鉀肥及功能肥應(yīng)用干法輥壓造粒工藝的優(yōu)化總結(jié) 

摘要：

      干法輥壓造粒工藝在肥料領(lǐng)域應(yīng)用于氯化鉀的造粒，由于氯化鉀物理化學(xué)性質(zhì)的特殊性，用于摻混肥料（BB肥）所需的顆粒狀（1-4mm）氯化鉀基本都采用輥壓法生產(chǎn)。近年來，輥壓造粒用于生產(chǎn)功能肥料得到了較快的發(fā)展。

      輥壓造粒的工作原理是：干物料在高壓作用下團(tuán)聚成致密堅(jiān)硬的板塊，稱為輥壓過程；板塊再被破碎,整粒,篩分后成為顆粒稱為造粒過程。輥壓的作用是將顆粒間的空氣擠掉，另外使顆粒間距足夠近，以產(chǎn)生如范德華力、吸附力、晶橋及內(nèi)嵌連接等吸引力。輥壓造粒的顆粒主要是靠分子之間的作用力形成的顆粒強(qiáng)度。

該工藝創(chuàng)建時(shí)間短、操作簡便、產(chǎn)品品種更換方便、投資低、見效快。尤其作為基礎(chǔ)肥料的二次加工，配合測土施肥，降低了農(nóng)業(yè)田間成本，增加了農(nóng)業(yè)效益而受到普遍歡迎。

關(guān)鍵詞：輥壓  造粒、鉀肥、功能肥

      經(jīng)過多年的生產(chǎn)使用，在硫酸鉀、氯化鉀、硫酸銨、氯化銨等肥料的造粒生產(chǎn)中，干法輥壓造粒工藝已經(jīng)經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)的檢驗(yàn)，完全適合肥料的大規(guī)模生產(chǎn)，^大機(jī)型DH1700，軋輥直徑1.7米，軋片產(chǎn)量50噸/時(shí)。現(xiàn)總結(jié)干法輥壓造粒工藝的主要特點(diǎn)如下：

1、 壓坯無需粘合劑：

      國內(nèi)常用的復(fù)混肥生產(chǎn)方法是蒸汽/料漿造粒。水蒸汽在物料分子間凝結(jié)、結(jié)晶后，在造粒過程中起粘合劑的作用。但在干燥過程中又必須將顆粒內(nèi)部和表面的水趕出來，否則化肥在貯存過程中易結(jié)塊。而干法造粒不需另外的添加劑，只需利用物料本身的分子間結(jié)合力，簡化了流程、降低了能耗。

2、原料來源多樣化：

      輥壓造粒生產(chǎn)鉀肥及功能肥的原料路線較廣泛，目前已經(jīng)成功地用于擠壓造粒的物料有二十多種：氮肥中的硝銨、尿素、氯化銨、硫酸銨等，磷肥有磷銨、普鈣、重鈣、磷礦粉等，鉀肥有氯化鉀、硫酸鉀等，并可添加微量元素如硼、鐵、銅、鋅、錳等。此外，采用輥壓造粒工藝可在極短的時(shí)間內(nèi)靈活實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配方的更換，一套裝置可生產(chǎn)30多種配方的產(chǎn)品。

      在混合肥料中，某一組分的性質(zhì)，可能會對混合物的擠壓有正面的或負(fù)面的影響，例如：尿素的熔點(diǎn)較低，過磷酸鈣在受壓時(shí)，容易變軟。這兩種組分在含量較低的情況下，都能起粘合劑的作用。但是，當(dāng)化肥配方中這兩種組分含量很大時(shí)，就會使板塊變軟。這時(shí)需要在擠壓、造粒的連續(xù)操作過程中，板塊在運(yùn)輸帶上或老化倉中有30分鐘的硬化時(shí)間，使板塊變硬變脆。

      化肥組成成分的硬度決定了擠壓中所需能耗，混合肥料的平均硬度是由配方來決定的。例如：百分含量很小的硬度較大的組分在加入百分含量很大的硬度小的組分時(shí)，硬度大的組分對能耗的影響很小。相反，混合物中硬度大的組分百分含量很大時(shí)（如水鎂釩、硫酸銨或硫酸鉀），生產(chǎn)板塊時(shí)所需的擠壓力就很大，耗電量也大。

      另一個(gè)重要的特性參數(shù)是組分的耐磨指數(shù)，耐磨和擠壓力是使輥軸表面磨損的主要因素，為了保證受磨損表面的壽命，像對非常抗磨的化肥原料，輥軸的軸套應(yīng)采用高度耐磨的特殊鋼材生產(chǎn)。

      化肥原料的實(shí)際密度決定了板塊的表觀密度和輥壓機(jī)的生產(chǎn)能力。在混合肥料的生產(chǎn)中，板塊的表觀密度由各組分的密度和在混合物中的含量來決定，所以，隨著化肥配方改變，輥壓機(jī)的能力也在改變。

3、產(chǎn)品強(qiáng)度可控制：

     輥壓造粒工藝對原料的粒度無特殊的要求，水分要求小于3%,顆粒狀物料和細(xì)粉狀物料都可用，粒度不合格粉狀原料有時(shí)更好用。

在顆粒的形成過程中，粉體的形狀（球形、立方體、片形、針形）和粉體的尺寸分布范圍都是影響壓坯成形的重要因素。

     在化肥的輥壓過程中有一個(gè)普遍規(guī)律，對于結(jié)構(gòu)比較粗糙的顆粒，只有用大量的粉體才能填滿較大的孔隙。這時(shí)，分子之間的結(jié)合力較易形成。在一般情況下，只有范德華力還不能產(chǎn)生足夠的強(qiáng)度。在化肥原料中有一些天然的起粘合作用的類似粘合劑的東西，它們分別為：顆粒間形成的晶橋、混合組分間的化學(xué)反應(yīng)、顆粒間的橋接。

     當(dāng)原料尺寸<0.5mm時(shí)，晶橋起著重要的作用。它們一般是通過這樣成粒的：在原料中加入少量水，溶解少量的原料，在原料干燥的過程中，固體重新結(jié)晶，就能利用形成的晶橋，得到高強(qiáng)度、低孔隙率的壓坯產(chǎn)品。但是，加水量一般不能超過2%，如上表所示，對硫酸鉀，進(jìn)料中的濕含量一般大于1%，但氯化鉀在擠壓造粒時(shí)，需要在干態(tài)下進(jìn)行。有些化肥（如尿素）吸水性特別強(qiáng)，很容易從空氣中吸水，當(dāng)混合肥中含有尿素時(shí)，空氣的臨界濕度比混合肥中各組分的都低，這樣就會產(chǎn)生很大的粘性，不易成粒。所以，必須要較干燥的環(huán)境下處理含尿素的原料，如在濕度較大的地區(qū)，加一臺干燥機(jī)。

    當(dāng)原料尺寸<1mm時(shí)，利用原料的塑性也是一種可行的方法。當(dāng)提高進(jìn)料的溫度，就能增大原料的塑性，會產(chǎn)生緊密的壓坯。化肥原料的進(jìn)料溫度決定了化肥的塑性，熱料比冷料用更小的比壓力，就能獲得相同的顆粒強(qiáng)度和密度，而相同的能量輸入，熱料比冷料能獲得強(qiáng)度的密度都更大的產(chǎn)品。如：鉀肥在室溫下需用70KN/cm的比壓力，而在120-140℃下，只需用50KN/cm的比壓力。硫酸鉀只能在70-100℃下，才能壓緊，其比壓力為70KN/cm。增大溫度對晶橋也很有利，因?yàn)樵谠俳Y(jié)晶過程中產(chǎn)生更多的晶粒。

     對有些混合肥料來說，各組分間化學(xué)反應(yīng)也起著粘合的作用。當(dāng)單組分的化肥原料不能形成足夠的輥壓強(qiáng)度時(shí)，它們在多組分的時(shí)候卻能成形，如磷礦石和尿素的混合物。

4、能耗與投資：

     輥壓造粒是物料在常溫下進(jìn)行造粒，與其它方法相比，不需要燃油、燃煤等干燥措施。生產(chǎn)僅需耗電，噸產(chǎn)品耗電約40kwh。

     由于省去了干燥過程，工藝流程簡單，投資較低。據(jù)IFDC（國際肥料發(fā)展中心）在1987年進(jìn)行過詳細(xì)的研究，證明在發(fā)展^家，對一套新建復(fù)肥裝置來說，輥壓造粒在經(jīng)濟(jì)上要優(yōu)于蒸汽造粒或料漿造粒。對于一個(gè)年產(chǎn)10萬噸的NPK復(fù)肥裝置，蒸汽造粒的投資高出擠壓造粒20%，而化學(xué)造粒或料漿造粒的投資則高出88.8%，而在生產(chǎn)成本上（對15-15-15）配方，蒸汽造粒高出3%，而化學(xué)或料漿造粒則高12%。

     對于輥壓造粒裝置，經(jīng)濟(jì)規(guī)模的效應(yīng)不明顯，裝置能力從1噸/時(shí).臺--20噸/時(shí).臺都可以進(jìn)行較經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)，因此適用的能力范圍廣。

5、 配方靈活

     擠壓造粒一套裝置可以生產(chǎn)多到幾十種產(chǎn)品，小批量的生產(chǎn)也可行。根據(jù)切換時(shí)需清除原料總量的要求和原有物料對新配方的影響程度，^大可達(dá)每班（8小時(shí)）生產(chǎn)3批產(chǎn)品。因此，輥壓造粒生產(chǎn)的復(fù)合肥可適應(yīng)小批量、多品種復(fù)合肥料的需要。

     ^顯而易見的例子是尿素，在尿素含量相對較低的情況下，即：10-15%，尿素的塑性使它在物料中起著粘合劑一樣的作用，這樣在擠壓過程中只需不太高的壓力和較低的能耗，另外，還能減少擠壓機(jī)的磨損，延長其壽命，而且產(chǎn)品的強(qiáng)度也很高。但是，隨著尿素百分含量的不斷上升，擠壓后的薄板狀物料就會變得又軟又粘。所以配方中尿素的^高百分含量一般在30-40%之間，視配方中其它組分的性質(zhì)而定。為了克服上述問題，我們建議尿素含量大于25%的部分^好用其它氮肥來代替（如硫酸銨），而且加入硫酸銨有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即在配方中增加了硫。

     化肥擠壓裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是它對氮、磷、鉀的多種配方都適用，配方的選擇主要視市場情況而定（即價(jià)格和供應(yīng)）。但輥壓也有一定的局限性，主要是因?yàn)槟承┰希ㄈ缒蛩兀┰谳^惡劣的氣候條件下（濕度太大）不能與其它原料共存。因此，尿素的百分含量建議控制在30%以下，并且在濕度較高的季節(jié)里應(yīng)進(jìn)一步減少，否則，就會使原料由于吸水而變得粘稠，堵塞料槽。

6、不足之處:

     輥壓造粒生產(chǎn)復(fù)合肥料的^缺點(diǎn)是產(chǎn)品的形狀是不規(guī)則的顆粒，但不規(guī)則的顆粒形狀對化肥的施用并沒有影響。用輥壓造粒生產(chǎn)的化肥有足夠的強(qiáng)度、粉塵少、不結(jié)塊、顆粒尺寸分布范圍窄、流動性好。輥壓造粒生產(chǎn)的肥料，尤其是顆粒鉀肥，在國外的機(jī)械施肥中得到了廣泛的應(yīng)用，證明其顆粒形狀不會成為化肥施用的影響因素。

結(jié)論：

     通過以上對于干法輥壓造粒工藝的討論，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對干法造粒工藝進(jìn)行優(yōu)化，將輥壓造粒機(jī)組分為六大模塊，敘述如下：

1．原料前處理模塊：貯存、計(jì)量、混合

     化肥原料如尿素、磷銨、氯化鉀等由斗式提升機(jī)及皮帶輸送到貯料倉中。貯料倉的數(shù)量，計(jì)量與混合技術(shù)的復(fù)雜程度，與產(chǎn)品配方中組分的數(shù)目有關(guān)。為了保障裝置的靈活性，我們建議進(jìn)料倉大于4個(gè)，^好為6個(gè)：2個(gè)為氮肥的、2個(gè)為磷肥的、1個(gè)為鉀肥的、1個(gè)為填料的。

     生產(chǎn)復(fù)肥時(shí)，一般用間歇式或連續(xù)式混合操作，配方中的各組分原料在稱重倉內(nèi)稱重，達(dá)到配方要求后，全部加入間歇式或連續(xù)式混合器中混合，在系統(tǒng)中安裝有平衡倉，平衡倉后的其它設(shè)備則連續(xù)操作。在混合器中還可加入微量元素。為了保障微量元素的顆粒分布均勻，選用高強(qiáng)度的混合器。混合后的物料和返料經(jīng)斗提機(jī)提升后，在雙軸槳式混合器中與返料混合，返料是經(jīng)破碎和篩分后的不合格顆粒，循環(huán)物料與新料比約35:65。

2．輥壓機(jī)模塊：

     混合物料通過一個(gè)垂直螺旋加料機(jī)加入兩個(gè)反方向旋轉(zhuǎn)的輥軸間的縫隙中，在輥壓過程中，物料的受壓逐漸增大，當(dāng)兩軸之間的縫隙^小位置時(shí)，物料受壓^大，然后又逐漸減少，直到0。在擠壓過程中，由于物料體積的減少，混合物的表觀密度能增大1.5-3倍。輥壓后的產(chǎn)物是一塊厚5-20mm的板塊。輥壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和尺寸是由許多參數(shù)來確定的，這些參數(shù)一般根據(jù)物料性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)來確定。

適用的原料的粒度、形狀、水份含量、塑性、硬度、溫度等有一定的要求，進(jìn)入咬入?yún)^(qū)的物料需要有良好的流動性，這就要求物料的含水量要低，因?yàn)槲锪虾扛叩揭欢ǔ潭龋鲃有跃妥儾睢?

物料的擠壓過程包括：a、物料的重排；b、碎裂；c、塑性變形三個(gè)階段。這幾個(gè)階段不一定是順序進(jìn)行的，可能是穿插發(fā)生。擠壓的結(jié)果，一般物料的壓縮比接近2.5:1，或者說加料中氣體的去除率在60%以上。為了得到較好的擠壓效果，進(jìn)料粒度應(yīng)是大小不一的，其合適的范圍在0.1--1.0之間。過細(xì)的物料（小于1.0mm）含氣太多，過大物料需消耗更多的能量。

物料的硬度或塑性影響擠壓過程所需采取的壓力。有些物料如:氯化鉀、磷酸二銨、尿素，塑性較好，擠壓成粒的效果較好；而硫酸鉀、硫酸銨、硫酸鎂、磷礦粉的塑性較差，擠壓效果較差，不易擠壓成型，對于不易擠壓成型的配料，為了達(dá)到較好的效果，可配入適量的粘合劑，尿素、氯化鉀、少量的水份能起到粘合劑的作用。

3．造粒與篩分模塊：

板塊要進(jìn)一步破碎，并通過分級才能得到需要的顆粒尺寸。在輥壓機(jī)下有一臺板塊破碎機(jī)，板塊被預(yù)破碎50mm左右的小塊。小塊比較容易運(yùn)輸，且易被后續(xù)的成品造粒機(jī)進(jìn)一步破碎。破碎后的原料在分級篩上被分成大顆粒、產(chǎn)品顆粒和細(xì)小顆粒。在^低篩上的細(xì)小顆粒，經(jīng)循環(huán)回收到混合機(jī)中，再擠壓成形。而在多級篩上層被滯留的超大顆粒需進(jìn)一步破碎。破碎后再返回到篩分。

正確選擇破碎和篩分設(shè)備對于輥壓造粒工藝的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。顆粒的形狀（一般為立方體）、顆粒的尺寸范圍（1-5毫米或2-4毫米）以及破碎和篩分后的循環(huán)量決定了一套裝置的產(chǎn)量和能力。

4．成品后處理模塊：拋光修整

在通常情況下，^終產(chǎn)品需經(jīng)過拋光修整。不規(guī)則形狀的顆粒經(jīng)磨圓滾筒將邊角等處磨圓。在拋光過程中產(chǎn)生的細(xì)粉通過篩分（一層篩網(wǎng)）后循環(huán)。修整時(shí)，一般還要加入防結(jié)塊劑。

5.除塵環(huán)保模塊：整套裝置需要配置袋除塵器進(jìn)行吸塵處理。

6.自動化控制模塊：

輥壓機(jī)對油缸的液壓壓力以及輥縫的控制要求較嚴(yán)格，液壓與輥縫的控制是由液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)完成的。輥?zhàn)娱g隙、輥間壓力、溫度、油壓、喂料機(jī)轉(zhuǎn)速等信號由傳感器監(jiān)測，送入PLC中，然后通過程序?qū)ι鲜鰠?shù)自動控制，使輥壓機(jī)在正常的壓力和輥縫偏差中工作。實(shí)現(xiàn)全自動控制，避免人為干擾。