合成氨工艺技术的现状分析及其发展讨论

【摘要】随着我国科学技术飞速发展，市场对于化工产品需求量明显增加。合成氨作为化工工艺技术中的关键技术，进一步引起了广泛关注。本文通过介绍合成氨工艺技术的现状和技术流程，针对当下合成氨低能耗制氨工艺技术的应用，提出了合成氨工艺技术的发展趋势，具有一定的理论参考价值。

【关键词】合成氨；工艺技术；现状；技术流程；低能耗；发展趋势

中图分类号：F407.45 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

合成氨工艺技术作为化工产品生产中的重要技术，越来越被普遍应用于氮肥、硝酸以及铵态化肥的生产加工制造。随着我国对化工行业节能减排的要求的提出，合成氨工艺技术得到了进一步的改善和提高，合成氨工艺技术将得到更加广泛的应用。

二、我国合成氨工艺技术的现状

随着合成氨技术的逐步发展，氨合成的装置也逐渐向单系列、大型化、节能型方向发展。在基础化工产品中，氨是比较重要的。它的产量高，在各种化工产品中居首位；同时能源消耗也是最高的。合成氨在农业上得到广泛应用，合成氨是氮肥工业的基础，同时氨也是无机化学和有机化学工业基础原料[1]。最近几年，国内外在传统生产工艺的基础上，又研发了节能氨合成工艺技术及流程，其主要是通过增加氨合成转化率、降低合成的压力、减小合成回路压降、合理利用能源等技术，我国现有大型合成氨装置30多套，其中氯合成塔也是国际上广泛使用的工艺设备，目前我国大部分中小型氮肥生产企业，基本采用国产设备，因此十分希望生产优化，但由于设备改造以及优先控制实施的费用过高，在这种情况下就需要挖掘自身潜力，结合现有装置设备特点，对当前操作过程进行合理调节，以实现生产系统与装置的最优搭配。

1.大型氮肥装置

我国目前的型合成氨装置共计34套，年生产能力1000万吨，其中除1套装置生产硝酸磷肥之外，其他均生产尿素。按照所使用的原料类型划分，以天燃气为原料的设备17套，以轻油为原料的设备6套，以重油为原料的设备9套，以煤为原料的设备2套[2]。

2.中、小型氮肥装置

目前有中型合成氨装置55套，年生产能力约为500万吨，主要是生产尿素和硝酸铵，其中以煤、焦为原料的装置有34套，以渣油为原料的装置有9套，以天然气为原料的装置有12套，目前有小型合成氨装置700多套，年生产能力约为3000万吨，主要生产碳酸氢铵，如今有112套经过设备改造后生产尿素，原料以煤，焦为主，其中以煤，焦为原料的占96％，以气为原料的仅占4％。

三、合成氨的工艺技术流程分析

（一）合成氨的工艺流程

1-氨合成塔；2-水冷器；3-氨分离器；4-循环压缩机；5-滤抽器；6-冷凝塔；7-氨冷器。

（二）氨的合成工艺说明

氨的合成是合成氨生产的最后一道工序，其任务是将经过精制的氢氮混合气合成为氨。工业上合成氨的各种工艺流程一般以压力的高低来分类。

1.分类

（1）高压法：操作压力70—100MPa，温度为550—650度。优点是氨合成效率高，混合气中的氨易被分离。

（2）低压法：操作压力10MPa左右，温度为400—450度。优点是操作压力和温度都比较低，故对设备要求低，容易管理，且催化剂活性较高。

（3）中压法：操作压力20—60MPa，温度为450—550度。其优缺点介于高压法与低压法之间，目前此法技术比较成熟，经济性比较好。

2.原料气制备

制备氢氮比为3：1的半水煤气。即造气，将无烟煤（或焦炭）由炉顶加入固定床层煤气发生炉中，并交替向炉内通入空气和水蒸汽，燃料气化后生成氢氮比为3：1的半水煤气。固定床半水煤气制造过程由吹风、上吹制气、下吹制气、二次上吹、空气吹净等5个阶段构成，为了调节氢氮比，在吹风末端要将部分吹风气吹入煤气，这个过程通常称为吹风回收。

以上五个阶段完成了制造半水煤气的主过程，然后重新转入吹风阶段，进入下一个循环。

3.净化

对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，只要包括变换过程，脱硫脱碳过程以及气体精致过程。

（1）一氧化碳变换

各种方法制取的原料气都含有CO其体积分数一般为12﹪—40﹪，先利用CO变换反应，在不同温度下分为高温变换以及低温变换。将一氧化碳含量降到0.25﹪左右。因此，一氧化碳变换式原料的制造的继续，又是净化过程。

（2）脱硫脱碳过程

各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱碳，以天然气为原料的蒸气转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂。一种有机煤为原料的部分转化，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂脱硫的位置。

（3）气体CO2精制过程

经CO变换和CO2脱出后原料中长尚含有少量的CO和CO2为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得大于10cm3/m3分数。因此原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，既精制过程。

四、合成氨低能耗制氨工艺技术发展及特点

低能耗制氨工艺技术是在能源危机形势下提出的，当时能源开发利用条件较难，在加上世界各国建设对能源的需求量剧增，导致合成氨工业生产成本上升和经济收益不高，因此合成氨领域提倡低能耗制氨工艺技术，由此可见，此技术的发展就是为了优化能源配置。

低能耗制氨工艺技术主要有以下特点：其一，温和转化。一段转化炉通过低水碳化，保证出口处温度不高，而甲烷有相对较高含量，把负荷推到二段转化炉，随后在内通入充足空气，进而增强转化系统能力。其二，采用燃气轮机。空气压缩机在燃气轮机 动力驱动下，能够同上端的转化炉结合严实。其三，温度适宜条件下降碳脱掉，从而实现能量的高效利用。其四，采用合成回路提高工作效率。在合成氨塔内加入适量的高性能催化剂，达到合成氨高效转化、减少合成压力、回路压强低、能量优化目的[3]。

五、合成氨工艺技术的发展趋势

1.低能耗与生产环境将是未来合成氨装置技术未来发展的主流方向。其生产设备向大型化、集成化、自动化方向发展。

2.以“油改气”和“油改煤”为主的原料结构调整和以产品再加工为核心的结构的调整，是企业增强竞争力的最有效途径之一。

3.清洁生产是未来合成氯装置发展的必然的，也是惟一的途径。在生产过程中不生成或减少副产物，废物。实现或接近“零排放”。清洁生产已经成为未来工业产业重视的问题。国内外企业都将清洁生产作为企业发展的一个重要目标。

4.提高生产运转的可靠性，使生产技术日趋成熟。延长运行周期是未来合成氨装置在市场竞争中的重要保证。其中可以“提高装置生产运转率”，延长生产运转周期，生产工艺优化的新技术和越来越先进的控制技术等将越来越受到国内外企业的重视。

5.实现制气系统的节能优化

合成氨的生产主要集中在制气环节，制气环节的能耗达到成产工艺的70%以上，因此实现合成氨的节能，必须提高转化率降低燃料消耗。

对于利用天然气生产合成氨的工艺，可以采取以下几种措施：结合用于生产合成氨的天然气的密度以及其他信息，判断天然气碳含量，并及时调整蒸汽，并通过适当降低水碳比来实现生产工艺的节能；严格控制合成氨过程中的烟气氧含量，并尽可能的减少其波动，将其控制在较低的数值；在生产过程中除满足氢气与氮气比、二段炉出口的甲烷含量以及温度的条件外，应尽可能降低一段炉负荷，均衡控制各个支路间温度，并减少各炉管间温度偏差，进而大幅提高加热效率，这样不仅延长设备使用寿命，同时实现能耗的降低[4]。

对于采用重油以及煤粉气化炉的合成氨生产工艺，实现节能技术改造可以采取以下措施：根据原料的基本属性如密度、热值等探寻反应的最佳配比，及时调整氧气量、蒸汽量，减少能耗；根据炉型及工艺设计不同控制方案，通过平稳操作和优化参数，提高转化率，降低能耗；由于这类气化控制的特殊性，如原料性质难以定性、监测点少、自动化程度低等，尚无开发出理想的优化控制系统。

六、结束语

综上所述，合成氨工艺技术将朝着低能耗的方向发展，我们需要对合成氨工艺技术进行不断探索，研究更加高效节能的技术措施，从而为合成氨工艺技术在工业发展中的应用奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]孙凤伟,栾智宇.合成氨工艺技术的现状及其发展趋势[J].化学工程，2012(04).

[2]韩明山.合成氨生产技术探讨[J].化学工程与装备,2011（5） .

[3]徐松华,吴玉华.探讨节能减排技术在合成氨生产中的应用[J]. 科技信息,2011(25).

[4]於子方.合成氨行业节能技术综述[J].企业与科技 2010(03) .