赵江华，肖 升，陶绍程，谢 娟，谢昌明

（1. 瓮福达州化工有限责任公司，四川 达州 635000；2. 瓮福技术研究院，贵州 贵阳 550002）

0 引言

聚磷酸铵（APP）是一种以NH4+为阳离子的含氮聚磷酸盐，通式为（NH4）n+2PnO3n+1。n表示聚合度，通常n≤20 为低聚合度，低聚合度的聚磷酸铵有较好的水溶解性，可以用作高浓度的缓释复合肥或水溶肥；n＞20时，聚磷酸铵溶解性差，高纯度高聚合度水不溶性聚磷酸铵被用于制备防火涂料、阻燃塑料。据统计，2018 年我国聚磷酸铵产品总消费量为7.5 万t，以阻燃剂等工业用量居多，约占总消费量的60%［1］。我国水溶性聚磷酸铵产品尚处于起步阶段，聚磷酸铵类磷肥作为新兴磷肥产品有着巨大的发展前景。以磷酸尿素缩合法生产聚磷酸铵，干燥聚合设备为其核心设备。笔者借助公司磷酸铁装置的隧道窑开展聚磷酸铵投料试验。

1 试验用设备及方法

1.1 设备

隧道窑隧道有效尺寸1.50 m×0.26 m×39.00 m，以电为热源，温度可达500 ～600 ℃。隧道的上面、下面为电加热棒，中间为托辊，盛装物料的匣钵放置在托辊上，电机通过齿轮带动托辊运转，托辊带动匣钵运转。匣钵尺寸0.32 m×0.32 m×0.10 m，设备最快运转速度7 m/h，设备设计功率约500 kW。加热区长约27 m，自然冷却区长约12 m。加热段划分14 个区域分区控温，每个区域30 min升温50 ℃，每个区域安装温度探头，隧道窑四周为保温墙。

1.2 试验方法

使用公司肥料级磷酸，按m（P2O5）/m（N）=2.7加入肥料级尿素，配制原料料浆。调节隧道窑温度以及齿轮转速、匣钵布料厚度以及匣钵单双层摆放方式，观察所得聚磷酸铵产品发泡情况以及产品水溶性。

2 试验过程

2.1 加热温度、时间、匣钵放置方式对聚合效果的影响

将隧道窑1 至5 区的温度升至185 ℃，将原料料浆加热熔融，平均分配到匣钵内，料浆质量约750 g，布料厚度为0.75 cm，共布置11 排，长度3.52 m，每排3个匣钵，8排单层，3排双层，料浆全部进入隧道后，托辊转动运行45 min，此时料浆分布在隧道窑2、3、4区，停电机，控制条件观察现象。考察不同停留时间、不同反应温度以及单双层布料对产品的影响，抽取靠近入口第1 排、第4排、第5排及第11排产品进行对比，结果见表1。

表1 不同停留时间及反应温度下试验结果

固态肥料级聚磷酸铵产品的关键指标为：产品中水不溶物质量分数≤0.5%，外观颜色为白色，平均聚合度为2 ～20，聚合率为70%～99%。其中，聚合度、聚合率对产品水溶性指标影响最大。通常，聚合度越高，聚合率越低，则产品水溶性越差，产品不易合格。磷酸尿素缩合法制取聚磷酸铵过程中，反应越剧烈，发泡高度越高，冷却固化后内部越蓬松，产品脆硬，溶解速率越快，溶解度越高，水溶指标更易合格；发泡高度低，块料较硬，多数情况为反应未完全，组分中正磷酸铵盐占比较多，水溶指标不易合格；产品偏黄，例如面层焦黄的产品多数情况为加热体系中温度不均匀，局部温度过高所致，生成的产品局部聚合度偏高，聚合率也高，产品的水溶性指标可能不合格，同时外观偏黄影响产品销售。若产品为白色浆状，说明反应未完全；产品黏壁，虽然对产品质量不影响，但影响产品的正常剥离，在工业化过程中，须考虑特殊的剥离措施或选择不黏壁的材料作设备的材质。

当隧道窑温度设置为185 ℃时，距离入口5.25 m处的第一排料浆在进入隧道总停留时间90 min 后，料浆未固化仍有流动性，说明该条件不能满足试验需求。提高隧道窑温度至200 ℃，再聚合40 min后直接取出，发现产品外观焦黄，发泡高度约3.75 cm，脆硬，黏壁；产品水溶性试验表明，底部有少许悬浮物，目测达标。第4 排料浆，上下层放置匣钵，在相同条件下，下层的聚合效果较差，体现为发泡较低，产品较硬，水溶性较差；同时，也说明隧道窑体系内部存在明显的温度差。对比第1 排、第5排、第11 排产品发现，停留时间过长，反而影响产品外观及水溶性。

2.2 匣钵放置方式、布料厚度对聚合效果的影响

设置隧道窑温度为190 ℃，继续考察不同停留时间、不同布料厚度以及单双层布料的影响，试验结果如表2所示。

表2 不同匣钵放置方式、布料厚度下试验结果

由表2可知，匣钵布料厚度为1.50 cm（料浆质量1.5 kg） 时，单层放置聚合发泡高度能达到9 cm。相同条件下，双层放置匣钵会出现上层焦黄，而下层未聚合完全现象。在高温、一定受热时间下，聚磷酸铵料浆可能与钢制匣钵中的铁发生反应，影响产品外观颜色。

3 小结

经验证，用隧道窑作为干燥聚合设备能生产出合格的聚磷酸铵产品。须注意以下几点：隧道窑温度建议设置在185 ℃以上，且设置为185 ℃时，料浆从进料到出料的停留时间不能低于100 min，前端为匣钵预热，实际有效聚合时间为80 min；建议匣钵布料厚度不能超过1.5 cm，料浆加入量不超过1.5 kg，否则会出现发泡溢流；建议单层匣钵布料，双层会出现上层产品过热，而下层受热不均，达不到聚合效果；料浆在匣钵发泡聚合后，存在黏匣钵的问题，须考虑产品的取出方式。

辊道式隧道因其传动结构为电机带动齿轮、齿轮带动托辊、托辊带动匣钵，且传动轴承、电机布局于加热体系外部，传动体系运行相对稳定可靠。温度可相对精准控制到500 ～600 ℃，运转速度慢，物料的停留时间较长，基本能实现连续地进出料。从其结构、功能、试验情况，辊道式隧道可能更适合于生产高聚合度、水不溶性聚磷酸铵。