新型氨合成工藝技術(shù)應(yīng)用優(yōu)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(chǎn)糧大國也是消費(fèi)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(nóng)作物產(chǎn)量，其中尿素的質(zhì)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(yè)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著重要作用。目前由于國內(nèi)的技術(shù)設(shè)備相對落后，又面臨原料成本增加，環(huán)保問題越加受到重視，使得國內(nèi)氨合成困難重重，很多小型設(shè)備面臨甚至已經(jīng)淘汰，要想解決問題，必須要采用更加有優(yōu)勢的工藝技術(shù)，故此，選用高效節(jié)能的氨合成設(shè)備以及先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)，是降低系統(tǒng)能耗，促進(jìn)合成氨行業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的 關(guān)鍵。

1 氨合成工藝研究國際進(jìn)展

20世紀(jì)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(shè)備落后，無法進(jìn)行熱量回收，能耗較高，且生產(chǎn)能力低，經(jīng)過多次改革，已經(jīng)將此類設(shè)備淘汰。目前，國內(nèi)已有多家企業(yè)開始研發(fā)設(shè)計(jì)合成效果更佳的氨合成系統(tǒng)，最有代表性的企業(yè)有湖南安淳、南京國昌等?，F(xiàn)如今所設(shè)計(jì)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(lián)產(chǎn)甲醇的流程所設(shè)計(jì)的醇烴化工藝搭配醇烴化產(chǎn)生的氣體進(jìn)行精制時(shí)應(yīng)用的工藝所結(jié)合的新型氨合成工藝，此工藝目前設(shè)計(jì)領(lǐng)先，運(yùn)行成熟，但是目前國內(nèi)大多數(shù)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(shù)，導(dǎo)致進(jìn)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(nèi)部換熱結(jié)構(gòu)相比國外來說，還有較遠(yuǎn)距離。

目前國內(nèi)所應(yīng)用的工藝多數(shù)是從國外引進(jìn)[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(nèi)的醇氨聯(lián)產(chǎn)、GC型低壓氨合成工藝等，這幾種氨合成工藝的設(shè)計(jì)理念都是以提高氨凈值和節(jié)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(shù)的先進(jìn)水平，由臥式徑向塔、熱壁以及組合式氨冷器等結(jié)構(gòu)組成[3-4]。Kellogg氨合成技術(shù)采用臥式合成塔結(jié)構(gòu)，此合成工藝相比而言，阻力較低，氨凈值高，并且運(yùn)行過程較為穩(wěn)定，但因采用臥式合成塔，所以需要的場地較大，并且對設(shè)備的精度也要求較高。Kellogg所采用的臥式合成塔主要是由內(nèi)部帶有冷卻設(shè)備的單臺(tái)臥式壓力容器組成的，殼體中存在移動(dòng)型的三床觸媒筐，此觸媒筐可以從合成塔中拉出，以及兩個(gè)內(nèi)部換熱器，和獨(dú)立出來的環(huán)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(nèi)的工藝氣可循環(huán)應(yīng)用，提高熱轉(zhuǎn)化率。與臥式合成塔同用的設(shè)備為組合式氨冷凝器，使用此冷凝器后可替換掉傳統(tǒng)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(tǒng)阻力。目前已有成功案例，海南富島的二期工程就是應(yīng)用此合成塔及合成工藝，且使用的觸媒為國產(chǎn)。

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(yīng)用較多，國內(nèi)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(nèi)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(yōu)點(diǎn)。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?yàn)槠涫褂玫挠|媒粒徑較小，所以阻力小，并且比表面積大，活性較高，穩(wěn)定性良好；以S-250型合成塔為例，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在S-200塔后串聯(lián)S-50塔，因此，S-250型合成塔具有S-200塔的吸附特點(diǎn)，還具有合成塔出口NH3含量高的特點(diǎn)。

2.3 瑞士卡薩利工藝

卡薩利氨合成技術(shù)源于瑞士，是目前國內(nèi)合成氨企業(yè)引進(jìn)氨合成技術(shù)占比最大的工藝，卡薩利軸徑向合成塔內(nèi)件的優(yōu)點(diǎn)[9]是：①合成塔內(nèi)床層之間都存在換熱器，所以熱力學(xué)效率較高；②最大化的催化劑裝填量和最高的轉(zhuǎn)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(qiáng)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(nèi)也有較多企業(yè)開始引進(jìn)同結(jié)構(gòu)異規(guī)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(fā)的節(jié)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(yīng)器，所以其熱效率高，但是其負(fù)荷也會(huì)有所提高，因此會(huì)產(chǎn)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(zhuǎn)化達(dá)到相對較低的水汽比；并且空氣壓縮機(jī)的尾氣又可以供一段爐使用；合成的氣體經(jīng)過深冷精制，不僅能脫除過量的氮?dú)?，還能制取高純度的氫氮?dú)?，能帶來?yōu)異的效果。氨合成回路的產(chǎn)生的熱量會(huì)進(jìn)入到設(shè)備中的廢熱鍋爐，回收氨合成的反應(yīng)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(yōu)異技術(shù)，并將其進(jìn)行結(jié)合，并且此工藝的特點(diǎn)也與Braun相似，就是將一段爐的負(fù)荷轉(zhuǎn)移至二段爐，合成過程中產(chǎn)生的廢氣通過深冷分離裝置進(jìn)行回收，再將其通入至循環(huán)壓縮機(jī)內(nèi)；本工藝合成時(shí)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(jīng)濟(jì)。

2.6 ICILCA合成氨工藝

LCA工藝在裝置選擇上要優(yōu)于上述工藝，此工藝中將傳統(tǒng)的一段爐替換為轉(zhuǎn)化器，轉(zhuǎn)化器相比于傳統(tǒng)一段爐而言，結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，并且可以將二段爐所產(chǎn)生的熱量返回至轉(zhuǎn)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(huán)境與AWV相同，也是采用低壓低溫。此工藝最大的特點(diǎn)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(guān)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(yīng)中，轉(zhuǎn)化效率也相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)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(fù)雜性，目前世界上已有多家企業(yè)采用此工藝。

2.8 醇氨聯(lián)產(chǎn)的合成氨工藝

醇氨聯(lián)產(chǎn)的合成氨工藝是我國結(jié)合目前氨合成廠情況所研發(fā)的工藝，此工藝最大的特點(diǎn)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(jìn)行反應(yīng)生成甲醇，既能除去碳氧化合物，又可以氣體精制單元的負(fù)荷。并且還可以調(diào)節(jié)氨和甲醇的產(chǎn)量，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)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(fā)的GC型低壓合成氨工藝，是一種節(jié)能、安全、環(huán)保的新型工藝，此工藝是在傳統(tǒng)設(shè)備上結(jié)合了國昌公司自主研發(fā)的魚鱗筒徑向分布器、多段絕熱組合式催化床結(jié)構(gòu)和催化劑自卸等新技術(shù)，經(jīng)過多次應(yīng)用，已確定其先進(jìn)性和可靠性。此工藝的優(yōu)點(diǎn)就在于合成塔結(jié)構(gòu)先進(jìn)，前期投資成本低；反應(yīng)熱利用率高，氨凈值高；水冷器傳熱能力強(qiáng)，檢修方便。

3 氨合成工藝發(fā)展趨勢

根據(jù)目前氨合成工藝的發(fā)展，在對國外的先進(jìn)氨技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)了解，并結(jié)合引進(jìn)的氨合成裝備，使得國內(nèi)的氨合成技術(shù)也有了顯著發(fā)展。目前國內(nèi)化工方面的模擬技術(shù)開始迅速發(fā)展，應(yīng)用較多，化工技術(shù)人員也愈發(fā)了解氨合成技術(shù)，并且對于氨合成裝備中相關(guān)設(shè)備的制造水平也達(dá)到國際水平。接下來幾年的發(fā)展還是應(yīng)該趨向大型化和綜合化，這樣不僅節(jié)約了人力資源，更能促進(jìn)能源的節(jié)約與利用，即使當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大后需要更多的資金投入，但是相對而言優(yōu)勢大于劣勢；合成氨的生產(chǎn)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(diǎn)。

4 結(jié)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(diǎn)有所偏差，九種工藝的所具有的優(yōu)勢主要就是以下方面：

1）Kellogg工藝：裝置阻力低，運(yùn)行穩(wěn)定，氨凈值高，轉(zhuǎn)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(huán)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(xué)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?dú)猓⒛苤迫「呒兌鹊臍涞獨(dú)?，且?jié)約能耗。

4）AMV合成工藝：合成時(shí)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(shí)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(lián)產(chǎn)的合成氨工藝：可同時(shí)生產(chǎn)氨和甲醇，經(jīng)濟(jì)效益高。

5）GC型低壓合成氨工藝：投資成本低，反應(yīng)熱利用率高，氨凈值高，能耗低。