摘要：
掺混肥具有功能多样、生产加工简单、适合测土配方施肥等优点, 但在加工处理或施用过程中存在易离析分层的缺点。结合国内外的实际生产情况, 从原料选择、生产工艺及设备、质量控制等方面介绍了有关掺混肥生产操作及质量控制的关键技术, 以期快速发展掺混肥产品的同时加快质量精准控制的步伐。
Abstract：
Bulk blending fertilizer has the advantages of diverse functions, simple production and processing, suitable for soil testing and formula fertilization. However, it has the disadvantage of easy segregation and stratification during the process of processing or application. Combining with the actual production situation at home and abroad, the key technologies of bulk blending fertilizer production operation and quality control from the aspects of raw material selection, production process and equipment, quality control, etc. is introduced in order to speed up the pace of precise quality control while the bulk blending fertilizer products grow rapidly.
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前言
通过混合固体颗粒原料生产各种掺混肥料(BB肥)实践成功了40多年，目前已成为一些国家肥料销售的主要品种。与复合肥相比，BB肥具有多功能性、生产简单且加工成本低、能更好地保护环境等特点，使用有限数量的基础原料，可以生产出不同养分含量的BB肥，以适应当地的土壤条件并满足植物对养分的需求，避免过量的养分进入环境中。通过保持初级生产过程在营养源处，避免了磷矿等基础原料的多次处理。BB肥运输到各个农业产区，提供各种营养物质，降低了农业生产中的肥料投入成本，为土壤健康、作物健康及人体健康提供了基础。
随着2015年原农业部印发《到2020年化肥使用量零增长行动方案》以及对肥料利用率和改善土壤环境、大气环境、水质环境等要求的不断提高，BB肥愈加受到重视，属于国家允许快速发展的肥料品种之一。与复合肥相比，BB肥的主要缺点是由于各种原料的理化性质不同，在加工处理或施用过程中存在离析分层的风险。美盛农资(北京)有限公司是国内较早(1996年)引进BB肥概念、建设BB肥生产装置并在市场上销售BB肥产品的企业，同时也是国家标准《掺混肥料(BB肥)》(GB/T 21633—2020)的起草单位之一。BB肥生产、质量控制技术看似简单，实则内涵很广。结合国内外BB肥生产技术、质量控制的实际情况及研究成果，本文就原料选择、质量控制要点、生产技术关键要素等方面进行总结，以期为BB肥的发展提供技术支持。
1
原料选择
BB肥产品的质量几乎完全取决于原料，用劣质原料是不可能生产出优质BB肥的。每一种原料都应严格按照确定的规格购买；交货时必须抽检，最好配备独立的检验员并制定检验程序，以确保质量一致；所有的取样和检测应根据国家标准、行业标准、企业标准或与供应商确定的质量指标要求进行。
1.1
化学性能
必须明确每种原料的营养成分，以便于生产不同配方的BB肥。应要求原料供应商提供每批原料的分析证明和检测报告，如果与规定的指标差异显著，应单独储存，并根据实际分析数据调整产品配方。必须确定每种原料的含水量，确保原料之间的相容性。建议安排独立的检验员抽取具有代表性的样本，在使用前完成样品的分析并出具检测报告。
有些原料之间不相容，含有这些原料的混合物质量很差。不同无机固体肥料的兼容性见图 1。
图 1
图 1中不兼容是指混合物会很快变湿并吸收水分，形成液体或浆液，也可能存在安全隐患；硫是可燃的，可与硝酸盐如硝酸铵、硝酸钾、硝酸钠等发生反应。从图 1可以看出，尿素和硝酸铵不能同时使用，因为混合物会很快吸收水分变潮；应避免磷酸二铵与过磷酸钙的混合，防止发生化学反应，导致结块或改变磷酸盐的溶解度；出于安全考虑，应避免将硝酸铵或含有硝酸铵的原料与任何有机物料混合。
1.2
物理性质
就混合而言，最重要的物理性质是粒径分布，必须对这一特性有完整的描述，至少必须指定平均粒径(D50)。理想情况下，还应包括粒度分布指数(GSI)、超大颗粒(如粒径＞4.75 mm)和细粒(如粒径＜1.00 mm)的最大占比。在施肥过程中，肥料颗粒的形状和密度会对施肥效果产生影响。其他需要指明的物理特性包括“自由流动”和“无尘”，还可能包括颗粒强度和抗冲击性。根据实际情况，最好对原料进行适当的防结块和/或防尘处理，在处理过程中原料不应分解。在任何情况下，都应抽取有代表性的样本，并由独立的检验人员进行评估，以进行随机检查。建议在原料交货时取样，并在混合前进行粒度分布测试。
1.2.1
粒度
能否生产出高质量BB肥的关键取决于原料的粒度相容性，除非所有的原料都匹配得很好，否则每次混合处理时都会产生离析，将导致产品养分分布不均匀，进而造成作物对营养物质吸收利用的不均匀。因此，进行掺混搅拌前必须对原料进行全面的粒度分析。粒度分布可用多种方式表示，但都依赖于对原料的筛分分析。在实际操作过程中，可用一些简单的现场测试设备(见图 2) 进行测试，尽管这些设备在测量粒度分布方面的能力是有限的，但对加入搅拌机的原料进行抽查却是非常有用的，许多参数可以从粒度分析中计算出来，如D50和GSI。
图 2
1.2.2
容积密度
原料的容积密度是需要检测和了解的参数，一般是称量一个已知体积的圆柱体的质量，得到松散密度。原料的密度会影响颗粒在储存、掺混及田间扩散过程中的行为，如果不同的原料密度相差很大，混合时就可能会发生严重的离析。原料松散密度一般在900~1 100 kg/m3，极限范围为750~1 350 kg/m3。
1.2.3
颗粒形状
原料颗粒的形状不容易测量，通常需要采用图像分析技术。通过测量由漏斗流出的肥料堆体的休止角，可为颗粒形状提供参考。休止角的范围一般为30°(球形)~40°(角形)。
1.2.4
颗粒强度
原料在处理和扩散过程中可能会受到造成颗粒破碎的应力，如在扩散过程中与叶片的碰撞等，会导致产生小晶粒、小颗粒，并进一步引起发生离析、结块等问题。因此，原料颗粒应具有足够的强度。原料的颗粒强度可采用颗粒强度测定仪进行测定，控制标准为＞20 N/颗(30个颗粒的平均值)。
1.2.5
粉尘(化)率
有些原料会产生大量灰尘，这不仅会引起环境问题，而且增大了肥料的结块风险。目前已经开发出检测粉尘(化)率的设备及方法，但行业内还没有形成标准的测试方法。
1.2.6
流动性
通常情况下，原料应能够自由流动。如果原料出现结块或与水发生反应，其流动性就会降低，给掺混操作带来困难。测量流动性的标准方法：将2 kg原料放置在封闭的孔径为25 mm的标准漏斗中，然后打开漏斗孔，记录原料全部流出漏斗的时间。
1.3
仓储管理
原料必须合理妥善储存，以避免原料内部的离析、交叉污染以及原料质量的下降。原料必须按照合理的流程进行储存并储存在合适的位置，以确保及时准确掌握原料情况。仓储推荐采用水平或开放式布局，有条件的情况下配置输送系统，卸料配置防离析系统。
1.3.1
相对吸湿点及吸湿
有些原料具有吸湿性，可以从潮湿的空气中吸收水分，存放这类原料的仓库应安装空调，或在不使用时覆盖防水材料。原料的临界相对湿度越低，其从空气中吸收的水分就越多。一般来说，磷酸盐(包括磷酸铵盐)具有很高的临界相对湿度，几乎不存在吸湿问题，硝酸盐类(如硝酸钙、硝酸铵等)则恰恰相反。部分肥料和肥料混合物在30 ℃时的临界相对湿度见表 1[1]。
表 1
|
原料 |
临界相对湿度/% |
|
重钙 |
93.6 |
|
磷酸一铵 |
91.6 |
|
磷酸二铵 |
82.5 |
|
硫酸铵 |
79.9 |
|
氯化钾 |
77.0 |
|
尿素 |
74.6 |
|
硝酸钠 |
72.4 |
|
硝酸铵钙 |
61.3 |
|
硝酸铵 |
59.4 |
|
硝酸钙 |
46.7 |
|
磷钾复合肥 |
69.4 |
|
氮磷钾复合肥 |
64.7 |
|
尿素－硝酸铵 |
18.1 |
复合肥料的临界相对湿度在大多数情况下都低于单一原料的，这可以从磷钾复合肥和氮磷钾复合肥的数据中看出。一个极端的例子是由尿素和硝酸铵组成的混合物，这种混合物吸收水分的速率非常快，即使在混合后立即施用，其也无法保持干燥状态。
1.3.2
污染
应避免原料的交叉污染，否则会明显影响原料成分的分析结果及BB肥的质量，尤其是硝酸铵及含有硝酸铵的原料必须远离有机物料。良好的清洁工作对掺混操作是非常重要的，所有泄漏物应及时清理，所有设备应保持清洁，传送带必须保持良好的运行状态以减少原料在传送过程中的泄漏，建议采用特制的溜槽以避免大量灰尘的产生。
2
生产工艺及设备
2.1
BB肥生产工艺流程
BB肥生产工艺流程见图 3，其主要控制节点是计量称重(连续)、搅拌掺混、防离析控制。
图 3
2.2
掺混设备
在BB肥生产中，掺混设备包括称量或比例混合装置，如混合(搅拌)机、包装设备等，且应根据生产能力进行设备选型。
2.2.1
混合(搅拌)设备
混合(搅拌)设备是生产优质掺混产品的决定因素。混合机有不同的设计形式，如旋转滚筒、锥形倾式混合机、内置桨叶的固定式混合机、立式混合机和变速螺杆容积式混合机等。此外，混合可以在不使用搅拌机的情况下进行。在混合过程中，由于每种原料都是根据配方要求按比例送至输送机皮带上，该皮带横断面上物料的营养成分都满足配方设计要求。混合时间是掺混的重要参数，通常在2 min左右，建议不要超过5 min，否则会产生颗粒破碎和混合质量恶化的风险。
混合(搅拌)设备安装后，必须进行充分测试，以确定达到了满意的混合效果(变异系数小于10%)后才能投入运行。
2.2.2
灌包过程防离析
在原料混合后的生产过程中，必须避免出现离析现象，包括提升过程、落料点及落料角度、料仓设计(需要专门的防离析设计)、灌包过程、码放存储及运输装卸整个过程。需要特别注意的是，每个配方的BB肥掺混后及开始灌包前，应根据不同掺混流程评估掺混效果，并提取出前后几包混合不均匀的不合格产品，待系统运行稳定后再把不合格产品由人工逐步少量添加至系统中。
2.3
检测/校准
质量控制的最基本要求是必须保存所有的配方、批记录、质量或体积设置、原料分析和来源的记录，并按照控制程序进行计量称重设备的校准及流速检测。
2.4
运营管理
所有工作人员必须持有完整的书面操作说明，操作程序应制定成文并定期审查。ISO 9000认证并不是必需的，但推荐实施，因为该认证提供了对所有程序的独立评估。
3
质量控制技术研究及实践
3.1
离析及防离析
3.1.1
术语及概念
离析是由于物理特性的不同而导致粒子的分离。要发生离析，粒子之间必须有运动。各种物理特性都可能导致发生离析，但最常见的是颗粒大小、颗粒密度和颗粒形状，这3个属性起着重要的作用，其中颗粒大小是引起流动过程中发生离析的最重要的因素，相对而言颗粒形状是最不重要的。
如上所述，BB肥产品在生产、散装运输和搬运、施用期间都可能发生离析，主要预防措施是避免灌装开始和结束排空时发生颗粒的分离，并确保料斗“自清”。在灌装时，如果物料进入料斗后，较粗的颗粒迁移至外边缘，并形成一个含有过量细粒的物料中心，则表明发生了离析。因灌装产生的离析，在锥形卸料处设置混合装置，通常可以解决此问题。如果灌装时没有发生离析，则排空时很少会发生离析。
在BB肥生产过程中如能较好地应用上述理论及方法，就可以避免产品出现离析，这可以通过原料的合理匹配、料斗的优化设计、料斗和车辆装载方式的适时调整等3种方式实现。
离析的原因是原料物理性质不同导致粒子的物理分离，而物理分离可能引起养分的不均匀分布。离析也可能发生在原料或掺混肥料中，但这不会(或很少)影响化学成分。然而在块状掺混物中，物理离析往往导致化学成分的差异。
3.1.2
流动离析
在储存原料时，必须避免储存堆中的颗粒发生离析。当粒状原料自由下落形成圆锥体或部分圆锥体时，较大的颗粒将倾向于从圆锥体外部流下，而较小的颗粒则留在圆锥体中心附近。如果发生这种情况，储存堆的不同部分之间可能会有相当大的尺寸特征差异，这可能会给掺混操作带来严重影响。原料离析主要是粒度离析，对化学成分影响不大，但会给BB肥带来养分分布不均匀的风险。
3.1.3
运输离析
BB肥在车辆运输过程中不会发生严重的离析，因为运输车辆的振动水平不足以引起肥料的移动。事实上，在运输过程中只有非常小的颗粒(如粒径＜0.5 mm)会在大颗粒之间进行渗透，颗粒粒径超过0.5 mm后，此过程变得非常缓慢，很难对产品产生真正的影响。但需要特别提醒的是，BB肥的包装过于宽松时，在装卸、搬运过程中存在发生离析的可能。
3.2
颗粒粒度对不同配方的养分偏差影响研究
利用六西格玛工具进行试验研究。
试验目的：①寻找不同粒度的原料(氯化钾/硫酸钾)对掺混肥养分偏差的影响及数据关系；②以分析数据为基础，进行BB肥原料的优化。
步骤：确定配方→确定原料→选择氯化钾粒度→掺混→取样→缩分→检测→根据检测数据进行分析→得出数据结论。
分析方法：回归分析、双样本t检验、试验设计(DOE)。
19-19-19产品结论：①19-19-19产品养分偏差与氯化钾粒度有相关性；②分析结果显示，氯化钾粒度为2~4 mm的占比78.08%为最优化指标；③氯化钾粒度2~4 mm是实际检测数据，可以计算平均主导粒径(SGN)、均匀度指数(UI)及粒度分布。
34-0-16产品结论：①34-0-16产品养分偏差与氯化钾粒度有显著的相关性；②分析结果显示，氯化钾粒度为2~4 mm的占比91.06%为最优化指标；③氯化钾粒度2~4 mm是实际检测数据，可以计算SGN、UI及粒度分布；④掺混过程生产能力明显降低，表明34-0-16产品对氯化钾粒度要求很高。
3.3
单一原料及混合产品临界相对湿度的测定
随着肥料技术的创新发展及土壤、作物在养分精准需求方面要求的提高，一些新的物质逐步被添加到单质肥及BB肥中。新物质的加入必然带来物料理化性质的变化，尤其是临界相对湿度的变化。临界相对湿度变化后，会造成物料之间吸湿结块，所以对临界相对湿度的测定成为技术关键点。目前已发现一种测定临界相对湿度的新方法，还有待完善，检测结果示例见图 4。
图 4
3.4
颗粒粉化率
用于生产BB肥的原料越来越多，挤压产品也逐渐增多，在生产、搬运、运输过程中会产生粉尘，而目前颗粒表面粉尘的检测是一个技术盲点。结合饲料行业的案例，与设备制造企业合作寻找到一种检测粉化率的方法，可模拟不同环境下的生产、搬运、运输等过程，对原料、产品进行检测，并可通过对检测数据的分析给出相应的处理措施。
4
国外BB肥控制技术指标
4.1
用于肥料掺混的原料粒度指标
用于肥料掺混的原料粒度指标见表 2。
表 2
|
指标名称 |
参数 |
|
D50/mm |
3.25±0.25 |
|
小颗粒(＜1 mm)占比/% |
0~0.25 |
|
大(粗)颗粒(＞5 mm)占比/% |
0~1 |
|
粒径2.5~4.0 mm占比/% |
90±5 |
|
GSI |
＜18 |
4.2
关于SGN和UI
SGN是指根据质量分数50%以上所在两筛间的物料的平均粒径，其计算方法有图表法、根据尺寸分析数据计算、采用SGN比例尺法估算等3种。
UI是产品中“小”与“大”粒径的比值，用百分数表示。更准确地说，UI是累积分布曲线中95%水平和10%水平对应的大小乘以100的比率。UI最好由数学方法确定。
SGN、UI的计算方法由美盛农资(北京)有限公司引入GB/T 21633—2020中，已得到广泛应用。随着我国肥料出口数量的增加，其他一些肥料(如尿素、磷酸铵、硫酸铵等)也逐渐使用SGN、UI作为颗粒粒度的技术指标。
5
结语
虽然BB肥生产工艺很简单，但是具有很高的技术含量, 并不容易生产出高质量的产品。随着化肥市场的竞争日益激烈，对肥料的质量要求也越来越高。技术进步是保证质量提升的前提，在借鉴国外精准的质量控制技术的同时，应根据国内的实际情况不断进行完善和提高。
国家政策、土壤和大气环境、作物需求、粮食安全等各方面的要求，都会落在“精准控制”上，肥料的发展亦是如此。BB肥作为主要发展的肥料品种，在快速发展的同时还需要加快质量精准控制的步伐，不断提升BB肥生产操作及质量控制技术已势在必行。
沪公网安备 31010702007066号