化工装备业 方兴未艾

化工装备制造业近十年发展概况

作者:程治方 发布时间:2013-03-07
化工装备制造业的发展也是以重大技术装备成就为标志,其中自“九五”以来的最近十年中基本上可以化肥重大技术装备国产化成绩作为代表.


程治方,教授级高工,毕业于西北工业大学,先后在化工部第六设计院、化工部二局、化工部机械制造局、化工部基建司、中国化工装备总公司等单位工作。1997~2003年任化工行业科技三大奖评委,2004年被四川大学聘为兼职教授。现任中国化工机械动力技术协会副秘书长,国家一级科技刊物《石油和化工设备》主编。

改革开放以来,我国机械制造业综合实力水平,一直以重大技术装备国产化程度为衡量标志。从上个世纪80年代初开始的20年间,历届国务院领导人均兼任国家重大技术装备领导小组组长,通过推进重大技术装备的发展,促进国内机械制造业发展、并达到保障国家经济安全,实现经济体制改革,科学技术进步和产业结构调整的目的。因此化工装备制造业的发展也是以重大技术装备成就为标志,其中自“九五”以来的最近十年中基本上可以化肥重大技术装备国产化成绩作为代表。

十年发展成绩回顾

化肥装备长期以来一直是国内化工装备制造业发展的重点之一,但是由于不掌握化肥生产建设所需的核心技术,导致长期以来我国化肥工业的发展一直依靠国外厂商。自上世纪70年代以来,国家曾经三次大规模引进成套技术装备,据不完全统计,化肥行业共引进120多个项目,其中氮肥行业引进年产30万吨合成氨装置超过30 套,年产52万吨尿素装置超过50套,磷复肥行业共引进生产装置47套。经验证明,为了解决现代化学工业的发展所必需的生产装置大型化问题,在一段历史时期内引进国外的化工生产技术和一些关键设备,以提高国内化工装置的先进性和可靠性是十分必要的,但大量成套重复引进要耗费大量外汇,再加上各种关税、手续费、运输费,造成这些技术水平高、规模大的装置通过降低有限的能耗和提高的装备水平带来的效益远不足以弥补折旧和还本付息,体现不出先进技术和规模大的优势和经济效益。实际上,装置的经济效益已通过高额的专利费、设计费、设备费等让外商赚走。而化肥项目的本身效益不好,造成项目投产后无还本付息的能力,高额的还贷负担最终都转移国家头上。许多已投产的大型化肥项目及部分中型化肥项目,最终都需要“债转股”才能解困,主要原因即引进范围过大,造成项目投资高,负债沉重。因此只有通过化肥重大技术装备国产化工作,使化肥的主要生产技术和关键技术设备可以立足国内,才能彻底摆脱我国化肥建设受制于人的状况。为此国家对化肥重大技术装备国产化工作的指导思想是:紧密结合我国化肥工业发展需要,运用政府宏观调控手段,集中必要的人力、物力和财力,以化肥生产过程中的关键技术装备为突破口,以企业为主体,以市场为导向,以质量为基础,以效益为中心,通过与技术引进、技术改造相结合,逐步掌握核心关键技术,提高国产化肥重大装备制造业市场竞争能力。

氮肥重大技术装备国产化起步于上世纪80年代,共分五个阶段完成。第一阶段是利用上世纪70年代中期国内建设的13套大型合成氨装置“成套引进”的机会,由原单位化工部机械制造局对进口设备组织了全面测绘,并在此基础上组织国内化工装备制造企业完成了天然气压缩机组、合成气压缩机组和空气压缩机组的翻版制造。第二阶段是利用上世纪70年代末期部分化肥建设项目由“成套引进”改“一买三合作”(即购买国外专利技术、合作设计、合作采购及合作制造)的机遇,将部分关键设备如二氧化碳压缩机、高压洗涤器、高压冷凝器、刮料机、耙料机、包装机改由国内厂商直接供货。第三是上世纪80年代中期依托四川化工总厂技术改造项目,采用国际通用的化工建设方式(即引进技术专利或基础设计,由国内工程公司或设计单位总承包)。成功建设了年产20万吨合成氨装置,其中空气压缩机、天然气压缩机、合成气压缩机、氨压缩机等四大离心式压缩机组和一段转化炉炉管、组合式氨冷器、合成塔、废热锅炉等关键设备均由国内厂家制造。装置于1990年底一次试车成功,该装置吨氨能耗达到了722万大卡的当时国际水平。第四阶段是上世纪90年代初期,根据许多大型化工装置大量使用国外卖方信贷(或附带条件的国际金融贷款)作为建设资金的情况,以“成套引进、国内分交、外商总承包”的方式,把部分工程设计及设备制造从外商手中反包回来。国内制造的原料气压缩机、氨压缩机、合成气压缩机、二氧化碳压缩机以及其他设备相继在国内大化肥建设项目招标中中标,满足了合江、锦州、渭河等工程建设的需要。同时根据国家大力发展以煤为原料的化工产品的需求,通过引进工艺软件包和部分关键设备,先后建成了鲁南化肥厂、上海“三联供”工程和渭河化肥厂的水煤浆气化装置,取得了各种压力等级(2.7,4.0,6.5MPa)和各种生产规模( 8万,10万,30万吨级)的工程实践经验。第五阶段依托德州华鲁恒升集团的大化肥建设项目,将二十多年来有关部门针对大化肥生产装置关键技术问题安排过的几乎所有消化吸收和攻关研制课题,且分别在不同的装置上得到攻关成果实现的从生产工艺技术到每台关键设备,在一个生产装置上全流程系统化地串联起来,最终实现以30万吨/年合成氨装置为代表的化肥重大技术装备成套技术装备国产化,主要内容是:工艺软件包开发研究,包括四喷嘴撞击流水煤浆气化软件包开发研究、低温甲醇洗和液氮洗工艺软件包开发研究、11.0MPa氨合成工艺软件包开发研究、水溶液全循环尿素装置改造工艺软件包开发研究和大型氮肥关键设备性能测试及考核等内容;水煤浆气化关键设备研制,包括水煤浆气化炉研制(含气化炉炉体研制、喷嘴研制和耐火材料研制)、气化关键阀门研制、气化关键泵研制(含灰水循环泵、锁斗循环泵研制和澄清槽底泵、渣池泵研制)和破渣机研制等内容;合成气净化关键设备研制,包括二氧化碳吸收塔、产品塔、H2S浓缩塔研制、多股流大型缠绕式换热器研制和液氮洗冷箱研制等内容;氨合成关键设备研制,包括氨合成塔研制、合成氨废热锅炉研制、合成气蒸汽过热器研制、合成气压缩机组研制和氨压缩机组研制等内容;尿素装置关键设备研制,包括大颗粒尿素关键技术开发和关键设备研制、双金属管汽提塔研制等内容。2004年12月德州年产30万吨大氮肥国产化装置一次性开车成功,生产出合格的产品。项目总投资较进口设备节省一半以上,以投资计算的国产化率为93.8%。至此历时达20年的我国化肥重大技术装备国产化终于取得完全成功。

磷肥重大技术装备国产化也同样起步于上世纪80年代,分大型磷铵、大型硫酸、大型磷酸三个阶段完成。在大型磷铵装备方面,从1988年消化吸收美国DAVY-MCKEE公司的磷铵生产工艺技术和消化吸收成套设备开始,结合大连、南京、贵溪三个依托工程,最终实现年产24万吨磷铵成套装备国产化。其中结合大连、南京依托工程实现氨化粒化器、重载斗提机、大型磷酸贮罐防腐橡胶衬里技术、磷酸贮罐用喷射混合器、文丘里反吹袋式除尘器等关键设备国产化;结合贵溪依托工程实现耐酸泵、破碎机、振动筛、干燥窑燃油系统、氨化粒化器胶板、洗涤器编织填料等关键设备国产化。在大型硫酸装备方面,从1992年开始在消化吸收引进德国鲁齐公司的硫酸生产技术装备进行了国产化攻关,首先完成了大型硫酸装置的系统优化和工艺软件包消化吸收,并以此为基础开发基础工程设计软件包,自主完成年产20、40、60、80万吨大型硫酸装置工程设计。建成相应的国产化示范装置,使大型硫酸装置的主要工艺软件,以及大型沸腾焙烧炉、废热锅炉、SO2鼓风机、大型不锈钢转化器等关键设备达到世界先进水平,为国内今后大型硫酸装置建设提供工艺先进、技术可靠、投资费用低、主要技术经济指标较优的工业化生产技术。在大型磷酸设备方面,首先对贵溪化肥厂引进的年产12万吨磷酸成套设备进行了全面的测绘和消化吸收及创新国产化工作。先后完成了大型磷酸装置工艺技术软件包开发和设计系统优化,开发出具有自主知识产权的大型磷酸装置工艺技术软件包,可根据不同的工艺流程组合进行磷酸装置的物料和热量平衡计算,适用于不同工艺流程的需要;结合年产12、18万吨磷酸完成了大型搅拌器研制,正在开展年产30万吨磷酸装置大型搅拌器研制工作;完成了大型磷酸过滤机研制,包括14~150m2翻盘过滤机系列、6~110m2带式过滤机系列、25~132m2转台式过滤机系列产品;完成了大型料浆泵研制,对一些大流量、低扬程等特殊结构的泵,耐温度高、含固量高,腐蚀和磨蚀料浆过流部件的材质的泵组织国内制造单位将共同开发研制。上述成果通过贵溪、锦州、临沂、鲁北、红河州等大型磷酸依托工程,新建磷酸装置的工艺技术自主化率达到100%,设备自主化率超过90%,工艺技术指标达到或超过同类型引进装置的水平。

由于化肥生产流程长,各个不同的生产单元拼接过程中不确定因素较多,因此尽管各个研制课题都做了大量的前期工作,技术上有相当深厚的基础,但要真正付诸工程实践却还有大量的攻关研制和组织协调工作要做,以德州大化肥项目为例,虽然集二十年氮肥行业重大技术装备国产化成果之大成,但仍然面临着巨大的风险,项目进展过程中需要对水煤浆造气、低温净化、径向合成等生产工艺技术统一协调、统一负责,对每一台研制设备都要进行施工图会审、现场监造、出厂前质量评审、安装调试过程中现场服务,此外从工程建设项目管理的角度出发,还要充分考虑重大技术装备研制进度与基本建设周期的合理衔接。德州大化肥国产化装置在长达26个月的建设期间内,在国产化设备的研制基本上与工程的详细设计和现场的土建、公用工程施工同步进行。国产化设备的出厂测试及安装调试也与生产装置的安装、调试和试车紧密衔接。在设计施工单位、高等院校和广大建设者的共同努力下,作为第一套具有自主知识产权技术,完全由国内承担设计、制造、施工和监理的工程,创造了10项全国第一:即国内自主产权和高新技术改造传统产业的第一套国产化大型洁净煤气化装置;第一套大型国产化空分装置;第一套大型国产化氨合成装置;第一套大型国产化水煤气净化装置;第一套大型国产化大颗粒尿素装置;大型化肥机械和设备国产化的重大突破;国内第一套以洁净煤气化为龙头,合成氨化工三联产;一次开车成功和投产达产时间最短;大型氮肥装置建设工期最短;大型氮肥建设投资最省。

化肥重大技术装备国产化的成功,标志着国内已经形成了接近当代世界水平的化工机械制造骨干企业群体,其中有沈阳鼓风机集团公司、锦西化工机械有限公司、大连冰山集团金州重型机器厂、中石化南京化学工业公司化工机械厂、兰州天华化工机械与自动化研究设计总院等一些原国家级重点企业。这些企业大都引进了世界同业的专利技术,例如沈阳鼓风机厂自上世纪80年代以来,先后引进了意大利、美国等国的先进设计制造技术后, 使该厂的产品有了飞跃的发展,成为国内最大的透平压缩机、鼓风机和大型通风机的制造厂,到现在共生产包括化工行业大型离心压缩机在内先进的透平压缩机数百台。原杭州气轮机厂于80年代引进了德国汽轮机的设计制造技术,经过不断消化吸收和改进创新,产品水平已接近当前世界水平,很多有的已出口国外。此外航天工业总公司利用研制开发能力强的优势,开发出包括一些特殊的泵阀水煤浆气化装置不少关键设备,为化肥生产装置大型化国产化提供了大量的支持。

未来发展重点展望

根据化学工业发展规划,“十一五”期间中国化肥工业面临的最大任务是适应国家建设资源节约性社会所带来的产业结构调整,原料结构进一步从石油和天然气转向煤。开发先进的煤化工生产技术,对于我国化肥工业的建设和改造将起到不可估量的积极作用。目前我国的化肥生产装置中,绝大多数煤气化工段仍然采用陈旧的固定层常压间歇气化技术,煤利用率低、生产成本高,对环境污染严重。为此自上世纪80年代以来,我国已陆续从德国鲁奇公司和美国德士古公司分别引进了水煤浆气化技术和固定层连续气化技术。但是这两种气化技术的核心设备——气化炉采用的都是衬砖结构。由于炉温高、气流冲剧作用大,对耐火材料要求高,对煤的杂质成份要求也非常严格。上世纪90年代以来,我国又引进了荷兰壳牌公司的煤粉气化技术, 采用膜式壁气化空间和返回的工艺气体冷激,操作比较平稳,不但克服了由于耐火砖损坏,更换带的停炉检修影响装置生产的连续性问题,而且还可使装置运行费用大大降低,用于冷却炉渣的废水采用封闭循环,可完全达到无污染排放,目前存在的主要问题是设备及其内件造价太高。壳牌煤粉气化工艺的关键设备是气化炉和废热锅炉、两台设备的造价约占煤气化工程总价的50%。目前湖北应城化工厂、广西柳州化肥厂、云南沾益化肥厂、安庆石油化工总厂、湖北枝江化肥厂、湖南洞庭化肥厂等十多个建设项目纷纷采用煤粉气化成套工艺技术,为了降低工程造价,使煤粉气化技术在国内大、中型化肥新建和改造工程中得到推广,研究和开发以气化炉和废热锅炉为代表的粉煤气化成套设备并使之国产化,使我国的煤气化技术研究和我国煤化工装备制造业发展再上一个新台阶,成为解决“十一五”化工装备行业所关键技术问题的重中之重。

“十一五”化工重大技术装备研制工作中,最为难啃的“骨头”就是掌握粉煤气化的关键设备设计制造技术。粉煤气化工艺源自从上世纪70年代,当时壳牌公司油为原料的壳牌气化技术的基础上,开始在该公司的阿姆斯特丹研究院进行煤气化技术研究。1988年荷兰国家电力局决定由其下属公司在荷兰南部兴建一座发电能力为253MW(净输出)的煤气化联合循环发电厂,在该项目研究中,经过对壳牌、德士古、鲁奇3种煤气化工艺的研究比较,最终壳牌煤气化工艺被选用。由壳牌公司为该电厂煤气化装置提供专利技术及基础工程设计,其煤气化装置设计能力为单炉日处理2000吨煤、气化压力为2.8MPa。该厂于1993年底试车,1994年初开始进入为期3年的示范期,在此期间,煤气化装置成功地完成了14个煤种的试验,并对商业化电站规模的可靠性操作、环保、负荷调节及经济方面进行了全面的评估。该装置的运转实践表明, 碳的转化率可达99%以上,装置负荷可在(40~100)%之间调整,截止到2001年,气化装置运转率已经达到95%以上,从此壳牌公司开始向市场推出粉煤气化工艺。粉煤气化空间由膜式壁围成,气化气是采用后续工段返回的工艺气体进行冷激,操作比较平稳,采用煤粉气化工艺炉膛受热面不用耐火砖,不但克服了由于耐火砖损坏,更换带的停炉检修影响装置生产的连续性问题,而且还可使装置运行费用大大降低,用于冷却炉渣的废水采用封闭循环,可完全达到无污染排放,目前存在的主要问题是引进国外粉气化工艺设备及其内件造价太高。粉煤气化工艺的关键设备是气化炉和废热锅炉,其功能主要是形成气化空间、渣池、输气通道、进行热交换并保护压力壳体。因其设计与传热(热工)和水冷壁的制造关系密切,在粉煤气化工艺以往的工程实践中,上述两台设备的基础设计和内件的详细设计均由国外厂商承担。因该设计涉及面比较广、结构复杂、技术难度高、设计工作量大、设计软件费用占设备造价的50%左右。因此降低工程造价,使粉煤气化技术在国内的油改煤工程和大中型以块煤为原料的合成氨新建和改造工程中得到推广,研究和开发以气化炉和废热锅炉为代表的粉煤气化成套设备并使之国产化具有非常现实的意义。

粉煤气化关键设备制造技术的主要内容是:以年产20~50万吨合成氨工程为依托,完成日投煤量1000~2000吨粉煤气化装置工艺技术和成套设备的研制任务。完成以粉煤气化装置的核心设备煤气化炉、合成气冷却器、输气导管等关键设备的国产化。彻底改变目前煤气化炉、合成气冷却器、输气导管内件依靠国外制造,工期长不能满足国内建设及技术改造的需求的局面。同时将烧嘴、煤粉阀、渣阀、灰阀等关键零部件完全国产化,实现粉煤气化装置工艺技术和成套设备自主化率达到90%以上。

目前国内煤化工和替代能源项目发展迅速,按照国家石油和化学工业发展规划,煤化工和替代能源项目是继石油化工项目之后成为新的发展热点,煤化工和替代能源项目主要包括:煤制油、煤制天然气、醇醚、醇制烯烃等等,其中仅国家发改委待批的甲醇项目就达3000亿元人民币的规模,对此国家主管部门的态度是谨慎对待,警惕并防止盲目大上带来新的问题。以煤制油为例,高油价引发了人们对替代能源的关注,面对富煤、缺油、少气的资源现状,近年来的中国是世界上最积极发展煤制油的国家。目前煤制油技术分成直接液化和间接液化两种方法,世界第一套煤炭直接液化制油项目于2004年5月通过专家评估,在内蒙古鄂尔多斯的神华集团开工建设,项目总规模设计年产油品500万t,其中一期工程由3条生产线组成,规模为年产油品320万t。截止到2007年末,一期工程项目主体工程基本完工,建成投产后,年用煤量345万t,可生产各种油品108万t。神华集团到现在为止已经实现了多项具有里程碑意义的重大技术突破,例如:世界第一套商业化煤直接液化技术;世界第一套纳米级煤直接液化催化剂制备成套技术;世界最大最重的加氢反应器制造与吊装技术;国内第一套沸腾床加氢(T-STAR)应用技术等。但神华直接煤制油示范装置于原定于2008年初投产试车的时间确一再推迟。主要是为了确保开车成功而留下了时间余地,毕竟从万吨级中试装置到百万吨级示范装置,放大倍数超过百倍;此外煤直接制油装置内恶劣的操作环境对设备和仪表提出了很高的要求;即使开车成功,能否保证连续运行,实现商业化生产还要实践来证明。 国内第一套煤间接液化制油装置自2002年起开始在兖矿集团启动,目前已成功开发具有自主知识产权的低温费托合成煤间接液化制油技术,并且以该技术为基础,在榆林筹备100万吨/年煤间接液化制油工业示范项目,第一期工程总投资110亿元人民币,建设100万吨/年间接液化煤制油工业示范装置。产品方案为柴油76%、石脑油20%、液化石油气3.1%、特种蜡0.9%。第二期工程分别采用低温和高温费托合成技术各建设200万t间接液化煤制油装置,使年产油品达到500万t,2007年底《兖矿榆林100万吨/年煤间接液化制油工业示范项目申请报告》已经通过国家发改委、国家能源办等领导以及专家学者的评估。按照国家石油和化学工业发展规划,“十二五”将是我国将进入煤化工发展高峰期,但从上述工作的进度看,还有许多技术问题需要通过较长周期的工作才能加以解决。

结束语

总的来说,化学工业是技术密集型产业, 当今的化工建设项目只有起点高、标准高, 尽量采用当今世界最先进的技术,才能在激烈的市场竞争中站稳脚跟。进入“十一五”以后,我国化工行业经过努力,在煤的气化技术、合成氨、合成甲醇、合成醋酸、特别是煤制烯烃方面, 取得了一批拥有自主知识产权、世界先进水平的专利技术和产业化成果, 为化学工业今后的发展提公了有力的技术支撑。从长远看,石油资源枯竭后,化工原料从石油、天然气重新回到以煤为主的路线上来,我国化学工业的发展将寄希望于煤气化新技术的开发,也期待着化工装备制造业拿出更多、更先进的适合新的生产工艺技术的重大技术装备。

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