 計算）30.7萬t，減碳潛能巨大。

2020 年，聚脲甲醛緩控釋肥在鞏義米娃娃農場千畝水稻示范田上應用。每667 m2施用普通復合肥（15-15-15，價格2 300 元/t）50 kg，成本115元；每667 m2追施2次尿素，每次20 kg（當年尿素價格2 000元/t），成本40元；每667 m2追肥一次人工成本10元，施肥成本共計175元，水稻產量510 kg。每667 m2施用MU 緩控釋肥（25-14-6）50 kg 作基肥，不追肥，少施氮4.2 kg，成本169.5 元（售價3 390元/t），水稻產量620 kg。MU緩控釋肥與普通復合肥相比，每667 m2增產110 kg，增收286元。

與傳統復合肥料相比，聚脲甲醛緩控釋肥不增加農民綜合施肥成本，氮肥利用率高，配方科學合理，一次施肥不追肥，降低了勞動力成本，節肥增效，成本優勢明顯，具有顯著的經濟、社會和環境效益。

4 展望

在我國實現農業綠色環保發展，化肥“減量、增效”的方針指引下，在我國“2030 碳達峰，2060 碳中和”的國家戰略目標下，必將對我國肥料行業，尤其是對以煤炭為主要原材料的氮肥行業帶來巨大的壓力。因此，提高肥料利用率，尤其是氮肥的利用率顯得更加迫切。聚脲甲醛緩釋氮肥及緩控釋復合肥料，價格低廉、質量穩定、能夠大規模連續化生產，經濟、環保和社會效益顯著，符合國家提倡的“減肥增效、低碳綠色”的發展方針，必將迎來廣闊的發展前景！