Surowce nawozowe oraz metody granulacji stosowane w produkcji

Surowce nawozowe oraz metody granulacji stosowane w produkcji

Sebastian Schab
Instytut Nawozów Sztucznych
Zakład Nawozów
Surowce nawozowe oraz metody granulacji stosowane w produkcji
nawozów wieloskładnikowych
Streszczenie
W pracy przedstawiono wykaz głównych surowców oraz półproduktów nawozowych
wykorzystywanych w produkcji nawozów wieloskładnikowych oraz ogólny opis sposobu
wytwarzania i metod granulacji tych nawozów.
Słowa kluczowe:
wieloskładnikowy.
nawóz
mineralny,
granulacja,
surowce
nawozowe,
nawóz
Wstęp
Przemysł nawozowy jest ważną częścią przemysłu chemicznego. Jego zadaniem jest
wytwarzanie nawozów mineralnych oraz dużej grupę produktów niezbędnych do
funkcjonowania innych branż przemysłu chemicznego, a także innych gałęzi gospodarki
(amoniak, kwasy mineralne oraz produkty końcowe przeznaczone do dalszego przerobu).
Spośród nawozów stałych rozróżniamy nawozy pojedyncze i wieloskładnikowe,
nawozy wieloskładnikowe kompleksowe i mieszane oraz nawozy granulowane, pyliste
i krystaliczne. Przeważającą część nawozów stałych stanowią nawozy granulowane, a celem
granulacji, będącej jednym z ostatnich etapów wytwarzania nawozów, jest nadanie im
korzystnych własności użytkowych, ułatwiających przechowywanie i stosowanie, a także
nadających tym produktom korzystne własności agrochemiczne1).
Surowce nawozowe stosowane w produkcji nawozów wieloskładnikowych
Związkami chemicznymi będącymi nośnikami pierwszorzędowych makroskładników
pokarmowych dla roślin, które najczęściej występują w produktach finalnych, jakimi są
nawozy mineralne, są: azotan amonu, mocznik, siarczan amonu, fosforany wapnia i amonu
oraz chlorek i siarczan potasu. Ponadto, w skład nawozów mineralnych, wchodzą często
minerały fosforanowe, minerały węglanowe wapnia i magnezu oraz związki chemiczne
i minerały mikroelementów.
W tabeli 1 zestawiono związki chemiczne najczęściej występujące w nawozach
mineralnych wraz z zawartościami składników pokarmowych, a w tabeli 2 surowce
techniczne i półprodukty, które mogą być brane pod uwagę przy komponowaniu nawozów
wieloskładnikowych kompleksowych i mieszanych.
Tabela.1. Zawartość składników pokarmowych w czystych związkach chemicznych, które
mogą być użyte do produkcji wieloskładnikowych nawozów mineralnych.
Tabela 2. Zawartość składników pokarmowych w surowcach (technicznych) rozważanych
jako składniki nawozów wieloskładnikowych – kompleksowych i mieszanych.
Lp. Nazwa surowca
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Mocznik
Saletra amonowa
Siarczan amonowy
Anhydryt
Dolomit
Fosforan jednoamonowy
Fosforan dwuamonowy
Superfosfat potrójny
Superfosfat skoncentrowany
Superfosfat pojedynczy
Fosforyt
Sól potasowa
Azotan potasowy
Siarczan potasowy
Węglan potasowy
Fosforan jednopotasowy
Fosforan dwupotasowy
Siarczan magnezowy
Siarczan magnezowy
Azotan magnezowy
Superfosfat mocznikowany
Możliwości
uzyskania
N
46,2
34,5
21,0
12,0
18,0
13,6
10,7
21,0
P2O5
52,0
46,0
46,0
40,0
18,0
30,0
49,7
38,8
10,0
Zawartość, mas.
K2O
CaO
39,1
31,6
20,0
20,0
28,6
50,0
60,0
45,8
53,1
67,0
32,9
51,5
15,9
nawozów wieloskładnikowych,
MgO
18,8
16,0
27,0
15,4
-
o najwyższej
S
24,0
23,0
2,0
2,0
1,0
4,0
12,5
17,3
12,7
22,0
7,9
łącznej
zawartości składników pokarmowych daje wykorzystywanie w procesie wytwórczym
surowców o najwyżej koncentracji. Spośród składników azotowych – mocznika, z surowców
fosforowych, takimi składnikami są superfosfat potrójny (TSP), fosforany amonowe
pojedynczy (MAP) oraz podwójny (DAP), a spośród potasowych – sól potasowa. Mniejsze
możliwości dają azotan amonu i siarczan amonu, jako składniki azotowe, superfosfat
pojedynczy, jako składnik fosforowy oraz siarczanu potasu, jako składnik potasowy. Pomimo
wysokiej koncentracji azotu w moczniku wytwarzanie nawozów wieloskładnikowych z jego
udziałem nastręcza zwykle dużo trudności. Mocznik bowiem znacznie pogarsza własności
użytkowe nawozów, takie jak wilgotność krytyczna, skłonność do zbrylania, wytrzymałość
mechaniczna
granul.
Ponadto
procesy
wytwarzania
nawozów
wieloskładnikowych
zawierających mocznik są znacznie trudniejsze w realizacji, z uwagi na jego niską stabilność
termiczną (groźba wytwarzania nadmiernej ilości biuretu – substancja szkodliwa dla roślin
oraz straty azotu w czasie procesu) oraz z uwagi na silne upłynnianie granulowanych
mieszanin przez mocznik, co zmusza do stosowania znacznie łagodniejszych warunków
granulacji, suszenia i klasyfikacji produktów. Wytwórcy nawozów w Polsce stosują szereg
metod granulacyjnych do wytwarzania szerokiej gamy nawozów jedno i wieloskładnikowych.
W zależności od czynników ekonomicznych, gospodarczych oraz możliwości produkcyjnych
własnych instalacji indywidualnie dobierają bazę surowcową do komponowania nawozów
wieloskładnikowych.
Metody granulacji nawozów wieloskładnikowych
Granulacja
formowanie
to
cząstek
procesy
o
fizykochemiczne
określonych
i
rozmiarach,
fizykomechaniczne
kształcie,
strukturze
zapewniające
i
zadanych
właściwościach fizykochemicznych4).
Główne metody granulacji to:
•
granulacja przesypowa (bębnowa, talerzowa) – granulacja mieszanki surowców
sypkich z użyciem czynnika granulującego w postaci cieczy,
•
granulacja metodą kompaktowania – granulacja mieszanki surowców sypkich,
•
granulacja wieżowa – granulacja ze stopu (mocznik, saletra amonowa),
•
granulacja mieszarkowa – granulacja surowca w postaci pulpy na zawrocie oraz
mieszanki surowców sypkich z użyciem pulpy procesowej i zawrotu,
•
granulacja mechaniczna (kombinacja metod) – granulacja mieszarkowa w połączeniu
z bębnem granulacyjnym, talerzem lub w połączeniu z suszarnią spełniającą rolę
granulatora bębnowego w pierwszej części suszarki.
Głównymi celami granulacji nawozów jest poprawa ich sypkości, gęstości i właściwości
transportowych, zwiększenie rozmiarów i masy cząstek umożliwiających bezpieczny
i równomierny rozsiew, zmniejszenie zawartości pyłu i zapylenia w transporcie i przy
obróbce, wytwarzanie mieszanin nie segregujących się cząstek oraz nadanie cząstkom
istotnych założonych właściwości fizykochemicznych4).
Nawozy wieloskładnikowe w postaci granulowanej, otrzymywane są przy znacznym
udziale procesów chemicznych. Pomimo znacznej różnorodności rozwiązań technicznoaparaturowych wytwórni nawozów kompleksowych, można wyróżnić trzy zasadnicze typy
procesów. Jeden z nich operuje głównie surowcami stałymi, a dodatkowo wprowadza się
substancje ciekłe (woda, kwasy: siarkowy, fosforowy) i gazowe (para wodna, amoniak),
w ilościach niezbędnych do wytworzenia spoiwa wiążącego pyliste składniki w trwałe
granulki. Drugi proces polega na wprowadzaniu jednego z podstawowych składników
nawozu w postaci płynnej (zawiesiny fosforanów amonowych lub superfosfatu potrójnego
albo roztwory mocznika) i tworzeniu się granulatu w wyniku zestalania się fazy ciekłej,
wypełnionej cząstkami stałymi pozostałych komponentów. Trzeci proces granulacja metodą
kompaktowania, zaliczany do metod granulacji ciśnieniowej, bazuje na surowcach stałych,
a stosowane komponenty surowcowe powinny charakteryzować się zbliżonym uziarnieniem,
„zgodnością chemiczną” oraz niewielką zawartością wody (0,5-1,0%). W pierwszym
z wymienionych
typów
zasadnicze
procesy
chemiczne
zachodzą
w granulatorze
przesypowym (granulator bębnowy lub talerzowy), który niejednokrotnie spełnia rolę
mieszalnika, reaktora i granulatora. Najczęściej do granulatora doprowadzana jest mieszanka
surowców sypkich oraz dodatkowy czynnik granulacyjny (woda, para wodna, ścieki
procesowe, gazowy amoniak, kwas siarkowy lub fosforowy). Substancje te reagują ze sobą
tworząc w złożu spajające cząstki stałe np.: sole amonu, wapnia czy magnezu. Stale
utrzymywany dość intensywny ruch obrotowy granulatora powoduje ciągłe przesypywanie się
powstających aglomeratów, nadając im formę kulistą i zapobiegając powstawaniu nadmiernie
rozbudowanych zlepów i brył. W trakcie suszenia materiału w suszarni obrotowej, dobiegają
końca procesy chemiczne zainicjowane w granulatorze i utrwala się ostateczna struktura
granulatu1-3, 5-7).
W drugim z procesów wytworzoną w reaktorze zbiornikowym gęstą zawiesinę
surowców nawozowych doprowadza się do granulatora, gdzie następuje jej wymieszanie ze
stałymi składnikami nawozu. Wskutek mieszania wszystkie składniki sklejają się w granulki.
Ze względu na dużą ilość wody doprowadzanej do granulatora z zawiesiną, do granulacji
zawraca się znaczną część frakcji właściwej granulatu. Tak duży stopień zawrotu, choć
niezbyt korzystny energetycznie, umożliwia uzyskanie produktu o jednorodnym składzie
chemicznym, dużej wytrzymałości mechanicznej i gładkiej powierzchni.
Trzeci sposób granulacji – metoda kompaktowania, jest powszechnie stosowaną
techniką aglomeracji nawozów, zarówno jedno jak i wieloskładnikowych. Stosowana jest,
przede wszystkim, w takich przypadkach, gdy inne techniki granulacji nawozów zawodzą.
Ponadto jest stosowana wówczas, gdy dany wytwórca wytwarza stosunkowo małe ilości
nawozów, ale o zróżnicowanych składach. Bardzo korzystnymi cechami kompaktowania są:
bezodpadowość i praktycznie brak emisji gazów i pyłów 1-3,8).
Otrzymywanie nawozów granulowanych tą metodą polega na przygotowaniu
mieszanki pylistej, jej sprasowaniu na prasie walcowej (kompaktorze), a następnie jej
rozdrobnieniu i rozdzieleniu na frakcje9,10). Frakcje: drobna (podziarno) i gruba (nadziarno) są
zawracane do procesu, frakcja właściwa ( = 2-5 mm) podawana jest do mieszalnika, gdzie
następuje powlekanie środkiem przeciwpyleniowym, a stamtąd produkt kierowany jest do
pakowani lub do magazynu.
Schemat ideowy procesu wytwarzania nawozów wieloskładnikowych
Powyższy rysunek przedstawia typowy ciąg technologiczny procesu wytwarzania
nawozów wieloskładnikowych. Jest to ogólny schemat blokowy procesu produkcyjnego
opartego na metodzie zawiesinowej, niemniej zawarte są w nim również procesy jednostkowe
pozostałych opisywanych procesów wytwórczych. W zależności od metody produkcji
w procesach wykorzystywane są poszczególne węzły główne oraz wspomagające.
Podsumowanie
Nawozy NPK, czyli azotowo–fosforowo-potasowe, są wytwarzane z użyciem szeregu
surowców i półproduktów nawozowych, takich jak: siarczan amonu, mocznik, saletra
amonowa, superfosfat mocznikowy, superfosfat pojedynczy (SSP), superfosfat wzbogacony
(CSP), superfosfat potrójny (TSP), fosforany amonu (MAP, DAP), fosforyt częściowo
rozłożony, chlorek potasu, siarczan potasu, magnezyt, dolomit oraz siarczan magnezu.
W opisanych typach procesów można uzyskać granulaty nawozowe o bardzo różnej
zawartości składników głównych, drugorzędnych i mikroelementów oraz ich wzajemnych
proporcji. Zawierają one zwykle od 3 – 15 % azotu (N), 5 – 12% fosforu (P2O5) i 5 – 24%
potasu (K2O) oraz pozostałe składniki drugorzędne (Mg,Ca,S,Na) i mikroelementy tj. bor (B),
kobalt (Co), miedź (Cu), żelazo (Fe), mangan (Mn), molibden (Mo), cynk (Zn).
Granulacja nawozów wieloskładnikowych w krajowych wytwórniach odbywa się
metodą mechaniczną-mieszarkową, talerzową, bębnową oraz kompaktorową. Ze względu na
stosunkowo niewielką powierzchnię właściwą oraz dzięki zachodzącym w trakcie granulacji
i suszenia procesom chemicznym, ulegają ograniczeniu negatywne zjawiska często
obserwowane w przypadku nawozów jednoskładnikowych i ich fizycznych mieszanin
(nadmierna higroskopijność, łatwość zbrylania, przechodzenie niektórych składników
w formy trudno przyswajalne, rozkład z utratą lotnych związków azotu). Poprawę jakości
wytwarzanych granulatów można uzyskać doskonaląc urządzenia do granulacji, dobierając
staranniej parametry procesowe, a także stosując różne dodatki do granulowanej mieszaniny
surowców.
Literatura
1. A. Biskupski, W. Picher, Metody granulacji stosowane w krajowych wytwórniach
nawozów oraz własności uzyskiwanych produktów, Chemik nr 9, s.393-408, 2008.
2. Praca zbiorowa, Przewodnik Metodyczny, Najlepsze Dostępne Techniki (BAT),
Wytyczne
do
branży
chemicznej
w
Polsce,
Część
szczegółowa,
Przemysł
Wielkotonażowych Chemikaliów Nieorganicznych, Amoniaku, Kwasów i Nawozów
Sztucznych (praca na zamówienie Ministerstwa Środowiska), 2004.
3. A. Biskupski P. Malinowski, Asortyment nawozów mineralnych wytwarzanych przez
krajowe wytwórnie, Chemik, nr 11, s. 368-377, 2003.
4. P.W. Kłassien, I.G. Griszajew, Podstawy techniki granulacji, WNT, Warszawa 1989.
5. B. Grzmil, Wieloskładnikowe nawozy kompleksowe i mieszane, Studium porównawcze,
Przem. Chem., t.81, nr 2, s. 92-97
6. M. Zienkiewicz , P. Masztalerz, A. Biskupski, Postęp w produkcji nawozów
wieloskładnikowych w Zakładach Chemicznych „POLICE” S.A., Chemia Przemysłowa,
2/2004, s. 32-34.
7. H.Górecki, A. Biskupski, J. Hoffmann, Postęp w technologii produkcji nawozów
fosforowych z uwzględnieniem wykorzystania surowców wtórnych i odpadowych,
Nawozy i Nawożenie, t.4, nr 4, s. 9-36, 2002.
8. J. Hoffmann, H. Górecki, J. Kończal, Wytwarzanie nawozów granulowanych techniką
zgniatania, Pr. Nauk.ITNiNM PWr., nr 48, Seria: Konferencje nr 28, s.241-245, 1999.
9. Inf. Chem., nr 325, s. 114, 1991 (wg Przemysł Chemiczny w Świecie, t.15, nr 8, s. 1-2,
1991.
10. Biń A.K., Najnowsze tendencje w zakresie badań nad procesami granulacji, Materiały VII
Ogólnopolskiego Sympozjum „GRANULACJA 2005”, Puławy-Kazimierz Dolny, 11-13
października 2005.