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有机复混肥造粒用有机粘结剂的研制及其造粒性能的研究


2005 年 7 月 磷肥与复肥 July 2005 第 20 卷第 4 期            Pho sphate & Co mpound F ertilizer              Vo l. 20 N o. 4

有机复混肥造粒用有机粘结剂的研制及其造粒性能的研究
李彦明 , 李国学
( 中国农业大学 资源与环境学

院 环境科学与工程系 , 北京  100094)      [ 关键词 ] 有机复混肥 ; 有机粘结剂 ; 造粒性能 [ 摘 要 ] 无机粘结剂在有 机复混肥上的应用 很广泛 , 由于 其存在一些缺点 , 在有机复 混肥中的 应用受到限 制。 利用天然的玉米 淀粉合成了一系列的 有机粘结剂 , 用以替代无机粘 结剂在有机复混肥上 应用。通过试验发现 : 淀粉 粘结剂 在有机 复混肥 造粒中不 但能完 全满足 国家的 肥料标 准 , 甚 至添加 量也仅 有物料量 的 1. 5% ~ 3. 3% ; 且 大于 1m m 的成粒率甚至高达 98. 0% , 而且有效成粒率 ( 2 ~ 6 mm ) 也达到 72. 0% , 且大型颗粒较少。所以以淀粉生产的有 机粘结剂完全可以替代无机粘结剂 用于有机复混肥的颗粒化生产。 [ 中图分类号 ] T Q 444    [ 文献标识码 ] A    [ 文章编号 ] 1007 6220( 2005) 04 0054 03

Preparation of organic binding agent in granulation of organic compound fertilizer and study on its granulating behavior
L I Yan m ing , L I Guo xue
( Dep ar tment of Environmental Science and Engineer ing , College of Resour ces and Env ironment , China A g riculture U nivers ity , Beij ing 100094, China )

Key words : or ganic compound f er tilizer ; org anic binding agent; gr anulating behavior Abstract: Alt houg h mineral binder bonds are used in organic com po und fert ilizer application ver y abroad , it is rest rict ed increasing ly . T he developm ent o f org anic co mpound f ert ilizer is done f or it s g reat many shor tcoming. Wheref ore, crude cornst arch is ut ilized t o synt hesize a series o f organic binding ag ent f or subst itut ing mineral binder bo nd at o rganic compound f ert ilizer applicat ion. T he test show s t hat st arch binding agent on org anic compound f er tilizer granulat ion is f ully f it t o nat ional st andard of f ert ilizer , even do sage is only 1. 5% ~ 3. 3% w it h t he granulat ion rat e( > 1 mm ) of 98. 0% or ef fect ive g ranulat ion rat e ( 2 ~ 6 mm ) of 72. 0% and even less larg e grain. So starch binding agent can be just ified eff ect ive in substit ute inst ead of m ineral binder bond fo r or ganic compound f ertilizer .   目前, 世界肥料产业正向着高效、 复合、 缓效、 液 体和可控释放的趋势发展。张夫道、 Lentz 等也指 出 , 有机肥与无机肥的配合施用是现代施肥技术的 发展方向 , 而且从我国的国情来看, 增加有机肥 的投入可以减少资源浪费和环境污染 , 也是我国农 业现代化的需要。 有机 无机肥配合施用对提高土壤 肥力和作物产量及改善品质有利 ; 有机 无机复混肥 中有机和无机相结合的方式 , 不仅可以无机促有机, 而且以有机保无机 , 减少了肥料中养分流失 , 提高无 机化肥养分利用率; 同时也可利用有机物质来改良 土壤, 提高土壤的保肥保水能力[ 3] 。 我国以颗粒化复 混肥料的发展尤为迅速 , 因为颗粒化复混肥具有能 同时提供多种营养成分、 养分均衡、 施用方便、 便于 [ 3~4] 运输等优点 。 造粒工序是颗粒有机复混肥生产的关键过程, 而粘结剂又是影响有机复混肥颗粒化生产的关键因 素 。在传统的粒状有机复混肥生产中常用的粘结
[ 5] [ 1, 2]

剂主要是无机粘土类矿物 ( 包括粘土、 白垩土、 高岭 土、 煤泥、 苦土、 海泡石粉等 ) 、 凹凸棒土、 膨润土、 磷 石膏和钙镁磷肥等。 采用此类粘结剂的缺点是 : 无用 成分加得越多 , 肥料的有效成分越低 , 因此 , 生产不 出高浓度的颗粒有机复混肥。 例如, 15 15 15 的三 元复混肥, 采用粘土类粘结剂造粒, 返料率较高, 一 般为 30% ~50% , 能耗增加, 成本提高 [ 6] 。在颗粒有 机复混肥生产中常用的无机粘结剂还有 无机酸类 ( 例如浓硫酸和浓磷酸) 以及无机盐类等。但这类物 质对造粒及烘干设备具有较强的腐蚀性 , 投加工艺 也比较复杂 , 所以无机酸类粘结剂的使用受到很大 限制 。 陈荣 平等 通过 研究 发 现 , 有 机 高分 子化 合
[ 收稿日期 ] 2004 12 13 [ 作者简介 ] 李彦明 ( 19 76 ) , 男 , 河南 新乡人 , 生态学博 士研究 生, 现主要研究方向为废弃物处理与资源化。 [ 基金项目 ] “ 十五” 国家科技攻关项 目“ 高效有机肥与缓释肥产 业化技术研究与开发” ( 2002BA 516A 03) ; 863 计划“ 新型多功能生物 有机肥的研究与开发” ( 2002A A 245031)

2005 年 第 20 卷第 4 期  

  李彦明等   有机复混肥造粒用有机粘结剂的研制及其造粒性能的研究       ?55? 添加各种辅助填料进行改性后 , 得到以下几种粘结 剂。NJJ 1 和 NJJ 2 为含铁型淀粉粘结剂 , NJJ 3 为普通淀粉粘结剂。各个粘结剂在 25℃的初始粘度 ( mPa ? s) : NJJ 1 为 317. 5, NJJ 2 为 98. 4, NJJ 3 为 30. 2 。 2 结果与分析 2 1  不同粘结剂的造粒效果 ? 2 1 ? ?1  NJJ 1 粘结剂不同添加量的成粒率 在复混肥的造粒过程中 , 随着粘结剂 NJJ 1 使 用量的增加, 物料的成粒率也逐渐增加 , 其变化情况 如表 1 所示。 在加入到 11. 13 g ( 干量) 时的成粒率已 达88% , 而且无效的大型颗粒较少。 在试验过程中发 现, 继续增加粘结剂的用量 , 大型颗粒增加较快, 这 可能是由于加入的粘结剂为水溶液, 引起小颗粒的 粘结。 因此 , 在造粒过程中应该合理控制粘结剂的加 入量 , 不必使所有的物料成粒 , 只要合格颗粒的产生 量符合要求即可。
表 1  NJJ 1 粘结剂加入量和成粒率的关系
粘结剂加入量 / g 成粒率 / 成粒率 / % % 湿量 干量 湿量 干量    0 0 0 50. 54 10. 11 70 21. 12 4. 22 34 55. 67 11. 13 88 36. 21 7. 24 55 62. 35 12. 47 95 42. 33 8. 47 61 78. 56 15. 71 98  注 : 湿量指直接使用含水粘结剂所投加的量 ; 干量指粘结剂换算为 固形物所投加的量。 粘结剂加入量 / g

 

物对有机复混肥成粒性及其抗压强度更有利[ 7] 。但 由于大多数人工合成的有机高分子化合物在施入土 壤后易于残留 , 对后茬作物根系生长不利。 作为天然 有 机 粘 结 剂, 淀 粉 胶 是 应 用 历 史最 为 悠 久 的 一 种 。 由于其具有原料易得、 价格低廉、 无腐蚀无污 染、 强度 高、 质量轻、 使用方便 等优点, 用量愈来愈 大[ 9, 10] 。目前世界上直接以淀粉为原料或对淀粉进 行变性处理所得的粘结剂产品已有2 000 多种。 广泛 用于造纸、 食品、 纺织、 医药、 铸造等行业 。 但淀粉 基粘结剂在有机粒状复混肥生产上的研究还鲜见报 道。 因此 , 进行了以研制新型有机颗粒复混肥造粒用 有机粘结剂的试验 , 以期替代无机粘结剂。 1 材料与方法 1 ?1  试验材料 粘结剂合成试验: 玉米淀粉 ( 工业级, 北京超市 发股份有限公司) 、 氢氧化钠、 硼砂、 尿素、 双氧水 ( 均 为分析纯, 北京市化学试剂厂) 、 改性剂( 自制) 。 造粒原料 : 草炭( 购自北京市凯茵有机肥有限责 任公司) , 尿素, 磷酸一铵, 氯化钾 ( 均为市售化肥) 。 所有原料粉碎后过 50 目 ( 0. 287 mm ) 的筛子。 1 ?2  有机粘结剂的合成 为获得性能稳定的造粒用淀粉基有机粘结剂, 制备过程如下 : 向反应器中加入足量的 45~ 50 ℃的 热水, 将已称量的玉米淀粉倒入反应器, 搅拌均匀; 然后边搅拌边缓慢加入计算好的双氧水 ( 氧化剂) , 稍后加入适量的氢氧化钠溶液( 糊化剂 ) , 混匀后加 入一定量的硫酸亚铁溶液 ( 催化剂 ) , 在 45~ 50 ℃保 温 反应 2 h。然后快速将混合液的温度升至 85 ℃左 右 , 在搅拌的状态下再加入适量的硫酸亚铁溶液 ; 然 后再加一部分氢氧化钠溶液 , 在搅拌状态下保温 20 ~ 30 m in( 反应过程若有气泡产生, 可加入适量的磷 酸三丁酯以消泡) 。 再将已计量的尿素溶液加入反应 器 , 反应 10~ 15 m in。其后降温至 50 ℃左右 , 加入已 计量的硼砂( 交联剂) ; 最后加入适量的稳定剂, 保温 反应 30 m in 后冷却即可[ 8] 。 1 ?3  试验方法 粘结剂的粘度 ( mpa ?s ) 用旋转粘度计测定 ; 造 粒试验用自制的圆盘造粒机进行, 造粒物料的总量 为 1 000 g; 粘结剂的加入方式为高压喷雾加入法, 加入量以重量法计算, 返料率用小于 2 mm 和大于 6 mm 的物料量与总物料量的比值计算; 成粒率以大 于 1 mm 的颗粒比例来计算。 1 ?4  粘结剂的组分配比 各种粘结剂都是以玉米淀粉为主要原料 , 通过
[ 11] [ 8, 9]

2 1 ? ?2  NJJ 2 不同添加量的成粒率 ( 见表 2)
表 2  NJJ 2 粘结剂加入量和成粒率的关系
粘结剂加入量 / g 湿量    0 72. 26 102. 05 干量    0 11. 29 15. 31 成粒率 / % 0 50 64 粘结剂加入量 / g 湿量 141. 57 172. 10 干量 21. 24 25. 82 成粒率 / % 73 88

表2 可以发现, NJJ 2 成粒率的变化规律和NJJ 1 的规律类似。 通过表1 和表 2 的比较可知 , 粘结剂NJJ 1 和粘 结剂 NJJ 2 成粒率在 88% 左右时, 粘结剂 NJJ 1 的 加入量 ( 湿量 ) 仅为 55. 67 g , 而粘结剂 NJJ 2 的加入 量( 湿量) 达 172. 10 g, 不断增加 NJJ 2 投加量 , 并没 有太多的大颗粒产生。可见粘结剂的粘度对物料的 造粒过程影响是很大的。 2 1 ? ?3  NJJ 3 不同添加量的成粒率 在粘结剂 NJJ 3 的造粒过程中, 粘结剂的使用 量为 16. 00 g ( 干量, 此时的湿量为 106. 66 g ) 时 ( 见 表 3) , 物料的成粒率仅有 42% 。在成粒率达到 83% 时, 粘结 剂的 使用 量 ( 湿量 ) 已达 226. 19 g 。试 验 过程中, 生成的颗粒比较均匀 , 几乎没有大型颗粒产

             ? 56?

     

 

磷肥与复 肥

              第 20 卷第 4 期

2005 年

表 3   NJJ 3 粘结剂加入量 和成粒率的关系
粘结剂加入量 / g 湿量    0 106. 66 134. 77 151. 58 干量    0 16. 00 20. 22 22. 75 成粒率 / % 0 42 52 61 粘结剂加入量 / g 湿量 173. 60 200. 33 226. 19 干量 26. 04 30. 05 33. 93 成粒率 / % 68 77 83

的粘度降低越多。 粘结剂 NJJ 1 的粘度降低差不多 有 1/ 2; 粘结剂 NJJ 2 的降低程度相对较缓, 而粘结 剂 NJJ 3 的粘度几乎没有太多变化。 建议对于高粘 度粘结剂 NJJ 1 最好在制成之后立即使用, 这样能 有效降低颗粒肥的生产成本。 3 种粘结剂经过60 天贮藏后, 粘度有所降低, 但 仍能满足造粒的要求。 3 结论 ( 1)  3 种有机粘结剂在添加量适宜的情况下 , 都能生产出符合国家标准的颗粒有机复混肥, 而且 颗粒的抗压强度还远高于国家标准, 3 种粘结剂的 添加量仅占产品总量的 1. 5% ~ 3. 3% 。 ( 2)  在 3 种有机粘结剂中, N JJ 1 的添加量最 少, 即引入肥料中的水分最少 , 这样有利于肥料的后 续加工。 ( 3)  3 种有机粘结剂在添加量适宜的情况下 , 返料率仅为28% ~37% , 而且大型颗粒较少, 多以小 于 2 mm 的颗粒存在。 ( 4)  3 种有机粘结剂在贮藏后 , 粘度都有不同 程度的降低, 但贮藏 60 天后, 仍能满足造粒要求。 总之 , 采用以淀粉为粘料的有机粘结剂能满足 有机复混肥颗粒化生产的需要 , 从造粒性能上也优 于无机粘结剂; 而且还不增加肥料施用后对土壤生 产系统的压力; 也为高浓度有机颗粒复混肥的生产 提供了可能; 由于淀粉是天然物质 , 也可以避免粘结 剂残留对土壤的污染。
[ 参考文献 ]
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生 , 但是物料非常容易在造粒机盘壁上粘附。 肥料颗 粒的含水量明显较上述两种粘结剂高 , 这对后续的 烘干操作极为不利。 2 ?2  抗压强度检测 以粒径为 1 ~2 mm 和 3~ 4 mm 颗粒进行抗压 强度测定 , 结果如图1 所示。 从图 1 可看出, 3 种粘结 剂所造的颗粒肥料的抗压强度都达到了国家的标 准 , 而且粘结剂 NJJ 1 所造颗粒的抗压强度大大超 过国家标准, 可在生产时将其稀释至粘度和 NJJ 2 相同后使用。

2 ?3  3 种粘结剂的返料率情况 根据国家复混肥标准, 以粒径 2~ 6 m m 为符合 要求的颗粒 , 以上 3 种有机粘结剂在成粒率为 85% 时的返料率: NJJ 1 为 28% , NJJ 2 为 31% , NJJ 3 为 37% 。 可见, 粘结剂 NJJ 1 所生产的有效颗粒最高, 粘 结剂 NJJ 2 和 NJJ 3 中, 由于 1~ 2 m m 之间的颗粒 相对较多, 所以返料率较高。3 种有机粘结剂所造的 肥料中大颗粒较少 , 返料多是小于 2 mm 的颗粒。 2 ?4  粘结剂的贮藏性能研究 由于有机粘结剂在 贮存后粘结性能会发生变 化 , 为了解其变化规律 , 对 3 种粘结剂的粘度进行了 60 天的监测, 如图 2 所示。 3 种粘结剂随着贮藏时间 的延长, 粘度都在逐渐降低。 但是粘度越大 , 到 60 天


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