CN106164021B - 制备尿素-硫肥料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备尿素‑硫肥料的工艺。向转子在开槽定子内转动的分散磨机中添加尿素和硫，从而提供熔融尿素和熔融硫的分散体；和将熔融尿素和熔融硫的分散体添加至成形单元，以提供尿素‑硫肥料。

Description

制备尿素-硫肥料的方法

发明领域

本发明提供制备尿素-硫肥料的方法。

背景技术

尿素通常被作为肥料使用，给植物供给氮。许多土壤也需要硫作为植物营养素，因此开发了同时含有尿素和单质硫的肥料。期望的是单质硫需要以小的分散颗粒存在，以允许其在土壤中被氧化为植物可用的硫酸盐离子。

US 3,100,698公开了一种尿素-硫肥料，其通过将熔融尿素和熔融硫合并，并使该混合熔体经过造粒工艺制成。混合熔体还可以通过将固体尿素颗粒添加至熔融硫中或者将固体硫添加至熔融尿素中制备。

熔融硫和熔融尿素是能源密集的，因此是昂贵的工艺，并且可能需要相当大的设备。另外，如果尿素的熔化不迅速和以受控的方式(如控制温度使其不明显超过尿素的熔点)完成，尿素有降解的风险。特别是，有产生缩二脲的风险。缩二脲是一种植物毒素(即对植物有毒的材料)，并且当尿素被加热时可以形成。缩二脲干扰植物中的氮代谢和蛋白质的合成。理想的是减少肥料中缩二脲的含量。

本发明人寻求提供一种用于制备尿素-硫肥料的改进方法，其中理想的是，所述方法相对于已知的方法更简单和更有效节约能量。优选该工艺将允许肥料成分迅速但可控的被熔化，从而减少杂质形成的风险，同时使硫的尺寸减小，以在最终产品中获得细粉分散的硫颗粒。

发明概述

因此，本发明提供一种制备尿素-硫肥料的方法，其包括步骤：

(a)向转子在开槽定子内转动的分散磨机中添加尿素和硫，从而提供熔融尿素和熔融硫的分散体；和

(b)将熔融尿素和熔融硫的分散体添加至成形单元，以提供尿素-硫肥料；其中固体硫、固体尿素或固体尿素-硫被添加至分散磨机。

添加至分散磨机中的所有尿素或所有硫没有必要均为固体尿素、固体硫或固体尿素-硫，事实上在本发明的许多实施方案中大多数的尿素和/或硫将以熔融尿素和熔融硫的形式被添加。然而，在本发明的所有实施方案中，至少部分尿素或至少部分硫作为固体硫、固体尿素或固体尿素-硫被添加。

在本发明的工艺中，分散磨机执行两个功能：首先其熔化固体硫、固体尿素或固体尿素-硫，其次其混合硫和尿素以形成熔融硫在熔融尿素中的均匀分散体(在尿素为熔体的主要成分的情况下)，或熔融尿素在熔融硫中的均匀分散体(在硫为熔体的主要成分的情况下)。优选的是，均匀分散体是熔融硫在熔融尿素中的分散体。通过使用单件设备(分散磨机)进行熔化和混合，本发明人已提供了一种简化的工艺。分散磨机通常产生热量，并且本发明的工艺能够使用该热量来熔化硫和/或尿素。此外，分散磨机将进料给其的固体粉碎，从而增加其表面积和熔融动力学。本发明人认为，该工艺相对于传统工艺能量需求减少。此外，通过提供一种一个或多个组分在与硫结合时可以被熔化的工艺，本发明人已经缩短了熔化以及各组分混合的停留时间，从而减少了对单独的熔炉的需要，并且降低了杂质形成的风险。

发明详述

在本发明的工艺中，尿素和硫被添加至转子在开槽定子内转动的分散磨机，从而提供熔融尿素和熔融硫的分散体。固体硫、固体尿素和/或固体尿素-硫被添加至分散磨机。本发明的工艺通常是一个连续工艺，使得固体硫、固体尿素或固体尿素-硫被添加至已包含熔融尿素和熔融硫的分散磨机中。

所述固体尿素、固体硫和/或固体尿素-硫通过转子的旋转被卷入转子/定子组件，并被加速和从开槽定子的开口迅速排出。每次通过转子/定子组件，所述固体经受机械和液压剪切的组合，使固体尿素、固体硫或固体尿素-硫颗粒的尺寸减小。所述固体尿素、固体硫或固体尿素-硫同时进行加热，并将熔化。

所述分散磨机的常规操作(转子在定子内转动)产生热量。然而，在本发明的一个优选实施方案中，额外的能量被供给到分散磨机，例如所述磨机被夹套且流体穿过夹套以加热磨机，或将电加热施加到磨机。优选分散磨的温度为115-150℃，更优选130-145℃，最优选135-140℃。优选磨机能量输入为1-100千瓦时/吨产品。

优选分散磨机在开槽定子中具有开槽转子。合适的分散磨机描述于US5,522,553，并且可得自卡迪国际(Kady international)，美国。

添加至所述分散磨机中的硫可从任何合适的来源获得。所述硫可以是通过Claus工艺得到的高纯度(>99.9％S)化学硫。然而，本发明的工艺也可以采用与其相比显著低纯度的硫。这些硫来源的实例为通过硫熔化和过滤操作得到的硫滤饼和通过各种化学和生物硫化氢气体去除工艺得到的硫。通常，这些硫源的含量可以是范围30-99.9wt％中的任意值、优选为50-99.5wt％、更优选为60-99.0wt％的硫。

在本发明的第一实施方案中，固体硫被添加至分散磨机。所述固体硫可以以颗粒、小球、薄片、粉末或任何其它固体形式被加入。适宜地，被添加的所有硫中至少20wt％、优选至少50wt％、更优选至少80wt％作为固体硫添加。在本实施方式中，优选的是所有添加至分散磨机中的硫均是固体硫，和所有添加至分散磨机中的尿素均是熔融尿素。

在本发明的第二实施方案中，固体尿素被添加至分散磨机。所述固体尿素优选以尿素颗粒添加。在本实施方式中，优选的是被添加至分散磨机中的部分或全部尿素为固体尿素，和所有被添加至分散磨机中的硫为熔融硫。适宜地，被添加的所有尿素中至少2wt％、优选至少5wt％、更优选至少10wt％为固体尿素。

在本发明的第三实施方案中，固体尿素-硫被添加至分散磨机。在本实施方式中，优选的是熔融尿素和熔融硫被添加至分散磨机中，并且另外地，固体尿素-硫被添加至分散磨机中。适宜地，被添加的所有硫中至少20％作为固体尿素-硫被添加；优选至少50wt％、更优选至少80wt％。适宜地，被添加的所有尿素中至少2％作为固体尿素-硫被添加；优选至少5wt％、更优选至少10wt％。

所谓不合格的材料可适宜地用作本发明的固体尿素、硫固体或固体尿素-硫。当尿素或材料如尿素-硫被粒化时，会产生原料的超大颗粒和细粉。这些超大颗粒和细粉通常重新熔化并送至工厂的造粒间或重定向到尿素合成工厂。重新熔化这些大尺寸材料和细粉是能量密集型的，并且可以增加不想要的杂质如缩二脲的含量。在尿素的情况下，将这些大尺寸材料和细粉重新定向至尿素合成工厂是可以接受的，然而，在尿素-硫的情况下，由于硫的存在，这将可能导致尿素合成工厂严重腐蚀。本发明能够将这些不合格的材料回收利用，而无需单独地重新熔化所述产品。

所述尿素-硫肥料产品中尿素：硫的比例是优选从1：1至100：1。

在本发明的一个实施方案中，在步骤(a)中添加一种或多种表面活性剂。表面活性剂有助于进一步降低肥料制造期间硫粉尘的产生，并且有助于肥料的在步骤(b)的成形。表面活性剂可以包括阳离子表面活性剂如脂族胺的环氧乙烷或环氧丙烷加合物，或可以包括阴离子表面活性剂如木质素磺酸盐。

在本发明工艺的步骤(b)中，熔融尿素和熔融硫的分散体被提供给成形单元，以提供尿素-硫肥料。成形单元可以适当地为成粒单元、造粒单元、压缩单元(compactionprocess)、片剂成形单元或压缩单元(compressing process)。优选所述成形单元是成粒单元。术语“成粒单元”用来描述用于形成肥料产品颗粒的设备。常用造粒机描述于Perry的化学工程手册第20章(1997年)。优选的造粒机是转鼓造粒机、桨叶式混合器(搅拌机)或盘式造粒机。优选地，所述分散体被泵入和分布于转鼓造粒机的材料滚动床上。任选地，可以向造粒机施加水和蒸汽，以控制在制粒过程中所需的温度。任选地，回收的肥料颗粒可被添加至造粒单元。向回收的肥料颗粒中添加成核剂并造粒。

在制备过程中可以添加其他成分，以使得肥料产品适应预期的最终用途。优选这些材料在步骤(a)中加入。实例包括植物微量营养素，如硼、钾、钠、锌、锰、铁、铜、钼、钴、钙、镁和它们的组合。这些营养成分可以以元素的形式或以盐的形式提供，如硫酸盐、硝酸盐或卤化物。所述植物微量营养素的量取决于所需的肥料的种类，通常在0.1-5％的范围内，基于肥料的总重量。

除了添加植物微量营养素外，还可以将其它肥料产品引入尿素-硫肥料，例如磷矿石可以被添加至熔融尿素和熔融硫的分散体中，之后将所述分散体加入成形单元，由此提供尿素-硫-磷矿石肥料。可替代地，氯化钾可以被添加至熔融尿素和熔融硫的分散体中，之后将所述分散体加入成形单元，由此提供尿素-硫-氯化钾肥料。在一种实施方案中，磷酸可以在熔融尿素和熔融硫的分散体是热的时添加至该分散体中，然后将其加入成形单元。磷酸可与尿素反应，从而提供了尿素-磷酸-硫肥料。在另一种实施方案中，熔融尿素和熔融硫的分散体可以与NPK肥料结合。

可以被引入尿素-硫肥料中的另一种材料是粘土如膨润土。适宜地，所述粘土可以被加入熔融尿素和熔融硫的分散体中，之后将所述分散体加入成形单元。

优选地，所述尿素-硫颗肥料在分选单元中根据尺寸被分选，以达到更均匀的尺寸分布。通常情况下，超大尺寸的肥料被压碎并且重新回到分选单元，而较小尺寸的肥料重新回到造粒机或作为步骤(a)中的固体尿素-硫被添加。所述肥料优选的尺寸范围为1.5-5.0毫米，更优选为2-4毫米，以肥料颗粒的平均粒径表示。

进行了试验以证明将尿素和硫在分散磨机中结合的方法提供了可以用来熔化固体硫或固体尿素的热量。

热平衡计算1

进行试验以证明当结合熔融硫和熔融尿素时，分散磨机中会产生热量。这些热量可以被有利地用来熔化固体硫或固体尿素，所以一部分硫或尿素原料可以以固体硫或固体尿素的形式加入。熔融硫和熔融尿素以熔融尿素为243.2千克/小时和熔融单质硫为26.6千克/小时的速率添加至开顶蒸汽夹套L-2000型分散磨机中(来自Kady international)。原料和得到的乳液的平均温度(测试四轮)列于下表1：

表1

测量的四个最低乳液温度和四个最高乳液温度的平均温度均高于尿素和硫进料的平均温度，这表示分散磨机中产生能量并转移至乳液。预计能量主要通过磨机中的颗粒摩擦和机械力产生。基于表1中给出的温度，我们已经计算出324瓦/小时以热的形式散失，2237瓦/小时可用(由3马力发动机提供)，系统损失14％的能量。

基于上述内容，以及单质硫熔化需要63.l瓦/千克和尿素熔化需要65.7瓦/千克这一事实——这意味着只考虑磨机损失——额外的分别5.1和4.9千克/小时的单质硫或尿素可以被熔化，代表能量节约大约2％，基于系统的总吞吐量计。

热平衡计算2

使用一个闭合连续分散单元(OCCF型分散磨机，来Kady international)。将熔融尿素和熔融硫进料至研磨机。进料的情况列于表2：

表2

进行计算以确定原料和产品的实际能量，以评估系统损失的成为热的能量的量。磨机进料所包含的能量被计算为包含与每个单独进料的能量的总和，即：

磨机中的产品所包含的能量被计算为磨机出口温度下均匀乳液的能量，即：

输出的能量＝m x cp x T_乳液

从研磨机中传出的能量和不用于在尿素中乳化硫目的的能量，为损失为热量的能量，根据下面的公式

Σ_进料m x cp x T＝m x cp x T_乳液+研磨损失

表3示出了计算结果：

表3

可以将45-100％的硫以固体硫形式添加，其被磨机释放的热量熔化。可以将5.4-7.5％的尿素以固体尿素形式添加，其被磨机释放的热量熔化。

Claims (6)

1.一种制备尿素-硫肥料的方法，其包括步骤：

(a)向转子在开槽定子内转动的分散磨机中添加尿素和硫，从而提供熔融尿素和熔融硫的分散体；和

(b)将熔融尿素和熔融硫的分散体添加至成形单元，以提供尿素-硫肥料；

其中至少5重量％的总尿素作为固体尿素被添加至分散磨机。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，固体硫被添加至分散磨机。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，固体尿素-硫被添加至分散磨机。

4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中添加一种或多种表面活性剂。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中添加木质素磺酸钠。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，尿素、硫或尿素-硫的超大颗粒和/或细粉被添加至分散磨机。