CN105658603B - 往颗粒肥料中添加有益农业、生物和/或除尘添加剂的系统和方法 - Google Patents

往颗粒肥料中添加有益农业、生物和/或除尘添加剂的系统和方法 Download PDF

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Abstract

用于在生产后调节颗粒肥料以减少在处理、运输和储存肥料的过程中产生粉尘和/或增加肥料的农业效益的方法和相关系统。该方法包括通过例如喷洒向多个肥料颗粒中引入一定量的水性调节剂。该水性调节剂可包括一种或多种有益于农业的和/或除尘添加剂，包括一种或多种酸化剂、一种或多种干燥剂、一种或多种除草剂和/或除虫剂、一种或多种螯合剂、一种或多种生物制剂以及它们的组合。

Description

往颗粒肥料中添加有益农业、生物和/或除尘添加剂的系统和 方法
相关申请
本申请主张对2013年8月19日提交的美国临时专利申请第61/867,334号以及2014年3月20日提交的美国临时专利申请第61/968,328号的利益，上述申请的整体通过引用被并入本文。
技术领域
本发明涉及在处理、运输和储存颗粒肥料的过程中减少产生的粉尘的系统和相关方法。特别地，本发明涉及通过水性处理或水性调节剂来调节颗粒肥料以减少粉尘产生和/或添加有利于农业、生物的和/或除尘添加剂的系统和/或相关方法。
背景技术
农业无机肥料通常包括具有至少三种主要无机养分-氮(N)、磷(P)、钾(K)中的一种的基质。这些肥料通过其氮磷钾配比来区分，其中氮值是元素氮在肥料中的重量比，且磷和钾值代表当所有的元素磷和钾全部被氧化成P2O5和K2O形式时以P2O5和K2O形式存在与肥料中的氧化物的量。氮磷钾比例和浓度根据肥料种类和使用者的要求而不同。
例如，基础肥料可包括磷肥(如磷酸二氢铵(“MAP”)、磷酸二铵(“DAP”))、钾肥(如氯化钾(“MOP”))或其他钾基肥料，或氮基肥料如含尿素肥料。肥料也可包括次级养分和/或微量养分的结合。次级养分可包括硫化物、钙和/或镁，且微量养分可包括铁、锰、锌、铜、硼、钼和/或氯。微量养分和/或次级养分以其元素形式或复合物形式(如盐)加入到溶液中。
许多这种农业肥料在配制之后通过颗粒化、干燥并经粉尘控制剂处理以提供稳定和易处理的肥料。传统颗粒化工艺的内在缺陷是，相当大一部分的肥料在制备、储存或分销过程中均可产生粉尘颗粒，这使得大大增加了在待施肥的土地上处理和散布的难度。除了浪费可能有用的肥料之外，肥料可产生不需要的逃逸颗粒物排放。逃逸颗粒物排放可被减轻，但是在某些情况下减轻的成本可能是不经济的。
为了减少粉尘产生，肥料颗粒通常被涂覆防尘涂层以减少或捕获在颗粒化或运输过程中产生的粉尘。防尘涂层可包括例如，喷洒在肥料颗粒上用于吸附在颗粒化和运输中形成的任何粉尘颗粒以形成更大肥料颗粒的石油、蜡或其他油性液体。该涂层还封装粉尘颗粒以防止或抑制粉尘颗粒通过空气传播。
尽管传统涂层对于控制粉尘颗粒有效，该涂层的内在缺陷是，涂层具有有限的有效期且随着涂层的老化有效性降低。经涂覆的肥料的长期储存或运输可呈现出更大的安全隐患，因为储存和运输时间可能超过涂层的有效期，从而导致不安全的肥料产品，和/或储存箱、运输设备和耕地应用设备中的不理想的流体特性。此外，因为涂层复合物的成本和/或增加的生产成本，这些传统涂层可潜在地极大增加最终产品的成本。具有延长有效期的替代性除尘剂也可从市场购得，但是这些产品倾向于较高的价格且因此未被行业广泛采用。
因此，需要在处理颗粒化肥料的过程中有效地减少粉尘产生和/或增加肥料的农业利益的方法。
发明内容
本发明涉及在生产后调节颗粒肥料以减少在处理、运输和储存肥料的过程中产生的粉尘和/或增加肥料的农业利益的方法和相关系统。该方法包括例如通过喷洒的方式在调节容器中的多个肥料颗粒中引入一定量的水性调节剂，其中肥料颗粒的表面温度为约50°F-约250°F，且更具体地为约130°F-约200°F，且其原油含水率为约0-约6.5％的重量比(wt％)，更具体地为约0.5wt％-约3wt％且再具体地为也0.5wt％-约1.5wt％。水性调节剂可仅包括液态、气态和/或饱和蒸汽状态的水或水性溶液，且可包括或不包括有益的农业的和/或除尘添加剂。根据调节剂的不同形式，水性调节剂在约32°F-约800°F的温度下(且当调节剂为水时更具体地为约70°F-约170°F)被引入，可含或不含有益于农业的和/或除尘添加剂。
替代性地，独立于水性调节剂(含或不含添加剂)之外，一种或多种有益于农业的和/或除尘添加剂被引入到颗粒表面上。该一种或多种添加剂可与水性调节剂同时添加或先后加入。
如上所述，水性调节剂可选择性地包括一种或多种有益于农业的和/或除尘添加剂，例如，但不限于，一种或多种酸化剂(如，但不限于，柠檬酸、硫酸、磷酸、氨基磺酸及其组合)、一种或多种干燥剂(如，但不限于，玉米淀粉和/或小麦淀粉)、和/或一种或多种螯合剂(如，但不限于，乙二胺四乙酸(EDTA)、聚乙烯亚胺(PEI))或上述的组合，其量为溶液的约0.01wt％-约99.99wt％(即，溶剂的重量/溶液的重量)，且在某些应用中更具体地为溶液的约0.01wt％-约20wt％，在另一些应用中为溶液的约20wt％-约50wt％，而在其他一些应用中为约50wt％-约99.99wt％。
在本发明的一替代性实施例中，除了以上所列的添加剂外或作为其替代，水性调节剂可包括从一种次级养分和/或微量养分或其任意组合中选择的一种或多种有益于农业的添加剂，其量为溶液的约0.01wt％-约99.99wt％，且更具体地为溶液的约20wt％-约50wt％。次级养分可包括硫化合物、钙和/或镁且微量养分可包括铁、锰、锌、铜、硼、钼和/或氯。微量养分和/或次级养分可以其基础形成或作为化合物(如盐)加入溶液中。
在其他实施例中，除了以上所列的添加剂外或作为其替代，水性调节剂可包括从一种除草剂和/或杀虫剂或其任意组合中选择的一种或多种有益的农业添加剂。
除了以上所列的添加剂外或作为其替代，水性调节剂的其他实施例可包括从一种生物材料或其任意组合中选择的一种或多种有利的农业添加剂。在某些方面，生物材料或“生物体”可包括例如一种或多种生物化学、植物和其他提取物、微生物制剂和/或其他有机体。在某些实施例中，生物材料可包括微生物，包括，但不限于，细菌(如杆菌、根瘤菌、固氮菌类和固氮螺菌)、真菌(如曲霉、菌根菌、白僵菌、绿僵菌和木霉菌)、和/或酵母菌(如啤酒酵母菌、裂殖酵母菌、掷孢酵母菌、念珠菌、丝孢酵母菌和红冬孢酵母菌)。在其他情况下，水性调节剂可包括小分子和肽基化合物的生物材料，如，但不限于，代谢产物、肽类、脂肽、荷尔蒙、肽激素、铁载体、糖肽类、腐植酸盐、表面活性剂、维生素、酶类、氨基酸和氨基酸衍生物以及核酸和核酸衍生物。在某些实施例中，包含在水性调节剂实施例中的生物制品可应用到最终浓度为约103-约1012CFU(菌落形成单位)/g其更具体地为约106-约109CFU/g的肥料或肥料颗粒中。相应地应用的生物制品具有提升植物生长和发展以及治疗植物疾病的潜力。
涂覆有水性调节剂的颗粒随后可选择地受到机械能暴露，例如在调节容器中翻滚或搅拌，以诱发颗粒间所需的颗粒相互作用。在一替代性实施例中，颗粒和水性调节剂被引入流化床反应器以使每个单独的颗粒表面得到上述的表面调节，而不一定受到颗粒-颗粒相互作用或机械能暴露。在另一替代实施例中，颗粒暴露在颗粒-颗粒相互作用的结合下(如翻滚和搅拌)且以任意顺序依次或结合被引入到流化床反应器中。
从水性调节剂加入的水分通过自然或使用能量以从颗粒中移除。这可通过选择性地翻滚和/或翻滚颗粒之后在调节容器中完成。干燥可通过干燥气流来干燥，如用于移除水蒸气、粉尘和空气的逃逸粉尘空气流、加热干燥器如吹风机等，直至颗粒的最终含湿量达到约0wt％-约6.5wt％，更具体地为约0.5wt％-约3.0wt，且更具体地为约0.5wt％-约1.5wt％，从而得到经调节的肥料颗粒。
调节程序可放置在肥料颗粒的颗粒化和/或干燥后的流水线上，或放置在远处位置，即非流水线上。例如，调节程序可在仓库中、单独的处理设施中、运输点或任何其他位置完成。
颗粒肥料的水处理调节允许减少粉尘控制剂如上述油性涂层的使用，因此减少原材料成本。而且，减少从制造商至种植者的配送过程中产生的粉尘可改善制造商、运输商、顾客和/或顾客雇员的行业卫生，因此减少反之所需要用于减轻潜在的行业卫生问题所需的成本和设备。最后，当引入有利的农业添加剂时，经调节的颗粒与未经调节的颗粒相比具有增加的农业效益。
上述调节方法和系统不限于处理肥料颗粒。根据实施例的方法和系统可用于任何颗粒或有可能产生不必要的或逃逸的灰尘的倾向的特定材料。其他使用可包括，例如，调节煤、饲料产品(如饲料补充剂或丸)、食品处理、采矿作业(包括矿石和尾矿)、固化或干水泥、泥土、砂砾或沙子、废弃物、石棉或任何种类的用途。
上述对本发明各种代表性实施例的概括不意图描述本发明的每一所示实施例或每一应用。反而，实施例被选择和说明以使本领域的其他技术人员可认识并理解本发明的原则和实践。以下具体说明中的附图更具体地举例说明了这些实施例。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的调节方法的流程图。
具体实施方式
参照图1，用于调节肥料颗粒以改善粉尘控制和/或农业效益的系统和方法的一个非限制性示范实施例大体包括在步骤102提供多个肥料颗粒。肥料颗粒可以是未经调节的，或可以是之前已经调节过但是希望或要求进行额外调节的。颗粒不限于肥料颗粒，且可包括多种颗粒或粒子材料中的任何一种。
在这一非限制性实施例中，肥料颗粒可以是多种肥料类型中的任一种，包括但不限于：无机肥，包括氮基(如硝酸铵或尿素)、磷基(如磷酸盐肥料，包括磷酸二氢铵和磷酸氢二铵)、钾基(如碳酸钾或氯化钾)肥料，以及多种氮磷钾复合肥料中任一种，无论带有或不带有次级养分如硫或硫的化合物、钙、镁和/或微量养分如铁、锰、锌、铜、硼、钼和氯。在一非限制性实施例中，肥料颗粒使用如名称为“含硫肥料复合物及其制备方法”的美国专利第6,544,313号中所述的造粒方法来形成，该专利的整体通过引用被并入在此。在另一非限制性实施例中，肥料颗粒使用如名称为“含微量养分的肥料的制备方法”的美国专利第7,497,891号中所述的造粒方法来形成，该专利的整体通过引用被并入在此。
根据施加水性调节剂前肥料颗粒所需的温度和含湿量，任选地施加热和/或空气104可能是必要或理想的。在104处，例如红外热、燃气热或任何其他热源可被施加于多个肥料颗粒以在施用水性调节剂之前干燥和/或加热颗粒至目标表面温度和/或含湿量。在一实施例中，颗粒的目标表面温度是约50°F-约250°F，且更具体地为约130°F-约200°F，而目标含湿量为约0-6.5重量百分比(wt％)，更具体地为约0.5wt％-约3wt％，且更具体地为约0.5wt％-约1.5wt％。
一旦颗粒处于目标温度和含湿量，在106，其可被放置在调节容器中，调节容器可以是例如用于施用一种或多种水性调节剂的滚筒或床、螺线滚筒或床或流化床。在一实施例中，调节容器包括一个或多个喷雾器或喷嘴，用于在108步骤喷施一种或多种水性调节剂，无论是否含有或不含有有益的农业和/或除尘添加剂。如上所述，水性调节剂可包括水或水性溶液，其形态可以是液体、蒸汽和/或过热蒸汽，且不论是否含有或不含有有益的农业和/或除尘添加剂。根据调节剂形式的不同，水性调节剂在约32°F-约800°F的温度下被引入，且更具体地，当制剂是液态的水或水性溶液时在约70°F-约170°F的温度下被引入，不论是否含有或不含有有益的农业和/或除尘添加剂。
如上所述，水性调节剂可选择性地包括一种或多种有益的农业和/或除尘添加剂，例如酸化剂、干燥剂、螯合剂、微量养分、次级养分、生物材料、除虫剂和除草剂。
酸化剂可包括但不限于柠檬酸、硫酸、磷酸、氨基磺酸及上述的组合。干燥剂可包括但不限于玉米淀粉和/或小麦淀粉。螯合剂可包括但不限于乙二胺四乙酸(EDTA)、聚乙烯亚胺(PEI)或它们的组合。上述任何一种制剂的加入量可为溶液的约0.01wt％-约99.99wt％，且在某些应用中更具体地为溶液的约0.01wt％-约20wt％，在其他一些应用中更具体地为溶液的约20wt％-约50wt％，而在另一些应用中为约50wt％-约99.99wt％。
除了上述所列的添加剂外或作为其替代，水性调节剂可包括一种或多种有益农业添加剂，其选自次级养分和/或微量养分的一种或其任何组合，含量为溶液的约0.01wt％-约99.99wt％，且更具体地为溶液的约20wt％-约50wt％。次级养分可包括例如硫化物、钙和/或镁，且微量养分可包括例如铁、锰、锌、铜、硼、钼和/或氯。
除了上述所列的添加剂外或作为其替代，水性调节剂可包括一种或多种有益农业添加剂，其选自生物材料的一种或其任何组合。在某些情况下，生物材料或“生物制品(生物体)”可包括微生物，包括但不限于：细菌(如芽孢杆菌、根瘤菌、固氮菌类和固氮螺菌)、真菌(如曲霉、菌根菌、白僵菌、绿僵菌和木霉菌)、和/或酵母菌(如啤酒酵母菌、裂殖酵母菌、掷孢酵母菌、念珠菌、丝孢酵母菌和红冬孢酵母菌)。在其他情况下，水性调节剂可包括非微生物的生物制品，包括但不限于：小分子和肽基化合物，如代谢产物、肽类、脂肽、荷尔蒙、肽激素、铁载体、糖肽类、腐植酸盐、表面活性剂、维生素、酶类、氨基酸和氨基酸衍生物以及核酸和核酸衍生物。
在某些实施例中，包含在水性调节剂实施例中的生物体可以最终浓度为约103-约1012CFU(菌落形成单位)/g及更具体地为约106-约109CFU/g施加到肥料或肥料颗粒中。例如，包含生物体的4.1ml水性调节剂可被加入到1磅(lb)的肥料中，或者说约1012-约1015CFU/L的水性调节剂可被加入到液体肥料中以达到上述目标浓度。在某些情况下，包含在水性调节剂的实施例中的生物体可在约70°F-约210°F的温度下施用，或更具体地，约70°F-约180°F，或更具体地，约70°F-约160°F。按此施用的生物体具有提升植物生长和发展以及治疗植物疾病的潜力。
在一替代性实施例中，上述一种或多种有益农业和/或除尘添加剂在步骤111，任选地，独立于水性调节剂(无论具有还是不具有添加剂)引入到颗粒表面。该一种或多种有益农业和/或除尘添加剂可通过例如喷洒在调节容器106中与水性调节剂同时加入或先后加入(如在水性调节剂的上游或下游加入)。
在一非限制性实施例中，水性调节剂在108步骤被加入，其量为肥料总重的约0.1-约10wt％，且更具体地为肥料总重的约2.0-约4.0wt％。这可通过例如在每吨颗粒肥料中加入约0-约22加仑的水性调节剂来实现，且更具体地为每吨颗粒肥料中加入约5-10加仑，根据水性调节剂的成分或浓度以及每单位肥料颗粒所需的水性调节剂的量来决定。
在一实施例中，在步骤108施加水性调节剂的同时或之后，在调节容器106中可任选地承受搅拌形式的机械能(步骤110)，例如摇动和/或翻滚，以促进或诱发颗粒间的机械相互作用。调节容器还可选择性地包括混合装置如带式搅拌器、桨式搅拌器、分样器，和/或可包括滚筒以使施用的水性调节剂被均匀地散布在颗粒上，且进一步诱发颗粒间的机械相互作用。
在一替代性实施例中，颗粒和水性调节剂被引入流化床反应器中，以使颗粒的表面受到上述的表面调节，而不一定要受到颗粒与颗粒的相互作用或暴露于机械能。可选择地，一种或多种有益农业和/或除尘添加剂可独立于水性调节剂(无论是否具有添加剂)被加入到流化床中。
在步骤110任选施加能量的过程中或之后，在步骤112移除来自水性调节剂施用的额外水分。在一实施例中，在112步骤移除水分可无需额外的设备和/或工艺即可完成。例如，先前建立的空气流如用于移除逃逸粉尘、水蒸气的通风装置或管道，或其他通风设备如流化床干燥器，使足够干燥的空气移动通过容器106以移除所添加的水分。
在本发明的另一实施例中，在114步骤，一种或多种气体被提供或移动通过容器以从颗粒中移除已添加的水分。一种或多种气体可以是例如循环的和/或新鲜空气和/或惰性气体如氩或氮。气体可以是完全干燥的，或具有低或可忽略不计的含湿量。在一特定实施例中，气体包括一种或多种有益农业和/或除尘添加剂或如上所述的用于施用在颗粒表面的制剂。
在另一实施例中，肥料颗粒的潜伏热足以通过使水分蒸发至容器106的周围大气中来干燥颗粒。容器106的空气根据需要被移除或替换。在另一实施例中，颗粒在独立的干燥容器(未示出)如流化床反应器中被施加干燥空气和/或热。在每一实施例中，移除所添加的水分直至最终含湿量达到约0-6.5重量比(wt％)，更具体地为颗粒的约0.5wt％-约3wt％且更具体地为约0.5wt％-约1.5wt％，从而得到经调节的肥料颗粒。
经调节的肥料颗粒在步骤116被移除，随后被运输至仓库和/或最终用户，或按照需要重新调节或进一步调节或处理。
如上所述，通过水处理来调节的颗粒肥料允许减少粉尘控制剂如油性涂层的应用，因此减少了原材料成本和/或生产成本。而且，减少从生产商向种植者的分销过程中产生的粉尘会改善生产商、运输商、客户和/或客户雇员的行业卫生，因此降低了减少行业卫生问题所需的成本和设备。
下表1列出了经水性调节剂(以重量百分比的水的形式)调节的经调节的肥料颗粒与未经调节的肥料颗粒的破损结果对比。在此示例中，基础肥料是磷酸二氢铵且对破损进行测量。
具体地，用于测量该数据的加速性能测量程序包括以下步骤：(1)原始未经处理的肥料颗粒被分开(用分样器)以维持具有可比性的多个部分；(2)基准颗粒不经水性调节剂处理，而剩余的颗粒涂覆不同量的水性调节剂以进行不同的实验处理；(3)经涂覆的样本被存储在反映潜在的产品运输和储存条件的经控制的环境条件下；且(4)粉尘控制的有效性在数周(2、4、6、8周)后被测量。为了测量粉尘控制的有效性，样本被从环境舱中移除并暴露在受控的能量输入下以模拟产品处理。每一样本中的粉尘大小的颗粒随后被提取且粉尘水平通过质量差来确定。减少的百分比被计算作为基准样本产生粉尘引起的百分比变化(在此情况下为减少)。
表1：破损结果
Figure BDA0000968922430000071
Figure BDA0000968922430000081
在其他实施例中，这种通过上述方法进行表面处理和/或引入添加剂或制剂可通过抑制储存、运输等过程中颗粒间的化学和/或物理相互作用而降低结块倾向。
尽管本发明可修改成各种修改和替代形式，其具体已通过附图和详细说明以示例的方式示出。然而应理解，其意图不在于将本发明限制为所述的特定实施例。相反，其意图在于涵盖落入如所附权利要求中限定的本发明的实质和范围内的所有修改、等值和替代。

Claims (12)

1.一种调节磷酸盐肥料颗粒以改善粉尘控制的方法，所述方法包括：
在调节容器中提供具有表面温度为10℃-121℃的多个无机磷酸盐肥料颗粒；
以所述肥料颗粒总重量的0.1重量％-10％重量向所述调节容器引入水性调节剂至所述肥料颗粒上；
通过在调节容器中翻滚或混合以促进颗粒间的相互作用，使其上带有所述水性调节剂的所述肥料颗粒暴露于机械能；且
从所述肥料颗粒中移除水分，直至所述肥料颗粒的最终含湿量为所述肥料颗粒的0wt％-6.5wt％，
其中所述水性调节剂
包括水与酸化剂的溶液或悬浮液，所述酸化剂包括柠檬酸、氨基磺酸、硫酸、磷酸或它们的组合；
包括水与干燥剂的溶液或悬浮液，所述干燥剂包括玉米淀粉、小麦淀粉或它们的组合；
包括水与螯合剂的溶液或悬浮液，所述螯合剂包括乙二胺四乙酸(EDTA)、聚乙烯亚胺(PEI)或它们的组合；或
由水组成。
2.如权利要求1中所述的方法，其中所述水性调节剂中酸化剂、干燥剂或螯合剂的量为20wt％-50wt％。
3.如权利要求2中所述的方法，其中所述水性调节剂还包括至少一种添加剂，其选自：硫源、钙源、镁源和它们的组合。
4.如权利要求2中所述的方法，其中所述水性调节剂还包括至少一种添加剂，其选自：铁源、锰源、锌源、铜源、硼源、钼源、氯源和它们的组合。
5.如权利要求1中所述的方法，其中引入水性调节剂包括：在所述调节容器中将所述水性调节剂喷洒在所述磷酸盐肥料颗粒上，其中所述水性调节剂在0℃-427℃时被引入。
6.如权利要求1中所述的方法，还包括：在独立于所述水性调节剂的步骤中，或从不同于所述水性调节剂的独立源，向所述磷酸盐肥料颗粒的表面引入一种或多种添加剂。
7.如权利要求2中所述的方法，其中所述水性调节剂还包括微生物。
8.如权利要求7中所述的方法，其中所述微生物是选自芽孢杆菌属(Bacillus)、根瘤菌属(Rhizobium)、固氮菌属(Azobacter)、固氮螺菌属(Azospirillum)及它们的组合的组的细菌。
9.如权利要求7中所述的方法，其中所述微生物是选自曲霉菌、菌根菌、白僵菌、绿僵菌、木霉菌、啤酒酵母菌、裂殖酵母菌、掷孢酵母菌、念珠菌、丝孢酵母菌、红冬孢酵母菌以及它们的组合的真菌。
10.如权利要求2中所述的方法，其中所述所述水性调节剂还包括至少一种添加剂，其选自肽类、荷尔蒙、铁载体、腐植酸盐、表面活性剂、维生素、酶类、氨基酸、核酸及它们的组合。
11.如权利要求1中所述的方法，其中所述调节容器包括混合装置，所述混合装置选自：带式搅拌器、桨式搅拌器、分样器和它们的组合。
12.如权利要求1中所述的方法，其中所述调节容器包括滚筒，以使施加的所述水性调节剂是被均匀地喷洒在所述颗粒上，且进一步在所述颗粒间引入机械相互作用。
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