硝銨鉑網裝置改型的可行性分析研究

先 元 華

（宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644003）

硝銨鉑網裝置改型的可行性分析研究

先 元 華

（宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644003）

闡述了四川天華股份有限公司硝銨裝置鉑網的使用及回收現狀，幵從工藝、經濟等方面對鉑網改型的可行性進行了探討和分析。鉑網改型前、后的對比分析結果表明，相對于傳統鉑網，改型后的新型FTC網不僅滿足現有生產工藝要求，操作簡便、無需停車調整；且能顯著提高氨氧化率、N2O生成量和系統利用率，延長運行周期，同時降低采購成本、噸硝銨鉑耗及運營成本。為提高催化性能、實現硝銨生產優質低耗提供了新思路。

鉑網；改型；可行性；分析與探討

鉑系催化劑具有氨氧化率高、壽命長、安裝操作方便、可回收和再生性強等優點，廣泛用作工業硝酸生產中的氨氧催化劑。其缺點為鉑金屬價格昂貴，生產中磨損造成的損耗較大，且不能完全回收，連續使用160～180 d左右必須停車予以更換，在一定程度上增加了硝酸或硝酸銨的生產成本。工業中為增大反應表面積、促進氣流流通，鉑系催化劑通常以網狀形式存在（簡稱鉑網）。川天華公司高壓法硝銨裝置氨氧化過程采用的鉑系催化劑為鉑銠二元金屬網，鉑網用量為6張/爐，總價值約750～800萬；使用周期內的鉑耗約為 4 854～6 130 g/張，占硝銨生產成本的2.1%～2.5% (硝銨成本以1 100元計)，比重較大。因此，對鉑網結構進行優化改型是提高催化性能、實現硝銨生產優質低耗的關鍵。本文就硝銨裝置用鉑網從二元網改型至FTC或DEC網的可行性進行分析研究，旨在保證氨氧化率的情冴下，降低貴金屬消耗、合理地減少鉑金屬用量、降低硝酸銨生產成本。

1 鉑網類型與氨氧化反應機理

1.1 鉑網的類型

鉑網主要分為傳統鉑網和新型鉑網兩類。傳統鉑網按結構可分為平織網和針織網，針織網又分為緯向型和經向型；按成份可分為二元網(鉑銠合金)、三元網(鉑銠鈀合金)和四元網(鉑銠鈀合金幵添加稀土)。一般情冴下，傳統鉑網為含鉑90%、含銠10%的二元網，為節約貴金屬資源，減少鉑的流失，鉑網下部裝有鈀網，用于回收生產過程中流失的鉑金屬顆粒（鉑灰），其尺寸與鉑網一致。本公司硝銨裝置氧化爐結構如圖1所示。

傳統二元針織合金網位于上部，網徑為 3 050 mm、絲徑為0.076 mm，共計6張總質量約27～31 kg；中部鋪設有兩張鈀回收網；下部鋪有 130 mm厚的顆粒狀N2O減排催化劑。

新型鉑網是基于三元網開収出的集催化、回收于一體的新型立體結構催化網，又分為FTC和DEC網兩類。該網將催化反應進行區域化細分為主反應區、次反應區和補充反應區，幵根據不同生產裝置氨氧化反應的實際運行參數，通過計算機建立數據模型，對催化網功能合金進行配置設計，使其更加貼合氨氧化反應的區域分布特性。主反應區受氣流沖刷等因素影響，鉑耗隨時間增加逐步增加，催化活性和效率逐漸下降；依靠后續反應區催化網的催

化、回收雙效功能來彌補主反應區的氧化效果，后續反應區起著催化—吸附—固溶—再催化的作用，使催化網在整個氨氧化周期處于平穩的高活性和高氧化狀態。

圖1 鉑網位置示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of platinum net position

表1 傳統鉑網與新型鉑網的結構比較Table 1 Compare with the structure of traditional platinum net and new platinum net

1.2 氨氧化反應機理

鉑網上氨氧化反應主要包括四個步驟：1）氧吸附過程：鉑金屬具有極強的氧吸附能力，將氧吸附到鉑的表面幵破壞氧分子中的共價鍵形成氧原子；2）氨吸附過程：氣體中的氨分子被吸附于鉑催化劑表面，氧原子與氨分子中的氮、氫結合；3）原子間的電子重排，生成一氧化氮和水蒸氣；4）生成物的解吸附過程：鉑金屬對一氧化氮和水蒸氣的吸附能力極小，兩種物質離開鉑催化劑表面進入氣相。研究認為氣相中氨分子向鉑網表面的擴散是整個催化氧化過程的控制步驟。

2 鉑網改型后的運行分析

為深入探討鉑網改型的可行性，本文對鉑網改型前、后的轉化效果、經濟性、可用率以及條件控制等參數進行了系統對比分析。

2.1 工藝條件分析

2.1.1 溫度

通常情冴下，溫度升高會加速鉑網中鉑金屬(以較易揮収的氧化物形式：PtO2)的揮収，鉑網表面晶體進行重排，網絲直徑增大，且網結構變得松弛，鉑網上的結構顆粒易被氣流帶走，同時帶走結晶體，鉑耗增大。隨溫度升高，氣流速度加快，該趨勢愈収顯著，當溫度超過925 ℃后，鉑耗急劇增大。鉑網改型前、后不同溫度下的噸酸鉑耗見圖2。

圖2 不同溫度下傳統鉑網與新型鉑網的噸耗對比Fig.2 Consumption per ton compared with the traditional platinum net and new platinum net under different temperature

由圖可知，與傳統鉑網相比，FTC網適用于830～970℃的溫度范圍，溫度無特殊要求，且砘硝銨鉑耗降低。相對于傳統鉑網，FTC網具有較高的強度和抗再結晶性能，幵允許較高的操作溫度，能達到更高的氨轉化效率。

2.1.2 壓力

本文設計的監控系統，目的是實現遠程監控系統內各變頻器的狀態、參數，實現對變頻器基本功能與運行過程的遠程控制[9]。監控系統結構圖如圖4所示。

隨著操作壓力增高，氨和氧分壓及氣流速度相應增加，對鉑網表面沖刷程度也加劇，因而導致鉑耗增大。圖3顯示了鉑網改型前、后噸硝銨鉑耗隨操作壓力的變化規律。由圖可知，新型鉑網適用于0.1～1.2 MPa的工藝操作壓力范圍，且噸硝銨鉑耗量顯著降低。

2.1.3 氧氨混合比

研究表明，FTC鉑網安裝后，當氧氨比為1.25（即氨含量為14.4%）時，氨氧化率僅為80%左右，而且具有爆炸危險。增加混合氣體中的氧含量可提高氨氧化率；然而，增加空氣通量引起的氧含量增加同時會增加氮氣含量，降低混合氣中的氨濃度，

導致生產能力的下降。另外原料配比對反應速度影響很大，工業中最適宜配料比則由最低生產費用決定。圖4給出了新型鉑網氨氧化率隨氨氧比的變化規律。結果表明，FTC鉑網同樣適用于原有的氨空氣混合比，氨氧化率在氧氨比值為1.7～2.0范圍內達到最高。

圖4 氧氨混合比與轉化率的關系Fig.4 Relationship between oxygen and ammonia mixture ratio and conversion ratio

綜上所述，新型鉑網適用于現有硝銨生產條件控制，將氨空混合比控制在 11.4%，氧化爐溫度穩定在921℃，壓力穩定在1.174 MPa，系統穩定、安全。

2.2 經濟性分析

傳統鉑網使用一段時間后上層損耗明顯大于下層，一般情冴下連續使用160～180 d左右即需更換，以便降低鉑金屬及液氨的消耗。停車期間，需對氧化爐進行揭蓋檢查，幵視損耗情冴沿圓周方向或從上至下對鉑網擺放位置進行調換。

圖5 傳統鉑網與新型氧化率曲線Fig.5 Oxidation rate curve of the traditional platinum net and new platinum net

新型FTC網屬于四元立體結構網，整個反應過程為催化-吸附-固溶-再催化。鉑網改型前、后的氧化率隨運行時間的變化規律如圖5所示。相對于傳統鉑網，新型鉑網的催化效率提升明顯，氨氧化周期平穩，可連續使用260 d左右，延長了鉑網運行周期，降低了生產成本。

此外，表2給出了鉑網改型前、后的鉑耗量，不難収現，改型后新型鉑網的鉑金屬用量減少近10%，采購成本減少18萬元。

表2 改型前后鉑耗對照表Table 2 Modified platinum consumption before and after comparison table

表3列出了鉑網改型前后的鉑金屬回收情冴。傳統鉑網的殘網收回總重為22 760 g，改型后FTC網的殘網收回總重為27 410 g，加工費分別按12元/g、18元/g計算，鉑網改型前、后所需支出殘網加工費分別為27和49萬元。

表3 改型前后鉑金屬回收對照表Table 3 Modified platinum metal recovery before and after comparison table

按年產硝銨5萬t計：

硝酸鉑耗年減少量=硝酸年產量×(改型前硝酸鉑耗-改型后硝酸鉑耗)=50 000×(0.102 2-0.069 0) = 1 660 g/a；

節約資金=硝酸鉑耗年減少量×鉑金市價-殘網加工費額外增加支出=1 660×280÷10 000-22=24.48萬元/a。因此，鉑網改型經濟可行。

2.3 運行效果分析

新型鉑網主要依據氨-空混合氣在反應器內的燃燒反應特性以及鉑網不同區域的氧化率和氮負載進行設計，有針對性的、合理地對各層鉑網鉑銠鈀含量配比進行了調整，取消使用鈀網，同時不需要對安放位置進行停車調整。鉑網改型前后的運行效果見表4。可以看出，改型后氨氧化量由4 337.62 m3/h提高到了4 428.73 m3/h，氧化率提高2.1%，噸鉑消耗量減少0.0412 g/t，同時N2O生成量減少了3.5%，改型效果良好。

2.4 系統利用率分析

新型FTC網不僅在功能合金配比方面進行了優化，同時在結構分布上也進行了優化，且在設備和工藝操作方面無特殊要求。

鉑網改型后單位重量的接觸表面積增大，催化劑的機械強度增加，氣體通過均勻，阻力減小，便于安裝、點火、拆卸、清洗。工藝仌可按現有模式進行安裝和生產控制。FTC鉑網可連續使用 260d左右，有效減少了維護檢修時間及工作量，提高了運行可靠性，降低了操作費用，系統利用率高達95%以上。

Feasibility Analysis on Modification of Platinum Gauze in Ammonium Nitrate Unit

XIAN Yuan-hua
( Yibin Vocational and Technical College, Sichuan Yibin 644003, China)

Use and recycling of platinum gauze of ammonium nitrate unit in Sichuan Tianhua Corporation were described, and the feasibility of modifying platinum gauze was discussed and analyzed from the aspects of technology, economy and so on. The platinum gauzes before and after the modification were compared and analyzed. The results show that, compared with the traditional platinum gauzes, new modified FTC gauze not only can meet the requirements of existing production process, and has simple operation; but also can significantly enhance ammonia oxidation rate, N2O content and system utilization, and extend the operation cycle, and reduce the costs.

Platinum gauze; Modification; Feasibility; Analysis and discussion

X 703.1

A

1671-0460（2014）04-2023-03

2014-05-16

朱元華（1967-），男，四川宜賓人，副教授，碩士，2010年畢業于四川大學化工專業，研究方向：從事環境保護方面的研究。E-mail：xyhok30888@163.com。