中国机械工业技术发展史--第三节 化肥及化工成套设备（一、 氮肥设备）

中国机械工业技术发展史
第三十三章 石油化工和化工工业设备

第三节 化肥及化工成套设备

一、 氮肥设备

（一）中小型氮肥成套设备的发展

1955 年，大连化工厂和南京永利宁厂，分别试制成功中国第一台大型往复式高压气体压缩机和多层式高压容器。当年 12 月，国务院第三办公室召开一次关于氮肥高压设备会议，决定自行发展氮肥高压设备。 1956 年，一机部和化工部对全成氨氮肥成套设备中这两项关键设备技术攻关作了具体安排，从 1957 年开始组织氮肥成套设备的生产，并确定先从试制年产 2.5 万 t 合成氨成套设备开始 . 对氮肥厂的关键设备如高压容器、高压气体压缩机、泵、风机、气体分离设备、高中压阀门等，开展了一系列的科研和技术攻关工作。

围绕 2.5 万 t/ 年合成氨氮肥设备的研制工作，关键设备的攻关开始进行。高压容器从完全不能制造到基本立足国内。国内第一台高压容器虽在 1955 年试制成功，但采用手工焊接，生产效率低， 1958 到 1965 年，先后在全国十多个单位试验研究了多层式、绕带式、单层焊接式、热套式等多种结构的 30 多个高压容器试制和爆破试验。如 1958 年 3 月，哈尔滨锅炉厂试制出内径 800mm 、壁厚 169mm 、长 6440mm ，内筒及层板材料为 20K ，工作压力为每平方厘米 3200N 的多层式高压容器。高压氮氢气压缩机的研制成功，改变了我国大型工艺用压缩机完全依靠进口的局面。 1958 年兵器工业的和平机器厂和东北机器厂分别仿制成功了 3200kW 和 2400kW 功率的 1T-266 型和 2SLK 型氮氢气压缩机。高压容器和高压压缩机的试制成功，证明了国内完全有力量制造面套合成氨设备。

1958 年到 1960 年 “ 大跃进 ” 中，中国粮食大幅度减产，增产化肥提到重要位置，中央成立了由陈云副总理主持的中央化肥领导小组，将化肥设备的生产列为机械工业的紧急任务。 1961 年 4 月，国务院陈云副总理代表中共中央和国务院在杭州召集国家计委、化工部、一机部和上海市的负责人开会，研究中型氮肥厂成套装备的问题会议确定了中型氮肥厂的建设项目和稀缺材料进口的专案，制造关键设备的技术措施投资，组织定点批量生产和高务成套等问题的措施方案，对化工成套设备的发展具有重要意义。

1961 年底，第一套年产 2.5 万 t 合成氨氮肥成套设备在浙江衢州化工厂投入安装调试； 1961 年 11 月 17 日我国首批自行设计制造的年产 2.5 万 t 中型合成氨成套设备在浙江化工厂和上海吴泾化工厂同时生产出合格的合成氨。至 1964 年累计共生产 10 套。

1964 年 5 月 28 ～ 6 月 13 在上海举行第二次全国成套氮肥设备制造工作会议，确定发展年产 5 万 t 合成氨设备。组织了 4000KW 的 6D32 对称平衡型氮氢气压缩机、 4M12 对称平衡型压缩机，双列循环压缩机、空气透平压缩机等关键配套产品相继研制成功，这些产品都达到或接近当时国外同类产品水平。 1966 年，中国自行设计制造的年产 5 万 t 合成和 8 万 t 尿素成套设备，在石家庄化肥厂投产。成套氮肥设备的设计制造水平和建设规模，与当时国际等技术水平相比，仅差 10 年左右。 1965 年成套氮肥设备国内外水平比较：

设备名称	国内情况	国外情况
合成氨成套设备	以焦炭为原料，年产 2 .5 万 t 合成氨。吨氨耗电 1336.5 度全厂占地 15 公顷，设备重 3350 t	以油、天然气、固体燃料为原料，年产 20 万 t 合成 氨（美国）。吨氨耗电 1000 度，全厂占地 3 公顷。设备 1600 t （英国 10 万 t 氨厂）
多层式高压容器	φ 800 mm × 13600 mm × 150 mm 重 85 t ，压力 320 kgf/cm2, 温度≤ 2000 ℃	美国：最大内径＜ 1400 mm 、温度≤ 3500C ，压力＜ 300 kgf/cm 2 日本：φ 800 mm × 100mm × 1200mm, 重 43 t ，压力 320 kgf/m 2
绕带式高压容器	最大内径 820 mm ，最高温度≤ 2000 ℃，最大压力≤ 320 kgf/cm 2	德国：最大内径≤ 1600 mm, 最高温度≤ 3500 ℃ 最大压力≤ 500 kgf/cm 2

为了加快氮肥工业的发展，中央于 1985 年提出结合国情，在发展中型氮肥成套设备的同时，大力发展小型氮肥成套设备。大连化工厂道德研制出第一套年产 800t 小氮肥设备，安装在大连。 1958 年，上海首批生产了年产 800t 小氮肥 12 套。与此同时，化工部侯德榜副部长到上海，试验以煤为原料、年产 2000t 的合成氮装置。

在此基础上，以后又陆续发展了年产 3000t 、 5000t 和 1000t 的小氮肥厂装备。中国装备制造业，仅用了 10 年左右时间，就为 55 个年产 2.5 ～ 5 万 t 的中型氮肥厂和为 1500 多个年产 3000 ～ 10000t 小型氮肥厂提供了成套设备。

小氮肥设备与大中型氮肥设备相比，耗能高，效率低，但由于规模小技术难度小、投资少，建设周期短，见效快，易于在全国范围内推广，因而在很短时间内得以迅速发展。成为中国氮肥生产主力。小氮肥厂产量占全国氮肥产量比重，一直在 60% 左右。 1979 年起进一步从节能出发，对小氮肥设备进行了技术改造，发展效较高的尿素装置。 “ 七五 ” 期 间建成小尿素装置 67 个，八五期间又建设 76 个，九五期间进行对原有尿素装置由年产量 4 万 t 扩大到 6 万 t 的改造。

（二）大型氮肥成套设备的研制

中国大型合成氨技术起步较晚， 1972 年开始，陆续进口 30 套年产 30 万 t 合成氨装置、 26 套年产 52 万 t 尿素装置及其它一些大型化工装置。 20 世纪 70 年代在进口 13 套大化肥成套设备同时，中国开始自行设计、制造大型氮肥成套设备。

1973 年 3 月，一机部和燃化部开始组织年产 15 万 t 合成氨成套设备。第一套计划建在大连化工厂。化工专用设备由辽宁省为主制造，配套通用机械和仪器仪表由 12 个省市生产。虽然大部分产品已制造出来，但由于建设项目下马，早期发货的设备已经腐蚀报销，另一部分移作他用，造成很大损失。

在研制 15 万 t 合成氨成套设备同时， 30 万 t 合成氨和 24 万 t 尿素大型氮肥成套设备也开始研制。 1973 年 11 月，一机部、燃化部召集有关设计研制及使用单位开会，确定设计原则和规模等级。这套设备是在进口设备尚未到货、缺技术资料的情况下，采用进口装置流程参数，组织全国力量在大量试验研究工作的基础上完成的。第一套年产 1976 年在吴泾化工厂开始建设， 1979 年 12 月 31 日化工投料试车一次成功，经多年试生产表明流程是畅通的，主要设备是可靠的，在试运行过程中连续运行 147 天，年累计运行 300 天的好成绩。其总体水平基本上与当时引进的 13 套大化肥装置水平相当，即达到 20 世纪 70 年代初国外先进水平。

吴泾合成氨及尿素的工艺由上海市化工局设计室、化工部第四设计院和吴泾化工厂组成的联合设计组进行。成套设备的研制和有关科研工作，由原一机部通用机械研究所为主，组织全国 12 个省市 52 个制造厂、科研院所和大专院样的技术力量，共同进行 56 个重点科研项目和试验研究工作。合成氨成套设备的制造任务，以上海市为主，择优安排，组织 23 个省市 120 多个单位共同承担。尿素成套设备是以金州重型机器厂、哈尔滨锅炉厂为主，也是在全国范围内择优安排生产。经过共同努力于 1975 至 1976 年先后研制出合成气、空气、氮气三种大型离心式压缩机及其配套用的工业汽轮机和高速齿轮箱、直径 3200mm 氨合成塔、高温高压废热锅炉、汽提塔、尿素合成塔、高速冷氨调节泵、尿素熔融泵和水泵轮机级等 13 项重大新产品，取得了大直径双锥密封、大直径高压容器热套技术、钛材加工工艺、高压浮环密封、球形封头多层叠合冲压技术等一批重大科研成果。

随着技术进步，限于当时条件和认识水平，针对 20 世纪 80 年代初期试运行中发现和暴露出来的问题， 20 世纪 80 年代末，由国务院重大技术装备办公室组织对吴泾化工总厂的大型氮肥装置进一步完善化，新增一套年产 16 万尿素成套设备，以解决氨平衡问题， CO 2 对汽提塔、氨合成塔等设备进行 130 多项改造，于 1990 年完成制造、安装、调试， 1991 年投产。通过完善化，提高了全套设备的总体水平，确保装置安全，稳定，持续地长周期运行。降低了能耗，进一步提高技术经济指标。

20 世纪 80 年代初，国内应用引进的荷兰斯塔米卡邦公司 CO 2 汽提法尿素工艺基础设计，自行研制了 3 套年产 52 万 t 尿素装置，在累计运转 14000 多小时的基础上， 1986 年我国自行设计制造的第一套年产 52 万 t 二氧化碳气提法尿素装置在镇海石化总厂通过国家级鉴定，还装备乌鲁木齐和银川两个化肥厂，其国产化率达 77% 以上。大型关键设备共 12 种，国内制造了 8 种，如尿素合成塔，高压洗涤器， CO 2 透平压缩机和工业汽轮机，尿素熔融泵，刮料机，扒料机和包装机等，基本实现国产化，其中沈阳鼓风机厂制造的 CO 2 压缩机，金州重型机器厂和南京化工机械厂制造的尿素合成塔、高压洗涤器都达到了国外同类产品水平，为我国尿素装置国产化打下了基础。

四川化工厂年产合成氨装置改造工程是 “ 七五 ” 期间的重点工程项目，是继中国实现大化肥尿素装置国产化后，对大型合成氨装置实施国产化的样板工程。该装置以天然气为原料，要求吨氨能耗由 1350 万 kCal 。该项工程实施国产化模式是 “ 引进工艺软件包，实现国内总承包 ” ，即在购买美国觊洛格公司工艺软件包的基础上，由国内进行工程设计，以我为主进行设备，材料采构，施工安装和投料，开车。 1986 年与美国订合同，全套装置总共 133 台工世装备，除少数关键设备从国外进口外，其余 86.5% 设备同国内厂家采用招标投标择优选点 . 东方锅炉厂研制的 121-C 高压换热器是该项目中急需的关键产品 , 直径 1070mm, 管系由φ 12.7mm × 1.24mm 的 2360 根管子和 64 块隔板和管板组成 , 管系长 19.5m 细长比达 18, 技术要求高 , 制造难度大 , 该厂通过工艺攻关 , 先后攻克 15CrMo 管板奥氏体不锈钢的丝极堆焊 , 筒节高精度卷制和焊接校圆 , 大接管的焊接等难关 , 开发了穿管及套管工艺 , 成功的进行了 19.5 米管系的组装与壳体的套装 , 并为我国大型细长管束高质量换热器的制造积累经验 . 第二重型机器厂为其制造的φ 2.4m 锻焊结构卧式合成塔外壳 , 总体长 22.59m, 壁厚 112mm 由日本日立造船社设计 , 按美国凯洛格公司标准制造 , 受到外商和用户的好评 . 这些都充分显示了中国在制造大型化工容器方面达到一个新的水平 . 由沈阳鼓风厂制造的组合式氨冷凝器等也都达到了国外同类产品的水平 . 川化 20 万 t/a 合成氨装置于 1992 年通过国家验收 , 重点装置完全是由国内设计 , 成套提供的 , 设备国产化率达 82% 以上 . 这套设备一次试车成功 , 吨氨能耗指标 700 万 kCal, 已达到国际 20 世纪 80 年代末先进水平 . 这些设备的国产化是 20 万 t/a 合成氨装置的样板 , 也是 30 万 t/a 合成氨装置的跳板 .

河南中原化肥厂以天然气为原料 , 年产 30 万 t 合成氨和 52 万 t 尿素 , 合成氨与尿素装置分别由美国伍德公司和意大利斯纳姆公司总包 , 设备国尽量分交 , 国外合同于 1986 年 7 月签订 , 国内中标设备共 34 种 44 台 , 于 1989 年初制造完毕全部运到现场安装调试 . 沈阳鼓风机厂与意大利新比隆公司合作制造的合成气压缩机低压缸及备用转子 , 杭汽与新比隆公司合作制造的天然气压缩机配套的汽轮机及备用转子 , 上海锅炉厂承制的汽提塔 , 再生塔 , 换热吕等关键设备质量达到了外商标准 , 标志着我国大化肥设备制造技术开发进入装置核心部位 . 对鲁南化肥厂引进水煤浆技术进行以煤为原料的合成氨装置国产化 ,1993 年投产成功 , 国产化率达到 70%, 达到国外提供技术要求水平 , 为以煤原料的大型合成氨装置国产化奠定了基础 .

由沈阳鼓风机厂 , 杭汽动力集团公司自行设计制造的天然气压缩机组 , 氨冷冻压缩机组 , CO 2 压缩机组 , 经在四川合江年产 30 万 t 合成氨厂和尿素装置中成功地运行二年多 , 于 1996 年底通过了由机械部和化工部组织鉴定 , 用户一致认为机组性能先进 , 运行平稳可靠 , 达到了国外同类机组 20 世纪 90 年代初的先进水平 . 这 3 台机组连同沈阳鼓风机厂制造成功的合成气离心压缩机组是大型化肥装置的四大关键机组 , 从此结束我国大型化肥装置离心压缩机长期依靠进口的历史 .

20 世纪 90 年代 , 由于我国大化肥建设大多利用国外政府或国际金融组织的贷款 , 对设备采购提出诸多限制 , 加之化工工艺流程的复杂性 , 但经多方努力 , 大化肥国产化方面仍有突破性进展 . 对利用外资的年产 , 采取参与国际投标 , 与国外厂家合作生产 , 或向国外工程公司反承包等各种办法 , 积极争取项目 , 在渭河 , 内蒙 , 九江等大化肥项目中 , 成功地从外国总承包商中反承包了气化炉 , 五大离心压缩机组 , 锅炉岛、 3 万 m 3 /h 等级空分装置中的精镏塔和分子筛吸符器等关键设备 .

总之 , 大化肥设备国产化已达较高程度 , 其中国产的氨合成塔 , 高压冷凝器、高压洗涤器、 CO 2 汽提塔、转化炉、气化炉以及五大压缩机组等关键设备在各大化肥厂新建或改造中，都有应用业绩，在 “ 九五 ” 期间国产化率可以达到 95% 左右。