颗粒状含硅复合肥及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202010769310.5 | 申请日 | 2020-08-03 | 公开(公告)号 | CN114057513A | 公开(公告)日 | 2022-02-18 |
| 申请人 | 北京低碳清洁能源研究院; | 发明人 | 姜晓琳; 陈爱国; 肖永丰; 刘汇东; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 复合肥 技术领域，公开了一种颗粒状含 硅 复合肥及其制备方法。所述方法包括：(1)将 粉 煤 灰 酸法提 铝 残渣和活化剂进行 研磨 混合，得到混合物；(2)将所述混合物与 水 进行混捏，得到的湿物料进行成型，得到颗粒状物料；(3)将所述颗粒状物料进行陈化，并在600℃以上且低于1000℃下进行 焙烧 ，得到颗粒状含硅复合肥。该方法不需添加任何粘结剂，在较低 温度 下(低于1000℃)即可制得颗粒状的高效含硅复合肥。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种颗粒状含硅复合肥的制备方法，包括： |
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| 说明书全文 | 颗粒状含硅复合肥及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及颗粒状复合肥技术领域，具体涉及一种颗粒状含硅复合肥及其制备方法。 背景技术[0003] 而另一方面，硅是国际土壤学界公认的继氮、磷、钾之后的第四大营养元素。硅既是品质元素，可提高农产品质量；亦是抗性元素，可增强作物抗倒伏、抗病、抗旱等能力。硅肥不仅能为植物提供养分，而且可钝化土壤中重金属、调节pH值，是一种很好的土壤调理剂。但是目前市面上以粉状硅肥居多，而粉状硅肥运输不便，且施肥时扬尘，使用效果不佳，故部分厂家会将压块焙烧制备的硅肥破碎成粉末后，再通过添加粘结剂造粒成规则形状。工序较多，且此造粒工序只是单纯的改变了肥料的物理形态，对肥料中有效成分的增加不仅无益且粘结剂的引入还会降低肥料中有效成分的占比。 [0004] 因此，粉煤灰酸法提铝残渣高附加值利用及大规模消纳问题亟待解决。 发明内容[0005] 本发明的目的是为了解决粉煤灰酸法提铝残渣的有效利用和现有技术中硅肥有效成型和有效含量的问题，提供一种颗粒状含硅复合肥及其制备方法。能够不需添加任何粘结剂，且在较低温度下(低于1000℃)制得颗粒状的高效含硅复合肥。 [0006] 为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种含硅复合肥的制备方法，其中，所述方法包括： [0008] (2)将所述混合物与水进行混捏，得到的湿物料进行成型，得到颗粒状物料； [0009] (3)将所述颗粒状物料进行陈化，并在600℃以上且低于1000℃下进行焙烧，得到颗粒状含硅复合肥。 [0010] 本发明第二方面提供了一种由前述方法制备得到的含硅复合肥。 [0011] 通过上述技术方案，本发明以粉煤灰酸法提铝残渣为原料，改进制备步骤，在与活化剂研磨混合均匀后，先进行造粒成型，然后再采用焙烧活化法直接制备成型含硅复合肥。该方法简单，不需要破碎处理，且制备过程中不需添加任何粘结剂，以及能够在较低温度下(低于1000℃)即可制得高效成型颗粒状的硅肥。 附图说明 [0012] 图1是本发明的含硅复合肥的制备方法的流程示意图。 具体实施方式[0013] 在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。 [0014] 在本发明中，“非有效硅”是指粉煤灰酸法提铝残渣中的无定型态硅，“有效硅”是指能够溶于酸从而被作物吸收利用的硅。 [0015] 本发明第一方面提供了一种颗粒状含硅复合肥的制备方法，如图1所示，包括： [0016] (1)将粉煤灰酸法提铝残渣和活化剂进行研磨混合，得到混合物； [0017] (2)将所述混合物与水进行混捏，得到的湿物料进行成型，得到颗粒状物料； [0018] (3)将所述颗粒状物料进行陈化，并在600℃以上且低于1000℃下进行焙烧，得到颗粒状含硅复合肥。 [0019] 本发明提供的上述完整的方法，改进利用粉煤灰酸法提铝残渣为原料制备含硅复合肥的步骤，实现无需添加任何粘结剂直接制备颗粒状的硅肥，而且在较低温度下(低于1000℃)进行焙烧，使粉煤灰酸法提铝残渣中的“非有效硅”更多地转化为“有效硅”，并节省制备工艺能耗和流程。 [0020] 在本发明中，所述粉煤灰酸法提铝残渣为将粉煤灰与酸进行反应所得的。其中，所述反应的条件包括：反应温度为90-200℃，反应时间为0.5-4h。所述酸为盐酸、硫酸和硝酸中的一种或多种，优选为盐酸。本发明中，所述反应使所述粉煤灰酸法提铝残渣中的SiO2尽量保留，而脱除铝，其中，以所述粉煤灰酸法提铝残渣的总重量为基准，所述SiO2的含量为50-80重量％，优选为55-75重量％，更优选为约70±2重量％。所述粉煤灰酸法提铝残渣可以直接商购获得。 [0021] 在本发明的一些实施方式中，步骤(1)使用所述活化剂用于更有效地实现将“非有效硅”转化为“有效硅”的目的。如果所述活化剂的总用量过少，则粉煤灰酸法提铝残渣中无定型硅反应不充分，导致制备的硅肥有效硅含量低；如果所述活化剂的总用量过多，则增加成本且导致最终产品碱性过大。本发明的具体实施方式中，所述活化剂可以包含多种系列的活化剂，例如选自钠系活化剂、钙系活化剂、钾系活化剂、镁系活化剂中的至少一种。其中，优选地，所述钠系活化剂为碳酸钠和/或氢氧化钠；所述钙系活化剂选自石灰石、氢氧化钙和氧化钙中的一种或多种；所述钾系活化剂为钾长石和/或碳酸钾；所述镁系活化剂为水镁石和/或氧化镁。 [0022] 在本发明的一些实施方式中，所述活化剂包括钙系活化剂，且所述粉煤灰酸法提铝残渣和所述钙系活化剂的重量比为1：(0.8-1)。 [0023] 在本发明的一些实施方式中，所述活化剂包括钠系活化剂和钙系活化剂。优选地，所述粉煤灰酸法提铝残渣和所述钙系活化剂的重量比为1：(0.2-1)，更优选为1：(0.5-0.7)；所述粉煤灰酸法提铝残渣和所述钠系活化剂的重量比≤0.6，更优选为1：(0.2-0.5)。 [0024] 在本发明的一些实施方式中，所述活化剂包含钠系活化剂、钙系活化剂和钾系活化剂。优选地，所述粉煤灰酸法提铝残渣、钙系活化剂和钾系活化剂的重量比为1：(0.2-0.8)：(0.1-0.7)，更优选为1：(0.3-0.8)：(0.1-0.5)；所述粉煤灰酸法提铝残渣和钠系活化剂的重量比≤0.6，更优选≤0.4。 [0025] 在本发明的一些实施方式中，所述活化剂包括所述钙系活化剂、所述钾系活化剂和所述镁系活化剂。优选地，所述粉煤灰酸法提铝残渣、钙系活化剂、钾系活化剂、镁系活化剂的重量比1：(0.5-0.8)：(0.1-0.5)：(0.04-0.4)，更优选为1：(0.5-0.7)：(0.1-0.4)：(0.05-0.1)。 [0026] 本发明中实施上述活化剂，可以实现提供多种颗粒状含硅复合肥。 [0027] 在本发明的一些实施方式中，步骤(1)得到的所述混合物具有一定的平均粒径，以利于后续的所述成型。优选地，所述混合物的平均粒径为80-325目，优选为100-200目。但是，如果粒度过细，即，325目以下，不仅能耗高且在混捏过程中容易出现扬尘。 [0028] 在本发明的一些实施方式中，步骤(2)设置用于将所述混合物制成湿物料先进行成型。进行所述混捏，优选地，水的用量为所述混合物的10-50重量％，优选为30-40重量％。进一步地，所述混捏的时间为0.5-3h，优选为1-2h。另外，需要说明的是，所述混捏的温度没有具体限定，可以在室温下进行。在本发明中，所述混捏可以在混捏机中进行。 [0029] 在本发明的一些实施方式中，得到了所述湿物料可以进行成型形成颗粒形状。所述成型选自圆盘造粒或挤压造粒。其中，所述圆盘造粒的条件包括：锅体倾角为25°至35°，优选为30°，锅体顺时针旋转，转速为40-100rpm，造粒时间为1-4h；优选地，转速为50-80rpm，造粒时间为2-3h。 [0030] 所述挤压成型造粒的压力为70-200kgf，转速为8-20rpm，模板直径为3-8mm；优选地，所述挤压成型造粒的压力为80-150kgf，转速为10-15rpm，模板直径为3-5mm。另外，在本发明中，所述挤压成型可以在双螺杆挤条机中进行。 [0031] 在本发明中，步骤(2)中先进行成型能够使颗粒联系的更加紧密，促进固相反应的进行，使后续焙烧反应更加完全。并且可以省略添加任何粘结剂，经焙烧可直接得到成型硅肥，提高有效硅含量。 [0032] 在本发明的一些实施方式中，步骤(2)能够获得的所述颗粒状物料的平均粒径为2-8mm，满足成型硅肥的要求。 [0033] 在本发明的一些实施方式中，将步骤(2)后得到的物料进行陈化，可以养护得到的硅肥前驱体(即步骤(2)得到的颗粒状物料)，使硅肥前驱体更加均匀稳定，确保焙烧过程中产品不会开裂，以得到最终完整的颗粒状硅肥。优选地，所述陈化的条件包括：温度为30-100℃，时间为0.5-24h；优选地，温度为30-60℃，时间为5-12h。 [0034] 在本发明的一些实施方式中，优选地，所述焙烧的条件包括：升温速率为5-20℃/min，温度为600-1000℃，时间为30-150min；优选地，升温速率为10-15℃/min，温度为800-900℃，时间为1-2h。步骤(2)中所述焙烧，可以使活化剂与粉煤灰酸溶渣中无定型态硅发生反应，使无定型态硅转化为能被植物吸收的有效硅。本发明中，能够相比现有技术降低所述焙烧的温度，有利于降低能耗，节约成本。 [0035] 本发明第二方面提供了一种前述所述的方法制备得到的含硅复合肥。 [0036] 在本发明的一些实施方式中，优选地，所述含硅复合肥为颗粒状。 [0037] 在本发明的一些实施方式中，优选地，所述含硅复合肥的平均粒径为2-8mm，优选为3-5mm。 [0038] 在本发明的一些实施方式中，优选地，所述含硅复合肥中的有效硅以SiO2计含量为20-40重量％，优选为20-38重量％。 [0039] 在本发明的一些实施方式中，优选地，所述含硅复合肥的强度为10-80N，pH值10-11.5。本发明得到的含硅复合肥具有足够的强度满足运输、使用的要求。合适的pH值对土壤没有潜在的危害。优选所述含硅复合肥的强度为15-40N，更优选为16-38N。 [0040] 本发明能够提供多种含硅复合肥，优选地，所述含硅复合肥主要含有的物相包括偏硅酸钙、硅酸二钙和霞石相中的一种或多种。具体地，当活化剂包括钙系活化剂时，所述含硅复合肥主要物相包括偏硅酸钙和/或硅酸二钙；当活化剂包括钙系活化剂和钠系活化剂时，所述含硅复合肥主要物相包括偏硅酸钙、硅酸二钙、钠霞石、含钠和钙的硅酸盐中的一种或多种；当活化剂包括钙系活化剂、钠系活化剂和钾系活化剂时，所述含硅复合肥主要物相包括偏硅酸钙、硅酸二钙、钠霞石、钾霞石、含钠和钙的硅酸盐中的一种或多种；当活化剂包括钙系活化剂、钾系活化剂和镁系活化剂时，所述含硅复合肥主要物相包括偏硅酸钙、硅酸二钙、钾霞石、镁硅钙石相中的一种或多种。 [0041] 本发明中，通过特定的成型方法，能够保证成型过程所得颗粒均匀稳定，且焙烧后颗粒完整不开裂。而现有技术中，制备成型硅肥的方法都是先生产出粉末硅肥，然后再添加粘结剂成型，但是添加的粘结剂是无益成分，会降低硅肥有效硅的占比，影响硅肥性能；而且得到粉末硅肥后再进行成型，此工序只是单纯的改变了肥料的物理形态，对硅肥有效硅含量的增加并无益处。而本发明采用在焙烧(活化)前进行成型，会使颗粒间联系更加紧密，相较于粉末焙烧更有利于固相反应的进行，由此可得高效硅肥。 [0042] 以下将通过实施例对本发明进行详细描述。 [0043] 以下实施例和对比例中： [0044] 有效硅含量依照行业标准NY-T 797-2004《硅肥》测定，其中，合格硅肥为有效硅以SiO2计含量超过20重量％； [0045] 含硅复合肥所含主要物相通过XRD测试确定； [0046] 含硅复合肥的强度通过颗粒强度测定仪测定； [0047] 平均粒径根据筛分法测定； [0048] 干燥粉煤灰酸法提铝残渣的化学组成如表1所示 [0049] 表1 [0050] wt％ SiO2 Al2O3 TiO2 CaO Fe2O3 P2O5 K2O Na2O SO3 MgO残渣 69.45 13.42 4.9 0.32 0.40 0.16 0.23 0.04 0.36 0.04 [0051] 活化剂原料均为购自国药集团的市售品。 [0052] 实施例按照图1所示制备流程进行硅肥制备。 [0053] 实施例1 [0054] 本实施例在于说明采用本发明的方法制备含硅钙复合肥。 [0055] (1)将干燥粉煤灰酸法提铝残渣和氢氧化钙按照质量比1:0.92进行研磨0.5h，得到平均粒径为200目的混合物； [0056] (2)将混合物置于混捏机中混捏40min，并加入混合物的40重量％的水继续混捏；混捏1h后，将混捏湿物料用双螺杆挤条机挤压成型，挤压压力为100kgf，挤出机转速为 11rpm，模板直径为4mm； [0057] (3)将步骤(2)得到的物料在30℃下陈化12h后，再以升温速率为12℃/min从室温升温至900℃焙烧2h，自然冷却后取出，得平均粒径为4mm的完整颗粒状含硅钙复合肥。 [0058] 测定含硅钙复合肥的有效硅含量为22重量％，为合格硅肥。经XRD测试，含硅钙复合肥中主要物相为偏硅酸钙和/或硅酸二钙。 [0059] 测定含硅钙复合肥的强度为32N，pH值为11.35。 [0060] 实施例2 [0061] 本实施例在于说明采用本发明的方法制备含硅钙复合肥。 [0062] (1)将干燥粉煤灰酸法提铝残渣、碳酸钠、氢氧化钙按照质量比为1:0.24:0.67进行研磨0.5h，得到平均粒径为200目的混合物； [0063] (2)将混合物置于混捏机中混捏30min，并加入混合物的35重量％的水继续混捏；混捏40min后，将混捏湿物料在圆盘造粒机中造粒成型，锅体倾角为30℃，锅体转速为 60rpm，时间为3h； [0064] (3)将步骤(2)得到的物料在60℃下陈化5h后，再以升温速率为15℃/min从室温升温至850℃下焙烧1h，自然冷却后取出，得平均粒径为3mm的完整颗粒状含硅钙复合肥。 [0065] 测定含硅钙复合肥的有效硅含量为22.96重量％，为合格硅肥。经XRD测试，含硅钙复合肥中主要物相包括偏硅酸钙、硅酸二钙、钠霞石、含钠和钙的硅酸盐中的至少一种。 [0066] 测定含硅钙复合肥的强度为24N，pH值为11.05。 [0067] 实施例3 [0068] 本实施例在于说明采用本发明的方法制备的含硅钙复合肥。 [0069] (1)将干燥粉煤灰酸法提铝残渣、碳酸钠、氢氧化钙按照质量比为1:0.48:0.5进行研磨0.5h，得到平均粒径为200目的混合物； [0070] (2)将混合物置于混捏机中混捏40min，并加入混合物的30重量％的水继续混捏；混捏1h后，将混捏湿物料用双螺杆挤条机挤压成型，挤压压力为100kgf，转速为11rpm，模板直径为4mm； [0071] (3)将步骤(2)得到的物料在40℃下陈化12h后，再以升温速率为10℃/min从室温升温至在800℃下活化1.2h，自然冷却后取出，得平均粒径为4mm的完整颗粒状含硅钙复合肥。 [0072] 测定含硅钙复合肥的有效硅含量为37.89重量％，为合格硅肥。经XRD测试，含硅钙复合肥中主要物相包括偏硅酸钙、硅酸二钙、钠霞石、含钠和钙的硅酸盐中的至少一种。 [0073] 测定含硅钙复合肥的强度为38N，pH值为11.29。 [0074] 实施例4 [0075] 本实施例在于说明采用本发明的方法制备的含硅钙钾复合肥。 [0076] 按照与实施例2相同的方法，不同之处为：在步骤(1)中，将“干燥粉煤灰酸法提铝残渣、碳酸钠、氢氧化钙按照质量比为1:0.24:0.67”替换为“干燥粉煤灰酸法提铝残渣、碳酸钠、氢氧化钙和碳酸钾按照质量比为1:0.1:0.42:0.47”。 [0077] 所得含硅钙钾复合肥的平均粒径为3mm，为完整颗粒状。测定含硅钙钾复合肥的有效硅含量为29.98重量％，为合格硅肥。经XRD测试，含硅钙钾复合肥中主要物相包括偏硅酸钙、硅酸二钙、钠霞石、钾霞石、含钠和钙的硅酸盐中的至少一种。 [0078] 测定含硅钙钾复合肥的强度为18N，pH值为10.69。 [0079] 实施例5 [0080] 本实施例在于说明采用本发明的方法制备的含硅钙钾镁复合肥。 [0081] 按照与实施例2相同的方法，不同之处为：在步骤(1)中，将“干燥粉煤灰酸法提铝残渣、碳酸钠、氢氧化钙按照质量比为1:0.24:0.67”替换为“干燥粉煤灰酸法提铝残渣、氢氧化钙、碳酸钾和氧化镁按照质量比为1：0.67：0.16：0.1”。 [0082] 所得含硅钙钾镁复合肥的平均粒径为3mm，为完整颗粒状。测定含硅钙钾镁复合肥的有效硅含量为27.45重量％，为合格硅肥。经XRD测试，含硅钙钠钾复合肥中主要物相包括偏硅酸钙、硅酸二钙、钾霞石、镁硅钙石中的至少一种。另外，含硅钙钾镁复合肥的有效钙(以Ca计)含量为22.08％，有效钾(以K2O计)含量为6.6％，有效镁(以Mg计)含量为3.24％，达到GB/T 36207-2018《硅钙钾镁肥》的标准。 [0083] 测定含硅钙钾镁复合肥的强度为16N，pH值为10.97。 [0084] 实施例6 [0085] 按照实施例1的方法，不同之处为：干燥粉煤灰酸法提铝残渣、氢氧化钙的质量比为1：0.15。 [0086] 所得产物的平均粒径为4mm，为完整颗粒状；测定产物的有效硅含量为5.06重量％。 [0087] 经XRD测试，产物中主要物相含有无定型二氧化硅，以及少量的偏硅酸钙和/或硅酸二钙。 [0088] 测定产物的强度为30N，pH值为7.64。 [0089] 实施例7 [0090] 按照实施例2的方法，不同之处为：干燥粉煤灰酸法提铝残渣、碳酸钠、氢氧化钙的质量比为1：0.1：0.15。 [0091] 所得产物的平均粒径为3mm，为完整颗粒状；测定产物的有效硅含量为7.42重量％。 [0092] 经XRD测试，产物中主要物相含有无定型二氧化硅，以及少量的偏硅酸钙、硅酸二钙、钠霞石、含钠和钙的硅酸盐中的至少一种。 [0093] 测定产物的强度为25N，pH值为8.36。 [0094] 实施例8 [0095] 按照实施例5的方法，不同之处为：干燥粉煤灰酸法提铝残渣、氢氧化钙、碳酸钾和氧化镁的质量比为1：0.15：0.1：0.1。 [0096] 所得产物的平均粒径为3mm，为完整颗粒状；测定产物的有效硅含量为6.98重量％。经XRD测试，产物中主要物相含有无定型二氧化硅，以及少量的偏硅酸钙、硅酸二钙、钾霞石、镁硅钙石中的至少一种。 [0097] 测定产物的强度为15N，pH值为8.74。 [0098] 对比例1 [0099] (1)将干燥粉煤灰酸法提铝残渣、碳酸钠、氢氧化钙按照质量比为1:0.24:0.67进行研磨0.5h，得到平均粒径为200目的混合物； [0100] (2)将混合物在60℃下陈化5h后，再以升温速率为15℃/min从室温升温至850℃下焙烧1h，自然冷却后取出，得粉末状产物，粒径大于200目。 [0101] 测定产物的有效硅含量为18.7重量％，不符合硅肥要求。经XRD测试，含产物中主要物相包括偏硅酸钙、硅酸二钙、钠霞石、含钠和钙的硅酸盐中的至少一种。 [0102] 产物为粉末状，没有强度，pH值为11.52。制备过程没有先成型步骤，得到的产物不符合硅肥要求。 [0103] 对比例2 [0104] (1)将干燥粉煤灰酸法提铝残渣、碳酸钠、氢氧化钙按照质量比为1:0.24:0.67进行研磨0.5h，得到平均粒径为200目的混合物； [0105] (2)将混合物置于混捏机中混捏30min，并加入混合物的35重量％的水继续混捏；混捏40min后，将混捏湿物料在圆盘造粒机中造粒成型，锅体倾角为30℃，锅体转速为 60rpm，时间为3h； [0106] (3)将步骤(2)得到的物料以升温速率为15℃/min从室温升温至850℃下焙烧1h，自然冷却后取出，得产物。 [0107] 所得产物颗粒崩裂，为不规则形状；测定产物的有效硅含量为20.37重量％。 [0108] 经XRD测试，产物中主要物相含有偏硅酸钙、硅酸二钙、钠霞石、钾霞石、含钠和钙的硅酸盐中的至少一种。 [0109] 测定产物的pH值为11.14。制备过程没有先陈化步骤，得到的产物不是完整颗粒。如果施用的话，需要额外施用粘结剂形成颗粒状硅肥。 [0110] 对比例3 [0111] 按照实施例2的方法，不同之处为：焙烧的条件包括以5℃/min升温速率从室温升至500℃，而后在500℃下焙烧1h。 [0112] 所得产物的平均粒径为3mm，为完整颗粒状；测定产物的有效硅含量为5.84％。经XRD测试，产物中主要物相含有氢氧化钙和无定型二氧化硅。 [0113] 测定产物的强度为23N，pH值为11.74。制备过程焙烧步骤条件不在本发明范围内，得到的产物不符合硅肥要求。 [0114] 通过实施例和对比例的结果可以看出，采用本发明的方法，能够实现粉煤灰酸法提铝残渣制备得到有效硅含量更高的各种硅肥。该方法能够不需添加任何粘结剂，且在较低温度下(低于1000℃)制得颗粒状的硅肥，减少粘结剂的使用以及粘结剂对土壤的潜在不利影响。实施例6-8中物料投料量不是本发明的最优范围，影响获得硅肥的组成及性能。对比例1-3不是本发明提供的方法，不能得到合格的粒状硅肥。 [0115] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。 |
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