含有微量养分的肥料组合物及其制备方法与流程

本申请要求2014年3月7日提交的美国临时专利申请第61/949,740号的权益，该专利申请的全部内容以参考的方式并入本文中。

技术领域

本发明总体上涉及一种包含微量养分的颗粒肥料。具体地，本发明涉及一种其中在肥料的制粒之前和/或在肥料的制粒期间将微量养分添加到肥料中的颗粒肥料。

背景技术：

许多化学元素(包括矿质元素和非矿质元素两者)对于植物的生长和生存而言是重要的。非矿质元素可以包括例如氢、氧和碳，通常可从周围的空气和水中获得。矿质养分(包括氮、磷和钾)是在土壤中获得或提供，以便被植物的根所吸收。

矿质养分一般可以分为两组：大量养分(包括主要养分和二级养分)、及微量养分。基本矿质养分包括氮(N)、磷(P)和钾(K)。大量的这些养分对于植物的生存而言是必不可少的，因此通常构成大部分的肥料组合物。除了主要养分外，所需的二级养分的量远小于主要养分的量。二级养分可以包括例如钙(Ca)、硫(S)和镁(Mg)。微量养分可以包括例如硼(B)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、钼(Mo)、锌(Zn)、氯(Cl)、钴(Co)、钠(Na)、及其组合。

具体地就微量养分而言，微量养分源在它们的物理状态、化学反应性、成本、和植物利用率方面有显著的不同。用于作物的微量养分施加的最常见方法是土壤施肥。推荐的施肥量通常为小于10磅/英亩(基于元素)，因此单独地将微量养分源在农田中均匀施肥会是困难的。将微量养分加入混合肥料中是一种方便的施肥方法，并且允许使用常规的施肥设备更均匀地分布。通过排除单独的施肥步骤，也可降低成本。与混合肥料一起施加微量养分的四种方法可以包括：在制造期间的掺合、与颗粒状肥料的掺混、包膜到颗粒状肥料上、和与流体肥料的混合。

在制造期间的掺合是指当正在生产肥料颗粒时将一种或多种微量养分直接地掺合到肥料颗粒(例如氮磷钾肥(NPK)、尿素、钾肥、或磷酸盐肥料)中。该措施允许各肥料颗粒具有期望微量养分的一致浓度及微量养分在整个颗粒状肥料中的均匀分布。因为肥料颗粒被均匀地分散在种植区域中，所以所含有的微量养分也被均匀地分散。

与颗粒状肥料的掺混是单独地将颗粒状二级养分和/或微量养分化合物与颗粒状肥料(例如磷酸盐或钾肥料)掺混的措施。该措施的主要优点是可以生产出将在普通肥料施加量下为特定农田提供推荐的微量养分施加量的肥料等级。主要缺点是在共混操作和随后的搬运期间会发生养分的分离。为了减小或防止在搬运和运输期间的尺寸分离，微量养分颗粒必须接近与磷酸盐和钾肥颗粒相同的尺寸。因为就植物营养而言所需的微量养分的量是非常小的，所以该措施已导致微量养分颗粒的不均匀分布，并且通常大多数的植物远不能立即获益，因为在整个生长季节中大部分微量养分颗粒在土壤溶液中仅移动达数毫米。

颗粒状肥料的包膜降低分离的可能性。然而，一些粘结材料常常却是不令人满意的，因为它们在套袋、贮存和搬运期间不能保持微量养分包膜，这导致微量养分源与颗粒状肥料组分的分离。已采取了步骤来减少在二级养分和微量养分情况下的分离问题，例如名称为“含硫肥料组合物及用于制备该组合物的方法”的美国专利第6,544,313号中所描述的在肥料部分中的硫或硫小片的情况、以及在名称为“用于生产含有微量养分的肥料的方法”的美国专利第7,497,891号中所描述的微量养分的情况，这两个专利的全部内容以参考的方式并入本文中。

对于使微量养分导入土壤溶液中并最终导入植物根区的量最大化的、含有一种或多种微量养分的肥料产品仍然存在着需求。

技术实现要素：

本发明的实施方式涉及一种含有微量养分的颗粒肥料、及相关的制造方法，该颗粒肥料具有至少一种主要养分和至少一种微量养分源。在本发明的一个实施方式中，将微量养分溶解于用于肥料生产或制粒中的一个阶段的进料流或工艺流中。将微量养分作为非反应物加入肥料的生产过程中，使得微量养分在全部所形成肥料颗粒中被均匀地浓缩。

在一个实施方式中，在制粒之前，将微量养分溶解于流入含有主要养分肥料的配制中所使用预中和器或反应器的进料流或洗涤器水流中，以使微量养分分布遍及肥料中。在另一个实施方式中，可以将微量养分溶解于进料流(例如酸进料流)中，再加入旋转的制粒滚筒中以使所配制的肥料颗粒化，从而在制粒期间将预养分施加到肥料中。不同于其中颗粒肥料和微量养分由于尺寸分离因而会分离的掺混，被结合或施加到溶解于进料流中的肥料中的微量养分在运输和搬运期间不大可能从颗粒肥料中分离出。

根据本发明一个实施方式的生产肥料的方法通常包括在预中和器和/或反应器中配制一定量的肥料。该方法还可以包括在旋转的制粒滚筒中使肥料颗粒化。该方法还可以包括使肥料颗粒干燥并且去除不落在预定范围内的肥料颗粒以便再加工成正确的粒径。

在具体地涉及到磷酸盐肥料(例如一磷酸铵(MAP)或二磷酸铵(DAP))的生产的一个实施方式中，所述方法还可以包括将一种或多种期望的微量养分的化合物溶解于流入预中和器或反应器的磷酸进料流中。该微量养分化合物是不影响主要养分肥料的配制的非反应物组分；相反该微量养分化合物分布于整个所形成的肥料颗粒中。在此构造中，可以对溶解于进料流中的微量养分的相对浓度进行调整，从而影响微量养分在肥料中的最终浓度。

在另一个实施方式中，所述方法还可以包括将一种或多种期望的微量养分的化合物溶解于流动到预中和器或反应器的洗涤器水返回流中。类似地，微量养分化合物是在配制过程期间分布于整个主要养分肥料中的非反应物组分。如同溶解于进料流中的微量养分，可以对溶解于洗涤器返回流中的微量养分的相对浓度进行调整，从而影响微量养分在肥料中的最终浓度。

在又一个实施方式中，所述方法还可以包括在主要养分肥料的制粒期间将一定量的磷酸加入到制粒滚筒中，以便一磷酸铵(MAP)生产中的回滴定(即，降低N：P摩尔比)，其中将一种或多种微量养分的化合物或微量养分源溶解于此磷酸流中。通过改变溶解于此磷酸流中的微量养分的相对浓度，而调整施加给肥料颗粒的微量养分的量。

以上对本发明各种代表性实施方式的概述并非意图描述各所说明的实施方式或者本发明的每个实施例。相反，对实施方式进行选择和描述，使得本领域技术人员可以领会并理解本发明的原理和措施。在下面的详细说明中的附图更具体地举例说明了这些实施例。

附图说明

基于以下对本发明各种实施方式的详细说明并结合附图，可以完全地理解本发明，在附图中：

图1是根据本发明一个实施方式的、用于生产颗粒肥料的系统的示意性流程图。

图2是根据本发明一个实施方式的、包括洗涤器子系统的用于生产颗粒肥料的系统的示意性流程图。

图3是根据本发明一个实施方式的、包括流入制粒滚筒中的磷酸流的用于生产颗粒肥料的系统的示意性流程图。

图4是溶解度曲线，该溶解度曲线显示了不同的氮与磷摩尔比的磷酸铵在不同温度下的水溶解度。

虽然本发明适合于各种修改和替代形式，但其细节已通过附图中的举例而得以揭示并且将详细地进行描述。然而，应当理解的是本发明并非意图将本发明局限于所描述的具体实施方式。相反，本发明应涵盖落在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。

具体实施方式

如图1-图3中所示，根据本发明一个实施方式的用于生产一定量的肥料颗粒的方法通常包括：浆体制备阶段10、制粒阶段12和尺寸分离/修正阶段14。

如图1-图2中所示，浆体制备阶段10可以包括配制步骤16，其中在预中和器和/或反应器中至少部分地以化学方法生产一定量的肥料(例如，磷酸盐肥料或硫酸铵肥料)。该肥料可以包括但不限于磷酸一铵(MAP)或磷酸二铵(DAP)、或者三重特极磷酸盐肥料及其组合。

更具体地，磷酸铵肥料是通过使磷酸(H₃PO₄)与氨(NH₃)在放热反应中发生反应而生产。磷酸一铵(“MAP”)或磷酸二铵(“DAP”)可以根据以下的反应并基于这两种反应物的比率而生产：

NH₃+H₃PO₄→(NH₄)H₂PO₄(MAP)

2NH₃+H₃PO₄→(NH₄)₂HPO₄(DAP)

在一个实施方式中，配制阶段16包括预中和器，该预中和器是搅拌反应器，由磷酸(磷酸)与氨的组合而生产磷酸铵浆体。例如，MAP、DAP、或者其组合可以基于加料到预中和器中的氨与磷酸的比率而生产。

在本发明的另一个实施方式中，配制步骤16包括管式反应器，例如十字形管式反应器，在其中通过使氨与磷酸发生反应而形成磷酸铵。如同预中和器，MAP和/或DAP可以基于加料到管式反应器中的氨与磷酸的比率而生产。

在本发明的又一个实施方式中，配制步骤16包括预中和器与十字形管式反应器(PCR)的组合，其中一部分的磷酸铵肥料是在预中和器中形成，而另一部分是在十字形管式反应器中形成，例如美国专利第7,497,891号中所描述，在前面该专利的全部内容以参考的方式并入本文中。

在各种阶段中被加入本文中所描述各种组分中的氨和磷酸的量，是基于溶解度曲线进行控制(Frank Achorn和David Saliday，“TVA旋转氨制粒机的使用中的最近进展”，AlChE会议，华盛顿特区，1983年11月)，重现于图4中，图中显示不同的氮与磷摩尔比的磷酸铵在不同温度下的水溶解度。如图4中所示，在溶解度曲线中存在两个低点部，分别在1.0和2.0的N：P比处。在这些下降部处，非常少的磷酸铵留在溶液中。在1.0处的下降部代表磷酸一铵(MAP)，在2.0处的下降部代表磷酸二铵(DAP)。该曲线还显示溶解度随着温度升高而增加。

例如，当如上所述将十字形管式反应器(PCR)并入生产阶段10中时，该PCR是在大幅升高的温度下运行。在这些温度下，磷酸铵是熔融的液体，因而可以以在大约1.0至2.0范围内的期望的氨与磷酸(N：P)比率将氨和磷酸加料到PCR中。

另一方面，从预中和器行进到制粒机的磷酸铵是处在显著降低的温度下。预中和器中的N：P摩尔比是在低溶解度的低点部的外侧，并且这可以有助于在下述的制粒阶段12中在导入制粒机之前将磷酸铵保持为浆体的状态。例如，为了制造磷酸一铵(MAP)，加料到预中和器中的反应物的N：P比可以是0.3至0.9、更具体地0.5至0.7、更具体地0.55至0.65。为了制造磷酸二铵(DAP)，被加料到预中和器中的反应物的N：P比可以是1.1至1.7、更具体地1.3至1.5、更具体地1.35至1.45。

再次参照图1，在一个实施方式中，预中和器和/或反应器可以包括至少一个进料流18，该进料流18是用于将至少一种进料成分(例如磷酸)提供至预中和器和/或反应器用于肥料的配制。

在图2中所示的另一个实施方式中，预中和器和/或反应器还可以包括废气输出流20。在此构造中，废气洗涤器22的水流与废气输出流20交汇从而形成含有溶解的未反应成分的水返回流24，该水返回流24被加回预中和器和/或反应器中。

如图1-图2中所示，预中和器和/或反应器还可以包括至少一条微量养分进料流26。该微量养分进料流26可以提供至少一种微量养分，包括但不限于硼、铜、铁、镁、钼、锌及其组合。在一个具体实施例中，将一种或多种微量养分以化合物的形式(例如采用氧化物、硫化物、碳酸盐、或硫酸盐、和/或其水合物的形式)溶解于进料流中。这些化合物可以包括例如氧化锌(ZnO)、四硼酸钠(Na₂B₄O₇或Na₂B₄O₇·5H₂O)、或者其它类似的化合物。

如图1中所示，在本发明的一个实施方式中，微量养分进料流26可以与进料流18交汇，从而将微量养分溶解于用于初级中和器的含原料成分的进料流18中。如图2中所示，在本发明的另一个实施方式中，微量养分进料流26可以与水返回流24交汇，从而将微量养分溶解于水返回流24中。微量养分是主要养分配制反应(即基肥配制)中的非反应物，但分布遍及各个肥料颗粒。通过调整经过微量养分进料流所提供的微量养分的量，可以改变微量养分在各个肥料颗粒中的最终浓度。

如图1-图3中所示，制粒阶段12还可以包括制粒步骤28和干燥步骤30。在制粒步骤28中，使所配制的肥料浆体或物料在旋转制粒滚筒中旋转，从而形成肥料颗粒的滚动床。在一个实施方式中，制粒滚筒还可以包括磷酸进料流32，该进料硫32是用于肥料的回滴定(即，用以降低N：P的摩尔比)。

如图3中所示，旋转制粒滚筒还可以包括微量养分进料流36，该进料流36是用于将至少一种微量养分直接地提供入制粒滚筒并且/或者提供至流动到制粒滚筒的磷酸进料流32。通过调整溶解于磷酸进料流32中并且/或者被直接地加到滚筒中的微量养分的量，可以改变施加至主要养分的微量养分的量。在一个实施方式中，将微量养分以化合物的形式导入进料流32中，该化合物然后溶解于进料流中。

具体地就磷酸铵肥料而言，制粒阶段14还可以包括喷射步骤34，其中在床下氨喷射器中对肥料颗粒进行处理以便完成磷酸铵反应，从而形成期望的磷酸铵肥料。在干燥步骤30中，使肥料颗粒干燥从而降低含水量并且除去未反应的挥发物。

任选地，制粒阶段14可以包括硫源，例如元素硫或硫酸盐硫，例如美国专利第6,544,313号中所描述，在前面该专利的全部内容以参考的方式并入本文中。可以在制粒滚筒中将硫源施加给颗粒，例如通过将熔融硫喷射到颗粒上。

如图1-图3中所示，尺寸分离/修正阶段14还可以包括产品筛分步骤36，其中根据粒径将颗粒肥料划分成多个流。在产品筛分步骤36中，使一定量的肥料颗粒通过多个分级筛，从而将肥料颗粒划分入正确粒径流38、粒径过小流40、和粒径过大流42。正确粒径流38包含具有在大约2mm至大约4mm之间的粒径的肥料颗粒。在一个实施方式中，肥料颗粒的尺寸被设计成在土壤中分解成其组成颗粒，从而增大与植物根相互作用的表面积。粒径过小流40包含具有小于20泰勒标准筛号的粒径的肥料颗粒。可以使粒径过小流40中的肥料颗粒返回到制粒阶段20以便进行追加处理。类似地，粒径过大流42包含具有大于4泰勒标准筛号的粒径的肥料颗粒，这些肥料颗粒经历破碎步骤44从而将粒径减小到适当的范围内。

虽然本发明适合于各种修改和替代形式，但已通过附图中的举例揭示并详细描述了其细节。然而，应当理解的是，本发明并非将本发明局限于所描述的具体实施例。相反，意图是涵盖落在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。