肥料与能源

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1、肥料与能源 基隆厂 简道南一、肥料的重要性全世界人口数不断成长，并导致粮食、饲料和植物纤维的需求相对增加。粮食 和植物纤维的生产需要土地和肥料。全世界可耕地面积早已开发殆尽，而随着工业 发展需求又不断的瓜分农地用于发展都市和工业区，因此可耕地反而有日渐减少的 趋势。为应付人口增长对食衣的需求，就需要配合增产肥料，因为肥料是作物的食物 唯有供应作物生长所需的各种肥料，才能提升单位土地面积的农作物产量，因此以 最经济有效的方法生产肥料和运送肥料到农民手上就显的相当重要。二、肥料的制造与能源耗用（Energy consump ti）n的关系在本文中所称的能源只指当做肥料生产原料的石油物质和制造肥料所

2、需的电 力、热和蒸汽等由石油物质转化的能源。肥料可分为有机肥料和无机肥料。无机肥料又称化学肥料，因为这些肥料不是 由化学合成法制成，就是来自天然的矿物质。化学肥料是肥料中的最大宗物质，可 以依作物需要吸收的量分成三要素肥料，包括氮肥、磷肥和钾肥；次量要素肥料， 包括镁肥和钙肥；微量要素肥料，包括铁、铜、锰、锌、钼、硼等化学结构简单的 盐类。本文中仅探讨氮肥、磷肥和钾肥的制造生产与能源耗用的关系，因为其用量 最大，必须由化学肥料工厂大量生产和供应，才有可能满足农民施肥的需要量，有 机肥料的氮、磷、钾含量和总供应量确实无法承担这个任务，只能扮演辅助性的角 色。以下分别解析化学氮肥、磷肥和钾肥的制造

3、与耗用能源的关系。（一）氮肥天然产的氮肥只有智利硝石NaN03，只占氮肥供应量的很小部分，绝大部分 的氮肥都是化学合成的，例如常用的尿素NH2-CO-NH2、硫酸铵（NH4）2S04和 氯化铵NH4C1，而这三种氮肥的基本原料都是来自液氨NH3。硫酸铵是适合水田作物使用的氮肥，也可用于旱田作物；硝酸钙是适合旱田 作物的肥料，应该避免在多雨季节和水田使用；尿素颗粒圆滑、粒度整齐、颜色 白中透亮，水田或旱田都适合使用，是农民最喜欢的氮肥。现在的液氨都是由天然气（Nature gasCH4为其主要成分）转化而成，所以其生产需要石油物质当做原料，制程所需的电力、热和蒸气也需要由石油物质当 作燃料。一般

4、而言，液氨产业是相当耗能源的产业，而尿素则是用液氨当原料， 再经高温高压的复杂化学反应才能生成，并经脱水、制粒才能成为尿素产品，总 计其生产过程耗用的能源比液氨更多。若再以尿素单位重量的含氮量46%N与液氨的单位重量的含氮量82%N评比，则单位重量尿素的含氮量只相当于液氨的56%，所以尿素是氮肥中高度耗能的产品。（二）磷肥磷肥的主要原料是磷矿石，是非常不易溶解于水的氟化磷酸钙产物。磷肥的 代表产物是过磷酸钙Calcium superphosphate矿石开采后，经过选别、磨粉、加 硫酸分解、干燥、造粒或不造粒，即可以成为粒状过磷酸钙产品或粉状过磷酸钙 产品，含有效性磷酐18%P2O5。所以磷肥

5、的制程所用的能源是采矿、磨粉、输送、 加硫酸、搅拌、干燥等的动力消耗。硫酸由融硫氧化燃烧的方法制成，过程中放 出很多热能，所以基本上是有能源收入的产品。因此，过磷酸钙生产所消耗的能 源比生产液氨低非常多，当然也比尿素低很多。（三）钾肥钾肥的主要原料是钾矿、并以氯化钾矿为主。钾矿经过开采、选矿和干燥即 可得到氯化钾。如果要制造硫酸钾，则让氯化钾与浓硫酸在高热下反应就可以得 到硫酸钾。钾肥的制程所用的能源，基本上和过磷酸钙制程所耗用的能源模式很 相近。从上述氮肥、磷肥和钾肥的生产所需耗用能源的解析。可知生产氮肥是很耗 费能源的产品，其中尤以尿素耗费能源更多，而生产磷肥和钾肥的需耗用的能源 比氮肥少

6、很多。再从作物对三要素需求量做比较， N：P2O5：K2O 大约是2：1：1， 也就是说氮肥是三要素当中用量最多的肥料。所以石油价格上涨对氮肥生产成本 上涨的冲击最大，对磷肥和钾肥生产成本上涨的冲击较小。三、肥料运销所耗用能源的分析肥料离开生产线后，经由运销流程送到农民手上。运销流程涉及包装、进出 仓库、装卸、运输等耗用能源的操作。一）包装除了北美、部分欧洲国家允许散装肥料和袋装肥料同时存在之外，日本、部 分欧洲国家和我国都采用袋装肥料。袋装肥料一般都用PE淋膜袋，所以石化原料 价格上涨也会使得肥料袋价格上涨。以固体肥料为例，相同的肥料成分和采用相同的运输工具，散装肥料要比袋 装肥料少耗用能源

7、；大包装肥料要比小包装肥料少耗用能源。以往曾有每包50公 斤的袋装肥料，近年来为减少包装肥料的搬运对人体的负荷过重，已普遍采用每 包净重 20 公斤的规格。（二）肥料成分的高低在同一运输工具和相同运输距离，虽然所运送的的肥料总重相同，但若计算 单位肥料成分的运输能源消费量，就会有明显的差别。以运送20公吨尿素和20公吨硫酸铵做比较，前者运送了 46 % N * 2公吨二9.2公吨N素，后者运送了 21 % N * 20公吨二4.2公吨N素，所以以运送单位重量N素而言，运输尿素所消耗的能 量较运输硫酸铵低。同理类推，运送相同重量的有效磷酐，则以运送重过磷酸钙 Triple superphosph

8、at有效磷酐 46%P205 ）较运送过磷酸钙 Calcium superphosphate （有效磷酐18%P2O5 ）少用能源；运送同重量的高成分（High analy）i复肥（例 如15-15-15要比运送低成分（Low analysis复肥（例如8-8-8少用能源。（三）运输工具如使用不同的运输工具，则其耗用能量的大小依次是卡车火车船；使用 同一类运输工具运送同样肥料，装载能量越大的，其单位重量肥料分担的运送能 源消耗越小，比较单位重量肥料消耗运输能源大小，由大到小依序是5吨卡车10 吨卡车20吨卡车。四、施肥管理与能源耗用的关系前面已介绍氮肥、磷肥和钾肥的制造都需要耗用能源，且其中以

9、生产氮肥使用 最多能源。肥料施肥后因为肥料具有不同的化学性质，其与土壤交互作用的结果， 会造成肥料的损失（Loss）或肥料被土壤固定（Fixatio）n，使得作物只能吸收到其 中一部分的肥料。这些肥料有效成分的损失程度或被土壤固定的程度，其实就是能 源的耗损。在肥料制造工厂或是肥料运销体系，因为是大量化和集中化的工业管理 方式，所以对能源的耗用和节省会斤斤计较，并且容易得到节省能源的成果。但是 肥料交到农民手上以后，似乎少有人关心肥料没有被有效利用，造成肥料浪费所涉 及的能源损失。原因可能是农民是个体的、是分散在广大的土地上，所以个别计算 能源损失所感觉的意义不大；另一原因是以往肥料太便宜了，

10、所以即使知道浪费肥 料也不觉得有多要紧。但是当肥料价格随油价上涨，且油价是飙涨的时候，有效的 施肥管理，增加肥料利用率，确实能帮助农民节省购买肥料的支出。以农民付200元买一包重20公斤的尿素为例，如果作物对此尿素的吸收利用率是25%，表示有150元是平白损失了，换一个表达方式就是农民付200只买到5公斤的有效尿素，每公斤有效尿素购买成本是40元。如果经过施肥管理的改变或调整，把尿素的吸收利用率提高到50%，表示农民付200元可买到10公斤的有效尿素，每公斤有效尿素的购买成本是 20元。如此可知施肥管理与能源耗用的密切关系。（一）氮肥的损失1. 尿素尿素是所有氮素肥料中耗用最多能源才能生产的肥

11、料，但是它却是最容易发 生施肥后肥料损失的肥料。尿素极易溶解于水，其水溶性呈电中性，所以极容易 随过多的灌溉水或雨水从土壤表面的径流流失到排水沟中（径流损失Run-offlos）s ；如过进入土体中也会随着重力水进入地下水中（淋溶损失 Leaching lo）ss；留在土表的尿素经过尿素分解酵素的水解会产生NH3 ,若局部浓度过高或土壤呈碱性，则会以NH3气挥散到空气中（挥散损失Evaporation l）s;如果分解产生的氨溶于水后并进到土体中呈还原状态的土壤环境则会被还原成N2进入大气中（脱氮损失Denitrification）。在温度高又多雨的热带和亚热带的水田土壤，尿素施肥后能被有效吸

12、收利用的量通常少于40%，也就是有60%以上的氮素损失。2. 硫酸铵等铵态氮肥铵态氮肥极易溶于水，并产生带正电荷的NH4+ ,由于土壤粒子是带负电荷,所以可以把 NH4+ 吸附在土壤粒子上，降低被多余的灌溉水或雨水淋溶到土体外的机会，所以铵态氮肥是较适合作为水田的氮肥。铵态氮肥和尿素转变成NH4+ 后的命运一样，在还原态的土壤中仍然会有脱氮损失。3. 硝酸态氮肥硝酸态氮肥极易溶于水中，并以NO3-存在。因为带负电荷，与土壤粒子所具的电性相同，所以会被排斥在土壤溶液中。当有过量的灌溉水或雨水的情况， 硝酸态氮肥会有径流损失和淋溶损失情形。因此，硝酸态氮肥不适合作为水田肥 料，在亚热带和热带多雨的

13、地区，也要在连续晴朗的天气，才适合使用。作物都很容易吸收尿素、铵态氮肥或硝酸态氮肥。铵态氮储存在作物细胞中 如果没有被转化为胺基酸，则累积高浓度的铵态氮会让细胞中毒及伤害，所以铵 态氮肥要分小量多次施用。作物细胞可储存较高浓度的硝酸态氮而不受毒害，所 以硝酸态肥可以用较高的剂量施肥。作物细胞也可以储存较高浓度的尿素而不受 毒害，所以尿素可以用较高的剂量施肥。任何能减少氮肥损失，增加作物吸收氮 肥的施肥措施，也算是是减低氮肥耗用能源的施肥管理方法。（二）磷肥施肥后的损失过磷酸钙施肥后，会依土壤溶液的酸碱性把有效性磷酐以 H2PO4-1， HPO4-2或P04-3的型态溶解在土壤溶液中。但是磷酸根

14、离子与土壤溶液中的Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Zn2+、Cu2+、Mn2+、A13+等离子起化学结合，生成溶解性很低的盐 类而失去磷肥的有效性，此现象称为磷肥的固定作用（Phosphate fixation土壤 越偏酸性或碱性，磷肥的固定作用就越强，只有在微酸到中性的土壤溶液中，磷 肥才能展现较好的有效性。磷肥因为容易被土壤固定，所以施肥后能被吸收利用 的量约 20%左右。被固定的磷肥不易在土壤中移动，所以不会发生淋溶损失，并 且仍会以极慢的速度释出有效的磷素成份。三）钾肥施肥后的损失钾肥施到土壤中后会把K+溶解在土壤溶液中，其中一部分被作物吸收，一部份会被土壤中的2：1型黏土矿物

15、固定。其被固定的程度依土壤2：1型黏土矿物的结晶格子中的钾素的饱和程度而有差异，其饱和程度越低，则钾肥被固定的钾量 会越高；其钾素饱和度越高，则被固定的钾量会越低。此现象称为土壤的钾素固定作用（Potassium fixation其固定能力和2： 1型黏土矿物的种类有关，其固定 力由强到弱依序为蛭石（VermiculitA伊来石（Illi）A蒙特石（Montmorillonite钾素被固定后，即不易被淋溶损失，以后仍会以很缓的速度，或依土壤被风 化的程度再被释放到土壤溶液中。钾肥有带正电荷的K+，可被带负电荷的土壤粒子吸附，所以扣除被固定的小部分，钾肥的有效性相当高。五、在高油价时代，如何节省

16、肥料的能源耗用肥料是增加食粮、饲料和植物纤维的必需物质，而制肥原料的取得、肥料的 制造和肥料的运销都要使用石油有关的能源物质。甚至农民施肥时因为施肥管理 的方法造成肥料成分被作物吸收利用程度偏低，都与能源的耗用发生密切关系。 能源需要用钱购买，石油价格高涨，表示肥料的成本也会上涨，所以应该以全方 位的观点，从肥料的制造、产品的运销到农民的施肥管理逐一检讨，寻求可降低 肥料成本的方法。（一）从肥料制造部门节省能源耗用，简要归纳能降低制造部门能源成本的原则， 如下述 8点：1. 改进制程技术，去除瓶颈，采用高效率的单元设备，采用新的触媒等，以求节省原料和热能的耗用。2. 提高产能利用率，使设备运转达到设计产能，达到最好的效率。3. 采用更有效的废热回收再利用的方法。4. 改进粉尘、废气