減緩煙草專用復(fù)合肥結(jié)塊的試驗(yàn)研究*

何余勇，何志華，蒲榮貴，楊汶錦，賈 林，謝 強(qiáng)，莫 玲，韓利紅

(1.四川誠至誠煙草投資有限責(zé)任公司 四川成都 610041；2.四川金葉化肥有限公司 四川眉山 620860；3.四川省煙草公司瀘州市公司 四川瀘州 646400)

0 前言

煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，煙草的生長發(fā)育離不開氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，通常情況下，土壤中的氮、磷、鉀無法滿足其需求，需要適時(shí)通過施肥的方式向土壤中補(bǔ)充養(yǎng)分[1]。測土配方平衡施肥技術(shù)是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的核心技術(shù)，氮磷鉀肥的平衡施用是提高烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的重要手段[2]，全國各煙葉種植區(qū)已逐漸推廣施用與之相適應(yīng)的煙草專用復(fù)合肥，但因復(fù)合肥結(jié)塊問題的普遍存在，給煙草生產(chǎn)帶來了較大的困擾。肥料在受到一些因素的影響后形成硬塊，使其失去流動性的現(xiàn)象稱為結(jié)塊[3]。復(fù)合肥結(jié)塊問題是世界性難題，一直受到化肥行業(yè)的關(guān)注，其也是影響國產(chǎn)肥料質(zhì)量的重要因素之一和評估產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[3-5]。

復(fù)合肥結(jié)塊是多重理化因素綜合影響的結(jié)果，影響因素可分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素是指肥料自身對結(jié)塊有影響的條件和性質(zhì)，包括肥料的粒度、強(qiáng)度、組成等；外部因素是指肥料在包裝、運(yùn)輸、儲存、使用過程中對結(jié)塊有影響的因素，如溫度、壓力、貯存時(shí)間和環(huán)境濕度等[6-7]。復(fù)合肥的各組成成分之間會發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，從而引起顆粒表面之間的再結(jié)晶，形成晶橋，導(dǎo)致復(fù)合肥結(jié)塊[8]，其中硝基和尿基高氮復(fù)合肥比硫基和磷基復(fù)合肥更容易結(jié)塊[9]。目前，只能盡量減緩結(jié)塊的發(fā)生，無法有效制止結(jié)塊的發(fā)生[10]。通過人為干預(yù)緩解結(jié)塊的途徑，大致可歸納為兩條：一是通過優(yōu)化生產(chǎn)操作工藝，減緩化肥的結(jié)塊，如采用現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝，改善貯存環(huán)境條件、包裝條件和包裝方法等；二是使用化肥防結(jié)塊劑，降低產(chǎn)品的含水量，提高產(chǎn)品的強(qiáng)度、均勻性和松散性等[7]。當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于復(fù)合肥結(jié)塊原因和緩解措施的綜述性研究較多，部分緩解措施因缺乏系統(tǒng)性的量化研究而不具有可操作性，鮮見針對煙草專用復(fù)合肥的養(yǎng)分特點(diǎn)而采取相應(yīng)緩解結(jié)塊措施的系統(tǒng)性報(bào)道。為探究煙草專用復(fù)合肥的養(yǎng)分特點(diǎn)和尋求緩解結(jié)塊措施，彌補(bǔ)相關(guān)領(lǐng)域的研究空白，本文以我國云南省、貴州省、四川省、重慶市等煙葉種植區(qū)煙草專用復(fù)合肥為研究對象，系統(tǒng)分析了煙草專用復(fù)合肥的養(yǎng)分特點(diǎn)和原料組成，開展了從不同生產(chǎn)控制、倉儲管理等方面緩解煙草專用復(fù)合肥結(jié)塊的試驗(yàn)研究，提出了煙草專用復(fù)合肥緩解結(jié)塊的建議和措施，以期為化肥企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)和煙葉產(chǎn)區(qū)公司肥料管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以我國云南省、貴州省、四川省、重慶市等為代表的西南煙葉種植區(qū)2022年度煙草專用復(fù)合肥為考察對象，分析煙草專用復(fù)合肥的養(yǎng)分特點(diǎn)和原料組成，以及與其他農(nóng)用復(fù)合肥養(yǎng)分組成的差異。四川金葉化肥有限公司采用噴漿造粒工藝，生產(chǎn)的12-12-25煙草專用復(fù)合肥(常規(guī)包裝40 kg/袋)符合國家標(biāo)準(zhǔn)《復(fù)合肥料》(GB/T 15063—2020)要求，可用于煙草專用復(fù)合肥緩解結(jié)塊試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按生產(chǎn)控制條件、倉儲管理方式進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分別開展不同產(chǎn)品的水分含量、粒度、包裝溫度以及包裝規(guī)格、堆碼層數(shù)等緩解結(jié)塊措施的研究。

生產(chǎn)控制緩解結(jié)塊試驗(yàn)：設(shè)置產(chǎn)品含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度為1.5%～2.0%(CK)、1.0%～1.5%、1.0%以下；粒徑2.0 mm以上顆粒占比梯度為60%左右(CK)、80%左右、95%以上；產(chǎn)品包裝溫度梯度為高溫50 ℃(CK)、中溫35 ℃、常溫25 ℃；參試產(chǎn)品按照40 kg/袋、5袋/層、1.2 t/噸袋、4.8 t/處理的標(biāo)準(zhǔn)，用噸袋整齊堆碼。

倉儲管理緩解結(jié)塊試驗(yàn)：設(shè)置50 kg/袋(CK)、40 kg/袋、20 kg/袋的3種包裝規(guī)格，按照1.2 t/噸袋、4.8 t/處理的標(biāo)準(zhǔn)整齊堆碼；按照40 kg/袋、5袋/層、1.2 t/噸袋的標(biāo)準(zhǔn)，分為24層(CK)、18層、12層整齊堆碼。

上述所有試驗(yàn)均倉儲至60 d，抽取堆垛中最下方噸袋的頂層樣品進(jìn)行試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)。抽樣試驗(yàn)觀測時(shí)，由兩人將整袋復(fù)合肥抬起至約1 m高度后，分別從包裝袋正反面及兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行4次自由跌落以后再開袋測量。測量時(shí)，將復(fù)合肥從包裝袋內(nèi)輕緩倒出，按照表1的肥料結(jié)塊等級劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類稱重統(tǒng)計(jì)(結(jié)塊物料狀不規(guī)則，按最寬處作為直徑)，觀察并記錄各處理肥料的結(jié)塊情況。

表1 肥料結(jié)塊等級劃分

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

按式(1)計(jì)算單個(gè)結(jié)塊等級的結(jié)塊率，按式(2)計(jì)算相應(yīng)結(jié)塊等級的綜合結(jié)塊率，采用軟件Excel 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

結(jié)塊率(%)=單個(gè)等級結(jié)塊肥料質(zhì)量/樣品肥料質(zhì)量×100

(1)

綜合結(jié)塊率(%)=

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 煙草專用復(fù)合肥養(yǎng)分特點(diǎn)及組成分析

按照GB/T 15063—2020中技術(shù)指標(biāo)的規(guī)定，復(fù)合肥總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥40%，屬于高濃度復(fù)合肥。由表2可知：煙草專用復(fù)合肥屬于高濃度硝硫基復(fù)合肥，對硝態(tài)氮養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)需求高達(dá)30%以上；煙草對氯離子比較敏感，一般忌用或慎用氯化鉀等含氯原料，所以生產(chǎn)上常使用優(yōu)質(zhì)的硝酸銨、硝酸鉀、硫酸鉀、磷酸一銨等原料，這種原料組分特點(diǎn)可能是引起結(jié)塊的原因之一。其他農(nóng)作物通用型復(fù)合肥規(guī)格主要有15-15-15高濃度氯基復(fù)合肥、15-15-15高濃度硫基復(fù)合肥，生產(chǎn)原料以氯化鉀、硫酸鉀為主。對比氮、磷、鉀養(yǎng)分含量可知，煙草專用復(fù)合肥具有低氮、高鉀等特點(diǎn)，氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約10%，比類似總養(yǎng)分的其他農(nóng)作物用復(fù)合肥偏低5%；磷素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約12%，比類似總養(yǎng)分的其他農(nóng)作物用復(fù)合肥偏低3%；鉀素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約23%，比類似總養(yǎng)分的其他農(nóng)作物用復(fù)合肥偏高8%。所以，基于對煙草專用高濃度硝硫基復(fù)合肥的養(yǎng)分特點(diǎn)，以及磷酸一銨和硝酸銨等原料的組成易形成復(fù)鹽的分析，得出煙草專用復(fù)合肥更容易出現(xiàn)結(jié)塊的結(jié)論。

表2 常見的煙草專用復(fù)合肥養(yǎng)分特點(diǎn)

2.2 不同水分含量對緩解復(fù)合肥結(jié)塊的影響

GB/T 15063—2020對高濃度復(fù)合肥的技術(shù)指標(biāo)做了規(guī)定，如要求水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤2.0%。試驗(yàn)通過延長烘干時(shí)間等措施，獲得了不同含水量的復(fù)合肥產(chǎn)品。由圖1可知：在水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%以下、1.0%～1.5%條件下，不影響使用的Ⅰ級和Ⅱ級的綜合結(jié)塊率分別為98.4%、91.5%，明顯高于CK含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%～2.0%條件下的81.5%；Ⅲ級和Ⅳ級的綜合結(jié)塊率分別為1.6%、8.5%，未出現(xiàn)Ⅳ級結(jié)塊，明顯低于CK的18.5%，且CK的Ⅳ級結(jié)塊率達(dá)到8.1%。試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合肥產(chǎn)品的含水量與結(jié)塊程度呈正相關(guān)的關(guān)系，復(fù)合肥產(chǎn)品含水量越低，結(jié)塊程度越輕。

2.3 不同產(chǎn)品粒度對緩解復(fù)合肥結(jié)塊的影響

通過增設(shè)篩分設(shè)施來提高篩分效率，獲得了不同粒度的復(fù)合肥產(chǎn)品。GB/T 15063—2020對高濃度復(fù)合肥的技術(shù)指標(biāo)做了規(guī)定，要求粒徑(1.00～4.75 mm或3.35～5.60 mm)占比≥90%的范圍較寬，試驗(yàn)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際選擇粒徑2.0 mm以上顆粒占比來分析緩解結(jié)塊的效果。從圖2可知：在粒徑2.0 mm以上顆粒占比95%以上、80%左右的條件下，不影響使用的Ⅰ級和Ⅱ級綜合結(jié)塊率分別為94.8%、86.5%，明顯高于CK粒徑2.0 mm以上顆粒占比60%左右條件下的70.1%；Ⅲ級和Ⅳ級綜合結(jié)塊率分別為5.2%、13.5%，明顯低于CK的29.9%。試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合肥粒徑、顆粒均勻性與結(jié)塊程度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，復(fù)合肥粒徑越大、均勻性越好，結(jié)塊程度越輕。

2.4 不同產(chǎn)品包裝溫度對緩解復(fù)合肥結(jié)塊的影響

通過增設(shè)降溫設(shè)施來降低環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合肥產(chǎn)品包裝溫度的調(diào)節(jié)。從圖3可知：在常溫25 ℃、中溫35 ℃包裝溫度下，不影響使用的Ⅰ級和Ⅱ級綜合結(jié)塊率分別為79.8%、79.6%，明顯高于CK高溫50 ℃包裝溫度下的74.8%；Ⅲ級和Ⅳ級綜合結(jié)塊率分別為20.2%、20.4%，明顯低于CK的25.3%。試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合肥產(chǎn)品包裝溫度與結(jié)塊程度呈正相關(guān)的關(guān)系，復(fù)合肥包裝溫度越低，結(jié)塊程度越輕。

2.5 不同產(chǎn)品包裝規(guī)格對緩解復(fù)合肥結(jié)塊的影響

通過設(shè)定產(chǎn)品包裝設(shè)備形成的不同單位質(zhì)量，可以獲得不同包裝質(zhì)量的復(fù)合肥產(chǎn)品。從圖4可知：在20、40 kg/袋包裝規(guī)格下，不影響使用的Ⅰ級和Ⅱ級綜合結(jié)塊率分別為89.9%、81.8%，明顯高于CK 50 kg/袋條件下的74.8%；Ⅲ級和Ⅳ級綜合結(jié)塊率分別為10.2%、18.3%，明顯低于CK的25.2%。試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合肥產(chǎn)品包裝規(guī)格與結(jié)塊程度呈正相關(guān)的關(guān)系，復(fù)合肥單位包裝質(zhì)量越小，結(jié)塊程度越輕。

2.6 不同堆碼層數(shù)對緩解復(fù)合肥結(jié)塊的影響

從圖5可知：在堆碼層數(shù)12層、18層下，不影響使用的Ⅰ級和Ⅱ級綜合結(jié)塊率分別為88.9%、84.1%，明顯高于CK堆碼層數(shù)24層條件下的74.5%；Ⅲ級和Ⅳ級綜合結(jié)塊率分別為11.1%、15.9%，明顯低于CK的25.5%。試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合肥產(chǎn)品堆碼層數(shù)與結(jié)塊程度呈正相關(guān)的關(guān)系，復(fù)合肥堆碼層數(shù)越低，下層產(chǎn)品遭受的壓力越小，結(jié)塊程度越輕。

3 討論

煙草肥料是煙葉生產(chǎn)的重要物資基礎(chǔ)，全國各煙葉種植區(qū)域已逐漸形成適應(yīng)于區(qū)域性土壤條件的煙草專用復(fù)合肥產(chǎn)品。根據(jù)GB/T 15063—2020中技術(shù)指標(biāo)的規(guī)定，本文中的煙草專用復(fù)合肥總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥40%，屬于高濃度硝硫基復(fù)合肥，具有硝態(tài)氮和鉀素含量較高，忌用、慎用含氯原料，全部造粒生產(chǎn)等特點(diǎn)，這與煙草的需肥特性和測土配方平衡施肥技術(shù)要求密切相關(guān)。煙草專用復(fù)合肥低氮、高鉀的特點(diǎn)，通常要求采用硝酸銨、硝酸鉀、硫酸鉀、磷酸一銨等原料，原料組分之間形成復(fù)鹽結(jié)晶成為產(chǎn)品結(jié)塊的內(nèi)生原因之一。上述結(jié)果在曾銳等[11]的研究成果中得到了支撐，在硝基復(fù)合肥生產(chǎn)過程中，磷酸一銨與硝酸銨形成NH4H2PO4·NH4NO3復(fù)鹽晶體后，可以提高晶體的致密度和強(qiáng)度，導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生結(jié)塊。梁虎[3]、靳玄燁等[9]對肥料組成導(dǎo)致結(jié)塊的內(nèi)因也進(jìn)行了研究，表明肥料組成是肥料結(jié)塊的一個(gè)重要影響因素，硝基和尿基復(fù)合肥比硫基和磷基復(fù)合肥更容易結(jié)塊；在肥料的內(nèi)部組成中，吸潮性強(qiáng)的原料更容易使肥料產(chǎn)生結(jié)塊；如果原料間發(fā)生混合，會增強(qiáng)肥料的吸潮性，肥料更容易結(jié)塊。所以，在生產(chǎn)過程中，必要時(shí)進(jìn)行預(yù)處理，需對復(fù)合肥內(nèi)部可能釋放出結(jié)晶水的反應(yīng)加以控制。此外，還可以加入防結(jié)塊劑進(jìn)行防結(jié)塊處理，常用的防結(jié)塊劑有惰性粉末、無機(jī)鹽、表面活性劑和非表面活性劑等[5]。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一旦開始生產(chǎn)某一養(yǎng)分含量的復(fù)合肥產(chǎn)品，也就基本確定了最優(yōu)的原料組合和使用方式，即基本形成了原料組分導(dǎo)致結(jié)塊的內(nèi)因。除了采取優(yōu)化原料組分和添加防結(jié)塊劑等措施外，還可以通過優(yōu)化生產(chǎn)控制條件、倉儲管理方式來緩解復(fù)合肥結(jié)塊問題，本文圍繞上述方面開展了5個(gè)單因素試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煙草專用復(fù)合肥中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%以下、1.0%～1.5%時(shí)，結(jié)塊程度較輕；在復(fù)合肥粒徑2.0 mm以上顆粒占比95%以上、80%左右時(shí)，即粒徑越大、均勻性越好時(shí)，結(jié)塊程度較輕；復(fù)合肥包裝溫度在常溫25 ℃、中溫35 ℃時(shí)，結(jié)塊程度較輕；復(fù)合肥包裝規(guī)格在20、40 kg/袋時(shí)，結(jié)塊程度較輕；復(fù)合肥堆碼層數(shù)在12、18層時(shí)，堆碼下層產(chǎn)品遭受壓力較小，結(jié)塊程度較輕，上述試驗(yàn)結(jié)果可在已報(bào)道的文獻(xiàn)中得到理論支撐。文獻(xiàn)[9,11-13]中的研究認(rèn)為，水分是影響化肥結(jié)塊最主要的因素，因?yàn)樗值拇嬖跁?dǎo)致毛細(xì)黏合，產(chǎn)生晶橋而加大顆粒間結(jié)合的強(qiáng)度，產(chǎn)品中水分含量越高，相同時(shí)間內(nèi)的結(jié)塊率就越高。肥料顆粒的形狀、大小、均勻程度也是影響肥料結(jié)塊的重要因素，不含細(xì)粉的相對比較大的顆粒，粒子間的接觸點(diǎn)將減少，有減輕結(jié)塊的趨勢[5]。包裝溫度對結(jié)塊影響特別顯著，45 ℃包裝的吸濕率約為30 ℃包裝的2倍，如果包裝時(shí)溫度過高，溶解在殘余水分中的無機(jī)鹽在冷卻時(shí)會結(jié)晶形成鹽橋，特別是對于硝酸銨和含有硝酸銨的復(fù)合肥料，要求其貯存溫度低于54 ℃[5,9,14]。匹配適宜的堆碼層數(shù)可以達(dá)到緩解結(jié)塊與節(jié)約倉儲的最佳平衡，提高貯存壓力會增加顆粒形變的可能性和顆粒間的接觸面積，從而增加結(jié)塊的可能性，一般易結(jié)塊的肥料應(yīng)避免堆得過高[5]。此外，應(yīng)盡量縮短產(chǎn)品倉儲周期，按照“先進(jìn)先出”的原則進(jìn)行發(fā)貨，必要時(shí)開展機(jī)械松包的人為干預(yù)，這些將有效緩解煙草專用復(fù)合肥的結(jié)塊問題。

4 結(jié)語

GB/T 15063—2020對高濃度復(fù)合肥的技術(shù)指標(biāo)做了規(guī)定，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤2%，粒徑(1.00～4.75 mm或3.35～5.60 mm)占比≥90%，這些技術(shù)指標(biāo)參數(shù)的區(qū)間值較為寬泛，有條件的企業(yè)可以在此基礎(chǔ)上形成更加有效緩解結(jié)塊的質(zhì)量指標(biāo)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合肥結(jié)塊與產(chǎn)品含水量、包裝溫度、包裝規(guī)格、堆碼層數(shù)呈正相關(guān)的關(guān)系，而與粒徑和顆粒均勻性呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。在復(fù)合肥生產(chǎn)和倉儲過程中，可以通過優(yōu)化原料組分、生產(chǎn)控制條件、倉儲管理方式來緩解復(fù)合肥結(jié)塊問題，重點(diǎn)需要兼顧到生產(chǎn)效率、物耗、能耗與緩解結(jié)塊的平衡。建議采取措施控制復(fù)合肥中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.5%以下、粒徑范圍縮小至2.0～4.5 mm、產(chǎn)品包裝溫度在35 ℃以下、包裝規(guī)格在40 kg/袋以下、產(chǎn)品堆碼層數(shù)不超過18層，以有效地緩解煙草專用復(fù)合肥的結(jié)塊問題。