CN104341217A - 一类新型缓控释肥及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型缓控释肥及其生产方法，属于农用化学品生产领域领域。其特征在于：使用富含木质素钾盐等碱性成膜物质的溶液与酸性成分腐植酸或/和磺化腐植酸或/和氨基酸及氮、磷等营养成分通过物料混合或面接触，实现酸碱中和、pH调节、离子交换和成膜成型，再通过烘干和筛选就可以生产出具有很好生物相容性和肥效及缓控释效果的高钾有机缓控释肥或有机-无机复混缓控释肥。成品具有肥效高、淋失慢、土壤中渗漏流失小，可显著提高作物产量，改善品质，恢复土壤生态，促进生物质的高附加值利用。

Description

一类新型缓控释肥及其生产方法

技术领域

本发明涉及一类新型缓控释肥及生产方法，属于农用化学品技术领域。

背景技术

栽培植物的营养源主要是各种肥料和土壤，土壤为植物提供营养物质具有耗竭性和非均衡性，难以维系现代农业栽培植物的营养需求。因此，肥料类植物营养源成为调控植物营养和优质高产的主要物质。氮、磷、钾和有机质是主要的肥料类植物营养源，植物可从自然界获取或/和由人工施加获得这些营养营养物质。肥料不仅是最重要的植物营养源，也是其他各种微生物、动物的直接或间接营养源，是生态食物链中不可缺少的重要基础物质，是保证我国粮食和生态安全的战略物质。化学肥料是我国农业生产中投入量最大的基础物质，目前我国化肥生产、施用量为全球的三分之一，居第一位。化肥施入土壤后，由于化肥自身的性能和土壤环境条件等因素的制约，其当季作物的氮肥利用率仅有30％左右，钾肥利用率仅有40％左右，磷肥利用率仅有10％左右。不仅造成了化肥的大量浪费，而且还会给生态环境带来不良影响。过度的化肥施用不但使土壤不堪重负、退化突显，环境质量下降，而且造成资源过度消耗、经济成本巨大。2009年，我国耕地化肥折纯用量为每公顷444kg，远远超过了发达国家为防止水土污染而设置的每公顷225kg标准上线。肥料资源浪费严重，导致农业生产、加工、环保成本增加、效率降低、生态环境恶化。发展具有缓控释作用的多功能营养源是提高养分利用率、减少化肥污染、实现中国农林牧副渔全面、可持续发展的重要措施。

氮是作物、微生物生长的最重要的营养元素，也是合成蛋白质的基础物质。提高土壤有机质的含量，采用缓释技术可以提高化学氮肥利用率，将纤维、木质素等生物质资源开发为缓释、保水、保肥的多功能生态土壤改良剂及植物营养源，是值得鼓励的，可以更好促进生态产业良性发展的研发方向。

磷是最重要的生命物质，我国可以经济开采的磷矿储量只剩下37亿吨，仅占世界总量的5.8％，我国可经济开采的磷矿资源难以维持30年，由于磷肥利用率低，以致大量磷素累积于土壤中。因此，开发具有促进土壤磷素释放和磷素肥料缓控效的新型肥料，进而提高磷肥的利用率，充分利用土壤中大量富集的磷素，是解决我国磷肥消费过大、磷矿枯竭的有效途径。

我国钾盐产量低，供需缺口大，钾盐的对外依存度高达70％。中国已成世界上最大的钾盐进口国和钾盐消费国，年进口量超过700万吨，年消费已达1100万吨(以氯化钾实物计)，约占全球总消费量的20％。钾资源的缺乏致使我国钾肥还不能自给。然而，全国每年废弃的秸秆中至少含有700万吨以上钾。我国钾矿资源匮乏的局面将日趋严峻，因此，我国必须更加重视秸秆、土壤和矿物、废弃物中钾资源的循环利用。

有机肥料是农业生产发展的基础，作物秸秆农田利用率也较低，一半以上的秸秆被焚烧掉了，生活垃圾和污泥未经处理露天堆放或填埋，不仅浪费资源，而且成为环境污染源。因此，急需充分利用生物有机质，改进有机肥利用方式，提高有机肥利用率，开发新型有机肥，实现生物质资源的循环利用。

肥料类植物营养源中，单一养分肥料存在着施肥繁杂、养分利用率低的问题，因而目前农作物多采用复合或复配肥料。为提高肥料利用率，科学家上世纪七十年代开始研究缓控释肥料，希望能开发出养分释放适合植物营养需要、利用率高、对环境污染小的新型肥料。目前研发出的包裹型(肥包肥、硫包尿素等)、包膜型(树脂包衣等)、生化稳定型(添加化学抑制剂)、化合型(脲甲醛)等产品，已可将肥料利用率提高10％-30％，虽然有部分应用，由于技术和经济性的双重制约很难推广。因为，包膜控释肥料的生产成本比常规肥料高1～2倍，或3～5倍以上。而采用添加抑制剂的非包膜缓控释肥料成本虽然增加不多，但养分缓控释效果不稳定。其次是产业化问题，包膜肥料生产工艺复杂，养分控制要求比较高，产业化研究与开发还比较滞后；成膜材料为难以降解的聚烯烃，存在二次污染；现有缓控释肥料只是增长其释放周期的无机肥，没能真正实现有机-无机肥的有效融合，且其主要侧重氮素养分，对磷钾等养分的控释研究较少。局限在以包膜控释肥、特别是以控释氮肥为主，单一控释氮肥其它元素利用率不高、农业应用受限，难以满足不同植物对多种养分的平衡和发展名、特、优农产品施肥技术的需要。

综上所述，国内外控释肥研究主要仅从化学肥料理化特性和化学工业产品生产技术(即改型)角度考虑问题，缺乏从肥料的农业化学性状(特别是肥料的养分组成结构)、植物营养特点、土壤理化生化特性、生产工艺技术和成本综合考虑设计研制新型控释肥料，因而形成以包膜控释肥为主，且以控释氮肥为主的控释肥料生产和应用研究的局面。有机肥因其自身肥效较持久，有机质含量高，能改良土壤等特点，越来越受到重视。从总体看，我国有机肥产业技术水平比较薄弱，对有机肥的利用还是停留在简单的发酵和直接还田层面，造成了大量的养分流失，养分利用率比较低，且现有技术难以将有机废物资源化并开发出附加值高的原材料，小作坊式的有机肥生产企业往往忽视发酵过程，使产品难以实现无害化，纯养分含量低，规格不齐，标识混乱，以致产品推广遇瓶颈，发展扩大困难。

木质素、腐植酸、纤维素等优势大分子是十分丰富的有机资源，研究和分析表明，将其用作新型肥料载体是完全可行的。结合国内外肥料研究及市场发展趋势，研发新型可有效融合有机-无机营养组分，对环境友好，可以显著保水保肥，具备保持和改善土壤胶体性能，以优势生物大分子作为生物基材料，创制环境友好、经济高效、多功能的新型缓控释肥料是现代肥料产业发展的重要方向，对于促进我国生态产业的可持续性发展，破解粮食、环境等生存危机，实现最大程度的资源节约和生态循环具有重要的战略意义。

发明内容

我们已经成功开发了清洁制浆新工艺，实现了非木材原料作为生物基材料的技术突破，用少量氢氧化钾在温和条件下就可以生产高得率和高品质浆，溶解在制浆剩余液中的主要成分大分子结构得到很好保留的木质素钾和可溶性纤维素、半纤维素及植物体中的其它养分，是非常理想的生物营养液。

新工艺制浆剩余液加酸可以沉淀出绝大部分木质素和其它高分子，分离得到的木质素在高温下具有很好的粘结性能和一定的成膜性，但常温下难溶于水和有机溶剂，只溶解于碱中，限制了其应用。由于通常的氮、磷、钾等肥料成分都是中性和偏酸性，难与混入的腐植酸、木质素进行反应和离子交换，未能实现营养成分间的有效融合。因此，缓控释和保水效果并不明显。

利用富含木质素钾等成膜物质的碱性制浆剩余液与酸性营养成分腐植酸或/和磺化腐植酸或/和氨基酸及氮、磷等营养成分通过物料混合或面接触，利用腐植酸、纤维素、半纤维素、氨基酸或其衍生物等生物基原料或材料的羧基、磺酸基或其它酸性基团进行中和，不但可以调节pH值满足肥料酸碱度要求，而且酸化析出的木质素及共沉淀或吸附的其它成分可以立即吸附和粘结肥料成分，通过中和反应和伴随的离子交换形成的腐植酸钾、腐植酸铵、腐植酸磷酸盐或其衍生物磺化腐植酸、磺化木质素或纤维素硫酸酯等本来就具有胶体、成膜特性，是来源最为丰富、广泛、价格便宜的兼具缓控释、保水、促进土壤胶体形成、可有效抑制微生物对肥料分解、增加土壤有机质含量、维持土壤微区生态等多重功能。如果能够将喷水用喷黑液替代用圆盘或转鼓进行造粒，不但可能将制浆剩余液开发为最有价值的肥源，实现其商品化，而且有效破解了木质素和腐植酸由于自聚作用强难以在肥料中有效分散和融合的难题，可在线生成和调配出系列质优价廉的缓控释肥料系列。

我们首先将富含木质素钾盐的制浆剩余液作为液相剂和粘合剂同时添加到腐植酸进行肥料成粒，借助表面进行的中和反应可以得到主要由木质素和腐植酸钾形成的具有多孔微胶囊和凝胶特性的结构，形成的肥料中腐植酸具有肥料颗粒，肥料组分中的多种活性基团赋予这种新型肥料的多种功能，酸碱中和反应性、保水凝胶性、阴阳离子交换性、络合性及较高的吸附能力，可以有效控制营养成分释放。这种反应成膜，多物质共同组膜的加工过程，可以保证膜的大比表面积和合适的吸附、粘结性。使肥料中的营养物质通过具有较好通透性的膜层层包裹或通过腐植酸等进行离子交换，达到了很好的缓控释效果。利用木质素的抑菌功能，被微生物分解慢的特性可以确保形成的膜不会很快被微生物破坏，可巧妙实现缓释/控释肥料的目的。造粒肥料经过烘干后外形圆润光滑、水分少、强度高、有机质含量高且不易粉化、适用范围广、无污染、肥效好、养分释放期长、可显著提高农产品品质，可以有效改善土壤生态，提高土壤肥力。

腐植酸可以作为本类新型缓控释肥料的首选原料主要成分，原料可以是泥炭，其腐植酸含量≥30％，有机质含量≥55％，或/和轻褐煤、氧化褐煤，其腐植酸含量≥40％，钙、镁离子含量≤3％，有机质含量≥40％，或/和风化煤，其腐植酸含量≥55％，钙、镁离子含量≤3％，有机质含量≥70％，或利用废弃生物质现场直接发酵得到的腐植酸原料。本发明的新型缓控释肥料系列的有效成分的含量可以根据需要进行配方调整，最高含量可以达到30％或者更高。

已经形成商品和取得很好效果的代表性肥料产品成分含量为：K₂O≥8％～20％；有机质≥50％；腐植酸≥30％。

本发明提供了一类新型缓控释肥的生产方法，其特征在于：将酸性营养成分，或/和氮、磷、钾等营养成分，或/和无机粉体辅助营养物质及赋形原料均匀混合后，再与液体碱性成膜物料混合、造粒，同时实现酸碱中和、pH调节、离子交换和成膜成型，筛分制成新型缓控释肥成品。作为酸性营养成分，以具有很好生物相容性及粘结和成膜性能的天然生物优势大分子——腐植酸、磺化腐植酸、木质素磺酸、纤维素硫酸酯、氨基酸酸性盐和磷酸或酸性磷酸盐或其合理组合物为优选，以60-200目、水分15％以下的粉状腐植酸原料——泥炭或/和轻褐煤、氧化褐煤或/和风化煤为首选。作为液体碱性成膜物料，以具有很好生物相容性及粘结和成膜性能的天然生物优势大分子为优选，以氢氧化钾法或氢氧化钙法制浆得到的以木质素钾盐或木质素钙盐为主要成分的制浆剩余液或其浓缩物为首选，也包括木质素及腐植酸、甲壳素及其衍生物的可溶性钾盐或钙盐，其中钾既包含制浆过程添加的氢氧化钾带入的钾，又包括了植物体本身富含的钾。液体碱性成膜物料温度以60-100℃为佳。造粒的方式可以为圆盘造粒、转鼓造粒、挤压造粒等，造粒过程中以碱性喷雾的形式替代了传统方法中的喷水，以圆盘造粒为佳。作为液体碱性成膜物料首选的制浆剩余液可以是以木材、竹子、稻草、玉米秸秆、小麦秸秆、芦苇等任何植物为原料。氮、磷、钾等营养成分为尿素、硫酸铵、硫酸氢铵、硝酸铵、氨基酸及氨基酸-无机酸盐、氯化铵、磷酸一铵、磷酸二铵、硫酸钾、氯化钾中的一种或多种混合的无机或有机营养成分；无机粉体辅助营养物质及赋形原料为粉煤灰、黄磷渣、碳酸钙、石膏、高岭土、硅藻土等。本发明所述方法生产的新型缓控释肥可以是高钾有机缓控释肥、有机-无机复混缓控释肥，可以作为其它生物如微生物、菌类动物的生物营养源。

本发明的优点是：

1、本发明借助清洁制浆新工艺的优势实现了钾资源的高效和循环利用，以植物残骸和植物体纤维提取液形成的营养成分和木质素、半纤维素等天然大分子作为养料和生物基材料，可以有效增加土壤中有机质的含量，恢复土壤生态，保障农业的可持续发展。

2、本发明所提供缓控释肥料的生产方法，不需添加可能形成二次污染的石油产品作为“粘合剂”，来源广泛可以保证需要的木质素、腐植酸、纤维素等优势生物大分子或其衍生物完全可以保证造粒质量和施用效果。

3、本发明所提供的有机无机复混肥，有机养分和无机养分可合理组配，充分融合，有利于形成土壤团粒结构，增加保肥和保水性能，显著提高肥料利用率。

4、本发明所提供缓控释肥料生产工艺简单，设备投资少，可以利用现有设备。

5、本发明制得的有机无机复混肥总养分在15-30％之间，氮磷钾养分根据需求可调节范围。

6、本发明很好解决了制浆的工业污染严重，农村秸秆等生物质未能有效利用，化肥利用率低，污染严重，现有缓控释肥价格高，装备投资大，二次污染无法解决、钾和磷资源短缺等重大民生问题，可有力促进生态文明建设。

开发的系列产品的肥效和缓控释性能是卓越的，对多种植物的生长具有显著的增产提质效果，特别是圆盘造粒复混肥料在减少施肥量的情况下，可以大幅提升蔬菜的品质，表现出液体肥料和挤压成型肥料的施用效果。以下的具体实施例将有助于说明本发明的内容和产品实用效果。

附图说明

附图1为生产流程简图。

附图2为肥料SEM图，多孔结构。

附图3为肥料SEM图，多孔结构。

具体实施方式

实施例1：有机缓控释钾肥的生产

将泥炭1200kg破碎制成60-200目的粉状，水分保持在8-15％，混合均匀后进入圆盘或转鼓造粒机中。然后将波美度30-32，温度60-100℃的制浆提余液体通过流量计控制流出量0.5-0.6m³/h，以0.15-0.5MPa的压力喷出雾化，喷淋在圆盘中转动的腐植酸表面。经转动使颗粒逐渐变大。烘干、冷却筛分出直径1mm≤d≤2.5mm和2.5≤d≤5mm两种规格的颗粒，包装作为产品。根据NY525-2012有机肥标准，经测定产品含K₂O≥8％，有机质≥45％，pH值6.1。

实施例2：高钾有机缓控释肥的生产

将泥炭1000kg破碎制成60-200目的粉状，水分保持在8-15％，混合均匀后进入圆盘或转鼓造粒机中。然后将波美度30-32，温度80℃的制浆提余液体通过流量计控制流出量1m³/h，以0.15-0.5MPa的压力喷出雾化，喷淋在圆盘中转动的腐植酸表面。经转动使颗粒逐渐变大。烘干、冷却筛分为直径1mm≤d≤2.5mm和2.5≤d≤5mm两种规格的颗粒，包装作为产品。根据NY525-2012有机肥标准，经测定产品含K₂O≥14％，有机质≥45％，pH值8.3。

实施例3：三元复混肥

将尿素200kg，磷酸一铵100kg，含K₂O≥8％高钾有机肥700kg破碎制成60-200目的粉状，充分混合，搅拌均匀，普通方法造粒，干燥，包装得到有机无机复混肥。根据GB18877-2002有机-无机复混肥肥料国家标准，经测定产品含N≥10％，P₂O₅≥6％，K₂O≥6％，有机质≥25％。

实施例4：高浓度三元复混肥

将尿素270kg，磷酸一铵135kg，含K₂O≥14％高钾有机肥600kg破碎制成60-200目的粉状，充分混合，搅拌均匀，造粒，干燥，包装得到有机无机复混肥。根据GB18877-2002有机-无机复混肥肥料国家标准，经测定产品含N≥14％，P₂O₅≥8％，K₂O≥8％，有机质≥20％。

实施例5：高浓度三元复混肥

在引风机的抽吸下，热风炉生产的350℃热风进入干燥室。将200目的粉状泥炭270kg，尿素260kg，磷酸一铵250kg加入到700L波美度30-32，温度60-100℃的制浆提余液配成原料液，由螺杆泵送至雾化器，原料液经雾化器高速旋转雾化成细小雾滴。雾滴与热空气接触混合，水分与固体物分离，粉状物料由干燥室底部关风机排出，水蒸汽由引风机带出系统外，在排出水蒸汽的气体中的粉尘由旋风分离器和水膜除尘器捕集。

干燥室和旋风分离器排出的产品汇集于气力输送管路，在气力输送风机抽吸下，产品由集中收粉旋风分离器收集卸入料仓，气力输送风机后的粉尘返旋风分离器。经测定产品含N≥15％，P₂O₅≥10％，K₂O≥10％，有机质≥25％。

实施例6：

本发明的高钾有机肥与氯化钾肥料的作物试验对比：

1、菜心施用高钾有机肥肥效试验

菜心小区肥效试验结果表明，每亩菜心在氮肥和磷肥相同的基础上，施用高钾有机肥75.0kg，亩产为953.4kg，与等钾施用量的氯化钾肥料比，亩增产90.0kg，增产率为10.4％，单因子差异经生物统计检验达到极显著水平。

表1施用高钾有机肥对菜心产量的影响

2、生菜施用高钾有机肥肥效试验

生菜小区肥效试验结果表明，每666.7m²菜心在氮肥和磷肥相同的基础上，施用高钾有机肥75.0kg，亩产为2755.7kg，与等钾施用量的氯化钾肥料比，亩增产188.9kg，增产率为7.4％，单因子差异经生物统计检验达到极显著水平。

表2施用高钾有机肥对生菜产量的影响

3、白菜施用高钾有机肥肥效试验

试验结果表明，平均亩产达5945kg，比不施肥处理每亩平均增产20.2％；比农民习惯施肥平均增产9.2％。表明在等养分条件下，白菜施用高钾有机肥有显著增产效果。

表3施用高钾有机肥对白菜产量的影响

4、莴笋施用高钾有机肥肥效试验

试验结果表明，莴笋施用高钾有机肥(颗粒肥)平均亩产达4004kg，比不施肥处理每亩平均增产29.8％；比农民习惯施肥平均增产7.5％。表明在等养分条件下，莴笋施用高钾有机肥有显著增产效果。

表4施用高钾有机肥对莴笋产量的影响

实施例7：

本发明的有机无机复混肥与农民习惯施肥的作物试验对比：

1、白菜施用有机无机复混肥肥效试验

白菜小区肥效试验结果表明，白菜施用有机无机复混肥平均亩产达5945kg，比不施肥处理每亩平均增产20.2％；比农民习惯施肥平均增产9.2％。表明在等养分条件下，白菜施用有机无机复混肥有显著增产效果。

表5有机无机复混肥对白菜产量的影响

2、莴笋施用有机无机复混肥肥效试验

莴笋小区肥效试验结果表明，莴笋施用有机无机复混肥平均亩产达4004kg，比不施肥处理每亩平均增产29.8％；比农民习惯施肥平均增产7.5％。表明在等养分条件下，莴笋施用有机无机复混肥有显著增产效果。

表6有机无机复混肥对莴笋产量的影响

实施实例8：

与无机复混肥对照相比，本发明复混肥料处理莴笋产量提高显著，硝酸盐含量降低明显，营养品质还原糖含量增加明显。

表7施用本发明复混肥莴笋品质

实施实例9：

土柱培养实验表明，氯化钾对照钾肥累积释放速率显著高于高钾有机肥处理，进一步证明了新型肥料的缓控释效果。

表8不同培养时间钾肥累积释放速率

实施实例10：

本发明的复混肥对莴笋产量提高显著和极显著，达到5.4％。挤压造粒产品颗粒易松散破裂，产品具有很好的速效性。与对照相比，挤压造粒工艺复混肥与减施10％对莴笋产量无显著性差异，圆盘造粒工艺肥料颗粒强度大，造粒过程中形成具有缓释效果的木质素膜，肥效持久，因而，减施10％对莴笋生长影响不显著。

表9不同生产工艺产品肥效对照

Claims (8)

1.一类新型缓控释肥的生产方法，其特征在于：将酸性营养成分，或/和氮、磷、钾等营养成分，或/和无机粉体辅助营养物质及赋形原料均匀混合后，再与液体碱性成膜物料混合、造粒，同时实现酸碱中和、pH调节、离子交换和成膜成型，筛分制成新型缓控释肥成品。

2.根据权利要求1所述的生产方法，作为酸性营养成分，以具有很好生物相容性及粘结和成膜性能的天然生物优势大分子——腐植酸、磺化腐植酸、木质素磺酸、纤维素硫酸酯、氨基酸酸性盐和磷酸或酸性磷酸盐或其合理组合物为优选，以60-200目、水分15％以下的粉状腐植酸原料——泥炭或/和轻褐煤、氧化褐煤或/和风化煤为首选。

3.根据权利要求1所述的生产方法，作为液体碱性成膜物料，以具有很好生物相容性及粘结和成膜性能的天然生物优势大分子为优选，以氢氧化钾法或氢氧化钙法制浆得到的以木质素钾盐或木质素钙盐为主要成分的制浆剩余液或其浓缩物为首选，也包括木质素及腐植酸、甲壳素及其衍生物的可溶性钾盐或钙盐，其中钾既包含制浆过程添加的氢氧化钾带入的钾，又包括了植物体本身富含的钾。

4.根据权利要求1所述的生产方法，液体碱性成膜物料的温度以60-100℃为佳。

5.根据权利要求1所述的生产方法，造粒的方式可以为圆盘造粒、转鼓造粒、挤压造粒等，造粒过程中以碱性喷雾的形式替代了传统方法中的喷水，以圆盘造粒为佳。

6.根据权利要求3所述的制浆剩余液可以是以木材、竹子、稻草、玉米秸秆、小麦秸秆、芦苇等任何植物为原料。

7.根据权利要求1所述的生产方法，氮、磷、钾等营养成分为尿素、硫酸铵、硫酸氢铵、硝酸铵、氨基酸及氨基酸-无机酸盐、氯化铵、磷酸一铵、磷酸二铵、硫酸钾、氯化钾中的一种或多种混合的无机或有机营养成分；无机粉体辅助营养物质及赋形原料为粉煤灰、黄磷渣、碳酸钙、石膏、高岭土、硅藻土等。

8.根据权利要求书1的生产方法，新型缓控释肥可以是高钾有机缓控释肥、有机-无机复混缓控释肥，可以作为其它生物如微生物、菌类动物的生物营养源。