【導讀】德國化學家哈伯1909. 年提出了工業(yè)氨合成方法，即“循環(huán)法”，這是目前工業(yè)普遍采用的直接合成法。合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨。式NH3英文名：syntheticammonia。世界上的氨除少量從焦爐氣中回收副產外，合成氨主要用作化肥、冷凍劑和化工原料。種氮肥和含氮復合肥料，如尿素、硫酸銨、磷酸銨、氯化銨、硝酸銨等。產硝酸、純堿、含氮無機鹽等。氨還被廣泛用于有機化工、制藥工業(yè)、、化。纖和塑料工業(yè)以及國防工業(yè)中。因此，氨在國民經濟中占有重要地位。

　　

【正文】 升管和輸氣總管組成、爐頂設燒嘴向下噴燒供熱，對流段有多組換熱器，用煙道氣加熱其他介質。 原料氣脫硫后，則希望以比較經濟的方法將原料氣轉化生成氫氣。原料氣蒸汽混合氣與鎳催化劑接觸，同時提高溫度和壓力來促進此反應。該反應是一吸熱反應，需要一段爐供給恒定的熱量以維持適合一段轉化反應的溫度。在一段爐和二段爐中，催化劑促使兩個同時發(fā)生的平衡反應，它們是蒸汽 甲烷反應： 22242222244HCOO2HCHHCOOHCO3?????????完全，則總反應為：如果兩個反應進行的很：和一氧化碳的變換反應HCOOHCH 但事實上不是這樣的，二段爐出口氣中含有大量的 CO，大部分未變換的 CO 21 再變換中氧化成 2CO 從而提高產氫率。 一段轉化爐爐管內裝有環(huán)狀或圓柱狀的鎳催化劑，各爐管內催化劑裝填應均勻，從而保證其壓降相等，使通過每根轉化管的氣體分配均勻。如果某根轉化管的壓降不正常，則可能會發(fā)生過熱或轉化不充分，造成操作不正常。 （ 3） 二段轉化爐 二段轉化爐為立式圓筒形反應器。受壓主體為碳鋼制圓筒殼，兩端為錐形封頭，由于內 部溫度高，在殼外部有水夾套，這樣既可降低殼體溫度，也可是殼體受熱均勻?？諝?蒸汽由混合器均勻噴出，工藝氣則通過帶孔的環(huán)形分布板，這樣可保證空氣 蒸汽和工藝氣均勻混合燃燒。轉化爐下部為帶孔的耐火金剛玉磚拼成的球形承重拱。 出一段爐的經部分轉化的氣體經過一段有水夾套的輸送管線 107D，沿切線方向進入二段爐（ 103D）的入口室，二段轉化爐進口的溫度大約 830C? 。 一段轉化后的氣體仍含有較多的甲烷，為了進一步轉化則需要更高的溫度。這個任務在內熱式二段爐里完成。在此加入 空氣 ， 于 是 氣 體 中 的與空氣中的氧燃燒2H ，同時氣體中的 4CH 、 CO也可能燃燒，放出大量的熱，溫度可達 12001250 C? ，因此，殘余的 4CH 繼續(xù)轉化。出口溫度降到 9001000C?左右。進入二段轉化的空氣，也為合成提供了 N2。 （ 4） 熱交換器 熱交換器為管式換熱器，進熱交換器的冷氣不經過合成塔的間隙，這樣使溫度更低， 使進水冷器的合成氣溫度更低，提高了合成反應熱利用，同時也降低了水冷器的負荷和冷卻水的消耗。 （ 5） 循環(huán)機 循環(huán)機設與冷交換熱氣之后，氣體經循環(huán)機加壓后直接進塔，使合成反應處于系統(tǒng)壓力最高點，有利于反應。氣體在設備中流動和反應都會使得整個體系的壓力降低，循環(huán)機起到補充系統(tǒng)壓力的作用 氨合成技術的發(fā)展 近年來 ,氨合成工藝技術已取得長足進步。特別是市場經濟體制的建立 ,各氮肥企業(yè)為了在市場競爭中走在前列 ,紛紛圍繞節(jié)能降耗 ,加大技改力度 ,為氨合成技術的新發(fā)展提供了一個平臺。在此形勢下 ,各企業(yè)對氨合成裝置的要求 ,逐漸由以前的強化高負荷生產轉變到現在的輕負荷低消耗運行模式上來。因此氨合成的關鍵設備合成塔 ,在同等規(guī)模條件下 ,也逐漸的被大塔取代 ,出現了 “大馬拉小車 ”的局面。一些 Φ1 200、 Φ1 500、 Φ1 600、 Φ1 800、 Φ2 000 的大直徑塔逐漸被研制出來 ,并投入到工業(yè)生產中去。 伴隨著大直徑塔的使用 ,氨合成系統(tǒng)工藝運行條件發(fā)生了變化。低溫低壓氨合成催化劑的應用 ,也是企業(yè)節(jié)能降耗可行途徑之一。大直徑塔及低溫低壓催化劑的使用 ,加大了企業(yè)的設備投入。企業(yè)勢必采取各種措施保持裝置長周期運行 ,以求得更多的有效生產時間 。因此 ,原料氣的凈化度高 ,避免催化劑中毒 ,至關重 22 要。積極使用原料氣凈化新技術 ,實現原料氣微量 (CO+CO2)趨近于 “零 ”,避免銅液、油水入塔 ,最大限度的減少毒物對催化劑的影響將會被人們逐漸重視。 11 節(jié)能措施 以煤為原料的合成氨的特點是生產能力低，噸氨能耗較高。因此，如何合理、高效利用能源，做好節(jié)能降耗工作對合成氨的生產具有重要的意義 [9]。 常壓造氣氨廠工藝的節(jié)能措施有 ： 造氣爐采用微機液壓控制系統(tǒng) 。 造氣用煤合理分配 ， 大、中塊造氣用 ， 小顆粒及爐渣作為鍋爐用煤 。 設置造氣吹風氣鍋爐 ， 吹除氣 夾帶的可燃成份及本身的熱量加以利用 。 采用全低溫變換 ， 加入軟水取代蒸汽 ， 節(jié)省 變換用工藝蒸汽， 變換余熱加熱軟水 。 脫 CO2 用物理吸收。 合成選用適當壓力的廢熱鍋爐 ， 產生的蒸汽在工藝中使用 。 合成吹除氣用氫回收裝置回收氫氣 ， 其余 CH4 等作為燃料氣 。 全裝置熱能綜合利用 ， 如合成廢熱產飽和蒸汽供變換 ， 變換、造氣產低壓蒸汽供造氣 ， 全裝置做到蒸汽自給 。 綜合考慮， 在我國已建成的合成氨廠中 ， 大多以煤為原料 ， 且各地根據需求還可能新建一批以煤為原料的裝 置， 近年來合成氨技術發(fā)展很快 ， 可供選擇的技術很多 ， 應 實事求是地根據裝置所在地的特點綜合考慮 ，主 要應考慮節(jié)能降耗、工藝流程 ， 做到配套合理、投資省、操作穩(wěn)定可靠 。 12 世界合成氨工業(yè)近期進展及前景展望 [10] 由于生態(tài)和環(huán)保的原因，今后發(fā)達國家 化 肥用量將減少，世界合成氨生產能力將緩慢 增長。雖然使用 “無機 ”氮 的生物農業(yè)將會有 所 發(fā)展，但是，在以后的 15—20 年內，生物技， (如固定氮工藝 )還不可能取代合成氨作為化 學 肥料的主要來源。現今所有的合成氨消費中， 只有 13％是用在化學和工業(yè)應用上，其他 87％ 都 用于生產化肥。因此，氮肥的供應還得繼續(xù)依 靠合成氨的生產。近幾年來，世 界合成氨工 業(yè) 的技術進展主要有以下幾方面： 1．英國 ICI 公司采用 LCA 工藝流程，在英國的 SevernsNe 氨廠建了兩套并列的產量各為 450 噸／天，但只有一套公用工程系統(tǒng)的合成氨裝置。這種生產規(guī)模較小的工廠從某些方面來說，仍是有吸引力和競爭力的，如建 3 個 LCA 流程的 500 噸／天工廠就比建一個日產1500 噸的傳統(tǒng)世界規(guī)模工廠的投資要低些。 LCA 流程與當今的大型裝置流程不同，該法的噸氨能耗為 30． 1GJ，采用氣熱轉化爐取代通用的轉化爐，在隔熱管式變換器中進行變換，反應熱用于制備原料氣與蒸汽的飽和氣。變壓吸附脫除二 氧化碳。用 含鈷 催化劑作氨合成觸媒，合成壓力為 8MPa。 2． 美國凱洛格公司對氨廠的某些工藝單元 及設備的傳統(tǒng)構型進行了改革，開發(fā)出了 合成氨生產的 4 種新技術，即用于氨合成回路 的 KAAP 工藝，用于工藝氣轉化換熱的 KRES系 統(tǒng)，以計算機為基礎的氨廠節(jié)能降耗動態(tài)控指 KDAC 技術和公用工程蒸汽系統(tǒng)的冷凝液 23 汽 提 KICS 技術。其中 KAAP 工藝將是未來一個很有前途的氨廠改造方案，其合成壓力為7~9． 1MPa，采用以石墨為載體，涂釘并用 銣 鹽 活 化的氨合成催化劑，比通常的催化劑活性高 20 倍，合成轉化率也隨之顯著提高，能增產 40％左 右。 1992 年，采用 KAAP 工藝的氨合成塔已在加拿大 Ocelot 制氨公司的 Kitmat 廠進行了工業(yè)化生產。 3．德國伍德公司經二十多年來對工藝效率、工廠安全、能量總消耗等方面連續(xù)研究結果，推出了低能耗工藝，并于 1991 年在德國 BASF 公司建立了一個日產 1800 噸的工廠。該廠采用了伍德公司開發(fā)的組合自熱式轉化爐，與傳統(tǒng)的二段轉爐不同之處在于：轉化反應管安裝于一個有內襯里的加壓設備中，管內裝有一段轉化催化劑，管下端開口，原料工藝氣溫度升高到 580℃，自上而下通過管內。燃料氣經水冷噴嘴加氧并進入燃燒室中，通過調整 噴嘴的位置和燃燒室的形狀設計，使燃燒室內產生渦流，以保證轉化反應穩(wěn)定進行。轉化產生的高溫氣又用于加熱轉化管，以節(jié)省能源和投資。目前，該新型轉化爐的工業(yè)示范裝置的生產能力已達 萬 hm/3 ，加壓設備內部裝有 19 根轉化管。 雖然合成氨生產技術的更遠的改變時是可以預見的，但是，就目前來說，除對氨廠的個別傳統(tǒng)工藝程序、催化劑和設備的較小改進外，至少在今后 10~15 年內，合成氨生產技術還不會發(fā)生根本的改變。世界許多合成氨專家對此意見是一致 的，并對今后合成氨工業(yè)的發(fā)展前景作出如下展望： 1． 生產規(guī)模不會再擴大 80 年代世界共建成了 110 套合成氨裝置，平均生產規(guī)模為1120 噸／天。目前的裝置規(guī)模多為 1500 噸／天， 1800 噸／天的生產也在日益增加。但考慮到規(guī)模過大，會造成設備制造和運輸、開停車復雜化和長期可靠的原料保證等方面的問題，使整套生產裝置的投資費用大幅度上升。今后世界合成氨產量的大部分都將由規(guī)模為日產1000~2020 噸的工廠所生產。 2． 天然氣依然是合成氨生產的主要原科 目前全世界合成氨的年產量約為 1． 45 億噸，其中采用原料重油 3％，煤和焦 13％，天然氣 84％。從長遠來看，原料路線改為油或煤是可以考慮的，但據預測，在未來 20 年內，合成氨生產原料的情況會維持上述百分比例不變，天然氣仍是能被利用的比較好的合成氨生產原料。 3． 降低能耗的潛力已基本得到發(fā)揮 以天然氣為原料的合成氨能耗設計值為 27GJ，目前有些生產裝置的最低能耗已達 28GJ，只比理論值高出 20％左右而與設計值相接近。其他幾種生產方法，重油或渣油氣化法噸氨能耗為 35— 36GJ，煤氣化法的噸氨能耗為 ，噸氨能耗也都在日漸降低，但不可能再有進一步的顯著減少。 4． 降低投資和提高操作可 靠性問題日益受到重視 鑒于節(jié)能降耗已無太多的潛力可挖，今后的技術發(fā)展將通過減少費用的較小的集成化工藝部分、簡化管道系統(tǒng)相儀器儀表、改進催化刑，提高設備的制造和維修質量以及安裝先進的自動控制系統(tǒng)來進行，同時也將更加主重采用各種現代化的技術管理手段，來保證生產裝置盡量減少停車損失，始終處于良好的運行狀態(tài)。 13 參考文獻 1 北京大學研究中心 .世界文明百科全書 .山西 :太原出版社 ,1992. 2 劉俊蘭 . 以煤為原料的合成氨工藝選擇 [J]. 化學工業(yè)與工程技術 ,2020,21(4):16. 3 趙忠祥 . 氮肥生產概 論 .北京 :化學工業(yè)出版社 .1995. 4 朱世勇 . 環(huán)境與工業(yè)氣體凈化技術 .北京 .化學工業(yè)出版社 .2020. 5 史克昕 ,任畢龍 . 影響一氧化碳變換率因素的淺析 [J].小氮肥設計技術 ,2020,27(3). 24 . 化工裝置節(jié)能技術與實例分析 .北京 :中國石化出版社 .2020. ,姚飛編 等 .合成氨仿真實習教材 .北京 :化學工業(yè)出版社 .2020. .工業(yè)化學 .北京 :中國輕工業(yè)出版社 .1998. .節(jié)能型合成氨工藝與技術 [J].貴州化工 ,2020,33(1). .世界合成氨 工業(yè)近期進展及前景展望 [J].化工科技動態(tài) ,1995