KAAP氨合成工艺技术特点及应用概况

KAAP氨合成工艺技术特点及应用概况

20世纪80年代以来，随着世界能源价格的不断上涨和合成氨经销价格的不断下降，世界各国都在致力于开发节能型新工艺。1992年，英国石油公司(BP)和美国凯洛格公司(Kellogg)合作开发的凯洛格先进氨工艺—KAAP(Kellogg Advanced Ammonia Process)及催化剂首次应用于加拿大太平洋氨厂(Pacific Ammonia)，引起了国内外的广泛关注。目前，世界上已有5套装置采用该技术进行改良设计或新建。

1 KAAP技术特点

1979年，BP公司和Kellogg公司联手合作，由BP负责开发低温低压下高活性的钌基氨合成催化剂，由Kellogg公司负责开发与其配套的氨合成工艺，共同开发新型氨合成工艺KAAP。KAAP技术以天然气蒸汽转化和低压氨合成催化剂为基础，用于工厂合成回路的主要工艺步骤见图1。据称，KAAP技术用于新建装置，吨氨能耗为28.842～30.096MJ，吨氨成本可降低2～6美元；用于现有装置，可提高合成系统能力20％～40％。

KAAP氨合成工艺关键在于高效能的钌系氨合成催化剂，其活性是铁催化剂的10～20倍，可在低温低压下操作，同时该催化剂适应氢氮比范围广，使合成氨厂设计灵活性大大增加。由于 KAAP催化剂的优良性能，采用该技术可以进行大型装置的设计。

新建KAAP工厂合成部分为：KAAP催化剂；KAAP反应器；低压合成回路；单台合成器压缩机；组合合成气冷冻压缩机；组合空气压缩机和发电机等。

1)KAAP催化剂

KAAP技术的核心在于低温低压高效氨合成催化剂。 KAAP催化剂是以石墨化的碳为载体，以Ru3(CO)12为母体的新一代钌基催化剂，它是氨合成催化剂发明八十年来首次工业化的非铁系催化剂。在低温低压下具有高活性，据报道，在压力6.9MPa、温度437℃、空速10000h－1条件下，使用KAPP催化剂出口氨含量为11.7％，而同样条件下使用铁基氨合成催化剂出口氨含量仅为 6.0％。另外，KAAP催化剂氢氮比的可操作范围大，可以从1∶1到3∶1，因此使合成氨厂的设计灵活性增加，不必为调整氢氮比而增加工序。

2)KAAP反应器

KAAP反应器是4床层、内冷、中间间接换热、径向反应器。该反应器有3个特点：①热壁设计。

②一个反应器包括4个催化剂床和中间换热器。第一床装铁催化剂，约是催化剂总量的一半，其余三床装KAAP催化剂。③首次把单个反应器设计成1850t／d的生产能力。

3)低压合成回路

KAAP系统正常操作压力为9.14MPa，选择该压力是为了与单台合成气压缩装置配套。由于采用低压回路设计，其降低的压缩装置及合成系统管路设备的投资足以弥补采用钌催化剂后的投资增加。

4)单台合成气压缩机

早期的合成氨厂有2～3台合成气压缩机，KAAP工厂只有一台，包括压缩和回路循环。显然，采用单台合成气压缩机使装置投资减少，运行费用降低，并且操作可靠性提高。

5)大能力设计

KAAP技术适用于大型合成氨厂。由于KAAP催化剂活性很高，催化剂体积只需考虑与普通铁催化剂的体积相当。过去，铁催化剂发展得越好，合成回路压力越低(表1)。早期工厂合成回路压力为31.6MPa。80年代，一个日产1000t的合成氨厂回路压力约为14.8MPa。降低压力要求增大铁催化剂的体积。在KBR 公司，一般日产1500t的大型厂在使用铁催化剂时，压力在 19.7MPa，并需用2台或3台合成气压缩机。而新型的KAAP合成氨厂合成回路压力仅为 9.14MPa，但单位生产能力所需的催化剂体积反比铁催化剂小。由于KAAP设计所需的催化剂体积较小，因此KAAP反应器可以把所有的4床催化剂和3个中间冷却器放在一个容器中，而且不比日产1000t厂的反应器大。

2 采用KAAP技术的工厂情况

1992年KAAP技术首次被应用于加拿大太平洋氨厂进行装置扩能。1995年美国KBR公司 (Kellogg 公司与Brown & Root公司合并为Kellogg Brown & Root公司)和特立尼达FMCL公司(Farmland Miss Chem Ltd)计划采用KAAP技术建设能力为1850t／d的合成氨工厂，1998年2月完成了装置建设，4月生产出产品氨。几乎在同一时间，特立尼达的PCS公司(PCS Nitrogen Train)亦用KAAP技术建设了一套与FMCL公司同样规模的合成氨厂。这两家厂是首次完全按照KAAP技术和 KAAP催化剂设计的新型基础(Grassroot)合成氨厂，代表KBR合成氨厂的最新生产水平。目前世界上已有5家应用KAAP新工艺的合成氨厂(表2)，前3家是原有合成氨厂的改良设计 (Retrofit)，后2家是完全按照KAAP技术和KAAP催化剂设计的新型合成氨厂。

PCML及PCS氨厂自1998年投产后运行情况良好，装置运转负荷达到设计值的103％、102％，日产氨超过1900t。

目前中国海洋石油总公司正采用KAAP技术在海南建设一套1500t／d的合成氨装置，计划于 2003年投产。

3 结束语

KAAP技术是新一代的节能型合成氨技术，KAAP钌基氨合成催化剂突破了沿用80年的铁基催化剂，是合成氨工业的又一个重大突破，该技术应有良好的应用前景。