【化工装备十年大发展】1329-2023追光之路！中国尿素技术发展历程

尿素，为高浓度氮肥品种，是世界各国竞相发展的化学肥料。它作为农业健康发展不可或缺的要素，是守住14亿人“粮袋子”的成功利器，事关国计民生。



20世纪50年代，我国还没有生产尿素的技术和设备，使用的肥料碳酸氢铵肥效不高，粮食产量不高，且一肥难求。1958年，响应国家发展农业号召，中国五环工程有限公司（简称五环公司）应运而生，从事氮肥设计，创造了尿素技术领域的多项“共和国第一”，为中国尿素技术从无到有、由弱到强做出了开创性贡献。

60多年来，中国化学工程公司实现了从技术引进、消化吸收到自主创新的飞跃，引领了我国尿素行业发展，设计我国第一套全循环的尿素装置、建设第一套国产化尿素生产装置、第一次完成全国尿素装置通用设计、开发设计国产化第一套二氧化碳气提法尿素技术及装置……有力推动了我国粮食安全化肥生产“卡脖子”相关技术难题的解决。

如今，中国化学工程公司拥有达到世界领先水平的自主知识产权的“高效合成、低能耗尿素工艺技术”，一代代化工工程人手持经实验室与生产现场磨砺出的技术利剑，打破国外尿素技术垄断，开启追光之路，快速跻身于世界四大尿素专利商之列。

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天河 发表于 2023-12-16 15:29
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1978年，在镇海炼油厂的项目中，通过“一买三合作”的方式，五环公司成功掌握了高压设备国产化的核心技术，我国技术和硬件全凭进口的局面得到很大缓解。当时的《中国化工报》头版头条报道“我国已经完全可以依靠自己的力量设计制造具有国际先进水平的大型尿素装置”。

1985年，在三明化工厂年产11万吨尿素项目中，五环公司完成了改进型的CO2气提法国产化设计，解开了我国大化肥引进专利和保密协议的约束，极大缓解了国内尿素技术落后及产能不足的压力。

在完成引进技术落地过程中，五环公司主动求进，在工程设计上解决了许多难题，节约了费用，提高了产能。例如：1989-1993年期间，五环公司又成功地为安阳化肥厂和泽普化肥厂尿素装置进行技术改造，使之生产能力大幅度提高，生产成本相对下降。1996年在湖北化肥厂增产改造中提供专有技术，为业主节约了50万美元，年生产能力增加了30%。1982年在江西氨厂尿素装置设计中，成功地开发出改进型水溶液全循环法尿素工艺，采用蒸汽多级利用技术，使吨尿素蒸汽消耗降到国内最低水平，江氨尿素工程设计获得了化工部科技进步二等奖；在三明化工厂尿素装置设计中，合理地选择尿素用钢，适应了该厂蒸汽中氯离子含量高的情况，投产后高压设备一直处于安全运行之中。1991年，五环公司又成功地开发出年产4万吨C02汽提法尿素生产技术，用于河北元氏和山东潍坊化肥厂，这两项工程设计获得了化工部科技进步三等奖。1985年，五环公司向化工部提出小碳铵厂改产小尿素的技术进步建议，获得批准后，在山东平度和邹县、河南辉县化肥厂进行试点获得成功，为改产工作在全国范围内顺利推广奠定了可靠基础。辉县尿素工程获得了国家科技进步三等奖，镇海尿素工程获得了国家科技进步二等奖。

lyfmthero 发表于 2023-12-16 15:34
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21世纪前，改进型CO2汽提法技术在国内广泛推广，促进了一批15～40万吨中型尿素装置的建设，有力推动了国内尿素行业的发展。但在经济效益逐步提升的同时，装置的高能耗和高污染引起了人们的重视。要想夺取世界化工企业技术制高点，进一步降低装置消耗与污染是关键。

2009年，由五环公司成功研发了“高效合成、低能耗尿素工艺技术”，达到国际先进水平。但酒香也怕巷子深，考虑到尿素装备投资大、设备均为高温高压装置、使用创新工艺的投资风险大，国内没有一家企业愿意第一个“吃螃蟹”。

2010年7月，当得知四川美丰化工股份有限公司（简称四川美丰）计划引进国外专利技术开展搬迁项目改造时，五环公司马上与对方企业负责人联系，先后6次前往美丰，从技术的可行性及新设备的设计、结构、流程等细节着手，详细讲解沟通，最终成功打消了他们的顾虑，同意将五环的尿素技术应用于搬迁改造项目中。就在开展搬迁项目设计的过程中，四川美丰又提出原有尿素装置需要继续运行。“高效合成、低能耗尿素工艺技术”将应用于一个新装置中，这对五环公司的技术开发工作而言，无疑是个大好消息，但同时也带来了极大挑战，因为新建的装置设备需要全部重新设计。从调整方案到成功出料，可谓一波三折。为保证项目保质保量如期开工，五环尿素小组连续奋战，提出了多套优化方案，并将最优方案提交至美丰公司，满足了业主项目进度要求，最终项目按计划开车。

天河 发表于 2023-12-16 15:29
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由五环公司参与设计的“华鲁恒升肥料功能化项目”是首套采用该技术的国内最大的百万吨级尿素项目，用于替代该企业水溶液全循环法尿素装置，自2018年5月建成投产以来，尿素产品质量优于国家标准GB/T2440-2017农用优级品指标，装置生产能力已达到设计能力，装置生产运行平稳，蒸汽消耗相比传统CO2气提法工艺大幅降低，三废排放满足国家环保排放指标和山东省地方环保排放指标的要求，产生了良好的经济效益和社会效益，对于该技术在尿素工业领域的应用产生了极大的影响力和示范作用。

从“高效合成、低能耗尿素工艺技术”成功研发，到装置成功出料，五环公司整整花了7年时间。

2017年11月，“高效合成、低能耗尿素工艺技术”顺利通过了由中国石油与化学工业联合会组织的技术成果鉴定，被业内专家鉴定为具有国际先进水平的尿素工艺技术。

目前，“高效合成、低能耗尿素工艺技术”已成功应用于17个大、中型项目，且运行效果理想。五环公司成功打破国际专利商对于尿素先进技术的垄断，并成为世界四大尿素技术专利商之一，为国家和企业节省了大量投资成本，推动了国内尿素技术再次大幅提升。以年产100万吨装置为例，与引进同类的国外最先进技术相比，能节省投资1亿多元；与现行的传统CO2汽提法尿素技术相比，采用该技术后，投资相当，但吨尿素生产成本可降低60元，一年即可省下6000万元，经济效益相当可观。

高效合成及低能耗尿素工艺技术THESES (Technology of High Efficiency Synthesis and Energy Saving)是中国五环工程有限公司基于其获授权的国家发明专利“高效冷凝、低安装高度CO2汽提法尿素生产工艺及高压管式全冷凝器” （ZL200910060466.X）而开发的，该工艺具有流程布局合理，装置框架高度低，能耗低等优点。

2.1高压圈设备创新，布局更合理

众所周知，尿素合成分为两步进行，第一步为NH3和CO2生成甲铵的快速放热反应；第二步为甲铵脱水生成尿素的缓慢吸热反应。

2NH3 + CO2 <====== > NH2COONH4              (-28.44 kcal/mol)

NH2COONH4 <======> NH2CONH2 + H2O           (+ 5.98 kcal/mol)

全冷凝器反应器，是集甲铵冷凝及尿素合成功能为一体的特殊设备，下部为冷凝段，由于控制较高的水碳比，甲铵冷凝温度提高，在下部可副产0.6MPaA（实际运行在0.65~0.7 MPaA）以上的低压蒸汽，热利用效率提高；上部为反应段，主要进行甲铵脱水生成尿素的反应，其出口尿素含量可达28%~30%wt，可有效分流尿素合成塔的负荷，减小尿素合成塔容积，有利于实现尿素装置的大型化。

通过采用新型设备全冷凝反应器，高压圈流程更合理，设备布置更加紧凑，主要设备如尿素合成塔布置在地面上，安装高度大幅降低；使生成尿素的两步反应分别在最佳条件下进行。第一步反应在全冷凝器反应器内进行，主要进行甲铵合成及脱水生成尿素的反应，正常无原料液氨加入。第二步反应在尿素合成塔内进行，主要进行甲铵脱水生成尿素的反应，正常时原料液氨全部进入尿素合成塔，15%~20%的CO2加入到尿素合成塔底部，以维持反应温度及热量平衡。

全冷凝器反应器出口未反应完全的尿素溶液通过甲铵喷射器升压后进入尿素合成塔内进一步反应，甲铵喷射器的驱动介质为来自高压氨泵的原料液氨。由于只有15%~20%的CO2进入到尿素合成塔，因此，塔内惰性气体含量低；NH3/CO2(mol)高，总合成转化率达到63%，比传统流程提高了3个百分点。

2.2简捷的中压系统，减小汽提塔负荷，降低中压蒸汽消耗

对于传统的汽提法尿素装置，面临的主要问题是如何降低中压蒸汽（2.4MPaA）的消耗，同时解决低压蒸汽过剩的难题。

由于THESES工艺采用了独特的专利设备——全冷凝反应器，能副产0.6MPaA以上的低压蒸汽，因此，可以利用该低压蒸汽以及汽提塔加热蒸汽冷凝液的余热，在160℃左右进一步分解未反应完全的甲铵。可将~20%汽提塔分解负荷转移到中压分解，从而降低中压（2.4MPaA）蒸汽消耗，而且能维持系统的水平衡。

其它改进

THESES工艺高压圈的物料流动是重力流及动力流兼有，兼顾了动力消耗及框架高度，以达到合理平衡。尿素高压设备土建框架总高度约48m，比传统的尿素土建框架高度降低~25m，而且土建框架设备荷载大幅减轻，安装容易，操作、管理及维护简便，节省投资。

在蒸汽系统方面，采用分为2.4MPaA、0.9 MPaA、0.6MPaA以及0.38MPaA四个压力等级，满足了汽提水解系统、高压系统伴热、中低压系统加热及蒸发系统伴热的不同需求，使流程更加合理，余热利用更加充分。

3 装置开车后的运行情况

3.1一次性投料开车成功

华鲁恒升日产3000t尿素项目自动工到装置开车，历时2 a。在项目设计、建设阶段，我公司对五环公司相关设计提出了多项改进意见，及时融入了装置的设计中。负责施工的三化建及大连金重、大连深蓝等设备提供商也全力配合，经过共同努力，装置顺利完成预试车及开车前的准备工作。

为确保投料操作稳定，开车采用高水碳比操作，控制正常负荷的55%~60%投料，系统压力控制平稳，高压圈2h 45min出料，5h后蒸发运行稳定，产品质量当日达到优级品。

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