合成氨催化劑活性降低原因的處理

杜發(fā)亮

摘 要：預(yù)防催化劑活性降低，是合成氨工業(yè)生產(chǎn)中重點(diǎn)研究的內(nèi)容，也是實(shí)踐的重要課題。隨著我國合成氨生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和工藝的進(jìn)步，合成氨生產(chǎn)中催化劑活性降低或永久失活的問題逐漸減少，但為確保合成氨系統(tǒng)的高效運(yùn)行，在合成氨生產(chǎn)中仍然要做好合成氨催化劑失活的防范措施，下文先以合成氨中應(yīng)用較廣泛的鐵基催化劑為例，介紹了其失活的原因及措施，然后以某化工廠氨合成為例，介紹了該廠實(shí)際生產(chǎn)中氨合成催化劑失活的原因及措施，希望可以幫助相關(guān)人員解決實(shí)際生產(chǎn)中的問題。

關(guān)鍵詞：合成氨；活性；降低；催化劑；原因

氨是重要的化工原料，其腐蝕性和揮發(fā)性均較強(qiáng)。但是隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和工業(yè)的發(fā)展，我國對(duì)液氨的需求量逐漸增多，使得液氨生產(chǎn)企業(yè)不斷擴(kuò)大產(chǎn)能，合成氨生產(chǎn)技術(shù)也得到顯著進(jìn)步和提高。由于氨合成催化劑活性的高低對(duì)合成氨的速率及質(zhì)量有直接影響，在該種生產(chǎn)和需求現(xiàn)狀下，如何確保氨合成過程中催化劑的活性，是企業(yè)和研究人員需要認(rèn)真思考的問題。

一、合成氨的主要方法分析

（一）中壓法。中壓法合成氨過程中，建議壓力控制在20-60MPa，反應(yīng)溫度控制在450-550℃。利用中壓法合成氨的過程中，由于合成壓力較低，所以從生產(chǎn)效率和投資成本回報(bào)上加以考慮的話，應(yīng)用該方法比較劃算，在工業(yè)合成氨生產(chǎn)中的應(yīng)用也相對(duì)廣泛。

（二）低壓法和其他方法。低壓法是指操作壓力在10MPa左右的合成氨生產(chǎn)方法，在低壓法中要求反應(yīng)溫度控制在400-450℃。在低壓法中想要提高催化劑的使用壽命，需要提高原料氣的制備純度和精度，而且低壓法合成氨純度難以控制，生產(chǎn)效率低，其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用不多。

二、合成氨催化劑活性降低的原因

下面以我國合成氨中應(yīng)用較廣泛的鐵基催化劑為例進(jìn)行說明：

（一）合成氨鐵基催化劑活性降低的原因。工業(yè)合成氨生產(chǎn)中所應(yīng)用的鐵基催化劑，其有著比較高的催化活性。加之其反應(yīng)溫度和壓強(qiáng)較大，因而在工業(yè)生產(chǎn)中極易中毒失去活性。在合成氣體的過程中，會(huì)存在氯、磷、硫等化合物和單質(zhì)，假如這些雜質(zhì)若不除去會(huì)使后續(xù)氨合成催化劑中毒而失去活性，而且氯、硫、磷、氧等單質(zhì)對(duì)催化劑失去活性的影響是永久性的、不可逆的，但化合物引起的中毒卻可以通過技術(shù)處理恢復(fù)。

（二）合成氨催化劑活性降低的處理。假如合成氨催化劑出現(xiàn)永久性中毒的情況，此時(shí)需要更換催化劑，在更換催化劑時(shí)要保證填料操作工序的正確性及嚴(yán)密性。那么對(duì)于沒有永久失去活性的合成氨催化劑來說，可以采取措施進(jìn)行活性恢復(fù)，帶恢復(fù)后重新使用。在合成氨工業(yè)生產(chǎn)中，最常見的就是化合物毒性物質(zhì)造成的催化劑活性降低。通常情況下，CO和CO2來源于不合格的合成氣，是甲烷氣體生產(chǎn)中遺留產(chǎn)生的。

導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因包括甲烷爐故障、操作失誤等，需要做好設(shè)備維護(hù)和生產(chǎn)管理。水則來源比較多樣，造成催化劑中毒的H2O來源主要有兩方面：一是新鮮合成氣中水分超標(biāo)，這是由于壓縮機(jī)段冷凝水不能有效排凈導(dǎo)致；二是廢熱鍋爐和水冷器泄露，泄露主要發(fā)生在開車或停車間。想要避免水對(duì)催化劑活性的影響，就一定要嚴(yán)格日常生產(chǎn)操作規(guī)范，并做好設(shè)備運(yùn)行參數(shù)控制。

三、某化工廠合成氨催化劑活性降低的原因及處理措施

（一）合成氨催化劑活性降低的原因。某化工廠于2016年4月5日4時(shí)52分焦?fàn)t煤氣提氫系統(tǒng)加量，4時(shí)57分焦?fàn)t煤氣量增加至37388Nm3/h。5時(shí)合成塔一段催化劑熱點(diǎn)溫度下降，二、三段溫度上升。5時(shí)40分合成反應(yīng)較差，氨合成系統(tǒng)的壓力持續(xù)升高，而床層溫度整體呈下降趨勢(shì)，產(chǎn)品總量也在下降，表面上分析以為是氣體成分不合格造成的，此時(shí)的系統(tǒng)最高壓差為0.88MPa，說明上段催化劑的反應(yīng)活性已經(jīng)下降，對(duì)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行帶來了較大影響，催化劑中毒前、后氨合成系統(tǒng)運(yùn)行比較如表1。

該化工廠當(dāng)前的氨合成塔運(yùn)行不到兩年，所以將因催化劑老化引起催化活性降低的因素排除，經(jīng)在線查看與分析補(bǔ)充氣的組分得出，引起催化劑活性降低的原因如下：甲醇?xì)夤駚淼慕範(fàn)t煤氣質(zhì)量差、含水多，且煤氣中萘含量高，造成螺桿機(jī)進(jìn)口水封處積水而抽負(fù)壓，螺桿機(jī)出現(xiàn)短時(shí)切氣，脫硫、脫氧出口壓力瞬間由1.5MPa突然降至1.0MPa，此時(shí)因?yàn)榧状捡Y放氣管道通過臨時(shí)管道與脫硫、脫氧系統(tǒng)相連，壓力相對(duì)較高的甲醇池放氣串入脫硫、脫氧系統(tǒng)，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)CO的體積分?jǐn)?shù)由4×10-6升至50×10-6，導(dǎo)致了催化劑輕微中毒。

（二）針對(duì)該廠催化劑失活的處理措施。一，拆除甲醇馳放氣管道與脫硫、脫氧系統(tǒng)相連的臨時(shí)管，并在脫硫、脫氧系統(tǒng)端閥門處加盲板；二，為保證催化劑床層溫度，打開合成系統(tǒng)近路閥，減少循環(huán)量，減小空速。將催化劑熱點(diǎn)溫度工藝指標(biāo)由470±5℃提高至475±5℃，適度還原。循環(huán)氫的體積分?jǐn)?shù)由原來的67%-70%提至75%，當(dāng)合成塔各段床層溫度從入口到出口開始上升時(shí)，說明中毒催化劑活性在逐步恢復(fù)，此時(shí)氨合成速率在逐步提升，裝置整體運(yùn)行正趨于平穩(wěn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]談薇.甲烷氮?dú)獬汉铣砂贝呋瘎┑闹苽浼靶阅苎芯縖D].西北大學(xué)，2016.endprint