不同工艺生产的颗粒复合肥料孔隙情况分析

Analysis of Porosity in Granular Compound Fertilizers Produced by Different Processes

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2025.06.009

李长英 Changying LI , 何耀 Yao HE , 袁宸 Chen YUAN , 廖永波 Yongbo LIAO , 赵军辉 Junhui ZHAO , 白付明 Fuming BAI

1 贵州西洋实业有限公司贵州息烽 551107 Guizhou Xiyang Industry Co., Ltd., Xifeng, Guizhou 551107, China 2 上海化工研究院有限公司上海 200062 Shanghai Research Institute of Chemcial Industry Co., Ltd., Shanghai 200062, China

Author notes:

Correspondence to: 何耀(1986—)，男，工程硕士，经济师，从事肥料行业经济发展研究、标准制定、新型肥料研究；heyao7788@126.com

摘要：

为考察不同工艺生产的颗粒复合肥料的孔隙情况，开展了试验研究。试验随机选取团粒法、料浆法、熔体法、流变法等4种工艺生产的11种颗粒复合肥料样品，以煤油为溶剂，通过浸渍称重法检测吸油率。结果表明：不同工艺生产的颗粒复合肥产品的吸油率存在差异；流变法生产的Z-4样品的吸油率最高(9.44%)，料浆法生产的L-1样品的吸油率最低(1.04%)。根据吸油率能够快速判断肥料孔隙情况，可为工艺改进、产品开发提供技术支持。

关键词：

复合肥料; 颗粒复合肥料; 针状肥; 浸渍称重法; 孔隙; 吸油率;

Abstract：

To investigate the porosity of granular compound fertilizers produced by different processes, an experimental study is conducted. Eleven granular compound fertilizer samples, randomly selected from those produced by four distinct processes, including agglomeration process, slurry concentration process, melt process, and rheology process, are tested. Kerosene is used as the immersion solvent, and the oil absorption rate is determined using the immersion weighing method. The results indicate that the oil absorption rates vary among granular compound fertilizer products from different processes. The Z-4 sample, produced by the rheology process, shows the highest oil absorption rate (9.44%), whereas the L-1 sample, produced by the slurry concentration process, shows the lowest rate (1.04%). These results demonstrate that oil absorption rate provides a rapid way to assess fertilizer porosity, offering valuable technical support for process optimization and product development.

Keyword：

compound fertilizer; granular compound fertilizer; acicular fertilizer; immersion weighing method; pore; oil absorption rate;

1 复合肥料概述

复合肥料是指氮、磷、钾三种养分中，至少有两种养分标明量的由化学方法和(或)物理方法制成的肥料^[1]。复合肥料具有养分含量高、副成分少且物理性状好等优点，对平衡施肥、提高肥料利用率、促进作物高产稳产有十分重要的作用^[2]。根据国家统计局的数据，2023年我国复合肥料的施用量达到24 010 kt(折纯)，占农用化肥施用总量的47.8%；2023年我国复合肥料产量约为57 000 kt，产能总规模达200 Mt/a以上，其中产能在1 000 kt/a以上的70余家生产企业的合计产能约为100 Mt/a^[3]。作为农业大国，我国每年需要生产和施用大量的复合肥料，复合肥料对我国农业发展起着重要的支撑作用。

1.1 复合肥料生产工艺分类

复合肥料生产工艺一般可分为团粒法、料浆法、熔体法和挤压法等^[4]。团粒法是指一定细度的固体基础肥料在适宜的液相存在条件下，通过机械搅动促使粒子在不断运动下，物料间相互碰撞、挤压、滚动使其紧密而成型，团聚黏附成粒的工艺方法。料浆法是指在复合肥料生产中进入造粒系统的物料全部或者大部分以料浆形式加入的工艺方法；料浆可以是磷酸、硝酸、硫酸或某种混合酸与氨的反应产物；在这类工艺中，可以把部分固体氮源、钾盐均匀加入到料浆中，也可以直接与返料一起加入到造粒机中造粒制成颗粒复合肥料。熔体法是指含水量很低且可流动的含或不含固体的熔体通过喷杯或类似装置形成液滴，然后冷却凝结固化成颗粒，或熔体喷入返料粒子上，在细小的粒子表面涂布或粘接成符合要求的颗粒的工艺方法。挤压法是指利用机械外力的作用使粉状基础肥料成粒的工艺方法。

除了上述4种主要的生产工艺以外，行业内很多企业也在不断研发新的生产工艺，如贵州西洋实业有限公司研发的流变法(rheology process)。流变法是基于流变学原理，通过对固体基础肥料施加一定的剪切力，使其克服自身的屈服应力，形成具有剪切稀化特性的流动状态，最后经孔板挤出成粒的工艺方法。流变法与现有的熔体法和挤压法都存在明显的差异，通过该工艺生产出来的复合肥料产品在外观上呈细长、针状或圆柱状，因此在行业内被称为“针状肥”。

复合肥料产品因养分配比和生产原料不同，与各生产工艺的适配性有一定差异，甚至有些养分配比的产品只能通过特定工艺生产。因此，不同工艺生产出的产品在溶解速率和孔隙情况等方面存在差异。

1.2 复合肥料溶解速率与孔隙情况

随着农业生产向绿色化、节能化、高效化的方向快速发展^[5]，对复合肥料产品的要求不断提高，其中就涵盖了对复合肥料溶解速率的要求。

1.2.1 溶解速率

不同的种植场景对复合肥料溶解速率的需求不同，因此在研究时应考虑溶解速率快和溶解速率慢两种情况。

复合肥料溶解速率快的优势：

(1) 快速补充养分。针对作物对养分的实际需求，特别是在需肥量大的生长时间点，施用溶解速率快的复合肥料，作物可较快获得生长所需的大量元素，更有利于作物生长。

(2) 提升施肥效率。可以缩短溶解等待时间，同时也更适合与相应的农业设施(如水肥一体化设施)配合使用。

(3) 增强肥料的可销售性。快速溶解的复合肥料更符合传统的种植管理和习惯，基本无需改变用户原有的施肥方案，也无需考虑养分释放周期等问题。

复合肥料溶解速率慢的优势：

(1) 长效提供养分。溶解速率慢的复合肥料能够缓慢提供养分，起到长效的作用。

(2) 提升养分利用率。溶解速率慢的复合肥料能减少养分随雨水流失，有利于提升养分的利用率。

(3) 节省劳动力和成本。对于部分种植场景，施用溶解速率慢的复合肥料能够延长养分释放周期，减少施肥次数，从而节省施肥所需的劳动力和成本。

目前也有将溶解速率快的复合肥料与溶解速率慢的复合肥料按一定比例掺混后施用，这样能够兼具两方面的优势，更好地满足作物在不同生长时期对养分的需求。

1.2.2 孔隙与溶解速率

复合肥料通常是由无机盐类组成，影响其溶解速率的因素很多，主要包括原料组成、温度、浓度、颗粒粒径、颗粒表面积和搅拌混合强度等，其中颗粒粒径和颗粒表面积共同决定了溶质(肥料)与溶剂(水)的总接触面积。总接触面积越大，肥料溶解速率越大。一般而言，单个肥料颗粒的粒径越小，总接触面积越大；单个肥料颗粒的表面积受颗粒粒径和孔隙情况等影响。

在颗粒粒径基本一致的条件下，复合肥料颗粒的孔隙情况直接影响其表面积。颗粒的表面积等于外表面积与内表面积之和，颗粒内部孔隙的增加可以显著增大颗粒的内表面积，从而增大颗粒的表面积，进而加快其溶解速率。孔隙情况和溶解速率的正相关现象在食品行业，尤其是在速溶咖啡、速溶豆粉的加工研究中已被证实，研究人员甚至通过增加初始孔隙的方法提升冷冻干燥的效率，生产出满足快速溶解要求的速溶产品^[6-8]。因此，在假设其他条件都相同的情况下，肥料颗粒的孔隙越多、越复杂，与水接触的总面积就越大，溶解的速率也越快。

颗粒复合肥料产品在生产过程中必然会产生一定量的孔隙，主要原因包括：①不同物料在相互碰撞、挤压、团聚黏附成粒过程中形成的物料间的孔隙；②造粒颗粒在烘干、冷却过程中，逸出气体后产生的孔隙等。即使在生产原料完全一致的情况下，不同工艺生产出的颗粒复合肥料产品的孔隙情况仍存在差异。

现有的孔隙检测方法主要运用于地质学、材料科学、土木工程等领域，可分为非破坏性检测和破坏性检测。非破坏性检测包括超声波检测、X射线检测、CT扫描、红外热成像等；破坏性检测包括密度测量、压汞法、浸渍称重法等。考虑到复合肥料产品的特性，要求孔隙检测方法具备便捷性、快速性、易操作、低成本等特点。根据复合肥料易溶于水、不溶于油的特性，本文采用浸渍称重法对市场上流通的不同工艺生产的部分颗粒复合肥料产品进行了检测，以期通过复合肥料吸油情况(即吸油率指标)来反映其孔隙情况。

2 材料与方法

2.1 供试材料

供试肥料：随机选取采用团粒法、料浆法、熔体法、流变法生产的11种颗粒复合肥料产品，具体规格见表 1。

表 1

供试复合肥料规格

生产工艺	肥料编号	产品规格(N-P₂O₅-K₂O)
团粒法	T-1	氯基16-16-16
	T-2	硫基15-15-15
熔体法	R-1	25-10-16
	R-2	17-17-17
	R-3	25-7-8
料浆法	L-1	16-16-16
	L-2	15-15-15
流变法	Z-1	氯基25-5-10
	Z-2	硫基13-5-28
	Z-3	硫基22-8-10
	Z-4	17-17-17

供试溶剂：煤油，CAS登录号8008-20-6。

供试设备：ME204E型电子天平，精度0.000 1 g，梅特勒-托利多(上海)有限公司；FY-1型真空泵，温岭市飞越机电有限公司；4号玻璃坩埚式滤器，容积30 mL。

2.2 试验方法

每次检测需平行测定2份试样，吸油率数值取平均值。具体操作步骤：称量4号玻璃坩埚式滤器的质量(m₁)，精确至0.000 1 g；在4号玻璃坩埚式滤器中直接称量试样的质量(m₂)，精确至0.000 1 g；将装有试样的4号玻璃坩埚式滤器安装在抽滤瓶上方；在清洁干燥的50 mL烧杯中称取约10 g煤油；将煤油缓慢倒入装有试样的4号玻璃坩埚式滤器中，使试样完全浸泡在煤油中并静置5 min，其间会有少量煤油滴落至抽滤瓶中，属正常现象；启动真空泵抽滤约8 min，确保无煤油从玻璃坩埚式滤器滴落；取出抽滤后的4号玻璃坩埚式滤器并称量(m₃)，精确至0.000 1 g。

吸油率x按式(1)计算：

图 1

$ x=\frac{m_3-m_1-m_2}{m_2} \times 100 \% $

式中：x——吸油率，%；

m₁——4号玻璃坩埚式滤器的质量，g；

m₂——试样质量，g；

m₃——抽滤后4号玻璃坩埚式滤器及试样的质量，g。

3 结果与分析

供试复合肥料的吸油率计算结果见表 2。

表 2

供试复合肥料的吸油率

生产工艺	肥料编号	m₁/g	m₂/g	m₃/g	吸油率/%	平均吸油率/%
团粒法	T-1	34.408 2	10.052 0	45.086 0	6.23	6.37
		34.412 5	10.013 0	45.077 7	6.51
	T-2	34.569 8	10.067 6	44.872 9	2.34	2.13
		34.592 9	10.100 1	44.886 9	1.92
熔体法	R-1	34.137 4	10.073 4	44.555 9	3.43	3.69
		34.064 2	10.051 0	44.512 1	3.95
	R-2	35.039 9	10.054 6	45.596 6	4.99	5.06
		21.303 4	10.037 9	31.855 8	5.13
	R-3	37.501 1	10.037 2	47.808 9	2.70	2.61
		35.378 5	10.029 5	45.660 8	2.52
料浆法	L-1	34.320 9	10.023 0	44.436 0	0.92	1.04
		34.278 5	10.051 4	44.446 5	1.16
	L-2	37.483 9	10.002 8	47.826 6	3.40	3.41
		35.348 3	10.008 2	45.698 4	3.42
流变法	Z-1	37.117 4	10.012 1	47.877 7	7.47	7.66
		35.088 5	10.029 3	45.906 3	7.86
	Z-2	37.296 0	10.020 3	47.779 5	4.62	4.60
		35.258 3	10.018 9	45.737 1	4.59
	Z-3	34.869 7	10.113 3	45.630 3	6.40	6.15
		21.159 7	10.120 4	31.877 6	5.90
	Z-4	37.122 8	10.015 0	48.158 0	10.19	9.44
		35.090 1	10.012 6	45.973 6	8.70

不同工艺肥料试样的吸油率见图 1。从图 1可以看出，团粒法产品的平均吸油率为2.13%~6.37%，熔体法的为2.61%~5.06%，料浆法的为1.04%~3.41%，流变法的为4.60%~9.44%。Z-4试样的吸油率最大，达到了9.44%；L-1试样的吸油率最小，仅为1.04%。这表明，各试样间的吸油率存在较明显的差异。

图 1

不同工艺的肥料试样吸油率

4 结语

随着我国农业绿色化、低碳化、高效化的发展，以及国家“减肥增效”等相关政策的出台，对复合肥料产品的功能性要求也日益提高，复合肥料产品的溶解速率将成为一个重要的关注点，复合肥料产品的孔隙情况也将成为研究的内容之一，相关检测方法的开发是必不可少的技术支撑。根据本文提出的吸油率指标，可有效、简便地对颗粒复合肥料的孔隙情况进行快速判断，并辅助评价复合肥料产品的溶解速率，有助于指导生产企业工艺改进、开发不同溶解速率的复合肥料产品。

ckwx 参考文献

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