合成氨工艺技术现状及发展趋势

合成氨工艺技术现状及发展趋势

王鹏

中盐安徽红四方股份有限公司  安徽省合肥市  231602

摘要：科学技术的发展，我国的合成氨工艺技术有了很大进展，合成氨工业从20世纪初开始发展，已经衍生出了许多工艺技术，但国内多数合成氨工艺都需要在高温、高压条件下进行，无法达到绿色、节能等生产要求。本文就合成氨工艺技术现状及发展趋势进行研究，以供参考。

关键词：合成氨；催化剂；绿氨；经济性

引言

合成氨是是一种广泛应用在工业生产中的化工原料，是保证工业生产顺利进行的核心原料，目前由于合成氨的方法比较落后，在合成氨的生产过程中普遍存在着PSA提氢处理能力弱、氢气损耗量大等问题，导致合成氨生产效率和经济性不足，极大地限制了其应用范围的进一步提升。根据对优化后变压吸附技术的应用可知，该技术能够有效地提升氢气回收率，对降低反应过程中的能耗，提高合成氨反应效率和经济性具有十分重要的意义。

1合成氨工艺技术现状

合成氨，也称为氨合成，是一种重要的化工原料，广泛用于农业肥料、化肥、塑料制造等领域。合成氨的初始原料种类较多，主要为固体、液体以及气体。比如天然气、石脑油、焦炭等。合成氨生产工艺主要分为以下环节：（1）制备原料气。对于原料气的制备，通常将天然气等初始原料制备成含有H2和N2的粗原料气。比如初始原料为煤或焦炭等固体，一般会使用气化法来制备合成气。而如果初始原料为渣油，则会利用非催化部分氧化法来制备合成气。当初始原料为气态烃类或者石脑油等物质，通过二段蒸汽转化法制备合成气更适合一些。（2）净化原料气。当完成粗原料气的制备后，需要对其进行净化处理，把原料气中不包括H2和N2的其他成分全部清除干净。这一环节主要有3个部分构成，即变化过程和脱硫脱碳过程及精制过程。（3）合成氨。通过对所获得高纯度的氢氮混合气进行高压压缩，同时在催化剂的辅助下，便会生成合成氨。该环节是合成氨生产的重中之重，所以进行的每一项操作都要严格按照相应的工序和标准来实施。其反应式为N2+3H2→2NH3。在生产过程中，要注意严格按照相关要求进行，如果严格按照上述生产工艺进行操作，便会获得纯度较高的合成氨。

2主要技术路线

2.1等离子体法

等离子体法也是一种应用前景较好的合成氨方法。等离子体主要是指部分或完全电离的气体，整体呈电中性，许多粒子处于激发状态，会产生高能电子和反应性物种，可显著增强反应动力学，较好地促进N2活化等热力学不利的反应进行。近年来，等离子体技术用于合成氨工业具有较多优点，如高效率、低能耗等，但目前还难以投入工业化生产应用，其主要原因是催化剂筛选制备困难、原材料转化率低以及工艺条件优化难度较大等问题。

2.2PSA2段工艺流程分析

从PSA1段出来的中间气体从吸附塔的底部缓慢扩散到吸附状态塔内部，通过吸附塔内部的针对性吸收作业，使中间气体内的各类水分和杂质气体被精准吸收，确保了从吸附塔上侧溢出的氢气中的二氧化碳的体积分数小于0.2%，便于在下一个工段进一步处理。在该反应区段，当系统传质区前端到达床层出口时，系统会使进料阀门和出口阀门关闭，暂时终止系统的吸附作用，此时位于吸附区域的床层便开始进行重生，在通过多次反应后，系统中的高压混合气体就会在压力的作用下进入到具有更低压力的吸附塔内，通过这个循环反应过程，使床层空间内的氢气得到全部回收。同时，在系统完成均压以后，可以把吸附塔内的气体送缓冲罐进行充分的回收。在系统完成降压后，用压缩机把塔内的富氢气体回收到PSA1入口系统中，然后再使用氮气对各个吸附床层进行清洗，使床层中附着的大量吸附剂能够再利用。在对床层完成吹扫以后，就会控制系统内各个吸附塔进行逐级升压，最终达到系统的吸附压力，然后就可以再进入一个新的吸附循环。

2.3在氨合成阶段

由于初始原料和环境的不同，合成氨的生产工艺可能生成以下杂质产物。（1）乙炔。乙炔是一种不稳定的化合物，会导致合成氨反应过程中出现安全问题。通常情况下，造成乙炔产生的主要原因为催化剂中毒。此外，如果合成氨反应条件不当，也可能促进乙炔的生成；（2）硫化氢。硫化氢是一种有毒气体，可能对人体健康和设备都造成危害。而造成硫化氢产生的主要原因为合成氨原料气中可能含有硫化氢，这可能是由于原料或气体处理过程中引入的。此外，催化剂中毒也可能导致硫化氢的生成；（3）CO。CO对人体健康和环境都有危害。造成CO产生的原因为合成氨原料气中可能含有少量CO。这可能是由于原料气制备过程中不完全燃烧或催化剂中毒引起的。

3合成氨工艺技术发展趋势

3.1比对风机节能技术方案

通过改造高效节能风机，以及分析液力偶合器、变频、永磁调速、永磁电机 + 变频调速等不同调速方式，找到更优的节能改造方案。按各方案的节能量、投资回报、技术成熟度、改造工作量等多维度进行比对。

3.2PSA2段工艺流程分析

当系统传质区前端到达床层出口时，系统会使进料阀门和出口阀门关闭，暂时终止系统的吸附作用，此时位于吸附区域的床层便开始进行重生，在通过多次反应后，系统中的高压混合气体就会在压力的作用下进入到具有更低压力的吸附塔内，通过这个循环反应过程，使床层空间内的氢气得到全部回收。同时，在系统完成均压以后，可以把吸附塔内的气体送缓冲罐进行充分的回收。在系统完成降压后，用压缩机把塔内的富氢气体回收到PSA1入口系统中，然后再使用氮气对各个吸附床层进行清洗，使床层中附着的大量吸附剂能够再利用。

3.3合成氨生产工艺

（1）在制备合成氨的原料气时，应使用高质量的煤、天然气或重油等原料，并采用先进的净化技术，如脱硫、脱碳等，以去除杂质成分，特别是乙炔和CO。（2）在气体进入合成氨装置之前，应进行进一步的处理，如深度的脱硫和脱碳，以减少硫化氢和其他有机硫化物的含量。这可以防止催化剂中毒，并减少硫化氢和有机杂质的生成。（3）催化剂的选择对合成氨的生产过程具有重要影响。应选择具有高活性和选择性的催化剂以促进氮氢反应，并减少副反应的发生。（4）通过调整反应温度、压力、气体组成和流速等条件，可以影响合成氨的反应过程。优化这些条件可以促进主反应的进行，减少乙炔、硫化氢和CO等杂质物质的生成。（5）在合成氨生产过程中，尾气处理也是关键环节。应采用有效的尾气处理技术，如化学吸收、物理吸收或催化转化等，以去除尾气中的杂质物质，特别是乙炔和硫化氢。（6）定期检查合成氨设备和管道系统，确保其正常运行和密封性。对催化剂进行定期更换或再生，以维持其活性和选择性。

结语

综合国家政策和行业发展分析，绿氨是未来合成氨产业的发展方向。目前可再生能源制氢用于制氨的项目多处于启动阶段。未来，若联合绿氢产业，将氨作为储氢介质。合成氨是人们生产生活中不可或缺的，可以有效提高人们的生产生活质量，推动社会的发展。所以，应提升对合成氨生产的重视，积极优化生产工艺，以此来提升合成氨的生产效率，保证生产质量，规避各种风险，实现安全生产。

参考文献

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