合成氨的历史和中国的现状-推荐下载

1．合成氨的历史背景——氨气的发现

1727年英国的牧师、化学家S．哈尔斯(HaLes，1677～1 761)，用氯化铵与石灰的混

合物在以水封闭的曲颈瓶中加热，只见水被吸入瓶中而不见气体放出。1 774年化学家普利

2．合成氨的发现

1 9世纪以前，农业生产所需氮肥的来源，主要是有机物的副产物和动植物的废物，如粪便、种子饼、腐鱼、屠宰废料、腐烂动植物等。随着农业的发展和军工生产的需要，迫切要求建立规模巨大的探索性的研究。他们设想，能不能把空气中大量的氮气固定下来，而开始设计以氮和氢为原料的合成氨流程。

1 900年法国化学家勒夏特利(Henri Le ChateLier，1 850~1 936)是最先研究氢气和氮气在高压下直接合成氨的反应。很可惜，由于他所用的氢气和氮气的混合物中混进了空气，在实验过程中发生了爆炸。在没有查明发生事故的原因的情况下，就放弃了这项实验。德国化学家W·能斯特(Nernst，1864～1 941)，对于研究具有重大工艺价值的气体反应有兴趣，研究了氮、氢、氨的气体反应体系，但是由于他在计算时，用了一个错误的热力学数据，以致得出不正确的理论，因而认为研究这一反应没有前途，把研究停止了。

虽然在合成氨的研究中化学家遇到的困难不少，但是，德国的物理学家、化工专家F．哈伯(Haber，1868,---1934)和他的学生仍然坚持系统的研究。起初他们想在常温下使氮和氢反应，但没有氨气产生。又在氮、氢混合气中通以电火花，只生成了极少量的氨气，而且耗电量很大。后来才把注意力集中在高压这个问题上，他们认为高压是最有可能实现合成反应的。根据理论计算，表明让氢气和氮气在600℃和20MPa下进行反应，大约可能生成6％的氨气。如果在高压下将反应进行循环加工，同时还要不断地分离出生成的氨气，势必需要很有效的催化剂。为了探索有效的催化剂，他们进行了大量的实验，发现锇和铀具有良好的催化性能。如果在17．5～20MPa和500~600℃的条件下使用催化剂，氮、氢反应能产生高于6％的氨。

哈伯把他们取得的成果介绍给他的同行和巴登苯胺纯碱公司，并在他的实验室做了示范表演。尽管事先对反应设备做了细致的准备工作，可是实验开始不久，有一个密封处就经

斯德里重做此实验，采用汞代替水来密闭曲颈瓶，制得了碱空气(氨)。他还研究了氨的性

质，发现氨易溶于水、可以燃烧，还发现在该气体中通以电火花时，其容积增加很多，而且

分解为两种气体：一种是可燃的氢气；另一种是不能助燃的氮气。从而证实了氨是氮和氢的

化合物。其后H·戴维(Davy，1 778\"--1829)等化学家继续研究，进一步证实了2体积的氨通过火花放电之后，分解为1体积的氮气和3体积的氢气。

尽管连续出现了一些爆炸事故，但巴登公司的经理布隆克和专家们还是一致认为这种合成氨方法具有很高的经济价值。于是该公司不惜耗费巨资，还投入强大的技术力量、并委任

德国化学工程专家C．波施(Bosch，1874----1940)将哈伯研究的成果设计付诸生产。波施整整花了5年的时间主要做了三项工作：第一，从大量的金属和它们的化合物中筛选出合成

氨反应的最适合的催化剂，在这项研究中波施和他的同事做了两万多次实验，才肯定由铁和

碱金属的化合物组成的体系是合成氨生产最有效、最实用的催化剂，用以代替哈伯所用的锇

和铀；第二，建造了能够进行高温和高压的合成氨装置，最初，他采用外部加热的合成塔，

1910年巴登苯胺纯碱公司建立了世界上第一座合成氨试验工厂，1 913年建立了大型工业规模的合成氨工厂。这个工厂在第一次世界大战期间开始为德国提供当时极其缺少的氮化

合物，以生产**和肥料。以后在全世界范围内合成氨的工厂像雨后春笋般地建立起来。三、中国合成氨工业生产发展概况

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

但是反应连续几小时后，钢中的碳与氢发生反应而变脆，合成塔很快地报废了，后来，将合

成塔衬以低碳钢，使合成塔能够耐氢气的腐蚀；第三，解决了原料气氮和氢的提纯以及从未

转化完全的气体中分离出氨等技术问题。经波施等化工专家的努力，终于设计成了能长期使

用和操作的合成氨装置。

受

不住内部的压力，于是混合气体立即冲了出来，发出惊人的呼啸声。他们立即把损坏的地方

修好，又进行了几小时的反应后，公司的经理和化工专家们亲眼看见清澈透明的液氨从分离

器的旋塞里一滴滴地流出来。但是，实验开始时发生的现象确实是一个严重的警告，说明在

设计这套装置时，必须采取各种措施，以避免不幸事故发生。哈伯的那套装置，在示范表演

后的第二天发生了爆炸。随后，刚刚安装好的盛有催化剂锇的圆柱装置也爆炸了。这时金属

锇粉遇到空气又燃烧起来，结果，把积存备用的价值极贵的金属锇几乎全部变成了没有大用

处的氧化锇。

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。

1．生产能力现状

根据《合成氨能量优化节能工程实施方案》规划，这一重点节能工程的目标是：大型合成氨装置采用先进节能工艺、新型催化剂和高效节能设备，提高转化效率，加强余热回收利

用；以天然气为原料的合成氨推广一段炉烟气余热回收技术，并改造蒸汽系统；以石油为原

料的合成氨加快以洁净煤或天然气替代原料油改造；中小型合成氨采用节能设备和变压吸附

回收技术，降低能源消耗。煤造气采用水煤浆或先进粉煤气化技术替代传统的固定床造气技

术。到2010年，合成氨行业节能目标是：单位能耗由目前的1 700kg标煤／t下降到1 570kg

标煤／t；能源利用效率由目前的42．0％提高到45．5％；实现节能(570---585)×104t标煤，减少排放二氧化碳(1377---1413)×104t。

十多年来，合成氨装置先后经过油改煤、煤改油、油改气和无烟煤改粉煤等多次反复的原料路线改造和节能改造。但由于装置原料路线、资源供应、运输、资金与技术成熟度等诸

多方面原因，合成氨节能技术改造的效果始终未能达到预期目标。到2004年底，合成氨单

中国合成氨年实际生产能力2005年已达4596×104t，但合成氨一直是化工产业的耗能

大户。2005年6月7~8日，全国合成氨节能改造项目技术交流会在北京召开，明确了“十一五”期间合成氨节能工程在降耗、环保等方面要达到的具体目标。

中国合成氨生产设备是大、中、小规模并存，总设计生产能力为4222×104t。目前，全国有合成氨生产企业570多家，其中2004年产量达30×104t以上的有30家，超过50×104 t的已有4家。大型合成氨设备有30套，设计能力为9．28×10。t／a，实际生产能力为1．0×107 t／a；约占中国合成氨总生产能力的22％。中型合成氨设备有55套，生产能力为4．64×106 t／a；约占中国合成氨总生产能力的11%，小型合成氨设备有700多套，生产能力为28×106 t／a，约占中国合成氨总生产能力的66%。

位能耗平均为1700kg标煤／t，吨氨平均能耗水平与国际先进水平相差600--~700kg标煤。2．市场供需情况分析及预测

中国作为农业大国，也是化肥生产大国，合成氨生产大国。最近十多年来中国合成氨生产能力大幅增长，2002年中国合成氨总生产能力约4500×10。t／a，实际产量

3654×10。t／a，能力和产量已居世界第一位。国内氮肥消费量经过了近20年的高速增长，目前已进入平稳发展阶段，根据国家“十五”化肥发展规划，预计2000～2010年中国化肥需求增长率约为1．5 %，化肥用氨稍有增长，而工业用氨变化不大。目前中国合成氨生产基

本上已满足氮肥工业的需要，今后氮肥工业的发展重点是调整产品结构，对合成氨的需求将缓慢成长。