汤德昌1， 2
（1.中盐安徽红四方股份有限公司，安徽 合肥230022；2. 江汉大学，湖北 武汉430113）
［摘 要］采用铁基氨合成催化剂时，氨合成系统需在高压（15 MPa以上）、高温（450 ℃以上）下运行，存在安全风险高、能耗高、转化率低、环保压力大等问题。20世纪90年代，钌基氨合成催化剂的成功研发为合成氨生产技术革新带来突破，2019年我国首套200 kt/a“铁钌接力催化”工艺合成氨装置一次性开车成功，各项工艺指标达到国际先进水平。概述国外钌基催化剂工业应用情况、钌基催化剂相较于传统铁基催化剂的优势、钌基催化剂组分与作用机制，详细介绍我国钌基氨合成催化剂工业应用成效（包括“铁钌接力催化”工艺设计、多场景工业示范装置应用情况及其核心技术优势），工业化应用实践表明，采用钌基催化剂，可使氨合成反应压力降至8～10 MPa、反应温度降至450 ℃以下，吨氨能耗（折标煤）降低0.20～0.22 t，产能提升336%以上。同时，对钌基氨合成催化剂工业化应用现存挑战进行梳理，并对其未来发展方向进行展望。相信未来通过低成本化、智能化与多场景拓展技术的突破，钌基催化剂将在合成氨工业转型升级与“双碳”目标实现中发挥更加重要的作用。
［关键词］合成氨装置；铁基氨合成催化剂；钌基氨合成催化剂；对比分析；负载型催化体系；“铁钌接力催化”工艺；工业化应用情况；挑战与展望
［中图分类号］TQ113.26+6.3；TQ426.8 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2026）04-0001-06
0 引 言
合成氨工业是保障粮食安全与化工基础原料供应的核心产业，合成氨是全球产量最大的化工产品之一，我国是全球生产氨与用氨的第一大国，2024年我国合成氨产能为77 120 kt、产量为73 080 kt。传统哈伯法合成氨生产工艺依赖铁基氨合成催化剂（简称铁基催化剂），氨合成系统需在高压（15 MPa以上）、高温（450 ℃以上）下运行，不仅存在极高的安全风险，还面临能耗高、转化率低、环保压力大等突出问题。20世纪90年代，钌基氨合成催化剂（简称钌基催化剂）的成功研发为合成氨生产技术革新带来突破，其常压催化活性是铁基催化剂的10～20倍，可在低温低压条件下实现高效氨合成，凭借低温低压下的活性优势，其有望成为合成氨工业转型升级的核心技术支撑。然而，受限于国外技术封锁与工程化难题，钌基催化剂的工业化应用长期被美国KBR公司（KAAP工艺）垄断。目前，我国合成氨厂绝大部分仍沿用铁基催化剂（包括改进型铁基催化剂）。
面对国际上合成氨生产工艺的重大技术变革，我国自20世纪90年代末启动钌基催化剂攻关，历经两代科研人员20余年的努力，通过产学研深度融合模式，于2019年实现首套200 kt/a“铁钌接力催化”工艺合成氨装置一次性开车成功，并于2020年4月20—23日通过了中国石油和化学工业联合会组织的72 h现场考核标定，各项工艺指标达到国际先进水平。以下基于最新工业化数据与研究成果，系统阐述钌基催化剂组分与作用机制（钌基催化剂的组成设计之活性组分、载体、促进剂及其协同作用）、工业化关键突破（“铁钌接力催化”工业化装置运行数据与技术突破）、应用成效与未来发展方向及其相较于传统铁基催化剂的优势，并探讨其在绿色氨氢产业链中的应用前景，以期为合成氨工业的绿色转型升级提供一点参考。
1 国外钌基催化剂工业应用情况
自1913年铁基催化剂工业化应用于哈伯-博世（Haber-Bosch）合成氨装置以来，该技术主导合成氨领域逾百年。全球科研人员针对铁基催化剂的性能优化开展了大量研究，但随着行业对能耗、环保要求的提升，铁基催化剂技术的瓶颈逐渐显现。
长期引领全球合成氨生产技术发展的凯洛格（Kellogg）公司，于20世纪50年代便开发出大型化合成氨工艺，相关装置产量占全球合成氨总产量的半数以上。为突破铁基催化剂的技术局限，1979年Kellogg与英国石油公司（BP）达成合作，由BP主攻无铁型钌基催化剂研发，Kellogg负责配套低能耗工艺开发，历经近十年的联合攻关，双方成功开发出钌基催化剂及配套的Kellogg先进合成氨工艺（KAAP工艺）。1987年，Kellogg在美国休斯敦建成3 t/d中试装置，并将其与澳大利亚奎纳纳氮素公司现有合成氨装置并联运行，之后通过1.5 a的工艺参数优化，确定钌基催化剂可在7.0～10.5 MPa、370～470 ℃及非理论配比氢氮混合气条件下稳定运行，同步建立了催化剂反应动力学特性模型。1987年BP将钌基催化剂专利转让给Kellogg，1992年首套KAAP工艺装置在加拿大Ocelot氨厂投产，该装置创新性地在铁基催化剂反应器后增设钌基催化剂段，利用甲醇装置副产氢气为原料，使氨合成塔出口工艺气氨浓度由铁基催化剂的14%升至19%，装置产能提升40%且连续运行1 200 d钌基催化剂活性稳定。此后Kellogg进一步优化反应器结构，设计出铁基/钌基催化剂同置的4段径向反应器，并集成KRES换热技术，于1998年在特立尼达建成1 850 t/d的大型氨厂，氨合成系统运行压力9.1 MPa，验证了钌基催化剂的应用性能。
2 钌基催化剂相较于传统铁基催化剂的优势
钌基催化剂相较于传统铁基催化剂在合成氨装置中的应用优势主要体现在反应条件更温和、催化活性更高、能耗显著降低等方面，但钌基催化剂在催化剂成本、抗毒性与工业成熟度方面仍存在一定局限。
2.1 核心性能对比（表1）
更多内容详见《中氮肥》2026年第4期