新型氨合成工藝技術應用優勢比較

張志峰

（天津渤化永利化工股份有限公司，天津 300452）

我國既是產糧大國也是消費大國，雖然耕地面積較大，但人均耕地面積卻相對較少，隨著土壤肥力的逐年下降，人們開始研究土地專用化肥，用以提高肥力增長農作物產量，其中尿素的質量就顯得尤為重要。而尿素的主要成分就是氨，因此，合成氨工業對農業生產起著重要作用。目前由于國內的技術設備相對落后，又面臨原料成本增加，環保問題越加受到重視，使得國內氨合成困難重重，很多小型設備面臨甚至已經淘汰，要想解決問題，必須要采用更加有優勢的工藝技術，故此，選用高效節能的氨合成設備以及先進的工藝設計，是降低系統能耗，促進合成氨行業長遠發展的 關鍵。

1 氨合成工藝研究國際進展

20世紀70年代，我國采用的氨合成工藝不僅合成壓力高，而且氨凈值只在10%~13%，并且由于設備落后，無法進行熱量回收，能耗較高，且生產能力低，經過多次改革，已經將此類設備淘汰。目前，國內已有多家企業開始研發設計合成效果更佳的氨合成系統，最有代表性的企業有湖南安淳、南京國昌等。現如今所設計的合成塔，塔徑為600~3 200 mm，合成塔的合成能力相比之前有較大提升，提升最為明顯的就是合成氨聯產甲醇的流程所設計的醇烴化工藝搭配醇烴化產生的氣體進行精制時應用的工藝所結合的新型氨合成工藝，此工藝目前設計領先，運行成熟，但是目前國內大多數氨合成工藝中，前期制氣階段所采用的工藝都是固定床間歇煤氣化技術，導致進入氨合成階段中的惰性氣體含量較高。并且，氨合成工藝中所使用的合成塔的內部換熱結構相比國外來說，還有較遠距離。

目前國內所應用的工藝多數是從國外引進[1-2]，例如Kellogg、托普索、卡薩利、Braun、ICIAMV、ICILCA、KBR KAAP等工藝，但是也包括國內的醇氨聯產、GC型低壓氨合成工藝等，這幾種氨合成工藝的設計理念都是以提高氨凈值和節能為最終目的。

2 合成工藝簡介

2.1 美國Kellogg工藝

Kellogg工藝代表著世界氨合成技術的先進水平，由臥式徑向塔、熱壁以及組合式氨冷器等結構組成[3-4]。Kellogg氨合成技術采用臥式合成塔結構，此合成工藝相比而言，阻力較低，氨凈值高，并且運行過程較為穩定，但因采用臥式合成塔，所以需要的場地較大，并且對設備的精度也要求較高。Kellogg所采用的臥式合成塔主要是由內部帶有冷卻設備的單臺臥式壓力容器組成的，殼體中存在移動型的三床觸媒筐，此觸媒筐可以從合成塔中拉出，以及兩個內部換熱器，和獨立出來的環形空間，此空間處于外殼與觸媒筐之間，用于冷卻氣體。合成塔內的工藝氣可循環應用，提高熱轉化率。與臥式合成塔同用的設備為組合式氨冷凝器，使用此冷凝器后可替換掉傳統工藝中的換熱器和閃蒸槽，不僅降低成本，且可大幅度降低系統阻力。目前已有成功案例，海南富島的二期工程就是應用此合成塔及合成工藝，且使用的觸媒為國產。

2.2 丹麥托普索工藝

全世界約有50%的氨合成裝置采用托普索工藝[5]。托普索氨合成工藝在國外應用較多，國內只有部分廠家采用此工藝，采用的合成塔類型為全徑向，且合成塔內部的觸媒層主要有三段，每段之間存在的換熱器為兩段，因此，此合成塔具有阻力小，氨凈值高等優點。托普索合成塔常用的型號為三種，S-200、S-250、和S-300。其中S-200最易操作，因為其使用的觸媒粒徑較小，所以阻力小，并且比表面積大，活性較高，穩定性良好；以S-250型合成塔為例，其結構特點是在S-200塔后串聯S-50塔，因此，S-250型合成塔具有S-200塔的吸附特點，還具有合成塔出口NH3含量高的特點。

2.3 瑞士卡薩利工藝

卡薩利氨合成技術源于瑞士，是目前國內合成氨企業引進氨合成技術占比最大的工藝，卡薩利軸徑向合成塔內件的優點[9]是：①合成塔內床層之間都存在換熱器，所以熱力學效率較高；②最大化的催化劑裝填量和最高的轉化率；③催化劑的利用率較高；④將氣體以軸徑向的方式與催化劑流化床接觸，從而降低阻力至2.5bar左右；⑤采用活性更強的小顆粒（1.5~3mm）催化劑，特別是可以選用南京催化劑廠的合成氨催化劑。目前國內也有較多企業開始引進同結構異規模的合成塔，比如海南、黑龍江遷安等地，到目前為止使用情況較好[6]。

2.4 Braun合成工藝

Braun合成工藝是Braun公司開發的節能型合成氨工藝，主要是為了解決燃料消耗過大等問題，其核心是深冷凈化裝置。此工藝中二段爐采用的是絕熱式催化反應器，所以其熱效率高，但是其負荷也會有所提高，因此會產生不符合要求的氫氮比氣體。為解決問題，采用了在合成塔之前放置深冷分離裝置，此裝置可以使一、二段爐中間的蒸汽轉化達到相對較低的水汽比；并且空氣壓縮機的尾氣又可以供一段爐使用；合成的氣體經過深冷精制，不僅能脫除過量的氮氣，還能制取高純度的氫氮氣，能帶來優異的效果。氨合成回路的產生的熱量會進入到設備中的廢熱鍋爐，回收氨合成的反應熱，并加以利用。

2.5 ICIAMV合成氨工藝

AMV合成工藝借鑒了Kellogg和Braun中的優異技術，并將其進行結合，并且此工藝的特點也與Braun相似，就是將一段爐的負荷轉移至二段爐，合成過程中產生的廢氣通過深冷分離裝置進行回收，再將其通入至循環壓縮機內；本工藝合成時可采用低壓合成，所以可選用低溫低壓的氨合成催化劑，既安全又經濟。

2.6 ICILCA合成氨工藝

LCA工藝在裝置選擇上要優于上述工藝，此工藝中將傳統的一段爐替換為轉化器，轉化器相比于傳統一段爐而言，結構簡單，體積較小，并且可以將二段爐所產生的熱量返回至轉化器上，降低能耗；采用水冷列管式，可降低流程，提高變換率；回收氣體裝置也替換為分子篩變壓吸附；此工藝的合成環境與AWV相同，也是采用低壓低溫。此工藝最大的特點就是需要采用新型的銅基催化劑。

2.7 KBR KAAP合成氨工藝

KAAP合成氨工藝的關鍵是催化劑的選擇，通過研究最終確定為釕基氨合成催化劑。釕基催化劑的活性較高，可用于低溫低壓反應中，轉化效率也相比于傳統系統要高，并且具有極高的耐毒性，對合成氣要求也較低，相比于上述工藝，可降低裝置的復雜性，目前世界上已有多家企業采用此工藝。

2.8 醇氨聯產的合成氨工藝

醇氨聯產的合成氨工藝是我國結合目前氨合成廠情況所研發的工藝，此工藝最大的特點就是在氨合成的過程中，將原料氣中的一氧化碳，二氧化碳和氫氣進行反應生成甲醇，既能除去碳氧化合物，又可以氣體精制單元的負荷。并且還可以調節氨和甲醇的產量，以達到最佳的經濟效益。

2.9 GC型低壓合成氨工藝

GC型低壓合成氨工藝是國昌公司所研發的GC型低壓合成氨工藝，是一種節能、安全、環保的新型工藝，此工藝是在傳統設備上結合了國昌公司自主研發的魚鱗筒徑向分布器、多段絕熱組合式催化床結構和催化劑自卸等新技術，經過多次應用，已確定其先進性和可靠性。此工藝的優點就在于合成塔結構先進，前期投資成本低；反應熱利用率高，氨凈值高；水冷器傳熱能力強，檢修方便。

3 氨合成工藝發展趨勢

根據目前氨合成工藝的發展，在對國外的先進氨技術進行詳細了解，并結合引進的氨合成裝備，使得國內的氨合成技術也有了顯著發展。目前國內化工方面的模擬技術開始迅速發展，應用較多，化工技術人員也愈發了解氨合成技術，并且對于氨合成裝備中相關設備的制造水平也達到國際水平。接下來幾年的發展還是應該趨向大型化和綜合化，這樣不僅節約了人力資源，更能促進能源的節約與利用，即使當生產規模擴大后需要更多的資金投入，但是相對而言優勢大于劣勢；合成氨的生產過程耗能較大，成本較高，因此，低成本低能耗的氨合成工藝依然是未來幾年的研究重點。

4 結束語

目前國際上使用最多的合成工藝主要就是以上九種，這些工藝各有千秋，只是注重的重點有所偏差，九種工藝的所具有的優勢主要就是以下方面：

1）Kellogg工藝：裝置阻力低，運行穩定，氨凈值高，轉化率高，并且資金投入較低。

2）托普索工藝：裝置阻力降小，氨凈值高，循環量降低，能耗低，但需用專用的催化劑。

3）卡薩利工藝：裝置的熱力學效率較高，阻力降很小，催化劑的裝填和卸料更便捷，且催化劑可采用活性更高的小顆粒，利用率高；Braun合成工藝：可通過裝置脫除過量的氮氣，并能制取高純度的氫氮氣，且節約能耗。

4）AMV合成工藝：合成時低溫低壓，可選用低溫低壓的氨合成催化劑；LCA合成工藝：能耗低，流程短，變化率高，且合成時也低溫低壓，不過只能選用新型的銅基催化劑；KAAP合成工藝：裝置簡單，但是需專用催化劑——釕基氨合成催化劑；醇氨聯產的合成氨工藝：可同時生產氨和甲醇，經濟效益高。

5）GC型低壓合成氨工藝：投資成本低，反應熱利用率高，氨凈值高，能耗低。