高塔造粒生产硝基复合肥的工艺研究 高塔造粒工艺生产复合肥是我国近10年发展起来的工艺。其产品具有外观颗粒均匀、光润圆滑、均带小孔，养分稳定，水分低等特点，深受农民欢迎，至今国内已建成装置的产量超过1000万t。高塔工艺生产的主要是尿基复合肥。
硝基复合肥是指以硝铵磷或者硝酸铵作为氮源生产的复合肥，而区别于使用尿素、氯化铵、硫酸铵等生产的传统复合肥。硝基复合肥可以直接被作物充分吸收，具有速溶速效的特点，尤其适用于国内雨水较少、气温较低的北方旱地碱性土壤。硝态氮肥可以促进作物快速生长，特别适合于蔬菜、果树、烟草等经济作物。硝基复合肥在国际上特别是在欧美国家得到广泛应用，据统计，俄罗斯、波兰、法国、巴西、美国硝酸铵占氮肥总产量的比例分别为39.7％、30.9％、27.5％、16.1％和12.6％，而我国加上进口不足5％。正是由于含硝态氮肥料的优点，很多厂家看准市场需求，大力发展硝基复合肥。许多厂家都尝试利用原有高塔设备生产硝基复合肥，但都存在一定问题。
1 高塔造粒生产硝基复合肥存在的主要问题
1）无法连续生产。熔融后的硝酸铵在加入粉状物料后出现料浆变黏稠，流动陛太差，频繁堵塞喷头和管道。
2）存在安全隐患。混合槽内硝铵容易剧烈分解，进而有发生火灾的危险。
3）产量下降。熔融设备生产尿基产品时能力可满足，但生产硝基产品时达不到生产尿基的产能。
2 高塔造粒生产硝基复合肥存在问题的原因分析
国内高塔硝基复合肥生产企业多以硝铵（硝酸磷肥、硝磷铵）为生产原料，加入磷铵、氯化钾（硫酸钾）和其他添加剂进行生产，不同于国外的以磷矿和硝酸为原料进行生产。但两种生产方法的原理相同。下面以荷兰和俄罗斯的生产工艺为对照，分析国内高塔造粒生产硝基复合肥存在的问题。
2.1 荷兰和俄罗斯高塔造粒生产硝基复合肥的特点
1）荷兰斯塔米卡本法硝酸磷酸铵钾生产流程。荷兰斯塔米卡本公司（Stami Carbon）造粒塔喷淋造粒生产硝酸磷酸铵钾的工艺流程见图1。
1、8—高位槽；2—混合槽；3、6—贮槽；4—中和槽；5—蒸发器；7—泵；9—造粒塔；10
—冷却筒；11—提升机；12—筛子；13—破碎机；14—包裹筒
图1 斯塔米卡本法硝酸磷酸铵钾生产工艺流程
w（HNO3）47％～55％的硝酸和w（P2 O5）52％～54％的湿法磷酸混合后送入中和槽，用氨将混酸中和至pH为2.8～3.2，生成的硝酸磷酸铵溶液在自然循环的蒸发器（加热管的工作压力为1.22
～
1.52MPa。温度约200℃）中蒸发至w（H20）1.8％左右。温度为170℃的熔体，泵送至造粒塔顶的高位槽；研磨至细度0.5 mm并预热至170℃的氯化钾与来自高位槽的硝酸磷酸铵熔体一起在高位槽内混合，要求混合时间少于1min，以免硝酸铵和氯化钾发生分解反应，使熔体的黏度增高。熔体流人造粒塔旋转喷头喷洒成液滴，液滴在塔内下降并与上升的空气流进行传热、传质，固化成颗粒落于塔底。温度约为90℃的颗粒物料经冷却、筛分、扑粉等工序，1.5～4.0 mm的合格粒子送往仓库包装。大颗粒经破碎后和细粉状物料（占总量的3％～8％）循环送到熔体贮槽再混合。
用本流程可生产氮磷二元复混肥，也可生产氮磷钾三元复混肥，主要产品规格有25—9—9、22—11—11、17—17—17、17—9—22、15—15—21等。
2) 俄罗斯阿康公司的生产工艺与荷兰斯塔米卡本公司的生产工艺类似。先将硝酸和磷酸的混合液与氨中和至pH 2.6～2.8，浓缩后再加氨中和至pH 5.2，使料浆快速经过磷酸一铵转化为磷酸二铵的黏稠阶段，再浓缩后与温度为140℃的氯化钾快速混合，主要生产16—16—16复合肥产品。
2.2 影响高塔造粒连续生产硝基复合肥的原因分析
1）高塔内物料输送热损失大，粉体物料温度降低，导致混合料浆温度下降而引起结晶，堵塞喷头、管道。与国外上述生产工艺的主要区别为：国内的生产工艺为硝铵在175℃熔融后，分别与磷铵和氯化钾(硫酸钾)混合。磷铵和氯化钾（硫酸钾）在塔底加热（原高塔尿基工艺一般将粉体加热器置于塔底，加热后的粉体物料用钢丝胶带斗提机提升到混合器内进行混合），磷铵加热温度为80℃以上，氯化钾
加热温度为100℃左右，再通过筛分、输送设备运送至塔顶，这两种粉体物料到塔顶后约45℃，大量热量在输送过程中损失。占物料总量1/2以上的粉体物料与熔融的硝铵混合后，使混合料浆的温度下降至140℃，这样硝铵会结晶，在搅拌过程中，料浆变稠，在出混合槽后由于物料缺少了搅拌动力，结晶会加重，最终堵塞喷头和管道。这是造成高塔生产不稳定和不连续的主要原因。以下通过计算作进一步分析。
2）用硝磷铵生产16—16—16品种时，硝磷铵（29—6—0）、MAP（11—46—0）和氯化钾（0—0—60）添加配比为0.443：0.29：0.267（质量比）。以该品种为例计算45℃的MAP和氯化钾加热到140℃共需热量与硝磷铵从175℃降为140℃时放出的热量。
①MAP和氯化比热容分别为1.293、0.682kJ/（kg·℃），由45℃加热到140℃吸收热量。
MAP吸收热量：
[1.293×(140-45)×0.29]kJ/kg=35.62kJ/kg
氯化钾吸收热量：
[0.682×(140-45)×0.267]kJ/kg=17.29kJ/kg
MAP与KCL从45℃升温至140℃共需热量：
35.62kJ/kg+17.29kJ/kg=52.91kJ/kg
②硝磷铵由175℃降至140℃放出热量（硝磷铵中硝铵（熔融热68.04kJ/kg，比热容1.803kJ/(kg·℃)占85％，磷铵占15％)。
硝铵放出热量：
[68.04+1.803×(175-140)]×0.443×0.85IkJ/kg= 49.38kJ/kg 磷铵放出热量：
[1.293×(175-140)×0.443×0.15]kJ/kg=3.01kJ/kg
硝磷铵从175℃降至140℃共放热量：
49.38kJ/kg+3.01kJ/kg=52.39kJ/kg
52.39 kJ/kg和52.91 kJ/kg数值差不多。从计算可以说明，硝磷铵释放出的热量和MAP与氯化钾升温的吸收热量基本相当。在140℃状态下，混合料浆中的硝铵已经结晶，这样必然会在试生产过程中出现料浆变稠，最终堵塞喷头和管道的现象。
③ 实验表明，混合料浆在155℃时不会结晶，以此为准，计算粉体物料需要的加热温度。熔融硝磷铵由175℃降至155℃放出热量为：
[1.803×(175-155)X0.443X0.85+1.293X(175-155)X0.443X 0.15]kJ/kg=15.30kJ/kg
假如MAP和氯化钾加热的温度相同，熔融硝磷铵放出热量可使MAP和氯化钾升温为：
[15.3O÷(1.293×0.29+0.682×0.267)]℃=27.5℃
这样MAP和氯化钾要升温到155℃，还需要对MAP和氯化钾加热升温为：
155℃-27.5℃=127.5℃
假如氯化钾加热至155℃，则熔融硝磷铵放出热量可使MAP升温为：
[15.30÷(1.293×0.29)]℃=40.8℃
这样MAP要升温到155℃ ，还需要对MAP加热升温为：
155℃-40.5℃=114.5℃
通过上述计算，说明粉体物料温度太低，都未达到155℃，必须
提高其温度才能正常生产。
堵塞造粒喷头的另外一个原因是粉体物料在硝磷铵熔融液中的分散不均匀。因为MAP尤其是氯化钾会造成硝铵的分解，所以要求硝磷铵熔融液与粉体物料快速混合后进人造粒机中进行造粒。粉体物料的分散不均匀主要因混合器中搅拌装置配置不合适，搅拌强度低，使局部MAP和氯化钾颗粒过多，流经喷头时就会堵塞喷头。而且由于料浆过于黏稠，更加不利于粉体物料的分散，加重了造粒喷头的堵塞。
2.3 高塔生产硝基复合肥存在安全隐患的原因分析
由于混合料温过低，造成料浆变稠，为了改变这种现象，不少生产厂家加大了混合器，又给混合器增加了加热盘管，想通过在混合器内升温增强料浆的流动性。这样做虽然提高了流动性，但由于加入了促进硝铵分解的MAP和氯化钾，混合料浆受热和停留时间增加，使硝铵分解加剧，极易生成对人体有害的气体和引起火灾。
2.4 高塔生产硝基复合肥产量下降的原因分析
硝铵具有5种晶型变体，每一种结晶体的结构和密度都不同，各种晶型在一定温度范围内才能存在。当加热或冷却硝铵时，如果温度变化超过该种晶型的温度范围， 即由一种晶型转变为另一种晶型。晶型转变时结晶结构、密度、比容也发生变化并伴有热效应（晶型转变热，硝铵Ⅰ型转Ⅱ型，Ⅱ型转Ⅲ型，Ⅲ型转Ⅳ型的晶变热分别为52.75、16.72、19.86kJ/kg）。硝铵由熔融盐转变到I型的温度为169.6℃，I型转变为Ⅱ型的温度为125.2℃，Ⅱ型转变为Ⅲ型的温度为84.2℃，Ⅲ型的转变为Ⅳ型的温度为32.3℃，Ⅳ型的转变为V型的温度为-16.9℃。
以20℃为加热起始温度，生产每千克硝基复合肥16—16—16(C1)
需要的理论热量为MAP、KC1加热至115℃，硝磷铵加热至175℃和硝铵熔融、晶变所需的热量之和，则：
{[l1.293×(115-20)×0.29+0.682×(115-20)×0.267]+[1.803 ×(175-20)×0.443×0.85+1.293×(175-20)×0.443×0.15] +(68.04+52.75+16.72+l9.86)×0.043}kJ／kg
=241.17kJ/kg
生产每千克尿基复合肥l6—16—16(C1)（MAP、KCL、尿素、氯化铵质量配比为0.364:0.267:0.172:0.172）需要的理论热量为MAP、KCI、NH4Cl（比热容1.553kJ/(kg·℃)）由2O℃加热至115℃，尿素
（比热容1.55kJ/kg·℃）由20℃加热至135℃所需热量之和，则：
[1.293×(115-20)×0.364+0.682×(I15-20)×0.267+1.55 X(135-20)×0.172+1.553×(115-20)×O.172]kJ/kg
=118.035kJ/kg
通过上面计算可以看出生产硝基复合肥理论热量是尿基的2倍多，因此，从原来生产尿基产品改为生产硝基产品产量下降是正常的。
3 改造建议
3.1 粉体加热器移位
在条件允许的情况下，将粉体加热器从塔底移至塔顶，避免斗提机输送过程的热量损失。如果因承重或空间限制，不能将粉体加热器移到塔顶，那么一定要加强保温和补充热量，控制物料热损失不能过大。
3.2 尽量提高粉体物料的温度
提高粉体加热温度指标，MAP加热至100～110℃，氯化钾加热到170℃以上。
3.3 提高物料细度，增加筛分强度
对MAP和氯化钾一定要控制其粒度，确定粒径小于0.5mm。另外，MAP加热后可能会出现片状物，一定要对加热后粉料进行筛分。
3.4 增加搅拌强度
采用高搅拌强度、高分散能力的搅拌器，以便粉体物料可以快速均匀混合到硝铵熔融液中。
3.5 减小混合器体积
为了减少混合后物料的停留时间，防止硝铵分解，保障安全，不宜选用过大的混合设备。硝基复合肥生产具有较大危险性，为安全稳定地生产，除了上述措施以外，还应当加强管理，完善安全设施，提高管理和操作者的责任心。
湖北华丰生物化工有限公司
2014年4月14日
高塔造粒生产硝基复合肥的工艺研究 高塔造粒工艺生产复合肥是我国近10年发展起来的工艺。其产品具有外观颗粒均匀、光润圆滑、均带小孔，养分稳定，水分低等特点，深受农民欢迎，至今国内已建成装置的产量超过1000万t。高塔工艺生产的主要是尿基复合肥。
硝基复合肥是指以硝铵磷或者硝酸铵作为氮源生产的复合肥，而区别于使用尿素、氯化铵、硫酸铵等生产的传统复合肥。硝基复合肥可以直接被作物充分吸收，具有速溶速效的特点，尤其适用于国内雨水较少、气温较低的北方旱地碱性土壤。硝态氮肥可以促进作物快速生长，特别适合于蔬菜、果树、烟草等经济作物。硝基复合肥在国际上特别是在欧美国家得到广泛应用，据统计，俄罗斯、波兰、法国、巴西、美国硝酸铵占氮肥总产量的比例分别为39.7％、30.9％、27.5％、16.1％和12.6％，而我国加上进口不足5％。正是由于含硝态氮肥料的优点，很多厂家看准市场需求，大力发展硝基复合肥。许多厂家都尝试利用原有高塔设备生产硝基复合肥，但都存在一定问题。
1 高塔造粒生产硝基复合肥存在的主要问题
1）无法连续生产。熔融后的硝酸铵在加入粉状物料后出现料浆变黏稠，流动陛太差，频繁堵塞喷头和管道。
2）存在安全隐患。混合槽内硝铵容易剧烈分解，进而有发生火灾的危险。
3）产量下降。熔融设备生产尿基产品时能力可满足，但生产硝基产品时达不到生产尿基的产能。
2 高塔造粒生产硝基复合肥存在问题的原因分析
国内高塔硝基复合肥生产企业多以硝铵（硝酸磷肥、硝磷铵）为生产原料，加入磷铵、氯化钾（硫酸钾）和其他添加剂进行生产，不同于国外的以磷矿和硝酸为原料进行生产。但两种生产方法的原理相同。下面以荷兰和俄罗斯的生产工艺为对照，分析国内高塔造粒生产硝基复合肥存在的问题。
2.1 荷兰和俄罗斯高塔造粒生产硝基复合肥的特点
1）荷兰斯塔米卡本法硝酸磷酸铵钾生产流程。荷兰斯塔米卡本公司（Stami Carbon）造粒塔喷淋造粒生产硝酸磷酸铵钾的工艺流程见图1。
1、8—高位槽；2—混合槽；3、6—贮槽；4—中和槽；5—蒸发器；7—泵；9—造粒塔；10
—冷却筒；11—提升机；12—筛子；13—破碎机；14—包裹筒
图1 斯塔米卡本法硝酸磷酸铵钾生产工艺流程
w（HNO3）47％～55％的硝酸和w（P2 O5）52％～54％的湿法磷酸混合后送入中和槽，用氨将混酸中和至pH为2.8～3.2，生成的硝酸磷酸铵溶液在自然循环的蒸发器（加热管的工作压力为1.22
～
1.52MPa。温度约200℃）中蒸发至w（H20）1.8％左右。温度为170℃的熔体，泵送至造粒塔顶的高位槽；研磨至细度0.5 mm并预热至170℃的氯化钾与来自高位槽的硝酸磷酸铵熔体一起在高位槽内混合，要求混合时间少于1min，以免硝酸铵和氯化钾发生分解反应，使熔体的黏度增高。熔体流人造粒塔旋转喷头喷洒成液滴，液滴在塔内下降并与上升的空气流进行传热、传质，固化成颗粒落于塔底。温度约为90℃的颗粒物料经冷却、筛分、扑粉等工序，1.5～4.0 mm的合格粒子送往仓库包装。大颗粒经破碎后和细粉状物料（占总量的3％～8％）循环送到熔体贮槽再混合。
用本流程可生产氮磷二元复混肥，也可生产氮磷钾三元复混肥，主要产品规格有25—9—9、22—11—11、17—17—17、17—9—22、15—15—21等。
2) 俄罗斯阿康公司的生产工艺与荷兰斯塔米卡本公司的生产工艺类似。先将硝酸和磷酸的混合液与氨中和至pH 2.6～2.8，浓缩后再加氨中和至pH 5.2，使料浆快速经过磷酸一铵转化为磷酸二铵的黏稠阶段，再浓缩后与温度为140℃的氯化钾快速混合，主要生产16—16—16复合肥产品。
2.2 影响高塔造粒连续生产硝基复合肥的原因分析
1）高塔内物料输送热损失大，粉体物料温度降低，导致混合料浆温度下降而引起结晶，堵塞喷头、管道。与国外上述生产工艺的主要区别为：国内的生产工艺为硝铵在175℃熔融后，分别与磷铵和氯化钾(硫酸钾)混合。磷铵和氯化钾（硫酸钾）在塔底加热（原高塔尿基工艺一般将粉体加热器置于塔底，加热后的粉体物料用钢丝胶带斗提机提升到混合器内进行混合），磷铵加热温度为80℃以上，氯化钾
加热温度为100℃左右，再通过筛分、输送设备运送至塔顶，这两种粉体物料到塔顶后约45℃，大量热量在输送过程中损失。占物料总量1/2以上的粉体物料与熔融的硝铵混合后，使混合料浆的温度下降至140℃，这样硝铵会结晶，在搅拌过程中，料浆变稠，在出混合槽后由于物料缺少了搅拌动力，结晶会加重，最终堵塞喷头和管道。这是造成高塔生产不稳定和不连续的主要原因。以下通过计算作进一步分析。
2）用硝磷铵生产16—16—16品种时，硝磷铵（29—6—0）、MAP（11—46—0）和氯化钾（0—0—60）添加配比为0.443：0.29：0.267（质量比）。以该品种为例计算45℃的MAP和氯化钾加热到140℃共需热量与硝磷铵从175℃降为140℃时放出的热量。
①MAP和氯化比热容分别为1.293、0.682kJ/（kg·℃），由45℃加热到140℃吸收热量。
MAP吸收热量：
[1.293×(140-45)×0.29]kJ/kg=35.62kJ/kg
氯化钾吸收热量：
[0.682×(140-45)×0.267]kJ/kg=17.29kJ/kg
MAP与KCL从45℃升温至140℃共需热量：
35.62kJ/kg+17.29kJ/kg=52.91kJ/kg
②硝磷铵由175℃降至140℃放出热量（硝磷铵中硝铵（熔融热68.04kJ/kg，比热容1.803kJ/(kg·℃)占85％，磷铵占15％)。
硝铵放出热量：
[68.04+1.803×(175-140)]×0.443×0.85IkJ/kg= 49.38kJ/kg 磷铵放出热量：
[1.293×(175-140)×0.443×0.15]kJ/kg=3.01kJ/kg
硝磷铵从175℃降至140℃共放热量：
49.38kJ/kg+3.01kJ/kg=52.39kJ/kg
52.39 kJ/kg和52.91 kJ/kg数值差不多。从计算可以说明，硝磷铵释放出的热量和MAP与氯化钾升温的吸收热量基本相当。在140℃状态下，混合料浆中的硝铵已经结晶，这样必然会在试生产过程中出现料浆变稠，最终堵塞喷头和管道的现象。
③ 实验表明，混合料浆在155℃时不会结晶，以此为准，计算粉体物料需要的加热温度。熔融硝磷铵由175℃降至155℃放出热量为：
[1.803×(175-155)X0.443X0.85+1.293X(175-155)X0.443X 0.15]kJ/kg=15.30kJ/kg
假如MAP和氯化钾加热的温度相同，熔融硝磷铵放出热量可使MAP和氯化钾升温为：
[15.3O÷(1.293×0.29+0.682×0.267)]℃=27.5℃
这样MAP和氯化钾要升温到155℃，还需要对MAP和氯化钾加热升温为：
155℃-27.5℃=127.5℃
假如氯化钾加热至155℃，则熔融硝磷铵放出热量可使MAP升温为：
[15.30÷(1.293×0.29)]℃=40.8℃
这样MAP要升温到155℃ ，还需要对MAP加热升温为：
155℃-40.5℃=114.5℃
通过上述计算，说明粉体物料温度太低，都未达到155℃，必须
提高其温度才能正常生产。
堵塞造粒喷头的另外一个原因是粉体物料在硝磷铵熔融液中的分散不均匀。因为MAP尤其是氯化钾会造成硝铵的分解，所以要求硝磷铵熔融液与粉体物料快速混合后进人造粒机中进行造粒。粉体物料的分散不均匀主要因混合器中搅拌装置配置不合适，搅拌强度低，使局部MAP和氯化钾颗粒过多，流经喷头时就会堵塞喷头。而且由于料浆过于黏稠，更加不利于粉体物料的分散，加重了造粒喷头的堵塞。
2.3 高塔生产硝基复合肥存在安全隐患的原因分析
由于混合料温过低，造成料浆变稠，为了改变这种现象，不少生产厂家加大了混合器，又给混合器增加了加热盘管，想通过在混合器内升温增强料浆的流动性。这样做虽然提高了流动性，但由于加入了促进硝铵分解的MAP和氯化钾，混合料浆受热和停留时间增加，使硝铵分解加剧，极易生成对人体有害的气体和引起火灾。
2.4 高塔生产硝基复合肥产量下降的原因分析
硝铵具有5种晶型变体，每一种结晶体的结构和密度都不同，各种晶型在一定温度范围内才能存在。当加热或冷却硝铵时，如果温度变化超过该种晶型的温度范围， 即由一种晶型转变为另一种晶型。晶型转变时结晶结构、密度、比容也发生变化并伴有热效应（晶型转变热，硝铵Ⅰ型转Ⅱ型，Ⅱ型转Ⅲ型，Ⅲ型转Ⅳ型的晶变热分别为52.75、16.72、19.86kJ/kg）。硝铵由熔融盐转变到I型的温度为169.6℃，I型转变为Ⅱ型的温度为125.2℃，Ⅱ型转变为Ⅲ型的温度为84.2℃，Ⅲ型的转变为Ⅳ型的温度为32.3℃，Ⅳ型的转变为V型的温度为-16.9℃。
以20℃为加热起始温度，生产每千克硝基复合肥16—16—16(C1)
需要的理论热量为MAP、KC1加热至115℃，硝磷铵加热至175℃和硝铵熔融、晶变所需的热量之和，则：
{[l1.293×(115-20)×0.29+0.682×(115-20)×0.267]+[1.803 ×(175-20)×0.443×0.85+1.293×(175-20)×0.443×0.15] +(68.04+52.75+16.72+l9.86)×0.043}kJ／kg
=241.17kJ/kg
生产每千克尿基复合肥l6—16—16(C1)（MAP、KCL、尿素、氯化铵质量配比为0.364:0.267:0.172:0.172）需要的理论热量为MAP、KCI、NH4Cl（比热容1.553kJ/(kg·℃)）由2O℃加热至115℃，尿素
（比热容1.55kJ/kg·℃）由20℃加热至135℃所需热量之和，则：
[1.293×(115-20)×0.364+0.682×(I15-20)×0.267+1.55 X(135-20)×0.172+1.553×(115-20)×O.172]kJ/kg
=118.035kJ/kg
通过上面计算可以看出生产硝基复合肥理论热量是尿基的2倍多，因此，从原来生产尿基产品改为生产硝基产品产量下降是正常的。
3 改造建议
3.1 粉体加热器移位
在条件允许的情况下，将粉体加热器从塔底移至塔顶，避免斗提机输送过程的热量损失。如果因承重或空间限制，不能将粉体加热器移到塔顶，那么一定要加强保温和补充热量，控制物料热损失不能过大。
3.2 尽量提高粉体物料的温度
提高粉体加热温度指标，MAP加热至100～110℃，氯化钾加热到170℃以上。
3.3 提高物料细度，增加筛分强度
对MAP和氯化钾一定要控制其粒度，确定粒径小于0.5mm。另外，MAP加热后可能会出现片状物，一定要对加热后粉料进行筛分。
3.4 增加搅拌强度
采用高搅拌强度、高分散能力的搅拌器，以便粉体物料可以快速均匀混合到硝铵熔融液中。
3.5 减小混合器体积
为了减少混合后物料的停留时间，防止硝铵分解，保障安全，不宜选用过大的混合设备。硝基复合肥生产具有较大危险性，为安全稳定地生产，除了上述措施以外，还应当加强管理，完善安全设施，提高管理和操作者的责任心。
湖北华丰生物化工有限公司
2014年4月14日