Как производят удобрения: от природного газа и руды до гранул для поля

Минеральные удобрения делятся на три главных класса: азотные, фосфорные и калийные. Каждый производится из собственного вида сырья принципиально разными способами. Азотные получают синтезом из природного газа и атмосферного азота; фосфорные — химической переработкой горных пород; калийные добывают в шахтах и обогащают физическим разделением. Россия является одним из крупнейших производителей всех трёх видов и обеспечивает как внутренний рынок, так и значительный экспорт.

Азотные удобрения: синтез из газа и воздуха

Сырьём служат природный газ (источник водорода) и атмосферный азот. Процесс начинается с риформинга: природный газ смешивают с паром и пропускают через никелевый катализатор при температуре 700–900 градусов Цельсия. Реакция превращает метан в водород и углекислый газ. Далее водород очищают и соединяют с азотом из воздуха в колонне синтеза аммиака при давлении 150–300 атмосфер и температуре 400–500 градусов на железном катализаторе. Этот метод называется синтезом Габера-Боша; он разработан более ста лет назад и до сих пор остаётся основой мирового производства аммиака.

Из аммиака производят несколько видов удобрений. Аммиачная селитра (нитрат аммония) получается нейтрализацией аммиака азотной кислотой, затем раствор упаривают и гранулируют; содержит 34 процента азота. Карбамид (мочевина) синтезируется из аммиака и углекислого газа при 180–200 градусах и давлении 180–200 атмосфер; содержит до 46 процентов азота и является самым концентрированным твёрдым азотным удобрением. Крупнейшие азотные производства сосредоточены в Новгородской, Тульской областях, Татарстане и Кузбассе.

Фосфорные удобрения: переработка апатита и фосфорита

Главное фосфорное сырьё в России — апатитово-нефелиновые руды Хибинского месторождения на Кольском полуострове; оно обеспечивает около 10 процентов мировой добычи. Руду добывают открытым и подземным способом, затем обогащают флотацией, получая апатитовый концентрат с содержанием фосфора пятиокиси P2O5 около 39 процентов.

Для производства суперфосфата апатит обрабатывают серной кислотой: реакция разрушает кристаллическую решётку минерала и переводит фосфор в доступную для растений форму. Двойной суперфосфат получают с применением фосфорной кислоты; он содержит 43–49 процентов P2O5. Сложные удобрения диаммонийфосфат (ДАФ) и моноаммонийфосфат (МАФ) получают нейтрализацией фосфорной кислоты аммиаком; они содержат одновременно азот и фосфор и пользуются высоким спросом на мировом рынке. Производство сосредоточено в Череповце и Балаково.

Калийные удобрения: шахтная добыча и обогащение

Калийные удобрения производят из сильвинита — горной породы, содержащей хлориды калия и натрия. Крупнейшее в России месторождение находится в Пермском крае (Верхнекамское). Руду добывают шахтным способом на глубине 200–400 метров или методом подземного растворения (шахты затапливают водой и выкачивают насыщенный рассол на поверхность).

Поднятую на поверхность руду дробят и обогащают флотационным или галургическим (растворения-кристаллизации) методом. При флотации породу смешивают с водой и реагентами; частицы хлорида калия всплывают с пузырьками воздуха, хлорид натрия оседает. На выходе получают хлористый калий с содержанием K2O 60–62 процента. Сульфат калия производят отдельным процессом; он подходит для хлорофобных культур (картофель, виноград, цитрусовые).

Грануляция и контроль качества

Большинство удобрений выпускают в гранулированном виде: гранулы равномерно рассеиваются разбрасывателями и медленнее слёживаются при хранении. Грануляцию проводят в барабанных грануляторах, тарельчатых (дисковых) аппаратах или методом приллирования (распыление расплава сверху вниз в башне высотой 50–60 метров, капли застывают при падении). Готовые гранулы сортируют по размеру (стандарт 2–5 мм), при необходимости антислёживают маслами или покрывают полимерной оболочкой для медленного растворения.

Контроль качества включает анализ содержания действующего вещества, влажности, прочности гранул и гранулометрического состава. Удобрения проходят обязательную государственную регистрацию. Российские заводы производят около 23 миллионов тонн удобрений в год в пересчёте на 100-процентное питательное вещество, что составляет порядка 15 процентов мирового производства.