合成氨综述

合成氨综述

一、序言

众所周知，自然界能够合成氨，不过这只是极少量的，由于世界工业化和全球人口的增长，所以这远远不能满足社会发展的需求。由此合成氨工业本世纪初诞生了，其规模也不断向大型化方向发展。德国化学家哈伯 1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。合成氨反应式如下：Ｎ２＋３Ｈ２≈２ＮＨ３合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。

氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除氨水可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有百分之八十氨用来生产化学肥料，百分之二十为其它化工产品的原料。因此，随着当今社会发展需求，合成氨在这一个世纪以来取得了快速发展，于此同时，合成氨还将在未来的发展中扮演着更加重要的角色。

二、合成氨简介

合成氨工业中，虽然合成气制备的原料和方法、合成气的净化、合成塔的设计等因素不同，合成氨的生产工艺流程也不相同，但是具有一些相同步骤。由于主要有天然气、石脑油、重质油和煤（或焦炭）等作为生产原料，因此，

氨的合成主要有以下三种方法。

①天然气制氨。天然气先经脱硫，然后通过二次转化，再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等工序，得到的氮氢混合气，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳约0.1 0.3体积），经甲烷化作用除去后，制得氢氮摩尔比为3的纯净气，经压缩机压缩而进入氨合成回路，制得产品氨。以石脑油为原料的合成氨生产流程与此流程相似。

②重质油制氨。重质油包括各种深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料气，生产过程比天然气蒸气转化法简单，但需要有空气分离装置。空气分离装置制得的氧用于重质油气化，氮作为氨合成原料外，液态氮还用作脱除一氧化碳、甲烷及氩的洗涤剂。

③煤（焦炭）制氨。随着石油化工和天然气化工的发展，以煤（焦炭）为原料制取氨的方式在世界上已很少采用。中国能源结构上存在多煤缺油少气的特点，煤炭成为主要的合成氨原料，天然气制氨工艺则受到严格限制。

三、合成氨的发展概况

1910年，巴登苯胺纯碱公司建立了世界上第一座合成氨实验工厂，1913年建立了大型工业规模合成氨厂，此后合成氨工厂在全世界范围内雨后春笋般的建立起来。

解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界

上产量最高的国家之一。

近几年来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。

目前，随着生物技术的发展，生化行业颇具潜力，化学模拟生物固氮从而也成为了重要研究的课题之一，其实质上是固氮酶活性中心结构的研究。固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋白这两种含过渡金属的蛋白质组合而成。铁蛋白主要起着电子传递输送的作用，而含二个钼原子和二三十个铁和硫原子的钼铁蛋白是络合N2或其他反应物（底物）分子，并进行反应的活性中心所在之处。关于活性中心的结构有多种看法，目前尚无定论。从各种底物结合物活化和还原加氢试验来看，含双钼核的活性中心较为合理。我国有两个研究组于1973—1974年间，不约而同地提出了含钼铁的三核、四核活性中心模型，能较好地解释固氮酶的一系列性能，但其结构细节还有待根据新的实验结果精确化。

当然，因为化学模拟生物固氮技术发展较晚，技术实力有一定的局限性，所以该工作还有很多困难需要攻关。其中一个主要困难是，N2络合了但基本上没有活化，或络合活化了，但活化得很不够。所以，稳定的双氮基络合物一般在温和条件下通过化学还原剂的作用只能析出N2，从不稳定的双氮络合物还原制出的NH3的量相当微少。因此迫切需要从理论上深入分析，以便找出突破的途径。

总的来说，固氮酶的生物化学和化学模拟工作已取得一定的进展，这必将

有力地推动络合催化的研究，特别是对寻找催化效率高的合成氨催化剂，将是一个有力的促进。

四、当前流行的合成氨工艺

尽管现在的合成氨工艺种类很多，各不相同，但是都包括了一下三个步骤：1.原料气的制备

氨是由三份氢气和一份氮气在一定条件下合成的，制取氢、氮的原料气是合成氨生产的第一步。

工业上普遍采用焦炭、无烟煤、天然气、重油等含碳氢化物的原料与水蒸气、空气作用的气化方法制取。

2.原料气的净化

采用煤和天然气等原料制得的氢、氮原料气中含有硫化物，一氧化碳，二氧化碳，这些杂质都能使氨合成催化剂中毒，因此合成之前需进行除杂操作。

3.氨的合成

将净化后的氢、氮混合气压缩至高压，在铁催化剂与高温条件下合成为氨。在我国，煤依然是一种主要燃料，故经常以煤作为原料来合成氨。其工艺流程为：原料车间制做的煤棒烘干后送到造气岗位，以空气、水蒸气为气化剂，在高温条件下制得合成氨所需的半水煤气。经脱硫岗位罗茨鼓风机加压后送到压缩岗位；经压缩机一、二段加压到0.8MPa送到变换岗位，制得合格的变换气。再到压缩机三、四段加压到2.7MPa送到脱碳岗位，制得合格的净化气，返回压缩机五段入口。经压缩机六段加压12MPa后送至铜洗岗位,制取合格的精炼气，然后再到压缩七进，经七出加压32MPa后送至合成岗位进行合成反应形成氨。

【造气】

（一）、生产原理

C+O2=CO2+Q 2C+O2=2CO+Q 2CO+O2=2CO2+Q

CO2+C=2CO-Q C+2H2O=CO2+2H20-Q CO2+C=2CO-Q

C+H2O(汽)=CO+H2-Q C+2H2=CH4-Q CO+H2O(汽)=CO2+H2+Q

（二）、工艺流程

1.蒸汽流程：从大小锅炉，潜热锅炉和复合肥来的蒸汽经过减压后进入蒸汽

缓冲罐，在罐内与来自煤气夹套汽包的蒸汽混合后，通过蒸汽总阀和上下吹蒸汽阀，分别从炉底和炉顶交替进入煤气发生炉。

2.制气过程：向煤气炉内交替通入空气和蒸汽与灼烧的碳进行气化反应，吹

风阶段生成的空气煤气，经除尘器后送入吹风气回收系统，或者直接经烟囱放空，或者根据需要回收一部分至气柜，用来调节氢氮比，上下吹阶段生成的水煤气经过除尘，显热回收，冷却除尘后去脱硫岗位，上述制气过程在微机控制下，往复循环进行，每一个循环六个阶段，其流程如下：

A 上吹阶段（加氮）

蒸汽通过蒸汽上吹阀，空气经过加氮阀→从炉底进入煤气炉→炉上部出→旋风分离器→总除尘器→联合废锅→洗气塔→气柜

B 下吹阶段

蒸汽通过下吹蒸汽阀→从上部进入煤气炉→炉下部出→旋风分离器→总除尘器→联合废锅→洗气塔→气柜

C 二次上吹阶段