合成氨催化技術與工藝發展探究

劉國旗 劉寶

摘要：氨（NH3）是一種重要的化工原料，主要用于生產化肥、硝酸、銨鹽、純堿等。合成氨工業作為化工的支柱產業之一，在國民經濟中占有重要地位。同時，傳統的合成氨生產也是一個噸位大、能耗高、能效低的化工行業。改進氨合成工藝和催化劑將大大降低能耗，提高經濟效益。開發新型低溫高活性催化劑，將反應的溫度降低，提高氨的平衡和單向轉化率，從而達到提高氨產量，這一直是合成氨工業追求的目標。釕基催化劑的發明、鐵基催化劑的建立和三元氮化催化劑的出現不斷改進合成氨技術，都是該領域一代又一代研究者做出的貢獻。

關鍵詞：合成氨;催化技術;工藝發展

引言：在我國農業發展的過程中，農產品的產量決定了農民的收入、社會大眾的糧食基礎以及對社會主義現代化市場經濟水平的調控。而想要推進農產品的產量大幅提升就一定要重視對于化肥原料的使用，傳統的做法是借助人、牲畜以及其他動物的糞便來施肥，這是因為這些物質中含有大量的氨，但是其總量卻是有限的。因此，在工業技術革命的過程中，合成氨成為最好的替代品，研究合成氨催化技術的改良與優化以及對相應的工藝發展水平進行提升就成為現階段的重點任務，也是為農業生產能耗的降低和生產效率的提高打好基礎的重要措施。

1.日常生活中氨氣的具體應用

氨在國民經濟中占有重要地位，特別是在農業生產中。氨主要用來制造肥料。液氨可以直接用作肥料。其加工產品包括尿素、硝酸銨、氯化銨、碳酸氫銨、磷酸銨、硝酸銨、鉀肥等。氨也是一種非常重要的工業原料。由氨產生的硝酸，在工業中是不可或缺的重要化工原料，更有“炸藥之母”之稱，是各種炸藥如：三硝基苯、硝化甘油等重要的化學前體。硝酸銨不僅是一種優良的肥料，而且也是一種安全的炸藥。氨在其他工業中也有廣泛的應用。氨及其加工產品有石油煉制、橡膠工業、冶金工業、機械加工等部門以及輕工業、食品工業、制藥工業不可缺少的。在化學纖維和塑料工業中，氨、硝酸和尿素都是不可缺少的，用于生產單體，如：己內酰胺、尼龍6、丙烯腈和聚酯纖維等。再例如，大多數的工業制冷、空調和食品制冷系統都使用氨作為制冷劑。

2.合成氨技術的基本現狀

新中國成立后，從20世紀50年代開始國家就持續投入了人力和物力發展合成氨工業體系，并持續開展相關的研究和探索，使我國的合成氨技術有了很大的進步。到目前為止，雖然我國已成為世界上生產氨產量最多的國家。但我國的合成氨生產工藝仍然存在著許多問題。

2.1合成氨技術

氨合成技術是無機化學工程專業學生必須掌握的知識，它由化學工程、化學、物理等多種合成技術組成的專業知識。同時，也是一門相當復雜的工程技術。（1）為合成氨生產半水煤氣煤（例如）：中通入適量的空氣氣化燃燒爐，在原料（煤），使其燃燒加熱，再到空氣和蒸汽，蒸汽和熱碳反應生成H2和CO，空氣中的氧氣被消耗。半水煤氣是工業合成氨的原料氣，其主要成分是H2、CO、CO2、N2和H2O（g）。（2）原料氣凈化：該工藝主要是去除半水煤氣中的硫，然后進行特定的轉化，去除氣體中微量的CO、CO2等雜質。（3）氨合成：氨合成反應主要將前段產生的H2、N2在合成塔內進行合成反應。在一定的熱力學和動力學條件下，將原料氣按比例混合，在高溫高壓條件下合成產生氨氣。這是一個典型的工藝流程，遵循物料平衡的原則。

2.2能耗現狀

合成氨工業幾十年來一直以節約能源和減少消費產業為主要任務，在各級領導部門的關心支持下，通過持續節能技術改造和創新，與大量的有效的新技術技能，高效的設備，新的節能技術措施，氨的每噸產品能耗逐步下降，產生明顯的節能效果和經濟效益。

2.3中國合成氨發展前景

中國現有中型氨廠已經遠遠多于曾經的55座，年生產能力約1000萬t;其下游產品主要是尿素和硝酸銨。其中以煤和焦炭為原料的機組約34臺，以殘油為原料的機組約9臺，以天然氣為原料的機組12臺。目前，中國有小型氨廠700多座，年生產能力約3000萬t。其下游產品主要是碳酸氫銨，但其中的112臺已改性，可以生產尿素。在我國合成氨過程中雖然存在一些問題，但是經過我們的不斷改造，已取得了很大的成果[1]，天然氣作為原料在大型合成氨裝置中所占比例最大，占比達到約50%。其它的原料來自殘油、石腦油（各占43%），煤（占7%）。氨的主要用途是生產尿素。設備改進后，生產率大大提高了。此外，我國還在繼續建設大型合成氨設備，提高了我國的合成氨生產能力。同時，中國已經發展為世界上生產氨最大的國家，氨技術發展更快，掌握了無煙煤，焦爐煤氣，天然氣和油田伴生氣和各種原材料的液態烴生產合成氨技術，形成了特有的煤炭、石油、天然氣原料共存和大型與中小規模共存的行業生產模式。目前，氮肥行業不僅僅滿足了國內需求，在和國際市場相接以后，已有能力與國際合成氨產品競爭。

3.合成氨催化技術分析與工藝發展探究

3.1合成氨催化劑分析

目前世界范圍內常見的合成氨催化劑包括氧化鐵基催化劑、釕基催化劑及四氧化三鐵傳統熔鐵催化劑三種，而且相應的研究熱點都集中在逸度和普遍化Temkin方程的應用上。與其他兩種合成氨催化劑相比較來說，釕基催化劑目前多用于KAAP工藝中，是一種在低溫或者壓力都比較苛刻環境中還能夠具有較高活性催化的試劑[2]，對于相應合成氨的產量和濃度還具有較好的保障。

3.2KAAP工藝分析

為了有效促進合成氨催化技術的進步，必須要將老舊的技藝、行業準則和技術標準進行摒棄，當然精華的部分是需要加以保留和發展利用的。所謂的KAAP技術在提出和后期的應用過程中，最為主要的優勢就在于該種技術實現了單系列的大型化，將KAAP合成塔利用起來，幫助最終合成氨中的氨體積分數達到21.7%。而且該種技術不僅能夠大力簡化合成氨的催化過程和操作步驟，而且還能夠降低對于人力、物力、財力等資源的浪費，體現了較高水平的經濟集約化原則。

3.3合成氨催化工藝進展

首先，對于等壓合成氨技術而言，較高的氨組分轉化率能夠在保證較低能耗的前提下加速合成氨的形成，但是出于經濟層面的考慮，則需要保持氨凈值控制在8.4%以上即可。其次，要針對超臨界合成氨技術進行研究，由于伴隨著溫度的上升和反應速度的提高，合成氨中氨組分的濃度會降低，這時想要突破化學平衡限制的條件，就一定要使反應擺脫化學平衡限制，即采用非平衡限制氮加氫技術，提高合成氨成果，才能夠在一定程度上幫助合成氨反應的選擇性變小，幫助其相關組分的轉化率進一步提升。

結論：

簡而言之，我國城市發展進程的不斷推進，一方面和工業化水平的進步息息相關，另一方面與長久性支持我國經濟建設的農業發展具有密切聯系。為了有效促進我國農業生產的進步，大量地利用化肥原料已經成為一個必然的發展趨勢，而在多種多樣化肥原料的使用過程中，合成氨的使用頻率和使用劑量最大，而且對于農業生產的效果也最好。在對合成氨催化技術進行研究的過程中，可以發現相關的工藝參數控制和生產流程的規范性都會對其產生巨大影響，為了促進合成氨催化技術的進步，使得相應的工藝發展水平越來越高，研究人員就必須要結合實際來進行高活性催化劑的研究，進一步推動合成氨生產工藝的發展[3]。

參考文獻：

[1]王建紅.合成氨技術的應用現狀與發展研究[J].化工管理，2018，（14）.

[2]雷玉平，王娟娟.合成氨催化技術與工藝發展探究[J].化工管理，2018，（1）：193-193.

[3]朱鑫，董大為，黃建國，等.600kt/a合成氨裝置氨合成催化劑還原小結[J].中氮肥，2018（2）.