氨合成催化剂升温还原经验总结
鲁 凤1，王
凯2
（1.兰州石化职业技术学院， 甘肃 兰州730060； 2.航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃 兰州730010）
［摘 要］介绍氨合成催化剂升温还原的必要性、还原原理、还原质量的影响因素、还原特点，结合工程应用实例总结出氨合成催化剂升温还原过程中的一些经验做法、注意事项和紧急情况的处理方法。
［关键词］氨合成催化剂； 预还原催化剂； αFe； 升温还原； 经验总结
［中图分类号］TQ 113.26+6 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2016）
催化剂的升温还原是氨合成生产过程中的关键环节，传统氧化态催化剂升温还原过程存在耗时较长、原材料和物料消耗大、工艺条件严苛等不足。而先进的预还原催化剂技术，在现有氨合成催化剂基础上采用催化剂预还原新技术，制造新型预还原催化剂，催化剂的升温还原过程短，可以缩短开工时间，降低开车成本。氨合成催化剂的使用寿命主要受催化剂装填、升温还原、热老化和工艺指标控制等因素的影响，其中，升温还原是重中之重，要对升温还原各环节严格把关，才能充分发挥催化剂的活性，提高生产过程中的氨转化率，并延长催化剂的使用寿命。
1 氨合成催化剂
氨合成催化剂一般由预还原和氧化态催化剂组成，所有催化剂在还原前是没有活性的，必须用H2（或氢氮混合气）将Fe3O4或FeO还原为α-Fe［1］，才对氨合成反应有催化活性。氨合成催化剂的良好性能与氧化态催化剂的化学组成、还原条件及方法有关。因此，合成氨企业十分重视氨合成催化剂的升温还原工作。
1.1 预还原氨合成催化剂
氨合成催化剂的预还原是利用专门的装置，将氧化态氨合成催化剂还原为α-Fe（还原反应式为Fe3O4+4H2=3α-Fe+4H2O－Q），再经过表面钝化工艺处理，即制成预还原氨合成催化剂［2］。催化剂的钝化处理是使还原态催化剂表面形成一层薄薄的氧化钝化膜，其过程有质量分数为10%左右的α-Fe被氧化，钝化膜中氧与铁原子的结合是比较松散的，较易还原，其运输、装填过程安全可靠，送至用户现场装塔后，只需对这层氧化膜进行还原即可投入生产。
1.2 催化剂还原质量的影响因素
氨合成催化剂的还原通常是在合成气的氛围中进行的，其主要影响因素［3］如下。
（1）压力。提高压力可以加快反应速度，有利于还原过程氨的生成，弥补电炉功率不足，但氨合成速率加快也抑制了催化剂颗粒内部水汽的逸出，增加催化剂水汽中毒的机会。
（2）温度。提高还原温度可明显加快还原速度，但催化剂还原速度过快，容易使还原所产生的水汽浓度超标，导致活性铁反复氧化还原，促使铁晶粒长大，引起催化剂活性降低；同时，温度波动对催化剂活性影响也很大，会降低催化剂的活性和使用寿命。
（3）水汽浓度。水汽是催化反应的产物，也是催化剂的毒物，因而尽可能降低入塔气中的水汽浓度对提高催化剂活性是至关重要的。
（4）空速。还原空速增大，水汽浓度降低，水汽在催化剂床层停留时间缩短，有利于还原反应的进行，并使催化剂具有较好的活性。
（5）氢浓度。提高还原氢的浓度，可提高还原反应的推动力，在还原初期，应控制较高的氢浓度，以便得到较高的还原速率。
2 工程实例
某新建600 kt/a合成氨装置采用瑞士卡萨利公司的φ2 800 mm轴径向氨合成塔内件，第一床层装填预还原催化剂21 m3，第二、三床层共装填氧化态催化剂83 m3，催化剂粒径1.5～3 mm，操作压力14.6 MPa，设计压力16.2 MPa。催化剂装填完毕后，借助开工加热炉对氨合成塔催化剂进行7～10 d的升温还原。
2.1 工艺流程简介
来自合成气压缩机的合成气经过热气换热器预热后，分3股送入氨合成塔，另有1股进入开工加热炉用于开车前的催化剂升温还原活化。氨合成塔出口气经过热气换热器后送至水冷器，此时已有少量氨冷凝下来，之后再进入冷气换热器被来自高压氨分离器的冷循环气进一步冷凝，然后依次进入两级氨冷器、高压氨分离器，液氨在高压氨分离器中分离出来后进入中压氨分离器，然后在产品氨加热器回收冷量，热氨产品（21 ℃、25 MPa）再送出。
2.2
氨合成催化剂的升温还原
更多内容详见《中氮肥》2016年第3期