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一、国内硅肥生产工艺
目前国内生产和施用的硅肥主要有两类：一类是人工合成的，如硅酸二钙(2CaO·SiO2)、硅酸一钙(CaO·SiO2)、硅酸钙镁(CaO·MgO·SiO2)、偏硅酸钠和主要成分为硅酸钠和偏硅酸钠的高效硅肥等。其基本工艺为：以水玻璃为原料，运用高速离心喷雾干燥设备制造；先将原料水玻璃进行离心脱水，再送入高速离心机中脱水，然后喷雾热风(控制温度)干燥固化成粉状，即得高效硅肥制品。这种工艺生产出的硅肥有效硅含量大于 50%，但价格昂贵，推广难度大。
另一类则是利用各种工业固体废弃物加工而成的硅肥。其原料来自如下几方面：一是炼铁过程中产生的高炉水淬渣，总硅含量在 30%～35%二是黄磷或磷酸生产过程中产生的废渣，总硅在18%～22%；三是电厂粉煤灰，总硅含量达 20%～30%；四是废玻璃。其中国内大部分小型硅肥厂都是利用上述原料中的磷渣或粉煤灰为原料生产硅肥的，只有少数几家硅肥厂是利用炼铁高炉渣为原料生产硅肥，如江宁钢铁厂，张店钢铁厂等。其工艺基本都是采用自然风干炉渣——球磨——过筛——干燥工艺流程。近来鞍钢矿渣开发公司研制的高炉渣硅肥在东北得到大面积施用，产品供不应求。其工艺为：将水淬渣沥水，自然风干，然后进入破碎机进行破碎和筛选除杂，再进入球磨机球磨，过筛，最后包装即得到商品硅肥。近年来宝钢集团企业开发总公司与上海市有关科研部门合作，利用炼铁高炉渣开发硅肥这一科研项目也取得了一定进展。目前也有使用造纸黑液生产硅肥的方法，如专利号为 90105832 中国专利《硅肥生产方法》，是利用钢铁三废的酸洗废液、水淬渣、镀锌废渣和造纸厂的废碱液为主要原料，生产超细氧化铁和高效中微量元素复合肥，其中造纸厂的废液为稳定剂。而专利号为 88104650 的中国专利《高效硅素化肥的生产方法》，是利用在预处理熔融生铁过程中产生并且具有较高可溶性氧化硅含量的炉渣的硅肥。但上述方法存在生产工艺复杂，加工温度较高，有效硅含量低的缺点。专利号 ZL 200310105447.7《一种硅肥的生产方法》，克服了以上技术的不足，并且有热处理温度低、活性硅含量高、操作方便、工艺简单的优点，实现了废物再利用，且变二废为宝。其消耗造纸黑液量比较大，1 t 粉煤灰或煤矸石，可以消耗造纸黑液 1～40 t，得到1～3t 硅肥。另外，国内目前有利用淘汰的水泥立窑生产线生产硅肥的专利，所需原料与水泥生产原料相同，生产工艺也类似与水泥的生产工艺——两磨一烧。但此工艺与高炉渣硅肥工艺相比较，此工艺过程中需要烧结这一工序，能耗大，相应的增大了产品成本。
目前硅肥的制备工艺主要有两种。
1) 混料法。将硅肥或硅肥原料与氮、磷、钾肥混合,破碎,造粒,制成复混肥,同时还可加入微量元素、稀土元素等。如叶元林等[3]将w(HO)15%~ 35%的电解锰渣灰粗碎,添加有机质、无机盐和作物生长调节剂,造粒成型,得锰硅肥。
混料法生产工艺简单,能耗低,但普遍存在有效硅含量增加不明显的问题。
2)化学合成法。将硅肥原料、助熔剂、添加剂按一定比例混合.在高温下熔融，破坏晶格，转化成易被植物吸收的成分，充分反应后.冷却.磨细制成硅肥。利用此法制成的硅肥主要为硅钾肥、硅酸盐微肥以及硅钙肥。如将碳酸钾、粉煤灰、煤粉的混合物和作为黏合剂的苛性钾溶液捏练成型,造粒,在200 ~300℃下烘约10min,最后将几乎全干的颗粒状混合物送至流化煅烧炉在600~1100℃下煅烧15 min,最终产物即为硅钾肥。
二、国外硅肥生产工艺
钢铁炉渣用作肥料在德国已有很长的历史。目前，德国利用高炉渣生产硅肥的主要工艺为：将高炉渣粉碎磨细达到一定粒度直接施用，或高炉渣粉碎磨细后，与磷酸盐成分混合直接施用。
国外炉渣硅肥生产工艺主要有以下几种：日本新日铁名古屋3 号高炉采用风淬法急冷处理炉渣 ,热回收率一次利用达到62. 6 %,二次利用可达到70 % ,玻璃化率达到96 %～99 %。这样既回收了余热,又提高了炉渣的玻璃化率和更高的活性硅含量。将玻璃化率高的炉渣磨细,或加入一些添加剂一起球磨,达到一定粒度后,直接以商品硅肥的形式进入市场,制得的高炉渣硅肥有效硅含量在20 %左右。
朝鲜黄海制铁所利用炼铁高炉水渣生产硅肥工艺为 :直接将高温高炉渣倾入水淬池内进行水淬,然后用抓斗机将水淬物捞起,加入10 %的粉煤灰,加水一起进入球磨机湿磨,粒度达到0. 5mm 以下,经干燥后即得硅肥。制得的硅肥中含可溶性硅大于15 % ,氧化钙和氧化镁总量大于30 %。
钢铁渣用作肥料在德国也有很长的历史。目前,德国钢铁渣用作肥料在德国渣总的使用中起重大作用,其中高炉渣用作石灰肥料作为石灰处理剂中和酸性土壤而广泛应用于农业和林业。其高炉渣石灰主要工艺为:将高炉渣粉碎磨细达到一定粒度直接施用,或高炉渣粉碎磨细后,与磷酸盐成分混合直接施用。另外,美国硅肥主要是以砂子和珊瑚为原料,加入一定量的煤粉经石灰窑煅烧后,磨细达到一定粒度即得硅肥,其有效硅含量在24 %左右。但美国炼铁高炉渣主要用作建筑、建材原料,用作硅肥原料的研究还比较少。
　以上各国制得的硅肥中有效硅含量均在15 %以上,氧化钙和氧化镁总量大于30 %(参照国外商品硅肥标准) ,见下表 。
图表 国外一些硅肥标准及部分商品硅肥含量
可溶性SiO2 / %
CaO 和MgO/ %
粒度要求
德国高炉渣肥料
97 % < 1. 0mm;80 % < 315μm
美国部分硅肥
24
> 35
日本硅肥标准
> 20
> 35
100 % < 2. 15mm;60 %以上< 500μm
朝鲜硅肥标准
> 15
> 30
一级品85 %以上< 150μm;二级品85 %以上< 250μm

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三、影响硅肥肥效的因素
随着人们对硅肥的认识, 硅肥的用量不断增加, 产量直线上升。但由于生产工艺、配方、原料的差别, 国内硅肥质量差别很大, 使用后增产效果也不一样。造成差别的主要原因有以下几方面:
3.1、生产原料对肥效的影响
生产硅肥的原料主要来自四方面, 一是炼铁过程中产生的高炉熔渣, 有效硅含量达30- 35%; 二是黄磷或磷酸生产中产生的废渣, 有效硅含量达18- 22%; 三是粉煤灰, 有效硅含量达20- 30%; 四是废玻璃。前三种高炉熔渣和黄磷渣经化学处理后能产生部分水溶性硅酸, 肥效高, 见效快。而废玻璃, 化学性能稳定, 溶解速度慢, 肥效低, 效果差。
3.2、生产工艺对肥效的影响
国内多数小型硅肥厂, 只是简单的将上述原料球磨粉碎后作为硅肥出售。这种硅肥虽比土壤中的SiO 2 易于为植物吸收, 但因其CaSiO 3 溶度积很小, Ksp 仅为2. 5 × 10- 8(PKsp= 7. 6) , 分解速度很慢, 很难为植物吸收, 施用后效果并不明显。南京农业大学马同生教授研究的高效硅肥, 经化学处理后, 将废渣中的部分难溶硅元素转化为植物易于吸收的偏硅酸, 使硅肥的利用率大大提高, 增产效果非常明显, 其质量指标如下:
有效硅(以SiO 2 计) ≥20- 25%;
水溶性硅(以SiO 2 计) ≥2- 8%。
33、造粒粘合剂对肥效的影响
原有硅肥多数为粉状, 由于粉状硅肥比表面积大, 施入土壤后充分与土壤中的水份接触, 生成水溶物后易于被植物所吸收。但粉状硅肥给施肥带来极大不便。播撒时易于悬浮于空气中, 严重污染空气, 落下后附着于植物表面影响作物生长, 播撒很难均匀一致。所以硅肥逐步向粒状发展, 粒状硅肥给施肥带来极大方便, 避免了上述粉状硅肥的缺点, 而且可以根据需要与氮、磷、钾复配成BB 肥,倍受农民欢迎。但硅肥造粒使用水玻璃作粘合剂, 造粒后经烘干, 使其粒子硬如水泥, 坚如石子, 施入土壤后若干年发现仍保持原样,效果很差。江苏如皋轻工研究所研制一种高分子粘合2崩解剂, 使之在造粒时起粘合剂的作用, 造粒后施入土壤又能起崩解剂的作用,遇水能在一分钟内将粒子崩解成粉末, 解决了硅肥造粒的一大难题, 使硅肥生产上了一个台阶。
3.4、纯度对肥效的影响
使用黄磷渣、高炉熔渣、粉煤灰生产的普通硅肥, SiO 2 含量一般在20- 35%。由于杂质含量高, 组成复杂的难溶于水的无机盐, 作物吸收速度慢。南京农业大学用N a2SiO 2 经喷雾干燥后作为硅肥, 植物吸收速度快, 肥效高。但生产设备投资大, 成本高, 推广有一定难度。
四、硅肥技求经济分析
1、原料：
生产硅肥的原料主要是炼铁的水淬渣或黄磷渣。只要拥有这些原料, 结合硅肥添加剂和生产技术, 即可进行硅肥的工业化生产。
2、生产设备
硅肥厂主要设备为搅拌机台, 燃烧炉台, 烘干机台, 球磨机台, 提升机台, 电子给料机台, 螺旋输送机台, 手提式缝包机台, 及其它附属设备。
一般水泥厂、磷肥厂改产硅肥, 不需增添大件设备。
3、建厂规模：
硅肥生产厂规模可大可小, 考虑到运输成本及覆盖面, 以建年产1万吨的厂为宜。
4、效益分析：
建一座年产1万吨的硅肥厂, 生产厂房面积约需350~400平方米, 生产人员15~20人, 占地3300~4000平方米, 总投资100一110万元。
成本分析：（按年产1万吨能力分析）设备的购置费50万元, 原料的购置费80一90万元（含添加剂）, 能源费、工人工资等15万元左右, 流动资金20~30万元。生产1万吨哇肥, 其成本为150一170万元。
利润：销售价按300元吨计（1997年各厂平均出厂320元/吨, 农资部门零售价380元/吨）,1万吨硅肥价值300万元。产销1万吨硅肥可实现利税130~150万元, 经济效益显著。此项目属三废治理, 根据国家有关规定(国家财政部1994年1号文件), 可年免征所得税, 故硅肥生产厂家获利较高。
五、炉渣硅肥研究发展方向
硅是地壳中的主要元素之一。在地壳中的含量仅次氧,在土壤中以晶态硅、非晶态硅及有机态硅等多种形式存在。由于晶态硅是由硅与钙、镁、铝、铁等元素结合形成的难溶性硅酸盐矿物,和以单纯的二氧化硅两种形式存在的。这两种形式的晶态硅都难溶于水,虽然这些晶态硅可以通过风化作用缓慢地将硅素释放出来被作物吸收利用,但一般风化较强的地区,硅的淋溶也相应增强,所以这种晶态硅在农业上意义不大。而土壤中的有效硅则是指能被当季作物吸收利用的硅,它还包括土壤溶液中单硅酸以及各种易于转化为单硅酸的成分,如多硅酸、交换态硅和胶体态硅的一部分等,它们在土壤溶液中存在一种动态平衡转换模式。实际上能被作物直接吸收利用的这种单硅酸态硅在土壤中并不多。因为单硅酸态硅它是水溶性硅溶解于土壤溶液中的主要存在形式,但土壤中的非晶态硅相对比晶态硅少得多,水溶性硅则更少,再加上近年来随着农业的快速发展,农作物持续高产更加加快了作物对土壤中有效硅的吸收,所以仅靠土壤中现存的有效硅来提供作物所需的硅素营养,已严重不能满足现代农业生产了。因此,为了给作物提供足够的硅素营养,就需要靠人工施肥或灌溉加以补充,其中对人工施肥是一种比较简便、快捷、实用的方法 。高炉渣作为硅肥的一种理想原料,其关键性指标是看炉渣中总硅和有效硅的含量,而我国炼铁高炉渣跟其它国家的炉渣硅肥相比较,其总硅含量介于朝鲜和日本炉渣硅肥中总硅含量之间 。但我国利用高炉渣生产硅肥的发展一直比较缓慢,分析其主要原因有以下几点:
图表 国内高炉炉渣与国外炉渣硅肥的主要化学成分%
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(1) 目前高炉渣受建筑、建材工业的影响较大。因为近年来我国加大了对基础建设的投入,混凝土和水泥的需求也相应高速发展,高炉渣作为这些工业的原料处理工艺相对较成熟,故高炉渣供不应求,相应的炉渣作为其它工业原料的研究较少。
(2) 我国绝大部分数钢铁厂处理高炉炉渣采用水淬急冷的方法阻止炉渣结晶,此方法仅考虑废渣处理,未考虑炉渣的综合利用,对于需要增加能耗的硅肥工业来说,热能得不到充分的利用,在一定程度上限制了硅肥工业的发展。
(3) 国内多数小型硅肥厂只是简单的将高炉渣进行粉碎球磨后作为粉状硅肥出售。虽然这种硅肥的比表面积大,施入土壤后能充分与土壤中的水分接触,生成水溶性硅酸盐后又比土壤中的二氧化硅易于被作物吸收利用,但在施肥时很难达到均匀一致,撒播时又易于悬浮在空气中,对空气造成严重污染,落下后又附着于作物表面上而影响作物生长。因此这种粉状硅肥受到一定限制。而传统的粒状硅肥,在造粒时大多采用水玻璃作粘合剂 ,经这种粘合剂造粒,烘干后,硅肥颗粒坚硬,施入土壤后难分散、难溶解,几年后仍有部分颗粒保持原样,有效硅得不到释放,植物难以吸收,大大降低了硅肥的肥效。所以,上述这些硅肥有待进一步完善。
(4) 目前国内炉渣硅肥中的有效成分较低,贮存和运输中容易造成有效成分损失,一般都是就地生产就地销售,不易长途运输,所以这种硅肥受到地域的限制较大。
所以上述原因是造成我国利用高炉渣生产硅肥发展缓慢的主要原因。为此,利用高炉渣开发硅肥我们还急需做以下方面的研究:
(1) 炉渣中重金属元素是否超标(参照农用粉煤灰中污染物控制标准GB8173 - 1987) ,以及长期施用对农作物及土壤的理化性质是否会造成影响。
(2) 水淬或风淬粒化过程中可溶性硅酸盐的形成机理,通过现有的工艺改进,提高炉渣中水溶性或枸溶性硅酸盐的含量。
(3) 硅肥造粒技术。利用炉渣中某些元素具有的特殊性质开发一种成本低廉,效果比较好的粘合剂,使之便于造粒,施入土壤中又能在较短时间内将粒子崩解成粉末。使用这种粘合剂造粒后的硅肥便于施用,并且还符合农民的施肥习惯,又很容易被作物吸收利用和不易被雨水淋溶。
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