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肥料與能源

肥料與能源

化學二字可怕還是人工製造可怕-肥料與能源
台肥基隆廠/簡道南
一、肥料的重要性
全世界人口數不斷成長,並導致糧食、飼料和植物纖維的需求相對增加。糧食和植物纖維的生產需要土地和肥料。全世界可耕地面積早已開發殆盡,而隨著工業發展需求又不斷的瓜分農地用於發展都市和工業區,因此可耕地反而有日漸減少的趨勢。

為應付人口增長對食衣的需求,就需要配合增產肥料,因為肥料是作物的食物,唯有供應作物生長所需的各種肥料,才能提升單位土地面積的農作物產量,因此以最經濟有效的方法生產肥料和運送肥料到農民手上就顯的相當重要。
二、肥料的製造與能源耗用(Energy consumption)的關係
在本文中所稱的能源只指當做肥料生產原料的石油物質和製造肥料所需的電力、熱和蒸汽等由石油物質轉化的能源。
肥料可分為有機肥料和無機肥料。無機肥料又稱化學肥料,因為這些肥料不是由化學合成法製成,就是來自天然的礦物質。化學肥料是肥料中的最大宗物質,可 以依作物需要吸收的量分成三要素肥料,包括氮肥、磷肥和鉀肥;次量要素肥料,包括鎂肥和鈣肥;微量要素肥料,包括鐵、銅、錳、鋅、鉬、硼等化學結構簡單的 鹽類。本文中僅探討氮肥、磷肥和鉀肥的製造生產與能源耗用的關係,因為其用量最大,必須由化學肥料工廠大量生產和供應,才有可能滿足農民施肥的需要量,有 機肥料的氮、磷、鉀含量和總供應量確實無法承擔這個任務,只能扮演輔助性的角色。以下分別解析化學氮肥、磷肥和鉀肥的製造與耗用能源的關係。
氮肥
天然產的氮肥只有智利硝石NaNO3,只佔氮肥供應量的很小部分,絕大部分的氮肥都是化學合成的,例如常用的尿素NH2-CO-NH2、硫酸銨(NH4)2SO4和氯化銨NH4Cl,而這三種氮肥的基本原料都是來自液氨NH3。
硫酸銨是適合水田作物使用的氮肥,也可用於旱田作物;硝酸鈣是適合旱田作物的肥料,應該避免在多雨季節和水田使用;尿素顆粒圓滑、粒度整齊、顏色白中透亮,水田或旱田都適合使用,是農民最喜歡的氮肥。
現在的液氨都是由天然氣(Nature gas,CH4為其主要成分)轉化而成,所以其生產需要石油物質當做原料,製程所需的電力、熱和蒸氣也需要由石油物質當作燃料。一般而言,液氨產業是相當耗能源的產業,而尿素則是用液氨當原料,再經高溫高壓的複雜化學反應才能生成,並經脫水、製粒才能成為尿素產品,總計其生產過程耗用的能源比液氨更多。若 再以尿素單位重量的含氮量46﹪N與液氨的單位重量的含氮量82﹪N評比,則單位重量尿素的含氮量只相當於液氨的56﹪,所以尿素是氮肥中高度耗能的產 品。

磷肥
磷肥的主要原料是磷礦石,是非常不易溶解於水的氟化磷酸鈣產物。磷肥的代表產物是過磷酸鈣Calcium superphosphate。磷礦石開採後,經過選別、磨粉、加硫酸分解、乾燥、造粒或不造粒,即可以成為粒狀過磷酸鈣產品或粉狀過磷酸鈣產品,含有效 性磷酐18﹪P2O5。所以磷肥的製程所用的能源是採礦、磨粉、輸送、加硫酸、攪拌、乾燥等的動力消耗。硫酸由融硫氧化燃燒的方法製成,過程中放出很多熱 能,所以基本上是有能源收入的產品。因此,過磷酸鈣生產所消耗的能源比生產液氨低非常多,當然也比尿素低很多。
鉀肥
鉀肥的主要原料是鉀礦、並以氯化鉀礦為主。鉀礦經過開採、選礦和乾燥即可得到氯化鉀。如果要製造硫酸鉀,則讓氯化鉀與濃硫酸在高熱下反應就可以得到硫酸鉀。鉀肥的製程所用的能源,基本上和過磷酸鈣製程所耗用的能源模式很相近。
從上述氮肥、磷肥和鉀肥的生產所需耗用能源的解析。可知生產氮肥是很耗費能源的產品,其中尤以尿素耗費能源更多,而生產磷肥和鉀肥的需耗用的能源比氮 肥少很多。再從作物對三要素需求量做比較,N:P2O5:K2O大約是2:1:1,也就是說氮肥是三要素當中用量最多的肥料。所以石油價格上漲對氮肥生產 成本上漲的衝擊最大,對磷肥和鉀肥生產成本上漲的衝擊較小。

三、肥料運銷所耗用能源的分析
肥料離開生產線後,經由運銷流程送到農民手上。運銷流程涉及包裝、進出倉庫、裝卸、運輸等耗用能源的操作。
包裝
除了北美、部分歐洲國家允許散裝肥料和袋裝肥料同時存在之外,日本、部分歐洲國家和我國都採用袋裝肥料。袋裝肥料一般都用PE淋膜袋,所以石化原料價格上漲也會使得肥料袋價格上漲。

以固體肥料為例,相同的肥料成分和採用相同的運輸工具,散裝肥料要比袋裝肥料少耗用能源;大包裝肥料要比小包裝肥料少耗用能源。以往曾有每包50公斤的袋裝肥料,近年來為減少包裝肥料的搬運對人體的負荷過重,已普遍採用每包淨重20公斤的規格。

肥料成分的高低
在同一運輸工具和相同運輸距離,雖然所運送的的肥料總重相同,但若計算單位肥料成分的運輸能源消費量,就會有明顯的差別。以運送20公噸尿素和20公 噸硫酸銨做比較,前者運送了46 % N * 20公噸 = 9.2公噸N素,後者運送了21 % N * 20公噸 = 4.2公噸N素,所以以運送單位重量N素而言,運輸尿素所消耗的能量較運輸硫酸銨低。同理類推,運送相同重量的有效磷酐,則以運送重過磷酸鈣Triple superphosphate(有效磷酐46﹪P2O5)較運送過磷酸鈣Calcium superphosphate(有效磷酐18﹪P2O5)少用能源;運送同重量的高成分(High analysis)複肥(例如15-15-15)要比運送低成分(Low analysis)複肥(例如8-8-8)少用能源。

運輸工具
如使用不同的運輸工具,則其耗用能量的大小依次是卡車>火車>船;使用同一類運輸工具運送同樣肥料,裝載能量越大的,其單位重量肥料分擔的運送能源消耗越小,比較單位重量肥料消耗運輸能源大小,由大到小依序是5噸卡車>10噸卡車>20噸卡車。

四、施肥管理與能源耗用的關係
前面已介紹氮肥、磷肥和鉀肥的製造都需要耗用能源,且其中以生產氮肥使用最多能源。肥料施肥後因為肥料具有不同的化學性質,其與土壤交互作用的結果, 會造成肥料的損失(Loss)或肥料被土壤固定(Fixation),使得作物只能吸收到其中一部分的肥料。這些肥料有效成分的損失程度或被土壤固定的程 度,其實就是能源的耗損。在肥料製造工廠或是肥料運銷體系,因為是大量化和集中化的工業管理方式,所以對能源的耗用和節省會斤斤計較,並且容易得到節省能 源的成果。但是肥料交到農民手上以後,似乎少有人關心肥料沒有被有效利用,造成肥料浪費所涉及的能源損失。原因可能是農民是個體的、是分散在廣大的土地 上,所以個別計算能源損失所感覺的意義不大;另一原因是以往肥料太便宜了,所以即使知道浪費肥料也不覺得有多要緊。但是當肥料價格隨油價上漲,且油價是飆漲的時候,有效的施肥管理,增加肥料利用率,確實能幫助農民節省購買肥料的支出。以農民付200元買一包重20公斤的尿素為例,如果作物對此尿素的吸收利用率是25﹪,表示有150元是平白損失了,換一個表達方式就是農民付200只買到5公斤的有效尿素,每公斤有效尿素購買成本是40元。如果經過施肥管理 的改變或調整,把尿素的吸收利用率提高到50﹪,表示農民付200元可買到10公斤的有效尿素,每公斤有效尿素的購買成本是20元。如此可知施肥管理與能 源耗用的密切關係。
(一)氮肥的損失
1. 尿素
尿素是所有氮素肥料中耗用最多能源才能生產的肥料,但是它卻是最容易發生施肥後肥料損失的肥料。尿素極易溶解於水,其水溶性呈電中性,所以極容易隨過多的灌溉水或雨水從土壤表面的逕流流失到排水溝中(逕流損失Run-off loss);如過進入土體中也會隨著重力水進入地下水中(淋溶損失Leaching loss);留在土表的尿素經過尿素分解酵素的水解會產生NH3,若局部濃度過高或土壤呈鹼性,則會以NH3氣揮散到空氣中(揮散損失 Evaporation loss);如果分解產生的氨溶於水後並進到土體中呈還原狀態的土壤環境則會被還原成N2進入大氣中(脫氮損失 Denitrification loss)。在溫度高又多雨的熱帶和亞熱帶的水田土壤,尿素施肥後能被有效吸收利用的量通常少於40%,也就是有60%以上的氮素損失。
2. 硫酸銨等銨態氮肥
銨態氮肥極易溶於水,並產生帶正電荷的NH4+,由於土壤粒子是帶負電荷,所以可以把NH4+ 吸附在土壤粒子上,降低被多餘的灌溉水或雨水淋溶到土體外的機會,所以銨態氮肥是較適合作為水田的氮肥。銨態氮肥和尿素轉變成NH4+後的命運一樣,在還 原態的土壤中仍然會有脫氮損失。
3.硝酸態氮肥
硝酸態氮肥極易溶於水中,並以NO3-存在。因為帶負電荷,與土壤粒子所具的電性相同,所以會被排斥在土壤溶液中。當有過量的灌溉水或雨水的情況,硝 酸態氮肥會有逕流損失和淋溶損失情形。因此,硝酸態氮肥不適合作為水田肥料,在亞熱帶和熱帶多雨的地區,也要在連續晴朗的天氣,才適合使用。
作物都很容易吸收尿素、銨態氮肥或硝酸態氮肥。銨態氮儲存在作物細胞中如果沒有被轉化為胺基酸,則累積高濃度的銨態氮會讓細胞中毒及傷害,所以銨態氮 肥要分小量多次施用。作物細胞可儲存較高濃度的硝酸態氮而不受毒害,所以硝酸態肥可以用較高的劑量施肥。作物細胞也可以儲存較高濃度的尿素而不受毒害,所 以尿素可以用較高的劑量施肥。任何能減少氮肥損失,增加作物吸收氮肥的施肥措施,也算是是減低氮肥耗用能源的施肥管理方法。
(二)磷肥施肥後的損失
過磷酸鈣施肥後,會依土壤溶液的酸鹼性把有效性磷酐以H2PO4-1,HPO4-2或PO4-3的型態溶解在土壤溶液中。但是磷酸根離子與土壤溶液中 的Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Zn2+、Cu2+、Mn2+、Al3+等離子起化學結合,生成溶解性很低的鹽類而失去磷肥的有效性,此現象 稱為磷肥的固定作用(Phosphate fixation)。土壤越偏酸性或鹼性,磷肥的固定作用就越強,只有在微酸到中性的土壤溶液中,磷肥才能展現較好的有效性。磷肥因為容易被土壤固定,所 以施肥後能被吸收利用的量約20%左右。被固定的磷肥不易在土壤中移動,所以不會發生淋溶損失,並且仍會以極慢的速度釋出有效的磷素成份。
(三)鉀肥施肥後的損失
鉀肥施到土壤中後會把K+溶解在土壤溶液中,其中一部分被作物吸收,一部份會被土壤中的2:1型黏土礦物固定。其被固定的程度依土壤2:1型黏土礦物 的結晶格子中的鉀素的飽和程度而有差異,其飽和程度越低,則鉀肥被固定的鉀量會越高;其鉀素飽和度越高,則被固定的鉀量會越低。此現象稱為土壤的鉀素固定 作用(Potassium fixation),其固定能力和2:1型黏土礦物的種類有關,其固定力由強到弱依序為蛭石(Vermiculite)>伊來石(Illite)>蒙特石 (Montmorillonite)。
鉀素被固定後,即不易被淋溶損失,以後仍會以很緩的速度,或依土壤被風化的程度再被釋放到土壤溶液中。
鉀肥有帶正電荷的K+,可被帶負電荷的土壤粒子吸附,所以扣除被固定的小部分,鉀肥的有效性相當高。
五、在高油價時代,如何節省肥料的能源耗用
肥料是增加食糧、飼料和植物纖維的必需物質,而製肥原料的取得、肥料的製造和肥料的運銷都要使用石油有關的能源物質。甚至農民施肥時因為施肥管理的方 法造成肥料成分被作物吸收利用程度偏低,都與能源的耗用發生密切關係。能源需要用錢購買,石油價格高漲,表示肥料的成本也會上漲,所以應該以全方位的觀 點,從肥料的製造、產品的運銷到農民的施肥管理逐一檢討,尋求可降低肥料成本的方法。
(一)從肥料製造部門節省能源耗用,簡要歸納能降低製造部門能源成本的原則,如下述8點:
1. 改進製程,去除瓶頸,採用高效率的設備及新觸媒等,以求節省原料和熱能。
2. 提高產能利用率,使設備運轉達到設計產能,達到最好的效率。
3. 採用更有效的廢熱回收再利用的方法。
4. 改進粉塵、廢氣、廢水的處理效率。
5. 使用電腦輔助,精密控制產程,避免浪費原物料和能量。
6. 確實做好設備和儀器的維護保養,避免因設備和儀器故障導致的停工損失。
7. 提高工廠的生產規模,以得到規模經濟的效益。
8. 製程中需要使用蒸氣和電力時,增設汽電共生工場,以有效利用多出的能源。
(二)從肥料運銷部門節省能源耗用:
肥料運銷的成本涉及的成本項目較多,其中較重要的成本項目有包裝、倉儲、裝卸、運輸等。運輸成本佔肥料運銷成本的比重很高,所以要用更多的心思去檢討降低成本的方法。
簡要歸納降低運銷成本的原則,如下述5點:
1. 採購高肥料成分的原料,減少負擔無用成份的運輸費用和操作費用。
2. 製造高成分的肥料(High analysis fertilizer),減少負擔無用成份的包裝費用、倉儲費用和運輸費用。
3. 能用散裝的肥料,就不要做成袋裝肥料。能用大包裝的肥料就不要做成小包裝肥料。不過近年來為顧及搬運工人和農民身體負擔,現已普遍採用淨重20公斤的包裝。使用棧板或使用500公斤以上太空包裝運肥料也可節省裝卸費用。
4. 能用鐵路運輸就不要用卡車運輸,能用船運就不要用陸運。
5. 無論船運、鐵路運輸或卡車運送,大承載量運輸方式會比小承載量運輸方式省成本。
(三)從施肥管理節省能源耗用,簡要歸納降低施肥成本的原則,如下述4點:
1. 要在作物需要施肥的時間,及時把肥料送到農民手上。
2. 提供作物均衡的肥料養份,避免讓作物因為缺少某種肥料要素而限制作物生長,造成其他肥料要素的無謂浪費。
3. 使用適量的肥料,過量施肥不僅造成作物肥傷,也會汙染環境。
4. 採用正確的施肥管理方法,消極面要減少肥料損失或肥料固定,積極面要提高作物對肥料的利用率。
由於肥料施肥管理的問題較為複雜,大都數農民都沒有辦法自行做好施肥管理,所以政府的農業部門和肥料生產業者,有責任提供好的配方肥料(例如各種配方 的三要素複合肥料,或三要素之外也含次量或微量要素的肥料),提供各種作物的施肥推薦量,以及做好施肥管理的推廣示範教育活動,使農民得到最好的施肥效 益。正如上面所述,提高作物對肥料的利用率,是在油價高漲時代節省肥料能源耗用的最實際有用的辦法。

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