高塔硝基复合肥生产中影响因素的分析

周毅博，李飞阔，甘万强

(武汉江汉化工设计有限公司，湖北 武汉 430223)

高塔硝基复合肥的生产通常以硝酸铵作为基质熔融载体，与钾盐、磷铵等粉体物料熔融混合成具有一定流动性的NPK共聚熔融物，再通过塔顶造粒喷头喷入造粒塔中分散为一定粒度的液滴，液滴在空气中与上升气流进行热交换冷却，表面收缩成为圆滑的小球粒[1]。

在硝基复合肥的生产过程中，配方选择、配比、温度、造粒喷头等因素都会影响硝基复合肥的产品质量，本文结合生产实际，分析了对以硝酸铵为原料制备高塔硝基复合肥流程中各个因素对生产的影响。

1 配方及配比对高塔硝基复合肥生产的影响

1.1 复合肥配方选择的影响

复合肥是由不同类型的单一肥料复配而成。我国常用的单一组分肥料有尿素、过磷酸钙、钙镁磷肥、氯化钾、硫酸钾、硫酸铵、碳酸氢铵、磷酸一铵、硫酸二铵等。在选择硝基复合肥配方的过程中，需要考虑各种原料之间水分、粒度和物化性能的相配性，有些组分之间会发生化学反应，这些反应可能会出现在造粒前物料混合阶段，也有可能出现在造粒过程中或造粒之后。比如，当以硝酸铵与消石灰配混时，会发生如下反应：

Ca(NO3)2+2NH3↑+2H2O

这就导致了复合肥中氮元素的损失，影响肥料的肥效，并且会导致造粒塔操作场所氨超标，造成安全隐患。因此，在配方选择时，需要保证原料混配时发生的化学反应能改善混合料的质量，或者能够保持其物理性质。以硝酸铵为原料生产硝基复合肥常用配混见表1[2]。

表1 硝基复合肥原料配混

工程上常用硫酸铵、氯化钾/硫酸钾与硝酸铵配混生产硝基复合肥。

1.2 复合肥配比的影响

硝基复合肥的生产伴随着一些化学反应，这些反应发生在颗粒表面组分之间以及不同颗粒表面之间，因而引起颗粒表面之间的再结晶，随着时间的推移，这些晶体之间彼此结合形成晶桥，将肥料颗粒黏合在一起，逐渐形成大的团块，比如，当硝酸铵与硫酸铵配混造粒时，会形成复盐2NH4NO3·(NH4)2SO4，该物质会在干燥的过程中发生热分解形成硝酸铵与硫酸铵，而在后续冷却过程中又会结合成复盐，从而容易引起复合肥产品的粉化和结块。因此，为了避免结块与粉化现象的发生，在设计硝基复合肥配方时通常选择控制NO3-与SO42-的摩尔比例在2.5以上[3]。

当采用氯化钾为原料生产硝基复合肥时，需要注意氯化钾与硝酸铵为有限配混的限制，这是由于两者会形成AN(硝酸铵)/KCl体系，在KCl催化作用下，混合体系会发生“缓慢燃烧”现象，也称作“雪茄燃烧”，其反应方程式为：

硝酸铵-磷酸铵(N/P=1.6)一氯化钾配比范围见图1。缓慢燃烧或将导致生产发生火灾和爆炸，为此，加入氯化钾时，应严格控制配比，使其避免在图1中缓慢燃烧区域内；同时，产品的贮存温度应低于45℃，使其反应热不足以引起缓慢燃烧[4]。

图1 硝酸铵-磷酸铵(N/P=1.6)-氯化钾配比范围

通过图1可知，当配方中m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶1∶1.5、1.5∶1∶2、2∶1∶3、1∶0∶1、3∶0∶2及其邻近配比3∶1∶2、1.5∶1∶1、1∶1∶1时比较危险，在设计配方时应选择避开，在工程上通常选用m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=2∶2∶1、2∶1∶1、1∶2∶1、1∶2∶2的安全配方进行硝基复合肥的生产。

当硝酸铵与磷酸一铵配混时，磷酸一铵对硝酸铵具有钝化作用，当MAP含量达到25%时，硝酸铵将不再具备传播爆轰的能力，当有效磷(P2O5)质量分数≥4.0%，pH值(质量分数为10%的水溶液)≥4.0，改性后的硝酸铵具有不可复原的防爆性能。在生产中可于混合槽、一混槽加入MAP使硝酸铵钝化，再于二混槽中加入钾盐，从而提升生产的安全性。

2 温度对高塔硝基复合肥生产的影响

2.1 反应温度的影响

硝酸铵熔点为169.6℃，极易发生热分解，在不同的温度下受热分解的产物也是不同的，当温度在185～200℃时，主要发生的分解放热反应为：NH4NO3→N2O↑+2H2O+36.8kJ·mol-1；当温度高于230℃时，发生的分解放热反应为2NH4NO3→2N2↑+O2↑+4H2O+119.3kJ·mol-1，此状态下硝酸铵分解加速，易发生爆炸；当温度高于400℃时，硝酸铵将会发生强烈爆炸，其反应式为4NH4NO3→3N2↑+2NO2↑+8H2O+123.5kJ·mol-1。因此，控制复合肥的反应温度对生产安全至关重要，物料温度太低，无法达到使混合物保持熔融态的起点温度，操作过程无法连续进行；若反应温度过高，不但能耗增加，并且会增加操作危险性，在生产中，通常对各个反应槽温度进行控制(见表2[5])。

表2 硝基复合肥各个反应槽的温度控制

在操作时需要严格控制温度，既要防止温度过低导致物料凝固，也要防止温度过高导致硝酸铵分解，而形成安全隐患。

2.2 造粒温度的影响

对于高塔硝基复合肥的生产，选择不同的配方，造粒温度也有所差异，通常来说，料浆的流动性是温度的函数。提高温度可以使料浆的流动性变好，易于造粒，但产品中细粉会增多，同时颗粒在塔内自由落下时，过高的温度会使颗粒冷却效果变差，从而带来黏塔现象，导致大块肥、细粉及扁平粒增多，不但造成返料增加，还影响产品的外观质量；如果造粒温度控制过低，料浆流动性变差，不利于造粒。

料浆在造粒前存在固、液、气三态共存的区域，可以通过实验绘制出对应三态平衡共存状态的汽化曲线、熔解曲线和升华曲线，这三条曲线的交点就是造粒料浆三相点。选择造粒温度在三相点上2～3℃，可以使肥料颗粒易于冷却固化，提高颗粒的强度。

2.3 成品储存温度的影响

硝基复合肥在存储期间如果发生结块，将会影响其施用。通常来说，如果储存温度过高，在缓慢的冷却过程中，原来溶解在残余水分中的肥料盐会结晶析出，形成盐桥，从而导致结块；同时，过高的储存温度会降低肥料的临界相对湿度，从而导致肥料吸湿性增强，影响产品质量。如果储存温度高于45℃，还会使AN(硝酸铵)/KCl体系发生“缓慢燃烧”现象，造成安全隐患。

3 造粒过程对硝基复合肥生产的影响

3.1 造粒喷头孔径的影响

造粒喷头孔径对硝基复合肥产品粒度的影响很大，不同的配方应采用不同的专用喷头。如果喷头孔径选用过大，则造粒时易产生粒径>4.75mm的次品肥，产品扁平粒多，同时也会出现料浆缺料；如果喷头孔径过小，则造粒时易产生粒径<1.0mm的次品肥。

为了生产出表面光滑、圆润的复肥，通常在生产黏度高的配方时用孔径3.2mm外喷头，生产黏度低的配方时用孔径2.8mm外喷头，生产中等黏度的配方使用孔径3.0mm外喷头[6]。

3.2 造粒喷头内外圈转速的影响

高塔造粒通常采用差动造粒机，喷头分为内外两圈，内圈转速控制颗粒的大小，外圈转速控制塔内空间的利用率，如果内、外圈转速过大，则会导致未冷却的物料喷出黏到塔壁，造成黏塔现象，同时，转速过高也会导致成品颗粒较小，容易生产出粒径<1mm的次品肥；如果转速过小，则会导致颗粒粒度偏大，过大的颗粒在落到塔底时容易摔碎，影响产品质量。在生产过程中需要根据配方、季节综合考虑选择内外圈转速，使粒径合格的颗粒沿塔内纵向截面均匀自由落到塔底，保证产品质量，提高造粒塔内空间利用率。

4 其他因素的影响

4.1 原料及产品含水量的影响

如果复合肥原料中的水分过低，则在造粒过程中球核长大较慢，很难成球，并且颗粒强度低，易破碎；如果原料水分过高，则造粒初始成球较快，但易造成球核互相黏结变形，导致球核粒度不均匀，影响产品质量。

产品中水分的存在会导致毛细黏合，并产生晶桥；同时，水分会导致肥料颗粒软化，在压力作用下变形，使颗粒间接触面积增大，加大了颗粒间结合的强度，从而导致结块现象的发生。

在生产中，硝基复合肥通常保证原料水分含量≤1%，产品水分含量≤0.5%，这比GB/T15063—2020中规定高浓度产品含水量≤2.0%的要求高，这是因为以硝酸铵作为有效成分时，对水的吸附作用很大，易吸湿结块，降低产品中水分含量可以明显改善产品结块的现象。

4.2 原料中杂质的影响

氯离子与硝酸铵溶液的分解、爆炸关系密切，经验表明，硝铵溶液中Cl-含量在<3ppm(即：<3mg/kg)时溶液比较安全；硝铵溶液中Cl-含量在5～10ppm(即：5～10mg/kg)时危险；硝铵溶液中Cl-含量在>10ppm(即：>10mg/kg)时应停车，并排掉槽中溶液，因此，在生产中应要求操作人员1次/4h对硝铵缓冲槽中Cl-的含量进行分析，避免Cl-污染硝酸铵溶液，防止事故的发生。

同时，硝酸铵溶液与有机物、油、木屑、棉纱、石墨接触会降低硝酸铵溶液的热稳定性，使其临界爆炸温度降低，因此在操作时要防止搅拌器电机油污落入槽内，同时应避免使用石墨垫片。

对于其他固体原料，应避免纸屑(合格证)、 包装线绳、包装袋的塑料屑或其他杂质混入，在生产过程中这些杂质会堵塞管道及喷头，轻则磨损喷头使喷头孔径变形，造粒时产生大量异形颗粒，降低产品合格率，重则导致料浆局部过热，造成安全隐患。

4.3 贮存压力与时间的影响

在复合肥贮存期间，增加贮存压力，会增加颗粒形变的可能性和颗粒间接触面积，使晶体交联的可能性加大，从而导致产品容易结块。

当今的包装方式做不到完全密封，复合肥与外界空气接触产生吸湿、潮解，随着时间的延长，吸湿量不断增加，会导致颗粒产生粉化和结块。

因此，堆积压力与时间的选择对外售产品的质量有一定影响，考虑到硝基复合肥的特性，通常选取堆积高度为8～10袋，贮存时间不超过6d。

5 结语

在硝基复合肥生产、贮存过程中需要综合考虑各项影响因素，选取合适的原料、配方、配比、反应温度、喷头及贮存条件，才能保障安全地生产出合格的复合肥产品。