探析合成氨催化技術與工藝發(fā)展趨勢

叢恒新

(兗礦魯南化工有限公司，山東滕州，277500)

合成氨主要是指氫與氮在高壓、高溫、催化作用下所形成的氨，在化學工業(yè)中氨是有機化工及化肥工業(yè)重要原料之一。20世紀初期開始發(fā)展合成氨工業(yè)， 將其視為火炸藥工業(yè)主要原料，在此基礎上轉而為工業(yè)、農業(yè)服務，伴隨技術革新及市場發(fā)展，合成氨需求量與日俱增。催化技術主要是指運用有效的催化劑進行催化反應，達到節(jié)約原料，增強原料活力，滿足工業(yè)生產需求的目的?；诖?，為使合成氨工業(yè)良性發(fā)展，探析有關技術與工藝發(fā)展方略顯得尤為重要。

1 合成氨催化技術

合成氨工業(yè)需在低壓、低溫基礎上保障催化劑具有更高活性，當前在高溫下工業(yè)催化劑具有超9成的催化效率，例如475℃+、15MPa條件下A301催化劑具有接近100%的催化效率。合成氨工業(yè)單程轉化率約為15%—25%，氣體循環(huán)追加動力消耗。若想增強單程轉化率及催化劑活性需降低反應溫度。英國BP公司發(fā)明釕催化劑，我國創(chuàng)立FeO基催化劑系統(tǒng)，助推合成氨催化劑步入全新發(fā)展階段。

1.1 釕催化劑

將釕作活性成分，活性炭為載體，金屬鉀、鋇為促進劑的催化操作，可提高氨合成綜合效率，常壓下69kj/mol為其活化能。為保障釕這種稀貴金屬充分利用，需在高分散載體上予以制備，其中浸漬法最常應用。據統(tǒng)計，載體、母體化合物、制備方式、助催劑等均對釕催化劑的綜合性能產生一定影響。N2在鐵催化劑與釕催化劑解離吸附效果基本一致，是合成氨控制速率重要步驟，同時二者反應存在區(qū)別，NH2受H2吸附抑制作用明顯，釕催化劑上NH3抑制相對不顯著。

1.2 KAAP工藝技術

為保障單杠合成效果更優(yōu)，將壓力設定為8.96MPa，同時在該壓力作用下能夠節(jié)約催化劑投入成本及合成時間，其中KAAP合成塔是核心，具有大型化、單系列特征，運用熱壁塔，該塔為四床層，以間接的形式經由換熱徑進行催化反應，在同一筒體內裝置內部換熱器及四床催化劑。將鐵催化劑裝在第一床裝置內，占總量1/2，其余床裝置內填充釕催化劑，壓力在8.96MPa狀態(tài)下出口端氨體積約為21.7%。應用KAAP工藝技術合成氨每噸生產成本可節(jié)約2.5美元左右，節(jié)能約為1.2GJ。1992年首次釕基合成氨催化投產活動表明，鐵催化劑、釕催化劑壽命相當，同時與活性炭載體變化情況關系緊密，其催化劑毒物、抗毒性二者亦相當[1]。

1.3 等壓合成氨工藝技術

將煤視為原料的合成氨工藝主要囊括等壓合成氨工藝技術、微加壓合成氨工藝技術、升壓合成氨工藝技術，對壓力參數有一定要求，以等壓合成氨工藝技術為例，其將壓力規(guī)設為8.5MPa用以制氣，合成氨則將壓力調整為7.5MPa。在應用等壓合成氨工藝技術進程中運用低壓低溫合成氨催化劑，其中ICI(英國)公司研發(fā)74-1型鐵鈷系合成氨催化劑，我國浙江大學通過10余年研究將A301型低壓低溫合成氨催化劑視為主要原料，作為新型催化劑之一其活性相較于74-1型催化劑較優(yōu)，為我國研究低壓合成氨工藝技術創(chuàng)造有利條件。經由試驗可知，A301催化劑在6000—8000h空速及7.0MPa壓力條件下氨體積分數超10%，與等壓合成氨工藝技術經濟型發(fā)展要求相契合。以大型合成氨工廠為例，在8.53MPa條件下應用水煤漿、粉煤渣、渣油等原料制氣，施加等壓合成工藝技術，基于省去合成氣壓縮機設施，動能合成消耗節(jié)約4309.49kW，103.43kW·h為噸氨節(jié)電量，該催化技術應用價值可見一斑。

1.4 超臨界合成氨工藝技術

受催化劑活性、化學平衡、高壓高溫制備等條件影響，合成氨單程轉化率約為15%-25%，氣體循環(huán)加速動能消耗。在溫度升高后反應速率加快，降低平衡氨濃度，現有催化劑如Ru催化劑、A301催化劑等在475℃+條件下反應接近或達到平衡氨濃度。基于此，低溫活性催化劑成為提高催化劑應用效率新原料，通過降低反應溫度保障催化劑在低溫下保持良好的活性。為規(guī)避化學平衡限制，可應用非平衡限制氨加氫工藝技術，超臨界合成技術中流體兼具液體、氣體性質，兼具氣體擴散性、黏性及液體密度，使催化劑傳遞性能得以提升，提高催化劑選擇性、轉化率。例如，應用氮氣+氫氣制備利用介質超臨界特性，從催化劑表面將氨萃取下來，由超臨界介質包裹氨，繼而降低氣相氨及催化劑附和濃度，加速正向反應，保障順利生成氨。從宏觀來看，能夠打破3/2H2+1/2N2=NH3平衡，最終得到不可逆反應，提升合成氨單程轉化率，達到節(jié)能降耗目的[2]。

2 合成氨工藝發(fā)展

我國合成氨生產規(guī)模約為4500萬噸/年，國內需求助推氮肥工業(yè)發(fā)展與國際接軌，合成氨工藝國際市場競爭力提升，該工藝將產品結構升級、原料整合視為發(fā)展主要方向，改良合成氨工藝經濟性。

2.1 自動化、集成化、大型化

我國合成氨工藝技術將朝著規(guī)模化方向發(fā)展，環(huán)境友好型工藝技術、催化劑、裝置設備被市場所接納，4000-5000T/D是單系列合成氨裝配工藝技術理想水平，其中以天然氣為主要原料的技術手段合成氨產能與之趨近。應用工業(yè)自動化技術手段提高合成氨工藝效率，將人力從該工藝中解脫出來，提高工藝精度，使合成氨工藝技術效果更佳[3]。

2.2 用“多聯(lián)產”及再加工取代“油改煤”、“油改氣”原料結構

為改善合成氨工藝經濟性，提升合成氨競爭力，在全球原油供應率降低條件下，需改善核心原料結構，避免因原油資源不足降低合成氨生產制造綜合質量，通過“多聯(lián)產”助推有關工藝技術創(chuàng)新爭優(yōu)。

2.3 助推合成氨工藝可持續(xù)發(fā)展

釕催化劑中的原料屬于稀缺金屬，在化學平衡條件影響下催化劑工藝技術應用效率有待進一步提升，達到降低能源消耗的目的，繼而助推合成氨工藝技術良性發(fā)展。基于此，未來我國合成氨裝置需持續(xù)改進升級，確保生產過程絕少產生廢物、副產物，實現“零排放”清潔型加工制造目標。

2.4 提高合成氨生產可靠性

針對工藝技術進行改造，如采用煤氣化工藝合成氣，創(chuàng)建空氣分離流程，應用全低壓技術壓縮空氣，為合成氨提供中高低壓氮氣及工藝氧氣；創(chuàng)建耐疏變換流程，應用耐疏變化工藝技術轉變CO；創(chuàng)建酸性氣體脫除流程，應用低溫甲醇清洗工藝技術，實現脫硫脫碳目標，除去合成氨中的CO、HS等成分，繼而達到提高合成氨生產可靠性目的[4]。

3 結論

綜上所述，合成氨是我國工業(yè)制造重要原料之一，為保障該原料加工生產效果更佳，需針對催化劑技術加強研究，豐富催化劑種類，改進催化劑技術參數，在此基礎上助推合成氨工藝朝著自動化、集成化、大型化方向發(fā)展。通過裝置、原料等要素的改良助推合成氨工藝可持續(xù)發(fā)展，用“多聯(lián)產”及再加工取代“油改煤”、“油改氣”原料結構,提高合成氨生產可靠性,繼而提升我國合成氨節(jié)能降耗生產能力，滿足新時代合成氨工業(yè)發(fā)展需求。