工业制取氨气主要采用哈伯法（Haber-Bosch法），以氮气和氢气为原料，在高温高压和催化剂影响下直接合成氨。下面内容是工业制氨的核心流程与技术要点：
一、主要原料与工艺路线
工业制氨的原料包括天然气、煤/焦炭、重质油等，不同原料的工艺流程略有差异，但均包含下面内容核心步骤：
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原料气制备
- 天然气：通过蒸汽转化法，将天然气（CH?）与水蒸气反应生成CO和H?，再经一氧化碳变换反应生成H?和CO?。
- 煤/焦炭：采用气化技术（如固定床、气流床气化），在高温下与氧气、水蒸气反应生成CO和H?的粗煤气。
- 重质油：通过部分氧化法裂解生成合成气（CO+H?），需配套空气分离装置制取氧气。
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原料气净化
- 脱硫：去除原料气中的硫化物（如H?S），防止催化剂中毒。常用湿法（低温甲醇洗、聚乙二醇*）或干法（氧化锌吸附）脱硫。
- 一氧化碳变换：将CO与水蒸气反应生成CO?和H?，进步氢气浓度（反应式：CO + H?O → CO? + H?）。
- 脱碳：通过化学吸收（热钾碱法、氨水碳化法）或物理吸附（低温甲醇洗）去除CO?。
- 甲烷化：将残留的微量CO和CO?转化为CH?，避免后续合成催化剂中毒（反应式：CO + 3H? → CH? + H?O）。
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氨合成
- 净化后的氮氢混合气（N?:H?=1:3）经压缩机增压至15-25 MPa，在400-500℃条件下通过铁基催化剂（Fe?O?-Al?O?-K?O）反应生成NH?（反应式：N? + 3H? ? 2NH?）。
- 由于反应转化率仅约15-25%，需通过循环体系回收未反应的N?和H?，并利用废热锅炉回收反应热以生成高压蒸汽。
二、关键技术与设备
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催化剂优化
铁基催化剂通过降低反应活化能（从335 kJ/mol降至约13 kJ/mol）大幅提升反应速率。现代催化剂还通过添加氧化铝（结构稳定剂）和*（电子助剂）增强活性。 -
先进合成工艺
- 布朗三塔三废锅工艺：通过三级串联反应塔和废热回收体系，将氨浓度提升至21%，减少循环气量并降低能耗。
- 伍德两塔三床工艺：优化温度分布，使反应更接近理想温度曲线，副产高压蒸汽量增加。
- 托普索径向流动反应器：采用小颗粒催化剂降低压降（仅0.3 MPa），提升单程转化率。
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节能降耗措施
- 利用热交换器回收反应余热预热原料气。
- 采用液氮洗法或深冷净化法去除惰性气体（如CH?、Ar），减少循环气量。
三、不同原料的工艺特点
| 原料类型 | 优势 | 劣势 |
|---|---|---|
| 天然气 | 流程简单、能耗低（约28 GJ/t NH?） | 依赖天然气资源，成本波动大 |
| 煤/焦炭 | 原料廉价，适合煤炭资源丰富地区 | 流程复杂、污染高（需处理焦油、酚类废水） |
| 重质油 | 适应重油资源，副产碳黑可回收利用 | 需配套空分装置，投资成本高 |
四、应用与储运
- 应用：约80%的氨用于生产氮肥（如尿素、*），其余用于制造硝酸、塑料（如聚氨酯）、制冷剂等。
- 储运：液氨通过全冷冻储罐（-33℃）或半冷冻槽车运输，需严格密封防止泄漏。
工业制氨以哈伯法为核心，通过原料气制备、净化、合成三大步骤实现高效生产。技术核心在于催化剂优化、热能回收与循环体系设计。未来进步路线包括绿氢替代化石氢（电解水制氢耦合合成氨）和低温低压催化剂研发，以降低能耗与碳排放。
