合成氨工藝的現狀及發展

蒙根花

摘要：本文通過對合成氨技術應用現狀的分析，確定工藝技術的發展歷程和發展趨勢，為工藝技術應用實踐生產過程提供可以參考的信息，提高工藝生產質量。

關鍵詞：合成氨；工藝技術；現狀；發展趨勢

氨是最為重要的基礎化工產品之一，每年的產量都非常高。通過研究人員的不斷試驗，合成氨已經可以大面積應用在農業產業中，是氨肥工業生產的基礎原料。

一 、合成氨裝量的結構調整

（一 ）“油改氣 ”天然氣制氨裝置一般采用蒸汽轉化技術，但采用此技術來改造基于部分氧化工藝的重油氣化裝置，則遠不如采用天然氣部分氧化技術更為合理。采用天然氣部分氧化技術，不僅可以利用現有的氣化爐調整操作，改造燒嘴，而且投資少，改造難度小，改造周期短，總體經濟性好，另外，天然氣部分氧化技術易于實現大型化，逐漸為行業所公認。

（二）“油改煤 ”煤氣化技術的成功商業化為合成氨裝置的原料結構調整奠定了堅實的技術基礎。相關的改造內部包括：新建煤氣化部分和新建合成氣凈化部分。

（三 ）”煤氣化 ”。成熟且有競爭力的煤氣化工藝主要為水煤氣漿氣化煤煤氣化工藝，這兩類煤氣化工藝均是成熟的，都有大型專利工廠。水煤漿氣化工藝生產的粗合成氣己用于循環聯合發電。化肥，甲醇等生產，粉煤氣化工藝僅用于循環聯合發電，兩者各具特色。

（四）”合成氣凈化 ”。本部分的關鍵問題在于確定CO變換，酸性氣體脫除，氣體精制等工序的合理流程組合形式。其中CO變換 工藝的選擇是合成氣凈化工藝技術選擇的問題，CO變換工藝技術全為非耐硫攣我和耐硫變換 2種 ，而這 2種變換工 藝的選擇將直接影響后續酸性氣體脫除工序，氣體精制工序的流程組合。煤氣化的變換氣具有硫，CO 含量高，分壓大的特點，根據變換氣的工藝條件，采用物理吸收法比較有利。

二、合成氨的工藝流程

（一 ）原料氣制備。將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣，對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣，渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣，對氣態烴類和石腦油，工業中利用二段蒸汽轉化法制取合成氮。

（二 ） 凈化。對粗原料進行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質，主要包括變換過程，脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。

（1） 一氧化碳變換過程。在合成氨生產中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其 體積分數一般為 l 2%一 40%，合成氮需要的兩種組分是 H和 N，因此 需要除去合成氣中的CO。

（2）脫硫脫碳過程。各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為防止合成氨生產過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉化法，第一道工序是脫疏，用以保護轉化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據一氧化碳變換是否彩和耐硫的催化劑而確定脫硫的位置，工業脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學吸收的方法，常用的低溫甲醇洗法，聚乙二醇二甲醚法等。

（3）氣體精制過程。經 CO變換和 CO 脫除去的原料氣中尚含少量殘余的 CO和 CO ，為了防止對氨合成催化劑的毒害，規定 CO 和 CO 總量不得大于 10CMs/Ma（體積 分數 ）。因此，原料氣在進入合成工序前，必須進行原料和原料氣的最終凈化，即精制過程。

（三 ）氨合成。將純凈的氫，氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氮產品工序，是整個合成氨生產過程的核心部分，氨合成反應在較高壓力和催化劑存在的條件下進行，由于反應后氣體中氨含量不高，一般只有 10%一20%，故采用未反應氫氮氣循環的流程。

三、合成氯的值化機理

熱學力計算表明，低溫，高壓對合成氨反應是有利的，但無催化劑時，反應的活化能很高，反應幾乎不發生，當采用鐵催化劑時，由于改變了反應歷程，降低了反應的活化能，使反應以顯著的速率進行。目前認為，合成氮反應的一種可能機理，首先是氮分子在鐵催化劑表面上進行化學吸咐，使氮原子間的化學鍵減弱，接著是化學吸收的氫原子不為導表面上的氮分子作用。在催化劑表面上逐步生成一 NH、NH 、NH，最后 氨分子在表面上脫吸而生成氣態的氨。

四、催化劑的中毒

催化劑的催化能力一般稱為催化活性，有人認為，由于催化劑在反應前后的化學性質和質量不變，一旦制成一批催化劑之后，便可以永遠使用下去，實際上許多催化劑在使用過程中，其活性從小到大，逐漸達到正常水平，這就是催化劑的成熟期，接著，催化劑活性在一段時間里保持穩定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用，活性保持穩定的時間即為催化劑的壽命，其長短因催化劑的制備方法和使用條件而異。

五、工藝技術改造新建煤氣化工序，采用煤氣化工藝，生產合成氣。新建空氣分離工序。采用全低壓，內壓縮空氣工藝，為煤氣化工序提供工藝氧氣和高，中，低壓氮氣。新建耐疏變換工序。采用三段耐硫變換工藝，進行合成氣的高濃度 CO變換 。新建酸性氣體脫除工序，采有低溫甲醇洗凈化工藝，進行變換氣的脫硫脫碳凈化，以脫除變換氣中的 H S、CO 等，繼而處理低溫甲醇洗工序中的 H2S尾氣 ，改造和利用甲烷化工序。

六、 我國合成氨技術的基本狀況目前合成氨總生產能力為 4500萬 噸/年左右，氮肥工業已基本滿足了國內需求，在與國際接軌后，具備與國際合成氨產品競爭的能力，今后發展重點是調整原料和產品結構，進一步改善經濟性。

（ 一 ）大型氮肥裝置。我國目前有大型合成氨裝置共計 34套，生產能力約 1000萬 噸/年，其下游產品除 1套裝置生產硝酸磷肥之外，均為尿素。按照原料類型分，以天然氣為原料的 17套 ，以輕油為原料的 6 套，以重油為原料的 9套 ，以煤為原料的 2 套。

（二 ）中、小型氮肥裝置。我國目前有中型合成氨裝置 55套，生產能力約為 500萬 噸/年，其下游產品主要是尿素和硝酸銨，其中以煤、焦為原料的裝置有 34套 ，以渣油為原料的裝置有 9套 ，以氣為原料的裝置有 l2套 ，目前有小型合成氨裝置 700多套 ，生產能力約為3000萬噸/年，其下游產品原來主要是碳酸氫銨，現有 112套經過改造生產尿素，原料以煤，焦為主，其中以煤，焦為原料的占96%，以氣為原料的僅占 4%。

（三 ）合成氨技術未來的發展趨勢。

3.1大型化、集成化、自動化。形成經濟規模的生產中心，低能耗與環境更友好將是未來合成氨裝置的主流發展方向。單系列合成氨裝置生產能力將從 2000T/D提高至 4000—5000T/D，以天燃氣為原料制氨噸氨能耗已經接近一理論水平。今后難以有較大幅度的降低，但以油，煤為原料制氨，降低能耗還可以有所作為。

3.2以 “油改氣 ”和 “油改煤 ”為核心的原料結構調整和以 “多聯產 ”和再加工為核心的產品結構調整 ，是合成氨裝置 “改善經濟性 ”，增強競爭力的有效途徑，全球原油供應處于減遞模式，正處于總遞減曲線的中點，預計到 2010的原油將 出現自然短缺，需用其他能源補充。

3.3實施與環境友好的清潔生產是未來合成氨裝置的必然和惟 一的選擇。生產過程中不生成或很少生成副產物，廢物，實現或接近 “零排放 ”的清潔生產技 術將日趨生成熟和不斷完善。

3.4提高生產運轉的可靠性，延長運行周期是未來合成氨裝置 “改善經濟性，增強競爭力”的必要保證。有利于 “提高裝置生產運轉率，延長運行周期的技術，包括工藝優化技術，先進控制技術等將越來越受到重視。

參考文獻：

[1]劉化章.合成氨工業節能減排的分析【J】.化工進展，2011，06：1147-1157.

[2]李建強.合成氨工藝流程的系統分析與節能措施【J】.科技與企業，2012，08：302.