【導(dǎo)讀】德國化學(xué)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?fàn)t氣中回收副產(chǎn)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(fù)合肥料，如尿素、硫酸銨、磷酸銨、氯化銨、硝酸銨等。產(chǎn)硝酸、純堿、含氮無機(jī)鹽等。氨還被廣泛用于有機(jī)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(jīng)濟(jì)中占有重要地位。

　　

【正文】 升管和輸氣總管組成、爐頂設(shè)燒嘴向下噴燒供熱，對(duì)流段有多組換熱器，用煙道氣加熱其他介質(zhì)。 原料氣脫硫后，則希望以比較經(jīng)濟(jì)的方法將原料氣轉(zhuǎn)化生成氫氣。原料氣蒸汽混合氣與鎳催化劑接觸，同時(shí)提高溫度和壓力來促進(jìn)此反應(yīng)。該反應(yīng)是一吸熱反應(yīng)，需要一段爐供給恒定的熱量以維持適合一段轉(zhuǎn)化反應(yīng)的溫度。在一段爐和二段爐中，催化劑促使兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的平衡反應(yīng)，它們是蒸汽 甲烷反應(yīng)： 22242222244HCOO2HCHHCOOHCO3?????????完全，則總反應(yīng)為：如果兩個(gè)反應(yīng)進(jìn)行的很：和一氧化碳的變換反應(yīng)HCOOHCH 但事實(shí)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(chǎn)氫率。 一段轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi)裝有環(huán)狀或圓柱狀的鎳催化劑，各爐管內(nèi)催化劑裝填應(yīng)均勻，從而保證其壓降相等，使通過每根轉(zhuǎn)化管的氣體分配均勻。如果某根轉(zhuǎn)化管的壓降不正常，則可能會(huì)發(fā)生過熱或轉(zhuǎn)化不充分，造成操作不正常。 （ 3） 二段轉(zhuǎn)化爐 二段轉(zhuǎn)化爐為立式圓筒形反應(yīng)器。受壓主體為碳鋼制圓筒殼，兩端為錐形封頭，由于內(nèi) 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。空氣 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(zhuǎn)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(jīng)部分轉(zhuǎn)化的氣體經(jīng)過一段有水夾套的輸送管線 107D，沿切線方向進(jìn)入二段爐（ 103D）的入口室，二段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)口的溫度大約 830C? 。 一段轉(zhuǎn)化后的氣體仍含有較多的甲烷，為了進(jìn)一步轉(zhuǎn)化則需要更高的溫度。這個(gè)任務(wù)在內(nèi)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(shí)氣體中的 4CH 、 CO也可能燃燒，放出大量的熱，溫度可達(dá) 12001250 C? ，因此，殘余的 4CH 繼續(xù)轉(zhuǎn)化。出口溫度降到 9001000C?左右。進(jìn)入二段轉(zhuǎn)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(jìn)熱交換器的冷氣不經(jīng)過合成塔的間隙，這樣使溫度更低， 使進(jìn)水冷器的合成氣溫度更低，提高了合成反應(yīng)熱利用，同時(shí)也降低了水冷器的負(fù)荷和冷卻水的消耗。 （ 5） 循環(huán)機(jī) 循環(huán)機(jī)設(shè)與冷交換熱氣之后，氣體經(jīng)循環(huán)機(jī)加壓后直接進(jìn)塔，使合成反應(yīng)處于系統(tǒng)壓力最高點(diǎn)，有利于反應(yīng)。氣體在設(shè)備中流動(dòng)和反應(yīng)都會(huì)使得整個(gè)體系的壓力降低，循環(huán)機(jī)起到補(bǔ)充系統(tǒng)壓力的作用 氨合成技術(shù)的發(fā)展 近年來 ,氨合成工藝技術(shù)已取得長足進(jìn)步。特別是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的建立 ,各氮肥企業(yè)為了在市場(chǎng)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(shù)的新發(fā)展提供了一個(gè)平臺(tái)。在此形勢(shì)下 ,各企業(yè)對(duì)氨合成裝置的要求 ,逐漸由以前的強(qiáng)化高負(fù)荷生產(chǎn)轉(zhuǎn)變到現(xiàn)在的輕負(fù)荷低消耗運(yùn)行模式上來。因此氨合成的關(guān)鍵設(shè)備合成塔 ,在同等規(guī)模條件下 ,也逐漸的被大塔取代 ,出現(xiàn)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(chǎn)中去。 伴隨著大直徑塔的使用 ,氨合成系統(tǒng)工藝運(yùn)行條件發(fā)生了變化。低溫低壓氨合成催化劑的應(yīng)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(shè)備投入。企業(yè)勢(shì)必采取各種措施保持裝置長周期運(yùn)行 ,以求得更多的有效生產(chǎn)時(shí)間 。因此 ,原料氣的凈化度高 ,避免催化劑中毒 ,至關(guān)重 22 要。積極使用原料氣凈化新技術(shù) ,實(shí)現(xiàn)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(duì)催化劑的影響將會(huì)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(diǎn)是生產(chǎn)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(duì)合成氨的生產(chǎn)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(jī)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(shè)置造氣吹風(fēng)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(dāng)壓力的廢熱鍋爐 ， 產(chǎn)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(chǎn)飽和蒸汽供變換 ， 變換、造氣產(chǎn)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(jù)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(shù)發(fā)展很快 ， 可供選擇的技術(shù)很多 ， 應(yīng) 實(shí)事求是地根據(jù)裝置所在地的特點(diǎn)綜合考慮 ，主 要應(yīng)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(jìn)展及前景展望 [10] 由于生態(tài)和環(huán)保的原因，今后發(fā)達(dá)國家 化 肥用量將減少，世界合成氨生產(chǎn)能力將緩慢 增長。雖然使用 “無機(jī) ”氮 的生物農(nóng)業(yè)將會(huì)有 所 發(fā)展，但是，在以后的 15—20 年內(nèi)，生物技， (如固定氮工藝 )還不可能取代合成氨作為化 學(xué) 肥料的主要來源?，F(xiàn)今所有的合成氨消費(fèi)中， 只有 13％是用在化學(xué)和工業(yè)應(yīng)用上，其他 87％ 都 用于生產(chǎn)化肥。因此，氮肥的供應(yīng)還得繼續(xù)依 靠合成氨的生產(chǎn)。近幾年來，世 界合成氨工 業(yè) 的技術(shù)進(jìn)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(chǎn)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(chǎn)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(gè) LCA 流程的 500 噸／天工廠就比建一個(gè)日產(chǎn)1500 噸的傳統(tǒng)世界規(guī)模工廠的投資要低些。 LCA 流程與當(dāng)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(zhuǎn)化爐取代通用的轉(zhuǎn)化爐，在隔熱管式變換器中進(jìn)行變換，反應(yīng)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(duì)氨廠的某些工藝單元 及設(shè)備的傳統(tǒng)構(gòu)型進(jìn)行了改革，開發(fā)出了 合成氨生產(chǎn)的 4 種新技術(shù)，即用于氨合成回路 的 KAAP 工藝，用于工藝氣轉(zhuǎn)化換熱的 KRES系 統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的氨廠節(jié)能降耗動(dòng)態(tài)控指 KDAC 技術(shù)和公用工程蒸汽系統(tǒng)的冷凝液 23 汽 提 KICS 技術(shù)。其中 KAAP 工藝將是未來一個(gè)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(zhuǎn)化率也隨之顯著提高，能增產(chǎn) 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(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)。 3．德國伍德公司經(jīng)二十多年來對(duì)工藝效率、工廠安全、能量總消耗等方面連續(xù)研究結(jié)果，推出了低能耗工藝，并于 1991 年在德國 BASF 公司建立了一個(gè)日產(chǎn) 1800 噸的工廠。該廠采用了伍德公司開發(fā)的組合自熱式轉(zhuǎn)化爐，與傳統(tǒng)的二段轉(zhuǎn)爐不同之處在于：轉(zhuǎn)化反應(yīng)管安裝于一個(gè)有內(nèi)襯里的加壓設(shè)備中，管內(nèi)裝有一段轉(zhuǎn)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(nèi)。燃料氣經(jīng)水冷噴嘴加氧并進(jìn)入燃燒室中，通過調(diào)整 噴嘴的位置和燃燒室的形狀設(shè)計(jì)，使燃燒室內(nèi)產(chǎn)生渦流，以保證轉(zhuǎn)化反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行。轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的高溫氣又用于加熱轉(zhuǎn)化管，以節(jié)省能源和投資。目前，該新型轉(zhuǎn)化爐的工業(yè)示范裝置的生產(chǎn)能力已達(dá) 萬 hm/3 ，加壓設(shè)備內(nèi)部裝有 19 根轉(zhuǎn)化管。 雖然合成氨生產(chǎn)技術(shù)的更遠(yuǎn)的改變時(shí)是可以預(yù)見的，但是，就目前來說，除對(duì)氨廠的個(gè)別傳統(tǒng)工藝程序、催化劑和設(shè)備的較小改進(jìn)外，至少在今后 10~15 年內(nèi)，合成氨生產(chǎn)技術(shù)還不會(huì)發(fā)生根本的改變。世界許多合成氨專家對(duì)此意見是一致 的，并對(duì)今后合成氨工業(yè)的發(fā)展前景作出如下展望： 1． 生產(chǎn)規(guī)模不會(huì)再擴(kuò)大 80 年代世界共建成了 110 套合成氨裝置，平均生產(chǎn)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(chǎn)也在日益增加。但考慮到規(guī)模過大，會(huì)造成設(shè)備制造和運(yùn)輸、開停車復(fù)雜化和長期可靠的原料保證等方面的問題，使整套生產(chǎn)裝置的投資費(fèi)用大幅度上升。今后世界合成氨產(chǎn)量的大部分都將由規(guī)模為日產(chǎn)1000~2020 噸的工廠所生產(chǎn)。 2． 天然氣依然是合成氨生產(chǎn)的主要原科 目前全世界合成氨的年產(chǎn)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(yuǎn)來看，原料路線改為油或煤是可以考慮的，但據(jù)預(yù)測(cè)，在未來 20 年內(nèi)，合成氨生產(chǎn)原料的情況會(huì)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(chǎn)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(shè)計(jì)值為 27GJ，目前有些生產(chǎn)裝置的最低能耗已達(dá) 28GJ，只比理論值高出 20％左右而與設(shè)計(jì)值相接近。其他幾種生產(chǎn)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(jìn)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(shù)發(fā)展將通過減少費(fèi)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(jìn)催化刑，提高設(shè)備的制造和維修質(zhì)量以及安裝先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)來進(jìn)行，同時(shí)也將更加主重采用各種現(xiàn)代化的技術(shù)管理手段，來保證生產(chǎn)裝置盡量減少停車損失，始終處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。 13 參考文獻(xiàn) 1 北京大學(xué)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(xué)工業(yè)與工程技術(shù) ,2020,21(4):16. 3 趙忠祥 . 氮肥生產(chǎn)概 論 .北京 :化學(xué)工業(yè)出版社 .1995. 4 朱世勇 . 環(huán)境與工業(yè)氣體凈化技術(shù) .北京 .化學(xué)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(shè)計(jì)技術(shù) ,2020,27(3). 24 . 化工裝置節(jié)能技術(shù)與實(shí)例分析 .北京 :中國石化出版社 .2020. ,姚飛編 等 .合成氨仿真實(shí)習(xí)教材 .北京 :化學(xué)工業(yè)出版社 .2020. .工業(yè)化學(xué) .北京 :中國輕工業(yè)出版社 .1998. .節(jié)能型合成氨工藝與技術(shù) [J].貴州化工 ,2020,33(1). .世界合成氨 工業(yè)近期進(jìn)展及前景展望 [J].化工科技動(dòng)態(tài) ,1995