吴景春
(福建三聚福大化肥催化剂国家工程研究中心有限公司,福建 福州350002)
[摘 要]预还原氨合成催化剂为制造厂预先将催化剂还原好并进行表面钝化处理等,合成氨厂使用时只需将其表面的钝化部分经简单再还原即可;而传统合成氨生产中使用的氧化态氨合成催化剂并无预先还原的过程,需在氨合成塔内进行整个还原过程。为探究氧化态氨合成催化剂与预还原氨合成催化剂的优劣,从两者的装填、还原过程、活性以及经济性等方面进行对比分析,认为氧化态氨合成催化剂装填较为容易,其还原更需严格控制好各项工艺参数,还原后与预还原氨合成催化剂的活性相差不大;而预还原氨合成催化剂装填需小心谨慎和做好保护等,可明显缩短系统开车时间,节约开车成本,具有明显的经济效益。小型合成氨装置建议使用氧化态氨合成催化剂,大中型合成氨装置推荐全部或部分使用预还原氨合成催化剂。
[关键词]预还原氨合成催化剂;氧化态氨合成催化剂;对比分析;催化剂装填;催化剂还原;催化剂活性;经济性
[中图分类号]TQ113.26+6.5 [文献标志码]B [文章编号]1004-9932(2023)01-0034-04
0 引 言
传统合成氨生产中,合成氨厂购进的氨合成催化剂大都是氧化态的,由用户自行还原。随着预还原氨合成催化剂在1 000 t/d以上大型氨合成装置的大量使用,越来越多的合成氨厂倾向于在氨合成塔中使用预还原氨合成催化剂。那么,氧化态氨合成催化剂与预还原氨合成催化剂到底有哪些优劣呢?以下从氧化态氨合成催化剂与预还原氨合成催化剂的装填、还原过程、活性以及经济性等方面进行分析与探讨,供业内参考。
1 氨合成催化剂简介
目前国内常用的氨合成催化剂,主要型号有A110、A201、A202、A203、A207、A301、ZA-5、FA401、Amomax-10等,其主要化学成分是四氧化三铁(Fe3O4),据催化剂型号的不同添加了少量的氧化铝(Al2O3)、氧化钾(K2O)、氧化钙(CaO)、氧化钴(Co3O4)等助催化剂。工业用氨合成催化剂在还原前没有活性,其活化处理就是利用氢气或(氢气+氮气)将其主体组分铁的氧化物还原成具有催化活性的金属铁[还原过程主要化学反应为Fe3O4+4H2(g)====3Fe+4H2O(g),ΔH0298=149.9 kJ/mol]。
所谓预还原氨合成催化剂,就是催化剂制造厂按较理想的条件、在专门的装置中预先将催化剂还原好,然后进行表面钝化处理、密封包装,送达用户后,只需将其表面的钝化部分简单再还原即可投入使用。而氧化态氨合成催化剂并无预先还原的过程,需在合成氨厂的氨合成塔内进行整个还原过程,还原后即投入生产。
2 氧化态与还原态氨合成催化剂的对比分析
2.1 催化剂装填
(1)氧化态氨合成催化剂装填较为容易,只要装填密实、均匀即可。对于多层复合式氨合成塔内件,催化剂自下而上分层装填,逐层装填紧实,逐层耙平,亦可使用振捣器具来辅助装填。
(2)预还原氨合成催化剂的装填则需小心、谨慎,因为预还原氨合成催化剂只是表面钝化,催化剂外面一层的稳定膜很薄(厚度一般小于30 μm),其强度相较于氧化态氨合成催化剂要低一些,装填过程中催化剂颗粒从高处落下会发生摩擦碰撞,会造成表面破坏而氧化发热,大型氨厂装填催化剂使用机械振荡器时尤其要注意,不可振荡过猛,否则催化剂颗粒外表面稳定膜就会破损。装填预还原氨合成催化剂时,在氨合成塔内的作业人员,需有充分的安全保护措施,例如,要戴氧气面具供氧,这是因为少量已还原好的αFe晶粒磨损外露会与空气中的氧反应生成新的氧化膜,使得塔内的含氧量越来越少,不戴供氧面具,会有窒息的危险。另外,铁的氧化是放热反应,会使氨合成催化剂床层温度上升,温度上升又会加快铁的氧化,形成恶性循环,严重时可使催化剂燃烧报废。因此,装填预还原氨合成催化剂时应采取如下措施:① 使用漏斗和软导管使催化剂沿塔内件四周自上而下均匀地布洒,不要从高处直接摔落,装填时塔内高度落差应小于1.5 m;② 装填人员进入塔内检查或耙平时要穿软底鞋或脚底垫一块木板;③ 需装填均匀,不留死角,能不用振荡器尽量不用;④ 氨合成塔底部所有与外部空间相通的管口都要密封好,不能形成空气对流;⑤ 要提前备好氮气(对于小型合成氨企业而言,由于没有空分设备,需提前购买好氮气,做好应急预案),密切监测催化剂床层温度,床层温度有迅速上升趋势时,作业人员应立即撤离,迅速将氮气导入氨合成塔内,待床层温度降至正常后再继续装填。
2.2 催化剂还原
氨合成催化剂的还原是一个复杂的过程,温度、压力、空速、氢含量、气质条件、水汽浓度等工艺条件均会对还原效果产生影响。
2.2.1 氧化态氨合成催化剂的还原
更多内容详见《中氮肥》2023年第1期