合成氨催化劑研究的新進展

李瑞祥(哈爾濱石油學院， 黑龍江 哈爾濱 150100)

合成氨催化劑研究的新進展

李瑞祥(哈爾濱石油學院， 黑龍江 哈爾濱 150100)

首先，本文對鐵基催化劑的研究進行了討論，主要包括鐵一鉆型催化劑、稀土型催化劑以及亞鐵型催化劑，對其研究發展歷程進行了較為詳盡的論述，并對其優點和應用范圍進行了分析；接下來，又對釘基催化劑的研究進行論述，指出我國在這方面的相對不足，并對釘基催化劑研究結果與鐵基催化劑的研究結果進行了比較。

合成氨；催化劑；鐵基催化劑；釘基催化劑

合成氨催化劑作為一種重要的工業原料，有著十分廣泛的應用范圍。一直以來，世界各國都在合成氨催化劑的研究開發方面進行著積極的探索。截至目前，合成氨催化劑在高溫狀態下可達90%以上的催化率，比較接近平衡氨的濃度比例。為了提高催化劑的活性，只有不斷降低反應溫度這一條途徑；同時，由于工業合成氨的單程轉化率只能達到15%～25%左右，而在氣體循環過程中會增加動力消耗，此時也必須通過降溫來提高單程轉化率。從中可以看出，針對合成氨催化劑的總體研究方向就是低溫高活性的催化劑開發。

1 鐵基催化劑的研究

1.1 鐵一鉆型催化劑

(1)A201鐵—鉆型催化劑 A201型催化劑是一種低溫高活性的合成氨催化劑，由福州大學研發而成，采用金屬鐵作為催化劑的活性成分。與傳統催化劑相比，A201型催化劑具有明顯優勢，包括易還原、耐高溫、抗毒害、機械強度優良、低溫活性高等。處于相同生產環境下時，將A201型催化劑應用于氨合成系統中，可大幅提高其生產能力，因此能夠作為節能降耗、增產節支的重要手段之一[1]。從實驗結果中可以看出，A201型催化劑在性能方面能夠達到英國ICI公司合成氨催化劑的同等水平，并在低溫活性方面略占優勢，在低壓合成工藝中有良好的適用性。

(2)AC鐵—鉆型催化劑 AC鐵—鉆型催化劑由南華研究院研發而成，是一種節能效果優良的合成氨催化劑，采用的活性成分為鉆元素，在易還原、低溫活性、操作壓力以及氨凈值等方面占有明顯優勢。AC鐵—鉆型催化劑既可應用于低壓合成氨工藝，也可應用于等壓合成氨工藝，同時還可為用戶提供預還原產品。目前，AC鐵—鉆型催化劑已在多家中小型合成氨生產廠家中得到了推廣，從生產實踐中可知，AC鐵—鉆型催化劑的應用使生產能力提高至5%～10%，大大縮短了還原時間，操作壓力降低幅度可達2.0～3.0MPa，平均每噸氨可節電20～40kW?h，帶來了巨大的經濟效益。

1.2 稀土型催化劑

本世紀80年代初，研究人員在實驗中發現，當鐵基合成氨催化劑中被加入稀土元素時，稀土元素氧化物添加劑會富集至催化劑表面，通過還原反應后則與鐵元素形成Ce-Fe金屬化物，在此過程中會導致鐵離子向氮氣輸出電子，從而使氮的活性吸附速度加快，有效提高催化劑的活性。由于Ce自界面至基體的轉移速度低于K，這樣就會使Ce在界面上的停留時間比K更長，起到更好的活性促進作用，維護甚至延長催化劑的使用壽命[2]。進入到80年代中期，華南理工大學的林維明對合成氨催化劑中添入稀土元素，對催化劑活性的提高展開了研究，在經過多次實驗后于90年代初終于成功開發出成本低而性能優良的新型催化劑A203。發展至90年代后期，福州大學又以新型稀土元素為促進劑，研發出了AF401型催化劑。

1.3 亞鐵型催化荊

一直以來，人們都認為熔鐵型合成氨催化劑的活性變化與母體相有關且呈現火山形的曲線波動，當母體相達到Fe304時，活性將出現最高值。因此，對亞鐵型催化荊的研究往往局限于Fe3O4范圍內。到了80年代中期，劉化章等在對合成氨鐵基催化劑活性與其母體相之間的關聯進行系統化研究過程中，將實驗條件設定為反應壓力1.51MPa，促進劑采用Al2O3-K2O-CaO，發現催化劑的活性與母體相關系的變化呈現為雙峰形曲線，且母體相取為Fe1-xO時，活性及易還原性能取值達到最大。

2 釘基催化劑的研究

關于釘基催化劑的研究開始于20世紀30年代，至70年代開始出現明顯進展，發現以鉀為促進劑，以活性炭為載體的催化劑有更高的活性。1990年，英國BP公司和美國Kellogg公司共同研發出了第一個釘基合成氨催化劑KAAP，并因成本低的優勢而在研發成功后迅速投入了生產。總體來說，釘基催化劑具備催化活性強、反應溫度低、操作壓力小、使用壽命長、毒性強、對原料要求較低等優點。

3 結語

本文通過對合成氨催化劑研究的新進展進行探討，指出了合成氨在工業領域的重要作用，以及我國加強對合成氨催化劑研究的積極意義。本文分別對鐵基催化劑的研究和釘基催化劑的研究展開談論。目前我國在鐵基催化劑的研究已達到世界先進水平，極大提高了催化劑的性能，但對于釘基合成氨催化劑的研究還未進行深入開展，還有較大的提升空間。

[1]王鳳榮，張志翔，苑慧敏.合成氨脫碳用新型活化劑的研究開發[J].天然氣化工(C1化學與化工)，2010，11(04)：139-141.

[2]魏可鎂，王榕，陳振宙，葉炳火，鄭起，俞秀金.A201型氨合成催化劑的研究[J].小氮肥設計技術，2012,15(04)：193-195.

[3]張寶軍，王斯晗，曲家波，孫淑坤，韓雪梅.合成氨催化劑技術進展及工業應用[J].四川化工與腐蝕控制，2013,16(05)：166-167.