合成氨工艺简介

摘要

煤气化法是我国合成氨的主要制气方法，也是未来更替天然气和石油资源所必将采用的制气方法。即利用无烟煤、蒸汽和空气在碳发生炉内生产合成氨所需要的气体，俗称半水煤气。在已制得的半水煤气中，除了含有按合成工艺所需要的氮气和氢气外，还含有许多杂质和有害气体。由于这些杂质和有害气体很容易使合成触媒中毒而降低触媒效能。为保护触媒，延长其使用寿命，保证合成氨生产的正常进行，半水煤气中的杂质和有害气体必须在合成之前得以及时清除，这就需要对混合气体进行净化处理，并且要求连续性作业，以达到化学反应稳定进行，从而构成了合成氨工艺流程错综复杂和连续性强的生产特点。

一合成氨的生产方法简介

氨的合成，必须制备合成氨的氢、氮原料气。氮可取之于空气或将空气液化分离而制得，氮气或使空气通过燃料层汽化将产生CO或CO2转化为原料气。氢气一般常用含有烃类的各种燃料制取，亦通过焦碳，无烟煤，重油等为原料与水作用的方法制取。由于我国煤储量丰富，所以以煤为原料制氨在我国工业生产中广泛使用。

合成氨的过程一般可分为四个步骤：

1．造气：即制备出含有氮一定比例的原料气。

2．净化：任何制气方法所得的粗原料气，除含有氢和氮外，还含有硫化氢、有机硫、一氧化碳、二氧化碳和少量氧，这些物质对氨合成催化剂均有害，需进行脱除，直至百万分之几的数量级为止。在间歇式煤气炉制气流程中，脱硫置于变换之前，以保护变换催化剂的活性。

3．精炼：原料气的最终精炼包括清除微量一氧化碳、二氧化碳、氧、甲烷和过量氮，以确保氨合成催化剂活性和氨合成过程的经济运行。

4．合成：将合格的氢氮混合气体压缩到高压，在催化剂作用下合成氨气。

二合成氨反应的基本原理

1. 造气：合成氨的原料——氢氮可以用下列两种方法取得

（1）以焦碳与空气、水蒸气作用

（2）将空气分离制取氮，由焦炉气分离制氢

采用煤焦固定床间歇式汽化法。反应方程如下：

C+H2O=CO +H2 (1)

CO+O2=CO2(2)

2．脱硫：无论以固体煤作原料还是以天然气、石油为原料制备氢氮原料气都含有

一定成分的硫元素，无机硫主要含有硫化氢；有机硫主要含有二硫化碳、硫化氧碳等等。

硫化氢对合成氨生产有着严重危害，但不能与铁反应生成硫化亚铁，而且进入变换及合成系统能使铁催化剂中毒，进入铜洗系统使铜液的低价铜生成硫化亚铜的低价沉淀，使操作恶化，铜耗增加。所以半水煤气总的无机碳化物和有机硫化物必须在进入变换、合成系统前除去。

以煤为原料采用间歇式造气炉制半水煤气时，通常先将煤气进行湿法氧化法脱硫，使硫化氢含量降低至30～50毫克/立方米以下，然后经中温变换，使有机硫转化为硫化氢。然后，

在脱除二氧化碳过程中和铜氨液洗涤过程中进行更精细的除净。

下面介绍螯合铁法脱硫

螯合铁法是采用为氧化催化剂，完成的析硫过程。由于铁离子在碱性脱硫溶液中不稳定极易生成沉淀而从溶液中析出，为此，必须添加螯合剂以使和稳定存在于液相。

HS—+ 3Fe3+（络）——>2Fe2+(络) + S + H＋再生塔中再汽化为（络），即

4Fe2+（络）+ O2 + 2H2O ——> 4Fe3+（络）+ 4OH—

3.变换

变换方法：CO（g）+ H2O(g)==CO 2+ H2 (g)

工艺流程：半水煤气进入变换炉反应前，先混合蒸汽预热到673K，为此由脱硫塔的半水煤气加压后首先进入饱和塔的底部，与塔内自上而下的热水逆流接触，使气体温度升高，并被水蒸气所饱和然后由塔顶引出，在管道内与外供之高压蒸汽混合后主热交换器和中间热交换器进入炉内一般，此时约80%的CO被交换为H2，反应热使温度升至420度左右进入交换炉二段，此时气体CO含量降至3.5%以下，液体温度为430度由炉底逸出依次经过水加热器、热水塔、冷凝塔降温后进行二次脱硫。

4.脱碳

经变换二次脱硫后气体中含有大量CO2，还有少量的CO等其它有害气体，它们会使氨的合成催化剂中毒，必须除去。工业上脱碳的方法很多，通常用碳酸丙烯酯（PC）法脱CO 2。含有一定浓度的原料气进入吸收塔内，气体CO2被逆流下的丙碳（PC）吸收。净化气中CO2脱至所要求的浓度由塔顶排出，成为可使用的工艺气。

吸收CO2后的PC富液经涡轮机回收能量，在后一级闪蒸槽内闪蒸，再到常压闪蒸槽进行常压闪蒸，常压闪蒸液在气提塔内经空气气体提再生。再生后的PC贫液经循环液泵送回吸收塔循环使用，气提空气由通风机从气提塔底送入。

一级闪蒸气中含有CO2及部分工艺气，对于合成氨变换气脱碳，一级闪蒸气可全部或部分返回压缩与原料气汇合，以吸收N 2与H 2气。

为减少PC的损失，各排放气排出系统先经过水洗回收PC。

问题：吸收需要高压低温，如何实现：压缩机产生高压，换热器产生低温。

PC的回收：解吸，还可以回收CO2

解吸需要高温和低压，如何实现。物料在此过程中如何流动？

5.铜洗

变换气经过净化后仍含有少量的CO、CO2、O2、H 2S等有害气体，工业上常用铜洗法精制原料气。

铜洗法的溶液醋酸铜氨溶液是又醋酸铜和氨通过化学反应后制成的一种溶液，简称

铜液，其组成为Cu（NH3）2Ac（醋酸亚铜络二氨）吸收CO、CO2和O2、H2S反应如下：同理：吸收和解吸，物料的输送，能量的综合利用。

6合成氨的合成是高温高压下，在触媒存在条件下而生成的。反应式如下：

3H2+N2——2NH3+Q

由上式可知反应产生较大的热量，我们采用后置式废热式锅炉回收，并副产蒸汽。为了保持合成塔塔壁温度不合成过高，冷态气体先从塔壁自上而下，然后经塔外预热器预热后进入合成塔出口气经废热式锅炉回收热量后，进塔外预热器预热为入塔气体。此采用无油滑往复循环机，故循环机位置设于合成塔进口处。

附图1 变换车间工艺流程图