一种矿物缓释肥及其制备方法与流程

1.本发明涉及肥料领域，特别涉及一种矿物缓释肥及其制备方法。


背景技术：

2.施用化肥是在农业生产中的关键环节，影响着农产品的产量和质量。但是目前农业生产中化肥使用不当问题严重，导致化肥利用率低成为了一种普遍问题，而且也造成了水体富营养化、氮氧化物排放量增加等环境问题。为此，研发和改良肥料的特性和生产工艺，提高化肥中营养成分的利用率是农业生产中的研究热点。
3.缓释肥料是一种养分释放速率慢、释放模式满足植物生长周期需要的新型肥料。与传统化肥相比，缓释肥料中营养元素释放慢，可以有效减少因降水或者灌溉造成的养分流失，肥效持续时间更长，营养成分利用率更高，降低了施用成本，而且也减少了因养分流失造成的环境问题，环境污染小。因此，缓释肥料是改善和解决现下化肥利用率低这一问题的新思路和途径。
4.例如，cn104262005a公开了一种轻质多孔颗粒缓释肥料的制备方法，以crt屏玻璃粉、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、硫酸钾、硫酸三钾、氯化钾、氯化钾为原料，通过压制成型、高温煅烧得到了一种轻质多孔缓释肥料。现有的缓释肥料主要是包膜型缓释肥料、化学型缓释肥料和生物化学型缓释肥料。包膜型肥料将一层或者多层水溶性膜材料涂覆于肥料表面，减缓水分进入肥料内核，从而达到养分缓慢释放的目的。这种材料由于外层的薄膜较薄、稳定性差，运输过程中易损坏包膜，从而破坏其缓释性能。此外，膜材料大多为高分子材料，制造成本较高。化学型缓释肥是通过化学反应将尿素等肥料与聚合物进行缩聚和加聚形成，水溶解性较差，因此具有缓释作用，主要是缩醛类肥料。这类肥料是最早应用于生产实践的缓释肥料，也是目前施用量最大的肥料之一。但是缩醛类肥料同样面临生产成本高的问题，而且用到了甲醛等有机物质，易产生废水废弃排放。生物化学型缓释肥料通过脲酶抑制剂和硝化抑制剂来降低微生物活性，从而减缓尿素的分解速率，使尿素的有效期延长，减少氮素损失，提高尿素氮利用率。但是硝化抑制剂由于成本高、环境友好性差等原因，难以广泛使用。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种矿物缓释肥及其制备方法。本发明提供的矿物缓释肥能够降低成本，安全环保，而且稳定性强，肥效期长。
6.本发明提供了一种矿物缓释肥的制备方法，包括以下步骤：
7.a)混料：将物料混合，得到混合料；
8.所述物料包括以下质量份的组分：
[0009][0010]
其中，所述预处理粉煤灰为等离子体预处理粉煤灰，通过以下方式获得：
[0011]
将粉煤灰放于等离子体反应釜中预处理10～40min，得到预处理粉煤灰；
[0012]
所述等离子体处理的功率为40～90w，处理气体为氧气，处理气体的流量为20～60l/min；
[0013]
b)成球造粒：
[0014]
将所述混合料成球造粒，得到球状粒料；
[0015]
c)蒸汽养护：
[0016]
将所述球状粒料进行蒸汽养护，得到球状粉煤灰基矿物缓释肥。
[0017]
优选的，所述步骤c)具体包括：
[0018]
将所述球状粒料放置于初始温度为60～100℃、相对湿度为80％～96％的蒸汽养护箱中，以20～30℃/h的升温速率升至目标温度95～110℃后，恒温蒸养12～24h，得到球状粉煤灰基矿物缓释肥。
[0019]
优选的，所述预处理粉煤灰的制备中，所采用粉煤灰原料的粒度为≥10μm。
[0020]
优选的，所述普通硅酸盐水泥为p.o 42.5普通硅酸盐水泥。
[0021]
优选的，所述步骤b)中，所述成球造粒在圆盘成球机中进行。
[0022]
优选的，所述圆盘成球机的直径为2m，倾斜角度为30～60
°
，转速为25～40r/min，成球时间为0.5～1h。
[0023]
优选的，利用圆盘成球机进行造粒的过程中，不断喷洒水，所喷洒的水量为所述混合料质量的5％～12％。
[0024]
优选的，所述步骤a)中，所述混料在混料机中进行。
[0025]
优选的，所述混料的转速为20～30rpm，时间为15～30min。
[0026]
本发明还提供了一种上述技术方案中所述的制备方法制得的矿物缓释肥。
[0027]
本发明提供的矿物缓释肥为球状粉煤灰基矿物缓释肥，由预处理粉煤灰、膨润土、普通硅酸盐水泥、尿素、磷酸氢二铵、脱硫石膏和水制得，是一种比表面积大的球形固体肥料，其表面孔道内负载了丰富的营养成分，可以优先释放，而球形肥料内部化学结合的肥料后续释放，达到逐步释放肥力的效果，减少了因降水等因素造成的养分流失，同时也能够长效保持肥力，满足植物生长周期内营养元素的需要。同时，本发明缓释肥中，除了含有氮磷这两种常见的营养元素之外，还含有硅、钙、钾、镁等矿物元素，能够给予植物更加全面的营养供给，提高作物的产量和质量。其中，粉煤灰经氧等离子预处理后，其含有的矿物元素更容易溶出及释放，同时能够更好地吸附和固定营养成分。并且，该粉煤灰基缓释肥是疏松多
孔的球体，肥料质轻、内部孔道丰富，可以起到降低土壤容重，增强根系呼吸作用，减少土壤板结的作用。另外，本发明采用粉煤灰、脱硫石膏等工业固废为主要原料，实现了一种工业废物资源化和高值化利用，为解决大宗工业固废提供了一条新的思路。
[0028]
试验结果表明，堆积密度在1g/cm3以下，空隙率在42％以上，比表面积在15m2/g以上；尿素残留差异率达到93％以上、展现出高稳定性；28天累积养分释放率在55％以下，肥效期明显提升。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0030]
图1为本发明制备矿物缓释肥的生产装置示意图。
具体实施方式
[0031]
本发明提供了一种矿物缓释肥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0032]
a)混料：将物料混合，得到混合料；
[0033]
所述物料包括以下质量份的组分：
[0034][0035]
其中，所述预处理粉煤灰为等离子体预处理粉煤灰，通过以下方式获得：
[0036]
将粉煤灰放于等离子体反应釜中预处理10～40min，得到预处理粉煤灰；
[0037]
所述等离子体处理的功率为40～90w，处理气体为氧气，处理气体的流量为20～60l/min；
[0038]
b)成球造粒：
[0039]
将所述混合料成球造粒，得到球状粒料；
[0040]
c)蒸汽养护：
[0041]
将所述球状粒料进行蒸汽养护，得到球状粉煤灰基矿物缓释肥。
[0042]
关于步骤a)：混料。
[0043]
本发明中，所述物料包括以下质量份的组分：
[0044][0045][0046]
按照本发明，所述预处理粉煤灰为等离子体预处理粉煤灰，通过以下方式获得：将粉煤灰放于等离子体反应釜中预处理10～40min，得到预处理粉煤灰；所述等离子体处理的功率为40～90w，处理气体为氧气，处理气体的流量为20～60l/min。
[0047]
其中：
[0048]
所采用的粉煤灰原料的粒度优选为≥10μm。在上述粒径下，粉煤灰金属含量更低，保证了肥料的安全性。
[0049]
所述等离子反应釜为氧等离子反应釜，利用高压电离氧气，产生大量的等离子体。所述等离子反应釜主要有线圈、阴极、阳极和真空泵组成，参见图1。其中，阴极采用高导电率的金属材料或者非金属材料；阳极采用高导电率、高导热率和抗氧化的金属材料。反应釜内部含水冷系统，用于冷却阴阳两极。
[0050]
所述功率具体可为40w、50w、60w、70w、80w、90w，更优选为60w。所述处理气体的流量具体可为20l/min、30l/min、40l/min、50l/min、60l/min，更优选为40l/min。所述预处理的时间具体可为10min、20min、30min、40min，更优选为20min。本发明将粉煤灰经上述等离子体处理后，粉煤灰表面碱性基团增多，有利于后续成球过程中的水化反应，利于后续肥料成型，同时碱性基团的增多也利于跟磷酸氢二铵结合；除此之外，经过氧等离子体处理后的粉煤灰中硅钙钾镁等矿物质元素更加容易溶出，增加了矿物肥的有效含量。
[0051]
本发明中，所述预处理粉煤灰的用量为85～90份，具体可为85份、86份、87份、88份、89份、90份。
[0052]
按照本发明，所采用的原料还包括膨润土。本发明中，所述膨润土的用量为3～5份，具体可为3.0份、3.5份、4.0份、4.5份、5.0份。
[0053]
按照本发明，所采用的原料还包括普通硅酸盐水泥。本发明中，所述普通硅酸盐水泥优选为p.o 42.5普通硅酸盐水泥。本发明中，所述普通硅酸盐水泥的用量为3～5份，3.0份、3.5份、4.0份、4.5份、5.0份。
[0054]
按照本发明，所采用的原料还包括尿素。本发明中，所述尿素的用量为0.2～3.5份，具体可为0.2份、0.5份、1.0份、1.5份、2.0份、2.5份、3.0份、3.5份。
[0055]
按照本发明，采用的原料还包括磷酸氢二铵。本发明中，所述磷酸氢二铵的用量为0.2～4份，具体可为0.2份、0.5份、1.0份、1.5份、2.0份、2.5份、3.0份、3.5份、4.0份。
[0056]
按照本发明，采用的原料还包括脱硫石膏。本发明中，所述脱硫石膏的用量为1～3份，具体可为1.0份、1.5份、2.0份、2.5份、3.0份。
[0057]
按照本发明，采用的原料还包括水。本发明中，所述水的用量为8～15份，具体可为
8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份。
[0058]
按照本发明，将以上物料混合，得到混合料。本发明中，所述混合优选在混料机中进行；所述混料机优选为卧式混合机，参见图1，所有物料一起在卧式混合机中混合，混合完毕后进行下方螺旋给料机，再由斗式提升机输送至下一环节。本发明中，所述混合的转速优选为20～30rpm，具体可为20rpm、21rpm、22rpm、23rpm、24rpm、25rpm、26rpm、27rpm、28rpm、29rpm、30rpm。所述混合的时间优选为15～30min，具体可为15min、20min、25min、30min。经以上混料后，得到混合料。
[0059]
关于步骤b)：成球造粒。
[0060]
本发明中，所述成球造粒优选在圆盘成球机中进行，所述圆盘成球机结构参见图1。本发明中，所述圆盘成球机的直径为2m，倾斜角度为30～60
°
，该角度可调，具体可为30
°
、40
°
、50
°
、60
°
。本发明中，所述成球盘的转速优选为25～40r/min，具体可为25r/min、30r/min、35r/min、40r/min。成球的时间优选为0.5～1h，具体可为0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h、1h。成球盘下侧另有喷水口，所述喷水口尺寸具体可为50
×
50cm，用于定时喷洒水；本发明中，所喷洒的水量为所述混合料质量的5％～12％，具体可为5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％。圆盘成球机最下侧开口另设溜槽用于出料，出料由皮带机输送至下一环节。通过上述成球造粒，得到球状粒料。
[0061]
关于步骤c)：蒸汽养护。
[0062]
本发明中，对所述球状粒料进行蒸汽养护，从而得到球状粉煤灰基矿物缓释肥。本发明中，所述蒸汽养护在蒸汽养护箱/蒸汽养护室中进行；所述蒸汽养护箱主要由显示屏、电磁阀、加热管、支架、水箱和控制系统组成。
[0063]
优选的，将所述球状粒料放置于初始温度为60～100℃、相对湿度为80％～96％的蒸汽养护箱中，以20～30℃/h的升温速率升至目标温度95～110℃后，恒温蒸养12～24h，得到球状粉煤灰基矿物缓释肥。
[0064]
其中，所述初始温度具体可为60℃、70℃、80℃、90℃、100℃；所述相对湿度具体可为80％、85％、90％、96％，更优选为90％。所述升温速率具体可为20℃/h、21℃/h、22℃/h、23℃/h、24℃/h、25℃/h、26℃/h、27℃/h、28℃/h、29℃/h、30℃/h；所述目标温度具体可为95℃、96℃、97℃、98℃、99℃、100℃、101℃、102℃、103℃、104℃、105℃、106℃、107℃、108℃、109℃、110℃；加热功率优选为3～8kw，具体可为3kw、4kw、5kw、6kw、7kw、8kw，更优选为4kw。所述恒温蒸养的时间具体可为12h、14h、16h、18h、20h、22h、24h。
[0065]
在上述蒸汽养护过程中，粉煤灰、水泥和膨润土通过水化反应形成网络状的胶凝状态，后逐渐硬化，形成一定硬度的球形缓释肥；水化反应过程中，物料中含有丰富的硅酸盐，这些硅酸盐和磷酸盐、尿素产生复合作用，有利于成分的稳定，同时也提高了难溶和缓释的性能。经上述蒸养后，自然降温是室温，出料，得到球状粉煤灰基矿物缓释肥。
[0066]
本发明上述制备方法优选在粉煤灰基缓释肥生产装置上进行，所述粉煤灰基缓释肥生产装置包括依次连接的：氧等离子反应釜、卧式混合机、成秋机和蒸汽养护箱，结构参见图1。粉煤灰经氧等离子反应釜的等离子预处理后，送入卧式混合机中，并加入其它原料，在卧式混合机中进行混合，混合完毕后进入下方螺旋给料机，再由斗式提升机输送至成球机中，在成球机中成球后，从下侧开口出料，由皮带输送至蒸汽养护箱内进行蒸养，蒸养完后，自然降至室温，出料，得到球状粉煤灰基矿物缓释肥。
[0067]
本发明还提供了一种上述技术方案中所述的制备方法制得的矿物缓释肥。
[0068]
本发明制得的球状粉煤灰基矿物缓释肥是一种球形的固体肥料，其密度为2.1～2.4g/cm3，空隙率40.7％～46.9％，比表面积23～28m2/g，因此具有质轻、孔隙发达等优势。
[0069]
本发明提供的球状粉煤灰基矿物缓释肥，由预处理粉煤灰、膨润土、普通硅酸盐水泥、尿素、磷酸氢二铵、脱硫石膏和水制得，其中，尿素和磷酸二氢铵作为主要营养物质，提供氮磷元素。尿素和磷酸氢二铵通过物理和化学作用结合在肥料球体中，一方面在生产过程中发生原料之间发生化学反应，使得尿素和磷酸氢二铵能够通过化学键固定在肥料内部，另一方面由于肥料表面含有丰富的孔道结构，部分尿素和磷酸氢二铵也会通过物理吸附作用负载在肥料表面的孔道中。当粉煤灰缓释肥在使用过程中，首先物理吸附在肥料表面孔道内的营养元素会首先会缓慢释放出来，当孔道内营养元素含量较低时，通过化学结合作用固定在肥料内部的营养元素也会逐步释放。
[0070]
与现有技术相比，本发明提供的球状粉煤灰基矿物缓释肥具有以下有益效果：
[0071]
1、传统化肥中营养元素容易流失，而本发明的粉煤灰基矿物缓释肥能够通过缓慢释放氮磷钾等有效营养元素，减轻了土壤养分流失。
[0072]
2、传统化肥大多只有氮磷钾这三种主要的营养元素，忽略了硅、钙、钾、镁等矿物质元素的补充。而本发明中的粉煤灰基矿物缓释肥中含有丰富的硅、钙、钾、镁、锌、钼、铜、锰等矿物元素，也是植物生长所必需元素。
[0073]
3、传统肥料大多为粉末状固体，而本发明中的粉煤灰缓释肥是一种疏松多孔的球体，可以提高土壤孔隙度，降低土壤容重，减少土壤板结，增强土壤的通透度。
[0074]
本发明提供的球状粉煤灰基矿物缓释肥是一种比表面积大的球形固体肥料，其表面孔道内负载了丰富的营养成分，可以优先释放，而球形肥料内部化学结合的肥料后续释放，达到逐步释放肥力的效果，减少了因降水等因素造成的养分流失，同时也能够长效保持肥力，满足植物生长周期内营养元素的需要。同时，本发明缓释肥中，除了含有氮磷这两种常见的营养元素之外，还含有硅、钙、钾、镁等矿物元素，能够给予植物更加全面的营养供给，提高作物的产量和质量。其中，粉煤灰经氧等离子预处理后，其含有的矿物元素更容易溶出及释放，同时能够更好地吸附和固定营养成分。并且，该粉煤灰基缓释肥是疏松多孔的球体，肥料质轻、内部孔道丰富，可以起到降低土壤容重，增强根系呼吸作用，减少土壤板结的作用。另外，本发明采用粉煤灰、脱硫石膏等工业固废为主要原料，实现了一种工业废物资源化和高值化利用，为解决大宗工业固废提供了一条新的思路，具有显著的经济效果和环保效益。
[0075]
试验结果表明，本发明提供的球状粉煤灰基矿物缓释肥，堆积密度在1g/cm3以下，空隙率在42％以上，比表面积在15m2/g以上；尿素残留差异率达到93％以上、展现出高稳定性；28天累积养分释放率在55％以下，肥效期明显提升。
[0076]
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。以下实施例中，粉煤灰原料的粒度如前文所述。
[0077]
实施例1
[0078]
1、原料：
[0079][0080]
其中，预处理粉煤灰为等离子体预处理粉煤灰，通过以下方式获得：将粉煤灰放于等离子体反应釜中预处理20min，得到预处理粉煤灰；
[0081]
所述等离子体处理的功率为60w，处理气体为氧气，处理气体的流量为40l/min。
[0082]
2、制备：
[0083]
粉煤灰经等离子处理得到预处理粉煤灰后，送入卧式混合机中，同时，其它原料也送入卧式混合机中，于25rpm混合25min，得到混合料。混合料进入下方螺旋给料机，再由斗式提升机输送至圆盘成球机中，圆盘成球机的直径为2m，倾斜角度为40
°
，转速为30r/min，成球0.5h，期间盘水口定时洒水，喷水总量为混合料质量的10％，成球完毕，出料，得到球状粒料。球状粒料由皮带机输送至蒸汽养护箱，初始温度为80℃、相对湿度为90％，以25℃/h升至100℃，恒温蒸养18h，然后自然降至室温，得到球状粉煤灰基矿物缓释肥。
[0084]
实施例2
[0085]
1、原料：
[0086][0087]
其中，预处理粉煤灰为等离子体预处理粉煤灰，通过以下方式获得：将粉煤灰放于等离子体反应釜中预处理10min，得到预处理粉煤灰；
[0088]
所述等离子体处理的功率为90w，处理气体为氧气，处理气体的流量为60l/min。
[0089]
2、制备：
[0090]
按照实施例1的过程进行，不同的是：蒸汽养护步骤中，初始温度为60℃、相对湿度为80％，目标温度为95℃，养护24h。
[0091]
实施例3
[0092]
1、原料：
[0093][0094]
其中，预处理粉煤灰为等离子体预处理粉煤灰，通过以下方式获得：将粉煤灰放于等离子体反应釜中预处理40min，得到预处理粉煤灰；
[0095]
所述等离子体处理的功率为40w，处理气体为氧气，处理气体的流量为20l/min。
[0096]
2、制备：
[0097]
按照实施例1的过程进行，不同的是：蒸汽养护步骤中，初始温度为100℃、相对湿度为96％，目标温度为110℃，养护12h。
[0098]
对比例1
[0099]
按照实施例1实施，不同的是：粉煤灰不进行氧等离子体预处理。
[0100]
对比例2
[0101]
按照实施例1实施，不同的是：对粉煤灰进行等离子处理时，将氧气替换为空气。
[0102]
对比例3
[0103]
按照实施例1实施，不同的是：蒸汽养护步骤中，初始温度为40℃、相对湿度为50％，目标温度为80℃。
[0104]
对比例4
[0105]
按照实施例1实施，不同的是：蒸汽养护步骤中，相对湿度为50％，目标温度为120℃。
[0106]
实施例4：测试
[0107]
对实施例1～3及对比例1～4所得肥料进行各项性能测试，结果参见表1。其中，稳定性的测试参照hg/t 4135-2010《稳定性肥料》尿素残留差异率；尿素残留差异率越大，代表稳定性越高。肥效期的测试参照gb23348-2009《缓释肥料》中28天累积养分释放率；释放率越低，代表肥效期越长。
[0108]
表1实施例1～3及对比例1～4所得肥料的性能测试结果
[0109][0110]
由表1测试结果可以看出，本发明实施例1～3所得缓释肥的堆积密度在1g/cm3以下，空隙率在42％以上，比表面积在15m2/g以上；尿素残留差异率达到93％以上、展现出高稳定性；28天累积养分释放率在55％以下，肥效期明显提升。与对比例1～4相比，本发明实施例1～3的各项性能明显提升，其中，与对比例1-2的效果对比证明，本发明对粉煤灰进行等离子处理且进行氧等离子处理，能够有效提升肥料的稳定性和肥效期；与对比例3-4的效果对比证明，本发明进行一定条件的蒸汽养护，有利于提高肥料的稳定性和肥效期。
[0111]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有近似于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。