TWI694061B - 氮化矽肥料製造系統 - Google Patents

Abstract

一種氮化矽肥料製造系統，包含一高溫爐以及一控制裝置。其中，高溫爐係用以容置一氮化矽肥料原料與一反應起始物。而控制裝置是用來對反應起始物加熱，並控制氮化矽肥料原料的反應條件，以使氮化矽肥料原料受到反應起始物反應所產生之反應熱產生一自蔓延高溫合成反應而生成一包含氮化矽肥料之鬆散燒結物。

Description

氮化矽肥料製造系統

本發明係關於一種氮化矽肥料製造系統，尤其是指一種利用自蔓延高溫合成反應產生氮化矽肥料的氮化矽肥料製造系統。

一般來說，農作物的生長除了日光與水之外，往往還需要肥料來補充其他營養要素，而常見的肥料有氮肥、磷肥與鉀肥，其中氮肥中的尿素因為可以人工合成大量生產，且氮含量高，又易於製造，因此最廣受大眾所使用。

如以下式(1)與式(2)所示，尿素在土壤中主要是會受到微生物群所分泌之尿素分解酵素催化而水解成碳酸銨，接著碳酸銨會再與土壤中的氫離子反應而轉化成銨根離子。

式(1).........CO(NH₂)₂+2H₂O → (NH₄)₂CO₃

式(2).........(NH₄)₂CO₃+2H → 2NH₄+CO₂+H₂O

請參閱第一圖，第一圖係顯示在先前技術中，尿素與氮化矽鎂在土壤中因水解銨化而使土壤的pH 值產生變化之土壤pH值變化示意圖。如圖所示，當尿素在土壤中水解銨化時，土壤的pH值會因為銨根離子的濃度增加而提急速上升，但銨根離子很容易因為雨水或灌溉的關係而流失，導致大部分的銨根離子並無法有效地被農作物所吸收，因此雖然尿素的成本低，對農作物的營養補充卻有限，且還有可能因此而增加施肥的頻率。

承上所述，為了改善尿素在土壤中水解銨化之銨根離子很容易流失，導致農作物所能吸收到的氮元素有限的問題，現有的技術中發現到氮化矽鎂、氮化矽鉀或氮化矽鈣等氮化矽化合物在土讓中會逐步的水解而緩慢釋放出氮與矽等元素，使得土壤中的pH值得以緩慢上升，且矽元素還可在農作物的表面孔隙中結晶，進而防止害蟲或細菌進入農作物中。

然而，雖然氮化矽做為肥料的效益極高，但由於現有的氮化矽的製造方法大都是採用自蔓延高溫合成反應(self-propagation high-temperature synthesis,SHS)來製造出氮化矽，但由於自蔓延高溫合成反應釋放出的反應熱極高，也因此產生的氮化矽往往是呈現結晶的狀態，結晶狀的氮化矽非但不易水解，且也不易作為肥料施灑於土壤，還必須透過研磨等方式來將氮化矽結晶磨成細小粉體才能使用，導致製造氮化矽粉體的成本增加，不利於作為經濟價值相對低之農作物的肥料。

有鑒於在先前技術中，通常是採用自蔓延 高溫合成反應來製造出氮化矽，但也因為自蔓延高溫合成反應產生的高溫使得製造出的氮化矽往往呈現結晶狀，非常不適合用作為農作物的肥料；緣此，本發明的主要目的在於提供一種氮化矽肥料製造系統，藉以製造出包含氮化矽肥料的鬆散燒結物。

本發明為解決先前技術之問題，所採用的必要技術手段是提供一種氮化矽肥料製造系統，包含一高溫爐以及一控制裝置。

高溫爐包含一高溫爐本體、一氮氣閥、一進水閥以及一出水閥。高溫爐本體包含一內壁、一外壁以及一冷卻通道。內壁係圍構出一反應空間，反應空間係用以容置一氮化矽肥料原料與一反應起始物，氮化矽肥料原料係由一矽粉、一氮化矽粉與一金屬粉混合而成，且金屬粉包含一含鎂物質、一含鉀物質或一含鈣物質，反應起始物係接觸氮化矽肥料原料，且反應起始物為一含鋁物質。外壁係與內壁相對設置。冷卻通道係設置於內壁與外壁之間，並環繞反應空間。

氮氣閥係設置於外壁，並連通至反應空間，用以將一氮氣通入反應空間；進水閥係設置於外壁，並連通於冷卻通道之一端，用以將一冷卻水導入冷卻通道中；出水閥係設置於外壁，並連通於冷卻通道相對於進水閥之另一端，用以將導入冷卻通道中之冷卻水排出。

控制裝置包含一加熱器、一氣壓偵測器、一溫度偵測器、一處理模組以及一控制模組。加熱器係設置於高溫爐本體，用以對反應起始物進行加熱。氣壓 偵測器係設置於反應空間內，用以偵測反應空間內之氣壓而產生一載有一爐內壓力值之氣壓偵測訊號。溫度偵測器係設置於反應空間內，用以偵測反應空間內之溫度而產生一載有一爐內溫度值之溫度偵測訊號。

處理模組係電性連結於氣壓偵測器以及溫度偵測器，用以接收氣壓偵測訊號與溫度偵測訊號，並依據爐內壓力值與爐內溫度值產生並發送出一氮氣閥調節訊號與一進水閥調節訊號。控制模組係電性連結於處理模組、氮氣閥以及進水閥，用以接收氮氣閥調節訊號與進水閥調節訊號，並據以產生一氮氣閥驅動訊號與一進水閥驅動訊號，藉以控制氮化矽肥料原料在一鬆散燒結條件下以一自蔓延高溫合成反應生成一包含氮化矽肥料之鬆散燒結物。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，處理模組更包含一壓力處理單元與一溫度處理單元，壓力處理單元係電性連結於氣壓偵測器，並依據爐內壓力值產生氮氣閥調節訊號，溫度處理單元係電性連結於溫度偵測器，並依據爐內溫度值產生進水閥調節訊號。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，處理模組更包含一儲存單元，係電性連結於壓力處理單元與溫度處理單元，並儲存有一壓力與氮氣閥調節對應資料以及一溫度與進水閥調節對應資料，藉以使壓力處理單元依據爐內壓力值與壓力與氮氣閥調節對應資料產生氮氣閥調節訊號，並使溫度處理單元係依 據爐內溫度值與溫度與進水閥調節對應資料產生進水閥調節訊號。

較佳者，控制裝置更包含一壓力警報器，係電性連結於壓力處理單元，壓力處理單元係在爐內壓力值低於一壓力警戒值時驅使壓力警報器發出警報。此外，控制裝置更包含一溫度警報器，係電性連結於溫度處理單元，溫度處理單元係在爐內溫度值高於一溫度警戒值時驅使溫度警報器發出警報。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，高溫爐更包含一爐蓋，係可拆卸地固接於高溫爐本體，用以密封反應空間。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，高溫爐更包含一固定架，高溫爐本體係可轉動地連結於固定架。較佳者，固定架更包含一固定架底座與一馬達，馬達係固設於固定架底座，並連結於高溫爐，用以控制高溫爐轉動，藉以使反應空間之一延伸方向與一水平方向之間產生一傾角，傾角係介於15°至45°之間。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，高溫爐更包含一反應容器，反應容器係可抽換地設置於反應空間中，並用以盛裝氮化矽肥料原料。

如上所述，由於在本發明中，當氮化矽肥料原料在高溫爐之反應空間內與氮氣產生自蔓延高溫合成反應時，藉由本發明之控制裝置控制反應空間內的溫度，可以有效的防止氮化矽肥料原料反應生成致密的氮 化矽結晶，進而生成包含氮化矽肥料之鬆散燒結物。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。

100:氮化矽肥料製造系統

1:高溫爐

11:高溫爐本體

111:內壁

112:外壁

113:冷卻通道

1131:入口端

1132:出口端

12:反應容器

13:爐蓋

14:固定架

141:固定架底座

142:馬達

15:氮氣閥

16:進水閥

17:出水閥

2:控制裝置

21:加熱器

22:氣壓偵測器

23:溫度偵測器

24:處理模組

241:儲存單元

2411:壓力與氮氣閥調節對應資料

2412:溫度與進水閥調節對應資料

242:壓力處理單元

243:溫度處理單元

25:控制模組

251:氮氣閥控制單元

252:進水閥控制單元

26:壓力警報器

27:溫度警報器

RS:反應空間

FR:氮化矽肥料原料

RI:反應起始物

RM1:矽粉

RM2:氮化矽粉

RM3:金屬粉

D1:延伸方向

D2:水平方向

a1:傾角

S1:氣壓偵測訊號

S2:溫度偵測訊號

S3:氮氣閥調節訊號

S4:進水閥調節訊號

S5:氮氣閥驅動訊號

S6:進水閥驅動訊號

第一圖係顯示在先前技術中，尿素與氮化矽鎂在土壤中因水解銨化而使土壤的pH值產生變化之土壤pH值變化示意圖；第二圖係顯示本發明之氮化矽肥料製造系統之平面示意圖；第三圖係顯示本發明之氮化矽肥料製造系統之高溫爐本體之剖面示意圖；以及第四圖係顯示本發明之氮化矽肥料製造系統之控制裝置之系統方塊圖。

請參閱第二圖與第三圖，第二圖係顯示本發明之氮化矽肥料製造系統之平面示意圖；第三圖係顯示本發明之氮化矽肥料製造系統之高溫爐本體之剖面示意圖。

如第二圖與第三圖所示，一種氮化矽肥料製造系統100包含一高溫爐1以及一控制裝置2。高溫爐1包含一高溫爐本體11、一反應容器12、一爐蓋13、一固定架14、一氮氣閥15、一進水閥16以及一出水閥17。

高溫爐本體11包含一內壁111、一外壁112以及一冷卻通道113。內壁111係圍構出一反應空間RS，反應空間RS係用以容置一氮化矽肥料原料FR與一反應起始物RI，氮化矽肥料原料FR係由一矽粉RM1、一氮化矽粉RM2與一金屬粉RM3混合而成，且金屬粉RM3包含一含鎂物質、一含鉀物質或一含鈣物質。反應起始物RI係接觸氮化矽肥料原料FR，且反應起始物RI為一鎂鋁粉。在本實施例中，含鎂物質例如為鎂粉，含鉀物質例如為磷酸鉀，含鈣物質例如為磷酸鈣。

外壁112係與內壁111相對設置。冷卻通道113係設置於內壁111與外壁112之間，且冷卻通道113是環繞著反應空間RS，且冷卻通道113具有相連通之一入口端1131與一出口端1132。

反應容器12係可抽換地設置於反應空間RS中，並用以盛裝氮化矽肥料原料FR。

爐蓋13係可拆卸地固接於高溫爐本體11，用以密封反應空間RS。在實務運用上，使用者是將反應容器12自反應空間RS中抽離出，然後將氮化矽肥料原料FR與反應起始物RI放入反應容器12中，最後再將盛裝有氮化矽肥料原料FR之反應容器12置入反應空間RS中。

固定架14包含一固定架底座141與一馬達142，馬達142係固設於固定架底座141，並連結於高溫爐本體11，藉以使高溫爐本體11可轉動地連結於固定架14，且馬達142是用來控制高溫爐本體11轉動。其中，藉 由馬達142轉動高溫爐本體11，可使反應空間RS之一延伸方向D1與一水平方向D2之間產生一傾角a1，而傾角a1係介於15°至45°之間。在本實施例中，傾角a1為30°。

氮氣閥15係設置於外壁112，並連通至反應空間RS，用以將一氮氣通入反應空間RS。進水閥16係設置於外壁112，並連通於冷卻通道113之入口端1131，用以將一冷卻水導入冷卻通道113中，進而冷卻高溫爐本體11之溫度，相對的控制反應空間RS內之溫度。

出水閥17係設置於外壁112，並連通於冷卻通道113相對於入口端1131之出口端1132，用以將導入冷卻通道113中之冷卻水排出。

請繼續參閱第四圖，第四圖係顯示本發明之氮化矽肥料製造系統之控制裝置之系統方塊圖。如第二圖至第四圖所示，控制裝置2包含一加熱器21、一氣壓偵測器22、一溫度偵測器23、一處理模組24、一控制模組25、一壓力警報器26以及一溫度警報器27。

加熱器21係設置於高溫爐本體11，用以對反應起始物RI進行加熱；其中，加熱器21例如為電阻加熱器，以透過通電的方式來對反應起始物RI加熱。其中，由於在本實施例中，反應起始物RI為鎂鋁粉，當鎂鋁粉被加熱至600℃時會燃燒而使鋁與反應空間RS內所充填之氮氣反應而產生氮化鋁，而由於鋁的氮化反應為放熱反應，因此會產生大量的熱量，可瞬間將氮化矽肥料原料FR加熱至2000℃以上，使得氮化矽肥料原料FR所包含之矽粉RM1、氮化矽粉RM2及金屬粉RM3與氮氣反應生 成包含氮化矽肥料之鬆散燒結物。

承上所述，當金屬粉RM3為鎂粉時，其反應如以下式(3)；當金屬粉RM3為磷酸鉀時，其反應如以下式(4)；當金屬粉RM3為磷酸鈣時，其反應如以下式(5)。

式(3).........Si₃N₄+3Mg+N₂ → 3MgSiN₂

式(4).........4K₃PO₄+9Si+6N₂ → 6K₂SiN₂+Si₃(PO₄)₄

式(5).........2Ca₃(PO₄)₂+9Si+6N₂ → 6CaSiN₂+Si₃(PO₄)₄

其中，由於矽粉RM1也會與氮氣反應生成氮化矽，而原本的氮化矽粉RM2則會如式(3)與金屬粉RM3反應生成氮化矽鎂，因此當金屬粉RM3只包含鎂粉時，氮化矽肥料為氮化矽鎂，且氮化矽鎂更與矽粉RM1氮化之氮化矽部分結合而形成包含氮化矽肥料之鬆散燒結物；當金屬粉RM3只包含磷酸鉀時，氮化矽肥料為氮化矽鉀，且氮化矽鉀更與氮化矽粉RM2部分結合而形成包含氮化矽肥料之鬆散燒結物；當金屬粉RM3只包含磷酸鈣時，氮化矽肥料為氮化矽鈣，且氮化矽鈣更與氮化矽粉RM2部分結合而形成包含氮化矽肥料之鬆散燒結物。此外，當金屬粉RM3同時包含鎂粉、磷酸鉀與磷酸鈣時，則式(3)、式(4)與式(5)都會在反應空間RS內進行，進而使生成的氮化矽肥料包含有氮化矽鎂、氮化矽鉀與氮化矽鈣，同時氮化矽肥料還會部分與矽粉RM1氮化之氮化矽或氮化矽粉RM2部分結合而形成包含氮化矽肥料之鬆散燒結物。

氣壓偵測器22係設置於反應空間RS內，用以偵測反應空間RS內之氣壓而產生一載有一爐內壓 力值之氣壓偵測訊號S1。溫度偵測器23係設置於反應空間RS內，用以偵測反應空間RS內之溫度而產生一載有一爐內溫度值之溫度偵測訊號S2。

處理模組24係電性連結於氣壓偵測器22以及溫度偵測器23，用以接收氣壓偵測訊號S1與溫度偵測訊號S2，並依據爐內壓力值與爐內溫度值產生並發送出一氮氣閥調節訊號S3與一進水閥調節訊號S4。

處理模組24包含一儲存單元241、一壓力處理單元242與一溫度處理單元243。

儲存單元241係儲存有一壓力與氮氣閥調節對應資料2411以及一溫度與進水閥調節對應資料2412。壓力處理單元242係電性連結於氣壓偵測器22與儲存單元241，並依據爐內壓力與氮氣閥調節對應資料2411產生並發送氮氣閥調節訊號S3。溫度處理單元243係電性連結於溫度偵測器23與儲存單元241，並依據爐內溫度值及溫度與進水閥調節對應資料2412產生並發送進水閥調節訊號S4。

其中，壓力與氮氣閥調節對應資料2411包含有爐內壓力值與氮氣閥15之調節規則，例如當爐內壓力值大於或等於壓力上限值時，氮氣閥15之開啟程度會降低至50%，而當爐內壓力值在預設壓力範圍內逐漸減少時，氮氣閥15之開啟程度會逐漸增加至100%。

另一方面，溫度與進水閥調節對應資料2412包含有爐內溫度值與進水閥16之調節規則，例如當爐內溫度值大於或等於溫度上限值時，氮氣閥15之開啟 程度會逐漸增加至100%，而當爐內溫度值在預設溫度範圍內逐漸減少時，進水閥16之開啟程度會逐漸降低而使爐內溫度值維持在溫度下限值上。

控制模組25包含一氮氣閥控制單元251與一進水閥控制單元252。氮氣閥控制單元251係電性連結於壓力處理單元242與氮氣閥15，用以接收氮氣閥調節訊號S3，並據以產生並發送一氮氣閥驅動訊號S5至氮氣閥15。進水閥控制單元252係電性連結於溫度處理單元243與進水閥16，用以接收進水閥調節訊號S4，並據以產生並發送一進水閥驅動訊號S6至進水閥16。在實務上，氮氣閥控制單元251是將氮氣閥驅動訊號S5所載之閥開度參數轉換為控制氮氣閥15的電壓值，藉以調整氮氣閥15之開度，使反應空間RS內之爐內壓力值控制在20atm至150atm之間，而進水閥控制單元252同樣是將進水閥驅動訊號S6所載之閥開度參數轉換為控制進水閥16的電壓值，藉以調整進水閥16之開度，使冷卻水之流量控制在5L/min以上。

壓力警報器26係電性連結於壓力處理單元242，壓力處理單元242係在爐內壓力值低於一壓力警戒值時驅使壓力警報器26發出警報。舉例而言，反應空間RS內之反應壓力預設是控制在20atm至150atm之間，當氣壓偵測器22所偵測到的爐內壓力值低於50atm時，壓力處理單元242便會驅使壓力警報器26發出警報，以通知作業人員來關注氮氣閥15所連通之氮氣供應源是否壓力不足需更換，藉以即早修正問題而避免爐內壓力值不足。

溫度警報器27係電性連結於溫度處理單元243，溫度處理單元243係在爐內溫度值高於一溫度警戒值時驅使溫度警報器27發出警報。舉例而言，反應空間RS內之反應溫度預設是控制在1200℃以下，當溫度偵測器23所偵測到的爐內溫度值高於1100℃時，溫度處理單元243便會驅使溫度警報器27發出警報，以通知作業人員來關注是否在冷卻上出了問題，藉以即早修正問題而避免爐內溫度值超出預設溫度上限。

綜上所述，由於本發明之氮化矽肥料製造系統是將反應空間內之爐內壓力值與爐內溫度值控制在鬆散燒結條件下，使氮化矽肥料原料透過自蔓延高溫合成反應所生成鬆散燒結物的結構較為鬆散，進而供使用者可以輕易將包含氮化矽肥料之鬆散燒結物作為肥料進行施肥，相較於先前技術之氮化矽肥料因為反應生成物過於致密，本發明之氮化矽肥料製造系統確實可以有效的製造出包含氮化矽肥料之鬆散燒結物。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

111:內壁

112:外壁

113:冷卻通道

1131:入口端

1132:出口端

12:反應容器

13:爐蓋

15:氮氣閥

16:進水閥

17:出水閥

21:加熱器

22:氣壓偵測器

23:溫度偵測器

RS:反應空間

FR:氮化矽肥料原料

RI:反應起始物

RM1:矽粉

RM2:氮化矽粉

RM3:金屬粉

Claims (8)

1. 一種氮化矽肥料製造系統，係用以製造產生一氮化矽肥料，該氮化矽肥料包含一氮化矽鎂、一氮化矽鉀或一氮化矽鈣，該氮化矽肥料製造系統包含：一高溫爐，包含：一高溫爐本體，包含：一內壁，係圍構出一反應空間，該反應空間係用以容置一氮化矽肥料原料與一反應起始物，該氮化矽肥料原料係由一矽粉、一氮化矽粉與一金屬粉混合而成，且該金屬粉包含一含鎂物質、一含鉀物質或一含鈣物質，該反應起始物係接觸該氮化矽肥料原料，且該反應起始物為一含鋁物質；一外壁，係與該內壁相對設置；以及一冷卻通道，係設置於該內壁與該外壁之間，並環繞該反應空間；一氮氣閥，係設置於該外壁，並連通至該反應空間，用以將一氮氣通入該反應空間；一進水閥，係設置於該外壁，並連通於該冷卻通道之一端，用以將一冷卻水導入該冷卻通道中；以及一出水閥，係設置於該外壁，並連通於該冷卻通道相對於該進水閥之另一端，用以將導入該冷卻通道中之該冷卻水排出；以及一固定架，該高溫爐本體係可轉動地連結於該固定架；以及一控制裝置，包含： 一加熱器，係設置於該高溫爐本體，用以對該反應起始物進行加熱；一氣壓偵測器，係設置於該反應空間內，用以偵測該反應空間內之氣壓而產生一氣壓偵測訊號；一溫度偵測器，係設置於該反應空間內，用以偵測該反應空間內之溫度而產生一溫度偵測訊號；一處理模組，係電性連結於該氣壓偵測器以及該溫度偵測器，用以接收該氣壓偵測訊號與該溫度偵測訊號，據以產生並發送出一氮氣閥調節訊號與一進水閥調節訊號；以及一控制模組，係電性連結於該處理模組、該氮氣閥以及該進水閥，用以接收該氮氣閥調節訊號與該進水閥調節訊號，據以產生並發送一氮氣閥驅動訊號與一進水閥驅動訊號至該氮氣閥與該進水閥，藉以控制該反應空間內之壓力介於20atm至150atm，並控制該反應空間內之溫度在1200℃以下，使該氮化矽肥料原料在一鬆散燒結條件下產生自蔓延高溫合成反應而生成一包含氮化矽肥料之鬆散燒結物。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氮化矽肥料製造系統，其中，該處理模組更包含一壓力處理單元與一溫度處理單元，該壓力處理單元係電性連結於該氣壓偵測器，並依據該爐內壓力值產生該氮氣閥調節訊號，該溫度處理單元係電性連結於該溫度偵測器，並依據該爐內溫度值產生該進水閥調節訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之氮化矽肥料製造系統，其中，該處理模組更包含一儲存單元，係電性連結於該壓力處理單元與該溫度處理單元，並儲存有一壓力與氮氣閥調節對應資料以及一溫度與進水閥調節對應資料，藉以使該壓力處理單元依據該爐內壓力值與該壓力與氮氣閥調節對應資料產生該氮氣閥調節訊號，並使該溫度處理單元係依據該爐內溫度值與該溫度與進水閥調節對應資料產生該進水閥調節訊號。
4. 如申請專利範圍第2項所述之氮化矽肥料製造系統，其中，該控制裝置更包含一壓力警報器，係電性連結於該壓力處理單元，該壓力處理單元係在該爐內壓力值低於一壓力警戒值時驅使該壓力警報器發出警報。
5. 如申請專利範圍第2項所述之氮化矽肥料製造系統，其中，該控制裝置更包含一溫度警報器，係電性連結於該溫度處理單元，該溫度處理單元係在該爐內溫度值高於一溫度警戒值時驅使該溫度警報器發出警報。
6. 如申請專利範圍第1項所述之氮化矽肥料製造系統，其中，該高溫爐更包含一爐蓋，係可拆卸地固接於該高溫爐本體，用以密封該反應空間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之氮化矽肥料製造系統，其中，該固定架更包含一固定架底座與一馬達，該馬達係固設於該固定架底座，並連結於該高溫爐，用以控制該高溫爐轉動，藉以使該反應空間之一延伸方向與一水平方向之間產生一傾角，該傾角係介於15°至45°之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之氮化矽肥料製造系統，其中，該高溫爐更包含一反應容器，該反應容器係可抽換地設置於該反應空間中，並用以盛裝該氮化矽肥料原料。

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