鉀肥及功能肥應用干法輥壓造粒工藝的優化總結 

摘要：

      干法輥壓造粒工藝在肥料領域應用于氯化鉀的造粒，由于氯化鉀物理化學性質的特殊性，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。近年來，輥壓造粒用于生產功能肥料得到了較快的發展。

      輥壓造粒的工作原理是：干物料在高壓作用下團聚成致密堅硬的板塊，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，以產生如范德華力、吸附力、晶橋及內嵌連接等吸引力。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度。

該工藝創建時間短、操作簡便、產品品種更換方便、投資低、見效快。尤其作為基礎肥料的二次加工，配合測土施肥，降低了農業田間成本，增加了農業效益而受到普遍歡迎。

關鍵詞：輥壓  造粒、鉀肥、功能肥

      經過多年的生產使用，在硫酸鉀、氯化鉀、硫酸銨、氯化銨等肥料的造粒生產中，干法輥壓造粒工藝已經經過實際生產的檢驗，完全適合肥料的大規模生產，^大機型DH1700，軋輥直徑1.7米，軋片產量50噸/時。現總結干法輥壓造粒工藝的主要特點如下：

1、 壓坯無需粘合劑：

      國內常用的復混肥生產方法是蒸汽/料漿造粒。水蒸汽在物料分子間凝結、結晶后，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部和表面的水趕出來，否則化肥在貯存過程中易結塊。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：

      輥壓造粒生產鉀肥及功能肥的原料路線較廣泛，目前已經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間內靈活實現產品配方的更換，一套裝置可生產30多種配方的產品。

      在混合肥料中，某一組分的性質，可能會對混合物的擠壓有正面的或負面的影響，例如：尿素的熔點較低，過磷酸鈣在受壓時，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，當化肥配方中這兩種組分含量很大時，就會使板塊變軟。這時需要在擠壓、造粒的連續操作過程中，板塊在運輸帶上或老化倉中有30分鐘的硬化時間，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，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（如水鎂釩、硫酸銨或硫酸鉀），生產板塊時所需的擠壓力就很大，耗電量也大。

      另一個重要的特性參數是組分的耐磨指數，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，輥軸的軸套應采用高度耐磨的特殊鋼材生產。

      化肥原料的實際密度決定了板塊的表觀密度和輥壓機的生產能力。在混合肥料的生產中，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，輥壓機的能力也在改變。

3、產品強度可控制：

     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%,顆粒狀物料和細粉狀物料都可用，粒度不合格粉狀原料有時更好用。

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普遍規律，對于結構比較粗糙的顆粒，只有用大量的粉體才能填滿較大的孔隙。這時，分子之間的結合力較易形成。在一般情況下，只有范德華力還不能產生足夠的強度。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、混合組分間的化學反應、顆粒間的橋接。

     當原料尺寸<0.5mm時，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，固體重新結晶，就能利用形成的晶橋，得到高強度、低孔隙率的壓坯產品。但是，加水量一般不能超過2%，如上表所示，對硫酸鉀，進料中的濕含量一般大于1%，但氯化鉀在擠壓造粒時，需要在干態下進行。有些化肥（如尿素）吸水性特別強，很容易從空氣中吸水，當混合肥中含有尿素時，空氣的臨界濕度比混合肥中各組分的都低，這樣就會產生很大的粘性，不易成粒。所以，必須要較干燥的環境下處理含尿素的原料，如在濕度較大的地區，加一臺干燥機。

    當原料尺寸<1mm時，利用原料的塑性也是一種可行的方法。當提高進料的溫度，就能增大原料的塑性，會產生緊密的壓坯。化肥原料的進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度和密度，而相同的能量輸入，熱料比冷料能獲得強度的密度都更大的產品。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，因為在再結晶過程中產生更多的晶粒。

     對有些混合肥料來說，各組分間化學反應也起著粘合的作用。當單組分的化肥原料不能形成足夠的輥壓強度時，它們在多組分的時候卻能成形，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行造粒，與其它方法相比，不需要燃油、燃煤等干燥措施。生產僅需耗電，噸產品耗電約40kwh。

     由于省去了干燥過程，工藝流程簡單，投資較低。據IFDC（國際肥料發展中心）在1987年進行過詳細的研究，證明在發展^家，對一套新建復肥裝置來說，輥壓造粒在經濟上要優于蒸汽造粒或料漿造粒。對于一個年產10萬噸的NPK復肥裝置，蒸汽造粒的投資高出擠壓造粒20%，而化學造粒或料漿造粒的投資則高出88.8%，而在生產成本上（對15-15-15）配方，蒸汽造粒高出3%，而化學或料漿造粒則高12%。

     對于輥壓造粒裝置，經濟規模的效應不明顯，裝置能力從1噸/時.臺--20噸/時.臺都可以進行較經濟的設計，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多到幾十種產品，小批量的生產也可行。根據切換時需清除原料總量的要求和原有物料對新配方的影響程度，^大可達每班（8小時）生產3批產品。因此，輥壓造粒生產的復合肥可適應小批量、多品種復合肥料的需要。

     ^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，還能減少擠壓機的磨損，延長其壽命，而且產品的強度也很高。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優點，即在配方中增加了硫。

     化肥擠壓裝置的主要優點是它對氮、磷、鉀的多種配方都適用，配方的選擇主要視市場情況而定（即價格和供應）。但輥壓也有一定的局限性，主要是因為某些原料（如尿素）在較惡劣的氣候條件下（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里應進一步減少，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:

     輥壓造粒生產復合肥料的^缺點是產品的形狀是不規則的顆粒，但不規則的顆粒形狀對化肥的施用并沒有影響。用輥壓造粒生產的化肥有足夠的強度、粉塵少、不結塊、顆粒尺寸分布范圍窄、流動性好。輥壓造粒生產的肥料，尤其是顆粒鉀肥，在國外的機械施肥中得到了廣泛的應用，證明其顆粒形狀不會成為化肥施用的影響因素。

結論：

     通過以上對于干法輥壓造粒工藝的討論，結合實際生產經驗，對干法造粒工藝進行優化，將輥壓造粒機組分為六大模塊，敘述如下：

1．原料前處理模塊：貯存、計量、混合

     化肥原料如尿素、磷銨、氯化鉀等由斗式提升機及皮帶輸送到貯料倉中。貯料倉的數量，計量與混合技術的復雜程度，與產品配方中組分的數目有關。為了保障裝置的靈活性，我們建議進料倉大于4個，^好為6個：2個為氮肥的、2個為磷肥的、1個為鉀肥的、1個為填料的。

     生產復肥時，一般用間歇式或連續式混合操作，配方中的各組分原料在稱重倉內稱重，達到配方要求后，全部加入間歇式或連續式混合器中混合，在系統中安裝有平衡倉，平衡倉后的其它設備則連續操作。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，選用高強度的混合器。混合后的物料和返料經斗提機提升后，在雙軸槳式混合器中與返料混合，返料是經破碎和篩分后的不合格顆粒，循環物料與新料比約35:65。

2．輥壓機模塊：

     混合物料通過一個垂直螺旋加料機加入兩個反方向旋轉的輥軸間的縫隙中，在輥壓過程中，物料的受壓逐漸增大，當兩軸之間的縫隙^小位置時，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。輥壓后的產物是一塊厚5-20mm的板塊。輥壓機的結構和尺寸是由許多參數來確定的，這些參數一般根據物料性質和實驗來確定。

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，進入咬入區的物料需要有良好的流動性，這就要求物料的含水量要低，因為物料含水量高到一定程度，流動性就變差。

物料的擠壓過程包括：a、物料的重排；b、碎裂；c、塑性變形三個階段。這幾個階段不一定是順序進行的，可能是穿插發生。擠壓的結果，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，進料粒度應是大小不一的，其合適的范圍在0.1--1.0之間。過細的物料（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：

板塊要進一步破碎，并通過分級才能得到需要的顆粒尺寸。在輥壓機下有一臺板塊破碎機，板塊被預破碎50mm左右的小塊。小塊比較容易運輸，且易被后續的成品造粒機進一步破碎。破碎后的原料在分級篩上被分成大顆粒、產品顆粒和細小顆粒。在^低篩上的細小顆粒，經循環回收到混合機中，再擠壓成形。而在多級篩上層被滯留的超大顆粒需進一步破碎。破碎后再返回到篩分。

正確選擇破碎和篩分設備對于輥壓造粒工藝的經濟性至關重要。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量決定了一套裝置的產量和能力。

4．成品后處理模塊：拋光修整

在通常情況下，^終產品需經過拋光修整。不規則形狀的顆粒經磨圓滾筒將邊角等處磨圓。在拋光過程中產生的細粉通過篩分（一層篩網）后循環。修整時，一般還要加入防結塊劑。

5.除塵環保模塊：整套裝置需要配置袋除塵器進行吸塵處理。

6.自動化控制模塊：

輥壓機對油缸的液壓壓力以及輥縫的控制要求較嚴格，液壓與輥縫的控制是由液壓調節系統完成的。輥子間隙、輥間壓力、溫度、油壓、喂料機轉速等信號由傳感器監測，送入PLC中，然后通過程序對上述參數自動控制，使輥壓機在正常的壓力和輥縫偏差中工作。實現全自動控制，避免人為干擾。