合成氨催化技术与工艺发展探究

刘国旗 刘宝

摘要：氨（NH3）是一种重要的化工原料，主要用于生产化肥、硝酸、铵盐、纯碱等。合成氨工业作为化工的支柱产业之一，在国民经济中占有重要地位。同时，传统的合成氨生产也是一个吨位大、能耗高、能效低的化工行业。改进氨合成工艺和催化剂将大大降低能耗，提高经济效益。开发新型低温高活性催化剂，将反应的温度降低，提高氨的平衡和单向转化率，从而达到提高氨产量，这一直是合成氨工业追求的目标。钌基催化剂的发明、铁基催化剂的建立和三元氮化催化剂的出现不断改进合成氨技术，都是该领域一代又一代研究者做出的贡献。

关键词：合成氨;催化技术;工艺发展

引言：在我国农业发展的过程中，农产品的产量决定了农民的收入、社会大众的粮食基础以及对社会主义现代化市场经济水平的调控。而想要推进农产品的产量大幅提升就一定要重视对于化肥原料的使用，传统的做法是借助人、牲畜以及其他动物的粪便来施肥，这是因为这些物质中含有大量的氨，但是其总量却是有限的。因此，在工业技术革命的过程中，合成氨成为最好的替代品，研究合成氨催化技术的改良与优化以及对相应的工艺发展水平进行提升就成为现阶段的重点任务，也是为农业生产能耗的降低和生产效率的提高打好基础的重要措施。

1.日常生活中氨气的具体应用

氨在国民经济中占有重要地位，特别是在农业生产中。氨主要用来制造肥料。液氨可以直接用作肥料。其加工产品包括尿素、硝酸铵、氯化铵、碳酸氢铵、磷酸铵、硝酸铵、钾肥等。氨也是一种非常重要的工业原料。由氨产生的硝酸，在工业中是不可或缺的重要化工原料，更有“炸药之母”之称，是各种炸药如：三硝基苯、硝化甘油等重要的化学前体。硝酸铵不仅是一种优良的肥料，而且也是一种安全的炸药。氨在其他工业中也有广泛的应用。氨及其加工产品有石油炼制、橡胶工业、冶金工业、机械加工等部门以及轻工业、食品工业、制药工业不可缺少的。在化学纤维和塑料工业中，氨、硝酸和尿素都是不可缺少的，用于生产单体，如：己内酰胺、尼龙6、丙烯腈和聚酯纤维等。再例如，大多数的工业制冷、空调和食品制冷系统都使用氨作为制冷剂。

2.合成氨技术的基本现状

新中国成立后，从20世纪50年代开始国家就持续投入了人力和物力发展合成氨工业体系，并持续开展相关的研究和探索，使我国的合成氨技术有了很大的进步。到目前为止，虽然我国已成为世界上生产氨产量最多的国家。但我国的合成氨生产工艺仍然存在着许多问题。

2.1合成氨技术

氨合成技术是无机化学工程专业学生必须掌握的知识，它由化学工程、化学、物理等多种合成技术组成的专业知识。同时，也是一门相当复杂的工程技术。（1）为合成氨生产半水煤气煤（例如）：中通入适量的空气气化燃烧炉，在原料（煤），使其燃烧加热，再到空气和蒸汽，蒸汽和热碳反应生成H2和CO，空气中的氧气被消耗。半水煤气是工业合成氨的原料气，其主要成分是H2、CO、CO2、N2和H2O（g）。（2）原料气净化：该工艺主要是去除半水煤气中的硫，然后进行特定的转化，去除气体中微量的CO、CO2等杂质。（3）氨合成：氨合成反应主要将前段产生的H2、N2在合成塔内进行合成反应。在一定的热力学和动力学条件下，将原料气按比例混合，在高温高压条件下合成产生氨气。这是一个典型的工艺流程，遵循物料平衡的原则。

2.2能耗现状

合成氨工业几十年来一直以节约能源和减少消费产业为主要任务，在各级领导部门的关心支持下，通过持续节能技术改造和创新，与大量的有效的新技术技能，高效的设备，新的节能技术措施，氨的每吨产品能耗逐步下降，产生明显的节能效果和经济效益。

2.3中国合成氨发展前景

中国现有中型氨厂已经远远多于曾经的55座，年生产能力约1000万t;其下游产品主要是尿素和硝酸铵。其中以煤和焦炭为原料的机组约34台，以残油为原料的机组约9台，以天然气为原料的机组12台。目前，中国有小型氨厂700多座，年生产能力约3000万t。其下游产品主要是碳酸氢铵，但其中的112台已改性，可以生产尿素。在我国合成氨过程中虽然存在一些问题，但是经过我们的不断改造，已取得了很大的成果[1]，天然气作为原料在大型合成氨装置中所占比例最大，占比达到约50%。其它的原料来自残油、石脑油（各占43%），煤（占7%）。氨的主要用途是生产尿素。设备改进后，生产率大大提高了。此外，我国还在继续建设大型合成氨设备，提高了我国的合成氨生产能力。同时，中国已经发展为世界上生产氨最大的国家，氨技术发展更快，掌握了无烟煤，焦炉煤气，天然气和油田伴生气和各种原材料的液态烃生产合成氨技术，形成了特有的煤炭、石油、天然气原料共存和大型与中小规模共存的行业生产模式。目前，氮肥行业不仅仅满足了国内需求，在和国际市场相接以后，已有能力与国际合成氨产品竞争。

3.合成氨催化技术分析与工艺发展探究

3.1合成氨催化剂分析

目前世界范围内常见的合成氨催化剂包括氧化铁基催化剂、钌基催化剂及四氧化三铁传统熔铁催化剂三种，而且相应的研究热点都集中在逸度和普遍化Temkin方程的应用上。与其他两种合成氨催化剂相比较来说，钌基催化剂目前多用于KAAP工艺中，是一种在低温或者压力都比较苛刻环境中还能够具有较高活性催化的试剂[2]，对于相应合成氨的产量和浓度还具有较好的保障。

3.2KAAP工藝分析

为了有效促进合成氨催化技术的进步，必须要将老旧的技艺、行业准则和技术标准进行摒弃，当然精华的部分是需要加以保留和发展利用的。所谓的KAAP技术在提出和后期的应用过程中，最为主要的优势就在于该种技术实现了单系列的大型化，将KAAP合成塔利用起来，帮助最终合成氨中的氨体积分数达到21.7%。而且该种技术不仅能够大力简化合成氨的催化过程和操作步骤，而且还能够降低对于人力、物力、财力等资源的浪费，体现了较高水平的经济集约化原则。

3.3合成氨催化工艺进展

首先，对于等压合成氨技术而言，较高的氨组分转化率能够在保证较低能耗的前提下加速合成氨的形成，但是出于经济层面的考虑，则需要保持氨净值控制在8.4%以上即可。其次，要针对超临界合成氨技术进行研究，由于伴随着温度的上升和反应速度的提高，合成氨中氨组分的浓度会降低，这时想要突破化学平衡限制的条件，就一定要使反应摆脱化学平衡限制，即采用非平衡限制氮加氢技术，提高合成氨成果，才能够在一定程度上帮助合成氨反应的选择性变小，帮助其相关组分的转化率进一步提升。

结论：

简而言之，我国城市发展进程的不断推进，一方面和工业化水平的进步息息相关，另一方面与长久性支持我国经济建设的农业发展具有密切联系。为了有效促进我国农业生产的进步，大量地利用化肥原料已经成为一个必然的发展趋势，而在多种多样化肥原料的使用过程中，合成氨的使用频率和使用剂量最大，而且对于农业生产的效果也最好。在对合成氨催化技术进行研究的过程中，可以发现相关的工艺参数控制和生产流程的规范性都会对其产生巨大影响，为了促进合成氨催化技术的进步，使得相应的工艺发展水平越来越高，研究人员就必须要结合实际来进行高活性催化剂的研究，进一步推动合成氨生产工艺的发展[3]。

参考文献：

[1]王建红.合成氨技术的应用现状与发展研究[J].化工管理，2018，（14）.

[2]雷玉平，王娟娟.合成氨催化技术与工艺发展探究[J].化工管理，2018，（1）：193-193.

[3]朱鑫，董大为，黄建国，等.600kt/a合成氨装置氨合成催化剂还原小结[J].中氮肥，2018（2）.