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石油石化百年 创新之火正旺

来源:  中国石油石化       作者:傅向升      发布时间:2022-9-19 16:37  |  

中国石化工业从范旭东创办永利碱厂算起已过百年,但在建国前夕产业规模只有1.77亿元,用范旭东对妻子的话说“那是一个让人害羞的数字”。新中国建立后,我国化学工业开启了新纪元,1978年达到355.2亿元。改革开放以后,我国石化产业迈上了快速发展的轨道,2010年高于8.76万亿元,从此中国成为世界第二的石化大国和世界第一的化工大国。2021年,石化规上企业营业收入14.45万亿元,创历史纪录。

回顾我国石化工业百年历程,离开了创新就不会有今天现代化的石化工业。石化工业百年史就是一部创新发展史。

精细化工:农药

据国家统计局数据,2010年以来我国农药年产量一直超过200万吨,始终稳居世界第一。就今天“四分天下”的世界农药格局看,中国也已经迈入农药强国序列。新中国之所以能够成长为世界农药大国,创新是关键要素。

世界农药工业从上世纪40年代进入化学合成的现代农药工业快速发展阶段。中国农药工业在新中国成立前几乎是空白,新中国成立后在推动经济社会发展中发挥着重要作用。

新中国成立以后,为解决近5亿人的吃饭、穿衣问题,国家十分重视农药产品的创新与农药工业的建设与发展。重工业部化工局化工实验所(后来的化工部沈阳化工研究院)于1952年开始了农药的研发与创新。新中国最早投产的有机合成农药品种是有机氯类杀虫剂滴滴涕和六六六,为抵御当时的蝗灾以及卫生虫害都发挥了重要作用。在有机氯农药品种快速建设投产的同时,有机磷杀虫剂也加快了研发和创新速度,对硫磷、敌百虫相继研发成功并投入生产。到上世纪70年代,有机磷农药产量占当时农药总产量的1/3,为建国后约30年时间的粮棉果蔬应急供应作出了重要的贡献。

为解决有机氯农药品种六六六、滴滴涕的高毒性和残留时间长给人畜和环境造成的危害,国家决定从1983年4月起停止生产和使用六六六和滴滴涕。当时这些品种的产量占全国农药总产量的50%,停用之后能不能保证市场需求,会不会影响到农业收成,业界和社会都为之担心。最终,我们用相对高效低毒的有机磷农药品种的研发创新实现了快速替代,满足了市场需求,打消了人们的疑虑。后来,有机磷杀虫剂为防治虫害撑起了半壁江山。但随着使用时间的延长,甲胺磷、对硫磷、甲基对硫磷、久效磷和磷胺5种主要品种毒性高的缺点越发显现,1998被列入严格控制清单,并于2007年全面禁止使用。截至2016年,我国共淘汰高毒高风险农药老品种43个、限用23种,农药产品结构调整取得明显效果。安全、高效、低毒、低残留新农药产品的研发和创新,发挥了重要作用。

今天,我国农药工业的产品结构得到持续优化和升级,从大的结构看已彻底改变上世纪90年代“3个70”的不合理状况——由过去的杀虫剂占农药总产量70%、有机磷品种占杀虫剂70%、有机磷杀虫剂中的高毒品种占70%调整优化为今天的杀虫剂只占约31%、除草剂约占60%,高毒高残留品种由过去的70%下降到不到3%。正是通过不断创新,农药工业不仅为农业丰产丰收和国家“菜篮子工程”提供了重要保障,而且为保护人类健康和生态安全、生物多样性作出了重要贡献。

化肥:合成氨

合成氨是德国化学家哈伯于1902年首先合成的,后与巴斯夫的工程师博施合作实现了工业化。从合成到实现工业化需要一系列创新,从工业化到大型化、现代化更是需要不断创新。中国合成氨和化肥工业所走过的创新之路就更加艰难,也更具代表性。

我国化肥工业的起步是以“南吴北范”为代表——1933年,吴蕴初先生在上海成立天利氮气公司,利用天原电解车间的氢气制得合成氨再制得硝酸;1937年,范旭东先生在南京的永利硫酸铔厂生产出合成氨和硫酸铵。新中国化肥工业的起步是以“一五”计划时期原苏联援建的“156项”中的兰州氮肥厂、太原氮肥厂和吉林氮肥厂为标志。这三个氮肥厂年产5万吨左右的合成氨,与今天的年产30万吨、60万吨的规模相比显得很小很小,但在当时其合成氨技术达到世界先进水平、规模也是当年世界最大的。

中苏关系破裂苏联撤走专家之后,中国合成氨和化肥工业走出了一条自力更生自主创新之路。1958年年初,毛主席在讨论国民经济计划和预算的会上提出,中央、省、专区三级可以设立化学肥料厂。当时的化工部第一任部长彭涛亲自组织技术研讨会,因为生产硫铵或硝铵都必须配套建设硫酸或硝酸装置,投资多、建设周期长,还需要铅和不锈钢材料。在当时的条件下,生产碳酸氢铵更具有可行性,而且在使用过程中也发现碳酸氢铵的肥效较好,侯德榜博士又在“侯氏制碱法”基础上发明了“合成氨原料气与氨直接碳化反应获得碳酸氢铵”的新工艺,于是分别在上海和北京开展年产合成氨2000吨和1万吨实验,随后两年在全国建成约200个800吨级和2000吨级的小型氮肥厂。在取得实际运行经验和教训的基础上,当时的氮肥设计院提出了1万吨/年合成氨和4万吨/年碳酸氢铵的设计方案。为解决五、六亿人的吃饭问题,1961年国务院在杭州召开氮肥工业座谈会以后,在全国掀起了加快建设氮肥厂的高潮,碳酸氢铵成为世界化肥工业领域中国独有的氮肥品种。进入上世纪90年代以后,随着“碳铵改尿素”氮肥品种结构的调整加快,碳酸氢铵才逐步退出了中国氮肥的历史舞台。

我国合成氨与化肥工业创新发展进入第三个阶段——1973年国民经济恢复时期、国家“四三方案”的制定和实施,以引进13套大型合成氨和尿素装置为标志,真正实现了大型化。这一阶段的创新内容主要是引进消化吸收再创新,包括催化剂、净化剂以及关键和核心设备等的国产化。在之后的“七五”时期,原国家计委、化工部依托四川化工总厂组织的“20万吨/年合成氨大型国产化工程”国家攻关项目在1992年底通过国家验收,不仅技术水平、操作工培训模拟系统都达到20世纪80年代末国际先进水平,而且通过该项目大型工程化“一条龙”攻关,还掌握了大型氨合成塔、汽提塔、造粒塔、换热器等关键设备的制造技术,于1994年11月获得全国最佳工程设计奖和国家优秀工程设计项目金质奖。在此基础上,我们今天新建60万吨/年合成氨、100万吨/年尿素大型化装置,实现了完全立足于自有技术、自主设计、关键设备自主制造、催化剂自主配套的“交钥匙工程”。多年来,我国合成氨和氮肥、磷肥产能产量世界第一,整体技术、物耗能耗以及废弃物排放水平均居世界领先,都得益于我们几十年来不断创新和持续创新,凝聚着几代化肥人的智慧、付出甚至牺牲。

传统产业:氯碱

氯碱工业的两大主导产品是烧碱和聚氯乙烯。中国的氯碱工业起步以1929年吴蕴初先生在上海创办天原电化厂为标志,以电化学法生产烧碱、氯气和氢气,因为当时需要烧碱为天厨味精提供原料,不生产聚氯乙烯。我国聚氯乙烯的生产与发展是新中国成立以后的事了。

上世纪50年代初的重工业部化工局化工实验所开始了电石乙炔法制氯乙烯、聚合制聚氯乙烯的研发和试验,锦西化工厂是国内第一个开展聚氯乙烯中试和生产的工厂。1954年,年产100吨聚氯乙烯的中试在锦西化工厂试验成功,1958年我国第一套年产3000吨聚氯乙烯生产装置在锦西化工厂投产,从此我国氯碱工业开启了快速发展新时期。氯碱工业的创新集中在“三大难点”。

烧碱关键设备电解槽用离子膜创新。烧碱生产采用电解工艺,电解槽就成为烧碱生产过程的核心与关键设备。进入上世纪80年代以后,各工业化国家纷纷用离子膜电解槽置换原来的隔膜电解槽。我国工业化的加快和氯碱工业的技术进步以及烧碱企业提升竞争力,也要求加快离子膜电解槽的应用。可是,当时我们不掌握离子膜的制备技术,离子膜及其所需的磺酸树脂、羧酸树脂和全氟磺酸树脂核心技术和关键配套材料。因此,从上世纪80年代开始持续20多年的时间,国内建成投产的所有烧碱生产电解槽所用的离子膜都是靠花费大量外汇引进和进口的,代价巨大。“七五”开始,原国家计委和原化工部就把离子膜国产化列为国家重点攻关课题。进入新世纪以后,山东东岳集团与上海交大联合技术攻关,通过国家“863”计划、国家科技支撑计划以及山东省举全省之力的支持,终于在2009年9月第一张国产氯碱用工业化离子膜下线,2010年5月两张国产化离子膜在黄骅氯碱试用、6月70张国产离子膜在东岳集团投入商业运行。经过20多年的持续不断创新,终获成功。

聚氯乙烯关键设备聚合釜创新。不论是乙烯氧氯化工艺还是电石乙炔工艺,都有一个共性而关键的设备即氯乙烯单体聚合的反应釜。反应釜的创新过程最具有代表性。中国聚氯乙烯第一套装置3000吨/年规模、6000吨/年定型设计,后逐步扩大到3~5万吨/年。聚合釜从7~15立方米再到30立方米,通过创新不断升级,但直到90年代初聚合过程的粘釜问题始终没有很好解决。后来,一边研发创新聚合釜的制备与内抛光技术,一边同步研发创新防粘釜助剂,由1釜1开盖清理到十几釜、几十釜再到过百釜一开盖,直到2000年的70立方米、今天的105立方米、108立方米和110立方米聚合釜。正是不断地创新,奠定了我国15年来一直是世界聚氯乙烯第一生产大国的地位。

低汞与无汞催化剂创新。电石乙炔工艺在乙炔合成氯乙烯单体的反应过程中需要氯化汞作催化剂。全国人大常委会于2016年4月正式批准了旨在全球控制和减少汞排放的国际公约《水俣公约》进入履约程序,对原生汞矿关闭时限和电石法聚氯乙烯用汞工艺提出了约束性要求。第一步要求全部改用低汞催化剂,第二步在技术和经济成熟的情况下改用无汞,这都需要开展大量的研发与创新工作。到“十三五”末,经过大量研发与试验,国内电石法聚氯乙烯生产装置全部实现了低汞工艺,单位产品用汞量比2010年减少50%,在保障生产稳定的前提下降低了催化剂消耗、降低了汞污染。无汞催化剂和无汞新工艺都取得了阶段性创新成果,为下一步电石法聚氯乙烯全部推广无汞催化剂和无汞新工艺创造了条件。

石油化工:乙烯

“二战”以后,世界石油化工进入了快速发展期。我国石油化工的发展以大庆油田的发现为标志,伴随着改革开放的深化迈上了大型化、规模化和现代化的快车道。通过不断创新,我国石油化工的整体技术水平与世界先进水平并肩。乙烯,是石油化工的重要基础化学品,以乙烯为基础原料经过氧化、羰基化、水合、聚合等化学反应,可以衍生出一系列有机化学品、精细化学品和高分子聚合物,因此乙烯的工业化水平以及产能产量已成为一个国家石化产业发展水平的标志。目前,美国乙烯的产能产量世界第一,中国乙烯的产能产量居第二位。

我国的乙烯工业也是从自主创新起步。从史料看,1970年1月,兰化公司3.6万吨/年乙烯砂子裂解炉建成投产,开启我国乙烯工业化的进程。

为适应国民经济的快速发展,乙烯工业大规模工业化是以1973年1月国家“四三方案”中确立引进的3套大型石化装置和4套大化纤装置为标志的。上海石化总厂一期工程中的11.5万吨/年乙烯装置1977年上半年建成投产,辽阳石油化纤的7.3万吨/年乙烯装置1979年9月建成投产。最具代表性的是北京燕山石化总厂引进的30万吨/年乙烯装置1976年6月建成投产,是我国石油化工历史上建成投产的第一套30万吨/年乙烯装置,是中国当时规模最大、技术最复杂的乙烯装置,号称“超级石化工程”。1978年,我国又引进4套30万吨/年乙烯及其配套石化装置,分别建在大庆、齐鲁、南京和上海。我国乙烯工业从此迈入世界先进国家序列。

我国对乙烯裂解炉及其裂解技术的研发与技术攻关一直没有停步,“七五”期间开始的乙烯新型蒸汽裂解炉被列入国家重大技术装备研制项目,1988年获中国实用新型专利,1990年2月4万吨/年规模在齐鲁石化试车成功,1991年获国家重大技术装备办特等奖和国家科技进步二等奖;1993年开始,又先后开启4万吨/年II型炉、6万吨/年III型炉的研发与技术攻关。2001年,10万吨/年大型裂解炉在燕山建成投产,获得2006年国家科技进步二等奖。经过近20年的持续创新和技术攻关,我国自主研发的乙烯新型裂解炉技术水平和设计水平都不断提升,炉型逐步成熟并已形成系列化。目前,我国自主研发的复杂原料百万吨级乙烯成套技术获得2020年度国家科技进步一等奖,不仅为天津石化、镇海炼化2套100万吨/年乙烯装置提供了成套裂解技术,而且也使我国成为乙烯裂解技术的国际专利商,产品成功出口马来西亚和泰国。这都是我国乙烯工业30年持续创新实现的跨越。

(编辑:王星

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