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主要磷肥产品的发展历程与展望

2021-09-23  昵称37581...

本文节选自 朱希茹,许梦瑶,王芳,普正仙,黄成东《主要磷肥产品的发展历程与展望》

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朱希茹,许梦瑶,王芳等. 主要磷肥产品的发展历程与展望[J]. 肥料与健康, 2021, 48(4):10-16.

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主要磷肥产品的发展历程与展望

主要磷肥产品发展历程与展望

磷是植物生长必不可少的生命元素,在自然界主要以磷酸盐的形式存在于矿石中,由于风化和养分释放的过程缓慢,无法被植物直接吸收和利用。因此,植物从成土矿物中吸收的磷较少,通常需要从外部来源即肥料中获取更多的磷养分来满足生长的需求。在过去170多年中,磷肥为世界农业的发展做出了巨大的贡献,磷肥的施用使全球自然陆地生态系统地上植物增产34.9%,农田地上植物增产13.9%。随着人口的增加,粮食生产对磷肥的需求持续增长,带动了磷肥工业的发展。2005年,我国磷肥产量达到11 250 kt (以P2O5计),跃居世界第一位。从无到有,从小到大,从低浓度到高浓度,从单一的传统肥料到种类繁多的新型肥料,中国磷复肥工业实现了从依赖进口到自给有余的巨大飞跃。目前我国已经成为全球产量第一、出口量第一的磷肥工业大国,在满足国内市场需求的同时,为国际市场提供了优质的磷肥产品。

本文以时间为轴,整理了国内外主要磷肥产品发展历程中的重要事件,以期为提高磷肥产品优势和推进磷肥产品创新提供思考。(本文着重展现国内磷肥发展历程,详情请点击全文阅读)

磷肥产品发展历程

过磷酸钙

过磷酸钙是世界上最早用化学方法加工生产的磷肥品种,不仅含有硫、钙、镁、硅等中微量元素,而且生产工艺简单,市场接受度高,在磷肥生产中占据相当的比例。20世纪30年代,随着施肥机具的发展,开始出现粒状过磷酸钙和氨化过磷酸钙,有效改善了过磷酸钙的物理性能,使其便于运输和机施,并减少了磷养分在土壤中的固定。20世纪50年代中期以来,在农业增产的要求下,世界范围内磷肥朝着高浓度和高肥效的方向发展,低浓度过磷酸钙的产量在磷肥总产量中所占的比重呈逐年下降的趋势,但其绝对产量下降并不多,保持相对稳定,2007年过磷酸钙产量仍是仅次于磷酸铵的第二大磷肥品种。

我国过磷酸钙的生产时间与世界相差了100年。随着我国社会经济发展和第一个五年计划的执行,1952—1957年建设了4家小型过磷酸钙厂,揭开了我国磷肥事业发展的序幕。1958年,在江苏南京和山西太原兴建了年产实物量400 kt和200 kt粒状过磷酸钙装置,由此奠定了我国最早的磷肥工业基础。随后在各地陆续建起一大批中小型过磷酸钙生产装置,过磷酸钙得以迅猛发展,产量于1998年达到最高值,为4 760 kt (以P2O5计),生产企业超过500家。2017年,我国过磷酸钙的消费量达8 999 kt。

重过磷酸钙

用磷酸分解磷矿石制得的磷肥中有效P2O5含量相当于用硫酸分解磷矿石制得的过磷酸钙的3倍左右,故称重过磷酸钙。

我国重过磷酸钙生产技术的研发始于20世纪60年代,同时进行研发的还有湿法磷酸和热法磷酸技术。1975年,在广西柳城磷酸盐化工厂建成了热法重过磷酸钙生产装置,开启了我国重过磷酸钙生产的历史,填补了我国这一品种的空白。1982年,我国第一套年产100 kt的湿法重过磷酸钙装置在云南建成,结束了我国重过磷酸钙依赖进口的历史。我国重过磷酸钙产品在对东南亚国家出口上具备较强的优势。2017年,我国重过磷酸钙的消费量达754 kt。

磷酸铵类肥料

磷酸铵类肥料主要指磷酸一铵、磷酸二铵、聚磷酸铵等氮磷复合肥料。1917年,美国首次生产出磷酸一铵。1966年,南京化学工业公司磷肥厂建成我国第一套年产30 kt磷酸二铵的工业装置,20世纪70年代我国相继在安徽、江西、云南、广东等地建成了类似的工厂。经过艰苦的努力,四川银山磷肥厂和成都科技大学(现四川大学)借鉴国外经验,在1983年成功开发出中和料浆浓缩法制磷酸一铵的新工艺;四川银山磷肥厂在1988年又完成了料浆浓缩、喷浆造粒-干燥的30 kt/a磷酸铵工业性试验。在此基础上,南化公司设计院完成了年产30 kt磷酸铵的通用设计并在全国广泛推广。料浆法磷酸铵是我国自主开发的生产工艺,它创造性地解决了我国大量中低品位磷矿长期不能生产磷酸铵的难题,对我国磷复肥工业的发展具有现实意义。然而,由于在建设大中型磷酸铵生产设备上缺乏经验,我国在磷酸铵生产方面的工艺和设备都落后于世界先进水平,因此在20世纪八九十年代先后从国外引进多项先进的磷酸和磷酸铵生产技术,加快了我国磷复肥工业的发展和技术进步。2017年,我国磷酸铵类肥料的消费量达48 830 kt。          

水溶性聚磷酸铵最早在20世纪60年代被应用于农业生产。我国对聚磷酸铵的研究起步较晚,尚有广阔的发展空间。与传统磷酸铵类肥料相比,聚磷酸铵作为肥料施用具有氮磷含量高、水溶性好、缓释性能和螯合性能优良等特点,但受其肥料形态和价格昂贵等因素的影响,尚未得到广泛应用。

磷矿粉

19世纪初,天然磷矿石在法国被发现,人们开始研究和利用磷矿粉作为肥料,但直到19世纪80年代才在俄国进行了磷矿粉的科学试验。前苏联的磷矿较多,但磷肥工业很薄弱,其磷矿粉消费量一直居世界前列。美国则将磷矿粉的施用作为一种农田基本建设措施,对缺磷土壤进行集中施用。因此,磷矿粉的利用情况主要是由国家的工业水平和农业发展需求决定的。

我国低浓度磷肥的发展从生产磷矿粉开始。中华人民共和国成立之时,资源、技术、资金等条件缺乏,使得我国尚不具备大规模发展磷肥工业的条件,因此国家决定在“一五”期间发展以磷矿粉为主的磷肥工业以满足农业生产的需求。20世纪70年代前期,我国在24个省、市、自治区开展了大量的磷矿粉肥效试验,对磷矿粉施用技术进行了较为透彻的研究。1976年我国磷矿粉产量达到1 400 kt(实物量),但因磷矿粉肥在施用上存在活性较低、用量较大、肥效较差、运输不便等局限性,未能获得推广,1979年以后基本上不再生产。

硝酸磷肥

硝酸磷肥的制备过程主要是利用硝酸的强酸性来分解磷矿石,使矿物中活性较差的磷素转变为易被作物吸收的形态;另外,硝酸本身含有的氮素又作为养分留在产品中,起到“以氮带磷”的作用。由于采用硝酸代替硫酸分解磷矿,因而硝酸磷肥技术和工业的发展与该地区和国家的硫资源密切相关。

化工部上海化工研究院(现为上海化工研究院有限公司)于20世纪50年代中期对碳化法、硝酸-硫酸法、硝酸-硫酸盐法、冷冻法、有机溶剂萃取法等多种硝酸磷肥生产方法开展了研究,1964年与南京化学工业公司磷肥厂、南京化学工业公司设计院合作完成了年产3 000 t碳化法硝酸磷肥中间试验,1977年又与化工部化肥工业研究所合作完成了直接冷冻法硝酸磷肥中间试验。1978年,南化公司完成了间接冷冻法硝酸磷肥中间试验。20世纪80年代,山西化肥厂(现山西天脊煤化工集团有限公司)引进挪威Norsk Hydro公司的间接冷冻法工艺,建成以煤为原料的年产900 kt硝酸磷肥装置。2011—2012年,贵州金正大生态工程有限公司和贵州芭田生态工程有限公司分别启动大型硝基复混肥项目,其中贵州芭田生态工程有限公司于2015年5月产出合格的硝酸磷肥产品,其“首套冷冻法硝酸磷肥装置技术”在2018年通过中国氮肥工业协会及有关专家的鉴定。硝酸磷肥在国内高浓度磷肥大发展阶段的缺席主要受到原料、工艺、设备和产品等方面不利因素的影响。从目前情况来看,在资源上,近几年我国选矿技术进步很大,磷矿可能已经不是制约因素,而硝酸磷肥的生产也可减少肥料工业对硫的依赖,改变因硫资源不足而大量进口硫黄进行磷肥生产的现状;在设备上,不锈钢已经成为普通产品,设备制造技术取得很大进步,专用设备已可国产化;在用户满意度上,硝酸磷肥肥效稳定,物理性质好,便于储存、运输和施用,很受农户欢迎;且冷冻法硝酸磷肥最大的优势可以实现无三废排放。从以上国内市场需求和产品多元化等角度分析,硝酸磷肥在国内具有良好的发展前景。

钙镁磷肥

钙镁磷肥既能供应磷素营养,又能提供作物生长所必需的多种中微量元素,如钙、镁、硅、铁等。同时,钙镁磷肥是一种碱性矿质肥料,适宜在酸性土壤上施用,具有改良酸性土壤的功效,且可与中低品位磷矿资源的利用结合,工艺简单,生产成本低。相较于其他磷肥产品,钙镁磷肥发展应用较晚。

我国对钙镁磷肥研究始于20世纪50年代,中国台湾肥料公司研究试制了含有效P2O5质量分数为18%~20%的熔融钙镁磷肥。我国第一套平炉法生产钙镁磷肥的装置于1956年在四川乐山磷肥厂建成,比国外晚了10年。1958—1959年,北京化工实验厂和浙江兰溪化肥厂先后采用冷风直筒形高炉生产出钙镁磷肥。1963年,江西东乡磷肥厂将炼铁高炉改造成年产30 kt熔融钙镁磷肥的高炉,成功开发了“高炉法钙镁磷肥生产工艺”,并在1964年获国家科委二等发明奖。此后,各地纷纷开始生产钙镁磷肥,装置以利用大炼钢铁时期闲置的高炉为主,也有少数装置采用电炉法工艺。从20世纪60年代开始,我国对外出口砂状及粒状钙镁磷肥产品和钙镁磷肥生产技术。1966年,我国钙镁磷肥的产量已超过日本,居世界首位。1976年,郑州大学许秀成提出“钙镁磷肥采用玻璃结构因子的配料方法”,并研制了适用于不同磷矿矿种的“熔点-玻璃结构因子配料图”,该配料方法在1983年获国家发明四等奖,为直接利用低品位磷矿生产钙镁磷肥,提高磷资源的利用率和节约磷矿资源开创了新途径。进入20世纪80年代,钙镁磷肥生产技术的发展以降低能耗与三废治理为主。1980年,广西鹿寨化肥厂优化了钙镁磷肥生产技术,采用精料、大风、高温的生产方法,进一步提高了产量、降低了能耗。1995年,我国钙镁磷肥产量以 P2O5计在1 205 kt左右,达历史最高水平;从1995—2018年,钙镁磷肥产量总体上呈下降趋势, 生产企业数量缩减,目前维持在每年实物产量900 kt左右,生产企业主要集中在磷矿资源较丰富的云、贵、川、鄂、湘地区。

展 望

磷肥产品的创新和应用应满足农业绿色发展的要求,减少磷养分在土壤中的固定、提高肥效、配合其他元素提高利用率将是磷肥产品未来的发展方向。

(1) 做好现有磷肥产品布局,结合磷肥特点与土壤-作物系统特点,实现磷肥-土壤-作物体系的有效匹配。

(2) 做好磷肥产品创新,创制高效产品,利用好磷矿资源、有机物资源与作物的生物学潜力。

(3) 做好工农深度融合,基于农业需求,通过产业创新提高磷肥的利用率。

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编辑:颜坤  | 审校:张巍  |  监制:师蓉

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