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 肥料分類及製法 
邵豪華 | 台灣肥料股份有限公司台中廠技術組

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複合肥料顆粒主要分為黏合造粒與凝聚造粒兩種結構(圖片來源:肥料手冊)

肥料可分為單質肥料及複合肥料兩種:前者如氮肥尿素、含磷養分的過磷酸鈣及含鉀養分的氯化鉀;後者則含有氮、磷、鉀至少兩種的養分。肥料一般都以氮-磷酐-氧化鉀(N-P2O5-K2O)三要素的重量百分率來表示其含量,製造時會依配方組合成不同比例的三要素,再把各成分混合或經反應製成顆粒狀。有時也會依需求添加其他次微量的元素,像是鈣、鎂、鐵、腐植酸等。

 

複合肥料依原料不同可分為硝磷基及錏磷基複合肥料,其分類基準視磷酐來源不同而定。磷酐來源若是由磷礦經硝酸酸解再加硫酸及氨反應,形成磷酸鈣、硝酸鹽等,這種製程所得的肥料稱為硝磷基複肥;若是以磷酸及氨當原料,經反應生成磷酸銨,這種肥料就稱為錏磷基複肥。

 

肥料製程中又因中間物不同可分成全肥漿法及半肥漿法。前者是把所有原料溶融成肥漿再造粒,成分較均勻,顆粒型態也較佳,後者則是把固體原料與液體原料液氨、硫酸等混合後再造粒。

 

此外,因肥料造粒方式不同,可歸類成迴轉造粒法、噴漿造粒法及高塔造粒法。迴轉造粒法主要是處理半肥漿法肥料,藉由旋轉機轉動,把小顆粒的肥料凝聚成大顆粒。噴漿造粒法則是處理全肥漿肥料,藉由壓縮空氣與肥漿混合共同噴出,把小顆粒的肥料裹上一層又一層的肥漿成為大顆粒。高塔造粒法則是把肥漿由塔頂以自由落體方式落下,藉由冷空氣吹拂形成大顆粒。

 

複合肥料造粒機制

 

複合肥料造粒的機制,主要依全肥漿與半肥漿而區分為黏合造粒及凝聚造粒兩種方式。

 

黏合造粒是把所有原料溶成液態肥漿,再利用高壓空氣及噴嘴使肥漿以霧狀噴灑入乾燥機內,與來自成品篩機篩分的迴流細粒一層層裹包而成。乾燥用熱空氣或燃燒爐熱氣與迴流細粒在同一方向引入乾燥粒化機,使生成的顆粒同時乾燥。其肥料成品顆粒內部結構近似洋蔥狀,像磷酸一銨、磷酸二銨及部分硝磷基複肥就是採用這種方式造粒。

 

半肥漿凝聚造粒則是把固體原料與液體原料或與肥漿混合凝結而成,其中乾燥的固體原料占比約50~75%之間。而造粒方式主要是藉由粒化機的迴轉使物料翻滾瀉落,並供給機械力使物料粉體相互接觸衝擊而產生凝聚力,當物料本體達到使固體粒子集結所需的液體比時就可粒化。粒化過程所需的液體通常是水、肥漿、液氨、硫酸及磷酸,此外,造粒過程中固體原料因酸氨中和會產生反應熱而部分溶解為液相,也有助於造粒。凝聚造粒的肥料顆粒的結構形狀較不規則,但大部份複肥多採用這種方式造粒。

 

以下略述硝磷基複合肥料的生產流程。先以硝酸酸解磷礦使產生肥漿,加入硫酸及磷酸(生產高磷配方時),然後再以液氨中和,最後加入氯化鉀調製成氮磷鉀成分的肥漿。這屬於全肥漿製程,肥漿經造粒、乾燥、篩析、粉碎、冷卻、裹包等程序後製成成品肥料,成品品質穩定,成分均勻性佳,顆粒硬度高且圓滑均勻,適合高氮複肥的大規模生產。

 

磷礦酸解程序與抑制黃煙的技術

 

生產硝磷基複肥的第一道程序是磷礦酸解,是利用硝酸使磷礦酸解生成磷酸、硝酸鈣等中間物,目的是使磷礦中的三鈣磷酐轉化成磷酸。

反應溫度與磷礦分解率關係圖:在攝氏50~60度時,磷礦與60%硝酸有最佳的磷礦分解率(約96.39%)。
反應溫度與磷礦分解率關係圖:在攝氏50~60度時,磷礦與60%硝酸有最佳的磷礦分解率(約96.39%)。
這道酸解程序共有3個串聯式U型反應槽,其中第一反應槽的反應最關鍵。據分析,影響磷礦酸解程序的因素包括:硝酸濃度、反應槽數、磷礦粒度、反應溫度等。一般來說,若磷礦酸解程序反應太慢,須考慮增加反應槽數,即延長反應時間使達到目標轉化率。但若反應太快太激烈,因磷礦酸解是放熱反應,肥漿溫度上升過高會導致硝酸分解成黃色的二氧化氮氣體,造成氮損失,影響肥料含量,並使後段廢氣處理系統負荷加大及影響排煙品質。

 

 

肥料製程中的磷礦粒度影響因素來自礦石的來源。台肥的磷礦來源有二,分別購自約旦與摩洛哥地區。其中來自摩洛哥地區的礦石性質較易使反應溫度升高,容易導致硝酸分解產生二氧化氮氣體損耗並影響排煙,因而必須調降產能,以致影響稼動率。

 

其次,反應槽數代表反應時間,反應槽數越多,反應時間就越長。工場共有3個串聯酸解槽,經取樣比較3個酸解槽出口的肥漿磷礦轉化率,幾乎在第一個酸解槽反應率已達98%以上,接近完成所有酸解反應。因此3個反應槽數應已足夠,且宜設法把第一酸解槽反應轉移分擔至第二、三酸解槽。

 

至於在硝酸濃度對磷礦酸解影響方面,一般工業用硝酸濃度規格是65~68%,但磷礦轉化率最適合的硝酸濃度是60%,若直接使用60%硝酸,因含水量大不利於工場回收廢水。因此規劃設置混酸器,把65%硝酸混摻洗滌液配成60%硝酸,再至反應槽進行酸解反應。惟須注意摻配硝酸時,稀釋熱會使溫度上升而不利於反應。

 

磷礦酸解反應與溫度的關係:由實驗經驗得知,在固定硝酸濃度為60%的條件下,隨著溫度升高,磷礦分解率會增加。由於溫度升高會降低肥漿液相黏度,提高肥漿的流態,同時表面反應速率也加快,這些條件都有利於提高磷礦分解率。但是酸解槽溫度提高至攝氏60度以上時,硝酸與氟化物蒸氣壓也會變得較高,使得部分硝酸產生硝酸霧氣或黃色的二氧化氮氣體。因此,為了使磷礦酸解達到最佳化的結果,且避免反應溫度過高使硝酸分解成黃色二氧化氮氣體,需把酸解槽的溫度控制在攝氏50~60度左右。

 

若以常溫(攝氏32度)與65%高濃度硝酸的工場生產條件進行磷礦酸解反應時,反應槽溫度很容易就達到攝氏60度。改善重點在於使酸解槽反應溫度降低及使用60%濃度的硝酸,一般的對策是規劃在酸解反應製程中增配一股洗滌液,以與65%硝酸混合成60%硝酸;或建置冰硝酸系統,藉由冰水機組產出攝氏12度的冰水,把常溫的硝酸溶液冷卻成冰硝酸(攝氏13度),冰硝酸再與磷礦進行酸解反應,而降低酸解槽反應溫度,並控制於攝氏55度左右。

 

如此一來,維持了整體磷礦的轉化率,且降低了反應溫度,避免黃煙二氧化氮氣體的產生,且能顯著改善生產時對環境的汙染。

 

離子化溼式洗滌器的應用

 

肥料工業在生產過程中往往會產生粉塵、廢氣、廢水等汙染,嚴重影響環境。為了能減少乾燥程序中所產生的含粉塵氣體,常用的防制之道第一步是利用傳統集塵器收集,第二步則是以多段式文氏洗滌器捕捉粉塵,第三步再以填充式吸收塔霧化吸收。

 

一般而言,乾燥氣汙染物較易去除,較難處理的部分涉及化學反應的酸解槽及中和氨化槽產生的廢氣。例如磷礦酸解不佳或氨酸中和pH太高、太低時,都會產生二氧化氮、酸霧、氨氣等,並形成硝酸銨、氯化銨等氣溶膠汙染物。傳統洗滌塔都無法捕捉及去除這些產物,須選用適合處理溼氣體的離子化溼式洗滌器。

 

離子化溼式洗滌器主要用來處理酸氨化時產生的廢氣,可以有效去除粒徑3 μm以下的粒狀物,並利用液-氣間的吸收原理,調整pH值至3~5的適當操作區間,以去除煙氣中具腐蝕性、毒性及臭氣的成分。它的優點是操作費用不高,以及可增加廢氣處理量、提高效率等。

 

離子化溼式洗滌器運轉關鍵

 

操作離子化溼式洗滌器處理廢氣時,有些要點務必謹守,例如把預洗滌器設定硫酸在pH 3~5條件下捕捉氨及硝酸銨氣狀汙染物,效果最佳且能夠溶解銨鹽類。但須注意這時洗滌液濃度增高,析出的硫酸銨晶鹽易堵塞設備。改善方法是在一系列洗滌器中,把較下游洗滌器的洗滌水送往較上游洗滌器做為補充水,以上類推,最後最髒的水則送往反應器。

 

另外,選用填充物增加洗滌液及廢氣的接觸面積,以加強廢氣中粒狀物、酸氣等物質的吸收效果,也可有效去除廢氣中的各項汙染物。

 

添加泥炭的硝磷基複合肥料

 

施加化學肥料的目的是為了能高效率種出高品質及產量的農作物,然而過度依賴化肥卻導致地力衰退、環境汙染等後遺症。近年來台灣一些有志之士便默默地推動有機農業,希望藉由改變農業習慣達到友善環境的目標。

泥炭粉呈深黑褐色,由泥炭土加工製成。
泥炭粉呈深黑褐色,由泥炭土加工製成。
泥炭土具有諸多成分與特性,例如:含有豐富微量元素(鐵、鋅、錳等)與有機物質(胺基酸、腐植酸);植物細胞結構可使泥炭土像海綿般吸附營養源,避免營養源隨水快速地流失;泥炭土性質疏鬆,可增加土壤的保水、通氣性等。值得一提的是,泥炭土中含有一重要成分─腐植酸,能有效促進植物生長。

 

 

泥炭土在有機農業中已有許多的應用,例如把泥炭土摻入化學肥料中製成有機複合肥料,就是近來新開發的技術。這種有機複合肥料除了能取代化學肥料的使用外,也能改善土壤環境。另外,因為它是長效緩釋肥料,減少了營養源的流失、河川優養化等環境的破壞,也是其引人注意的特點。

 

有機複合肥料製造

 

這種新型有機複合肥料的合成看似簡單,多年來卻一直難以實現。因為泥炭比重0.6,而肥漿比重1.5,兩者相差懸殊,所以混合後只見泥炭懸浮在肥漿上。另外,泥炭屬有機物,硝酸鹽會與有機物反應,因此可允許加入的有機物也尚待確認。

 

研發人員經過多年的研究與改良,近年來終於歸納出泥炭有機物與硝酸鹽的反應機制,發現與硝酸鹽濃度及混合溫度兩個參數有關:高氮配方產品反應性較高,混合溫度較高時較易反應。因此只需訂出不同配方的肥漿溫度及最適的泥炭加料量,就可最佳化。

 

此外,泥炭比重輕,不易與肥漿混合的問題,只要更改設備的機構,把泥炭以螺旋式輸送導入混合器,同時向泥炭噴水霧,藉由增溼以增加泥炭比重,泥炭就可以完全融入肥漿。這個新技術的突破,不僅讓有機複合肥料能夠開花結果,也讓化學肥料工業對友善環境的貢獻邁進了一大步。
 

《科學發展》2018年5月,545期,20 ~ 25頁
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