摻混肥生產操作及質量控制技術

滕國清

(美盛農資〔北京〕有限公司 北京 100020)

0 前言

通過混合固體顆粒原料生產各種摻混肥料(BB肥)實踐成功了40多年，目前已成為一些國家肥料銷售的主要品種。與復合肥相比，BB肥具有多功能性、生產簡單且加工成本低、能更好地保護環境等特點，使用有限數量的基礎原料，可以生產出不同養分含量的BB肥，以適應當地的土壤條件并滿足植物對養分的需求，避免過量的養分進入環境中。通過保持初級生產過程在營養源處，避免了磷礦等基礎原料的多次處理。BB肥運輸到各個農業產區，提供各種營養物質，降低了農業生產中的肥料投入成本，為土壤健康、作物健康及人體健康提供了基礎。

隨著2015年原農業部印發《到2020年化肥使用量零增長行動方案》以及對肥料利用率和改善土壤環境、大氣環境、水質環境等要求的不斷提高，BB肥愈加受到重視，屬于國家允許快速發展的肥料品種之一。與復合肥相比，BB肥的主要缺點是由于各種原料的理化性質不同，在加工處理或施用過程中存在離析分層的風險。美盛農資(北京)有限公司是國內較早(1996年)引進BB肥概念、建設BB肥生產裝置并在市場上銷售BB肥產品的企業，同時也是國家標準《摻混肥料(BB肥)》(GB/T 21633—2020)的起草單位之一。BB肥生產、質量控制技術看似簡單，實則內涵很廣。結合國內外BB肥生產技術、質量控制的實際情況及研究成果，本文就原料選擇、質量控制要點、生產技術關鍵要素等方面進行總結，以期為BB肥的發展提供技術支持。

1 原料選擇

BB肥產品的質量幾乎完全取決于原料，用劣質原料是不可能生產出優質BB肥的。每一種原料都應嚴格按照確定的規格購買；交貨時必須抽檢，最好配備獨立的檢驗員并制定檢驗程序，以確保質量一致；所有的取樣和檢測應根據國家標準、行業標準、企業標準或與供應商確定的質量指標要求進行。

1.1 化學性能

必須明確每種原料的營養成分，以便于生產不同配方的BB肥。應要求原料供應商提供每批原料的分析證明和檢測報告，如果與規定的指標差異顯著，應單獨儲存，并根據實際分析數據調整產品配方。必須確定每種原料的含水量，確保原料之間的相容性。建議安排獨立的檢驗員抽取具有代表性的樣本，在使用前完成樣品的分析并出具檢測報告。

有些原料之間不相容，含有這些原料的混合物質量很差。不同無機固體肥料的兼容性見圖1。

圖1中不兼容是指混合物會很快變濕并吸收水分，形成液體或漿液，也可能存在安全隱患；硫是可燃的，可與硝酸鹽如硝酸銨、硝酸鉀、硝酸鈉等發生反應。從圖1可以看出，尿素和硝酸銨不能同時使用，因為混合物會很快吸收水分變潮；應避免磷酸二銨與過磷酸鈣的混合，防止發生化學反應，導致結塊或改變磷酸鹽的溶解度；出于安全考慮，應避免將硝酸銨或含有硝酸銨的原料與任何有機物料混合。

1.由于2種肥料的吸濕性、硝酸銨的穩定等級影響儲存性能；2.考慮有關混合物(硝酸銨/硫酸銨混合物)爆轟性的安全影響和立法影響；3.考慮有關混合物(硝酸銨/硫酸銨混合物)爆轟性的安全影響、游離酸和有機雜質的影響；4.如果有游離酸存在，會導致硝酸銨非常緩慢地分解，進而對包裝等產生影響；5.考慮自我分解的可能性；6.由于2種肥料的吸濕特性，穩定型硝酸銨基肥料可能會影響儲藏性能；7.考慮過磷酸鈣(普鈣)/重過磷酸鈣(重鈣)的水分含量；8.混合時考慮相對濕度；9.有形成石膏的風險；10.預期是兼容的，需通過測試和/或分析確認；11.考慮硫酸銨中的雜質和混合物臨界相對濕度的下降；12.考慮過量的硝酸鹽可能造成的影響；13.混合時考慮磷酸銨/硝酸鉀與尿素反應的可能性和相對濕度，避免結塊；14.如果有游離酸存在，尿素有可能水解出氨和二氧化碳；15.形成非常黏稠的磷酸脲；16.由于水分可能會引起結塊；17.有游離酸存在時須考慮反應的風險

1.2 物理性質

就混合而言，最重要的物理性質是粒徑分布，必須對這一特性有完整的描述，至少必須指定平均粒徑(D50)。理想情況下，還應包括粒度分布指數(GSI)、超大顆粒(如粒徑>4.75 mm)和細粒(如粒徑<1.00 mm)的最大占比。在施肥過程中，肥料顆粒的形狀和密度會對施肥效果產生影響。其他需要指明的物理特性包括“自由流動”和“無塵”，還可能包括顆粒強度和抗沖擊性。根據實際情況，最好對原料進行適當的防結塊和/或防塵處理，在處理過程中原料不應分解。在任何情況下，都應抽取有代表性的樣本，并由獨立的檢驗人員進行評估，以進行隨機檢查。建議在原料交貨時取樣，并在混合前進行粒度分布測試。

1.2.1 粒度

能否生產出高質量BB肥的關鍵取決于原料的粒度相容性，除非所有的原料都匹配得很好，否則每次混合處理時都會產生離析，將導致產品養分分布不均勻，進而造成作物對營養物質吸收利用的不均勻。因此，進行摻混攪拌前必須對原料進行全面的粒度分析。粒度分布可用多種方式表示，但都依賴于對原料的篩分分析。在實際操作過程中，可用一些簡單的現場測試設備(見圖2)進行測試，盡管這些設備在測量粒度分布方面的能力是有限的，但對加入攪拌機的原料進行抽查卻是非常有用的，許多參數可以從粒度分析中計算出來，如D50和GSI。

圖2 原料粒度簡易檢測設備

1.2.2 容積密度

原料的容積密度是需要檢測和了解的參數，一般是稱量一個已知體積的圓柱體的質量，得到松散密度。原料的密度會影響顆粒在儲存、摻混及田間擴散過程中的行為，如果不同的原料密度相差很大，混合時就可能會發生嚴重的離析。原料松散密度一般在900～1 100 kg/m3，極限范圍為750～1 350 kg/m3。

1.2.3 顆粒形狀

原料顆粒的形狀不容易測量，通常需要采用圖像分析技術。通過測量由漏斗流出的肥料堆體的休止角，可為顆粒形狀提供參考。休止角的范圍一般為30°(球形)～40°(角形)。

1.2.4 顆粒強度

原料在處理和擴散過程中可能會受到造成顆粒破碎的應力，如在擴散過程中與葉片的碰撞等，會導致產生小晶粒、小顆粒，并進一步引起發生離析、結塊等問題。因此，原料顆粒應具有足夠的強度。原料的顆粒強度可采用顆粒強度測定儀進行測定，控制標準為>20 N/顆(30個顆粒的平均值)。

1.2.5 粉塵(化)率

有些原料會產生大量灰塵，這不僅會引起環境問題，而且增大了肥料的結塊風險。目前已經開發出檢測粉塵(化)率的設備及方法，但行業內還沒有形成標準的測試方法。

1.2.6 流動性

通常情況下，原料應能夠自由流動。如果原料出現結塊或與水發生反應，其流動性就會降低，給摻混操作帶來困難。測量流動性的標準方法：將2 kg原料放置在封閉的孔徑為25 mm的標準漏斗中，然后打開漏斗孔，記錄原料全部流出漏斗的時間。

1.3 倉儲管理

原料必須合理妥善儲存，以避免原料內部的離析、交叉污染以及原料質量的下降。原料必須按照合理的流程進行儲存并儲存在合適的位置，以確保及時準確掌握原料情況。倉儲推薦采用水平或開放式布局，有條件的情況下配置輸送系統，卸料配置防離析系統。

1.3.1 相對吸濕點及吸濕

有些原料具有吸濕性，可以從潮濕的空氣中吸收水分，存放這類原料的倉庫應安裝空調，或在不使用時覆蓋防水材料。原料的臨界相對濕度越低，其從空氣中吸收的水分就越多。一般來說，磷酸鹽(包括磷酸銨鹽)具有很高的臨界相對濕度，幾乎不存在吸濕問題，硝酸鹽類(如硝酸鈣、硝酸銨等)則恰恰相反。部分肥料和肥料混合物在30 ℃時的臨界相對濕度見表1[1]。

表1 部分肥料和肥料混合物在30 ℃時的臨界相對濕度

復合肥料的臨界相對濕度在大多數情況下都低于單一原料的，這可以從磷鉀復合肥和氮磷鉀復合肥的數據中看出。一個極端的例子是由尿素和硝酸銨組成的混合物，這種混合物吸收水分的速率非?？?，即使在混合后立即施用，其也無法保持干燥狀態。

1.3.2 污染

應避免原料的交叉污染，否則會明顯影響原料成分的分析結果及BB肥的質量，尤其是硝酸銨及含有硝酸銨的原料必須遠離有機物料。良好的清潔工作對摻混操作是非常重要的，所有泄漏物應及時清理，所有設備應保持清潔，傳送帶必須保持良好的運行狀態以減少原料在傳送過程中的泄漏，建議采用特制的溜槽以避免大量灰塵的產生。

2 生產工藝及設備

2.1 BB肥生產工藝流程

BB肥生產工藝流程見圖3，其主要控制節點是計量稱重(連續)、攪拌摻混、防離析控制。

圖3 BB肥生產工藝流程

2.2 摻混設備

在BB肥生產中，摻混設備包括稱量或比例混合裝置，如混合(攪拌)機、包裝設備等，且應根據生產能力進行設備選型。

2.2.1 混合(攪拌)設備

混合(攪拌)設備是生產優質摻混產品的決定因素。混合機有不同的設計形式，如旋轉滾筒、錐形傾式混合機、內置槳葉的固定式混合機、立式混合機和變速螺桿容積式混合機等。此外，混合可以在不使用攪拌機的情況下進行。在混合過程中，由于每種原料都是根據配方要求按比例送至輸送機皮帶上，該皮帶橫斷面上物料的營養成分都滿足配方設計要求?；旌蠒r間是摻混的重要參數，通常在2 min左右，建議不要超過5 min，否則會產生顆粒破碎和混合質量惡化的風險。

混合(攪拌)設備安裝后，必須進行充分測試，以確定達到了滿意的混合效果(變異系數小于10%)后才能投入運行。

2.2.2 灌包過程防離析

在原料混合后的生產過程中，必須避免出現離析現象，包括提升過程、落料點及落料角度、料倉設計(需要專門的防離析設計)、灌包過程、碼放存儲及運輸裝卸整個過程。需要特別注意的是，每個配方的BB肥摻混后及開始灌包前，應根據不同摻混流程評估摻混效果，并提取出前后幾包混合不均勻的不合格產品，待系統運行穩定后再把不合格產品由人工逐步少量添加至系統中。

2.3 檢測/校準

質量控制的最基本要求是必須保存所有的配方、批記錄、質量或體積設置、原料分析和來源的記錄，并按照控制程序進行計量稱重設備的校準及流速檢測。

2.4 運營管理

所有工作人員必須持有完整的書面操作說明，操作程序應制定成文并定期審查。ISO 9000認證并不是必需的，但推薦實施，因為該認證提供了對所有程序的獨立評估。

3 質量控制技術研究及實踐

3.1 離析及防離析

3.1.1 術語及概念

離析是由于物理特性的不同而導致粒子的分離。要發生離析，粒子之間必須有運動。各種物理特性都可能導致發生離析，但最常見的是顆粒大小、顆粒密度和顆粒形狀，這3個屬性起著重要的作用，其中顆粒大小是引起流動過程中發生離析的最重要的因素，相對而言顆粒形狀是最不重要的。

如上所述，BB肥產品在生產、散裝運輸和搬運、施用期間都可能發生離析，主要預防措施是避免灌裝開始和結束排空時發生顆粒的分離，并確保料斗“自清”。在灌裝時，如果物料進入料斗后，較粗的顆粒遷移至外邊緣，并形成一個含有過量細粒的物料中心，則表明發生了離析。因灌裝產生的離析，在錐形卸料處設置混合裝置，通?？梢越鉀Q此問題。如果灌裝時沒有發生離析，則排空時很少會發生離析。

在BB肥生產過程中如能較好地應用上述理論及方法，就可以避免產品出現離析，這可以通過原料的合理匹配、料斗的優化設計、料斗和車輛裝載方式的適時調整等3種方式實現。

離析的原因是原料物理性質不同導致粒子的物理分離，而物理分離可能引起養分的不均勻分布。離析也可能發生在原料或摻混肥料中，但這不會(或很少)影響化學成分。然而在塊狀摻混物中，物理離析往往導致化學成分的差異。

3.1.2 流動離析

在儲存原料時，必須避免儲存堆中的顆粒發生離析。當粒狀原料自由下落形成圓錐體或部分圓錐體時，較大的顆粒將傾向于從圓錐體外部流下，而較小的顆粒則留在圓錐體中心附近。如果發生這種情況，儲存堆的不同部分之間可能會有相當大的尺寸特征差異，這可能會給摻混操作帶來嚴重影響。原料離析主要是粒度離析，對化學成分影響不大，但會給BB肥帶來養分分布不均勻的風險。

3.1.3 運輸離析

BB肥在車輛運輸過程中不會發生嚴重的離析，因為運輸車輛的振動水平不足以引起肥料的移動。事實上，在運輸過程中只有非常小的顆粒(如粒徑<0.5 mm)會在大顆粒之間進行滲透，顆粒粒徑超過0.5 mm后，此過程變得非常緩慢，很難對產品產生真正的影響。但需要特別提醒的是，BB肥的包裝過于寬松時，在裝卸、搬運過程中存在發生離析的可能。

3.2 顆粒粒度對不同配方的養分偏差影響研究

利用六西格瑪工具進行試驗研究。

試驗目的：①尋找不同粒度的原料(氯化鉀/硫酸鉀)對摻混肥養分偏差的影響及數據關系；②以分析數據為基礎，進行BB肥原料的優化。

步驟：確定配方→確定原料→選擇氯化鉀粒度→摻混→取樣→縮分→檢測→根據檢測數據進行分析→得出數據結論。

分析方法：回歸分析、雙樣本t檢驗、試驗設計(DOE)。

19-19-19產品結論：①19-19-19產品養分偏差與氯化鉀粒度有相關性；②分析結果顯示，氯化鉀粒度為2～4 mm的占比78.08%為最優化指標；③氯化鉀粒度2～4 mm是實際檢測數據，可以計算平均主導粒徑(SGN)、均勻度指數(UI)及粒度分布。

34-0-16產品結論：①34-0-16產品養分偏差與氯化鉀粒度有顯著的相關性；②分析結果顯示，氯化鉀粒度為2～4 mm的占比91.06%為最優化指標；③氯化鉀粒度2～4 mm是實際檢測數據，可以計算SGN、UI及粒度分布；④摻混過程生產能力明顯降低，表明34-0-16產品對氯化鉀粒度要求很高。

3.3 單一原料及混合產品臨界相對濕度的測定

隨著肥料技術的創新發展及土壤、作物在養分精準需求方面要求的提高，一些新的物質逐步被添加到單質肥及BB肥中。新物質的加入必然帶來物料理化性質的變化，尤其是臨界相對濕度的變化。臨界相對濕度變化后，會造成物料之間吸濕結塊，所以對臨界相對濕度的測定成為技術關鍵點。目前已發現一種測定臨界相對濕度的新方法，還有待完善，檢測結果示例見圖4。

圖4 臨界相對濕度測定結果

3.4 顆粒粉化率

用于生產BB肥的原料越來越多，擠壓產品也逐漸增多，在生產、搬運、運輸過程中會產生粉塵，而目前顆粒表面粉塵的檢測是一個技術盲點。結合飼料行業的案例，與設備制造企業合作尋找到一種檢測粉化率的方法，可模擬不同環境下的生產、搬運、運輸等過程，對原料、產品進行檢測，并可通過對檢測數據的分析給出相應的處理措施。

4 國外BB肥控制技術指標

4.1 用于肥料摻混的原料粒度指標

用于肥料摻混的原料粒度指標見表2。

表2 用于肥料摻混的原料粒度指標

4.2 關于SGN和UI

SGN是指根據質量分數50%以上所在兩篩間的物料的平均粒徑，其計算方法有圖表法、根據尺寸分析數據計算、采用SGN比例尺法估算等3種。

UI是產品中“小”與“大”粒徑的比值，用百分數表示。更準確地說，UI是累積分布曲線中95%水平和10%水平對應的大小乘以100的比率。UI最好由數學方法確定。

SGN、UI的計算方法由美盛農資(北京)有限公司引入GB/T 21633—2020中，已得到廣泛應用。隨著我國肥料出口數量的增加，其他一些肥料(如尿素、磷酸銨、硫酸銨等)也逐漸使用SGN、UI作為顆粒粒度的技術指標。

5 結語

雖然BB肥生產工藝很簡單，但是具有很高的技術含量,并不容易生產出高質量的產品。隨著化肥市場的競爭日益激烈，對肥料的質量要求也越來越高。技術進步是保證質量提升的前提，在借鑒國外精準的質量控制技術的同時，應根據國內的實際情況不斷進行完善和提高。

國家政策、土壤和大氣環境、作物需求、糧食安全等各方面的要求，都會落在“精準控制”上，肥料的發展亦是如此。BB肥作為主要發展的肥料品種，在快速發展的同時還需要加快質量精準控制的步伐，不斷提升BB肥生產操作及質量控制技術已勢在必行。