一、植物营养


    植物的营养主要来自约19种元素（不包括空气中的碳和氧以及土壤中的水）。这些元素大致分为两类：（植物大量需要的）大量营养元素和（植物微量需要的）微量营养元素。三种主要的大量营养元素是氮、磷和钾。农作物的产量主要取决于土壤中的这三种元素，但是，需要把它们转换为植物可吸收的形式。这就是化肥的作用。


1. 化肥的种类


    几个世纪以来农民种地采用的是有机肥，开采的无机肥料非常有限。随着英国农业革命和后来20世纪的绿色革命，人类越来越多地依赖人造无机肥料。目前，全球有三分之一的人口食用的粮食是采用人造氮生产的。


2. 化肥供应链


    无机化肥的生产是化学供应链中的一种化工过程。我们可简单地看一下这三种大量元素在工艺中所起的作用。



二、化肥



1. 磷

   

   作为ATP的组分之一，磷在植物的光合作用中起着至关重要的作用。磷是用来生产磷肥的，是从含磷酸盐矿物中开采出来的。在氮肥生产中也使用磷酸。摩洛哥、中国、南非、约旦和美国这五个国家控制着全球磷酸盐储量的90%。现在人们担心几十年后磷的供应会耗尽。



2. 钾


  钾对植物的水分调节和耐干旱非常重要。化肥中所用的钾是碳酸钾。碳酸钾是从含碳酸钾矿物中可提取的各种矿物盐的总称。碳酸钾最大的生产国家是加拿大、俄罗斯和白俄罗斯。钾是地壳中的第七大元素，但是，不断增长的需求导致其价格飞涨。



3. 氮

    

  氮对所有的蛋白质都是非常重要的。氮最常见于空气中，但是这种形式的氮，植物是无法吸收的。为了便于植物吸收，必须对氮进行“固定”或被土壤吸收。由于这种自然生成的氮供应不足，就出现了提供各种无机氮肥——如硫酸氨，磷酸氨和各种以尿素为原料的产品——的产业，尿素可自然生成（如哺乳类动物的尿液中）或从氨中提取，就是在化学反应中通过哈柏博施法进行生产。尿素和其前身氨除用于化肥外，还用于其他化工产品中。


4. 氨

    

  要生产无机化肥，就需要采用化工工艺。氨是尿素和其他无机氮肥的前身，它是采用哈柏博施法生产的，通过催化剂与蒸汽进行反应（蒸汽重整）生成二氧化碳、蒸汽和氢的混合物。最后采用铁系催化剂，通过哈柏博施工艺来合成氨。



5. 尿素

   

 在所有氮肥的组成中，尿素的氮含量最高。尿素是氨和二氧化碳在压力150～220巴，温度范围170～200℃的反应器中进行反应生成的。反应过程生成的化学物氨基甲酸铵的腐蚀性很大。


6. 化肥产业

  

  最常见的无机化肥是磷肥、钾肥和氮肥。氮肥中的一类磷酸氨就是通过用硫酸将磷酸化氨与磷酸的作用而生产出来的。尿素生产的龙头企业公司是斯塔米卡邦（Stamicarbon）（现为MaireTecnimont公司的子公司），该公司一直与Uhde公司和Sandvik公司合作开发新的生产工艺。

   

 化肥生产主要集中在阿根廷、巴西、中国、印度和其他亚太地区国家，中东和俄罗斯。这并不奇怪，这些国家正在经历着经济快速增长，有些国家还经历着食品价格飞涨。投资规模可说明这一点，印度农民化肥合作公司（IFFCO）计划未来三年在印度投资12亿～13亿美元进行扩建。



三、不锈钢


    这里总结一下化肥生产所用不锈钢的发展情况。Allegheny Ludlum不锈钢公司生产的奥氏体不锈钢AL 904LTM具有良好的耐腐蚀性能，适用于一般的化肥生产，特别是适用于硫酸和其他还原酸的生产。AL 904LTM用于化肥生产和其他工艺用途。


1. 硫酸

   

  硫酸生产一般采用300系列奥氏体不锈钢，特别是304不锈钢、316L不锈钢 和310S不锈钢 。用于强硫酸生产的其他钢种包括超级双相不锈钢ZERON 100和2507，奥氏体钢种SandvikSXTM和ZeCor，这些钢种均耐热强酸的腐蚀。



2. 磷酸

   

   在处理低浓度的磷酸时，使用304，在处理高浓度的磷酸时，使用耐腐蚀性更好的316不锈钢和317L不锈钢。Sulzer公司提供磷酸生产中所需的，由654 SMO 超级不锈钢制造的耐腐蚀耐磨损泵。超级双相UNS 32520/UR52N+已成功用于搅拌器，由于具有优越的力学性能，完全可与N08904（904L不锈钢） 媲美。


3. 氨

    

  在氨生产工艺中，绝大部分工艺的腐蚀性为中等腐蚀，所以一般采用300和400系列不锈钢。这些钢种用于制造重整器，二氧化碳去除装置，氨的合成，叶轮机械，冷却装置和冷凝器。在氨的合成过程中，生成具有腐蚀性的氨基甲酸铵，所以需要使用耐腐蚀性能更好的钢种，如ASTM 430，UNSS44625和UNS S44626。为了耐氯化物腐蚀，热交换器采用双相不锈钢。管道和储罐可采用Outokumpu公司生产的经济型双相不锈钢LDX 2101，这种双相钢的力学性能好，可降低使用材料的壁厚，节约材料和制造费用，而且该钢种的耐腐蚀性能（耐点蚀和应力腐蚀断裂）优于标准的300系列不锈钢。


4. 尿素

    

 近年来，制造尿素生产设备采用的标准钢种是改进型316L，即316L MOD或316L Urea，腐蚀性较严重的区域采用的是更高合金含量的不锈钢，Urea25/22/2（25Cr，22Ni，2Mo），是低碳、低硅和高氮含量的改进型310L奥氏体不锈钢。

   

  在尿素生产中，腐蚀不仅受到氨基甲酸酯水平的影响，而且还受到氨与二氧化碳比的影响和氧含量的影响。缺少氧气会使不锈钢发生腐蚀，所以最好使用耐最低氧含量的钢种，如Urea25/22/2。Sandvik2RE69TM是Urea25/22/2的改进型，可用于尿素生产工艺中条件最苛刻的区域。印度农民化肥合作公司（IFFCO）位于Kalol的尿素厂的气提塔中的管道就是采用这种材料制造的，气提塔内的压力和温度是最高的。管道已使用了25年以上。还有一种双相钢种可用于制造尿素生产设备，这就是住友金属工业和东洋工程公司生产的DP28WTM。这种双相钢的铬含量高，镍含量较低，所以具有良好的再钝化性能，而且非常耐应力腐蚀断裂和氨甲酸溶液和氯化物溶液的腐蚀。

    

  Sandvik公司和斯塔米卡邦（Stamicarbon）公司合作开发了一种用于现代尿素厂无氧环境的先进双相钢SafurexTM。通过采用双相钢SafurexTM，斯塔米卡邦（Stamicarbon）公司对尿素生产工艺进行简化，去掉了风机、氢气转换器、高压洗涤器和高压氨喷射器。

    

  在尿素生产过程中，氨（NH3）气提塔通常是采用钛制造的。但是，为防止钛被冲蚀，需要为钛加一层覆层。为了解决这一问题，Snamprogetti公司（Saipem公司的下属公司）与ATI Wahchang公司合作开发出了OmegabondTM先进管道，在这种管道中，利用固态接合技术将锆粘结到了钛上。海湾石化公司（GPIC）首先在巴林的大型设备上采用了这种管道（该设备于2009年投产运行），后来又有两家公司采用了这种管道。


四、结论


    粮食是人类的基本需求，同时对人造化肥的依赖继续增加，这是不锈钢的现成市场。然而，仅提供产品，等待用户上门订货还远远不够。只有钢铁生产厂家与用户密切合作才会达到双赢。这些合作为我们的未来提供了样板，不仅是在化肥生产领域，而且在整个加工制造领域。