合成氨工业技术的现状及展望

合成氨工业技术的现状及展望

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我国氨工业技术的现状及展望

（米庆芳14111700401）摘要：合成氨工业的巨大成功，改变了世界粮食生产的历史，解决了人类因人口增长所需要的粮食，奠定了多相催化科学和化学工程科学基础。催化合成氨技术在2 0 世纪化学工业的发展中起着核心的作用。本文简述了现代合成氨的主要生产工艺，展望了我国合成氨工业的发展趋势：①原料方面进行油改煤、油改气；②规模方面上大压小和产能置换；③生产技术方面发展新型高效催化剂、低压合成工艺和多联产工艺。

关键词：合成氨工业；油改煤；低压合成工艺；多联产工艺

Status and Prospect of ammonia industrial technology Abstract: The huge success ammonia industry has changed the history of world food production to solve the human food needs due to population growth, laying the heterogeneous catalysis science and chemical engineering science foundation. Catalytic ammonia technology plays a central role in the development of 20 century in the chemical industry. This paper describes the main production process of modern synthetic ammonia, the development trend of China's ammonia industry: ①the material aspects of oil to coal and oil to gas; big pressure and scale of energy production on ②replacement; ③the development of new and efficient production technology catalysts, low pressure synthesis process and multi-generation process. Keywords: Ammonia Industry; oil to coal; Low synthesis process; multi-generation technology

氨工业是现代化学工业之父。以合成氨为基础原料的化肥工业对粮食增产的贡献率占50％左右，使人类社会免受饥荒之苦而居功至伟。合成氨已经成为数以百计的无机化工产品和有机化工产品的生产原料。合成氨工业化作为工业史上加压催化过程的里程碑，标志着工业催化新纪元的开端，也奠定了多相催化科学和化学工程科学的基础。目前，我国合成氨产业规模已居世界第一，总量占世界总量的约1／3。合成氨作为化肥工业生产的重要基础，在我国国民经济中发挥着重要作用。

1 现代合成氨的主要生产工艺

1.1 现代合成氨工业主要生产原料[1-2]

合成氨的反应公式为3H2+N2=2NH3+Q，合成氨的反应特点主要为：可逆反应，氢气与氮气反应生成氨，同时氨在一定条件下也可以分解成氢气和氮气；此外，合成氨的反应为放热过程，反应过程中反应热与温度以及压力有关；而且需要催化剂的催化方能迅速进行合成氨反应。现代合成氨工业以各种化石能源为原料制取氢气和氮气。根据不同的制气原料而有不同的工艺技术，其中，煤炭约占76％、天然气约占22％、其它约占2％左右[3]。

1.1.1 天然气

采用天然气生产合成氨主要工序为脱硫、二次转换、一氧化碳以及去除二氧化碳等工序，在上述工序完成后即可得到氮氢混合利用甲烷化技术去除少量残余的一氧化碳以及二氧化碳，并经压进行压缩处理，即可得到合成氨产品。工艺图

为图1。

1.1.2 煤

以煤作为原料制取氢气的工艺流程主要包括煤的高温干馏焦化以及煤的气化两种，煤的焦化主要是将煤处于空气隔绝的高温条件下制取焦炉煤气，通常情况下焦炉煤气中含有60％左右的氢气，作为合成氨生产的原料。而煤的气化，将煤在高温条件下，通过常压或者加压的方式与水蒸气或者氧气反应，得到含氢的气体产物，以此为制作合成氨的原料。工艺图为图二。

图1 以轻质烃为原料蒸汽转化法制氨方块流程图图 2 以煤和渣油为原料制氨方块流程图

1.2现代氨工业原料气的净化

现代合成氨工艺中，原料气的净化大致分为两类：①烃类蒸汽转化法的原料气经CO变换、脱碳和甲烷化最终净化，称为热法净化流程；②渣油部分氧化和煤加压气化的原料气，CO变换采用耐硫变换催化剂，低温甲醇洗脱硫、脱碳，液氮洗最终净化，称为冷法净化流程。

制气工艺和净化工艺的不同组合构成各种不同的制氨工艺流程，其代表性的大型合成氨工艺有Topsoe、Kellogg和Braun制氨工艺流程以及Kellogg、Braun 和ICI—AM低能耗工艺流程等[4]。Brown公司曾比较了各种煤制氨工艺，认为

Lurgi气化炉和Texaco气化炉是较好的可供选择方案，并指出当天然气成本是煤的三倍或四倍时(按热值单位)，煤与天然气相比是较为经济的原料。

1.3合成氨生产工艺指标

1.3.1 合成氮生产压力

通常情况下将压力控制在3-4MPa左右，这主要是由于采取加压的条件可以降低能耗，保证能量的合理利用，而且采取加压的方式还可以提高反应余热的利用。

1.3.2生产温度

对于一段炉的温度，一般控制在760—800℃左右，这主要是由于一段炉设备价值高，而且主要为合金钢管，合金钢管的特点在于温度过高容易造成使用寿命大幅度降低。对于二段炉温度，主要根据甲烷控制指标来确定。在合成氨的生产压力以及水碳比得出后，应该根据平衡甲烷的浓度来确定合成氨的生产温度。通常情况下要求yCH4 < 0.005，出口温度应为1000℃左右。实际生产中，转化炉出口温度比达到出口气体浓度指标对应的平衡温度高。

1.3.3水碳比

由于水碳比高的条件下，残余甲烷含量降低，且可防止析碳。因此一般采用较高的水碳比，约3.5—4.0。

1.4我国合成氨技术的基本状况[5]

我国的氮肥工业自20世纪50年代以来，不断发展壮大，2008年我国合成氨总产量突破510万t，占当年世界合成氨总产量的33.1％[6]，2012年则已超过6 000万t。目前合成氨产量已跃居世界第一位，掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术。

20世纪90年代，在高油价和石油深加工技术进步的双重压力下，为了改善装置的经济性，多套装置开始进行以“原料结构和产品结构调整”为核心内容的技术改造，原料结构调整包括轻油型装置的“油改煤”、渣油型装置的“油改气”或“渣油劣质化”；产品结构调整包括转产或联产氢气、甲醇等。

“十二五”期间我国合成氨工发展政策鼓励研发和推广劣质煤、高硫煤加压气化等新型煤气化技术；高效率、大型化脱硫脱碳、变换、气体精制、氨合成和新型催化剂等先进净化和合成技术；利用造气炉渣、煤末、吹风气等资源，开发和推广大型合成氨、尿素国产化技术及装备。

80年来，我国的合成氨工业已呈现多层次、多形态的新格局和加速发展的新态势[7]：①已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃等多种原料生产合成氨和尿素的技术，形成了具有中国特色，以煤为主( 80％以上)、天然气为辅、石油已基本淘汰的原料格局；②形成了大、中、小生产规模并存，以中小型企业为主体、大型企业为辅，但大型化、集团化趋势越来越明显的企业格局；③形成了先进工艺技术和落后工艺技术并存，先进工艺技术呈加速发展的合成氨和氮肥生产技术格局目前合成氨和尿素总生产能力已完全能够满足国内农业和工业需求，但总体吨氨能耗水平、总体企业的规模效益还与世界先进水平存在较大差距，前正处于转型发展的关键时刻。

2合成氨工业的未来展望[7]

根据合成氨技术发展的情况分析，估计未来合成氨的基本生产原理将不会出