?综述?；合成氨产业的现状和发展建议；安宏伟李永华；（陕西渭河煤化工集团有限责任公司，陕西渭南，71；摘要；分析了世界和我国合成氨产业现状和发展趋势以及存在；行了比较分析；关键词；合成氨；产业现状；工艺分析；产能过剩；产业问题；；1.2中国合成氨生产现状及发展状况；我国能源结构的特点是：煤炭资源相对丰富，石油、天；我国合成氨工业稳步发展，产量逐年增加，国内自
合成氨产业的现状和发展建议
（陕西渭河煤化工集团有限责任公司，陕西渭南，714000）
分析了世界和我国合成氨产业现状和发展趋势以及存在的问题，介绍了世界上先进的合成氨技术和氨合成塔，并进
行了比较分析。近几年由于合成氨产业快速发展，导致合成氨产业出现产能过剩，产业结构不合理，对合成氨产业面临的问题进行了分析，提出了一些粗浅的发展建议。
产业现状；
工艺分析；
产能过剩；
产业问题；
中国合成氨生产现状及发展状况
我国能源结构的特点是：煤炭资源相对丰富，石油、天然气资源不足。这就决定了我国氮肥生产原料以煤为主。解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅6kt，而1982年达到10219kt，成为世界上产量最高的国家之一。中国合成氨工业经过40多年的发展，产量已跃居世界第1位，已掌握了以焦炭、无烟煤、褐煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃等气固液多种原料生产合成氨的技术，形成中国大陆特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的合成氨生产格局。
我国合成氨工业稳步发展，产量逐年增加，国内自给率迅速提高。据国家统计局统计，2009年，我国共有合成氨生产企业496家，合成氨产量51355kt。2009年进口液氨281kt，出口量很少，表观消费量51636kt，国内自给率99.5%。总体上，我国合成氨工业能够满足氮肥工业生产需求，基本满足了农业生产需要。 年，合成氨产量由33640kt增至49950kt，年均增长5.1%， 2010年我国合成氨生产能力达到65600kt，全国合成氨产量为52209kt，占全球总产量的33%，已成为世界上最大的合成氨生产国。2010年合成氨规模大于300kt的大型企业有74家，占总产能的49.4%；大于80kt大中型企业223家，占总产能82.4%，初步形成以大中型企业为主的格局 。 1.2.1
我国合成氨生产地域分布
合成氨在煤化工中占有相当重要的地位。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”。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、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”。
合成氨产业现状
世界合成氨生产现状及发展状况
2010年世界合成氨生产能力为192.5Mt，全球合成氨装置平均开工率约为82%，产量157Mt。其中天然气为原料占全球合成氨产能的66%，煤炭和油焦占30%。预计2015年天然气原料增长至68%，煤为原料至29%，其它原料约为3%。
据统计，年期间全球将有67套新建大型合成氨装置投产，如果这些项目按计划实施，2015年全球合成氨产能将达到229.6 Mt，增幅达19%。产能增长幅度较大的地区主要集中在原料资源丰富的地区，东亚、非洲、西亚、拉丁美洲、以及南亚等。
每年全球合成氨贸易量占总产量的的12%以上，2010年总贸易量约为19500kt，同比增加了11%。其中海运贸易占总贸易量的87%。
目前我国氮肥生产企业主要分布在粮棉主产区和原料资源地。以天然气为原料的企业靠近原料产地，其中四川产能最大，其次是新疆、内蒙古和海南；以煤为原料的企业主要集中在无烟煤产地山西和农业主产区，其中山东产能最大，其次是山西和河南。山东、河南、山西、湖北、四川、河北、江苏、安徽等地区的合成氨产量占全国总产量的1.2.2
合成氨生产原料
目前合成氨的原料主要是天然气、煤和油。2010年，天然气原料占全球合成氨产能的66%，预计2015年天然气原料增长至68%，主要是拉美、西亚和南亚等新项目；煤为原料接近29%，主要是中国、越南、澳大利亚和印度，其它原料占3%。
但根据我国能源结构的特点：煤炭资源丰富，石油、天然气资源不足，决定了我国氮肥生产原料以煤为主。2010年我国以煤、天然气、油和焦炉气为原料的合成氨产量比例分别为76.2%、21.9%、1.3%和0.3%。预计2015年天然气原料比例产量为18%、煤原料80%、其它原料比例为2%。 1.2.3
先进性和清洁性分析 （1）能耗分析
2010年全国成合氨单位产平均能耗41.08GJ/t.NH3。天然气蒸汽转化制氨工艺耗能最低30GJ/t.NH3，煤气化制合成氨工艺综合能耗逐年有所降低，最低在47.5GJ/t.NH3。以天然气为原料的合成氨能耗低，能效高，污染物排放少，而煤炭合成氨则相对能耗高、工艺复杂、污染物排放多，占有一定劣势。但我国煤多气少，天然气价格高，生产成本高，我国国情决定煤制合成氨是发展趋势。表1为年平均合成氨综合能耗对比。
年平均合成氨能耗
平均，GJ/t.NH3 （年）
气头传统流程9套 气头节能流程7套 渣油改气3套装置 渣油型厂3套装置 煤头6套装置
35.82/36.47 32.25/32.13 40.61/41.69 44.47/46.40 55.06/54.73
最低值，GJ/t.NH3 （年） 32.11/32.03 30.05/29.82 39.79/40.40 43.06/46.19 47.57/47.50
（2）污染物排放、水消耗分析
根据现有煤制合成氨企业的参考，建设年产300kt规模的合成氨，水资源年需求量约6500kt、CO2排放量1200kt.
合成氨行业属“两高一资”产业，尤其是耗水量较大，其发展必然受到水资源（我国人均水资源量2151m，仅为世界平均水平的1/4，为缺水国家）、生态环境保护和产业政策等内外部条件制约。
日国务院常务会议决定：到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划，并制定相应的国内统计、监测、考核办法，意味着将增大合成氨发展代价。
合成氨工艺、设备基本分析 2.1
合成氨主要工艺、设备
目前世界上合成氨主要流程有：托普索、凯洛格、布朗、卡萨里等。各流程的主要区别在于热量的回收方式不同及合成塔的内件形式有所区别。
合成塔是合成氨生产的关键设备之一，性能优越的氨合成塔对提高氨的产率、降低系统能耗等方面发挥了关键的作用。合成塔大致分为连续换热式、多段间接换热式和多段冷激式3种塔型。不论何种塔型，在工艺上对氨合成塔的要求是共同的，主要是：气体在催化剂床层内分布均匀，塔的压降小；催化剂床层温度分布合理，充分利用催化剂的活性；高压容器空间利用率高；生产稳定，调节灵活，具有较大的操作弹性；结构简单可靠，各部件连接与保温合理，内件在塔内有自由伸缩的余地以减少热应力等优点。一个性能良好的氨合成塔，对于氨合成的生产有重大意义。 2.1.1
国外合成氨技术现状 （1）托普索合成塔
托普索是世界上最早开发和生产合成氨催化剂的厂家。托普索合成氨催化剂具有活性高，热稳定性高，寿命长等特点，有相当高的出口氨净值。托普索公司在合成塔开发上也进展很快，托普索典型合成塔有S-200、S-250、S-300，其中托普索S-300型合成塔为托普索公司开发的经典高效节能合成
塔。S-300型托普索合成塔包含了压力外壳和1个触媒筐。触媒筐包含了3个催化剂床层和两个床间换热器，床间换热器分别位于第一和第2催化剂床的中心。新型托普索合成塔突出特点是：
托普索S-300型合成塔为3床层径向流合成塔。它包含了压力外壳和一个触媒筐。触媒筐包含了3个催化剂床层和两个分别位于第1和第2催化剂床层中心的床间换热器。气流径向通过催化剂床层，所采用的催化剂能有更小的催化剂颗粒，增加比表面积，提供更大的反应场所；同时催化剂尺寸分布更窄，从而保证通过催化剂的气流分布更加均匀，反应效率更高；气体进入催化剂床层均为径向流，可以有效地降低合成塔压降，压降不高于0.25MPa托普索S-300型合成塔内件为新型的孔板格栅式内件。气体进入内件环隙后通过孔板上的小孔进行第1次气体分布，进入格栅板内腔，通过格栅板进行第2次的气体分布，从而保证气体均匀进入催化剂床层，保证均匀的合成反应。格栅式内件区别于上一代的丝网式内件，机械强度高，与催化剂接触表面光滑，催化剂在反应过程中的热胀冷缩位移不会对格栅造成损害，内件寿命高达25年。对于传统丝网式内件，催化剂颗粒容易卡入丝网，丝网的机械强度相对低，反应过程中催化剂的移动，容易破坏丝网，造成催化剂漏出的情况；托普索S-300型合成塔通过3股气体进入合成塔进行换热和反应，利用内部床间换热器的间接换热调节进入各催化剂床层的温度。实际操作过程中，开车前可通过手动阀门调节底部入口的气体流量，之后只需控制入口气体温度就能完成对各催化剂床层温度的控制，简单易操作，温度控制准确，事故率低；托普索S-300型合成塔采用3床层反应设计，各床层反应温度均在最大反应速率的80%区间范围内，有效提高整个合成反应速率，催化剂利用率高，获得更高的氨净值，同样的产能下能减少催化剂的用量，减少回路气体的循环比，降低整体设备的投资。 （2）卡萨利合成塔
卡萨利合成塔的优势：一是卡萨利公司的技术方案均在催化剂床中采用了专利所有的 &轴径向&分布器技术：采用一个简单的内件结构设置，使催化剂得到了最大限度的应用。轴径向设计的好处在
于，可以避免因催化剂的收缩或下沉而导致催化剂床层顶部的死角，同时设备因没有顶部的封头而结构简单。二是卡萨利公司提出的催化剂分 3 床层装填的理论，并且设计了1台3床催化剂合成塔，运行效果良好，即“3床一冷激一换热器”及“3床两中间换热器”，其中前者主要用于改造，后者用于造新厂。在全世界得到广泛应用，全世界已有大约40个合成塔成功地采用了这种技术。并且问世以来，机械结构得到不断改进，成为地道的高科技产品。这种设计更为先进高效，可以用尺寸尽可能小的合成塔得到最好的性能。 （3）KBR氨合成塔
KBR的合成反应器是1个卧式反应器，配有3个平衡床层和级间冷却。第3级有分为两个串联子床层，因此反应器总计有4级。每个床层装载1.5～3.0mm的改良型铁催化剂。
KBR卧式合成氨反应器适用于传统磁铁矿氨合成工艺。应用催化剂床层中间冷却器可最大化转换率，并回收热量。催化剂筐能够方便地从反应器壳体内移出，以装填和卸载催化剂。催化剂筐可沿导轨从卧式反应器内拉出，因此无需使用沉重且昂贵的起重机。 （4）Uhde氨合成塔
英国帝国化学工业公司开发的ICI AMV氨合成工艺，是一种低温低压的氨合成工艺（1.08MPa），能耗低。氨合成系统的核心采用了Uhde公司设计的三层全径向流间接换热式氨合成塔，氨合成催化剂选用ICI 74-1铁基催化剂。该反应器的特点是催化剂床层阻力低、使用压力低、使用温度低、操作弹性大。 （5） Braun氨合成塔
Braun氨合成塔是由3个独立的绝热反应器组合而成，其间有预热器和废热锅炉相连接。这种反应器具有结构简单，不设置敞口大法兰盖，仅设检修人口，密封面小，制造和检修容易，为了使外筒尽可能处于较低的温度，入口气有下套管进入，并沿内外筒之间的环隙上升，然后进入催化剂床层。Braun氨合成塔的气体流向一般采取轴向流，催化剂床层阻力较高。为了降低催化剂床层的阻力，近年来Braun公司开发了径向合成塔。
国内合成氨技术现状和发展
近年来国内在合成氨合技术开发上也取得了长足的进展。目前国内应用比较普遍的国内合成塔有南京国昌化工科技有限公司的GC型氨合成塔、湖南安淳高新技术有限公司的ⅢJ型氨合成塔。 （1）GC合成塔
GC型氨合成塔是南京国昌化工科技有限公司在原NC型氨合成塔内件的基础上，开发的1种冷激―层间换热式轴径向流合成塔，广泛应用于高、中、低压氨合成系统。GC型氨合成塔主要有两轴一径、两轴两径、1轴3径、全径向等结构，催化剂层间移热方式采用冷激、冷激与间接换热相结合或全间接换热的结构，催化剂层间不设冷管束，避免冷壁效应的发生。氨合成塔采用轴径向流技术，塔阻力低；采用独特的“不均匀开孔的多孔板及鱼鳞板2次分布”气体分布技术，使气体分布均匀，保证了整个催化剂床层的催化剂利用率高。GC型氨合成塔氨净值高、生产能力大、操作稳定、使用寿命长、反应热回收率高等优点，同时催化剂可实现自卸，减少检修时间，提高经济效益。目前GC型氨合成塔在国内装置内已投入使用，效果良好。
GC-R023采用了国昌公司的一系列专利和专有技术作为技术基础，如鱼鳞板式径向流动固定床反应器、换热器拆卸方便的多相催化反应器、卧式3重套管高温余热回收装置及径向分布器计算数学模型等。GC-R023具有以下特点：采用分气流侧和集气流侧两向小孔同时补偿的技术：本装置选用的氨合成塔内件结构为3径层间换热结构形式，气体分布器采用了分气流道和集气流道双向补偿不等压差的方式进行的，即在分气筒上和集气筒上都采用上下不等小孔和2次分布的设计，使两侧都对不均分布进行有效控制，从而使设计的“不均匀度”≤5%；采用径向流的催化床结构，有效降低氨合成塔内件阻力，降低循环气功耗；由于采用径向流结构，催化剂绝大部分为小颗粒高活性催化剂；并且采用中心换热器间接换热使得上层催化剂生成的氨不被冲淡，以确保较高的氨净值；不设下部换热器，反应后的高温热气（～450℃）直接出塔，提高了副产蒸汽品位；换热器全部设置在氨合成塔内件中心，提高换热器传热效率，降低换热器的体积，
充分利用氨合成塔的高压空间，实现同样高压容积催化剂装填的最大化；利用南化研究院从丹麦Topsoe公司引进的GIPS系统Reactor反应器计算程序完成合成塔工艺设计计算，催化床高度分配合理，能满足不同工况下对操作弹性的苛刻要求；氨合成内件结构合理，各种应力考虑全面、计算准确，主要构件换热器为可拆卸结构，便于检修维护。 （2）Ⅲ J氨合成塔
Ⅲ J氨合成塔是湖南安淳高新技术有限公司开发的反应器，主要采用轴向层和径向层混合配合，一般采用层间冷激或层间冷激与换热相结合的结构，并在部分催化剂段间装入冷管束，利用冷管束进行换热技术。湖南安淳的Ⅲ J型氨合成塔采用轴向和径向相结合的结构，在原料气净化程度较差的情况下，利用轴向层获得较高的氨合成率，同时也保护了下部催化剂不容易中毒，下部径向层流阻力小，降低了系统的能耗。但是，Ⅲ J型氨合成塔使用了冷管束技术，存在“冷壁效应”等缺点。 2.2
国内合成氨技术市场比较
目前，国内氨合成装置大都采用国外的工艺技术，其中托普索和卡萨利工艺在我国煤制合成氨中应用比较多。据统计托普索在国内运行和在建的合成氨装置有16套，单套规模为300kt/a。改造合成氨装置6套；卡萨利在国内运行、改造和在建的合成氨共35套，单套生产能力为300～600kt/a。
托普索、卡萨利公司在我国的业绩都比较显著（煤制合成氨），但近几年由于托普索设备必须在国外制造，必须采用托普索的催化剂，投资成本比较高，而卡萨利凭借其自身灵活的经营方式，在中国的市场份额占有明显的优势；还有随着国内合成氨技术的开发速度加快，国内合成氨技术在我国合成氨工业的应用也在逐年增多。
合成氨生产主要技术的比较
目前世界上合成氨主要流程有：托普索、凯洛格、布朗、卡萨里等流程。各流程的主要区别是在于热量的回收方式不同及合成塔的内件形式有所区别。
Tops?e合成氨合成工艺分析 3.1.1
（1）合格的新鲜合成气到合格的合成氨产品 （2）装置规模：300kt/a生产能力、年操作时：7200h
（3）新鲜合成气组成：H2占74.98%、N2占25.02%、Ar占10×10。
（4）总流量：109.924km/h （5）氢氮比：3:1 3.1.2 流程描述
从气体净化部分来的新鲜合成气通过离心式两段合成气/再循环压缩机，被压缩至合成压力。后一段也作为循环压缩机压缩合成气和循环气混合气。
离开合成气压缩机的工艺气经过热交换器与来自锅炉给水预热器的气体进行热交换，被加热到反应器入口温度202℃。工艺气（氨浓度2.95%）进入氨合成塔，在合成塔中进行合成氨反应。
离开反应器气体中相当大一部分热量在蒸汽过热器、废热锅炉、锅炉给水预热器中被回收成中压蒸汽。在经过锅炉给水预热器后，气体首先在热交换器中冷却，之后在水冷器中冷却，大部分氨被冷凝下来。气体之后经过冷交换器，气体与来自氨分离器的再循环气进行热交换从而达到冷却。最后，气体在两台氨冷却器中冷却，通过氨分离器后，液态氨被分离。
氨分离器分离出的液氨减压后送入高压减压罐，溶解在液氨里的氢氮气及惰性气体被释放，循环送入压缩机，出高压减压罐的液氨送入氨冷冻工段，送至下游尿素装置。
锅炉给水通过中压蒸汽发生器和中压蒸汽过热器，产出过热蒸汽。 3.1.3
（1）合成氨合成主要设备
合成氨合成塔：Φ=2400mm，H=18240mm，共 1 台 催化剂体积：47m，采用KM1高效催化剂，共136000kg。
催化剂床：第1床内外直径 mm、高度2780mm、体积7.2 m；第2床内外直径 mm、高度5400mm、体积14 m；第3床内外直径 mm、高度7870mm、体积25.8 m。
（2）合成气压缩主要设备
合成气压缩机：汽轮机驱动的离心式压缩机，分高、低压缸。
汽轮机：凝汽式汽轮机，进汽压力，4.25MPag；进汽温度，395℃；排汽压力，0..4MPa；排汽温度：50℃。
卡萨利氨合成技术工艺分析 3.2.1
边界与初始条件
（1）合格的新鲜合成气到合格的氨产品 （2）装置规模：500kt/a
生产能力：63t/h 年操作时：8000h
（3）新鲜合成气组成：H2占74.99%、N2占25.01 %、Ar小于40×10。
（4）总流量：166.9kNm/h （5）氢氮比：3 3.2.2
从合成气压缩机出来的工艺气（15.98MP、78℃、569523 m/h）进入热气―气换热器，与来自锅炉给水预热器的出塔气进行换热，温度升为192℃，分四路进入氨合成塔：
第1路为入塔主线，该气体从塔底进入，经外壳与内件的环隙上升到塔顶进入中心管，再依次进入第2及第1床层换热器换热后，进入第一催化剂床层进行氨合成反应。出第1催化剂床层气体温度为511℃，然后进入第1床层中心管换热器的壳层与入塔主线和2层调温副线的混合气换热降温至402℃，再进入第2床层继续进行反应。出第2催化剂床层气体温度为466℃，然后入第2床层中心管换热器的壳层与入塔主线气换热降温至400℃。再进入第3催化剂床层进行反应，出第3催化剂床层气体温度为448℃，经合成塔底部去废热锅炉。第1路入塔主线气也能起到调节3床层进口温度的作用。
第2路为第1床层入口气温度调节副线，该路气体在第1催化剂床层入口处与第1路主线出口气汇合，用于调节第1催化剂床层入口合成气温度。
第3路为第2床层入口气体温度调节副线，该路气体经中心管外环隙进入第1床层换热器，与第2床层换热器来的主线气混合，共同与第1催化剂床层出口气体换热，以调节第2催化剂床层入口气体温度。
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| 题文在某合成氨厂的合成氨反应中，测得合成塔入口处气体N2、H2、NH3的体积比为6:18:1，出口处N2、H2、NH3的体积比为9:27:8，则N2的转化率为(&& )A．75%B．50%C．25%D．20%&&&微信扫描左侧二维码，可以将本题分享到朋友圈，或者发送给同学或老师寻求帮助。纠错难度评价：做题心得：官方解析我要解析巩固&&&&&&&&&合成氨厂危险有害因素辨识
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　　1火灾、爆炸危险
　　1.1合成氨生产采用的主要原料为煤，属可燃固体，这些物质在常温下不易引起燃烧，但如遇高温可能引起燃烧，在煤堆场，大量的煤堆积在一起，热量如无法及时散出，煤可能产生自燃，而引发火灾。
　　1.2 合成氨生产系统中存在大量的塔、槽、罐等静设备，由于其大部分承受高温高压，且压力和温度是经常变化的，同时参与工艺过程的介质绝大多数是易燃易爆、有腐蚀性和有毒的，因此如有操作失误、违章动火，或因密封装置失效、设备管道腐蚀，或因受设备、管道、阀门制造缺陷的影响等，将会引起泄漏，形成爆炸性混合物，造成爆炸事故。
　　1.3　合成合生产系统中存在大量的换热器，有的换热工作条件要求在高温高压条件下进行，有的工作流体具有易燃易爆、有毒、腐蚀性的特点。如果换热器的设计不合理、制造缺陷、材料选择不当、腐蚀严重、违章作业、操作失误和维护管理不善，可能发生换热器发生燃烧爆炸、严重泄漏和管束失控等事故。
　　1.4　造气炉是合成氨生产系统的生成合成氨原料气的关键设备，由于半水煤气的主要成分有氢气、氮气、一氧化碳和少量的硫化氢、甲烷等，这些气体不仅极易燃烧、爆炸，有的还具有腐蚀性、毒性，而且造气炉在高温条件下运行，其操作条件恶劣、造气周期短，如果稍有不慎或违反操作规程等都有可能导致造气炉发生炉爆炸事故。
　　经分析，发生造气炉爆炸的主要原因如下：
　　（1）过氧操作致使造气炉爆炸。在半水煤气生产过程中，为防止后工序变换工段触煤活性降低或被烧坏和引起造气系统发生爆炸，氧会计师要求控制在0.5%以下。如果半水煤气中氧含量增加，达到爆炸极限时，遇明炎和其他激发能源，就会引起爆炸事故，当氧含量在半水煤气的爆炸上限以外时，即使少量氧气进入系统，就会发生爆炸的危险。
　　（2）空气、煤气倒流形成爆炸性混合物。主要表现在：
　　a、检修时，未采取盲板与系统切断措施，又未关闭下行阀，到气柜的煤气总管和气柜水封积水造成憋压，致使煤气冲破洗气塔水封，或盲板强度不够而被冲破，倒流到炉内引起爆炸。
　　b、水封放水后或洗气箱上水阀损坏，致使水封破坏，空气流入炉内，或洗气箱水封漏气，煤气倒流入炉内。
　　c、用煤烘炉时产生煤气、或炉内残存煤气、不慎空气进入炉内而爆炸。
　　d、检修自动调节阀时，未开副线，蒸汽中断，致使煤气倒流。
　　e、洗气塔溢流管被民物堵塞。
　　f、炉盖不严，防爆板破裂。
　　g、因设备与管道腐蚀穿孔，致使煤气倒流。
　　h、检修时未关煤气阀门或关不严，在大量煤气存在下动火面爆炸。
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