合成氨發(fā)展史及未來(lái)的發(fā)展方向.doc

. 合 成 氨發(fā)展史及未來(lái)的發(fā)展方向合成氨發(fā)展史及未來(lái)的發(fā)展方向各位同事工友們，下午好：我今天演講的題目是“合成氨發(fā)展史及未來(lái)的發(fā)展方向”，是一種科普性質(zhì)的講義，作為一個(gè)搞氨合成的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，知道合成氨的發(fā)展歷史和未來(lái)的發(fā)展方向，對(duì)把握我們公司的發(fā)展和了解我們的現(xiàn)狀，很有必要和意義。一、為什么叫合成氨我們把氨叫做合成氨，為什么在氨的前面加了“合成”兩個(gè)字，我們知道氨的分子式是NH3，由于氨的不活潑性，使得人們直到19世紀(jì)晚期仍然普遍認(rèn)為將氮與氨直接合成氨是不可能的，20世紀(jì)初，雖然有人借助催化劑的作用合成了氨，但仍然認(rèn)為無(wú)法工業(yè)化，因?yàn)榇_實(shí)遇到了諸如可供實(shí)際工業(yè)使用的催化劑難以找到、高溫高壓能夠抵抗氫腐蝕的材料無(wú)法解決等問(wèn)題，可以認(rèn)為合成氨的技術(shù)開(kāi)發(fā)歷程阻力重重，舉步維艱，經(jīng)過(guò)千萬(wàn)次的不懈努力，才使得世界上第一座工業(yè)規(guī)模的氨系統(tǒng)于1913年在德國(guó)建成投產(chǎn)。從此開(kāi)創(chuàng)了氮肥工業(yè)的新紀(jì)元。為了紀(jì)念氨開(kāi)發(fā)的艱難，特在氨前面加“合成”兩個(gè)字。二、合成氨在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用1、用氨制造氮肥。我們知道土壤所缺的養(yǎng)份主要是氮磷、鉀。從解放前直至改革開(kāi)放初期，中國(guó)的糧食產(chǎn)量一直不能自給自足，主要原因是中國(guó)幾乎所有的土壤都需補(bǔ)氮。由于合成氨工業(yè)不能滿足農(nóng)業(yè)施肥的需要，土壤補(bǔ)氮不足，農(nóng)作物只能在低產(chǎn)水平上徘徊（300斤過(guò)黃河，400斤跨長(zhǎng)江），為了滿足糧食生產(chǎn)的需要，我國(guó)一直把發(fā)展化肥工業(yè)作為整個(gè)化學(xué)工業(yè)的首要任務(wù)，中國(guó)要以全世界7%的耕地來(lái)養(yǎng)活全世界22%的人口。經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，我國(guó)合成氨制造和氮肥產(chǎn)量已居世界首位，合成氨作為制造氮肥的主要原料，為糧食增產(chǎn)、農(nóng)民增收、社會(huì)穩(wěn)定立下了汗馬功勞。2、氨的工業(yè)用途氨是氮的一種固定形式，除少數(shù)場(chǎng)合直接使用外，更主要的是使用其中的氮與其他物質(zhì)化合而成各種不同的含氮化合物，然后再用于各工業(yè)領(lǐng)域。雖然氮分子只由兩個(gè)氮原子組成，但是氮原子可以形成三個(gè)鍵，如果這三個(gè)鍵都與氫原子相聯(lián)，就形成了氨（NH3），將氨的氫原子以各種不同的化學(xué)物質(zhì)取代，就會(huì)的到不同的衍生物。氨中的氫原子被碳（C）取代后，由于碳的加入，氨由無(wú)機(jī)物而變?yōu)橛袡C(jī)物-胺，按取代氫原子數(shù)目多少而依次排列為伯胺、仲胺和叔胺，這些都是重要的化工原料。在特殊情況下，氮還可以產(chǎn)生第四個(gè)鍵，如也被碳（C）取代，即成為季胺，這是構(gòu)成人體的重要組成部分：膽胺及膽堿的基礎(chǔ)。氨基與苯環(huán)相聯(lián)，就構(gòu)成苯胺，這是苯胺系如染料的基礎(chǔ)原料，同時(shí)也是重要的有機(jī)化工原料，例如聚氨脂塑料以及醫(yī)藥的麻醉劑等。氨基中的氮與羰基中的碳（C）相聯(lián)，即成酰胺，這是尼龍以及部分抗生素的重要組成部分，氨基與羧基碳、氮相聯(lián)即組成氨基酸，由此形成蛋白質(zhì)。氨基酸種類(lèi)繁多，僅人體必需的就有19種以上。人們?nèi)粘Ｉ钪械奈毒褪且环N氨基酸的鹽類(lèi)。氨的三個(gè)鍵如全部與同一碳原子相聯(lián)而成CN2-,這種氰根與一價(jià)陽(yáng)離子化合，例如與H+或Na+化合，就會(huì)形成劇毒的氫氰酸或氰化鈉，但這種氰根和碳相聯(lián)，就會(huì)形成有機(jī)腈，這種有機(jī)腈不但無(wú)毒，還可造福人類(lèi)，例如制造三聚氰胺樹(shù)脂（密胺樹(shù)脂）、聚丙烯腈纖維（人造羊毛）以及丁腈橡膠等。氨與空氣中的氧化合生成氧化氮，用水吸收即成硝銨，硝銨脫去氫即成硝酸根（NO3-）,脫去羥基即是硝基（NO22-），這些都是制造炸藥的最基本物質(zhì)，因而是軍事工業(yè)的基礎(chǔ)原料。氨的衍生物實(shí)在太多，尤其進(jìn)入有機(jī)世界更是千變?nèi)f化，以上只是選擇幾種有代表意義的加以簡(jiǎn)單闡述。除了上述化學(xué)品外，在其他領(lǐng)域諸如冶金、煉油、機(jī)械加工、礦石浮選、水凈化、造紙皮革等行業(yè)均有使用。氨本身還是很好的制冷劑，其優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)沸騰溫度低、冷凝和蒸發(fā)壓力適中、單位容積制冷量大、汽化潛熱大、價(jià)格低廉，因而被大中型冷庫(kù)廣泛使用（提問(wèn)題：1、我公司用氨做制冷用在哪個(gè)工段？2、你知道我公司氨制冷的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度嗎？），總之，合成氨在農(nóng)業(yè)和工業(yè)中起很大的作用。三、氨生產(chǎn)簡(jiǎn)史合成氨的基礎(chǔ)條件直接法合成氨其化學(xué)方程式非常簡(jiǎn)單：3H2+N2=2NH3+Q從化學(xué)平衡理論出發(fā)，反應(yīng)后體積縮小一半，無(wú)疑提高壓力會(huì)促使反應(yīng)向右進(jìn)行。世界上第一個(gè)研究成功合成氨技術(shù)并使其實(shí)施的是德國(guó)卡斯魯荷技術(shù)大學(xué)的哈伯教授，他于1902年在美國(guó)的尼亞加拉瀑布參觀了正在研究的電弧固定氮工廠后，對(duì)將空氣中的氮直接固定成化合物產(chǎn)生了興趣，回到德國(guó)就開(kāi)始了氮和氫氣直接合成的研究，在此之前，法國(guó)人夏特利埃在1901年曾采用高溫高壓合成了氨，并獲得了一項(xiàng)專(zhuān)利，但最終結(jié)果是發(fā)生了爆炸。哈伯于1902年與他的學(xué)生剛開(kāi)始進(jìn)行這項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，在常壓及1000的條件下，反獲得不到0.01%的氨，以后又與他人合作進(jìn)行提高壓力與降低溫度的實(shí)驗(yàn)，于1908年在3.0Mpa下測(cè)出反應(yīng)的平衡常數(shù)，同時(shí)指出，提高壓力將提高平衡氨含量，但提高溫度則對(duì)平衡極端不利，并測(cè)出了一組平衡數(shù)據(jù)，最高氨的平衡濃度只有0.9%。哈伯的實(shí)驗(yàn)不斷受到來(lái)自各方面的批判，認(rèn)為這么低的氨平衡濃度不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，也就認(rèn)為哈伯的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有實(shí)際意義。但是哈伯堅(jiān)持他的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為氨的合成轉(zhuǎn)化率非常小，只要把高壓氣體進(jìn)行循環(huán)，并將生成的氨在此高壓下除去，氨合成技術(shù)的方法應(yīng)是可行的。1908年底哈伯將這一想法系統(tǒng)地加以闡述并申請(qǐng)了專(zhuān)利。這一著名的“循環(huán)法”專(zhuān)利大致包括以下內(nèi)容：氣體通過(guò)高溫催化劑、低溫除氨、補(bǔ)充新鮮氣后再次循環(huán)通過(guò)高溫催化劑，全過(guò)程在一個(gè)壓力下進(jìn)行，進(jìn)出催化劑的氣體進(jìn)行冷熱交換，用蒸發(fā)成品氨來(lái)冷卻分離氣體中的氨，他的這些內(nèi)容一直用到現(xiàn)在的合成氨廠。哈伯繼續(xù)做了大量研究和試驗(yàn)，用鋨為催化劑在17.5-20Mpa、500-600條件下，已可獲得6%的氨含量，對(duì)于哈伯的杰出貢獻(xiàn)，被授予1918年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，德國(guó)巴斯夫公司購(gòu)買(mǎi)了哈伯的專(zhuān)利，并派博施作為代表進(jìn)行工業(yè)化合成氨試驗(yàn)。于1913年建成世界上第一座合成氨工廠并正式進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行，對(duì)博施的特殊貢獻(xiàn)，被授予1931年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。由此開(kāi)始，世界合成氨工業(yè)迅速發(fā)展，帶動(dòng)化學(xué)工業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是對(duì)農(nóng)業(yè)的貢獻(xiàn)，對(duì)糧食的增產(chǎn)起到了非常重要的作用。2007年德國(guó)的化學(xué)家埃特爾闡明合成氨相關(guān)表面反應(yīng)機(jī)理，獲得了當(dāng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?！昂铣砂鳖I(lǐng)域也許還將出現(xiàn)第四個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，因?yàn)樗挠绊憣?shí)在是太大了”這是中科院院士、南京大學(xué)陳義教授的預(yù)測(cè)。四、中國(guó)合成氨工業(yè)發(fā)展史1、早期合成氨工業(yè)的建立1931年，當(dāng)時(shí)的國(guó)民政府決定指派實(shí)業(yè)部與英國(guó)的卜內(nèi)門(mén)公司及德國(guó)的藹奇顏料公司協(xié)商合資在中國(guó)建立合成氨廠，隨即在當(dāng)年成立了氮?dú)夤净I備委員會(huì)，并開(kāi)始了艱苦的談判歷程。實(shí)業(yè)部針對(duì)當(dāng)時(shí)的情況，決定派專(zhuān)人到天津與我國(guó)化學(xué)界實(shí)業(yè)家范旭東先生商談，請(qǐng)其加入氮?dú)夤净I委會(huì)，同時(shí)爭(zhēng)取自辦氮?dú)夤?，范旭東欣然接受了這一建議，并隨即提出了“創(chuàng)辦氮?dú)夤疽庖?jiàn)書(shū)”一份呈請(qǐng)實(shí)業(yè)部，1931年是中國(guó)合成氨工業(yè)的籌備階段。由于外國(guó)公司所提出的條件過(guò)于苛刻，使中方無(wú)法接受，1933年10月談判破裂。（1） 南京化學(xué)公司（前身為永和铔廠）和外國(guó)公司談判破裂不足一個(gè)月，永和堿廠總經(jīng)理范旭東先生于1933年11月22日向?qū)崢I(yè)部呈交申辦硫酸铔廠，另外提出以天津堿廠做抵押，向銀行申請(qǐng)貸款。1933年11月28日國(guó)民政府第136次行政會(huì)議批準(zhǔn)了范旭東先生在南京建硫酸铔廠的申請(qǐng)，自呈報(bào)到批準(zhǔn)只用了6天時(shí)間永和铔廠于1934年開(kāi)始征地拆遷，1935年安裝，1936年12月建成，1937年1月31日合成氨投產(chǎn)，2月5日產(chǎn)出第一包硫酸銨，從此打破了外國(guó)控制中國(guó)化肥市場(chǎng)的局面。永和铔廠由美國(guó)公司設(shè)計(jì)，日產(chǎn)合成氨39噸、濃硫酸120噸，硫酸銨150噸、濃硝酸10噸，設(shè)備采購(gòu)由永和公司負(fù)責(zé)。1952年6月永和公司實(shí)現(xiàn)公私合營(yíng)，1958年1月以永和铔廠為主成立南化公司。（2） 上?；ぱ芯吭旱诙囼?yàn)廠（原天和氮?dú)鈴S）上海化工實(shí)業(yè)家吳蘊(yùn)初先生于1932年去美國(guó)杜邦公司訪問(wèn)，該廠有一套日產(chǎn)4噸的液氨中試裝置有意出售，吳蘊(yùn)初先生即購(gòu)買(mǎi)下，拆運(yùn)到上海安裝，1934年1月正式成立了天和氮?dú)庵破酚邢薰?。天和廠于1935年8月產(chǎn)出液氨，9月產(chǎn)出稀硝酸，10月產(chǎn)出濃硝酸。解放初期，因抗美援朝急需炸藥，自行設(shè)計(jì)了硝銨裝置。1957年該廠并入上海化工研究院，成為該院第二化工試驗(yàn)廠。（3）大連化學(xué)工業(yè)公司化肥廠（前身為滿洲化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社），其發(fā)起人為山本條太郎，1935年投產(chǎn)，1938年4月又建成兩套合成氨裝置，使年產(chǎn)合成氨達(dá)到5萬(wàn)噸，硫銨18萬(wàn)噸。1957年與大連堿廠合并，成立大連化學(xué)公司。新中國(guó)成立后第一個(gè)五年計(jì)劃引進(jìn)蘇聯(lián)的三套年產(chǎn)15萬(wàn)噸的合成氨廠，分別建在吉化、太化和蘭化。特別提出的碳化法生產(chǎn)碳銨工藝是我國(guó)著名的化學(xué)家侯德榜創(chuàng)立的，由江蘇省化工廳陳東完善的，解決了氨碳不平衡問(wèn)題。我國(guó)幾乎每個(gè)縣都建立了小化肥廠，為我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。60年代末70年代初，周總理親自批準(zhǔn)引進(jìn)了八套年產(chǎn)30萬(wàn)噸合成氨、52萬(wàn)噸尿素的大型裝置，通過(guò)消化吸收引進(jìn)技術(shù)，我國(guó)合成氨制造水平和技術(shù)也得到了大幅度提高。八九十年代，又一次引進(jìn)了十套大型化肥裝置，不僅建成了世界上最先進(jìn)的合成氨廠，也帶動(dòng)了自身水平的大幅度提高，合成氨生產(chǎn)能力已居世界首位。近年來(lái)，通過(guò)自身的技術(shù)積累和消化吸收引進(jìn)的技術(shù)，我國(guó)自己設(shè)計(jì)的30萬(wàn)噸合成氨裝置在華魯恒升于2006年投產(chǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了世界先進(jìn)水平，我國(guó)自己設(shè)計(jì)的18.30裝置2004年在晉城投產(chǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)際水平。我公司的裝置就是在18.30的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)出來(lái)的，目前運(yùn)行情況良好。五、合成氨工業(yè)的發(fā)展及遠(yuǎn)景合成氨工業(yè)從開(kāi)始建立到現(xiàn)在已經(jīng)歷了100多年的歷史，對(duì)于氨的合成技術(shù)及催化劑，除合成壓力有所不同外沒(méi)有原則性的變化，但對(duì)合成氨生產(chǎn)過(guò)程如造氣、凈化變換，傾注了大量的精力，克服了金屬材料、設(shè)備制造等方面的困難，終于達(dá)到了現(xiàn)有的水平。但是當(dāng)今的能源問(wèn)題、環(huán)保問(wèn)題、溫室效應(yīng)問(wèn)題又?jǐn)[在了合成氨工業(yè)面前。1、 原料我國(guó)引進(jìn)的30.52裝置，大部分是以天然氣和石油為原料的，在投資和能耗方面均占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但是中國(guó)資源狀況是缺油少氣富煤，發(fā)展天然氣和油品造氣不符合中國(guó)的實(shí)際，我國(guó)大部分中小合成氨廠的造氣采用固定層常壓間歇造氣，對(duì)無(wú)煙煤的依賴過(guò)大，近年來(lái)無(wú)煙煤的價(jià)格上漲過(guò)快，使得合成氨成本過(guò)高。從資源著眼看，以后合成氨的發(fā)展要以煤為主，以劣質(zhì)煤加壓氣化為發(fā)展方向，這是著眼資源可持續(xù)發(fā)展的方向，近年來(lái)我國(guó)自主開(kāi)發(fā)了四噴嘴對(duì)置式加壓氣化爐、航天爐、灰溶聚等造氣技術(shù)，取得了一定的成果，但是和外國(guó)技術(shù)還是有一定的差距，需要我們努力完善，提高我們的造氣水平，形成我們的核心技術(shù)。2、 單系統(tǒng)大型化目前世界上最大的單系統(tǒng)已達(dá)日產(chǎn)2150噸合成氨，單系統(tǒng)大型化的優(yōu)點(diǎn)是降低建設(shè)費(fèi)用和生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能。單系統(tǒng)大型化與離心式壓縮機(jī)的使用是分不開(kāi)的，兩者相輔相成構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，離心式壓縮機(jī)造價(jià)低、維修量小、運(yùn)行穩(wěn)定，由于氨廠動(dòng)力用蒸汽大多來(lái)自余熱，即使是由輔助鍋爐供給，只要背壓的蒸汽能進(jìn)一步利用，這時(shí)的總熱效率可達(dá)60%以上，要比電動(dòng)方案高出一倍，這里需指出的是氨廠所用的蒸汽透平應(yīng)盡量使用背壓的，因?yàn)槿魏喂I(yè)用的冷凝汽輪效率都低于背壓式的。3、能源的綜合利用和節(jié)能合成氨工業(yè)實(shí)際上是一個(gè)能源轉(zhuǎn)換工業(yè)，不同種類(lèi)原料，通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)途徑，最終都轉(zhuǎn)換為氫及氮，初期巴斯夫生產(chǎn)噸氨能耗為88GJ,我國(guó)以煤為原料的合成氨廠的能耗為53GJ，先進(jìn)指標(biāo)為37GJ,合成氨生產(chǎn)的理論能耗為20.67GJ,故節(jié)約能耗的潛力仍然很大，化工熱力學(xué)研究機(jī)構(gòu)對(duì)合成氨生產(chǎn)過(guò)程做過(guò)yong平衡分析。什么叫yongyong又稱作有效能、可用能，能流或物流變化到環(huán)境狀態(tài)時(shí)所做出的最大功；或者說(shuō)yong是能流或物流所具有的能量中在環(huán)境狀態(tài)條件下理論上可轉(zhuǎn)化為功的那部分能量。通俗地說(shuō)，yong就是可回收的能量，比如造氣夾套產(chǎn)生的熱，我們回收成蒸汽，這部分熱就能叫做yong?；以懦鋈ё叩臒岵豢苫厥?，這部分能量就不可以稱為yong。這是個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，有機(jī)會(huì)我們?cè)僖黄鹛接懀裉熘徽f(shuō)過(guò)程。通過(guò)對(duì)yong的分析，能量總有效利用率尚不及60%，針對(duì)高達(dá)40%的能量損耗，就需要進(jìn)行技術(shù)改造，這是今后合成氨工作者要為之長(zhǎng)期奮斗的任務(wù)。4、催化劑的前景我們知道催化反應(yīng)過(guò)程的工藝條件是依照催化劑的性質(zhì)來(lái)決定的，由于催化劑的突破而徹底改變工藝過(guò)程及操作條件的情況屢見(jiàn)不鮮。由于當(dāng)年巴斯夫艱巨細(xì)致的工作，使得布什等人所開(kāi)發(fā)的催化劑至今一直在廣泛使用，使全世界的合成氨工業(yè)受益匪淺，可是絕對(duì)永恒的事是沒(méi)有的，新型的催化劑已經(jīng)工業(yè)化，預(yù)計(jì)將會(huì)給合成氨帶來(lái)重大的革命性變化。傳統(tǒng)的催化劑是磁鐵型加促進(jìn)劑型，已經(jīng)應(yīng)用了100余年，這期間各國(guó)一直研究和改進(jìn)的是降低合成壓力和溫度，在傳統(tǒng)的催化劑磁鐵礦中加約1%鈷?？梢蕴岣叽呋瘎┑幕钚?、降低合成壓力。2000年后，我國(guó)已開(kāi)發(fā)出含鈷催化劑A201、HA202等，已應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，起到了很好的作用。最具革命性的變化是美國(guó)凱澤格公司推出了以釕（Ru）為基礎(chǔ)活性物質(zhì)的新型催化劑，他的活性比鐵系催化劑高好幾倍，可以在很低的壓力下操作（10Mpa下）。我國(guó)浙江工業(yè)大學(xué)獨(dú)立自主地開(kāi)發(fā)了高鐵比催化劑，這種催化劑是以FeO為主體，F(xiàn)e2+/Fe3+是