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科研训练论文
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目：合成氨生产技术发展状况 学生姓名： 学
号：
学
院：化工学院 班
级：
二〇一四 年 三 月
合成氨生产技术发展状况
摘要：介绍了合成氨技术发展历程和基本状况，分析了生产过程中采用的典型工艺及其技术特点与经济性，指出了合成氨技术可能的发展趋势。介绍了高油价下合成氨的原料结构变化及相关技术进展，认为未来合成氨技术进展的主要趋势是大型化、低能耗、智能化、清洁生产、长周期运行。
关键词：合成氨；工艺技术；现状；发展趋势
氨是最为重要的基础化工产品之一,其产量居各种化工产品的首位；同时也是能源消耗的大户,世界上大约有10%的能源用于生产合成氨。氨主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础,氨本身是重要的氮素肥料,其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料,这部分约占70%的比例,称之为“化肥氨”；同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料,用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料,这部分约占30%的比例,称之为“工业氨”。
一、世界合成氨技术发展
（一）传统型蒸汽转化制氨
从20世纪20年代世界第一套合成氨装置投产,到20世纪60年代中期,合成氨工业在欧洲、美国、日本等国家和地区已发展到了相当高的水平。美国Kellogg公司首先开发出以天然气为原料、日产 1000 t的大型合成氨技术,其装置在美国投产后每吨氨能耗达到了42·0 GJ的先进水平。Kellogg传统合成氨工艺首次在合成氨装置中应用了离心式压缩机,并将装置中工艺系统与动力系统有机结合起来,实现了装置的单系列大型化(无并行装置)和系统能量自我平衡(即无
能量输入),是传统型制氨工艺的最显著特征,成为合成氨工艺的“经典之作”。之后英国ICI、德国Uhde、丹麦Topsoe、德国Braun公司等合成氨技术专利商也相继开发出与Kellogg工艺水平相当、各具特色的工艺技术,其中Topsoe、ICI公司在以轻油为原料的制氨技术方面处于世界领先地位。这是合成氨工业历史上第一次技术变革和飞跃。
（二）低能耗制氨工艺阶段
1.低能耗制氨工艺
具有代表性的低能耗制氨工艺有4种：Kellogg公司的KREP工艺、Braun公司的低能耗深冷净化工艺、UHDE-ICI-AMV工艺、Topsφe工艺。低能耗制氨工艺技术主要以节能降耗为目的，立足于改进和发展工艺单元技术，其主要技术进展包括：
（1）温和转化。一段转化炉采用低水碳比、低出口温度、较高的出口CH4含量操作，将负荷转移至二段转化炉；同时二段转化炉引入过量空气，以提高转化系统能力。
（2）燃气轮机。使用燃气轮机驱动空气压缩机，并与一段转化炉紧密结合。
（3）低热耗脱碳。采用低热耗Benfield或α-MDEA脱碳，以降低能量消耗。
（4）深冷净化。Braun公司采用深冷净化，在合成气进入氨合成回路之前脱除其中的CH4和部分Ar，并调节合成气中H2与N2摩尔比为3∶1；Uhde-ICI-AMV采用深冷净化，在氨合成回路之中回收弛放
气中的H2。
（5）效率更高的合成回路。采用新型氨合成塔和低压高活性催化剂，以提高氨合成转化率、降低合成压力、减小回路压降、合理利用能量。Kellogg公司采用卧 式径向合成塔和小颗粒、高活性催化剂；Uhde公司和Topsφe公司均采用了立式径向流动合成塔和小颗粒、高活性催化剂。
2.以部分氧化工艺为核心的重油或煤气化
（1）重油气化。以部分氧化工艺为核心的重油气化技术，主要有Shell和Texaco两家公司的技术。主要的进展包括：①结构多样化、气化压力提高、设备大型化；②改进气化炉烧嘴，以降低氧／油比、蒸汽／油比，从而降 低氧耗、汽耗，改善经济性；③改进雾化喷嘴的结构和材质，以适应石油深加工带来的重油重度加重的问题；④炭黑回收部分开路，以适应石油深加工带来的重油原 料中重金属含量升高的问题。
（2）煤气化。以Texaco公司和Destec公司为代表的水煤浆气化、以Shell公司和德国Prenflo公司为代表的粉煤气化、以Lurgi公 司为代表的固定床煤气化等。并率先在IGCC领域进行了示范性大型化商业化装置的运转，Texaco工艺和Lurgi工艺在合成氨生产中也得以应用，并取得了良好的效果。
（三）装置单系列产量最大化
世界级合成氨装置的规模越来越大，以利用较大的产量带来规模经济效益。20世纪80年代投产的世界级合成氨装置的平均产量为l
120t/d，而最近投产的世界级合成氨装置的产量大多已接近2000t/d，且主要按照现有技术进行放大。至今为止，Uhde公司已经推出了日产3 300t合成氨技术，KBR、Topsφe、Lurgi公司均推出了日产2 000t合成氨技术。
（四）合成氨装置的结构调整
原料结构调整主要是“油改气”(利用部分氧化工艺将原料改为天然气)和“油改煤”(利用煤气化工艺将原料改为煤或石油焦)。1.“油改气”
天然气制氨装置一般采用蒸汽转化技术，但采用此技术来改造基于部分氧化工艺的重油气化装置，则远不如采用天然气部分氧化技术更为合理。采用天然气部分氧化 技术，不仅可以利用现有的气化炉调整操作、改造烧嘴，而且投资少、改造难度小、改造周期短、总体经济性好。另外天然气部分氧化技术易于实现大型化，逐渐为 行业所公认。Texaco公司天然气部分氧化工艺技术在我国宁夏、新疆2套Texaco重油气化制氨装置上应用改造成功，其主要改造内容是设置天然气压缩机、更换烧嘴、改造低温甲醇洗工序、调整工艺操作参数。中国石化宁波工程公司天然气部分氧化工艺技术在我国兰州Shell重油气化制氨装置上应用改造成功，其主要改造内容是设置天然气压缩机、更换烧嘴、改造低温甲醇洗工序、调整工艺操作参数。2.“油改煤”
煤气化技术的成功商业化为合成氨装置的原料结构调整奠定了坚实的技术基础。相关的改造内容包括：新建煤气化(合成气制备)
部分和新建合成气净化部分。
（1）煤气化。成熟且有竞争力的煤气化工艺主要是以Texaco为代表的水煤浆气化和以Shell为代表的粉煤气化工艺，这两类煤气化工艺均是成熟的，都有大 型专利工厂。水煤浆气化工艺生产的粗合成气已用于循环联合发电，化肥、甲醇等生产，粉煤气化工艺仅用于循环联合发电，两者各具特色。
（2）合成气净化。本部分的关键问题在于确定CO变换、酸性气体脱除、气体精制等工序的合理流程组合形式。其中，CO变换工艺的选择是合成气净化工艺技术选择的首要问题。CO变换工艺技术分为非耐硫变换和耐硫变换2种，而这2种变换工艺的选择将直接影响后续酸性气体脱除工序、气体精制工序的流程组合。煤气化的变换气具有硫、CO2含量高，分压大的特点。根据变换气的工艺条件，采用物理吸收法比较有利。物理吸收法中按照吸收温度的不同，一般分为冷法和热法。冷法则以Lurgi、Linde低温甲醇洗法为代表，热法以Selexol工艺最为著名。脱硫脱碳气体的精制既可以采用“热法精制”(甲烷化工艺)，亦可以采用“冷法精制”(低温液氮洗或深冷净化工艺)，两者各有优势。（3）工艺技术改造方案
①新建煤气化工序。采用煤气化工艺，生产合成气。
②新建空气分离工序。采用全低压、内压缩空分工艺，为煤气化工序提供工艺氧气和高、中、低压氮气。
③新建耐硫变换工序。采用三段耐硫变换工艺(耐硫中变+耐硫低变)，进行合成气的高浓度CO变换。
④新建酸性气体脱除工序。采用低温甲醇洗净化工艺，进行变换气的脱硫脱碳净化，以脱除变换气中的H2S、COS和CO2；并采用两级克劳斯脱硫+SCOT工艺，处理低温甲醇洗工序中的H2S尾气。⑤改造和利用甲烷化工序。对原有装置的甲烷化工序进行适当的改造，采用热法精制(甲烷化)工艺进行净化气的精制，除去净化气中微量的CO和CO2。
⑥利用氨合成及冷冻工序。利用原有装置的氨合成及冷冻工序，进行氨合成，生产液氨作为尿素装置的原料。
二、我国合成氨技术的发展
我国合成氨工业始于20世纪30年代，到现在80年来，我国的合成氨工业已呈现多层次多形态的新格局和加速发展的新态势: 已掌握了以焦炭无烟煤焦炉气天然气及油田伴生气和液态烃等多种原料生产合成氨和尿素的技术，形成了具有中国特色，以煤为主(80%以上)天然气为辅石油已基本淘汰的原料格局;形成了大中小生产规模并存，以中小型企业为主体大型企业为辅，但大型化集团化趋势越来越明显的企业格局;形成了先进工艺技术和落后工艺技术并存，先进工艺技术呈加速发展的合成氨和氮肥生产技术格局目前合成氨和尿素总生产能力已完全能够满足国内农业和工业需求，但总体吨氨能耗水平总体企业的规模效益还与世界先进水平存在较大差距，目前正处于转型发展的关键时刻
（一）大型合成氨工业
近年来，我国大型合成氨氮肥装置的发展呈井喷之势，生产装置已经超过50家，总产能已超过2000万t/a，已占我国合成氨总产能的1/3，还有10多家正在建设之中，或即将投产。我国大型合成氨装置原料气制造工序普遍采用气态烃类蒸汽转化法或粉煤气化工艺，原料气压缩采用汽动压缩机，合成压力采用15MPa的低压操作，吨氨能耗降至28～38GJ/t，装置规模30～50万t/a，已经接近世界先进水平。
（二）中、小型合成氨工业
目前我国中型合成氨装置生产能力约为1500万t/a，约占我国合成氨总产能的1/4，我国的小型合成氨装置虽然已经减少到估计不到400套，产能已不足2000万t/a，其产能仍占我国合成氨总产能的1/3，但其仍在继续萎缩之中，其下游产品原来主要是碳酸氢铵，现部分已改产尿素 中小型合成氨厂的原料中煤焦占96%以上我国中小型合成氨装置总产能仍占我国合成氨总产能的一半以上，其造气工艺大多采用间歇式固定床煤气发生炉，合成压力采用32MPa的高压操作，原料气压缩设备普遍采用电动往复式压缩机，其吨氨能耗达55～60GJ/t，约为大型合成氨装置的2倍，这是我国合成氨工艺技术总体上远落后于发达国家的主要原因。
（三）我国合成氨未来发展
1.大型化、集成化、自动化。形成经济规模的生产中心，低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主要发展方向。
2.以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产”的再加工为核心的产品结构调整，是合成氨装置“改善经济性”，增
强竞争力的有力途径。
3.实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和唯一选择。在生产过程中接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟。
4.提高生产运行的可靠性，延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性”增强竞争力的必要保证，有利于提高装置的运行周期率。
参考文献：
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