合成氨催化劑研究的新進(jìn)展

李瑞祥(哈爾濱石油學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150100)

合成氨催化劑研究的新進(jìn)展

李瑞祥(哈爾濱石油學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150100)

首先，本文對鐵基催化劑的研究進(jìn)行了討論，主要包括鐵一鉆型催化劑、稀土型催化劑以及亞鐵型催化劑，對其研究發(fā)展歷程進(jìn)行了較為詳盡的論述，并對其優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用范圍進(jìn)行了分析；接下來，又對釘基催化劑的研究進(jìn)行論述，指出我國在這方面的相對不足，并對釘基催化劑研究結(jié)果與鐵基催化劑的研究結(jié)果進(jìn)行了比較。

合成氨；催化劑；鐵基催化劑；釘基催化劑

合成氨催化劑作為一種重要的工業(yè)原料，有著十分廣泛的應(yīng)用范圍。一直以來，世界各國都在合成氨催化劑的研究開發(fā)方面進(jìn)行著積極的探索。截至目前，合成氨催化劑在高溫狀態(tài)下可達(dá)90%以上的催化率，比較接近平衡氨的濃度比例。為了提高催化劑的活性，只有不斷降低反應(yīng)溫度這一條途徑；同時(shí)，由于工業(yè)合成氨的單程轉(zhuǎn)化率只能達(dá)到15%～25%左右，而在氣體循環(huán)過程中會(huì)增加動(dòng)力消耗，此時(shí)也必須通過降溫來提高單程轉(zhuǎn)化率。從中可以看出，針對合成氨催化劑的總體研究方向就是低溫高活性的催化劑開發(fā)。

1 鐵基催化劑的研究

1.1 鐵一鉆型催化劑

(1)A201鐵—鉆型催化劑 A201型催化劑是一種低溫高活性的合成氨催化劑，由福州大學(xué)研發(fā)而成，采用金屬鐵作為催化劑的活性成分。與傳統(tǒng)催化劑相比，A201型催化劑具有明顯優(yōu)勢，包括易還原、耐高溫、抗毒害、機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良、低溫活性高等。處于相同生產(chǎn)環(huán)境下時(shí)，將A201型催化劑應(yīng)用于氨合成系統(tǒng)中，可大幅提高其生產(chǎn)能力，因此能夠作為節(jié)能降耗、增產(chǎn)節(jié)支的重要手段之一[1]。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，A201型催化劑在性能方面能夠達(dá)到英國ICI公司合成氨催化劑的同等水平，并在低溫活性方面略占優(yōu)勢，在低壓合成工藝中有良好的適用性。

(2)AC鐵—鉆型催化劑 AC鐵—鉆型催化劑由南華研究院研發(fā)而成，是一種節(jié)能效果優(yōu)良的合成氨催化劑，采用的活性成分為鉆元素，在易還原、低溫活性、操作壓力以及氨凈值等方面占有明顯優(yōu)勢。AC鐵—鉆型催化劑既可應(yīng)用于低壓合成氨工藝，也可應(yīng)用于等壓合成氨工藝，同時(shí)還可為用戶提供預(yù)還原產(chǎn)品。目前，AC鐵—鉆型催化劑已在多家中小型合成氨生產(chǎn)廠家中得到了推廣，從生產(chǎn)實(shí)踐中可知，AC鐵—鉆型催化劑的應(yīng)用使生產(chǎn)能力提高至5%～10%，大大縮短了還原時(shí)間，操作壓力降低幅度可達(dá)2.0～3.0MPa，平均每噸氨可節(jié)電20～40kW?h，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 稀土型催化劑

本世紀(jì)80年代初，研究人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵基合成氨催化劑中被加入稀土元素時(shí)，稀土元素氧化物添加劑會(huì)富集至催化劑表面，通過還原反應(yīng)后則與鐵元素形成Ce-Fe金屬化物，在此過程中會(huì)導(dǎo)致鐵離子向氮?dú)廨敵鲭娮樱瑥亩沟幕钚晕剿俣燃涌?，有效提高催化劑的活性。由于Ce自界面至基體的轉(zhuǎn)移速度低于K，這樣就會(huì)使Ce在界面上的停留時(shí)間比K更長，起到更好的活性促進(jìn)作用，維護(hù)甚至延長催化劑的使用壽命[2]。進(jìn)入到80年代中期，華南理工大學(xué)的林維明對合成氨催化劑中添入稀土元素，對催化劑活性的提高展開了研究，在經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后于90年代初終于成功開發(fā)出成本低而性能優(yōu)良的新型催化劑A203。發(fā)展至90年代后期，福州大學(xué)又以新型稀土元素為促進(jìn)劑，研發(fā)出了AF401型催化劑。

1.3 亞鐵型催化荊

一直以來，人們都認(rèn)為熔鐵型合成氨催化劑的活性變化與母體相有關(guān)且呈現(xiàn)火山形的曲線波動(dòng)，當(dāng)母體相達(dá)到Fe304時(shí)，活性將出現(xiàn)最高值。因此，對亞鐵型催化荊的研究往往局限于Fe3O4范圍內(nèi)。到了80年代中期，劉化章等在對合成氨鐵基催化劑活性與其母體相之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行系統(tǒng)化研究過程中，將實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定為反應(yīng)壓力1.51MPa，促進(jìn)劑采用Al2O3-K2O-CaO，發(fā)現(xiàn)催化劑的活性與母體相關(guān)系的變化呈現(xiàn)為雙峰形曲線，且母體相取為Fe1-xO時(shí)，活性及易還原性能取值達(dá)到最大。

2 釘基催化劑的研究

關(guān)于釘基催化劑的研究開始于20世紀(jì)30年代，至70年代開始出現(xiàn)明顯進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)以鉀為促進(jìn)劑，以活性炭為載體的催化劑有更高的活性。1990年，英國BP公司和美國Kellogg公司共同研發(fā)出了第一個(gè)釘基合成氨催化劑KAAP，并因成本低的優(yōu)勢而在研發(fā)成功后迅速投入了生產(chǎn)。總體來說，釘基催化劑具備催化活性強(qiáng)、反應(yīng)溫度低、操作壓力小、使用壽命長、毒性強(qiáng)、對原料要求較低等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)語

本文通過對合成氨催化劑研究的新進(jìn)展進(jìn)行探討，指出了合成氨在工業(yè)領(lǐng)域的重要作用，以及我國加強(qiáng)對合成氨催化劑研究的積極意義。本文分別對鐵基催化劑的研究和釘基催化劑的研究展開談?wù)摗Ｄ壳拔覈阼F基催化劑的研究已達(dá)到世界先進(jìn)水平，極大提高了催化劑的性能，但對于釘基合成氨催化劑的研究還未進(jìn)行深入開展，還有較大的提升空間。

[1]王鳳榮，張志翔，苑慧敏.合成氨脫碳用新型活化劑的研究開發(fā)[J].天然氣化工(C1化學(xué)與化工)，2010，11(04)：139-141.

[2]魏可鎂，王榕，陳振宙，葉炳火，鄭起，俞秀金.A201型氨合成催化劑的研究[J].小氮肥設(shè)計(jì)技術(shù)，2012,15(04)：193-195.

[3]張寶軍，王斯晗，曲家波，孫淑坤，韓雪梅.合成氨催化劑技術(shù)進(jìn)展及工業(yè)應(yīng)用[J].四川化工與腐蝕控制，2013,16(05)：166-167.