Основы технологии минеральных удобрений

Удобренияминазываются вещества, содержащие элементы, необходимые для питания растений и вносимые в почву с целью получения высоких устойчивых урожаев.

Удобрения классифицируют по ряду признаков.

По происхождению удобрения подразделяются на минеральные, органические, органоминеральные и бактериальные.

К минеральным, или искусственным, удобрениям относятся специально производимые на химических предприятиях преимущественно неорганические вещества, в основном минеральные соли.

Органические удобрения содержат питательные вещества главным образом в виде органических соединений, обычно — продуктов естественного происхождения (навоз, фекалии, солома, торф и др.).

Органоминеральные удобрения представляют собой смеси различных органических и минеральных удобрений.

Бактериальные удобрения содержат некоторые культуры микроорганизмов, способствующие накоплению в гумусовом слое (почве) усвояемых форм питательных элементов.

По составу,т.е. по видам питательных элементов, минеральные удобрения подразделяются на азотные, фосфорные (фосфатные), калийные (калиевые) и микроудобрения (магниеч вые, борные и др.).

По содержанию главных питательных элементовудобрения бывают простые (один главный питательный элемент) и комплексные (два или три элемента).

Но числу главных питательных элементов комплексные удобрения называются двойными (NP, PK, NK) и тройными (NPK).

При содержании питательных веществ более 33 % удобрения называются концентрированными, более 60 % — высококонцентрированными.

По назначению и срокам внесения удобрения подразделяются на основные (предпосевные), вносимые до посева; припо-севные, вносимые во время посева; подкормки, вносимые в период развития растений (в вегетационный период).

По степени растворимости удобрения бывают водорастворимые и водонерастворимые.

Состав минеральных удобрений характеризуется содержанием в них активных веществ: в азотных — азота (N), в фосфорных — оксида фосфора (Р₂О₅), ^в калийных — оксида калия (К₂0).

9.2.1. Основы технологии азотныхудобрений

Промышленностью выпускаются следующие виды азотных удобрений: аммиачные, содержащие азот в виде катиона NH⁴⁺, нитратные, содержащие азот в виде аниона NO^3-, аммиач-но-нитратные, содержащие оба иона, и амидные, азот в которых находится в форме NH₂. По агрегатному состоянию азотные удобрения бывают твердые (например, карбамид) и жидкие (аммиак, аммиачная вода и аммиакаты, представляющие собой растворы твердых удобрений).

Наиболее распространенными из азотных удобрений являются аммиачная селитра (нитрат аммония) NH₄NO₃ и карбамид (мочевина) (NH₂)₂CO. Эти удобрения, как и все аммиачные и нитратные соли, водорастворимы и хороню усваиваются растениями, однако легко уносятся вглубь почвы при обильных дождях или орошении.

Аммиачная селитра (нитрат аммония) NH4NO3 является безбалластным удобрением, содержащим до 35 % азота в аммиачной и нитратной формах. Это удобрение можно использовать для любых сельскохозяйственных культур и почв. Однако нитрат аммония имеет и некоторые недостатки: его гранулы сильно гигроскопичны и поэтому расплываются на воздухе, слеживаются при хранении в крупные агломераты, трудно вносимые в почву. Кроме того, NH₄NO₃ огне- и взрывоопасен, что также осложняет его применение в качестве удобрения.

Технологический процесс производства аммиачной селитры (рис. 9.1) включает следующие стадии:

• нейтрализацию разбавленной азотной кислоты (HNO3) аммиаком (NH3);

• упаривание раствора нитрата аммония;

• кристаллизацию нитрата аммония;

• гранулирование и охлаждение плава;

• рассев гранул на товарные фракции.

Нейтрализация осуществляется в специальном реакторе — нейтрализаторе, откуда разогретый раствор NH₄NO₃ (реакция нейтрализации идет с выделением тепла) поступает в вакуум-выпарной аппарат, где на выходе получается плав с содержанием NH₄NO₃ 98—99 %. Плав поступает в верхнюю часть грануляционной башни, где разбрызгивается через специальное приспособление — форсунку. Капли селитры, падая вниз, застывают в потоке подающегося снизу холодного воздуха и образуют гранулы, которые поступают на дополнительное охлаждение и затем рассеиваются на фракции. Частицы менее 1 и более 3 мм присоединяются к раствору, идущему на выпаривание. Готовый продукт (частицы размером 1—3 мм) упаковывается в водонепроницаемые мешки.

В структуре себестоимости аммиачной селитры удельный вес различных элементов затрат следующий: сырье и основные материалы — 85 %, вспомогательные материалы — 5, энергия — 5, зарплата — 0,3, прочие расходы — 4,7 %.

Карбамид (NH₂)₂CO относится к ценным азотным удобрениям, содержащим до 46 % азота. Его применяют также как азотную добавку в корм скоту. Высокая концентрация азота, ценные физико-химические свойства, малая слеживаемость, низкие расходы на хранение и транспортирование сделали карбамид основным азотным удобрением.

Сырьем для производства карбамида являются аммиак NH₃ и диоксид углерода СО₂.

Технологический процесс производства карбамида (рис. 9.2) включает следующие стадии:

• синтез карбамида;

• упаривание раствора карбамида до плава;

• кристаллизация или гранулирование плава;

• фильтрация кристаллов (в случае кристаллизации);

• рассев гранул на товарные фракции.

В промышленности синтез карбамида осуществляется в две стадии при 100 % -ном избытке аммиака, давлении 18—20 МПа и температуре 180—200 °С. Выход карбамида в оптимальных условиях составляет 60—70 % при использовании чистых СО₂ и NH₃. В целях улучшения экономических показателей производства не вступившие во взаимодействие аммиак и СО₂ ис_ пользуются повторно или для получения других продуктов.

Диоксид углерода, предварительно очищенный от соединений серы и механических примесей, сжимается компрессором до 18—20 МПа и при температуре 40 ° С непрерывно подается в колонну синтеза. Плунжерным насосом в колонну непрерывно вводится также жидкий аммиак, нагретый до 90 °С. Полученный раствор карбамида упаривается в выпарном аппарате. Затем карбамид либо кристаллизуют в кристаллизаторах и отделяют кристаллы от маточного раствора на соответствующем фильтровальном оборудовании, либо гранулируют в грануляционной башне. Рассев гранул карбамида на товарные фракции осуществляется так же, как и аммиачной селитры.

Для получения 1 т карбамида в среднем расходуется: аммиака — 0,58 т; диоксида углерода — 0,77 т; воды — 90 м³; электроэнергии — 130 кВт- ч; пара — 1,3 т.

В структуре себестоимости карбамида удельный вес различных элементов затрат следующий: сырье и основные материалы — 65 % , вспомогательные материалы — 15, энергия — 15,6, зарплата — 0,4, прочие расходы — 4 %.

9.2.2. Основы технологии фосфорных удобрений

К фосфорным удобрениям относятся природные фосфаты и продукты их переработки. В отличие от других видов минеральных удобрений, фосфорные обладают разной растворимостью, по которой подразделяются на водорастворимые (группа I); растворимые в органических кислотах или усвояемые (группа II); нерастворимые или растворимые только в сильных минеральных кислотах (группа III). По содержанию питательного элемента фосфорные удобрения бывают концентрированные (более 30 % Р₂О₅) и неконцентрированные (менее 30 % Р₂О₅).

Методы переработки фосфатного сырья существенно зависят от состава руды и могут быть механическими и химическими.

Механической обработкой (измельчением) получают простейшее фосфорное удобрение — фосфоритную муку.

Задачей химической переработки природных фосфатов в фосфорные удобрения является превращение исходного фосфорсодержащего сырья в такие соединения фосфора, которые легко усваиваются растениями и являются высококонцентрированными, т.е. в их состав входит максимально возможное количество Р₂О₅ в усвояемой форме при минимальном содержании балласта и вредных примесей.

Важнейшими фосфорными удобрениями являются простой и двойной суперфосфаты, которые выпускаются в виде порошка или гранул.

Простой суперфосфат получают камерным методом при разложении природных фосфатов (апатитового концентрата или фосфоритной муки) серной кислотой.

Основными стадиями производства простого суперфосфата являются (рис. 9.3):

• смешение апатитового концентрата или фосфоритной муки с серной кислотой;

• разложение сырья при химическом взаимодействии исходных компонентов с образованием суперфосфата и фосфогипса;

• отверждение получаемой суспензии в суперфосфатной камере;

• дозревание суперфосфата на складе дообработки;

• дробление простого суперфосфата;

• грохочение (отделение крупных и мелких фракций);

• гранулирование простого суперфосфата.

Существенными недостатками технологии производства простого суперфосфата являются образование побочных продуктов — фосфогипса (CaSO₄) и выделение на всех стадиях производства очень токсичного газообразного фтористого водорода (HF). При этом содержание Р₂О₅ в простом суперфосфате не превышает 20 %.

Двойной суперфосфат является более концентрированным удобрением, чем простой. Его получают путем разложения природных фосфатов фосфорной кислотой. Производство двойного суперфосфата осуществляется двумя методами: камерным (по схеме получения простого суперфосфата) и поточным (бескамерным).

К недостаткам камерного способа относятся длительное складское дозревание продукта, сопровождающееся неорганизованными выделениями вредных фтористых соединений в атмосферу, и необходимость применения концентрированной фосфорной кислоты, содержащей 50—55 % Р₂О₅.

Основными стадиями производства двойного суперфосфата поточным методом являются (рис. 9.4):

• смешение апатитового концентрата или фосфоритной муки с 32 %-ной фосфорной кислотой;

• разложение фосфатного сырья (процесс протекает 0,5—1 ч при температуре 95 °С) в реакторе-смесителе с образованием пульпы готового продукта;

• сушка в распылительной сушилке и получение порошкообразного удобрения;

• гранулирование части порошкообразного суперфосфата в грануляторе-смесителе;

• сушка гранул в барабанной сушилке;

• рассев гранул на грохоте и получение товарной фракции двойного суперфосфата (размеры частиц — 1—4 мм).

После рассева гранул суперфосфата на грохоте крупная фракция (размер частиц — 4 мм и более) измельчается на молотковой дробилке и снова поступает на грохот, а мелкая, называемая ретуром (размер частиц — 1 мм и менее), возвращается вгранулятор-смеситель.

В себестоимости производства суперфосфата наибольшая доля затрат (93—96 %) приходится на стоимость сырья, при этом себестоимость гранулированного двойного суперфосфата выше, чем порошкообразного. Однако гранулирование способствует значительному улучшению качества и агрохимических свойств удобрений. Себестоимость двойного суперфосфата на 10—13 % выше, чем простого, но это увеличение компенсируется экономией труда при его транспортировке и внесении в почву.