具有低磷礦粉含量的硫基肥料組合物的制作方法
【專利摘要】提供了肥料組合物，其包含硫和磷礦粉。該肥料組合物可以是受控釋放的肥料，其包含元素硫、磷礦粉和溶脹材料。磷礦粉在該肥料組合物中以少量存在，例如是5重量%或者更低。該肥料組合物可以通過將熔融元素硫與磷礦粉混合，并且冷卻該混合物來生產。
【專利說明】具有低磷礦粉含量的硫基肥料組合物
【技術領域】
[0001] 本發明一般性地涉及包含磷礦粉(rock phosphate)和元素硫的肥料組合物，及其制造方法。更具體地，本發明的一些方面涉及受控釋放的肥料組合物，其包含元素硫、磷礦粉和溶脹材料。
[0002] 【背景技術】
在農業產業中，使用肥料來為植物提供養分，它們通常通過土壤傳遞給植物。肥料可以顆粒或者錠劑(pastille)形式加入到土壤中，例如，從存儲和散播能力的角度看這是有利的。
[0003]硫是必需的植物養分，其包含在肥料組合物中來改善作物性能，并且被認為是次要養分。
[0004]磷是必需的植物主要養分，并且大量包含在肥料中來改善作物性能。一些肥料通過使用磷酸二銨(DAP)和磷酸一銨(MAP)來引入磷酸鹽。這樣的肥料通常不能用于被認定為有機的作物，這是因為磷酸銨組分是用酸處理過的。美國專利4547213號公開了將磷礦粉以相對較大的量用在肥料組合物中來為土壤提供足夠的磷酸鹽養分。
【發明內容】
[0005]元素硫必須由土壤中存在的微生物轉化成硫酸鹽，然后才能夠為植物所用。在這個過程中，由于形成了硫酸，硫會使土壤的pH降低或者使土壤酸化。磷礦粉不溶于水，并且在磷可利用之前必須使其溶解。當磷礦粉與元素硫共存時，微生物對元素硫的分解(breakdown)能夠使磷礦粉酸化,并且使磷轉化成植物可利用的磷酸鹽形式。發明人已經發現使磷礦粉酸化能夠進一步提高微生物將元素硫轉化成植物可利用的硫酸鹽形式的活性。因此，將元素硫與相對少量的磷礦粉組合的肥料組合物能夠提供與植物可利用的硫酸鹽的可利用率相關的協同效應。
[0006]此外，除上述外，具有磷礦粉的元素硫基肥料可用于被認定為有機的作物，因為元素硫和磷礦粉在制造過程中都沒有用酸處理。
[0007]在一方面，本發明涉及有機和無機肥料組合物，其包含至少50重量％的元素硫；和
0.01-5重量％的磷礦粉。在另一方面，本發明涉及制造包含硫和磷礦粉的肥料組合物的方法，該方法包括將熔融的元素硫與磷礦粉混合，其中磷礦粉占該混合物的0.1-5重量％ ;以及冷卻該混合物以獲得肥料組合物。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是例示用于生產肥料組合物的示例性方法的示意圖；和
圖2是例示用于借助旋轉成型機來生產肥料錠劑的示例性方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0009]本文所述的肥料組合物包含元素硫和少量(例如5重量％或者更低)的磷礦粉。[0010]在肥料組合物包含硫和少量磷礦粉的一個優點是磷礦粉的酸化有助于硫微生物分解成植物可利用的硫酸鹽。因此，能夠提高來自例如受控釋放的肥料的硫酸鹽的可利用率。此外，僅將少量的磷礦粉混入到含硫肥料中能夠有利于更精確的土壤管理，因為能夠更容易地調控土壤中植物可利用的硫量，而不顯著影響土壤中的磷量。
[0011]硫組分可以作為元素硫來提供。如同下文結合肥料錠劑的生產所論述的，元素硫可以熔融形式提供并與其他肥料組分混合。元素硫可以是至少大約95%，至少大約99%或者至少大約99.5%純度。
[0012]硫可以構成肥料組合物的大部分(即，至少大約50重量％)，并且可以形成該肥料的基質，其他組分分散在其中。在一些方面，以元素硫的重量計，硫在肥料組合物中的存在量可以是大約40至大約95重量％，大約60至大約90重量％，大約70至大約95重量％或者大約80至大約90重量％。在本文中使用時，術語“大約”應理解為將所述范圍稍微加寬，以包括可能由已知的測量誤差、肥料組合物的復合或者原材料組合物中的可預期變化導致的值。
[0013]磷礦粉(也稱作磷酸鹽巖或者磷灰巖)通常是非碎屑型(nondetrial)的沉積巖，其包含大量的帶有磷酸鹽的礦物。本發明的磷礦粉中的磷酸鹽或者磷含量沒有特別限制。通常，磷礦粉中的磷酸鹽含量是至少大約15%。但是，在一些磷礦粉來源中，巖石中的磷酸鹽含量可以超過大約20重量％的水平，或者甚至高到大約75重量％的磷酸鹽。因此，磷礦粉中磷酸鹽的含量可以是大約15至大約75重量％，大約20至大約65重量％，大約20至大約35重量％，或者大約35-50重量％。該磷礦粉的總磷含量，即通過AOAC 2.3.02 (OfficialMethods Of Analysis Of AOAC International,第 17 版，1998)作為 P2O5 所測得的含量,可以是大約5%至大約50%，大約10%至大約40%，或者大約20%至大約30%。該磷礦粉可利用的磷含量，即通過AOAC 2.3.14作為P2O5所測得的含量，可以是大約0.5%至大約20%，大約1%至大約10%或 者大約2%至大約6%。
[0014]磷礦粉中的磷酸鹽成分可以各種形式存在，包括但不限于磷灰石，例如氟磷灰石(Ca5(PO4)3F)、羥基磷灰石(Ca5(PO4)3OH)和氯磷灰石(Ca5 (PO4) 3C1)，和化學溶解的磷酸鹽礦物，例如來自于火成巖和變質巖。
[0015]本發明的磷礦粉可以是任何類型的磷礦粉。一些通常形式的磷礦粉可以包括各種石灰巖和泥巖，它們是常見的帶有磷酸鹽的巖石。沉積磷酸鹽巖通常可以在海床上和接近頁巖、燧石、石灰巖、白云巖和某些情況下接近砂巖處找到。該磷礦粉還可以包括包含磷灰石的療效泥(peloid)、鮞狀巖(oolite)、化石(fossil)和碎屑巖(clast)。
[0016]一些形式的磷礦粉可以經干燥和/或煅燒。煅燒通常可以在大約1480 °F至大約1520 °F的溫度進行。可選擇地，取決于磷礦粉的來源，可以存在有機物，并且在一些情況下該磷礦粉可以加熱到大約1400 °F至大約1600 °F的溫度來除去有機材料。
[0017]以加入到肥料組合物中的磷礦粉量計，本發明所提供的肥料組合物可以包含大約
0.01至大約5重量％的磷礦粉，和在一些實施方案中可以包含大約0.05至大約2重量％，大約0.1至大約1.0重量％和大約0.25至大約0.5重量％的磷礦粉。因為磷礦粉的磷含量小于100%,因此肥料組合物中元素磷的含量低于前述范圍。
[0018]基于這些相對低濃度的磷礦粉，能夠從肥料組合物中作為植物養分加以利用的磷量將非常低。事實上，根據許多管轄區域(jurisdiction)的法規，可利用的磷酸鹽含量可能低于使該肥料標記為含磷酸鹽肥料所需的閾值限度。但是，如上所述，將低濃度的磷礦粉包含在肥料組合物中提高了土壤中微生物將元素硫分解成硫酸鹽的活性。就此而言，令人意外地發現少量的磷礦粉能夠顯著提高本文所述的硫酸鹽可利用率。
[0019]磷礦粉優選基本上均勻地混入到肥料組合物中，例如，它可以基本上均勻地分散在硫基質中，使得在取樣中磷礦粉含量的變化不大于10% (例如5mg的取樣可以在4.75mg至5.25mg變化)。所期望的均勻性可以通過如下來實現:確保肥料組分的充分混合和使用具有足夠細的平均粒度的磷礦粉。基本均勻的分布可以提供植物可溶性硫酸鹽從肥料中的更好預測的提高的受控釋放。
[0020]在與肥料組合物的元素硫組分混合之前對原料磷礦石進行研磨。采掘的磷礦石可以制成水漿，并且在球磨機或者棒磨機中濕磨。該漿體然后可以在大約250 °?的直燃式(direct-fired)干燥機中干燥,在此磷礦粉的水分含量會從大約10至大約15%降低到大約I至大約3%。磷礦粉原料可以在輥磨機或者球磨機中研磨到非常細目數的粒度(大約270目)。在一些實施方案中，磷礦粉的粒子直徑可以小于大約100微米(μπι)(其中至少85%的粒子具有這個尺寸)，和優選小于大約75 μ m和小于大約55 μ m。
[0021]當組合物被潤濕時，受控釋放肥料組合物隨時間以受控的量釋放植物養分。在本文中使用時，術語“受控釋放”用于表示硫組分從肥料組合物中逐步地釋放，并且不必表示磷酸鹽組分從磷礦粉中的釋放。磷酸鹽可以受控的速率釋放或者可不以受控的速率釋放。該受控釋放組合物通常以細粒、丸粒、錠劑或者顆粒的形式提供。該肥料組合物在一種實施方案中可以是大體球形的，或者在另一種實施方案中，可以是大體錠劑的形式。球形或者錠劑形式的粒化肥料粒子有助于降低由于粒子間的研磨相互作用而產生的細粉，進而降低了作為灰塵隨空氣散播的這類細粉的量，提高了最終沉積在特定地塊上的肥料量，同時降低了廢物。一些實施方案可以包括直徑為大約0.5至大約4mm或者大約l_3mm或者大約2.5mm的肥料丸粒。
[0022]肥料組合物中的溶脹材料在潤濕時膨脹。在錠劑或者丸粒形式(或者類似的形式)中，膨脹會允許水分進入到錠劑中，并且會使硫分裂成更小的粒子，這使得土壤中存在的微生物能夠將硫轉化成植物可利用的硫酸鹽形式。該硫酸鹽形式釋放到土壤中并在此被植物利用。當元素硫與膨脹粘土一起配制時，應當考慮硫的膨脹(bulking)性質、其受控的分解速率、以及任何所含磷酸鹽和微量養分的釋放。
[0023]溶脹材料可以包括膨脹粘土如高膨脹性潤土。一種合適的膨潤土產品是CANAPRILL PLUS,可獲自 Canadian Clay Products (Wilcox, Saskatchewan),其具有200目的粒度(85-95%)。另一種合適的膨潤土膨脹粘土可獲自Muldoon Minerals, Inc.(Muldoon, TX)。
[0024]溶脹材料在肥料中的存在量可以是大約2至大約30重量％，大約5至大約25重量％，大約5至大約15重量％和優選大約8至大約12重量％。
[0025]肥料組合物還可以任選地包含其他植物養分，包括氮、鉀、硼、鐵、銅、鋅、錳、鎂或者前述的組合。如果存在硼，則該肥料組合物可以包含這樣的含硼化合物，其公開在DrewTaylor等人2012年 10月 22 日申請的申請 13/657550號，標題為“Fertilizer CompositionContaining Sulfur and Boron (含硫和硼的肥料組合物)”,其通過引用整體并入本文,并且公開了包含無水含硼化合物(例如無水硼砂)的受控釋放的肥料。其他植物養分以元素重量計可以如下的量存在于肥料組合物中:大約0.25至大約40重量％，大約0.5至大約20重量％，或者大約I至大約5重量％。
[0026]示例性的包含磷礦粉的受控釋放的肥料可以通過將熔融硫與經研磨的磷礦粉混合來制造。在一些實施方案中，磷礦粉的水分含量可以保持在或者干燥到水分含量低于1%，直到即將混合之前。確保磷礦粉具有低的水分含量防止了在制造過程中發火花(flashing)或者起泡。溶融硫可以首先與溶脹材料混合，和在一些實施方案中，溶脹材料和憐礦粉先后加入到熔融硫與溶脹材料的混合物中。可選擇地，磷礦粉可以首先與熔融硫混合，然后溶脹材料可以隨后加入。
[0027]對于添加次序或者混合次序沒有特別限制。在一些實施方案中，一部分的硫和全部的溶脹材料可以首先混合，然后可以將磷礦粉加入到溶脹材料與硫的混合物中，然后可以將剩余的熔融硫加入到該混合物中。在一些實施方案中，溶脹材料和/或磷礦粉在加入到混合物中之前可以經過加熱。
[0028]該肥料組合物可以使用間歇方法或者使用連續流方法來制造。下文結合圖1和2所論述的示例性方法并不意味著將生產方法限制到具體的制造方法。
[0029]圖1顯示了用于制造包含磷礦粉的受控釋放肥料的示例性方法。將溫度為大約250 T的熔融硫加入到儲料罐中。然后通過過熱蒸汽管線向該儲存系統中加入熱量。在可選擇的實施方案中，非熔 融的硫可以加熱到熔融態，然后加入到儲料罐中。
[0030]該硫然后傳輸到混合罐。熔融硫可以泵送和計量加入到混合罐中。然后在加入磷礦粉和溶脹材料的同時，該混合罐混合所述熔融硫。在一種實施方案中，將膨脹粘土(其可以是膨潤土)加入到連續攪拌的熔融硫中。然后將磷礦粉加入到熔融硫和粘土的混合物中。然后使該混合物在混合罐中混合足夠的時間，以產生基本上均勻的混合物。在一種實施方案中，該混合物可以混合大約I分鐘至大約10小時，大約10分鐘至大約5小時，大約15分鐘至大約I小時，或者大約30分鐘。在混合加工過程中，向該系統中加入熱量，以保持溫度遠高于硫的熔點，例如在大約270 °F。
[0031]在混合過程完成后，可以將熔融混合物置于收集罐中，用于裝運的油罐(tanker)中，或者可選擇地可以在旋轉成型機(rotoformer)中造粒。在一種實施方案中，該收集罐也可以進行攪拌來確保熔融混合物保持基本均勻。此外，如圖1所示，熱量可以例如通過蒸汽管線加入到收集罐中。當需要時，該熔融混合物可以轉移到旋轉成型機中。
[0032]圖2是例示用于借助旋轉成型機來生產肥料錠劑的示例性方法的示意圖。將所述熔融混合物從收集罐泵送通過過濾器，其可以例如是270目尺寸的過濾器。可選擇地，該過濾器可以是140目、230目、325目或者400目的過濾器。該熔融混合物然后泵送通過旋轉成型機到達鋼帶上。在該熔融混合物通過旋轉成型機送到鋼帶上之后，使該熔融混合物在鋼帶上冷卻形成錠劑。在一種實施方案中，可以額外地通過將經冷卻的水噴淋到鋼帶的底部支架(undercarriage)上來對鋼帶進行冷卻。水可以再循環并在用于噴淋器中之前冷卻(chill)。所述熔融混合物也可以通過使該混合物與室溫平衡來冷卻。在錠劑充分硬化之后，它們可以借助刮刀從鋼帶上除去，然后放入用于散裝裝運的倉庫或者包裝在小袋中用于配送。
[0033]含磷礦粉的肥料的分析
進行了實驗室研究試驗來評估向基于硫的受控釋放的肥料中加入磷礦粉的潛在益處。用于兩個實驗室試驗的實驗室是 Canadian Association for Laboratory Accreditation的成員，并且是經國際標準化組織(ISO) 17025認證的。
[0034]實駘室試駘I
如上所述，元素硫必須轉化成硫酸鹽然后才可以被植物利用。進行這個研究來評估在12周期間內，從兩種包含磷礦粉的硫基肥料組合物中釋放的硫酸鹽量。
[0035]在這個試驗中，使用沒有添加任何植物養分的當地土壤(native soil)樣品作為對照，TIGER90CR? (Tiger-Sul Products)是粒狀可降解的硫基肥料(大約90%重量的硫和大約10%重量的膨潤土膨脹粘土 )，其不含任何的含磷酸鹽組分，試驗肥料I是粒狀可降解的硫基肥料，包含大約90%的硫、大約0.5%的磷礦粉，其余是膨潤土，并且試驗肥料2是粒狀可降解的硫基肥料，包含大約80.5%的硫、大約0.25%的磷礦粉，并且其余是膨潤土。
[0036]將每個樣品的土壤用能夠氧化硫的微生物接種。將250mg的每種肥料組合物加入到200g的處于24%飽和度的土壤中。定期將水輸送通過該土壤，并且以表1所示的間隔進行收集。分析所述水的硫酸鹽含量。結果表示在表1中。
[0037]表1:磷礦粉對于硫酸鹽(SO4)可利用率的影響
【權利要求】
1.肥料組合物，其包含: ⑴至少50重量％的元素硫；和 (ii)0.01-5重量％的磷礦粉。
2.權利要求1的肥料組合物，其進一步包含溶脹材料。
3.權利要求1的肥料組合物，其中磷礦粉的含量是0.05-2重量％。
4.權利要求1的肥料組合物，其中磷礦粉的含量是0.1-1.0重量％。
5.權利要求1的肥料組合物，其中磷礦粉的含量是大約0.25重量％至大約0.5重量％。
6.權利要求1的肥料組合物，其中該肥料組合物包含至少75重量％的元素硫。
7.權利要求1的肥料組合物，其中該肥料組合物包含60-90重量％的元素硫。
8.權利要求2的肥料 組合物，其中該肥料組合物是受控釋放的肥料組合物。
9.權利要求8的肥料組合物，其中該肥料組合物包含5-25重量％的溶脹材料。
10.權利要求8的肥料組合物，其中該肥料組合物包含5-15重量％的溶脹材料。
11.權利要求2的肥料組合物，其中所述溶脹材料是膨脹粘土。
12.權利要求11的肥料組合物，其中所述膨脹粘土是膨潤土。
13.權利要求1的肥料組合物，其進一步包含選自以下的一種或多種另外的養分:氮、鉀、鐵、銅、鋅、?l、猛和鎂。
14.權利要求13的肥料組合物，其中所述一種或多種另外的養分在肥料組合物中的含量是大約0.25重量％至大約40重量％。
15.權利要求1的肥料組合物，其中該肥料組合物以丸粒、錠劑或細粒中的一種或多種形式提供。
16.權利要求1的肥料組合物，其中所述磷礦粉包含至少20重量％的元素磷。
17.權利要求1的肥料組合物，其中所述磷礦粉包含至少50重量％的元素磷。
18.給植物施肥的方法，其包括將權利要求1的肥料組合物分散到土壤中。
19.權利要求18的方法，其進一步包括將第二肥料組合物分散到土壤中，其中該第二肥料組合物包含磷。
20.制造包含硫和磷礦粉的肥料組合物的方法，該方法包括: 將熔融元素硫與磷礦粉混合，其中磷礦粉占該混合物的0.1-5重量％ ;以及 冷卻該混合物以獲得肥料組合物。
21.權利要求20的方法，其進一步包括將所述組合物形成為錠劑、丸粒或者細粒，然后在冷卻步驟中將該組合物冷卻到硫的熔點以下。
22.權利要求20的方法，其進一步包括在將磷礦粉與熔融元素硫混合之前，將磷礦粉研磨到平均粒度小于55 μ m。
【文檔編號】C05G3/00GK103980024SQ201310082747
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2013年3月15日 優先權日:2013年2月7日
【發明者】D.P.泰勒, G.W.豪恩 申請人:虎速產品（加拿大）公司