我國尿素行業(yè)研究知識圖譜分析

郭和剛

中國成達工程有限公司 成都 610041

我國糧食產(chǎn)量的增加與氮肥施用存在正相關(guān)關(guān)系[1]，其中尿素是我國糧食增產(chǎn)和不斷發(fā)展的重要基礎(chǔ)。雖然尿素生產(chǎn)是一門古老而傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)，但大型尿素生產(chǎn)裝置的工程配套技術(shù)卻是尖端技術(shù)工程化的結(jié)晶。分析近年來我國尿素行業(yè)相關(guān)文獻，厘清領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點及其演化，有利于掌握尿素相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，對提高尿素行業(yè)整體技術(shù)水平、環(huán)保水平和優(yōu)化尿素相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有重要的指導意義。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

以“尿素生產(chǎn)”為研究主題在中國知網(wǎng)進行文獻檢索，檢索時間范圍為2010～2020年，共檢索出3500篇期刊論文，作為本研究樣本文獻。

Citespace是由美國陳超美教授[2]研發(fā)的一款學術(shù)動態(tài)追蹤軟件，運用文獻計量學的方法，從大量文獻中給出熱點技術(shù)領(lǐng)域及其研究趨勢和演化方向，并以可視化圖譜的方式加以呈現(xiàn)。

2 知識圖譜分析

基于3500篇文獻生成的知識圖譜見圖1。

可見近十年我國尿素行業(yè)共形成了尿素工藝、尿素裝置(裝備)兩個重點技術(shù)領(lǐng)域。圖中X軸為文獻發(fā)表年份，Y軸為技術(shù)領(lǐng)域，節(jié)點大小代表相關(guān)研究的文獻數(shù)量，文獻數(shù)量越多則節(jié)點越大。如果檢測到某個節(jié)點的文獻數(shù)量在短期內(nèi)迅速增加，則認為該節(jié)點為近期研究熱點，并以紅色標記。知識圖譜為我們了解各領(lǐng)域的演進路徑提供了非常直觀而準確的參考。

圖1 我國尿素行業(yè)研究知識圖譜

3 尿素工藝技術(shù)領(lǐng)域研究熱點分析

由圖1可知，尿素工藝領(lǐng)域的相關(guān)研究由2010年持續(xù)到2020年，在2010年附近形成第一個研究熱點“二氧化碳汽提法”，在2011年附近形成第二個研究熱點“水溶液全循環(huán)法”，2015年附近形成了第三個研究熱點“尿素增值技術(shù)”。

3.1 二氧化碳汽提法

在“二氧化碳汽提法”這一研究熱點中，中煤鄂爾多斯能源化工有限公司武志寬[3]從工藝設(shè)計、工藝操作、工藝安全、設(shè)備防腐、能耗以及項目投資等方面對比分析了二氧化碳汽提法尿素生產(chǎn)工藝與氨汽提法尿素生產(chǎn)工藝的特點，結(jié)果表明，Stamicarbon的Urea 2000PlusTM二氧化碳汽提法工藝優(yōu)于氨汽提法工藝和改良二氧化碳汽提法工藝。中國五環(huán)工程有限公司夏炎華[4]介紹了高效合成、低能耗尿素技術(shù)(THESES)的工藝流程和技術(shù)特點，從能耗、設(shè)備布置、操作、維護和技術(shù)風險等方面闡述了THESES的技術(shù)優(yōu)勢。北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司廖容波[5]對二氧化碳汽提尿素裝置擴能改造進行總結(jié)，采用中壓分流的CO2汽提尿素增產(chǎn)節(jié)能技術(shù)對原尿素裝置進行擴能改造，改造后，CO2汽提尿素裝置的產(chǎn)能從1350t /d 提高至1800t /d，取得了顯著的增產(chǎn)、節(jié)能、降耗效果。

“二氧化碳汽提法”這一熱點主題引導了尿素工藝技術(shù)領(lǐng)域低能耗尿素技術(shù)、降低投資成本、增產(chǎn)節(jié)能技改和環(huán)保安全等方面的研究進展。

3.2 水溶液全循環(huán)法

在“水溶液全循環(huán)法”這一研究熱點中，中國石油和化工報記者劉鵬程[6]將JX節(jié)能型1000t/d尿素工藝與傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法工藝進行比較，認為前者具有流程簡單、操作容易、運行穩(wěn)定、安全可靠、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點，處于同類裝置領(lǐng)先水平，適合用于現(xiàn)有水溶液全循環(huán)法尿素裝置改造和新建尿素裝置。該技術(shù)也因此被列為國家發(fā)改委公告的第三批重點推廣節(jié)能項目。該技術(shù)包括高轉(zhuǎn)化率液相逆流換熱式新型尿素合成塔、尿素新型中壓吸收塔以及分梯度逐級回收熱能的中低壓分解、回收新工藝，是這三部分的集成體，解決了本領(lǐng)域關(guān)鍵性、共性的技術(shù)難題，能耗水平和傳統(tǒng)二氧化碳汽提工藝相當，投資省20%～30%，具有極好的市場前景。湖南智成化工有限公司錢鏡清[7]從預分離-預蒸餾工藝流程、一蒸加熱能回收率、閃蒸加熱器及相關(guān)的工藝調(diào)整等角度介紹了我國原創(chuàng)的節(jié)能型水溶液全循環(huán)法尿素生產(chǎn)工藝，并將其與Stamicarbon工藝進行對比，同等條件下可節(jié)省一半的建設(shè)費用。中化吉林長山化工有限公司薛壽田[8]的文章描述：針對中國五環(huán)工程有限公司(原化四院)設(shè)計的兩套水溶液全循環(huán)法尿素生產(chǎn)裝置出現(xiàn)的尿素系統(tǒng)加工能力與合成氨產(chǎn)能不匹配問題，工廠進行綜合改造，改造后尿素產(chǎn)能大幅增加，年凈節(jié)約資金人民幣800余萬元。

“水溶液全循環(huán)法”這一熱點主題引導了尿素工藝技術(shù)領(lǐng)域自主研發(fā)、節(jié)能降耗和環(huán)保安全等方面的研究進展。

3.3 尿素增值技術(shù)

我國為尿素生產(chǎn)大國，尿素生產(chǎn)與施用現(xiàn)狀目前存在的主要問題有：產(chǎn)能過剩、肥料利用率低和環(huán)境污染，基于此，在“尿素增值技術(shù)(也叫尿素增效技術(shù))”這一研究熱點中，中海石油化學股份有限公司曲均峰[9]綜述了國內(nèi)近期硫包衣尿素、多肽尿素、腐植酸尿素等7種增值尿素的科研開發(fā)及應(yīng)用概況，并對我國增值尿素肥料產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展提出了建議。安陽化學工業(yè)集團有限責任公司金興玲[10]研究發(fā)現(xiàn)世界上許多國家都在開發(fā)肥料增效劑，對尿素產(chǎn)品進行改性增效。國內(nèi)尿素生產(chǎn)企業(yè)在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上陸續(xù)推出了多種具有發(fā)展前景的尿素增值產(chǎn)品，為傳統(tǒng)尿素行業(yè)增添了新的活力。調(diào)整尿素企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高市場競爭力，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展，開發(fā)成本低、利用率高、工藝簡單的尿素增值新產(chǎn)品勢在必行。

可見，開發(fā)尿素增值技術(shù)符合國際上“緩效化、流體化、復合化、專用化、高效化”發(fā)展趨勢，對有效提高肥料利用率具有重要的指導意義。同時它必將對我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到積極的推動作用，對實現(xiàn)我國經(jīng)濟發(fā)展和減少氮素污染、達到“增產(chǎn)、增效、減污”的農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展目標均具有重大的社會意義。

“尿素增值技術(shù)”這一熱點主題引導了消化產(chǎn)能過剩、尿素增值技術(shù)、增值肥料、緩/控釋化學肥料等方面的研究進展。

4 尿素裝置(裝備)領(lǐng)域研究熱點分析

由圖1可知，尿素裝置(裝備)領(lǐng)域的相關(guān)研究由2010年持續(xù)到2019年，在2011年附近形成第一個研究熱點“尿素合成塔”、2015年附近形成了第二個研究熱點“尿素水解解吸系統(tǒng)”。

4.1 尿素合成塔

在“尿素合成塔”這一研究熱點中，安徽六方深冷股份有限公司陳林[11]在尿素合成塔的主要破壞形式及預防措施研究和國家及行業(yè)相關(guān)標準規(guī)范的調(diào)研基礎(chǔ)上，論證了采用多層整體包扎技術(shù)制造尿素合成塔的可行性，通過對不銹鋼襯里、加強板、環(huán)焊縫等的檢測和氦檢漏試驗發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)尿素合成塔相比，無深環(huán)焊縫，減少了由應(yīng)力集中造成的安全隱患，多層整體包扎尿素合成塔具有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、先進的制造工藝、較短的生產(chǎn)周期和低廉的制造成本，適合向產(chǎn)品大型化發(fā)展。錢鏡清[12]調(diào)研發(fā)現(xiàn)，上海海懋公司的駝峰式氣室型塔板、武漢綠寰公司的旋流式塔板、中國五環(huán)工程有限公司的折流式塔板等我國自行開發(fā)的尿素合成塔塔板，使CO2轉(zhuǎn)化率由引進工藝的63%提高至70%以上；魯南、中國五環(huán)工程有限公司、齊魯一化等研發(fā)的預分離器，使噸尿素汽耗降至900 kg。在上述尿素合成塔塔板和預分離工藝結(jié)合形成的預分離-預蒸餾工藝基礎(chǔ)上，增加中壓段多回收反應(yīng)熱裝置(即為我國原創(chuàng)的Q-1100水溶液全循環(huán)法尿素工藝)，具有預分離效率高、擴能增產(chǎn)簡單、噸尿素耗能低等優(yōu)點。四川天華股份有限公司譚瑋[13]調(diào)研了30多套引進的意大利斯那姆氨汽提尿素生產(chǎn)工藝，通過研究尿素合成塔的氨碳比、內(nèi)襯材料、容積、塔盤，汽提塔的材料、填料、塔盤，中壓分解吸收裝置、防爆措施等工藝設(shè)計的變化，從中發(fā)現(xiàn)了氨汽提尿素工藝近期的工藝改進方向，為新建工廠的工藝設(shè)計和已建成工廠的工藝改進提供了有益參考。山東大學王威強教授[14]回顧總結(jié)了世界范圍內(nèi)的哥倫比亞、美國路易斯安那、河北遷安、山東平陰、緬甸爆炸事故等尿素合成塔爆炸事故案例和分析報告，分別從塔體和上部構(gòu)件分析爆炸原因并分類總結(jié)了爆炸研究進展，建議對大型壓力容器進行爆炸過程反演、爆炸原因溯源和模型試驗研究，以提出正確的防范尿素合成塔爆炸的有效措施，保障尿素合成塔的安全生產(chǎn)。

“尿素合成塔”這一熱點主題引導了尿素裝置(裝備)技術(shù)領(lǐng)域高效塔盤、設(shè)備防腐、檢漏系統(tǒng)和尿素高壓設(shè)備耐蝕材料的發(fā)展及選用等技術(shù)的研究進展。

4.2 尿素水解解吸系統(tǒng)

在“尿素水解解吸系統(tǒng)”這一研究熱點中，江蘇靈谷化工有限公司許昆嶺[15]等對尿素裝置采用的臥式水解系統(tǒng)大修前后運行情況進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)造成解析廢液電導率超標的主要原因是解吸塔上塔內(nèi)規(guī)整填料嚴重腐蝕導致解吸效率下降。更換解吸塔上塔填料后，實際解吸超出設(shè)計負荷30%的情況下，解吸廢液仍能達標。由此，提出了解吸水解系統(tǒng)在運行中應(yīng)注意的事項，實現(xiàn)了尿素裝置系統(tǒng)的擴容、優(yōu)化和穩(wěn)定運行。塔里木油田石化分公司王懷占[16]研究了該廠尿素裝置投產(chǎn)以來水解系統(tǒng)始終運轉(zhuǎn)不正常的原因是超負荷運行下發(fā)生液泛和單羥甲基脲系統(tǒng)失靈導致的甲醛殘留。采用立體高效傳質(zhì)塔盤對解析塔進行改造，改造后水解系統(tǒng)處理液含氨和尿素質(zhì)量濃度均降至合理水平，各項控制參數(shù)均處正常范圍，徹底解決了水解系統(tǒng)的液泛和甲醛殘留問題，最高負荷達135%下仍能達到設(shè)計指標要求且運行穩(wěn)定。

“尿素水解解吸系統(tǒng)”這一熱點主題是由解決尿素裝置環(huán)保的問題發(fā)展而來，該系統(tǒng)不僅解決了環(huán)保問題，而且工藝冷凝液中氨和CO2的回收利用也使原料消耗大幅降低。

5 結(jié)語

結(jié)合citespace的知識圖譜分析發(fā)現(xiàn)，近十年我國尿素行業(yè)形成了尿素工藝研究和尿素裝置(裝備)研究兩大技術(shù)領(lǐng)域，尿素工藝技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點為二氧化碳汽提法、水溶液全循環(huán)法和尿素增值技術(shù)；尿素裝置(裝備)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點為尿素合成塔和尿素水解解吸系統(tǒng)。已有研究者將其它行業(yè)的成熟技術(shù)應(yīng)用到尿素裝置的改擴建當中，也有研究者在尿素工藝方面研發(fā)了新的專利技術(shù)并應(yīng)用于項目中。綜上所述，目前我國尿素行業(yè)正處于創(chuàng)新發(fā)展、轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，提高行業(yè)整體技術(shù)水平、環(huán)保水平和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，是未來行業(yè)發(fā)展的主要方向。