含有微量養(yǎng)分的肥料組合物及其制備方法與流程

本申請(qǐng)要求2014年3月7日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/949,740號(hào)的權(quán)益，該專利申請(qǐng)的全部內(nèi)容以參考的方式并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及一種包含微量養(yǎng)分的顆粒肥料。具體地，本發(fā)明涉及一種其中在肥料的制粒之前和/或在肥料的制粒期間將微量養(yǎng)分添加到肥料中的顆粒肥料。

背景技術(shù)：

許多化學(xué)元素(包括礦質(zhì)元素和非礦質(zhì)元素兩者)對(duì)于植物的生長和生存而言是重要的。非礦質(zhì)元素可以包括例如氫、氧和碳，通常可從周圍的空氣和水中獲得。礦質(zhì)養(yǎng)分(包括氮、磷和鉀)是在土壤中獲得或提供，以便被植物的根所吸收。

礦質(zhì)養(yǎng)分一般可以分為兩組：大量養(yǎng)分(包括主要養(yǎng)分和二級(jí)養(yǎng)分)、及微量養(yǎng)分。基本礦質(zhì)養(yǎng)分包括氮(N)、磷(P)和鉀(K)。大量的這些養(yǎng)分對(duì)于植物的生存而言是必不可少的，因此通常構(gòu)成大部分的肥料組合物。除了主要養(yǎng)分外，所需的二級(jí)養(yǎng)分的量遠(yuǎn)小于主要養(yǎng)分的量。二級(jí)養(yǎng)分可以包括例如鈣(Ca)、硫(S)和鎂(Mg)。微量養(yǎng)分可以包括例如硼(B)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鋅(Zn)、氯(Cl)、鈷(Co)、鈉(Na)、及其組合。

具體地就微量養(yǎng)分而言，微量養(yǎng)分源在它們的物理狀態(tài)、化學(xué)反應(yīng)性、成本、和植物利用率方面有顯著的不同。用于作物的微量養(yǎng)分施加的最常見方法是土壤施肥。推薦的施肥量通常為小于10磅/英畝(基于元素)，因此單獨(dú)地將微量養(yǎng)分源在農(nóng)田中均勻施肥會(huì)是困難的。將微量養(yǎng)分加入混合肥料中是一種方便的施肥方法，并且允許使用常規(guī)的施肥設(shè)備更均勻地分布。通過排除單獨(dú)的施肥步驟，也可降低成本。與混合肥料一起施加微量養(yǎng)分的四種方法可以包括：在制造期間的摻合、與顆粒狀肥料的摻混、包膜到顆粒狀肥料上、和與流體肥料的混合。

在制造期間的摻合是指當(dāng)正在生產(chǎn)肥料顆粒時(shí)將一種或多種微量養(yǎng)分直接地?fù)胶系椒柿项w粒(例如氮磷鉀肥(NPK)、尿素、鉀肥、或磷酸鹽肥料)中。該措施允許各肥料顆粒具有期望微量養(yǎng)分的一致濃度及微量養(yǎng)分在整個(gè)顆粒狀肥料中的均勻分布。因?yàn)榉柿项w粒被均勻地分散在種植區(qū)域中，所以所含有的微量養(yǎng)分也被均勻地分散。

與顆粒狀肥料的摻混是單獨(dú)地將顆粒狀二級(jí)養(yǎng)分和/或微量養(yǎng)分化合物與顆粒狀肥料(例如磷酸鹽或鉀肥料)摻混的措施。該措施的主要優(yōu)點(diǎn)是可以生產(chǎn)出將在普通肥料施加量下為特定農(nóng)田提供推薦的微量養(yǎng)分施加量的肥料等級(jí)。主要缺點(diǎn)是在共混操作和隨后的搬運(yùn)期間會(huì)發(fā)生養(yǎng)分的分離。為了減小或防止在搬運(yùn)和運(yùn)輸期間的尺寸分離，微量養(yǎng)分顆粒必須接近與磷酸鹽和鉀肥顆粒相同的尺寸。因?yàn)榫椭参餇I養(yǎng)而言所需的微量養(yǎng)分的量是非常小的，所以該措施已導(dǎo)致微量養(yǎng)分顆粒的不均勻分布，并且通常大多數(shù)的植物遠(yuǎn)不能立即獲益，因?yàn)樵谡麄€(gè)生長季節(jié)中大部分微量養(yǎng)分顆粒在土壤溶液中僅移動(dòng)達(dá)數(shù)毫米。

顆粒狀肥料的包膜降低分離的可能性。然而，一些粘結(jié)材料常常卻是不令人滿意的，因?yàn)樗鼈冊(cè)谔状?、貯存和搬運(yùn)期間不能保持微量養(yǎng)分包膜，這導(dǎo)致微量養(yǎng)分源與顆粒狀肥料組分的分離。已采取了步驟來減少在二級(jí)養(yǎng)分和微量養(yǎng)分情況下的分離問題，例如名稱為“含硫肥料組合物及用于制備該組合物的方法”的美國專利第6,544,313號(hào)中所描述的在肥料部分中的硫或硫小片的情況、以及在名稱為“用于生產(chǎn)含有微量養(yǎng)分的肥料的方法”的美國專利第7,497,891號(hào)中所描述的微量養(yǎng)分的情況，這兩個(gè)專利的全部內(nèi)容以參考的方式并入本文中。

對(duì)于使微量養(yǎng)分導(dǎo)入土壤溶液中并最終導(dǎo)入植物根區(qū)的量最大化的、含有一種或多種微量養(yǎng)分的肥料產(chǎn)品仍然存在著需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種含有微量養(yǎng)分的顆粒肥料、及相關(guān)的制造方法，該顆粒肥料具有至少一種主要養(yǎng)分和至少一種微量養(yǎng)分源。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，將微量養(yǎng)分溶解于用于肥料生產(chǎn)或制粒中的一個(gè)階段的進(jìn)料流或工藝流中。將微量養(yǎng)分作為非反應(yīng)物加入肥料的生產(chǎn)過程中，使得微量養(yǎng)分在全部所形成肥料顆粒中被均勻地濃縮。

在一個(gè)實(shí)施方式中，在制粒之前，將微量養(yǎng)分溶解于流入含有主要養(yǎng)分肥料的配制中所使用預(yù)中和器或反應(yīng)器的進(jìn)料流或洗滌器水流中，以使微量養(yǎng)分分布遍及肥料中。在另一個(gè)實(shí)施方式中，可以將微量養(yǎng)分溶解于進(jìn)料流(例如酸進(jìn)料流)中，再加入旋轉(zhuǎn)的制粒滾筒中以使所配制的肥料顆粒化，從而在制粒期間將預(yù)養(yǎng)分施加到肥料中。不同于其中顆粒肥料和微量養(yǎng)分由于尺寸分離因而會(huì)分離的摻混，被結(jié)合或施加到溶解于進(jìn)料流中的肥料中的微量養(yǎng)分在運(yùn)輸和搬運(yùn)期間不大可能從顆粒肥料中分離出。

根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的生產(chǎn)肥料的方法通常包括在預(yù)中和器和/或反應(yīng)器中配制一定量的肥料。該方法還可以包括在旋轉(zhuǎn)的制粒滾筒中使肥料顆粒化。該方法還可以包括使肥料顆粒干燥并且去除不落在預(yù)定范圍內(nèi)的肥料顆粒以便再加工成正確的粒徑。

在具體地涉及到磷酸鹽肥料(例如一磷酸銨(MAP)或二磷酸銨(DAP))的生產(chǎn)的一個(gè)實(shí)施方式中，所述方法還可以包括將一種或多種期望的微量養(yǎng)分的化合物溶解于流入預(yù)中和器或反應(yīng)器的磷酸進(jìn)料流中。該微量養(yǎng)分化合物是不影響主要養(yǎng)分肥料的配制的非反應(yīng)物組分；相反該微量養(yǎng)分化合物分布于整個(gè)所形成的肥料顆粒中。在此構(gòu)造中，可以對(duì)溶解于進(jìn)料流中的微量養(yǎng)分的相對(duì)濃度進(jìn)行調(diào)整，從而影響微量養(yǎng)分在肥料中的最終濃度。

在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述方法還可以包括將一種或多種期望的微量養(yǎng)分的化合物溶解于流動(dòng)到預(yù)中和器或反應(yīng)器的洗滌器水返回流中。類似地，微量養(yǎng)分化合物是在配制過程期間分布于整個(gè)主要養(yǎng)分肥料中的非反應(yīng)物組分。如同溶解于進(jìn)料流中的微量養(yǎng)分，可以對(duì)溶解于洗滌器返回流中的微量養(yǎng)分的相對(duì)濃度進(jìn)行調(diào)整，從而影響微量養(yǎng)分在肥料中的最終濃度。

在又一個(gè)實(shí)施方式中，所述方法還可以包括在主要養(yǎng)分肥料的制粒期間將一定量的磷酸加入到制粒滾筒中，以便一磷酸銨(MAP)生產(chǎn)中的回滴定(即，降低N：P摩爾比)，其中將一種或多種微量養(yǎng)分的化合物或微量養(yǎng)分源溶解于此磷酸流中。通過改變?nèi)芙庥诖肆姿崃髦械奈⒘筐B(yǎng)分的相對(duì)濃度，而調(diào)整施加給肥料顆粒的微量養(yǎng)分的量。

以上對(duì)本發(fā)明各種代表性實(shí)施方式的概述并非意圖描述各所說明的實(shí)施方式或者本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例。相反，對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行選擇和描述，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可以領(lǐng)會(huì)并理解本發(fā)明的原理和措施。在下面的詳細(xì)說明中的附圖更具體地舉例說明了這些實(shí)施例。

附圖說明

基于以下對(duì)本發(fā)明各種實(shí)施方式的詳細(xì)說明并結(jié)合附圖，可以完全地理解本發(fā)明，在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的、用于生產(chǎn)顆粒肥料的系統(tǒng)的示意性流程圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的、包括洗滌器子系統(tǒng)的用于生產(chǎn)顆粒肥料的系統(tǒng)的示意性流程圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的、包括流入制粒滾筒中的磷酸流的用于生產(chǎn)顆粒肥料的系統(tǒng)的示意性流程圖。

圖4是溶解度曲線，該溶解度曲線顯示了不同的氮與磷摩爾比的磷酸銨在不同溫度下的水溶解度。

雖然本發(fā)明適合于各種修改和替代形式，但其細(xì)節(jié)已通過附圖中的舉例而得以揭示并且將詳細(xì)地進(jìn)行描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明并非意圖將本發(fā)明局限于所描述的具體實(shí)施方式。相反，本發(fā)明應(yīng)涵蓋落在由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替代物。

具體實(shí)施方式

如圖1-圖3中所示，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的用于生產(chǎn)一定量的肥料顆粒的方法通常包括：漿體制備階段10、制粒階段12和尺寸分離/修正階段14。

如圖1-圖2中所示，漿體制備階段10可以包括配制步驟16，其中在預(yù)中和器和/或反應(yīng)器中至少部分地以化學(xué)方法生產(chǎn)一定量的肥料(例如，磷酸鹽肥料或硫酸銨肥料)。該肥料可以包括但不限于磷酸一銨(MAP)或磷酸二銨(DAP)、或者三重特極磷酸鹽肥料及其組合。

更具體地，磷酸銨肥料是通過使磷酸(H₃PO₄)與氨(NH₃)在放熱反應(yīng)中發(fā)生反應(yīng)而生產(chǎn)。磷酸一銨(“MAP”)或磷酸二銨(“DAP”)可以根據(jù)以下的反應(yīng)并基于這兩種反應(yīng)物的比率而生產(chǎn)：

NH₃+H₃PO₄→(NH₄)H₂PO₄(MAP)

2NH₃+H₃PO₄→(NH₄)₂HPO₄(DAP)

在一個(gè)實(shí)施方式中，配制階段16包括預(yù)中和器，該預(yù)中和器是攪拌反應(yīng)器，由磷酸(磷酸)與氨的組合而生產(chǎn)磷酸銨漿體。例如，MAP、DAP、或者其組合可以基于加料到預(yù)中和器中的氨與磷酸的比率而生產(chǎn)。

在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，配制步驟16包括管式反應(yīng)器，例如十字形管式反應(yīng)器，在其中通過使氨與磷酸發(fā)生反應(yīng)而形成磷酸銨。如同預(yù)中和器，MAP和/或DAP可以基于加料到管式反應(yīng)器中的氨與磷酸的比率而生產(chǎn)。

在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方式中，配制步驟16包括預(yù)中和器與十字形管式反應(yīng)器(PCR)的組合，其中一部分的磷酸銨肥料是在預(yù)中和器中形成，而另一部分是在十字形管式反應(yīng)器中形成，例如美國專利第7,497,891號(hào)中所描述，在前面該專利的全部內(nèi)容以參考的方式并入本文中。

在各種階段中被加入本文中所描述各種組分中的氨和磷酸的量，是基于溶解度曲線進(jìn)行控制(Frank Achorn和David Saliday，“TVA旋轉(zhuǎn)氨制粒機(jī)的使用中的最近進(jìn)展”，AlChE會(huì)議，華盛頓特區(qū)，1983年11月)，重現(xiàn)于圖4中，圖中顯示不同的氮與磷摩爾比的磷酸銨在不同溫度下的水溶解度。如圖4中所示，在溶解度曲線中存在兩個(gè)低點(diǎn)部，分別在1.0和2.0的N：P比處。在這些下降部處，非常少的磷酸銨留在溶液中。在1.0處的下降部代表磷酸一銨(MAP)，在2.0處的下降部代表磷酸二銨(DAP)。該曲線還顯示溶解度隨著溫度升高而增加。

例如，當(dāng)如上所述將十字形管式反應(yīng)器(PCR)并入生產(chǎn)階段10中時(shí)，該P(yáng)CR是在大幅升高的溫度下運(yùn)行。在這些溫度下，磷酸銨是熔融的液體，因而可以以在大約1.0至2.0范圍內(nèi)的期望的氨與磷酸(N：P)比率將氨和磷酸加料到PCR中。

另一方面，從預(yù)中和器行進(jìn)到制粒機(jī)的磷酸銨是處在顯著降低的溫度下。預(yù)中和器中的N：P摩爾比是在低溶解度的低點(diǎn)部的外側(cè)，并且這可以有助于在下述的制粒階段12中在導(dǎo)入制粒機(jī)之前將磷酸銨保持為漿體的狀態(tài)。例如，為了制造磷酸一銨(MAP)，加料到預(yù)中和器中的反應(yīng)物的N：P比可以是0.3至0.9、更具體地0.5至0.7、更具體地0.55至0.65。為了制造磷酸二銨(DAP)，被加料到預(yù)中和器中的反應(yīng)物的N：P比可以是1.1至1.7、更具體地1.3至1.5、更具體地1.35至1.45。

再次參照?qǐng)D1，在一個(gè)實(shí)施方式中，預(yù)中和器和/或反應(yīng)器可以包括至少一個(gè)進(jìn)料流18，該進(jìn)料流18是用于將至少一種進(jìn)料成分(例如磷酸)提供至預(yù)中和器和/或反應(yīng)器用于肥料的配制。

在圖2中所示的另一個(gè)實(shí)施方式中，預(yù)中和器和/或反應(yīng)器還可以包括廢氣輸出流20。在此構(gòu)造中，廢氣洗滌器22的水流與廢氣輸出流20交匯從而形成含有溶解的未反應(yīng)成分的水返回流24，該水返回流24被加回預(yù)中和器和/或反應(yīng)器中。

如圖1-圖2中所示，預(yù)中和器和/或反應(yīng)器還可以包括至少一條微量養(yǎng)分進(jìn)料流26。該微量養(yǎng)分進(jìn)料流26可以提供至少一種微量養(yǎng)分，包括但不限于硼、銅、鐵、鎂、鉬、鋅及其組合。在一個(gè)具體實(shí)施例中，將一種或多種微量養(yǎng)分以化合物的形式(例如采用氧化物、硫化物、碳酸鹽、或硫酸鹽、和/或其水合物的形式)溶解于進(jìn)料流中。這些化合物可以包括例如氧化鋅(ZnO)、四硼酸鈉(Na₂B₄O₇或Na₂B₄O₇·5H₂O)、或者其它類似的化合物。

如圖1中所示，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，微量養(yǎng)分進(jìn)料流26可以與進(jìn)料流18交匯，從而將微量養(yǎng)分溶解于用于初級(jí)中和器的含原料成分的進(jìn)料流18中。如圖2中所示，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，微量養(yǎng)分進(jìn)料流26可以與水返回流24交匯，從而將微量養(yǎng)分溶解于水返回流24中。微量養(yǎng)分是主要養(yǎng)分配制反應(yīng)(即基肥配制)中的非反應(yīng)物，但分布遍及各個(gè)肥料顆粒。通過調(diào)整經(jīng)過微量養(yǎng)分進(jìn)料流所提供的微量養(yǎng)分的量，可以改變微量養(yǎng)分在各個(gè)肥料顆粒中的最終濃度。

如圖1-圖3中所示，制粒階段12還可以包括制粒步驟28和干燥步驟30。在制粒步驟28中，使所配制的肥料漿體或物料在旋轉(zhuǎn)制粒滾筒中旋轉(zhuǎn)，從而形成肥料顆粒的滾動(dòng)床。在一個(gè)實(shí)施方式中，制粒滾筒還可以包括磷酸進(jìn)料流32，該進(jìn)料硫32是用于肥料的回滴定(即，用以降低N：P的摩爾比)。

如圖3中所示，旋轉(zhuǎn)制粒滾筒還可以包括微量養(yǎng)分進(jìn)料流36，該進(jìn)料流36是用于將至少一種微量養(yǎng)分直接地提供入制粒滾筒并且/或者提供至流動(dòng)到制粒滾筒的磷酸進(jìn)料流32。通過調(diào)整溶解于磷酸進(jìn)料流32中并且/或者被直接地加到滾筒中的微量養(yǎng)分的量，可以改變施加至主要養(yǎng)分的微量養(yǎng)分的量。在一個(gè)實(shí)施方式中，將微量養(yǎng)分以化合物的形式導(dǎo)入進(jìn)料流32中，該化合物然后溶解于進(jìn)料流中。

具體地就磷酸銨肥料而言，制粒階段14還可以包括噴射步驟34，其中在床下氨噴射器中對(duì)肥料顆粒進(jìn)行處理以便完成磷酸銨反應(yīng)，從而形成期望的磷酸銨肥料。在干燥步驟30中，使肥料顆粒干燥從而降低含水量并且除去未反應(yīng)的揮發(fā)物。

任選地，制粒階段14可以包括硫源，例如元素硫或硫酸鹽硫，例如美國專利第6,544,313號(hào)中所描述，在前面該專利的全部內(nèi)容以參考的方式并入本文中?？梢栽谥屏L筒中將硫源施加給顆粒，例如通過將熔融硫噴射到顆粒上。

如圖1-圖3中所示，尺寸分離/修正階段14還可以包括產(chǎn)品篩分步驟36，其中根據(jù)粒徑將顆粒肥料劃分成多個(gè)流。在產(chǎn)品篩分步驟36中，使一定量的肥料顆粒通過多個(gè)分級(jí)篩，從而將肥料顆粒劃分入正確粒徑流38、粒徑過小流40、和粒徑過大流42。正確粒徑流38包含具有在大約2mm至大約4mm之間的粒徑的肥料顆粒。在一個(gè)實(shí)施方式中，肥料顆粒的尺寸被設(shè)計(jì)成在土壤中分解成其組成顆粒，從而增大與植物根相互作用的表面積。粒徑過小流40包含具有小于20泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)的粒徑的肥料顆粒。可以使粒徑過小流40中的肥料顆粒返回到制粒階段20以便進(jìn)行追加處理。類似地，粒徑過大流42包含具有大于4泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)的粒徑的肥料顆粒，這些肥料顆粒經(jīng)歷破碎步驟44從而將粒徑減小到適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

雖然本發(fā)明適合于各種修改和替代形式，但已通過附圖中的舉例揭示并詳細(xì)描述了其細(xì)節(jié)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并非將本發(fā)明局限于所描述的具體實(shí)施例。相反，意圖是涵蓋落在由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替代物。