Abstract：
Taking the tobacco special compound fertilizer used in tobacco planting areas in Yunnan Province, Guizhou Province, Sichuan Province and Chongqing as the research object, the nutrient characteristics of tobacco special compound fertilizer are analyzed, and the experiments of different production control conditions and storage management measures on alleviating fertilizer caking are carried out. The results show that the caking degree of tobacco special compound fertilizer is positively correlated with product water content, packaging temperature, packaging specification and stacking layers, and negatively correlated with product particle size and particle uniformity. In the process of compound fertilizer production and storage, it is necessary to focus on the balance point between production efficiency, material consumption, energy consumption and alleviating caking. The caking problem of special compound fertilizer for tobacco can be effectively alleviated by controlling the mass fraction of water in the product below 1.5%, the particle size of 2.0-4.5 mm, the packaging temperature below 35 ℃, the packaging specification below 40 kg/bag and the number of stacking layers of the product no more than 18.
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前言
烟草是我国重要的经济作物之一，烟草的生长发育离不开氮、磷、钾等营养元素，通常情况下，土壤中的氮、磷、钾无法满足其需求，需要适时通过施肥的方式向土壤中补充养分[1]。测土配方平衡施肥技术是生产优质烟叶的核心技术，氮磷钾肥的平衡施用是提高烤烟产量和品质的重要手段[2]，全国各烟叶种植区已逐渐推广施用与之相适应的烟草专用复合肥，但因复合肥结块问题的普遍存在，给烟草生产带来了较大的困扰。肥料在受到一些因素的影响后形成硬块，使其失去流动性的现象称为结块[3]。复合肥结块问题是世界性难题，一直受到化肥行业的关注，其也是影响国产肥料质量的重要因素之一和评估产品质量的一个重要指标[3-5]。
复合肥结块是多重理化因素综合影响的结果，影响因素可分为内部因素和外部因素。内部因素是指肥料自身对结块有影响的条件和性质，包括肥料的粒度、强度、组成等；外部因素是指肥料在包装、运输、储存、使用过程中对结块有影响的因素，如温度、压力、贮存时间和环境湿度等[6-7]。复合肥的各组成成分之间会发生复分解反应，从而引起颗粒表面之间的再结晶，形成晶桥，导致复合肥结块[8]，其中硝基和尿基高氮复合肥比硫基和磷基复合肥更容易结块[9]。目前，只能尽量减缓结块的发生，无法有效制止结块的发生[10]。通过人为干预缓解结块的途径，大致可归纳为两条：一是通过优化生产操作工艺，减缓化肥的结块，如采用现代化的生产工艺，改善贮存环境条件、包装条件和包装方法等；二是使用化肥防结块剂，降低产品的含水量，提高产品的强度、均匀性和松散性等[7]。当前，国内外关于复合肥结块原因和缓解措施的综述性研究较多，部分缓解措施因缺乏系统性的量化研究而不具有可操作性，鲜见针对烟草专用复合肥的养分特点而采取相应缓解结块措施的系统性报道。为探究烟草专用复合肥的养分特点和寻求缓解结块措施，弥补相关领域的研究空白，本文以我国云南省、贵州省、四川省、重庆市等烟叶种植区烟草专用复合肥为研究对象，系统分析了烟草专用复合肥的养分特点和原料组成，开展了从不同生产控制、仓储管理等方面缓解烟草专用复合肥结块的试验研究，提出了烟草专用复合肥缓解结块的建议和措施，以期为化肥企业产品质量改进和烟叶产区公司肥料管理提供参考。
1
材料与方法
1.1
供试材料
以我国云南省、贵州省、四川省、重庆市等为代表的西南烟叶种植区2022年度烟草专用复合肥为考察对象，分析烟草专用复合肥的养分特点和原料组成，以及与其他农用复合肥养分组成的差异。四川金叶化肥有限公司采用喷浆造粒工艺，生产的12-12-25烟草专用复合肥(常规包装40 kg/袋)符合国家标准《复合肥料》(GB/T 15063—2020)要求，可用于烟草专用复合肥缓解结块试验。
1.2
试验设计
按生产控制条件、仓储管理方式进行单因素试验，分别开展不同产品的水分含量、粒度、包装温度以及包装规格、堆码层数等缓解结块措施的研究。
生产控制缓解结块试验：设置产品含水质量分数梯度为1.5%~2.0%(CK)、1.0%~1.5%、1.0%以下；粒径2.0 mm以上颗粒占比梯度为60%左右(CK)、80%左右、95%以上；产品包装温度梯度为高温50 ℃(CK)、中温35 ℃、常温25 ℃；参试产品按照40 kg/袋、5袋/层、1.2 t/吨袋、4.8 t/处理的标准，用吨袋整齐堆码。
仓储管理缓解结块试验：设置50 kg/袋(CK)、40 kg/袋、20 kg/袋的3种包装规格，按照1.2 t/吨袋、4.8 t/处理的标准整齐堆码；按照40 kg/袋、5袋/层、1.2 t/吨袋的标准，分为24层(CK)、18层、12层整齐堆码。
上述所有试验均仓储至60 d，抽取堆垛中最下方吨袋的顶层样品进行试验统计。抽样试验观测时，由两人将整袋复合肥抬起至约1 m高度后，分别从包装袋正反面及两个侧面进行4次自由跌落以后再开袋测量。测量时，将复合肥从包装袋内轻缓倒出，按照表 1的肥料结块等级划分标准进行分类称重统计(结块物料状不规则，按最宽处作为直径)，观察并记录各处理肥料的结块情况。
表 1
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结块等级 |
等级说明 |
商品性 |
使用性 |
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Ⅰ |
结块直径5 cm以下，有零星小块，搬动或轻触即散，整体流动性好 |
不影响 |
不影响 |
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Ⅱ |
结块直径5~10 cm，轻度结块，轻捏即散，整体流动性较好 |
不影响 |
不影响 |
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Ⅲ |
结块直径10~20 cm，中度假性结块，可用手稍用力捏散，整体流动性尚好 |
略有影响 |
略有影响 |
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Ⅳ |
结块直径20 cm以上，较严重结块，用力捏或敲击可散，整体流动性较差 |
较大影响 |
有一定影响 |
1.3
数据统计与分析
按式(1)计算单个结块等级的结块率，按式(2)计算相应结块等级的综合结块率，采用软件Excel 2016对数据进行统计分析。
2
结果与分析
2.1
烟草专用复合肥养分特点及组成分析
按照GB/T 15063—2020中技术指标的规定，复合肥总养分(N+P2O5+K2O)质量分数≥40%，属于高浓度复合肥。由表 2可知：烟草专用复合肥属于高浓度硝硫基复合肥，对硝态氮养分质量分数需求高达30%以上；烟草对氯离子比较敏感，一般忌用或慎用氯化钾等含氯原料，所以生产上常使用优质的硝酸铵、硝酸钾、硫酸钾、磷酸一铵等原料，这种原料组分特点可能是引起结块的原因之一。其他农作物通用型复合肥规格主要有15-15-15高浓度氯基复合肥、15-15-15高浓度硫基复合肥，生产原料以氯化钾、硫酸钾为主。对比氮、磷、钾养分含量可知，烟草专用复合肥具有低氮、高钾等特点，氮平均质量分数约10%，比类似总养分的其他农作物用复合肥偏低5%；磷素平均质量分数约12%，比类似总养分的其他农作物用复合肥偏低3%；钾素平均质量分数约23%，比类似总养分的其他农作物用复合肥偏高8%。所以，基于对烟草专用高浓度硝硫基复合肥的养分特点，以及磷酸一铵和硝酸铵等原料的组成易形成复盐的分析，得出烟草专用复合肥更容易出现结块的结论。
表 2
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区域 |
N-P2O5-K2O |
养分特点 |
使用范围 |
云南省
烟叶
种植区 |
10-10-24 |
高浓度硝硫基复合肥，
硝态氮质量分数30%以上，
氯离子质量分数≤3%，
钾素主要来源为硫酸钾、硝酸钾 |
烤烟、
香料烟 |
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10-10-25 |
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10-16-22 |
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10-16-26 |
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11-15-22 |
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11-16-22 |
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12-10-25 |
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12-12-24 |
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12-15-24 |
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12-6-24 |
贵州省
烟叶
种植区 |
9-10-27 |
高浓度硝硫基复合肥，
硝态氮质量分数30%以上，
氯离子质量分数≤3%，
钾素主要来源为硫酸钾、硝酸钾 |
烤烟 |
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10-10-24 |
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10-11-24 |
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10-10-25 |
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11-11-21 |
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9-12-25 |
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10-15-24 |
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9-13-22 |
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9-13-24 |
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10-10-24 |
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12-12-24 |
四川省
烟叶
种植区 |
10-20-20 |
高浓度硝硫基复合肥，
硝态氮质量分数40%以上，
氯离子质量分数≤3%，
钾素主要来源为硫酸钾、硝酸钾 |
烤烟、
晾晒烟 |
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11-20-20 |
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10-15-25 |
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12-12-25 |
重庆市
烟叶
种植区 |
6-12-25 |
高浓度硝硫基复合肥，
硝态氮质量分数35%以上，
氯离子质量分数≤3%，
钾素主要来源为硫酸钾、硝酸钾 |
烤烟 |
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8-12-25 |
2.2
不同水分含量对缓解复合肥结块的影响
GB/T 15063—2020对高浓度复合肥的技术指标做了规定，如要求水的质量分数≤2.0%。试验通过延长烘干时间等措施，获得了不同含水量的复合肥产品。由图 1可知：在水的质量分数为1.0%以下、1.0%~1.5%条件下，不影响使用的Ⅰ级和Ⅱ级的综合结块率分别为98.4%、91.5%，明显高于CK含水质量分数1.5%~2.0%条件下的81.5%；Ⅲ级和Ⅳ级的综合结块率分别为1.6%、8.5%，未出现Ⅳ级结块，明显低于CK的18.5%，且CK的Ⅳ级结块率达到8.1%。试验结果表明复合肥产品的含水量与结块程度呈正相关的关系，复合肥产品含水量越低，结块程度越轻。
图 1
2.3
不同产品粒度对缓解复合肥结块的影响
通过增设筛分设施来提高筛分效率，获得了不同粒度的复合肥产品。GB/T 15063—2020对高浓度复合肥的技术指标做了规定，要求粒径(1.00~4.75 mm或3.35~5.60 mm)占比≥90%的范围较宽，试验结合生产实际选择粒径2.0 mm以上颗粒占比来分析缓解结块的效果。从图 2可知：在粒径2.0 mm以上颗粒占比95%以上、80%左右的条件下，不影响使用的Ⅰ级和Ⅱ级综合结块率分别为94.8%、86.5%，明显高于CK粒径2.0 mm以上颗粒占比60%左右条件下的70.1%；Ⅲ级和Ⅳ级综合结块率分别为5.2%、13.5%，明显低于CK的29.9%。试验结果表明复合肥粒径、颗粒均匀性与结块程度呈负相关的关系，复合肥粒径越大、均匀性越好，结块程度越轻。
图 2
2.4
不同产品包装温度对缓解复合肥结块的影响
通过增设降温设施来降低环境温度，实现对复合肥产品包装温度的调节。从图 3可知：在常温25 ℃、中温35 ℃包装温度下，不影响使用的Ⅰ级和Ⅱ级综合结块率分别为79.8%、79.6%，明显高于CK高温50 ℃包装温度下的74.8%；Ⅲ级和Ⅳ级综合结块率分别为20.2%、20.4%，明显低于CK的25.3%。试验结果表明复合肥产品包装温度与结块程度呈正相关的关系，复合肥包装温度越低，结块程度越轻。
图 3
2.5
不同产品包装规格对缓解复合肥结块的影响
通过设定产品包装设备形成的不同单位质量，可以获得不同包装质量的复合肥产品。从图 4可知：在20、40 kg/袋包装规格下，不影响使用的Ⅰ级和Ⅱ级综合结块率分别为89.9%、81.8%，明显高于CK 50 kg/袋条件下的74.8%；Ⅲ级和Ⅳ级综合结块率分别为10.2%、18.3%，明显低于CK的25.2%。试验结果表明复合肥产品包装规格与结块程度呈正相关的关系，复合肥单位包装质量越小，结块程度越轻。
图 4
2.6
不同堆码层数对缓解复合肥结块的影响
从图 5可知：在堆码层数12层、18层下，不影响使用的Ⅰ级和Ⅱ级综合结块率分别为88.9%、84.1%，明显高于CK堆码层数24层条件下的74.5%；Ⅲ级和Ⅳ级综合结块率分别为11.1%、15.9%，明显低于CK的25.5%。试验结果表明复合肥产品堆码层数与结块程度呈正相关的关系，复合肥堆码层数越低，下层产品遭受的压力越小，结块程度越轻。
图 5
3
讨论
烟草肥料是烟叶生产的重要物资基础，全国各烟叶种植区域已逐渐形成适应于区域性土壤条件的烟草专用复合肥产品。根据GB/T 15063—2020中技术指标的规定，本文中的烟草专用复合肥总养分(N+P2O5+K2O)质量分数≥ 40%，属于高浓度硝硫基复合肥，具有硝态氮和钾素含量较高，忌用、慎用含氯原料，全部造粒生产等特点，这与烟草的需肥特性和测土配方平衡施肥技术要求密切相关。烟草专用复合肥低氮、高钾的特点，通常要求采用硝酸铵、硝酸钾、硫酸钾、磷酸一铵等原料，原料组分之间形成复盐结晶成为产品结块的内生原因之一。上述结果在曾锐等[11]的研究成果中得到了支撑，在硝基复合肥生产过程中，磷酸一铵与硝酸铵形成NH4H2PO4 ·NH4NO3复盐晶体后，可以提高晶体的致密度和强度，导致产品发生结块。梁虎[3]、靳玄烨等[9]对肥料组成导致结块的内因也进行了研究，表明肥料组成是肥料结块的一个重要影响因素，硝基和尿基复合肥比硫基和磷基复合肥更容易结块；在肥料的内部组成中，吸潮性强的原料更容易使肥料产生结块；如果原料间发生混合，会增强肥料的吸潮性，肥料更容易结块。所以，在生产过程中，必要时进行预处理，需对复合肥内部可能释放出结晶水的反应加以控制。此外，还可以加入防结块剂进行防结块处理，常用的防结块剂有惰性粉末、无机盐、表面活性剂和非表面活性剂等[5]。
在实际生产过程中，一旦开始生产某一养分含量的复合肥产品，也就基本确定了最优的原料组合和使用方式，即基本形成了原料组分导致结块的内因。除了采取优化原料组分和添加防结块剂等措施外，还可以通过优化生产控制条件、仓储管理方式来缓解复合肥结块问题，本文围绕上述方面开展了5个单因素试验。结果发现，烟草专用复合肥中水的质量分数在1.0%以下、1.0%~ 1.5%时，结块程度较轻；在复合肥粒径2.0 mm以上颗粒占比95%以上、80%左右时，即粒径越大、均匀性越好时，结块程度较轻；复合肥包装温度在常温25 ℃、中温35 ℃时，结块程度较轻；复合肥包装规格在20、40 kg/袋时，结块程度较轻；复合肥堆码层数在12、18层时，堆码下层产品遭受压力较小，结块程度较轻，上述试验结果可在已报道的文献中得到理论支撑。文献[9, 11-13]中的研究认为，水分是影响化肥结块最主要的因素，因为水分的存在会导致毛细黏合，产生晶桥而加大颗粒间结合的强度，产品中水分含量越高，相同时间内的结块率就越高。肥料颗粒的形状、大小、均匀程度也是影响肥料结块的重要因素，不含细粉的相对比较大的颗粒，粒子间的接触点将减少，有减轻结块的趋势[5]。包装温度对结块影响特别显著，45 ℃包装的吸湿率约为30 ℃包装的2倍，如果包装时温度过高，溶解在残余水分中的无机盐在冷却时会结晶形成盐桥，特别是对于硝酸铵和含有硝酸铵的复合肥料，要求其贮存温度低于54 ℃[5, 9, 14]。匹配适宜的堆码层数可以达到缓解结块与节约仓储的最佳平衡，提高贮存压力会增加颗粒形变的可能性和颗粒间的接触面积，从而增加结块的可能性，一般易结块的肥料应避免堆得过高[5]。此外，应尽量缩短产品仓储周期，按照“先进先出”的原则进行发货，必要时开展机械松包的人为干预，这些将有效缓解烟草专用复合肥的结块问题。
4
结语
GB/T 15063—2020对高浓度复合肥的技术指标做了规定，水的质量分数≤2%，粒径(1.00~4.75 mm或3.35~5.60 mm)占比≥90%，这些技术指标参数的区间值较为宽泛，有条件的企业可以在此基础上形成更加有效缓解结块的质量指标。本试验结果表明，复合肥结块与产品含水量、包装温度、包装规格、堆码层数呈正相关的关系，而与粒径和颗粒均匀性呈负相关的关系。在复合肥生产和仓储过程中，可以通过优化原料组分、生产控制条件、仓储管理方式来缓解复合肥结块问题，重点需要兼顾到生产效率、物耗、能耗与缓解结块的平衡。建议采取措施控制复合肥中水的质量分数在1.5%以下、粒径范围缩小至2.0~4.5 mm、产品包装温度在35 ℃以下、包装规格在40 kg/袋以下、产品堆码层数不超过18层，以有效地缓解烟草专用复合肥的结块问题。
沪公网安备 31010702007066号