肥料生产的基本原理 - 图文

肥料生产的基本原理

第五、第六和第七章讨论了各种含氮、磷、钾肥料物质的特性及应用。本书目的不是详细阐述这些肥料的生产工艺，因其是肥料技术课程上讨论的内容。然而，了解肥料生产中的基本反应，有助于更好地认识其对土壤肥力的重要作用及在农业中的地位。

本章将讨论氮肥、磷肥和钾肥生产所涉及的各种反应及工艺。只有几种化合物的生产对第五、第六和第七章中论述的许多产品是必不可少的，因此本章叙述了生产这些基础材料的化学反应。

另外，本章还将介绍用基础肥料物质配制多养分固体和液体肥料产品的工艺，讨论掺混固体和液体肥料中各方面的问题，考察肥料-农药混成品，还介绍了有关肥料法规和管理的内容及消费者利益的保护等有关知识。

第一节 氮肥

在这一节，我们主要讨论氮肥合成的基本过程。所有合成氮肥的生产都必须固定大气中的氮。就此目的而言，占大气成分近80%的氮可谓取之不尽。

实际上，直到19世纪末，这一无限丰富的氮资源才以化合物态为人类所利用。当然，共生细菌、非共生细菌以及大气放电也固定了一部分氮，但大规模的商业性固氮还仅是近些年的事。

固定单质氮有三种基本方法：①合成氨法，由氮和氢合成氨气；②氰氨法，氮与碳化钙反应；③氮的直接氧化法。

一、合成氨法

目前，所用合成氨法几乎都是1910年德国发明的哈伯-勃赤法（Haber-Bosch process）的改良工艺。氮与氢于1200℃在以加有钾、氧化铝和钙的磁铁矿（Fe3O4）为催化剂的作用下反应合成氨。因采用的改进方法不同，反应所需压力介于200~1000大气压之间。该反应化学方程式如下：

3H2 + N2 → 2NH3

一般这两种反应底物的17%~28%可转化为氨。

反应所用氢可由数种来源获得，其主要来源列于表10-1。在讨论蒸汽转化问题之后，还将谈到其他含氢原料。另外，如果能使用成本低廉的水力电能，也可用电解水法制取氢。值得注意的是，1971年前的40年间，加拿大不列颠哥伦比亚省特雷尔生产氨用的都是电解氢。合成氨所需氮全部取自空气。

目前，世界70%以上的氨生产是用天然气。天然气的化学组成如表10-2所示。

甲烷及其他常用原料必须经裂解释放出氢来，才能与氮化合。世界氨产量的80%以上都是采用蒸汽转化法获得氢。图10-1示出了典型的蒸汽转化工艺中主要的反应和反应所需压力。制氨分3个主要步骤：原料气的制备、提纯及氨的合成。

(表：表10-1 1971-1975年世界用于氨生产的主要原料及对未来的预测 )

原料 占氨产量的百分数(%) 1971 1975 1980 1985 1990 2000 天然气 60 62 71.5 71.0 69.5 68.0 石脑油 20 19 15.0 13.0 8.5 6.5 燃油 4.5 5 7.0 8.5 10.0 12.0 煤 9 9 5.5 6.5 7.5 10.5 总计 93.5 95.0 99.0 99.0 95.5 97.0 注释：资料来源：国际肥料发展中心和联合国工业发展组织，Fertilizer Manual, Reference Manual IFDC-R-1. Muscle Shoals,

Ala.: IFDC, 1979.

(表：表10-2 用于氨生产的天然原料成分 )

体积百分比（%） 组分 井口处 输气管 N2 - Ar - 2.0 0.4 CO2 7.3 0.01 H2S 8.9 ＜5×10-6 碳氢化合物 CH4 75.9 93.3 C2H6 3.3 3.3 C2H8 1.2 0.9 C4H10 0.8 0.2 C5H12 0.5 0.01 C6H14+ 2.3 - 注释：资料来源：国际肥料发展中心和联合国工业发展组织，Fertilizer Manual, Reference Manual IFDC-R-1. Muscle Shoals,

Ala.: IFDC, 1979.

(图：图10-1 采用天然气蒸汽转化法合成氨的流程框图)

其他可用蒸汽转化法处理的氢原料包括：液化石油气，主要成分为丁烷和丙烷；液化天然气；石脑油；各种提馏气；焦炉尾气和重油。其他适合但目前尚未大规模应用的原料有甲醇、乙醇和甲烷，它们产自有机废料和专门种植用来生产纤维质的生物体。

制氨的各步骤在0~1200℃的不同温度下进行。因此，需要用燃料加热反应物。尽管一般要采取措施尽量回收热能，但仍有很大一部分损失掉。一些形式的能量也用来驱动机械。

天然气价格大大影响着氨的生产成本。现在天然气可占到氨生产可变成本的75%~80%，而过去天然气成本一度还占不到总生产成本的50%。1981年，在美国氨生产厂家为每1000米3氨平均支付82.27美元，比1970年的9.89美元有显著提高。天然气价格对制氨总成本的影响见表10-3。

值得注意的是，氨生产只消耗世界天然气总产量的3%，为此所用的石油制品和煤约占全球产量的0.5%。

(表：表10-3 天然气成本对制氨总成本的影响 ) 天然气成本 (美元/1000米3) 天然气成本占制氨总成本 (%) 10.59 21.19 31.78 63.56 95.34 105.93 27.5 42.3 53.0 68.6 77.2 79.0 二、氰氨法

氰氨法于1898年由弗兰克（Frank）和卡罗（Caro）在德国发明。该法需要高纯度的氮和碳化钙，在1100℃下反应生成氰氨化钙。

(图：图10-a 反应式)

碳酸钙加热生成氧化钙，再与焦炭在2200℃下反应生成熔融态碳化钙。

世界上只有一两个地方使用该工艺。加拿大安大略省尼亚加拉瀑布附近的北美工厂生产的氨用于非农业目的，只有很少一部分用于配制专用肥料。然而，氰氨化钙在德国等欧洲国家应用较广。

三、氮直接氧化法

众所周知，氮的氧化始自地球大气形成之初，每次闪电都会固定一些氮。卡文迪许（Cavendish）于1766年首次在实验室中以电火花击穿两种气体的混合物获得该类化合物。其反应为：

N2 + O2 → 2NO

2NO + O2 → 2NO2

NO2溶于水时生成硝酸：

3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

这种固定氮的方式可称作电弧法。美国人曾几次试图用此法生产硝酸盐，但都未能连续运转几年便停产，因其需要大量电能，难以与较廉价的氨固定法相竞争。Birkeland和Eyde在瑞典改进了电弧法，凭借该地水力发电成本低而得以成功，该方法令氮和氧通过电磁铁间增强的电弧以增加接触机会。炉中出来的气体混合物中约含1.3%~1.7%的氧化氮。

四、氨衍生物

商用肥料中至少99%的氮都始自液氨。硝酸铵和尿素是仅有的2种不加其他原料只由氨制成的氮肥，其他由氨和不同原料制造的氮肥包括氯化铵、硫酸铵、氰氨化钙、硝酸钙、草酰胺和硝酸钠。

五、氨氧化法

利用硝酸在800℃下以铂为催化剂对氨进行氧化生成硝酸铵和其他硝酸盐的肥料。目前所用方法称为低压法，其压力只有50~100psi（即3.4~6.8大气压），由奥斯特瓦德（Ostwald）和布罗尔（Brouer）发明，并于1908年首先在德国应用。氨转化成硝酸的化学反应分二步：氧化和吸收。

氧化过程：

① 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O

② 2NO + O2 → 2NO2

吸收过程：

③ 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

④ 2NO + N2 → 2NO2

⑤ 通过吸收器重复反应③和反应④。

常用的氧化催化剂是含2%~10%铑的铂。

六、尿素合成

尿素，有时又叫碳酰二胺，是非离子型氮化合物，在工业上用于制造塑料及肥料，还可当作反刍动物饲料中的蛋白质添加剂。一般肥料只要用氨与某种酸中和即可制成，而制备尿素却比较复杂。尿素的商业生产都是由氨和二氧化碳在2000psi（即136大气压）高压下通过适当催化剂作用反应生成的。由于两种反应物都产自制氨厂，所以对合成氨厂的生产而言，尿素是更综合的商品。化学反应分二步进行：①氨基甲酸铵的生成；②氨基甲酸铵脱水。

2NH3 + CO2 → NH2COONH4

NH2COONH4 → NH2CONH2 + H2O

有多种尿素生产工艺，其主要差别在于回收、分离和未反应氨和二氧化碳再循环中所采用的方法。通常把这些不同的工艺称为一步法、部分循环法或全循环法。以尿素氮形态转化和最终回收的氨态氮在一步法中为30%，部分循环法为50%~80%，全循环法高达98%。

各种尿素合成法的终产物都是75%尿素的水溶液。这种溶液可以制成尿素-硝酸铵液体肥料，或进一步加工成固体尿素及颗粒复合肥料。

图10-2为描述球粒化工艺主要特点的流程简图，该工艺已在美国和加拿大许多新建尿素厂被采用。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ilfv.html