新型氨合成工艺技术应用优势比较

张志峰

（天津渤化永利化工股份有限公司，天津 300452）

我国既是产粮大国也是消费大国，虽然耕地面积较大，但人均耕地面积却相对较少，随着土壤肥力的逐年下降，人们开始研究土地专用化肥，用以提高肥力增长农作物产量，其中尿素的质量就显得尤为重要。而尿素的主要成分就是氨，因此，合成氨工业对农业生产起着重要作用。目前由于国内的技术设备相对落后，又面临原料成本增加，环保问题越加受到重视，使得国内氨合成困难重重，很多小型设备面临甚至已经淘汰，要想解决问题，必须要采用更加有优势的工艺技术，故此，选用高效节能的氨合成设备以及先进的工艺设计，是降低系统能耗，促进合成氨行业长远发展的 关键。

1 氨合成工艺研究国际进展

20世纪70年代，我国采用的氨合成工艺不仅合成压力高，而且氨净值只在10%~13%，并且由于设备落后，无法进行热量回收，能耗较高，且生产能力低，经过多次改革，已经将此类设备淘汰。目前，国内已有多家企业开始研发设计合成效果更佳的氨合成系统，最有代表性的企业有湖南安淳、南京国昌等。现如今所设计的合成塔，塔径为600~3 200 mm，合成塔的合成能力相比之前有较大提升，提升最为明显的就是合成氨联产甲醇的流程所设计的醇烃化工艺搭配醇烃化产生的气体进行精制时应用的工艺所结合的新型氨合成工艺，此工艺目前设计领先，运行成熟，但是目前国内大多数氨合成工艺中，前期制气阶段所采用的工艺都是固定床间歇煤气化技术，导致进入氨合成阶段中的惰性气体含量较高。并且，氨合成工艺中所使用的合成塔的内部换热结构相比国外来说，还有较远距离。

目前国内所应用的工艺多数是从国外引进[1-2]，例如Kellogg、托普索、卡萨利、Braun、ICIAMV、ICILCA、KBR KAAP等工艺，但是也包括国内的醇氨联产、GC型低压氨合成工艺等，这几种氨合成工艺的设计理念都是以提高氨净值和节能为最终目的。

2 合成工艺简介

2.1 美国Kellogg工艺

Kellogg工艺代表着世界氨合成技术的先进水平，由卧式径向塔、热壁以及组合式氨冷器等结构组成[3-4]。Kellogg氨合成技术采用卧式合成塔结构，此合成工艺相比而言，阻力较低，氨净值高，并且运行过程较为稳定，但因采用卧式合成塔，所以需要的场地较大，并且对设备的精度也要求较高。Kellogg所采用的卧式合成塔主要是由内部带有冷却设备的单台卧式压力容器组成的，壳体中存在移动型的三床触媒筐，此触媒筐可以从合成塔中拉出，以及两个内部换热器，和独立出来的环形空间，此空间处于外壳与触媒筐之间，用于冷却气体。合成塔内的工艺气可循环应用，提高热转化率。与卧式合成塔同用的设备为组合式氨冷凝器，使用此冷凝器后可替换掉传统工艺中的换热器和闪蒸槽，不仅降低成本，且可大幅度降低系统阻力。目前已有成功案例，海南富岛的二期工程就是应用此合成塔及合成工艺，且使用的触媒为国产。

2.2 丹麦托普索工艺

全世界约有50%的氨合成装置采用托普索工艺[5]。托普索氨合成工艺在国外应用较多，国内只有部分厂家采用此工艺，采用的合成塔类型为全径向，且合成塔内部的触媒层主要有三段，每段之间存在的换热器为两段，因此，此合成塔具有阻力小，氨净值高等优点。托普索合成塔常用的型号为三种，S-200、S-250、和S-300。其中S-200最易操作，因为其使用的触媒粒径较小，所以阻力小，并且比表面积大，活性较高，稳定性良好；以S-250型合成塔为例，其结构特点是在S-200塔后串联S-50塔，因此，S-250型合成塔具有S-200塔的吸附特点，还具有合成塔出口NH3含量高的特点。

2.3 瑞士卡萨利工艺

卡萨利氨合成技术源于瑞士，是目前国内合成氨企业引进氨合成技术占比最大的工艺，卡萨利轴径向合成塔内件的优点[9]是：①合成塔内床层之间都存在换热器，所以热力学效率较高；②最大化的催化剂装填量和最高的转化率；③催化剂的利用率较高；④将气体以轴径向的方式与催化剂流化床接触，从而降低阻力至2.5bar左右；⑤采用活性更强的小颗粒（1.5~3mm）催化剂，特别是可以选用南京催化剂厂的合成氨催化剂。目前国内也有较多企业开始引进同结构异规模的合成塔，比如海南、黑龙江迁安等地，到目前为止使用情况较好[6]。

2.4 Braun合成工艺

Braun合成工艺是Braun公司开发的节能型合成氨工艺，主要是为了解决燃料消耗过大等问题，其核心是深冷净化装置。此工艺中二段炉采用的是绝热式催化反应器，所以其热效率高，但是其负荷也会有所提高，因此会产生不符合要求的氢氮比气体。为解决问题，采用了在合成塔之前放置深冷分离装置，此装置可以使一、二段炉中间的蒸汽转化达到相对较低的水汽比；并且空气压缩机的尾气又可以供一段炉使用；合成的气体经过深冷精制，不仅能脱除过量的氮气，还能制取高纯度的氢氮气，能带来优异的效果。氨合成回路的产生的热量会进入到设备中的废热锅炉，回收氨合成的反应热，并加以利用。

2.5 ICIAMV合成氨工艺

AMV合成工艺借鉴了Kellogg和Braun中的优异技术，并将其进行结合，并且此工艺的特点也与Braun相似，就是将一段炉的负荷转移至二段炉，合成过程中产生的废气通过深冷分离装置进行回收，再将其通入至循环压缩机内；本工艺合成时可采用低压合成，所以可选用低温低压的氨合成催化剂，既安全又经济。

2.6 ICILCA合成氨工艺

LCA工艺在装置选择上要优于上述工艺，此工艺中将传统的一段炉替换为转化器，转化器相比于传统一段炉而言，结构简单，体积较小，并且可以将二段炉所产生的热量返回至转化器上，降低能耗；采用水冷列管式，可降低流程，提高变换率；回收气体装置也替换为分子筛变压吸附；此工艺的合成环境与AWV相同，也是采用低压低温。此工艺最大的特点就是需要采用新型的铜基催化剂。

2.7 KBR KAAP合成氨工艺

KAAP合成氨工艺的关键是催化剂的选择，通过研究最终确定为钌基氨合成催化剂。钌基催化剂的活性较高，可用于低温低压反应中，转化效率也相比于传统系统要高，并且具有极高的耐毒性，对合成气要求也较低，相比于上述工艺，可降低装置的复杂性，目前世界上已有多家企业采用此工艺。

2.8 醇氨联产的合成氨工艺

醇氨联产的合成氨工艺是我国结合目前氨合成厂情况所研发的工艺，此工艺最大的特点就是在氨合成的过程中，将原料气中的一氧化碳，二氧化碳和氢气进行反应生成甲醇，既能除去碳氧化合物，又可以气体精制单元的负荷。并且还可以调节氨和甲醇的产量，以达到最佳的经济效益。

2.9 GC型低压合成氨工艺

GC型低压合成氨工艺是国昌公司所研发的GC型低压合成氨工艺，是一种节能、安全、环保的新型工艺，此工艺是在传统设备上结合了国昌公司自主研发的鱼鳞筒径向分布器、多段绝热组合式催化床结构和催化剂自卸等新技术，经过多次应用，已确定其先进性和可靠性。此工艺的优点就在于合成塔结构先进，前期投资成本低；反应热利用率高，氨净值高；水冷器传热能力强，检修方便。

3 氨合成工艺发展趋势

根据目前氨合成工艺的发展，在对国外的先进氨技术进行详细了解，并结合引进的氨合成装备，使得国内的氨合成技术也有了显著发展。目前国内化工方面的模拟技术开始迅速发展，应用较多，化工技术人员也愈发了解氨合成技术，并且对于氨合成装备中相关设备的制造水平也达到国际水平。接下来几年的发展还是应该趋向大型化和综合化，这样不仅节约了人力资源，更能促进能源的节约与利用，即使当生产规模扩大后需要更多的资金投入，但是相对而言优势大于劣势；合成氨的生产过程耗能较大，成本较高，因此，低成本低能耗的氨合成工艺依然是未来几年的研究重点。

4 结束语

目前国际上使用最多的合成工艺主要就是以上九种，这些工艺各有千秋，只是注重的重点有所偏差，九种工艺的所具有的优势主要就是以下方面：

1）Kellogg工艺：装置阻力低，运行稳定，氨净值高，转化率高，并且资金投入较低。

2）托普索工艺：装置阻力降小，氨净值高，循环量降低，能耗低，但需用专用的催化剂。

3）卡萨利工艺：装置的热力学效率较高，阻力降很小，催化剂的装填和卸料更便捷，且催化剂可采用活性更高的小颗粒，利用率高；Braun合成工艺：可通过装置脱除过量的氮气，并能制取高纯度的氢氮气，且节约能耗。

4）AMV合成工艺：合成时低温低压，可选用低温低压的氨合成催化剂；LCA合成工艺：能耗低，流程短，变化率高，且合成时也低温低压，不过只能选用新型的铜基催化剂；KAAP合成工艺：装置简单，但是需专用催化剂——钌基氨合成催化剂；醇氨联产的合成氨工艺：可同时生产氨和甲醇，经济效益高。

5）GC型低压合成氨工艺：投资成本低，反应热利用率高，氨净值高，能耗低。