合成氨催化技術(shù)與工藝發(fā)展趨勢

吉文祥 (青海鹽湖元品化工有限責任公司化肥廠，青海 格爾木 816099)

0 引言

對于推動中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變形和農(nóng)業(yè)發(fā)展而言，合成氨技術(shù)至關(guān)重要。通過合成氨技術(shù)可以在一定程度上提升中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，對豐富中國的農(nóng)業(yè)資源，表現(xiàn)出十分突出的應用價值。近年來，中國在技術(shù)領(lǐng)域展開了深入探索，通過對合成氨催化技術(shù)和工藝流程的完善，讓中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量得到了切實提升，使農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的需求得到了充分滿足。為了讓合成氨工藝的使用效果得到全面提升，中國展開了對于合成氨催化劑技術(shù)、工藝流程及參數(shù)的深入研究。通過對各項指標的合理化控制，讓催化劑性能的安全性得到充分保障。

1 合成氨催化技術(shù)

1.1 技術(shù)概述

在社會經(jīng)濟水平持續(xù)提升的背景之下，我國的科學技術(shù)得到了全面發(fā)展，對于農(nóng)產(chǎn)品也提出了更高的要求，通過合成氨技術(shù)可以讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量得到充分保障。我國是世界上最大的農(nóng)業(yè)國，隨著農(nóng)業(yè)企業(yè)的不斷發(fā)展，水污染問題也十分嚴峻，甚至危害了人體的健康和智力發(fā)展，對生態(tài)自然平衡造成了極大程度的破壞?，F(xiàn)階段，我國每年合成氨的產(chǎn)量及用量都非常豐富，為此需要社會各界人士提高對于合成氨生產(chǎn)的關(guān)注，通過技術(shù)優(yōu)化的形式達成節(jié)能減耗的最終目標。

在我國合成氨工業(yè)發(fā)展進程中，有超70%以上的材料都是由合成氨構(gòu)成的。社會經(jīng)濟水平的持續(xù)發(fā)展為合成氨技術(shù)提供了更大的應用空間，將合成氨催化技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中，可以有效應對我國人口增長和糧食短缺的矛盾問題，由此可見，合成氨催化技術(shù)表現(xiàn)出十分重要的理論價值，且具有一定的綜合性。當前階段，在高溫環(huán)境中，我國的合成氨工業(yè)催化效率已經(jīng)可以達到一個穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，且防水性能消耗在整個生產(chǎn)過程中僅僅占據(jù)了1/10，讓催化效率得以維持在一個良好的濃度范圍內(nèi)。

現(xiàn)階段，在合成氨生產(chǎn)之中可能涉及多種不同形式的節(jié)能工藝和手段，氨是一種無色、刺激味較強的氣體，它的沸點在-33.9 ℃左右，熔點在-77.7 ℃左右。作為一種非常重要的無機化合物，氨在生活中的應用僅次于烯烴和芳烴，表現(xiàn)出十分光明的應用前景。通過合成氨催化劑也可以實現(xiàn)較為徹底的催化效果，但其結(jié)構(gòu)和技術(shù)仍然存在許多問題。為此，需要在化學分析過程中提高對于這一技術(shù)的關(guān)注，并將其拓展到環(huán)境衛(wèi)生和工農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域之中。環(huán)境催化領(lǐng)域和聚合物等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，讓合成氨催化劑發(fā)揮出日益重要的位置，在一定程度上推動了合成氨工業(yè)的發(fā)展，可以讓催化劑技術(shù)得到全面升級和優(yōu)化[1]。

1.2 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在經(jīng)過長時間的優(yōu)化改造后，我國的合成氨工藝已經(jīng)初具規(guī)模，在世界上處于相對領(lǐng)先的位置。在高溫高壓的環(huán)境下，借助催化劑實施合成氨生產(chǎn)表現(xiàn)出良好的平衡效果，且具有一定程度的相似性。然而，由于原材料氣體在實踐中必須發(fā)生多次的循環(huán)才能讓合成氨自能量得到充分提升，所以導致生成合成氨的過程中所表現(xiàn)出的單程轉(zhuǎn)化率存在一定的缺陷，使得許多原料體系都在生產(chǎn)工程中被浪費，難以實現(xiàn)良好的單程轉(zhuǎn)化效果。為了在最大程度上推動合成氨的平衡轉(zhuǎn)化，我國提出要針對合成氨反應溫度予以充分控制，以充分保障催化劑的活性。

2 合成氨催化技術(shù)

2.1 釕催化劑

以釕催化劑為主要的活性物質(zhì)，在活性炭上，通過金屬鋇和金屬鉀的形式，發(fā)揮良好的催化作用，讓合成氨的生產(chǎn)效率得到充分提升。通常情況下，該物質(zhì)在常壓環(huán)境中的活化能為69 kJ/mol，為了讓釕金屬的作用得以充分展現(xiàn)，可以通過具有高分散性的載體進行操作，一般以浸漬法的應用最為頻繁。調(diào)查結(jié)果顯示，釕催化劑的性能可能會受到多種因素的綜合控制，包括但不限于助催劑、載體、制備方式等。無論是使用鐵催化劑還是釕催化劑，氮氣的解離吸附效果都不會存在過大的差距。因此，可以借此實現(xiàn)對合成氨速率的有效控制，然而，相比之下，氨氣更可能受到氫氣的吸附抑制作用。

2.2 KAAP工藝

為了讓單杠的合成質(zhì)量得到充分保障，需要將壓力值預設為8.96 MPa，在這樣的壓力范圍內(nèi)可以在最大程度上節(jié)約催化劑的投入成本，同時，減少催化劑合成的時間。KAPP合成塔是該工藝發(fā)展的核心環(huán)節(jié)，通常表現(xiàn)為單系列、大型化等一系列特征。一般通過熱必塔實施操作，熱必塔通常為四床層的結(jié)構(gòu)，通過間接的方法在熱環(huán)境作用下實施催化反應。對于同一筒徑內(nèi)的裝置，可以借助內(nèi)部換熱器和四床催化劑的形式實施催化。如果在第一床裝置內(nèi)放入鐵催化劑，并將其質(zhì)量控制在總量催化劑總量的一半左右，剩余位置處則應填放釕催化劑。在預設的壓力狀態(tài)下，可能產(chǎn)生合成氨的體積約為1/5。由此可見，借助KAAP技術(shù)進行合成氨生產(chǎn)，平均每噸合成氨可以節(jié)約大約2.5美元的成本，其節(jié)能效率為1.2 GJ/t。結(jié)合我國合成氨催化投產(chǎn)實際可以發(fā)現(xiàn)，鐵催化劑和釕催化劑二者的使用壽命不存在較大的差距，且相應的載體變化差異較為明顯[3]。

2.3 超臨界合成氨工藝

在合成氨生產(chǎn)工藝流程中可能會因受到催化劑活性溫度、壓力狀態(tài)以及化學平衡狀態(tài)等多種因素的影響而對合成氨的單程轉(zhuǎn)化率造成限制，使得合成氨單程轉(zhuǎn)化率僅能保持在15%～25%之間。在此過程中，由于氣體的循環(huán)作用可能會提高動能的消耗量。隨著溫度的不斷提升，物質(zhì)反應速率也會發(fā)生一定程度的提升，導致平衡氨濃度下降，為此，可以在475 ℃時，借助催化劑加速反應，讓反應可以更快到達平衡氨濃度。通常使用A301催化劑或Ru催化劑實施操作，在此過程中可以借助低溫活性催化劑的形式，在最大程度上保證催化劑的應用效率，以促進新原料的運用。在低溫環(huán)境中，讓催化劑的化學活性得以充分保持。為了在最大限度內(nèi)擺脫化學平衡的束縛，可以通過非平衡限制氨的形式進行加氫工藝操作，在使用超臨界合成技術(shù)時，在液體密度、液體、氣體性質(zhì)、氣體擴散性等多種因素的綜合影響下，可以讓催化劑的傳遞有效性得到充分保障，讓催化劑的選擇性可以得到充分保障，同時，切實提升催化劑的轉(zhuǎn)化率。

3 合成氨工藝發(fā)展

現(xiàn)階段，我國的合成氨年產(chǎn)量已經(jīng)可以達到每年4500萬 t，需要在全國范圍內(nèi)積極推動氮肥工業(yè)的發(fā)展，讓我國的氮肥發(fā)展可以盡快達到國際領(lǐng)先水平，讓我國氨工藝技術(shù)的國際競爭力得到切實提升。在氨工藝生產(chǎn)過程中，積極進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并以原料整合為重要方向進行氨工藝操作，可以讓氨工藝的經(jīng)濟性得到充分彰顯。

3.1 自動化、集成化

在經(jīng)過多年發(fā)展后，我國的合成氨技術(shù)已經(jīng)初具規(guī)模，并逐漸朝向自動化和集成化的方向發(fā)展。需要積極探索與環(huán)境友好的工藝技術(shù)，提升市場對催化劑和裝置設備的接納度，以推動單系列合成氨裝配工藝的發(fā)展。整體來看，將天然氣當作主要原料的技術(shù)與合成氨技術(shù)的產(chǎn)能相比，不存在明顯的差異。通過工業(yè)自動化技術(shù)的形式，可以讓合成氨工藝的質(zhì)量和效率得到充分保障，以促進人力解放，讓工藝精度得到充分提升，切實保障合成氨工藝的技術(shù)效果。

3.2 使用“多聯(lián)產(chǎn)”原料結(jié)構(gòu)

在全球原油供應嚴重短缺的宏觀大環(huán)境下，為了切實提升合成氨工藝的經(jīng)濟性，在最大程度上保障合成氨的競爭力，需要針對合成氨的原材料結(jié)構(gòu)予以積極優(yōu)化，以免因原油資源匱乏而對合成氨的生產(chǎn)制造質(zhì)量造成限制，采取“多聯(lián)產(chǎn)”結(jié)構(gòu)的形式，推動相關(guān)工藝流程的發(fā)展。

3.3 積極促進合成氨工藝的可持續(xù)發(fā)展

通常情況下，釕催化劑之中的原料成分較為稀缺，是一種稀缺金屬。由于受到化學平衡條件的影響，可能對催化劑工藝技術(shù)水平的發(fā)展造成不同程度的限制。為了讓催化劑工藝技術(shù)水平得到充分提升，實現(xiàn)良好的節(jié)能效果，讓氨工藝流程實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，需要我們積極展開對合成氨裝置的優(yōu)化改造，通過持續(xù)的探索，在最大程度上減少工藝流程之后所產(chǎn)生的廢物和副產(chǎn)物，推動合成氨技術(shù)的良性發(fā)展，早日達成“零排放”的終極制造目標。

4 結(jié)語

總而言之，合成氨技術(shù)對于我國工業(yè)制造生產(chǎn)而言十分關(guān)鍵。為了在最大程度上保障原料加工效果，需要展開對于催化劑技術(shù)的積極探索，不斷豐富和拓展催化劑的種類，針對催化劑的技術(shù)參數(shù)等一系列指標予以優(yōu)化。并以此為前提，提升氨工藝的自動化和集成化程度。此外，針對生產(chǎn)裝置及生產(chǎn)原料實施針對性優(yōu)化，可以讓我國氨工藝得到穩(wěn)定持久發(fā)展。通過原料結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，讓氨工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和質(zhì)量得到充分提升，在最大程度上提升我國合成氨的節(jié)能降耗生產(chǎn)水平，以更好適應合成氨工業(yè)的發(fā)展。