I.M. Kochetova, V.V, Sokolov
JSC «NIUIF» The Research Institute for fertilizers and insectofungicides
IMKochetova@phosagro.ru VVSokolov1@phosagro.ru K. N. Abrosimov
V.V. Dokuchaev Soil Science Institute
С применением метода рентгеновской микротомографии исследована структура гранул ряда сложных минеральных удобрений, определена их пористость. Установлено, что гранулы исследованных образцов имеют различное строение в зависимости от применяемой технологической схемы производства.
Разработаны рекомендации по совершенствованию структуры гранул удобрений.
The structure of a number of complex mineral fertilizers (NP, NPS and NPK) granules was investigated by X-ray microtomography, their porosity was determined. Samples investigated have been found to have various types of internal structure depending on the technological scheme of production used. Recommendations for improving the structure of fertilizer granules were developed.
Структура гранул минеральных удобрений во многом определяет их физико-химические и физико-механические свойства: статическую прочность, слеживаемость, истираемость, пылимость [1]. Метод рентгеновской микротомографии позволяет исследовать строение гранул без разрушения образца, а также оценивать их пористость и
80
распределение пор по размерам. Применение данного метода возможно благодаря различию рентгеновских плотностей, входящих в состав удобрения солей – фосфатов и сульфата аммония, хлористого калия, карбамида, аммиачной селитры и др. (на томографических срезах соответствует различным градациям серого).
С применением рентгеновской микротомографии исследовали структуру и пористость гранул сложных азотно-фосфорных (NP-), азотно- фосфорно-калийных (NPK-) и азотно-фосфорных серосодержащих (NPS-) удобрений наиболее востребованных на рынке марок. Исследования выполнялись на приборе SkyScan1172 (Bruker) в Почвенном институте им.
Докучаева. Компьютерная обработка производилась в программах nRecon и CTan. На основании полученных данных установлено, что структура гранул, исследованных образцов и характер распределения пор в них различны и определяются, в первую очередь, способом производства и, следовательно, разными механизмами гранулоообразования. В случае схемы с барабанным гранулятором-сушилкой (БГС) формирование гранулы происходит за счет послойного нанесения пленки жидкости на центр гранулообразования, при этом происходит заполнение имеющихся поверхностных пор [2]. Таким образом, гранулы полученного продукта характеризуются достаточно однородной структурой (см. рис. 1). Общая пористость гранул образцов удобрений, полученных по схеме с БГС, составляет в среднем 5-7%, при этом поры в основном поверхностные.
Следует отметить, что наличие поверхностных пор во многом определяет гигроскопические характеристики продукта, а также может увеличивать расход кондиционирующих добавок.
Исследование гранул серосодержащего NP(S+S)-удобрения марки 12-40(5+5) показало, что вводимая в состав удобрения элементная сера остаётся в основном у поверхности гранул, что объясняется её низкой смачиваемостью. Кроме того, в грануле имеются крупные газовые поры диаметром до 230 микрон, частично заполненные серой (см. рис.2).
С целью повышения смачиваемости вводимой серы и совершенствования за счет этого структуры гранул рекомендовано использование высокоактивных ПАВ. На рис. 3 приведено томографическое сечение гранулы NPS+S-удобрения после введения ПАВ в технологический процесс (в качестве ПАВ использован простой полиэфир «Лапрол»).
Видно, что в данном случае сера равномерно распределяется по всему объему гранулы.
Структура гранул удобрений, произведённых с применением схемы с аммонизатором-гранулятором и сушильным барабаном (АГ-СБ), менее однородна, в некоторых гранулах присутствуют дефекты – трещины и поры. Это связано с тем, что гранулообразование в данном случае происходит за счет агломерации и окатывания. Общая пористость в
81
среднем составляет 1-3% и приходится в основном на внутренние замкнутые поры.
Рис.1. Томографическое сечение гранулы диаммонийфосфата (ДАФ) марки 18-46.
Рис. 2. Распределение серы в грануле NP(S+S)-удобрения марки 12-40(5)+5
Рис. 3. Томографическое сечение гранулы NP(S+S)-удобрения с элементной серой (марка 12-40- 5+5) после введения в технологический процесс ПАВ
82
Сырьевые компоненты, вводимые в фосфатную пульпу при производстве сложных удобрений (сульфат и нитрат аммония, хлорид калия, карбамид, микроэлементы), могут оказывать различное влияние на структуру гранул продукта. Исследованы гранулы ряда образцов NPK и NP(S), произведенных по схеме с АГ-СБ с вводом сырьевых компонентов в поток ретура. На рисунке 4 приведено томографическое сечение гранулы NPK-удобрения марки 15-15-15 (кристаллы KCl представлены белым цветом, кристаллы (NH4)2SO4 - темно-серым). На основании полученных данных можно заключить, что в образцах NPK- и NP(S)- удобрений кристаллы сульфата аммония и хлористого калия распределены по объему гранул достаточно равномерно и практически не растворяются в фосфатной пульпе, а имеющиеся поры не связаны с низкой смачиваемостью KCl и (NH4)2SO4.
Для исследования влияния дефектов структуры гранул (трещин и пор) на их статическую прочность был проведен ряд опытов томографической съемки гранул NP-, NP(S)- и NPK- удобрений во время их разрушения. Съемка проводилась c помощью специализированного столика нагружения. Установлено, что практически все исследованные гранулы начинали разрушаться по вертикальной плоскости (а не по дефектам структуры, как можно было бы предположить). Это подтверждается формой сколов, а также тем фактом, что крупные поры, присутствующие в грануле до разрушения, можно наблюдать и в её обломках (см. рисунки 5-7). Таким образом, в общем случае, при отсутствии множественных крупных дефектов (трещин и пор диаметром более 200-300 мкм) прочность гранул сложных удобрений определяется прочностью и влажности фосфатной части.
Другой характер разрушения наблюдался для гранул NPK- удобрения марки 15-15-15 с добавкой карбамида. У данной марки по сравнению со стандартной маркой NPK 15-15-15 наблюдается значительное снижение прочности гранул (с 6,3 до 3,8 МПа), а также уменьшение насыпной плотности. Установлено, что в грануле присутствуют крупные трещины и поры (см. рис. 8), общая пористость составляет 13-15% (для марки NPK 15-15-15 без добавки карбамида общая пористость составляет 1,5-2%).Появление крупных пор в данном случае обусловлено низкой термической стабильностью карбамида, который при температуре более 1400С в присутствии (NH4)2HPO4 и паров воды разлагается с выделением аммиака и углекислого газа. Разрушение гранул NPK-удобрения марки 15-15-15 с добавкой карбамида происходит в основном по крупным порам, на что указывает форма осколков гранул (см. рис. 9). С учетом полученных данных рекомендовано вести сушку карбамидсодержащих удобрений при более низкой температуре.
83 Рис. 4. Томографическое
сечение гранулы NPK- удобрения марки 15-15-15
Рис.5.Томографическое сечение осколка гранулы МАФ 12-52
Рис. 6. Томографическое сечение осколка гранулы
ДАФ 18-46
Рис. 7. Томографическое сечение осколка гранулы NPK-удобрения
марки 15-15-15
84 Рис. 8. Томографический срез гранулы NPK-удобрения марки
15-15-15 с добавкой карбамида
Рис. 9. Томографическое сечение осколка гранулы NPK-
удобрения марки 15-15-15 с добавкой карбамида.
Таким образом:
1) С применением метода рентгеновской микротомографии исследована структура гранул ряда образцов сложных минеральных удобрений, определена их пористость
2) Показано, что строение исследованных гранул значительно различается в зависимости от способа производства и механизма гранулообразования
3) На основании полученных данных разработаны рекомендации по совершенствованию структуры гранул на стадии производства.
Исследования выполнены с привлечением оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием «Функции и свойства почв и почвенного покрова» Почвенного института им. В.В. Докучаева.
Литература
1. Кувшинников И.М. Минеральные удобрения и соли. Свойства и способы их улучшения//М.: Химия, 1987
2. Классен П.В., Гришаев И.М., Шомин. Гранулирование//М.: Химия, 1991.