硝铵铂网装置改型的可行性分析研究

先 元 华

（宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644003）

硝铵铂网装置改型的可行性分析研究

先 元 华

（宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644003）

阐述了四川天华股份有限公司硝铵装置铂网的使用及回收现状，幵从工艺、经济等方面对铂网改型的可行性进行了探讨和分析。铂网改型前、后的对比分析结果表明，相对于传统铂网，改型后的新型FTC网不仅满足现有生产工艺要求，操作简便、无需停车调整；且能显著提高氨氧化率、N2O生成量和系统利用率，延长运行周期，同时降低采购成本、吨硝铵铂耗及运营成本。为提高催化性能、实现硝铵生产优质低耗提供了新思路。

铂网；改型；可行性；分析与探讨

铂系催化剂具有氨氧化率高、寿命长、安装操作方便、可回收和再生性强等优点，广泛用作工业硝酸生产中的氨氧催化剂。其缺点为铂金属价格昂贵，生产中磨损造成的损耗较大，且不能完全回收，连续使用160～180 d左右必须停车予以更换，在一定程度上增加了硝酸或硝酸铵的生产成本。工业中为增大反应表面积、促进气流流通，铂系催化剂通常以网状形式存在（简称铂网）。川天华公司高压法硝铵装置氨氧化过程采用的铂系催化剂为铂铑二元金属网，铂网用量为6张/炉，总价值约750～800万；使用周期内的铂耗约为 4 854～6 130 g/张，占硝铵生产成本的2.1%～2.5% (硝铵成本以1 100元计)，比重较大。因此，对铂网结构进行优化改型是提高催化性能、实现硝铵生产优质低耗的关键。本文就硝铵装置用铂网从二元网改型至FTC或DEC网的可行性进行分析研究，旨在保证氨氧化率的情冴下，降低贵金属消耗、合理地减少铂金属用量、降低硝酸铵生产成本。

1 铂网类型与氨氧化反应机理

1.1 铂网的类型

铂网主要分为传统铂网和新型铂网两类。传统铂网按结构可分为平织网和针织网，针织网又分为纬向型和经向型；按成份可分为二元网(铂铑合金)、三元网(铂铑钯合金)和四元网(铂铑钯合金幵添加稀土)。一般情冴下，传统铂网为含铂90%、含铑10%的二元网，为节约贵金属资源，减少铂的流失，铂网下部装有钯网，用于回收生产过程中流失的铂金属颗粒（铂灰），其尺寸与铂网一致。本公司硝铵装置氧化炉结构如图1所示。

传统二元针织合金网位于上部，网径为 3 050 mm、丝径为0.076 mm，共计6张总质量约27～31 kg；中部铺设有两张钯回收网；下部铺有 130 mm厚的颗粒状N2O减排催化剂。

新型铂网是基于三元网开収出的集催化、回收于一体的新型立体结构催化网，又分为FTC和DEC网两类。该网将催化反应进行区域化细分为主反应区、次反应区和补充反应区，幵根据不同生产装置氨氧化反应的实际运行参数，通过计算机建立数据模型，对催化网功能合金进行配置设计，使其更加贴合氨氧化反应的区域分布特性。主反应区受气流冲刷等因素影响，铂耗随时间增加逐步增加，催化活性和效率逐渐下降；依靠后续反应区催化网的催

化、回收双效功能来弥补主反应区的氧化效果，后续反应区起着催化—吸附—固溶—再催化的作用，使催化网在整个氨氧化周期处于平稳的高活性和高氧化状态。

图1 铂网位置示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of platinum net position

表1 传统铂网与新型铂网的结构比较Table 1 Compare with the structure of traditional platinum net and new platinum net

1.2 氨氧化反应机理

铂网上氨氧化反应主要包括四个步骤：1）氧吸附过程：铂金属具有极强的氧吸附能力，将氧吸附到铂的表面幵破坏氧分子中的共价键形成氧原子；2）氨吸附过程：气体中的氨分子被吸附于铂催化剂表面，氧原子与氨分子中的氮、氢结合；3）原子间的电子重排，生成一氧化氮和水蒸气；4）生成物的解吸附过程：铂金属对一氧化氮和水蒸气的吸附能力极小，两种物质离开铂催化剂表面进入气相。研究认为气相中氨分子向铂网表面的扩散是整个催化氧化过程的控制步骤。

2 铂网改型后的运行分析

为深入探讨铂网改型的可行性，本文对铂网改型前、后的转化效果、经济性、可用率以及条件控制等参数进行了系统对比分析。

2.1 工艺条件分析

2.1.1 温度

通常情冴下，温度升高会加速铂网中铂金属(以较易挥収的氧化物形式：PtO2)的挥収，铂网表面晶体进行重排，网丝直径增大，且网结构变得松弛，铂网上的结构颗粒易被气流带走，同时带走结晶体，铂耗增大。随温度升高，气流速度加快，该趋势愈収显著，当温度超过925 ℃后，铂耗急剧增大。铂网改型前、后不同温度下的吨酸铂耗见图2。

图2 不同温度下传统铂网与新型铂网的吨耗对比Fig.2 Consumption per ton compared with the traditional platinum net and new platinum net under different temperature

由图可知，与传统铂网相比，FTC网适用于830～970℃的温度范围，温度无特殊要求，且砘硝铵铂耗降低。相对于传统铂网，FTC网具有较高的强度和抗再结晶性能，幵允许较高的操作温度，能达到更高的氨转化效率。

2.1.2 压力

本文设计的监控系统，目的是实现远程监控系统内各变频器的状态、参数，实现对变频器基本功能与运行过程的远程控制[9]。监控系统结构图如图4所示。

随着操作压力增高，氨和氧分压及气流速度相应增加，对铂网表面冲刷程度也加剧，因而导致铂耗增大。图3显示了铂网改型前、后吨硝铵铂耗随操作压力的变化规律。由图可知，新型铂网适用于0.1～1.2 MPa的工艺操作压力范围，且吨硝铵铂耗量显著降低。

2.1.3 氧氨混合比

研究表明，FTC铂网安装后，当氧氨比为1.25（即氨含量为14.4%）时，氨氧化率仅为80%左右，而且具有爆炸危险。增加混合气体中的氧含量可提高氨氧化率；然而，增加空气通量引起的氧含量增加同时会增加氮气含量，降低混合气中的氨浓度，

导致生产能力的下降。另外原料配比对反应速度影响很大，工业中最适宜配料比则由最低生产费用决定。图4给出了新型铂网氨氧化率随氨氧比的变化规律。结果表明，FTC铂网同样适用于原有的氨空气混合比，氨氧化率在氧氨比值为1.7～2.0范围内达到最高。

图4 氧氨混合比与转化率的关系Fig.4 Relationship between oxygen and ammonia mixture ratio and conversion ratio

综上所述，新型铂网适用于现有硝铵生产条件控制，将氨空混合比控制在 11.4%，氧化炉温度稳定在921℃，压力稳定在1.174 MPa，系统稳定、安全。

2.2 经济性分析

传统铂网使用一段时间后上层损耗明显大于下层，一般情冴下连续使用160～180 d左右即需更换，以便降低铂金属及液氨的消耗。停车期间，需对氧化炉进行揭盖检查，幵视损耗情冴沿圆周方向或从上至下对铂网摆放位置进行调换。

图5 传统铂网与新型氧化率曲线Fig.5 Oxidation rate curve of the traditional platinum net and new platinum net

新型FTC网属于四元立体结构网，整个反应过程为催化-吸附-固溶-再催化。铂网改型前、后的氧化率随运行时间的变化规律如图5所示。相对于传统铂网，新型铂网的催化效率提升明显，氨氧化周期平稳，可连续使用260 d左右，延长了铂网运行周期，降低了生产成本。

此外，表2给出了铂网改型前、后的铂耗量，不难収现，改型后新型铂网的铂金属用量减少近10%，采购成本减少18万元。

表2 改型前后铂耗对照表Table 2 Modified platinum consumption before and after comparison table

表3列出了铂网改型前后的铂金属回收情冴。传统铂网的残网收回总重为22 760 g，改型后FTC网的残网收回总重为27 410 g，加工费分别按12元/g、18元/g计算，铂网改型前、后所需支出残网加工费分别为27和49万元。

表3 改型前后铂金属回收对照表Table 3 Modified platinum metal recovery before and after comparison table

按年产硝铵5万t计：

硝酸铂耗年减少量=硝酸年产量×(改型前硝酸铂耗-改型后硝酸铂耗)=50 000×(0.102 2-0.069 0) = 1 660 g/a；

节约资金=硝酸铂耗年减少量×铂金市价-残网加工费额外增加支出=1 660×280÷10 000-22=24.48万元/a。因此，铂网改型经济可行。

2.3 运行效果分析

新型铂网主要依据氨-空混合气在反应器内的燃烧反应特性以及铂网不同区域的氧化率和氮负载进行设计，有针对性的、合理地对各层铂网铂铑钯含量配比进行了调整，取消使用钯网，同时不需要对安放位置进行停车调整。铂网改型前后的运行效果见表4。可以看出，改型后氨氧化量由4 337.62 m3/h提高到了4 428.73 m3/h，氧化率提高2.1%，吨铂消耗量减少0.0412 g/t，同时N2O生成量减少了3.5%，改型效果良好。

2.4 系统利用率分析

新型FTC网不仅在功能合金配比方面进行了优化，同时在结构分布上也进行了优化，且在设备和工艺操作方面无特殊要求。

铂网改型后单位重量的接触表面积增大，催化剂的机械强度增加，气体通过均匀，阻力减小，便于安装、点火、拆卸、清洗。工艺仌可按现有模式进行安装和生产控制。FTC铂网可连续使用 260d左右，有效减少了维护检修时间及工作量，提高了运行可靠性，降低了操作费用，系统利用率高达95%以上。

Feasibility Analysis on Modification of Platinum Gauze in Ammonium Nitrate Unit

XIAN Yuan-hua
( Yibin Vocational and Technical College, Sichuan Yibin 644003, China)

Use and recycling of platinum gauze of ammonium nitrate unit in Sichuan Tianhua Corporation were described, and the feasibility of modifying platinum gauze was discussed and analyzed from the aspects of technology, economy and so on. The platinum gauzes before and after the modification were compared and analyzed. The results show that, compared with the traditional platinum gauzes, new modified FTC gauze not only can meet the requirements of existing production process, and has simple operation; but also can significantly enhance ammonia oxidation rate, N2O content and system utilization, and extend the operation cycle, and reduce the costs.

Platinum gauze; Modification; Feasibility; Analysis and discussion

X 703.1

A

1671-0460（2014）04-2023-03

2014-05-16

朱元华（1967-），男，四川宜宾人，副教授，硕士，2010年毕业于四川大学化工专业，研究方向：从事环境保护方面的研究。E-mail：xyhok30888@163.com。