硝基復合肥結塊原因分析及應對措施

李德軍, 尹連偉

(山東合力泰化工有限公司 山東淄博 256100)

硝基復合肥因具有營養結構均衡、養分含量高、作物易吸收等特點,深受消費者的歡迎。然而硝基復合肥在生產過程中易出現結塊現象,不僅影響了產品的外在質量,而且影響其運輸、計量和使用,尤其是在機械化施肥過程中出現諸多不便。

1 硝基復合肥的生產工藝流程

常見的硝基復合肥生產工藝有硝酸磷酸法、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用最為廣泛,主要包括斗提機、計量皮帶、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、包裹滾筒等設備,生產工藝流程見圖1。

圖1 硝酸銨熔體造粒法生產硝基復合肥工藝流程

1.1 配料

磷酸一銨由磷肥斗提機提升至磷肥料倉,經倉底的計量皮帶計量后,由傳送皮帶傳送至高塔斗提機。

抗爆劑由抗爆劑斗提機提升至抗爆劑料倉,經倉底的計量皮帶計量后,由傳送皮帶傳送至磷酸一銨傳送皮帶,與磷酸一銨一同進入高塔斗提機。

硫酸鉀由鉀肥斗提機提升至鉀肥料倉,經倉底的計量皮帶計量后,由傳送皮帶傳送至高塔斗提機。

1.2 造粒

來自中和崗位的硝酸銨溶液進入高塔上部的硝酸銨溶液高位槽,經真空蒸發提濃后進入硝酸銨溶液緩沖槽,然后經流量計計量后進入一混槽。磷酸一銨經高塔斗提機提升并送至一混槽內,與硝酸銨溶液混合均勻并加熱熔融。混合后的料漿進入二混槽,同時硫酸鉀經高塔斗提機提升后送入二混槽,再次混合均勻并加熱熔融。最后料漿經管道送至造粒機,從造粒機噴出的料漿在造粒塔內向下降落,塔底獲得的球形顆粒經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輸送皮帶送至成品篩進行篩分,篩出過大或過小的不合格顆粒后,合格產品進入粉體流冷卻器進行冷卻,然后進入包裹滾筒進行表面防結塊包裹處理,處理完成后輸送至包裝工序進行裝袋包裝,最后交付倉庫。

2 硝基復合肥結塊的原因分析

2.1 水

導致硝基復合肥結塊的水來源于肥料自身和環境兩個方面,硝基復合肥自身攜帶的水又可分為游離水和結晶水。

高塔造粒生產硝基復合肥工藝中使用的硝酸銨溶液含水質量分數約為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,但最終產品中還含有部分殘留的游離水。結晶水是硝基復合肥各組分間發生化學反應時形成的結構水,在硝基復合肥顆粒中不是十分穩定,特別是在硝基復合肥顆粒溫度變化和晶型轉化等過程中,會伴隨著結晶水和游離水的相互轉化[1],這些轉化也會導致產品中水含量的增加。由于硝基復合肥內部尤其是靠近顆粒中心部位滯留的水相對于表面較多,形成水含量梯度,殘留在顆粒內部的水會逐漸向表面遷移,并將部分易溶解的物質帶向顆粒表面,在硝基復合肥顆粒表面形成飽和溶液。

環境中的水主要是指大氣中的水。首先,由于硝基復合肥顆粒表面存在毛細孔狀結構,而且其孔徑大于水分子的直徑,對大氣中的水分子形成了毛細吸附效應。其次,由于硝基復合肥顆粒相互接觸,在接觸位置形成狹小的縫隙,也能產生毛細吸附效應。這就導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。當大氣濕度大于硝基復合肥的臨界濕度時,顆粒表面發生溶解,也會形成飽和溶液。

實際上,水并不能直接引起硝基復合肥結塊,但是水使硝基復合肥表面形成飽和溶液,而且會隨著溫度的降低重新結晶,導致顆粒之間形成晶橋,相互黏合在一起發生結塊現象[2]。

2.2 溫度

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

溫度對硝基復合肥結塊的影響,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 ℃時呈Ⅰ-立方晶系,84.2～125.2 ℃時呈Ⅱ-三方晶系,32.3～84.2 ℃時呈Ⅲ-單斜晶系,-16.9～32.3 ℃時呈Ⅳ-斜方晶系,-16.9 ℃以下呈Ⅴ-正方晶系。在大氣溫度條件下,發生Ⅲ-單斜晶系和Ⅳ-斜方晶系間的轉化時,體積變化率高達3.79%[3]。在碼垛儲存條件下,體積的膨大導致硝基復合肥顆粒間的接觸更為緊密,為顆粒黏連結塊的發生提供了條件。其次,在晶型轉化過程中,常伴隨著晶型轉變熱、游離水的產生和化學鍵的變化,在顆粒接觸面產生新的晶橋,促進了結塊的發生。

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,則晶型結構可以由高溫時所呈現的晶型直接跳躍轉化至低溫時的晶型[4],而晶型變化的次數越多,體積、能量、結構、密度等性質的變化就越頻繁,結塊越嚴重。所以產品的降溫速率應盡可能迅速,使晶型轉化的次數盡可能少。在生產實踐中也發現,產品包裝溫度越高、產品散熱情況越差,結塊現象越明顯。另外,硝酸銨的晶型轉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合肥的結塊,還能夠通過抑制硝酸銨晶型轉化來避免硝基復合肥的結塊。

在硝基復合肥儲存過程中,由于顆粒內部熱量未完全散出,顆粒內的晶型轉化和離子間的反應會伴隨有反應熱,常導致硝基復合肥產品出現“回溫”的現象。顆粒表面溫度的升高導致硝酸銨的吸濕點降低,再次從空氣中吸收水;溫度的保持使晶型轉化過程變得緩慢,結塊現象會進一步加重。

較高的溫度還會導致顆粒變軟,易受壓變形,增大顆粒之間的緊密度,也是導致結塊加重的原因之一。

2.3 原料的溶解度和金屬離子

通過分析水對硝基復合肥結塊的影響后可發現,若硝基復合肥中含有的高溶解度物質越多,水分向表面轉移時帶出的溶解性物質就越多,飽和溶解度越大,將加劇晶橋效應,使顆粒更加容易產生黏連結塊現象。生產全水溶硝基復合肥時,鉀肥、磷肥等原料的溶解性比普通硝基復合肥的更好,因此全水溶硝基復合肥的結塊現象往往比普通硝基復合肥的更加嚴重。

2.4 原料的酸堿度

2.5 顆粒粒度和強度

顆粒粒度均勻、規則的硝基復合肥有利于減小顆粒間的接觸面積。同樣,強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,進而抑制結塊的發生。另外,在生產中發現,硝基復合肥產品的水含量與顆粒強度有密切的關系,當水含量較高時,顆粒更容易粉化和破碎。

3 緩解硝基復合肥結塊的措施

3.1 嚴格執行工藝指標

嚴格執行工藝指標是保證安全生產和產品質量的前提。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,確保硝酸銨質量分數達到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,嚴格控制混合料漿的pH≥5。加強設備維護,確保篩分機運行正常,將粒度不合格的顆粒篩出至返料系統,提高產品粒度的均勻性。在成品冷卻階段,確保水溫、風量等工藝指標符合要求,最大限度地降低成品顆粒溫度,當成品顆粒溫度降至35 ℃以下時,產品結塊現象明顯好轉。通過調整工藝指標,嚴格控制產品水含量和顆粒強度,普通產品含水質量分數不宜超過1.0%,顆粒強度不宜低于50 N/顆。

3.2 嚴格把控原料品質

對采購的磷酸一銨、硫酸鉀等原料,嚴格把控水含量、pH、雜質含量等指標,杜絕不合格原料進入系統。根據生產實踐經驗,磷肥和鉀肥含水質量分數不宜超過2%,pH不宜低于4。

3.3 使用防結塊劑

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

3.4 合理調整生產周期并科學儲存

在高溫、高濕的季節,盡量不安排生產難以降溫的高鉀類復合肥和全水溶肥料等易結塊的產品。應盡量縮短硝基復合肥的儲存時間,根據市場需求及時調整硝基復合肥的產品型號,避免因產品不符合農時需要出現積壓。根據實踐經驗,產品的儲存時間盡量不要超過3個月。產品碼垛高度不宜過高,否則會造成下層產品壓力過大,碼垛層數一般不宜超過10層。儲存場所應保持干燥、通風,垛間應留有足夠的通道(通常1 m)以便于產品及時散熱,防止“回溫”影響。必要時要組織人員及時實施翻包、壓包等干預措施。

4 結語

硝基復合肥結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合肥的結塊。受硝基復合肥生產工藝條件的影響,徹底消除這些影響因素無法實現,只能盡量降低這些因素的影響,同時合理使用防結塊劑,以取得較好的硝基復合肥防結塊效果。