肥料制造工艺学课程内容

《肥料制造工艺学课程内容》由会员分享，可在线阅读，更多相关《肥料制造工艺学课程内容（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 肥料制造工艺学课程内容 第一章 氮肥的制造氮肥概述 氮肥是农业生产上应用最广泛的化学肥料，主要的氮肥品种有：硫酸铵、硝酸铵、尿 素、碳酸氢铵、氨水、液氨、氯化铵和石灰氮，这些氮肥除石灰氮外，都是以合成氨为原 料加工制成。所以首先要了解合成氨的生产 第一节 氨的合成 一、合成氨生产概述氨的分子式是 NH 3 ，从分子式上可以看出，氨分子是由一个氮分子和三个氢原子组成的。 在工业上，氨是由三份氢和一份氮肥的混合气体，在一定条件下化合而成，所以称为合成 氨。因此生产合成氨，首先要分别制取氮气和氢气，然后按 1：3的比例混合。合成氨所需要的氮气和氢气均取自空气，氮气通过空气分离装置分离获得；氢气来源

2、于 水和燃料，水由两个氢原子和一个氧原子组成，可以通过电解法将水电解为氢和氧，也可 以将水蒸汽通过赤热的燃料经过化学反应后获得氢气。在制取原料气的方法中，除电解法可以制得较纯净的氢气外，用其他方法制得的原料气 中都混有不同数量的其他杂质，而合成氨所需要的是非常纯净的氮气和氢气，所以必须将 这些杂质除去，清除原料气中杂质的过程，叫做原料气的净化。有了净化后的氮气氢气混合气后，就可以进行氨的合成：N 2 +3H 2 = 2NH 3 +热量 氮与氢很不容易化合成氨，需要在高温高压的条件下，并使用催化剂来加速反应的进行。从以上所述可以看出，生产合成氨所需要的原料是燃料、空气和水。生产过程包括以下 几个

3、步骤： 1、原料气的制造；2、气体净化；3、气体的压缩与氨的合成 二、原料气的制造用于制造原料气的原理可以分为固体原料、液体原料和气体原料，先分别叙述如下： （一）用固体原料制造原料气制造原料气所用的固体原料是煤和焦碳，用固体原料制气的方法如下： 1、固定层间歇气化法 该法制造原料气是在煤气发生炉中进行如图 2-1-1： 制造原料气的流程示意如图 2-1-2空气由炉底吹入，通过赤热的煤层时，空气中的氧与碳作用，生产二氧化碳，该反应 属放热反应，放出大量热量，使煤层温度升高，制得的气体称为空气煤气，也称吹风气。 空气煤气的大致组成见表 1 ，空气煤气的温度很高，经锅炉回收热量后，由烟囱放入大气。

4、 煤层温度升高后，停止吹入空气，改吹水蒸气，水蒸气在高温度下与碳发生反应生成一氧 化碳和氢。反应式如下：C+H 2 O=CO+H 2 热量这时制得的气体称为水煤气，经锅炉回收热量后，进入洗涤塔，用冷却水洗涤、冷却， 最后送入半水煤气气柜。水煤气的大致组成见表 1。水蒸气与碳的反应是吸热反应，在反 应进行的过程中要吸收热量，所以通过水蒸气后煤层的温度久降低，当降低到一定程度时， 停止吹入水蒸气，再通过空气，使煤层温度升高，这样交替进行就不断的制出空气煤气和 水煤气（通入发生炉的空气和水蒸气称为气化剂，在制气中所用的气化剂除空气和水蒸气外，有时还用氧气和富氧空气（空气和氧气的混合物） 。空气煤气中

5、氢和一氧化碳含量很少，不能用来合成氨。水煤气重含有大量的一氧化碳和 氢气，是制造合成氨的原料气，但氮气的含量很低，不能满足合成氨所需要的 1：3的氮氢 比，所应在水煤气中配入氮气（方法可以是：由于空气煤气中有很多氮气，可以在水煤气 重配入一定的空气煤气，也可以在向发生炉吹水蒸气时在水蒸气重添加一定量的空气，空 气重的氧气与碳燃烧成二氧化碳，留下氮气）配入氮气后的水煤气称为半水煤气成分见表 1，半水煤气中的一氧化碳与水蒸气充分作用转化为氢后，气体重氮氢比约为 1：3 固定层间歇气化法的优点是制气时可以不用氧气，不需要设置空气分离装置。缺点是 生产过程是间歇的，发生炉的生产强度低，对煤的质量要求高

6、（如粒度、含碳量、煤的机 械强度和热稳定性要好、煤的挥发分要低等）表 1 各种工业煤气的大致组成煤气成分 煤气名称 氢气 H 2 （%） 一氧化碳 CO（% ） 二氧化碳 CO 2 （%） 氮气 N 2 （% ） 甲烷 CH 4 （% ） 氧气 O 2 （%） 空气煤气 2.6 10 14.7 72.0 0.5 0.2 水煤气 48.4 38.5 6.0 6.4 0.5 0.2 半水煤气 40.0 31.7 8.0 19.6 0.5 0.2 2、沸腾层气化法 沸腾层气化炉是由钢板制成的直立圆筒，内衬耐活砖，当从炉底高速通入气化剂时， 气 化炉内的煤就处于浮动状态，煤在炉内的运动状态很象液体沸腾

7、，所以称为沸腾层气化法。 该法所采用的原料是化学活性好的劣质煤，气化剂是水蒸气和富氧空气（不能用空气 代 替富氧气空气，因为空气中氮气较多，制得的原料气中氮多了，就不能满足氮气氢气比例 为 1：3的要求，流程图如图 2-1-3该法的优点：（1）可以采用化学活性好的劣质量煤（2）制气是连续的，气化炉生产强度 大 缺点：（1）需要的燃料是活性高，灰熔点高的劣质量煤（2）制气过程中要用氧气，必须 设空气分离装置，制气设备复杂，使投资成本增加（3）在沸腾气化过程中，气体带走大量 未反应的碳和灰分，使制气成本增加，除尘设备复杂。 3、粉煤气化法如图 2-1-4 原料：粉煤（75%通过 200目筛的磨细煤

8、粉） 气化剂：水蒸气和氧气 优点：该法对煤的质量没有严格要求，可以气化任何类型的固体燃料， （2）气化是连续的， 气化炉的生产强度大 （3）制得的气体中的有效成分（CO+H 2 ）高，一般在 85%左右 缺点：需要将煤磨到很细的程度，所以原料煤的加工处理复杂，用于加工煤的电量大（2） 制气过程中需要使用氧气。4、加压气化法：气化在压力 20-30 大气压的条件下进行如图 2-1-5原料：任何煤 气化剂：水蒸气和氧气（或富氧空气） （二）用气体原料制造原料气工业上常用的气体原料有天然气、油田气（埋藏在地层下面的气体） 、炼厂气（石油加 工厂副产品）和焦炉气（炼焦过程中副产品） ，成分如表 2 表

9、 2 组成成分 气体名称 氢气 (%) 甲烷 (%) 一氧化碳 (%) 二氧化碳 (%) 氮气 (%) 氧气 (%) 其它碳氢化 合物(%) 天然气 95 0.41.0 0.42.0 0.41.0 炼厂气 940 6091 油田气 3085 0.11.0 510 1050 焦炉气 4560 2228 59 23.5 2.4 0.11.0 1.53 这四种气体均含有大量碳氢化合物,主要是将气体种的碳氢化合物转化为氢和一氧化碳,我们 以甲烷为例叙述气体碳氢化合物转化为氢气和一氧化碳的方法。 1、水蒸气转化法 将天然气和水蒸气在镍催化剂的作用下，在温度在 800-1000下进行反应，生成一氧 化碳和

10、氢气，化学反应式如下：CH 4 +H 2 O=CO+3H 2 -热量CH 4 +2H 2 O=CO 2 +4H 2 -热量催化剂: 镍(活性成分 NiO), S 会使之发生中毒 助催化剂:MgO 和 CaO 载体: Al 2 O 3 (1) 单段法甲烷于水蒸气进行转化反应一般是在管式炉图 2-2-1中进行,炉内安装有许多合金钢制成 的反应管,反应管内填装镍催化剂.一部分天然气与空气通过气体燃烧器在炉内的反应管外空 间进行燃烧,以供应反应所需要的热量.将天然气中的硫化物脱至 3毫克/立方以下,然后于水 蒸气一起进入反应管,在温度为 900-1000的条件下进行反应,转化后的气体中含有大量的 一氧

11、化碳和氢气,甲烷残余量在0.6%以上.优点:投资成本低,操作简便;缺点:转化后的气体中甲烷的残余量高,转化炉的生产强度低. (2) 两段法(是当前工业上广泛采用的方法)两段法有两个串联的转化炉,进行转化反应,可使转化后气体中甲烷的残余量降低到0.5%以 下,第一转化炉采用管式炉,第二转化炉由钢板制成的直立圆筒,内衬耐火砖,两个转化炉中 均装有镍催化剂.转化分成两段是为了减轻管式炉的负荷,并使管式炉在较低的温度下 (650800)操作,将管式炉出口气中甲烷残余量放宽到7-10%,然后再在第二转化炉中转化 (分别称为一转和二转)。因为降低了温度，管式炉的使用寿命增长，节省反应管外燃料用 的天然气；

12、由于管式炉的负荷减轻（允许出口气中残余的甲烷量多一些） ，炉的生产能力 （单位时间所处理的气量）可以提高。流程图如图2-2-2。 （脱硫后的天然气与高压水蒸气 经预热后，由顶部进入第一转化炉（管式炉）在温度为700-800的条件下进行转化反应， 反应管外空间有天然气和空气进行燃烧，供给反应所需要的热量。出第一转化炉气体中残余甲烷量在7-10%，进入第二转化炉，并向第二转化炉假如适量空气，添加空气的目的不 仅是为了配称合成氨所需要的氮氢比，并使气体中的甲烷与空中的氧气燃烧，以降低气体 中甲烷的含量。气体中的一氧化碳、氢气也和空气中的氧进行反应，生成二氧化碳和水蒸 气，放出反应热，使气体温度升高。

13、出第二转化炉的气体中甲烷含量降低到0.5%以下，气 体温度为9001000，经热锅炉回收热量后，送至下以工序处理） 该法优点：不需要氧气，可以不设空气分离装置，回收的水蒸气量较多 缺点：管式炉需要高级合金钢管（含Ni20%，Cr25%） ，较难获得。 （3）间歇法 上述两个方法均用管式炉，在反应管外燃烧一部分天然气，提供反应所需要的热量， 反应是连续进行的，但管式炉需要高级合金钢管，这种钢管价格昂贵，来源也不多。间歇 法所用的转化炉不用合金钢管，用碳钢制外壳，内衬耐火砖，投资省、上马快。流程图如 图2-2-3吹气阶段：将脱硫后的天然气和空气，喷入炉膛燃烧，燃烧所产生的高温气体经一段 蓄热、二段

14、蓄热层（蓄热层由蓄热砖组成）将蓄热层加热，再经镍催化剂层，把催化剂加 热，然后气体由转化炉顶部引出，经锅炉回收热量后放空。吹气阶段的目的主要是将高温 气体的热量积蓄在蓄热层和催化剂层种，提供制气阶段所需要的热量。 制气阶段：吹气阶段结束后，将水蒸气和一定量的空气（配入氮气并且其中的氧气可 与甲烷燃烧，使制得的气体甲烷残余量减少）由燃烧炉膛加入，经第一蓄热层时，被蓄热 砖加热，然后于脱硫后的天然气混合，经第二蓄热层，进入催化剂层进行转化反应，反应 温度为900左右。反应后的气体中含有大量一氧化碳和氢气，甲烷残余量小于0.5%，经 锅炉回收热量后，送下以工序处理。这两个阶段交替进行，每一循环约需3

15、分钟。 缺点：设备比较庞大，操作间歇进行，热利用率差。 2、其它方法 （1）部分氧化法：碳氢化合物和氧进行不完全氧化，称为部分氧化 是将甲烷和氧气（或富氧空气）进行反应，生成一氧化碳和氢气。总的反应式为： 2CH 4+ O 2= 2CO + 4H 2+ 热量 部分氧化法又分为常压催化法和加压非催化法 （2）深度冷冻法焦炉气中含有大量氢气和碳氢化合物如下表。深度冷冻法是利用焦炉气中各种气体成分的冷凝温度不同，将气体逐渐冷冻时，除氢 以外的气体就会逐渐冷凝为液体而被分离出来，最后剩下合成氨所需要的氢气。 （3）综合法利用制取乙炔时的副产物，反应式如下：2CH 4= C 2 H 2 +3H 2 热量

16、 分离乙炔后，就可制得合成氨所需原料 （三）用液体原料制取原料气 用于制取原料气的液体原料主要是原油（从油井中开采出来未经过加工的石油） 、轻油 （也称石脑油，是炼油厂将原油进行蒸馏，所得沸点低于 140的油）和重油（留在蒸馏 釜种沸点很高未能蒸馏出的油） 。原油、轻油和重油所含的碳氢化合物，系由很多碳原子和 氢原子组成，以分子式C n H m 表示。 1、 水蒸气转化法（轻油采用）反应式如下： C n H m + nH 2 O = nCO + （m/2+n）H 2 - 热量 所采用的工艺流程于天然气二段法相似，不同之处在于因为轻油是液体，所以在转化前需 要将轻油加热，使之成为油蒸汽） 2、 部分氧化法（重油采用） 是将重油（或原油）在高温下与氧进行部分氧化反应，生成一氧化碳和氢气，反应式 如下： C n H m + nO 2= 2nCO + m/2H 2 +热量 该反应可在常压和加压下进行。如下