合成氨催化技術(shù)與工藝發(fā)展探究

劉國(guó)旗 劉寶

摘要：氨（NH3）是一種重要的化工原料，主要用于生產(chǎn)化肥、硝酸、銨鹽、純堿等。合成氨工業(yè)作為化工的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。同時(shí)，傳統(tǒng)的合成氨生產(chǎn)也是一個(gè)噸位大、能耗高、能效低的化工行業(yè)。改進(jìn)氨合成工藝和催化劑將大大降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。開發(fā)新型低溫高活性催化劑，將反應(yīng)的溫度降低，提高氨的平衡和單向轉(zhuǎn)化率，從而達(dá)到提高氨產(chǎn)量，這一直是合成氨工業(yè)追求的目標(biāo)。釕基催化劑的發(fā)明、鐵基催化劑的建立和三元氮化催化劑的出現(xiàn)不斷改進(jìn)合成氨技術(shù)，都是該領(lǐng)域一代又一代研究者做出的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：合成氨;催化技術(shù);工藝發(fā)展

引言：在我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量決定了農(nóng)民的收入、社會(huì)大眾的糧食基礎(chǔ)以及對(duì)社會(huì)主義現(xiàn)代化市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)水平的調(diào)控。而想要推進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量大幅提升就一定要重視對(duì)于化肥原料的使用，傳統(tǒng)的做法是借助人、牲畜以及其他動(dòng)物的糞便來(lái)施肥，這是因?yàn)檫@些物質(zhì)中含有大量的氨，但是其總量卻是有限的。因此，在工業(yè)技術(shù)革命的過(guò)程中，合成氨成為最好的替代品，研究合成氨催化技術(shù)的改良與優(yōu)化以及對(duì)相應(yīng)的工藝發(fā)展水平進(jìn)行提升就成為現(xiàn)階段的重點(diǎn)任務(wù)，也是為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能耗的降低和生產(chǎn)效率的提高打好基礎(chǔ)的重要措施。

1.日常生活中氨氣的具體應(yīng)用

氨在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，特別是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。氨主要用來(lái)制造肥料。液氨可以直接用作肥料。其加工產(chǎn)品包括尿素、硝酸銨、氯化銨、碳酸氫銨、磷酸銨、硝酸銨、鉀肥等。氨也是一種非常重要的工業(yè)原料。由氨產(chǎn)生的硝酸，在工業(yè)中是不可或缺的重要化工原料，更有“炸藥之母”之稱，是各種炸藥如：三硝基苯、硝化甘油等重要的化學(xué)前體。硝酸銨不僅是一種優(yōu)良的肥料，而且也是一種安全的炸藥。氨在其他工業(yè)中也有廣泛的應(yīng)用。氨及其加工產(chǎn)品有石油煉制、橡膠工業(yè)、冶金工業(yè)、機(jī)械加工等部門以及輕工業(yè)、食品工業(yè)、制藥工業(yè)不可缺少的。在化學(xué)纖維和塑料工業(yè)中，氨、硝酸和尿素都是不可缺少的，用于生產(chǎn)單體，如：己內(nèi)酰胺、尼龍6、丙烯腈和聚酯纖維等。再例如，大多數(shù)的工業(yè)制冷、空調(diào)和食品制冷系統(tǒng)都使用氨作為制冷劑。

2.合成氨技術(shù)的基本現(xiàn)狀

新中國(guó)成立后，從20世紀(jì)50年代開始國(guó)家就持續(xù)投入了人力和物力發(fā)展合成氨工業(yè)體系，并持續(xù)開展相關(guān)的研究和探索，使我國(guó)的合成氨技術(shù)有了很大的進(jìn)步。到目前為止，雖然我國(guó)已成為世界上生產(chǎn)氨產(chǎn)量最多的國(guó)家。但我國(guó)的合成氨生產(chǎn)工藝仍然存在著許多問(wèn)題。

2.1合成氨技術(shù)

氨合成技術(shù)是無(wú)機(jī)化學(xué)工程專業(yè)學(xué)生必須掌握的知識(shí)，它由化學(xué)工程、化學(xué)、物理等多種合成技術(shù)組成的專業(yè)知識(shí)。同時(shí)，也是一門相當(dāng)復(fù)雜的工程技術(shù)。（1）為合成氨生產(chǎn)半水煤氣煤（例如）：中通入適量的空氣氣化燃燒爐，在原料（煤），使其燃燒加熱，再到空氣和蒸汽，蒸汽和熱碳反應(yīng)生成H2和CO，空氣中的氧氣被消耗。半水煤氣是工業(yè)合成氨的原料氣，其主要成分是H2、CO、CO2、N2和H2O（g）。（2）原料氣凈化：該工藝主要是去除半水煤氣中的硫，然后進(jìn)行特定的轉(zhuǎn)化，去除氣體中微量的CO、CO2等雜質(zhì)。（3）氨合成：氨合成反應(yīng)主要將前段產(chǎn)生的H2、N2在合成塔內(nèi)進(jìn)行合成反應(yīng)。在一定的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件下，將原料氣按比例混合，在高溫高壓條件下合成產(chǎn)生氨氣。這是一個(gè)典型的工藝流程，遵循物料平衡的原則。

2.2能耗現(xiàn)狀

合成氨工業(yè)幾十年來(lái)一直以節(jié)約能源和減少消費(fèi)產(chǎn)業(yè)為主要任務(wù)，在各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)部門的關(guān)心支持下，通過(guò)持續(xù)節(jié)能技術(shù)改造和創(chuàng)新，與大量的有效的新技術(shù)技能，高效的設(shè)備，新的節(jié)能技術(shù)措施，氨的每噸產(chǎn)品能耗逐步下降，產(chǎn)生明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

2.3中國(guó)合成氨發(fā)展前景

中國(guó)現(xiàn)有中型氨廠已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于曾經(jīng)的55座，年生產(chǎn)能力約1000萬(wàn)t;其下游產(chǎn)品主要是尿素和硝酸銨。其中以煤和焦炭為原料的機(jī)組約34臺(tái)，以殘油為原料的機(jī)組約9臺(tái)，以天然氣為原料的機(jī)組12臺(tái)。目前，中國(guó)有小型氨廠700多座，年生產(chǎn)能力約3000萬(wàn)t。其下游產(chǎn)品主要是碳酸氫銨，但其中的112臺(tái)已改性，可以生產(chǎn)尿素。在我國(guó)合成氨過(guò)程中雖然存在一些問(wèn)題，但是經(jīng)過(guò)我們的不斷改造，已取得了很大的成果[1]，天然氣作為原料在大型合成氨裝置中所占比例最大，占比達(dá)到約50%。其它的原料來(lái)自殘油、石腦油（各占43%），煤（占7%）。氨的主要用途是生產(chǎn)尿素。設(shè)備改進(jìn)后，生產(chǎn)率大大提高了。此外，我國(guó)還在繼續(xù)建設(shè)大型合成氨設(shè)備，提高了我國(guó)的合成氨生產(chǎn)能力。同時(shí)，中國(guó)已經(jīng)發(fā)展為世界上生產(chǎn)氨最大的國(guó)家，氨技術(shù)發(fā)展更快，掌握了無(wú)煙煤，焦?fàn)t煤氣，天然氣和油田伴生氣和各種原材料的液態(tài)烴生產(chǎn)合成氨技術(shù)，形成了特有的煤炭、石油、天然氣原料共存和大型與中小規(guī)模共存的行業(yè)生產(chǎn)模式。目前，氮肥行業(yè)不僅僅滿足了國(guó)內(nèi)需求，在和國(guó)際市場(chǎng)相接以后，已有能力與國(guó)際合成氨產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。

3.合成氨催化技術(shù)分析與工藝發(fā)展探究

3.1合成氨催化劑分析

目前世界范圍內(nèi)常見的合成氨催化劑包括氧化鐵基催化劑、釕基催化劑及四氧化三鐵傳統(tǒng)熔鐵催化劑三種，而且相應(yīng)的研究熱點(diǎn)都集中在逸度和普遍化Temkin方程的應(yīng)用上。與其他兩種合成氨催化劑相比較來(lái)說(shuō)，釕基催化劑目前多用于KAAP工藝中，是一種在低溫或者壓力都比較苛刻環(huán)境中還能夠具有較高活性催化的試劑[2]，對(duì)于相應(yīng)合成氨的產(chǎn)量和濃度還具有較好的保障。

3.2KAAP工藝分析

為了有效促進(jìn)合成氨催化技術(shù)的進(jìn)步，必須要將老舊的技藝、行業(yè)準(zhǔn)則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行摒棄，當(dāng)然精華的部分是需要加以保留和發(fā)展利用的。所謂的KAAP技術(shù)在提出和后期的應(yīng)用過(guò)程中，最為主要的優(yōu)勢(shì)就在于該種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單系列的大型化，將KAAP合成塔利用起來(lái)，幫助最終合成氨中的氨體積分?jǐn)?shù)達(dá)到21.7%。而且該種技術(shù)不僅能夠大力簡(jiǎn)化合成氨的催化過(guò)程和操作步驟，而且還能夠降低對(duì)于人力、物力、財(cái)力等資源的浪費(fèi)，體現(xiàn)了較高水平的經(jīng)濟(jì)集約化原則。

3.3合成氨催化工藝進(jìn)展

首先，對(duì)于等壓合成氨技術(shù)而言，較高的氨組分轉(zhuǎn)化率能夠在保證較低能耗的前提下加速合成氨的形成，但是出于經(jīng)濟(jì)層面的考慮，則需要保持氨凈值控制在8.4%以上即可。其次，要針對(duì)超臨界合成氨技術(shù)進(jìn)行研究，由于伴隨著溫度的上升和反應(yīng)速度的提高，合成氨中氨組分的濃度會(huì)降低，這時(shí)想要突破化學(xué)平衡限制的條件，就一定要使反應(yīng)擺脫化學(xué)平衡限制，即采用非平衡限制氮加氫技術(shù)，提高合成氨成果，才能夠在一定程度上幫助合成氨反應(yīng)的選擇性變小，幫助其相關(guān)組分的轉(zhuǎn)化率進(jìn)一步提升。

結(jié)論：

簡(jiǎn)而言之，我國(guó)城市發(fā)展進(jìn)程的不斷推進(jìn)，一方面和工業(yè)化水平的進(jìn)步息息相關(guān)，另一方面與長(zhǎng)久性支持我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的農(nóng)業(yè)發(fā)展具有密切聯(lián)系。為了有效促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步，大量地利用化肥原料已經(jīng)成為一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)，而在多種多樣化肥原料的使用過(guò)程中，合成氨的使用頻率和使用劑量最大，而且對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效果也最好。在對(duì)合成氨催化技術(shù)進(jìn)行研究的過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)相關(guān)的工藝參數(shù)控制和生產(chǎn)流程的規(guī)范性都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生巨大影響，為了促進(jìn)合成氨催化技術(shù)的進(jìn)步，使得相應(yīng)的工藝發(fā)展水平越來(lái)越高，研究人員就必須要結(jié)合實(shí)際來(lái)進(jìn)行高活性催化劑的研究，進(jìn)一步推動(dòng)合成氨生產(chǎn)工藝的發(fā)展[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建紅.合成氨技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展研究[J].化工管理，2018，（14）.

[2]雷玉平，王娟娟.合成氨催化技術(shù)與工藝發(fā)展探究[J].化工管理，2018，（1）：193-193.

[3]朱鑫，董大為，黃建國(guó)，等.600kt/a合成氨裝置氨合成催化劑還原小結(jié)[J].中氮肥，2018（2）.