合成氨催化技术与工艺发展趋势

吉文祥 (青海盐湖元品化工有限责任公司化肥厂，青海 格尔木 816099)

0 引言

对于推动中国农业生产结构变形和农业发展而言，合成氨技术至关重要。通过合成氨技术可以在一定程度上提升中国农业生产的稳定性，对丰富中国的农业资源，表现出十分突出的应用价值。近年来，中国在技术领域展开了深入探索，通过对合成氨催化技术和工艺流程的完善，让中国农业生产质量得到了切实提升，使农业增产的需求得到了充分满足。为了让合成氨工艺的使用效果得到全面提升，中国展开了对于合成氨催化剂技术、工艺流程及参数的深入研究。通过对各项指标的合理化控制，让催化剂性能的安全性得到充分保障。

1 合成氨催化技术

1.1 技术概述

在社会经济水平持续提升的背景之下，我国的科学技术得到了全面发展，对于农产品也提出了更高的要求，通过合成氨技术可以让农业生产质量得到充分保障。我国是世界上最大的农业国，随着农业企业的不断发展，水污染问题也十分严峻，甚至危害了人体的健康和智力发展，对生态自然平衡造成了极大程度的破坏。现阶段，我国每年合成氨的产量及用量都非常丰富，为此需要社会各界人士提高对于合成氨生产的关注，通过技术优化的形式达成节能减耗的最终目标。

在我国合成氨工业发展进程中，有超70%以上的材料都是由合成氨构成的。社会经济水平的持续发展为合成氨技术提供了更大的应用空间，将合成氨催化技术应用于农业生产之中，可以有效应对我国人口增长和粮食短缺的矛盾问题，由此可见，合成氨催化技术表现出十分重要的理论价值，且具有一定的综合性。当前阶段，在高温环境中，我国的合成氨工业催化效率已经可以达到一个稳定的平衡状态，且防水性能消耗在整个生产过程中仅仅占据了1/10，让催化效率得以维持在一个良好的浓度范围内。

现阶段，在合成氨生产之中可能涉及多种不同形式的节能工艺和手段，氨是一种无色、刺激味较强的气体，它的沸点在-33.9 ℃左右，熔点在-77.7 ℃左右。作为一种非常重要的无机化合物，氨在生活中的应用仅次于烯烃和芳烃，表现出十分光明的应用前景。通过合成氨催化剂也可以实现较为彻底的催化效果，但其结构和技术仍然存在许多问题。为此，需要在化学分析过程中提高对于这一技术的关注，并将其拓展到环境卫生和工农业等多个领域之中。环境催化领域和聚合物等领域的不断发展，让合成氨催化剂发挥出日益重要的位置，在一定程度上推动了合成氨工业的发展，可以让催化剂技术得到全面升级和优化[1]。

1.2 技术发展现状

在经过长时间的优化改造后，我国的合成氨工艺已经初具规模，在世界上处于相对领先的位置。在高温高压的环境下，借助催化剂实施合成氨生产表现出良好的平衡效果，且具有一定程度的相似性。然而，由于原材料气体在实践中必须发生多次的循环才能让合成氨自能量得到充分提升，所以导致生成合成氨的过程中所表现出的单程转化率存在一定的缺陷，使得许多原料体系都在生产工程中被浪费，难以实现良好的单程转化效果。为了在最大程度上推动合成氨的平衡转化，我国提出要针对合成氨反应温度予以充分控制，以充分保障催化剂的活性。

2 合成氨催化技术

2.1 钌催化剂

以钌催化剂为主要的活性物质，在活性炭上，通过金属钡和金属钾的形式，发挥良好的催化作用，让合成氨的生产效率得到充分提升。通常情况下，该物质在常压环境中的活化能为69 kJ/mol，为了让钌金属的作用得以充分展现，可以通过具有高分散性的载体进行操作，一般以浸渍法的应用最为频繁。调查结果显示，钌催化剂的性能可能会受到多种因素的综合控制，包括但不限于助催剂、载体、制备方式等。无论是使用铁催化剂还是钌催化剂，氮气的解离吸附效果都不会存在过大的差距。因此，可以借此实现对合成氨速率的有效控制，然而，相比之下，氨气更可能受到氢气的吸附抑制作用。

2.2 KAAP工艺

为了让单杠的合成质量得到充分保障，需要将压力值预设为8.96 MPa，在这样的压力范围内可以在最大程度上节约催化剂的投入成本，同时，减少催化剂合成的时间。KAPP合成塔是该工艺发展的核心环节，通常表现为单系列、大型化等一系列特征。一般通过热必塔实施操作，热必塔通常为四床层的结构，通过间接的方法在热环境作用下实施催化反应。对于同一筒径内的装置，可以借助内部换热器和四床催化剂的形式实施催化。如果在第一床装置内放入铁催化剂，并将其质量控制在总量催化剂总量的一半左右，剩余位置处则应填放钌催化剂。在预设的压力状态下，可能产生合成氨的体积约为1/5。由此可见，借助KAAP技术进行合成氨生产，平均每吨合成氨可以节约大约2.5美元的成本，其节能效率为1.2 GJ/t。结合我国合成氨催化投产实际可以发现，铁催化剂和钌催化剂二者的使用寿命不存在较大的差距，且相应的载体变化差异较为明显[3]。

2.3 超临界合成氨工艺

在合成氨生产工艺流程中可能会因受到催化剂活性温度、压力状态以及化学平衡状态等多种因素的影响而对合成氨的单程转化率造成限制，使得合成氨单程转化率仅能保持在15%～25%之间。在此过程中，由于气体的循环作用可能会提高动能的消耗量。随着温度的不断提升，物质反应速率也会发生一定程度的提升，导致平衡氨浓度下降，为此，可以在475 ℃时，借助催化剂加速反应，让反应可以更快到达平衡氨浓度。通常使用A301催化剂或Ru催化剂实施操作，在此过程中可以借助低温活性催化剂的形式，在最大程度上保证催化剂的应用效率，以促进新原料的运用。在低温环境中，让催化剂的化学活性得以充分保持。为了在最大限度内摆脱化学平衡的束缚，可以通过非平衡限制氨的形式进行加氢工艺操作，在使用超临界合成技术时，在液体密度、液体、气体性质、气体扩散性等多种因素的综合影响下，可以让催化剂的传递有效性得到充分保障，让催化剂的选择性可以得到充分保障，同时，切实提升催化剂的转化率。

3 合成氨工艺发展

现阶段，我国的合成氨年产量已经可以达到每年4500万 t，需要在全国范围内积极推动氮肥工业的发展，让我国的氮肥发展可以尽快达到国际领先水平，让我国氨工艺技术的国际竞争力得到切实提升。在氨工艺生产过程中，积极进行产业结构的优化，并以原料整合为重要方向进行氨工艺操作，可以让氨工艺的经济性得到充分彰显。

3.1 自动化、集成化

在经过多年发展后，我国的合成氨技术已经初具规模，并逐渐朝向自动化和集成化的方向发展。需要积极探索与环境友好的工艺技术，提升市场对催化剂和装置设备的接纳度，以推动单系列合成氨装配工艺的发展。整体来看，将天然气当作主要原料的技术与合成氨技术的产能相比，不存在明显的差异。通过工业自动化技术的形式，可以让合成氨工艺的质量和效率得到充分保障，以促进人力解放，让工艺精度得到充分提升，切实保障合成氨工艺的技术效果。

3.2 使用“多联产”原料结构

在全球原油供应严重短缺的宏观大环境下，为了切实提升合成氨工艺的经济性，在最大程度上保障合成氨的竞争力，需要针对合成氨的原材料结构予以积极优化，以免因原油资源匮乏而对合成氨的生产制造质量造成限制，采取“多联产”结构的形式，推动相关工艺流程的发展。

3.3 积极促进合成氨工艺的可持续发展

通常情况下，钌催化剂之中的原料成分较为稀缺，是一种稀缺金属。由于受到化学平衡条件的影响，可能对催化剂工艺技术水平的发展造成不同程度的限制。为了让催化剂工艺技术水平得到充分提升，实现良好的节能效果，让氨工艺流程实现可持续发展，需要我们积极展开对合成氨装置的优化改造，通过持续的探索，在最大程度上减少工艺流程之后所产生的废物和副产物，推动合成氨技术的良性发展，早日达成“零排放”的终极制造目标。

4 结语

总而言之，合成氨技术对于我国工业制造生产而言十分关键。为了在最大程度上保障原料加工效果，需要展开对于催化剂技术的积极探索，不断丰富和拓展催化剂的种类，针对催化剂的技术参数等一系列指标予以优化。并以此为前提，提升氨工艺的自动化和集成化程度。此外，针对生产装置及生产原料实施针对性优化，可以让我国氨工艺得到稳定持久发展。通过原料结构的转化，让氨工业生产的稳定性和质量得到充分提升，在最大程度上提升我国合成氨的节能降耗生产水平，以更好适应合成氨工业的发展。