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尿素增值技术及应用 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主  发表于: 2012-11-23
[摘 要]根据我国尿素的生产与施用现状,介绍了尿素增值主要技术,分析了增值尿素的推广与应用,并对尿素增值技术未来的发展提出了建议。
[关键词]尿素;增值技术;应用
Urea Increment Technology and Application
SHEN Bing,LI Dai-hong,
(China Blue Chemical Ltd., Dongfang, Hainan 572600, China)
Abstract: Based on the status of production and application of urea, the mean urea increment technologies are introduced, the application and extension of value-added urea are analyzed, and some suggestiones about urea increment technology future development are proposed.
Key words: urea; increment technology; application
    
氮肥对作物生长起着非常重要的作用,尿素因其含氮量高(N46%)而作为氮肥的主要形式广泛应用。目前,我国是世界上尿素生产和施用量最大的国家,其生产与施用已经引起一系列问题。尿素产能严重过剩,结构调整与升级迫在眉睫。肥料利用率低是普遍存在的问题,目前我国氮的当季利用率仅为25%-35%,远低于世界农业发达国家,肥料利用率低,不仅浪费了资源,增加了生产成本,而且造成环境污染,制约了农业增产增收。因此,在农业生产中,提高氮素肥料利用率成为当前急需解决的问题。
减轻化肥污染可通过降低化肥施用量来降低肥料损失到环境中的总量,但是这种措施对于人口迅速增长,粮食需求压力大的发展中国家难以采用。其次,降低肥料损失可通过推广平衡施肥、配方施肥和使用农艺措施加强农田养分管理,提高肥料利用率。然而,这些技术推广难度大、局限性多,尤其对土地分散经营模式的中国往往不是很奏效。肥料发展和使用的历史充分证明,对肥料本身进行技术改造和研制新型肥料是优化产业结构和提高肥料利用率的重要途径。尿素增值技术是解决这些问题的有效途径之一,它的推广与应用对于提高肥效、加强环保、发展可持续高效农业有重要意义。
1  我国尿素生产与施用现状
1.1  产能过剩
氮肥产能过剩已经成为行业突出的问题之一。从现有产能和在建项目看,未来3-5年我国氮肥产能过剩是个严峻问题。2011年我国氮肥总产能达到6500万吨,市场需求仅在5200-5500万吨,2012年氮肥总产能将达到7200万吨,扣除需求增长因素外,产能过剩仍将达到千万吨以上。预计国际市场2011-2014年,尿素产能年增长率为6%;需求方面,市场在2010年已经开始快速回暖,估计2011-2014年全球尿素需求量平均年增长速率为3.8%。2011-2014年期间尿素整体供应过量,2011年过剩700万吨, 2013年过剩900万吨,2014年过剩量将达到 1900万吨 。尽快实现产品结构调整、优化升级,提高产业核心竞争力,主动把过剩产能转移到高端产品上,是氮肥企业必须思考的问题。
1.2  肥料利用率低
肥料利用率是指当季作物吸收利用施入土壤中的营养元素的数量占施入的营养元素总量的百分数,其因肥料品种、施肥量、施肥方法、土壤类型、地力水平、作物种类等的不同而不同。目前,我国氮肥的利用率只有25%~35%,平均仅为33.3%,比发达国家低10%-15%。肥料利用率普遍较低,不仅造成了直接经济损失和资源浪费,而且通过挥发、淋溶和径流的方式对生态环境造成污染。由于人们对环境意识的提高,降低化肥损失,提高肥料利用率,减轻或免除肥料污染已引起了世界各国的重视。
1.3  环境污染严重
上世纪90年代以来,尿素用量大幅度增加,作物产量却没有相应的增加,尿素利用率持续下降,生态环境污染日益突出。当尿素施入士壤时,须经过溶解、氨化、硝化等环节,其氮素才能被植物所吸收,由于溶解、氨化、硝化三个过程所用时间短,植物反应仅能利用其总氮量的30%左右,而大部分氮素则通过尿素水溶液的流失、气态氮的挥发、硝化态的逸失几个过程而损失。这不仅加重了温室效应,污染了地下水和地表水,还造成了江河湖泊的富营养化、地下水和作物硝态氮含量超标。残存在土壤中的这部份化肥,将导致土壤结构变差、容积质量增加、孔隙度减少,还可能使土壤有机质上升速度减缓甚至下降,这也是农田土壤质地退化的重要原因之一[1]。因此,采用尿素增值技术,提高肥料利用率,可以极大地缓解施肥对环境造成的污染。
2  尿素增值主要技术
自20世纪60年代开始,美国、日本等发达国家就着手研究和改进尿素的制作技术,力求从改变尿素本身的特性来提高尿素的利用率。20世纪80年代以来, 尿素增值技术成为化肥领域的研究热点。增值尿素科技含量高,是新型肥料。它改良了性能,提高了氮素利用率;能减轻对环境的污染、节约资源,有利于恢复生态平衡;同时能增加农民的收益。尿素增值技术根据产品生产方式和缓释机理的不同,大致可以分为物理法、生物法和化学法三类。
2.1  物理法
物理法就是通过物理过程处理,控制尿素的释放速度,又可分为包膜法和稳定法两类。
2.1.1  包膜法
包膜法是在尿素表面涂覆一层相关物质,从而控制尿素的渗透速率,实现缓慢释放的目的。包膜材料分为有机包膜材料和无机包膜材料两类,随着整个科技进步的演变,主要包膜材料大致经历了硫磺、树脂、肥包肥、聚乙烯、乳液和聚氨酯这几个阶段。
迄今为止,在包膜肥料中,硫包衣尿素是最重要的一类。硫包膜尿素是在尿素外面包裹硫磺和密封剂而制成,一般含氮30%-40%,含硫10%-30%。硫磺与密封剂的特性、包裹方法、数量将会决定该产品缓释氮的释放特性。它能够有效的降低肥料的高盐份危害、减少养分损失、提供硫营养、调节养分释放模式,达到提高肥料使用率、减少施肥频率、节省劳动力、对环境友好、提高植物经济品质与经济产量的目的。常见的硫包衣尿素生产工艺有:TVA 法、改良TVA 法、CIL 法、凝结包裹工艺、喷动床工艺和PCSCU 法。其技术关键为:将硫磺熔融后,在高压下喷涂在预热处理的尿素表面,然后再在其表面喷涂蜡质或聚合物,密封硫磺包裹产生的孔隙或裂隙。目前,国外的硫包衣尿素规模化生产工艺成熟,熔融状态下单质硫具有很好的涂覆效果在大的生产装置上能够很好地对速效颗粒肥料进行包裹。而在国内则是刚刚兴起,硫包衣素已经成为我国具发展潜力的缓释肥料品种。
肥料包裹技术,主要是利用有机的或无机的粘结剂等将具有巨大表面积的无机矿物(如钙镁磷肥、膨润土、蛭石、腐植酸、凹凸棒等)或碳粉(如竹炭粉)包裹在肥料表面,形成一层包裹层以阻碍肥料的溶解,并吸附溶出的氮素。国内参与该技术研究的机构有:郑州工业大学、华南农业大学和济南乐喜施肥料有限公司。
高分子包膜技术就包膜原理和工艺而言,可分为有机溶剂型、水基成膜型和反应成膜型。有机溶剂型包膜技术就是将合成高分子溶解在溶剂中,喷涂在肥料的表面,该技术易于生产,缺点是有毒、易燃、且环境污染,目前产品市场成本价格大致为3500-5000元/吨。水基成膜型包膜技术就是将高分子溶解或分散在水中,喷涂在肥料表面成膜,该技术环保、安全、价廉,缺点是包膜过程中肥料容易溶解,目前产品市场成本价格大致为3200-3800元/吨。反应成膜型包膜技术是将小分子单体直接在肥料表面发生聚合反应成膜,该技术环保、安全、价廉,但包膜反应对环境敏感,目前产品市场成本价格大致为3000-3500元/吨。
包膜尿素价格低,应用范围广,适用于生长期长的作物,如牧草、草坪、甘蔗、菠萝、水稻、园艺花卉等,肥效显著[2]。
2.1.2  稳定法
稳定法是在尿素中加入相关物质以达到减少氮素损失、提高肥料利用率的目的。常见的添加物质有腐植酸、纳米碳和保水剂等。
腐植酸尿素作为一种现代新型绿色环保生态肥和长效缓释氮肥,不仅具有腐植酸本身的增进肥效、促进抗逆、改良土壤的功能,而且能有效地控制尿素的释放和分解速度,可为农作物提供必需的微量营养元素,是种植绿色、无公害蔬菜及其他农作物的首选肥料产品[3]。国内外生产腐植酸尿素的工艺大致有溶剂法、热融法、包裹法等3 种方法,最常用的方法是包裹法。试验表明,腐植酸增值尿素产品的氮肥利用率可达到45%以上。
纳米碳进入土壤后能溶于水,增加土壤的EC值(超导率)30%,可直接形成HCO3-,以质流的形式进入植物根系,进而随着水分的快速吸收,携带大量的N、P、K等养分进入植物体合成叶绿体和线粒体,并快速转化为生物能淀粉粒,因此纳米碳可起到生物泵的作用,增加植物根系吸收养分和水分的潜能。每吨纳米增效尿素成本增加200-300元,在高产的条件下可节肥30%左右,每亩综合成本可下降20%-25%。
保水剂是利用强吸性树脂制成的一种具有超高吸水保水能力的高分子聚合物。保水剂尿素可以使脲酶的活性长期维持在一个较高的状态,使尿素向铵态氮的转化更高效、更持久,有利于植物的吸收;对于土壤中氮素的保持效果是显著的,氮素淋出量远低于未添加保水剂的尿素,在保肥固氮的过程中,大量的尿素及其他形式的氮素被保水剂所吸附,固定在土壤中,延长尿素肥料的施用周期,提高了肥料的利用率[4]。保水剂尿素尤其适用于缺水地区。
2.2  生物法
生物法是在尿素中加入活性物质,如加入海藻酸和氨基酸等。
海藻增效剂是从海带、马尾藻、巨藻、泡叶藻等海藻类植物中,经提取加工制成的海藻增效液,该产品主要用作肥料增效剂,也可作为冲施肥、叶面肥的原料,不同原料、提取方法制取的海藻酸性能差异很大。海藻酸尿素是在尿素的生产过程中,经过一定工艺向尿素中添加海藻液,使尿素含有一定数量的海藻酸。发酵法制取的海藻酸尿素可以抑制尿酶的分解,能使尿素的利用率和肥效期得到延长,且极大程度保留了植物生长素、赤霉素、类细胞分裂、多酚化合物及抗生素类等天然生物活性成分,可促进农作物协调地生长发育,提高其生命活力和对病虫、旱涝、低温等的抗逆性,对人畜无害,对环境无污染,是天然、高效、新型的绿色有机肥[5]。
氨基酸类尿素分为天门冬氨酸类(多肽)和谷氨酸类(聚谷氨酸)两类。多肽增值尿素是在尿液中加入金属蛋白酶,经蒸发器浓缩造粒而成。酶是生物发育成长不可缺少的催化剂,因为生物体进行新陈代谢的所有化学反应,几乎都是在生物催化剂酶的作用下完成的。多肽是涉及生物体内各种细胞功能的生物活性物质。肽键是氨基酸在蛋白质分子中的主要连接方式,肽键金属离子化合而成的金属蛋白酶具有很强的生物活性,酶鲜明地体现了生物的识别、催化、调节等功能,可激化化肥,促进化肥分子活跃。金属蛋白酶可以被植物直接吸收,因此可节省植物在转化微量元素中所需要的“体能”,大大促进植物生长发育。经试验,施用多肽尿素,植物一般可提前5-15天成熟(玉米提前5天左右,棉花提前7-10天,西红柿提前l0-15天),且可以提高化肥利用率和农作物品质等。
2.3  化学法
化学法旨在减缓转化速度,可再分为抑制法和合成法两类。
2.3.1  抑制法
抑制法是在尿素中添加脲酶抑制剂、硝化抑制剂或同时添加者两种抑制剂,或者加入微量元素,以使尿素缓释。
添加脲酶抑制剂或硝化抑制剂的肥料通常被称为稳定性肥料。其机理是:尿酶抑制剂降低了尿酶的活性,延缓尿素的水解,减慢氨化过程;硝化抑制剂是抑制硝化菌、亚硝化菌、脱氮菌的活性来减缓铵离子转变为硝酸根离子、亚硝酸根离子、氧化亚氮、氧化氮、氮气的过程的进行,减少因脱硝、淋溶造成氮素损失,从而提高氮的利用率,延长有效期。就添加抑制剂的方法而言,有熔融态尿素掺入法和尿素颗粒包涂法[6]。在雨水比较少,淋失损失少和无大水漫灌的条件下能更好的发挥效果。
微肥增效尿素是在熔融的尿素中增加2%硼砂和l%硫酸铜的大颗粒增效尿素。试验表明,含有硼铜微量元素的尿素可以减少尿素中的氮损失,既能使尿素增效,又可以使农作物得到硼、铜微量元素而提高产量。硼砂和硫酸铜能使尿素增效的机理,主要是它们有抑制脲酶的作用及抑制硝化和反硝化细菌的作用, 从而提高尿素中氮的利用率。
2.3.2  合成法
合成法缓释尿素是由尿素与其他物质经化学反应制成的具有一定含氮量且释放有效氮速度较慢的有机化合物,最常见的是尿素与醛类发生缩合反应产物,如脲甲醛、亚异丁基二脲、丁烯叉二脲、脲乙醛、脲醛氮肥和尿素缩醛等。它们的肥效都能持续数月之久,其中脲甲醛和亚异丁基二脲生产应用较多,但通常其生产过程较复杂,成本较高,氮含量较低,多用于园林、草坪等特殊场合[7]。
脲甲醛是最早商品化的缓释氮肥。由于脲甲醛不溶于水,所以在土壤中不易淋失,而被贮备在土壤中,当土壤微生物活性增强和有利于植物生长时,脲甲醛即可进入微生物分解和氮素释放过程。由于脲甲醛的分解需要微生物,所以影响微生物活动的环境因素,如温度、土壤pH 值、湿度都影响脲甲醛中氮的释放。高温、中性土质、足够的湿度和氧气均能提高氮的释放速率。相反,低温、缺乏营养及酸性土壤会抑制脲甲醛中氮的释放。
3  增值尿素的推广与应用
增值尿素是新型肥料,与普通尿素在施用技术方面具有一定的差别,只有合理施用才可以提高利用率,不然,结果可能是相反的。理论上,增值尿素可以和普通尿素一样,应用在所有适合施用尿素的大田作物和经济作物上,但是,不同的增值尿素其施用时期、数量、方法等是不一样的,具体而言,有以下几种需要注意的事项。
3.1施肥时期
与普通尿素差别大的主要是物理法中的包膜尿素和化学法中的合成法增值尿素。这二种增值尿素的施用不能和普通尿素一样,它只适合于做基肥施用,不适合做追肥,适合大田作物一次性施肥,特别是东北的玉米及水稻、甘蔗,用包膜尿素配制掺混肥料或者化学合成的脲醛尿素做复合肥,是一种比较理想的施肥方式。
3.2 施肥数量
增值尿素在合理施肥条件下可以提高肥料利用率。正常情况下,氮素的利用率提高10-20个百分点,意味着可以减少尿素的施肥数量10-20%。氮素,不同的作物、不同的增值尿素是有区别的,作为追肥使用的增值尿素,可以适当减少施肥数量,作为基肥一次性施用的,则需要慎重,必须根据作物需氮总量合理考虑。
3.3 施肥方法
增值尿素不能和普通尿素一样表面撒施,不论哪种模式的增值尿素,施用在土壤表面都是不合适的,只会增加氮素的流失或者挥发。增值尿素应当配合有机肥、普通尿素、磷钾及中微量元素肥料施用,增值尿素也不适合做叶面肥施用,不适合做水冲肥或者喷灌、滴灌施用。
4  思考与建议
未来肥料研究的重点应当是如何提高肥料利用率。所以,更新观念、打破传统,力争在未来20年,我国肥料产业实施质量替代数量发展战略,化肥供应量力争控制在5000万吨以内,在不增加或少量增加化肥用量的前提下,通过提高肥料利用率,保证我国的粮食安全。 目前,我国从事尿素增值技术研究和产品生产的单位很多,尿素增值技术也有了长足的发展,但也遇到了一些困难。现就当前迫切需要解决的问题提出几点建议。
4.1  加强尿素增值技术的基础研究
目前,对增值尿素的增效机理研究处于探索阶段,还不能有效指导肥料增效剂筛选及有效成分分离和提纯的研究,且生产工艺也还有待进一步优化,生产成本相对较高,导致价格一直居高不下。当前,应加强与国外同行的学术交流、技能合作和商业往来,借鉴发达国家经验,全面提升我国增值尿素的技术水平,开发出工艺简单、成本低、效果好的生产工艺技术和产品,确保农民增产增收。
4.2  增大市场推广应用力度
目前,增值尿素在国内肥料市场的占有率还相对较低。肥料经销商及广大消费者对增值尿素的分类、功效、使用等方面的知识不足;增值尿素产品容易受到环境条件及施用技术的影响,增产、增效的效果不稳定;增值肥料产品的田间试验缺乏科研单位在我国各区域系统的试验研究结果,未能形成较为完整的田间试验数据系统。由于增值尿素是一种新型肥料,消费者的认知、市场的接受都有一种过程,建议加强农化服务,加大增值尿素宣传和测土配肥,对消费者加强增值尿素知识培训;同时,建议政府出台相关支持政策,对科研单位、生产企业以及消费者政策性补贴,推动田间试验系统全面的研究。
4.3  制定相应行业标准规范市场
增值尿素作为一种新型肥料,目前还缺少相应的标准研究。现有相关的标准仅有三个:缓释肥料(GB/T23348-2009)、稳定性肥料(HG/T4135-2010)、硫包衣尿素(HG/T3997-2008),其中缓释肥料(GB/T23348-2009)国标的使用范围较广,不利于真正鉴定各类增值尿素的产品质量。目前,增值尿素产品品牌多、乱、杂,存在名称多样、标准缺失、检测性差、登记困难等问题,严重影响了消费者对增值尿素的信赖。因此,建议进一步分类细化增值尿素生产技术和产品的相应行业标准,统一和规范市场,为消费者提供合格、优质的产品。
[参考文献]
[1]    曲均峰.积极发展缓控释肥的重大意义[J].磷肥与复肥,2011,26(9):48-50.
[2]    刘健,杜建卫,张卫星.缓释尿素的研究进展与应用[J].新疆化工,2004,(1):19-22.
[3]    汪家铭.长效缓释氮肥腐植酸尿素生产应用及发展建议[J].甘肃石油和化工,2011,(2):6-9.
[4]    车明超, 黄占斌,王晓,等.施用保水剂对土壤氮素淋溶及脲酶活性的影响[J].农业环境科学学报,2010,(29)(增刊):93-97.
[5]    汪家铭.海藻肥生产应用及发展建议[J].化学工业,2010,28(12):14-19.
[6]    郝世雄,胡林,刘兴勇.缓释尿素概况[J]. 四川化工与腐蚀控制,2003,6(6):22-26.
[7]    陈德明,王亭杰,雨山江,等.缓释和控释尿素的研究与开发综述[J].化工进展,2002,21(7):455-461.
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南边的月亮 农币 +28 原来是这样! 2013-12-27
韮禾 农币 +100 感谢分享! 2013-03-12
阿兮 农币 +100 感谢分享!支持沈老师! 2012-11-23
 
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离线阿兮

只看该作者 沙发  发表于: 2012-11-23
感谢分享!支持沈老师!
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肥料辞典 农币 +100 祝贺沈老师开办专栏 2012-12-14
离线肥料辞典

只看该作者 板凳  发表于: 2012-12-14
祝贺沈老师开办专栏
离线韮禾

只看该作者 地板  发表于: 2013-03-12
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离线徐陶松

只看该作者 4楼 发表于: 2013-11-29
我从1991年就在廖思章研究员的领导下,开始研究腐殖酸尿素,确实比普通尿素效果好。

只看该作者 5楼 发表于: 2013-12-27
原来是这样!
离线蓝天8

只看该作者 6楼 发表于: 2014-11-09
凤飞飞

只看该作者 7楼 发表于: 2015-02-10
听说茂施的尿素是国内最长效的,想请您介绍一下,肥料界的大忽悠太多了,想听专家的介绍。先谢谢您了。

只看该作者 8楼 发表于: 2017-06-07
离线余超

只看该作者 9楼 发表于: 2018-12-13
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