探析合成氨催化技术与工艺发展趋势

丛恒新

(兖矿鲁南化工有限公司，山东滕州，277500)

合成氨主要是指氢与氮在高压、高温、催化作用下所形成的氨，在化学工业中氨是有机化工及化肥工业重要原料之一。20世纪初期开始发展合成氨工业， 将其视为火炸药工业主要原料，在此基础上转而为工业、农业服务，伴随技术革新及市场发展，合成氨需求量与日俱增。催化技术主要是指运用有效的催化剂进行催化反应，达到节约原料，增强原料活力，满足工业生产需求的目的。基于此，为使合成氨工业良性发展，探析有关技术与工艺发展方略显得尤为重要。

1 合成氨催化技术

合成氨工业需在低压、低温基础上保障催化剂具有更高活性，当前在高温下工业催化剂具有超9成的催化效率，例如475℃+、15MPa条件下A301催化剂具有接近100%的催化效率。合成氨工业单程转化率约为15%—25%，气体循环追加动力消耗。若想增强单程转化率及催化剂活性需降低反应温度。英国BP公司发明钌催化剂，我国创立FeO基催化剂系统，助推合成氨催化剂步入全新发展阶段。

1.1 钌催化剂

将钌作活性成分，活性炭为载体，金属钾、钡为促进剂的催化操作，可提高氨合成综合效率，常压下69kj/mol为其活化能。为保障钌这种稀贵金属充分利用，需在高分散载体上予以制备，其中浸渍法最常应用。据统计，载体、母体化合物、制备方式、助催剂等均对钌催化剂的综合性能产生一定影响。N2在铁催化剂与钌催化剂解离吸附效果基本一致，是合成氨控制速率重要步骤，同时二者反应存在区别，NH2受H2吸附抑制作用明显，钌催化剂上NH3抑制相对不显著。

1.2 KAAP工艺技术

为保障单杠合成效果更优，将压力设定为8.96MPa，同时在该压力作用下能够节约催化剂投入成本及合成时间，其中KAAP合成塔是核心，具有大型化、单系列特征，运用热壁塔，该塔为四床层，以间接的形式经由换热径进行催化反应，在同一筒体内装置内部换热器及四床催化剂。将铁催化剂装在第一床装置内，占总量1/2，其余床装置内填充钌催化剂，压力在8.96MPa状态下出口端氨体积约为21.7%。应用KAAP工艺技术合成氨每吨生产成本可节约2.5美元左右，节能约为1.2GJ。1992年首次钌基合成氨催化投产活动表明，铁催化剂、钌催化剂寿命相当，同时与活性炭载体变化情况关系紧密，其催化剂毒物、抗毒性二者亦相当[1]。

1.3 等压合成氨工艺技术

将煤视为原料的合成氨工艺主要囊括等压合成氨工艺技术、微加压合成氨工艺技术、升压合成氨工艺技术，对压力参数有一定要求，以等压合成氨工艺技术为例，其将压力规设为8.5MPa用以制气，合成氨则将压力调整为7.5MPa。在应用等压合成氨工艺技术进程中运用低压低温合成氨催化剂，其中ICI(英国)公司研发74-1型铁钴系合成氨催化剂，我国浙江大学通过10余年研究将A301型低压低温合成氨催化剂视为主要原料，作为新型催化剂之一其活性相较于74-1型催化剂较优，为我国研究低压合成氨工艺技术创造有利条件。经由试验可知，A301催化剂在6000—8000h空速及7.0MPa压力条件下氨体积分数超10%，与等压合成氨工艺技术经济型发展要求相契合。以大型合成氨工厂为例，在8.53MPa条件下应用水煤浆、粉煤渣、渣油等原料制气，施加等压合成工艺技术，基于省去合成气压缩机设施，动能合成消耗节约4309.49kW，103.43kW·h为吨氨节电量，该催化技术应用价值可见一斑。

1.4 超临界合成氨工艺技术

受催化剂活性、化学平衡、高压高温制备等条件影响，合成氨单程转化率约为15%-25%，气体循环加速动能消耗。在温度升高后反应速率加快，降低平衡氨浓度，现有催化剂如Ru催化剂、A301催化剂等在475℃+条件下反应接近或达到平衡氨浓度。基于此，低温活性催化剂成为提高催化剂应用效率新原料，通过降低反应温度保障催化剂在低温下保持良好的活性。为规避化学平衡限制，可应用非平衡限制氨加氢工艺技术，超临界合成技术中流体兼具液体、气体性质，兼具气体扩散性、黏性及液体密度，使催化剂传递性能得以提升，提高催化剂选择性、转化率。例如，应用氮气+氢气制备利用介质超临界特性，从催化剂表面将氨萃取下来，由超临界介质包裹氨，继而降低气相氨及催化剂附和浓度，加速正向反应，保障顺利生成氨。从宏观来看，能够打破3/2H2+1/2N2=NH3平衡，最终得到不可逆反应，提升合成氨单程转化率，达到节能降耗目的[2]。

2 合成氨工艺发展

我国合成氨生产规模约为4500万吨/年，国内需求助推氮肥工业发展与国际接轨，合成氨工艺国际市场竞争力提升，该工艺将产品结构升级、原料整合视为发展主要方向，改良合成氨工艺经济性。

2.1 自动化、集成化、大型化

我国合成氨工艺技术将朝着规模化方向发展，环境友好型工艺技术、催化剂、装置设备被市场所接纳，4000-5000T/D是单系列合成氨装配工艺技术理想水平，其中以天然气为主要原料的技术手段合成氨产能与之趋近。应用工业自动化技术手段提高合成氨工艺效率，将人力从该工艺中解脱出来，提高工艺精度，使合成氨工艺技术效果更佳[3]。

2.2 用“多联产”及再加工取代“油改煤”、“油改气”原料结构

为改善合成氨工艺经济性，提升合成氨竞争力，在全球原油供应率降低条件下，需改善核心原料结构，避免因原油资源不足降低合成氨生产制造综合质量，通过“多联产”助推有关工艺技术创新争优。

2.3 助推合成氨工艺可持续发展

钌催化剂中的原料属于稀缺金属，在化学平衡条件影响下催化剂工艺技术应用效率有待进一步提升，达到降低能源消耗的目的，继而助推合成氨工艺技术良性发展。基于此，未来我国合成氨装置需持续改进升级，确保生产过程绝少产生废物、副产物，实现“零排放”清洁型加工制造目标。

2.4 提高合成氨生产可靠性

针对工艺技术进行改造，如采用煤气化工艺合成气，创建空气分离流程，应用全低压技术压缩空气，为合成氨提供中高低压氮气及工艺氧气；创建耐疏变换流程，应用耐疏变化工艺技术转变CO；创建酸性气体脱除流程，应用低温甲醇清洗工艺技术，实现脱硫脱碳目标，除去合成氨中的CO、HS等成分，继而达到提高合成氨生产可靠性目的[4]。

3 结论

综上所述，合成氨是我国工业制造重要原料之一，为保障该原料加工生产效果更佳，需针对催化剂技术加强研究，丰富催化剂种类，改进催化剂技术参数，在此基础上助推合成氨工艺朝着自动化、集成化、大型化方向发展。通过装置、原料等要素的改良助推合成氨工艺可持续发展，用“多联产”及再加工取代“油改煤”、“油改气”原料结构,提高合成氨生产可靠性,继而提升我国合成氨节能降耗生产能力，满足新时代合成氨工业发展需求。