合成氨催化技術與工藝發展趨勢

吉文祥 (青海鹽湖元品化工有限責任公司化肥廠，青海 格爾木 816099)

0 引言

對于推動中國農業生產結構變形和農業發展而言，合成氨技術至關重要。通過合成氨技術可以在一定程度上提升中國農業生產的穩定性，對豐富中國的農業資源，表現出十分突出的應用價值。近年來，中國在技術領域展開了深入探索，通過對合成氨催化技術和工藝流程的完善，讓中國農業生產質量得到了切實提升，使農業增產的需求得到了充分滿足。為了讓合成氨工藝的使用效果得到全面提升，中國展開了對于合成氨催化劑技術、工藝流程及參數的深入研究。通過對各項指標的合理化控制，讓催化劑性能的安全性得到充分保障。

1 合成氨催化技術

1.1 技術概述

在社會經濟水平持續提升的背景之下，我國的科學技術得到了全面發展，對于農產品也提出了更高的要求，通過合成氨技術可以讓農業生產質量得到充分保障。我國是世界上最大的農業國，隨著農業企業的不斷發展，水污染問題也十分嚴峻，甚至危害了人體的健康和智力發展，對生態自然平衡造成了極大程度的破壞。現階段，我國每年合成氨的產量及用量都非常豐富，為此需要社會各界人士提高對于合成氨生產的關注，通過技術優化的形式達成節能減耗的最終目標。

在我國合成氨工業發展進程中，有超70%以上的材料都是由合成氨構成的。社會經濟水平的持續發展為合成氨技術提供了更大的應用空間，將合成氨催化技術應用于農業生產之中，可以有效應對我國人口增長和糧食短缺的矛盾問題，由此可見，合成氨催化技術表現出十分重要的理論價值，且具有一定的綜合性。當前階段，在高溫環境中，我國的合成氨工業催化效率已經可以達到一個穩定的平衡狀態，且防水性能消耗在整個生產過程中僅僅占據了1/10，讓催化效率得以維持在一個良好的濃度范圍內。

現階段，在合成氨生產之中可能涉及多種不同形式的節能工藝和手段，氨是一種無色、刺激味較強的氣體，它的沸點在-33.9 ℃左右，熔點在-77.7 ℃左右。作為一種非常重要的無機化合物，氨在生活中的應用僅次于烯烴和芳烴，表現出十分光明的應用前景。通過合成氨催化劑也可以實現較為徹底的催化效果，但其結構和技術仍然存在許多問題。為此，需要在化學分析過程中提高對于這一技術的關注，并將其拓展到環境衛生和工農業等多個領域之中。環境催化領域和聚合物等領域的不斷發展，讓合成氨催化劑發揮出日益重要的位置，在一定程度上推動了合成氨工業的發展，可以讓催化劑技術得到全面升級和優化[1]。

1.2 技術發展現狀

在經過長時間的優化改造后，我國的合成氨工藝已經初具規模，在世界上處于相對領先的位置。在高溫高壓的環境下，借助催化劑實施合成氨生產表現出良好的平衡效果，且具有一定程度的相似性。然而，由于原材料氣體在實踐中必須發生多次的循環才能讓合成氨自能量得到充分提升，所以導致生成合成氨的過程中所表現出的單程轉化率存在一定的缺陷，使得許多原料體系都在生產工程中被浪費，難以實現良好的單程轉化效果。為了在最大程度上推動合成氨的平衡轉化，我國提出要針對合成氨反應溫度予以充分控制，以充分保障催化劑的活性。

2 合成氨催化技術

2.1 釕催化劑

以釕催化劑為主要的活性物質，在活性炭上，通過金屬鋇和金屬鉀的形式，發揮良好的催化作用，讓合成氨的生產效率得到充分提升。通常情況下，該物質在常壓環境中的活化能為69 kJ/mol，為了讓釕金屬的作用得以充分展現，可以通過具有高分散性的載體進行操作，一般以浸漬法的應用最為頻繁。調查結果顯示，釕催化劑的性能可能會受到多種因素的綜合控制，包括但不限于助催劑、載體、制備方式等。無論是使用鐵催化劑還是釕催化劑，氮氣的解離吸附效果都不會存在過大的差距。因此，可以借此實現對合成氨速率的有效控制，然而，相比之下，氨氣更可能受到氫氣的吸附抑制作用。

2.2 KAAP工藝

為了讓單杠的合成質量得到充分保障，需要將壓力值預設為8.96 MPa，在這樣的壓力范圍內可以在最大程度上節約催化劑的投入成本，同時，減少催化劑合成的時間。KAPP合成塔是該工藝發展的核心環節，通常表現為單系列、大型化等一系列特征。一般通過熱必塔實施操作，熱必塔通常為四床層的結構，通過間接的方法在熱環境作用下實施催化反應。對于同一筒徑內的裝置，可以借助內部換熱器和四床催化劑的形式實施催化。如果在第一床裝置內放入鐵催化劑，并將其質量控制在總量催化劑總量的一半左右，剩余位置處則應填放釕催化劑。在預設的壓力狀態下，可能產生合成氨的體積約為1/5。由此可見，借助KAAP技術進行合成氨生產，平均每噸合成氨可以節約大約2.5美元的成本，其節能效率為1.2 GJ/t。結合我國合成氨催化投產實際可以發現，鐵催化劑和釕催化劑二者的使用壽命不存在較大的差距，且相應的載體變化差異較為明顯[3]。

2.3 超臨界合成氨工藝

在合成氨生產工藝流程中可能會因受到催化劑活性溫度、壓力狀態以及化學平衡狀態等多種因素的影響而對合成氨的單程轉化率造成限制，使得合成氨單程轉化率僅能保持在15%～25%之間。在此過程中，由于氣體的循環作用可能會提高動能的消耗量。隨著溫度的不斷提升，物質反應速率也會發生一定程度的提升，導致平衡氨濃度下降，為此，可以在475 ℃時，借助催化劑加速反應，讓反應可以更快到達平衡氨濃度。通常使用A301催化劑或Ru催化劑實施操作，在此過程中可以借助低溫活性催化劑的形式，在最大程度上保證催化劑的應用效率，以促進新原料的運用。在低溫環境中，讓催化劑的化學活性得以充分保持。為了在最大限度內擺脫化學平衡的束縛，可以通過非平衡限制氨的形式進行加氫工藝操作，在使用超臨界合成技術時，在液體密度、液體、氣體性質、氣體擴散性等多種因素的綜合影響下，可以讓催化劑的傳遞有效性得到充分保障，讓催化劑的選擇性可以得到充分保障，同時，切實提升催化劑的轉化率。

3 合成氨工藝發展

現階段，我國的合成氨年產量已經可以達到每年4500萬 t，需要在全國范圍內積極推動氮肥工業的發展，讓我國的氮肥發展可以盡快達到國際領先水平，讓我國氨工藝技術的國際競爭力得到切實提升。在氨工藝生產過程中，積極進行產業結構的優化，并以原料整合為重要方向進行氨工藝操作，可以讓氨工藝的經濟性得到充分彰顯。

3.1 自動化、集成化

在經過多年發展后，我國的合成氨技術已經初具規模，并逐漸朝向自動化和集成化的方向發展。需要積極探索與環境友好的工藝技術，提升市場對催化劑和裝置設備的接納度，以推動單系列合成氨裝配工藝的發展。整體來看，將天然氣當作主要原料的技術與合成氨技術的產能相比，不存在明顯的差異。通過工業自動化技術的形式，可以讓合成氨工藝的質量和效率得到充分保障，以促進人力解放，讓工藝精度得到充分提升，切實保障合成氨工藝的技術效果。

3.2 使用“多聯產”原料結構

在全球原油供應嚴重短缺的宏觀大環境下，為了切實提升合成氨工藝的經濟性，在最大程度上保障合成氨的競爭力，需要針對合成氨的原材料結構予以積極優化，以免因原油資源匱乏而對合成氨的生產制造質量造成限制，采取“多聯產”結構的形式，推動相關工藝流程的發展。

3.3 積極促進合成氨工藝的可持續發展

通常情況下，釕催化劑之中的原料成分較為稀缺，是一種稀缺金屬。由于受到化學平衡條件的影響，可能對催化劑工藝技術水平的發展造成不同程度的限制。為了讓催化劑工藝技術水平得到充分提升，實現良好的節能效果，讓氨工藝流程實現可持續發展，需要我們積極展開對合成氨裝置的優化改造，通過持續的探索，在最大程度上減少工藝流程之后所產生的廢物和副產物，推動合成氨技術的良性發展，早日達成“零排放”的終極制造目標。

4 結語

總而言之，合成氨技術對于我國工業制造生產而言十分關鍵。為了在最大程度上保障原料加工效果，需要展開對于催化劑技術的積極探索，不斷豐富和拓展催化劑的種類，針對催化劑的技術參數等一系列指標予以優化。并以此為前提，提升氨工藝的自動化和集成化程度。此外，針對生產裝置及生產原料實施針對性優化，可以讓我國氨工藝得到穩定持久發展。通過原料結構的轉化，讓氨工業生產的穩定性和質量得到充分提升，在最大程度上提升我國合成氨的節能降耗生產水平，以更好適應合成氨工業的發展。