合成氨生产工艺及KBR合成氨工艺分析

张 伟

（海洋石油富岛有限公司，海南东方 572600）

1 合成氨工业的发展概况

合成氨工业是基础化工的重要组成部分，其用途十分广泛。氨可以用于生产多种氮肥，如尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等，还可用于生产磷肥等多种复合肥，被称为“化肥氨”。氨也是重要的工业原料，比如用于制备硝酸、纯碱、含氮无机盐等基础化工材料，在有机化工中的用于制备含氮中间体，在高分子工业中用于制备氨基塑料、丁腈橡胶等，在制药工业中可用于制备磺胺类药物，在国防工业中可用于制造三磺基甲苯、硝化甘油等。

自从合成氨工业化后，合成氨的原料构成经历了重大的变化。从20世纪20年代的以焦炭、煤为原料生产氨，发展到50年代以天然气、石油、石脑油为原料制氨，到60年代后又开发了以重质油为原料制氨的方法，从此，合成氨工业的原料构成由固体燃料转向以气、液态烃类燃料为主的时期。我国到了70年代至80年代以后建设了技术先进的，以天然气、石脑油、重质油和煤为原料的年产30万kt/a的大型氨厂，分布在四川、江苏、浙江、山西等地。到21世纪初，我国已有合成氨生产企业600多家，其中年产能30万kt/a以上的企业有18家。

随着世界能源日趋紧张，致使合成氨的成本提高，为了降低成本，降低合成氨的能耗，对氨合成的催化剂及中低压合成工艺上进行了研究。比如英国石油公司和美国凯洛格（KLG）公司联合开发了钌基合成氨催化剂及其配套工艺，并在1990年正式开发出KAAP工艺，从而开发出继铁系催化剂以后的第二代合成氨催化剂。由于传统的高温高压合成氨工艺设备复杂，原料气压缩时需要消耗大量能量，因而降低压力，采用低压高活性合成催化剂的合成工艺是21世纪合成氨生产技术的主要突破，有利于大幅降低生产成本。目前大型合成氨装置（产能30kt/a以上）大都运用了中压或低压的合成工艺，一般控制合成回路操作压力在8～22MPa，在低耗能大型合成氨工艺中，当前全球比较常用的工艺主要有：美国的KBR（Kellogg＆Brown Root 公司）工艺、瑞士CASALE（卡萨利）低压氨合成技术、丹麦Topsøe（托普索）工艺、德国Uhde（伍德）公司的生产工艺等。

2 合成氨的生产工艺流程

虽然工业上氨合成的工艺流程及设备、操作都有所不同，但氨合成过程的基本工艺步骤是一样的。

2.1 气体压缩与除油

气体压缩是指在合成氨过程中，通过压缩机将经过净化的精制气或氢氮混合气压缩到氨合成所需要的操作压力。在此过程中假如所用的压缩机是使用润滑油润滑的，润滑油在气缸内的高温条件下会部分气化并被气体带出。这部分油气必须清除干净，以防止它们使氨合成催化剂中毒以及黏附在热交换器上降低传热效率。一般通过设置油分离器或滤油器的方式进行除油，假如采用离心压缩机或者无润滑油往复式压缩机，就不存在气体带油的问题了，从而也可以省去除油的工序。

2.2 气体预热与合成

由于合成氨的催化剂具有一定的活性温度，所以氢氮混合气体压缩后需要预热到催化剂的活性温度，然后再送到催化剂层进行合成氨的反应。对氢氮混合气体进行预热的热源主要来自氨合成的反应热，即换热器中反应后的高温气体的热量；当反应热不足以维持合成塔自热平衡时，还可以利用电加热器、加热炉提供热量。

2.3 氨的分离

混合气体从合成塔出来后其含氨量很低，通常只有10%～ 20%，需要经过分离后才能获得液氨。目前工业上主要采用冷凝法从混合气体中分离出氨，采用水和液氨作冷却剂，然后利用水冷器和氨冷器把液氨分离出来，减压后输送到液氨贮槽。

2.4 未反应氢氮气的循环

混合气体从合成塔出来后经过氨的分离步骤，剩余的气体中还含有大量没有发生反应的氢气和氨气，工业上通常采用循环法合成氨来回收这些气体，即还没反应的氢氮混合气在分离氨后重新与原料气一起，利用循环压缩机将其输送到氨合成塔中进行反应。

2.5 惰性气体的排放

合成氨原料气由于采用的原料和净化方法不同，一般会含有部分甲烷和氩等惰性气体。在循环法合成氨过程中，随着氢氮气不断地合成氨，少量惰性气体会溶于液氨中被带出，但大多数还留存在循环气体中，对氨的合成造成不利影响。

为了降低生产过程中惰性气体含量，通常会将循环气中惰性气体含量较高的部分进行间歇放空或连续放空。在工艺流程中放空位置的选择一般是在氨分离器之后及滤油器之前，这样可以减少氢氮气的损失。然后对放空气体中的氢气和氨等进行回收利用。

2.6 反应热的回收

合成氨的过程反应热比较大，必须进行回收利用。目前通过以下几种方法回收反应热：

（1）用反应后的高温气体预热反应前的氢氮混合气，使混合气达到催化剂的活性温度。

（2）加热进入铜液再生塔的热水使铜液再生使用，或者加热进入饱和塔的热水可以提供变换使用。

（3）预热锅炉给水，为汽轮机提供高压蒸汽。

（4）副产蒸汽。目前，大型氨厂的回收热能主要采用加热锅炉给水；中型氨厂主要用于副产蒸汽；小型氨厂主要用于加热热水和副产蒸汽。而它们都会使用反应热预热反应前的氢氮混合气。

3 KBR合成氨工艺简析

美国的KBR工艺是由布朗路特工程公司（Brown Root）和凯洛格（KLG）公司结合而成的凯洛格-布朗路特公司（KBR）所开发出的新合成氨工艺，是当前先进技术的代表，具有能耗低、容易操作、运行稳定和开车时间较短等特点，KBR工艺通常应用在大型合成氨厂中，原料主要采用天然气，也常被应用于煤化工中。

在KBR合成氨工艺中，氢气净化后与高纯氮气混合后（H2/N2为3），在合成气压缩机被压缩到15.5MPa，经预热后送入合成塔中进行合成，氨从合成塔出来的体积分数在20%左右。反应热被回收后主要用于加热锅炉给水和副产蒸汽，气体通过回收热量后再利用水冷器和组合式氨冷器进行冷却，然后通过氨分离器分离出液氨。混合气体经过氨的分离后，未反应的氢氮混合气在分离氨后重新利用循环压缩机将其输送到氨合成塔中，与原料气一起进行循环利用。分离出的液氨从氨分离器出来后送入到闪蒸槽蒸出溶解的气体，然后进入冷冻工序。

3.1 KBR工艺具有的特殊的合成氨技术

（1）KRES技术，它是由KLG公司开发出来的用于替代成本最高的一段炉设备的一种转化换热器系统，包括预热炉、自热式转化炉和换热式转化炉，从而可以充分利用出口气体的高温热能，大幅减少了天然气燃料的损耗，而且还使工艺设备得到简化，并且提高了工艺的可靠性。

（2）净化器技术，它是Brown Root公司开发的，主要技术特点是通过二段炉过量空气的加入使出口温度降低，并降低了一段炉的负荷，并且通过深冷装置去除合成气中的CH4、Ar、N2等，还可以精确地将氢氮比控制在3∶1，从而使工艺具有低能耗、低投资、高可靠性的特点。

（3）KAAP 技术，它是由KLG公司开发的使用钌基合成氨催化剂代替铁系催化剂的技术，有利于降低合成氨的生产成本。

3.2 KBR工艺其他的 一些技术特点

（1）KBR工艺采用德国巴斯夫的三段aMDEA吸收工艺进行脱氮，这是一种比较新的应用于合成氨脱氮的方法，aMDEA吸收工艺CO2的方法是溶液吸收能力随CO2的分压增大而提高，并且提高了物理吸收的比例。

（2）KBR采用组合式氨冷器代替了换热器和闪蒸槽，从而减少了系统的阻力降，节约了设备投资成本。

（3）KBR工艺采用KLG公司开发的三段中间换热式卧式合成塔，提高了氨的合成效率，降低了合成的循环气量，从而降低了合成气压缩机循环段与冰机的功耗。