合成氨工艺技术的应用现状及发展分析.pdf

195 实 践 区域治理 PRACTICE 合成氨工艺技术的应用现状及发展分析 赵倩 河南化工技师学院 摘要：现阶段，随着科技的加速发展，先进技术在装备中的应用也在增多，这些都推进了我国合成氨产业发展。合成氨工艺技术应用对于合成氨生产企业的经济效益和核心竞争力提升具有重要意义。本文首先分析了合成氨生产工艺，对于合成氨工艺技术应用现状进行调研，基于设计发展和应用情况，分析合成氨工艺技术的发展趋势，为合成氨工艺发展和生产效益提升提供一些思路。关键词：合成氨；工艺技术；应用 中图分类号：TE992.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4595(2023)23-0195-03 作者简介：赵 倩，生于 1983 年，女，汉族，河南开封人，本科，讲师。氨合成是指在催化剂存在下，由氮气和氢气在高温高压下直接合成氨，是一种基本的无机化学过程。在现代化学工业中，氨是化肥工业和基本有机化学品的主要原料。合成氨工业诞生于 20 世纪初。它开始使用氨作为炸药工业的原料，为战争服务。第一次世界大战后，它转向服务于农业和工业。随着科学技术的发展，对氨的需求量日益增加。在多数化工产品生产中都需要用到氨，氨的年产量一直比较高，研究合成氨生产技术对于企业生产发展而言意义重大。在目前的农业产业氮肥生产中，合成氨是基础原料之一。合成氨生产工艺技术发展对于氨的大量生产也有一定促进作用。一、合成氨生产工艺分析 20 世纪初，合成氨技术开始出现并快速发展起来，这一技术最初是在炸药制造中应用的，而现阶段，合成氨技术在很多工业生产和化学研究中都有广泛应用。20 世纪 30 年代合成氨技术开始发展起来，我国目前已经成为世界上最先进的和车干生产技术大国。在合成氨原料上，我国有天然优势，通过使用天然气、石油、煤等原料，都可以满足合成氨生产需要。现阶段，我国的合成氨生产产量高，能够满足市场需要，合成氨年产量较大，在世界范围内都要一定的竞争力1。我国的合成氨生产设备数量多，技术先进，不同的合成氨厂是根据原料进行划分的。目前我国是合成氨产量最大的国家之一，目前全国有三十多家大型氮肥厂，其中约有二十家以天然气为原料，部分以轻油、重油或煤为原料。在那些大型氮肥厂的支持下，我国每年的氮肥产量都非常大。此外，还有五十多家中型合成氨厂，保证了氮肥产量的不断增长，为农业生产提供了大量的尿素、氮肥及硝酸铵。合成氨的生产需要不同的原料和相应的生产工艺。例如，一般以煤和天然气为原料生产合成氨，原料气用于制备2。经过筛选后，所有的提纯处理步骤都是必须的，而这一步主要是去除氢和氮以外的杂质，特别是在转化、脱硫和脱碳过程中，杂质的去除非常重要。通常，一氧化碳在提纯过程中会分几个阶段产生，因此需要对一氧化碳进行转化。特殊处理放出大量热量，因此转化工作必须分阶段进行，即通过高温将一氧化碳转化为二氧化碳和氢气，再通过降温作用不断降低一氧化碳含量。实际效果是用低温甲醇洗法或聚乙二醇二甲醚法解决。在气体处理过程中，必须去除杂质。另外，合成工序中的原料气进入前，首先要将内部残留的二氧化碳和一氧化碳清除干净，真正对原料气进行净化，具体的净化方法有多种，其中甲烷化、液氮冲洗等方法应用最多。一般来说，生产合成氨的成本比较高。据统计，我国 3%的能源用于合成氨的生产，此外，合成氨的生产还需要大量的氧气、二氧化氮、二氧化硫等有害气体。它在生产过程中会产生对环境产生负面影响，会造成一定的危害。当前，我国能源匮乏，环境污染严重，合成氨工艺技术优化和改进对其可持续发展具有一定必要性3。就氨合成工艺来看，重点是原料气生产工艺和原料气净化工艺。原料气生产主要采用煤或焦炭为原料，通过强制生产。但气化生产中存在大量的氢气 196 实 践 区域治理 PRACTICE 和氮气杂质。此外，利用非催化部分氧化技术生产原料气也提供了新的研究思路。通过该工艺操作，可以在原料气中得到合成氨原料。在技术不断发展进步中，借助二次蒸馏技术应用，能够从气态氢气中国进行合成氨的萃取。而要进一步提纯原料气，完成纯氢气合成后，可以借助压力机来进行加压操作，通过合理的催化剂催化反应，获得合成氨。在利用压力压气机的过程中，可以结合压力大小将其分成高中低三种。通过高压支取合成氨，获得原料的效率也更高，还能对于原料气体中的氨水做好脱除处理。相对而言，中压工艺在高压制程方面具有很有的应用效果，这种方法在目前的合成氨生产应用也比较多，且这一技术的稳定性和经济性都比较突出。合成氨生产中，低压工艺操作简单，使用方便。二、氨气在生活中的具体应用 从氨的化学式和性质来看，其化学式为 NH3，相对分子质量为 17.031。氨在标准条件下是一种无色、有刺激性气味的气体4。它具有良好的水溶性，是一种有毒气体。人体大量吸入会出现中毒现象，危害生命健康。目前，氨主要是用于制作尿素，在一系列复杂工艺处理后制取尿素，制作出来的尿素主要是用于肥料制作。尿素本身是一种生理肥料，使用尿素制备的肥料对于土壤不会产生污染和危害，这是其他化学肥料无法实现的。此外，氨还可以用于氨态氮肥以及硝酸制作中，使用氨气制作的氨态氮肥能够用于农作物增色剂，这类增色剂的吸收率比较理想。硝酸在工业方面有广泛使用，工业上的硝酸以及氨气能够合成硝酸铵。三、合成氨技术应用 合成氨工艺技术流程是比较复杂的，其中包含了很多的综合技术，有物理、化学、化工技术等，是一类无机化工专业技术。就其应用来看，主要有以下几方面：第一，半水煤气的制取。通过向造气炉内添加煤，使空气流通，在煤炭燃烧升温后，通过间断性通入蒸汽以及空气，让蒸汽和温度已经较高的碳之间反应，由此生成氢气和一氧化碳，此时空气中的氧气不断被消耗，只剩下氮气，还包含一些其他的杂质气体和粉尘，将粉尘清除干净后，将余热回收起来，就能获得半水煤气。第二，原料气体净化。通过将半水煤气进行脱硫处理后，通过变换，将气体中的部分一氧化碳以及二氧化碳脱离出来。第三，氨的合成。通过氨合成动力学和热力学混合，基于物料衡算，能够让氨含量趋于平衡，这种典型工艺能够实现氨合成，但是需要用到合成塔5。而就合成氨的技术应用现状来看，很多企业合成氨生产装置具有一定缺陷，这是原材料自身的问题导致的。目前的石油价格不断上升，所以无法将石油作为氨制备的主要原材料。且目前市场上的汽车拥有量不断上涨，这使得市场对于石油的需求量也在不断增长。基于成本节约考虑，不适宜将石油作为氨制备原材料。此外，轻油和重油作为氨气生产也是不合适的。目前的社会对于技术水平的要求也在不断提升，因为生产装置自身的局限性以及经济因素问题，轻油和重油应用面有限，且其在市场竞争中占据劣势，因此，很多应用轻油和重油制备氨气的装置生产停滞，相关结构也在不断的调整和改造中。目前多以天然气、煤等为原料来进行合成氨气生产和制备6。相对而言，目前的煤炭是合成氨制备的最理想原料，煤炭资源储量目前是石油的十倍左右。因为储量更高，所以其市场价格相对石油要低很多，将煤炭作为合成氨原材料可以节省成本，带来理想的经济效益。其次，煤炭的气化和液化能够带来的好处和收益也是不一样的。首先，可以生产各种化工原料，利用煤本身的性质可以实现合成氨的生产。其次，我国能源结构可以调整优化。这是因为煤炭在露天可以完全燃烧实现完全氧化，只有部分煤炭和少量的二氧化硫进入空气中，造成空气污染，并且部分释放的热量无法有效回收，从而导致空气污染。和能源浪费。一般来说，煤炭气化很难实现完全燃烧，产生还原性一氧化碳，可以大大降低二氧化硫形成的概率，减少空气污染，而且能量释放分两个阶段进行，可以提高效率。关于煤炭的使用。在一些煤气化技术中，煤中一些高附加值的有机物可以得到充分利用。可见，煤气化和煤液化的优势突出，符合我国的低碳环保发展理念要求。且物质分离同时也伴随着能量的消耗，煤气化和我国的能源结构是相适应的，其使用成本低，储量高，是理想的原材料选择。四、我国合成氨工艺技术发展趋势分析 在我国，合成氨作为氨肥的主要成分，是氨肥工业的主要原料。因此，大多先制成氨肥，然后添加大量原料制成氨肥、尿素、磷肥、有机肥等。其中氨占有很大比例。同时，氨的应用范 197 实 践 区域治理 PRACTICE 围广泛，无论在农业还是碳化工领域都可以发挥重要作用，也是一种非常具有代表性的多功能“氨”，是一种非常重要的基础化工产品。如今，我国合成氨工业的主要产品是化肥。目前我国合成氨企业较多，集中度低，规划相对松散，整体技术水平不高，发展形势不容乐观，生态与社会发展密不可分，仍是未来发展的重点7。我国的化工等行业是田地无法替代的。我国合成氨工业的快速发展催生了合成氨创新的新时代。合成氨技术具有利用率高、合成氨净值高、成本低、应用方便等诸多优点。从总体情况看，合成氨发展的总趋势是环保化、自动化以及集中化的，这符合我国政策的基本需要，相关技术的发展和进步能够够为环保领域的可持续发展作出贡献。随着科学技术的飞速发展，人们对耕地的需求越来越大。许多农民不使用化肥，而是使用当今市场上随处可见的化肥和尿素。正是因为如此巨大的化肥需求，才带动了合成氨行业的快速发展。我国合成氨工业以煤炭为主要原料，规模居世界首位，当今我国合成氨工业发展前景良好，但仍需科学控制产能过剩现象，有效避开市场风险这也是一个非常重要的问题。同时，合成氨行业在发展过程中必须高度重视环境保护。要尽可能降低生产过程中的能源消耗，尽可能防止环境污染，实现资源的可持续发展和循环利用，做好节能减排和推进工作，促进节能减排增效完善和加强技术创新，确保我国合成氨工业稳定可持续发展8。根据目前合成氨行业的发展现状，可以预测其技术发展将朝着调整产业结构、降低能源消耗、发展清洁生产、降低生产成本、提高经济效益的方向发展。具体体现在以下几个方面。第一，调整优化产业结构。带动整个行业向集团化、规模化方向发展；淘汰能耗高、环保技术落后的企业，优化原料结构，扩大储备资源范围。第二，发展低能耗技术。优化工艺流程，合理利用能源，开发性能更好的催化剂，开发新的原料气处理方法，降低燃料消耗，合理利用二次热能。此外，通过集中、自动化和先进设备的升级，可以最大限度地减少能源消耗。第三，注重清洁生产。环保生产是未来合成氨行业的必然选择，在生产过程中，必须努力使用清洁能源，减少不必要的废弃物、废物和废气排放，做到最佳的清洁生产。第四，尽可能提高设备的生产率，延长其使用寿命。不仅可以提高劳动生产率，还可以节约成本，提高企业的效率和效益。第五，实现与其他产品联合生产。合成氨生产过程中产生的大量二氧化碳，不仅可用于生产清凉、碳酸饮料，还可用于生产纯碱、碳酸氢铵等重要化工原料，提升协同效率。如目前的制氢的应用范围很广。氢气不一定非得合成氨，现在，燃料电池也挺火，最成熟的就是氢氧燃料电池，但现在氢气供应严重不足，以后必成为一瓶颈，而以氢气为燃料的汽车也在研究中，一旦成功，氢气的需求量必然大增，合成氨的联合生产行业未来发展前景还是比较理想的。总结 合成氨工艺技术发展和应用对于我国的产业发展和生产进步具有重要作用，在目前的很多工业、化学等领域，合成氨工艺技术都有一定程度的应用。相关技术应用能够促进生产发展，带动经济建设。本文对于合成氨工艺技术及其应用进行了概述，并对于我国的合成氨工艺技术发展现状问题和未来前景趋势进行研讨，能够从一定程度上反映我国合成氨工艺技术发展方向，能够为行业发展提供一些思路和指导。参考文献 1 盛娜.合成氨工艺技术的应用现状及其发展趋势J.中国石油和化工标准与质量,2023,43(3):187-189.2 邓战听.合成氨工艺技术的应用现状及其未来发展趋势J.中国化工贸易,2020,12(13):63-64.3 马昭.双低压醇氨联产工艺技术在单醇装置转产合成氨改造的应用C./第十四届全国气体净化技术交流会暨 2013 年新型煤化工气体净化技术研讨会论文集.2013:220-223.4 杨学智,邢涛.国产化大型合成氨装置技术创新与新工艺的应用J.大氮肥,2020,43(6):430-432.5 姜芳,刘子文.生物活性炭技术在处理合成氨尿素工艺冷凝 液 上 的 应 用 J.工 业 水 处理,2005,25(8):59-61.6 王瑜.恩德粉煤气化炉在双甲工艺合成氨系统应用的技术经济分析J.化学工程师,2006,20(3):45-47.7 纪志愿.烯烃加氢工艺技术在制氢及合成氨装置上的工业应用及改进J.炼油技术与工程,2003,33(7):11-14.8 杨斌,高桂林,梁雪梅.兖矿鲁南化肥厂德士古与固定床制合成氨的工艺技术应用比较J.中国化工贸易,2013(9):200-200.