作为针对$北化股份(SZ002246)$ 深度系列文章的一部分，响应球友们的积极要求，本专栏在前几次讨论的基础上，专注在《安全生产治本攻坚三年行动方案(2024-2026年)》（下称《行动方案》）和《化工企业硝化工艺全流程自动化改造工作指南(试行)》（下称《自动化改造指南》）背景下，探讨硝化棉企业全流程工艺自动化的可行性，包括但不限于，技术难度、资本开支、时间约束等方面。
1. 时间节点
上述两个文件的发布时间，依次为2024年1月23日，及2024年5月17日，文件的全文，请参考本文末尾附录1《行动方案》 及 附录2《自动化改造指南》。
请注意，湖北老河口雪飞爆炸案的发生时间为5月9日，而央媒大规模报道事件是5月13日，所以《自动化改造指南》发布时间点可谓正当其时，即爆炸案发后第一周（5月17日）发布，要求全行业按照企业对标自评、省级现场审核、企业实施改造、省级复核检查等四个阶段推进工作落地执行，具体的时间节点要求如下：
2024年6月15日前，有关企业要对照《指南》要求进行自评，形成自评报告，不符合要求的要制定改造方案，明确改造任务、时限及责任人员；
2024年6月30日前，由省级应急管理部门组织，聘请专家对企业自评报告及改造方案进行现场审核，提出意见建议；
2024年11月30日前，企业按照完善确定的改造方案完成改造；
2024年12月31日前，省级应急管理部门要组织专家对照《指南》进行复核检查，达不到要求的要限期整改。
选择省级单位牵头审核和指导，避免了个别地方政府碍于税收压力和企业沆瀣一气抵制改造落实，所以此次《自动化改造指南》级别非常高，最终成功落地的概率极大。
按照《行动方案》指导意见：
推进高危工艺企业全流程自动化改造。2024年底前硝化工艺率先完成改造任务，2026 年底前重氮化、过氧化、氟化、氯化工艺完成改造任务。持续推动反应安全风险评估工艺危险度3级及以上的高危工艺企业应用微通道管式反应器等新装备、新技术。
推进安全工艺技术设备更新升级。制定印发危险化学品淘汰落后安全生产工艺技术设备目录，推动有关企业按要求完成整治、改造、退出，硝化工艺企业要按目录要求在 2025 年底前完成微通道、管式反应器等新装备、新技术应用，未完成的依法责令停产整顿。危险化学品生产企业现有老旧装置在册问题隐患 2025 年底前全部整改销号,老旧装置关键动、静设备 2026年底前完成改造提升。
结合两个文件指导意见来看，2024年12月31日前完成全流程自动化改造，完不成则限期整改，2025年底前完成微通道、管式反应器等流式装备升级，否则依法责令停产整顿。
第二，我们重点来看下
2. 硝化工艺全流程自动化升级改造的技术性拆解。
根据工艺操作流程特点，硝化工艺主要分为间歇、半间歇和连续化三种。
过去，国内化工企业主要采用传统的间歇工艺，所采用的设备一般是釜式硝化反应器。该工艺过程依靠人工加料，一次性间歇操作生产。流程分为三部分:反应部分、洗涤提纯部分和废酸提浓部分。该工艺的优点是安装实施简单、运行方便快捷，缺点是硝化反应放热量大，间歇操作釜内局部热量容易积累，传质传热能力差，安全隐患大，易发生安全事故。
为解决间歇工艺的安全问题，部分企业采用了半间歇工艺，如半间歇—混酸滴定工艺，提高了目标产物的收率，减少了副产物的生成，缓解了局部热量累积问题，提高了硝化工艺的安全性。但无论是间歇或是半间歇硝化工艺，在操作过程中仍存在放热量高，易生成局部“热点”，甚至产生爆炸等危险性问题。
提高工艺过程传质传热能力，减少反应器内热量积累现象，进一步提高硝化工艺的安全可靠性，目前硝化工艺的主流发展方向是进行连续化改造，将工艺操作过程转变成连续可持续化，降低了人工误操作引发安全事故的几率。同时，工艺流程连续化也强化了硝化工艺中物料、热量的流通和控制能力，进一步提高了硝化工艺过程安全性。
传统的间歇和半间歇硝化工艺人工操作要求高，部分工艺依靠附加安全联锁提高安全防护能力，并没有充分应用本质安全化策略。与简单增加防护措施不同，将间歇工艺进行连续化改造，降低体系的危险化学品存量，是目前硝化工艺的主流工艺生产技术。
本文主要分析了五种连续硝化工艺的技术特征。连续硝化工艺根据硝化反应器类型划分，主要有釜式连续、塔式连续、环形连续、微通道连续和管式绝热连续五种硝化工艺。每一种工艺都是由特殊的反应器构成，其主要设计理念是强化反应过程传质传热能力，降低硝化反应流程中物料和热量的局部累积，提高硝化工艺安全性。
通过工艺方案对比，绝热硝化工艺在产物收率、生产成本、装置投资和环保等方面均具有一定的优势。但是，目前成熟的绝热硝化技术均需要国外引进，该技术的本质安全化水平仍存在不确定性。
因此，建议应结合对传统釜式连续硝化工艺的相关研究成果，对新型绝热硝化工艺建立合适的评估方法，实现对其风险的全面认知和把控，同时基于本质安全四原则:危害物质的小化(Minimize) 、高危物质的替代(Substitute) 、剧烈反应的温和化(Moderate) 以及过程工艺的简单化(Simplify) ，通过改变工艺和操作方式减少事故发生的可能性来开展本质安全化技术研究，全面提升硝化工艺的安全技术水平。
重点监控工艺参数及安全措施：硝化工艺的重点监控单元为硝化反应釜和分离单元，工艺过程中的重点监控的工艺参数包括：硝化反应釜内搅拌速率、温度；硝化剂流量；冷却介质流量；反应体系pH值；产物中杂质含量；蒸馏或精馏分离系统温度；蒸馏或精馏塔釜杂质含量等。应急管理部对硝化工艺的安全控制基本要求为：自动进料控制和联锁；反应釜温度的报警和联锁；搅拌的稳定控制和联锁；紧急冷却系统；分离系统温度控制与联锁；塔釜杂质监控系统；安全泄放系统等。硝化工艺的控制系统最好采用DCS控制系统，确保安全设施的配置齐全和完好，提高本质安全装备设施水平。
《行动指南》的要求总则
3. 技术难度总结
硝化反应全自动化改造，需要充分考虑技术成本带来的挑战。现在行业内推进硝化反应工艺要进行全流程自动化改造，所以咨询业内专家后，就此从化学反应本身和大家分享一下专家观点。如果说化学反应把反应釜改了，这个大家可以理解，分离也能适当改一部分，在一定程度上也可以实现，但是也不能全改。但是精馏等方面，如果想要实现全自动化精馏，物料方面本身就是很大的问题（尤其涉及固态进料的自动化改造 难度极高）。如果想要所有流程全部实现全自动化，对于工艺技术来说是一个很大的挑战。还有结晶、分离、干燥、烘干等工艺，想要实现自动化很难。这种情况下，就目前来看整体行业实现自动化的困难不亚于造个航天飞机登月球。
还有原料，黏稠的、柔性的、固体的，全世界公认的技术难题就是固体输出。原来一下就完事了，现在你用连续法固体输出怎么办？这个事情都没有解决。我们常年做这个固体进料，我们自己心里清楚，固体进料适用范围非常窄。固体进料不只是阻塞的问题，还有摩尔配比问题。固体进料的摩尔配比怎么去精确地完成，进料不准确反应出来的肯定就不合格了，反应不合格，后面就是空谈，而且反应产品的原料也非常贵。固体输出解决不了，就很难去实现全流程的优化。固体原料包括不同的晶体结构，产生的效应、物理性质都不一样。
所以说全流程自动化很难，而且原料进去反应、分离、重结晶、干燥，离心、烘干再到最后包装，成本非常高。那么是不是代表着有实力的企业可以全部一下完成自动化改革，其实并不是。化工不是一两个品类，是成千上万种，一个流程不可能覆盖所有品类。成百千种硝化品种，不可能做成百上千条线，而且能合并同类项的线也非常少。在这么大的一套装置，只能生产一两个品类，有钱的企业可以多上几条生产线，但是不可能上上千条，所以自动化的推动就比较艰难了。
第二造成硝化反应不能完全采用连续流技术的原因很多。
一是涉及固体硝化很难。固体的反应，我们发明了动态管式反应器，用于固液硝化的这种方式，但是使用的也不多。很多产品是两个硝基，大部分都是固体，而且反应温度极高。这种情况下，很难用微通道连续流技术。另一方面硝化反应是快速反应，我们做的硝化反应一般在一分钟左右，最长的时间是六分钟，这已经到极致了。如果在大通量、大流速的工业化中，在六分钟能跑多长的管道？所以设备投资的成本非常大。如果是产品附加值不高，企业就没有投资意愿。还有另一方面是微通道连续流技术也是有局限性的，用于工业化4000吨到8000吨的还行，但是要上万吨就非常难了。如果产量非常少，即使附加值高，企业也没有动力去做微通道连续化改造。
二是物料发黏的硝化品种反应非常难。物料一搅拌都粘在搅拌桨上，或者粘在容器壁上。这种硝化还有很多种，像咪唑硝化，目前没有哪家企业把咪唑硝化做成功，温度太高了。所以像这种产品，改造微通道，通过连续流工艺就实现不了。而政策里面没有讲哪些可以实现，哪些不能实现。还有更重要的问题是高温。高温到一定程度，大概到150度以上，金属材料就很难承受了，如果用非金属材料，比如碳化硅，就会出现通量做不大的问题。如果把通量做得过大，压力就上来了，这时候再加上高温，就会喷料，所以这都是相生相克的。
三是硝化反应最危险的表现就是爆炸。爆炸分为两种：一个是热冲料，一种是化学爆炸。如果是热冲料的情况还好一点，会有膨胀缝。如果是化学爆炸，后果不堪设想。所以，认为微通道连续流技术完全安全，这个想法本身就是危险的。更主要的是很多危险事故，很少是因为反应釜爆炸，很多情况下都是后处理爆炸。如果前面的反应用微通道连续流，后处理跟不上也一样出安全问题。这些问题解决不了还是不行。还不如慢慢地、非常稳定生产。比如高温硝化，一个搪瓷反应釜就解决了。但如果上连续法生产，装备投资非常大，同样很难解决问题。还有的反应本身就是慢反应，而且是危险反应，需要几个小时才能做完，那怎么去用连续法，这不现实。
四是硝化反应采用连续流法需要进行技术工艺上的革命性突破。很多硝化反应是非常成熟的反应，要想改变工艺太难了。没有本事改工艺，又是老路线，就很难去做革命性的突破。通常下相关实验不是改变反应的原理，而是提高了反应效率。现在很多企业是前面做微通道连续流反应，后续流到反应釜中，这种假冒伪劣微通道技术还不如反应釜生产。前面经过微通道以后，把所有的危险物全储备了，以前滴加是慢慢地滴加，甚至滴加几个小时，现在这种假冒伪劣的连续流技术，会在短时间内把危险物全储备了，会更加危险。在此，我强烈建议企业家朋友，要响应微通道技术，但一定不要采用拼凑技术，不仅不能解决根本问题，反而增加危险危害。
总之，实话实讲，硝化反应的连续法，这么多年我们一直在不断探索。做出了一些成绩，但确实不是很成功，目前在国内就没有几家可以做得很好的。如果像有的人讲的这那么简单的话，我们早就做得满世界都是了，因为很多反应本身就比较简单。所以我建议，不能用偶尔的概率事件代表普遍事件，我们在看到危险因素想要去通过改造来确保安全之前，需要充分考虑材料、输送停留时间、物料的性质，包括整个反应的工程材料等等，这些问题都还未解决的前提，不能拿一个点去代表整个面。
4. 行业样本标杆
网页链接{聚焦自主创新 建设新一代自动化生产线 稳步打造世界一流硝化棉企业}
在$北化股份(SZ002246)$ 公司2023年4月3日的新闻稿中，提到在兵工集团首席科学家带领下，经过连续8年的持续技术攻关，实现了形态保护、翻袋离心驱水、自动包装、智能输送及存储等8项关键核心技术突破，顺利完成建设硝化棉自动化、智能化生产线，实现硝化棉生产现场操作无人化。
而我们注意到，应急管理对全行业工艺流程自动化改造指南的征求意见稿是23年9月，试行是24年5月31日，从北化工艺自动化流程落地时间为23年4月，可以理解为，北化已经树立了明确的行业标杆，国家监管机构以最高标准要求，硝化棉全行业以此为规范。
那么北化是怎么做到的呢？
技术攻关的带头人为兵器工业集团首席科学家，集合内外部专业技术团队力量，组成项目攻关组，科研人员持续深入建设、调试阶段，生产线人员提前介入科研攻关阶段，让科研人员和生产线人员协同作战，解决了科研人员不参与产业化应用，生产人员吃不透技术难题，确保课题攻关阶段高标准设计、项目建设阶段严要求落实，实现科研到成果转化全生命周期管理体系的有效运行。即此自动化改造为定制非标，需要行业专家和一线生产骨干在工艺和流程上做好深度需求挖掘，才能落地。
公司现有中国兵器首席科学家 1人，集团公司级科技带头人4人，集团公司青年科技带头人3人，单位级科技带头人9人，单位级科技骨干 46人。
一是系统分析，吃透工艺安全机理。项目采用多模块独立攻关，集成应用方式形成完整工艺软件包，在各模块独立开展工艺安全性分析基础上，采用系统风险分析对完整工艺进行安全性分析，特别是模块连接部分以及模块之间的相互影响。
二是提前介入，吃透设备工作原理。为实现人员撤离到后台、实现机器换人目标，新一代产线大量采用科研人员与设备厂家联合“开发”的自动化设备。为确保生产线开得顺、开得好，指定生产线设备技术人员、操作人员参与项目建设，汲取设备厂家经验，零距离观摩设备内部结构、系统内在逻辑，从源头降低设备运维难度。
三是以点突破，实现数字化、智能化升级。面对生产线实现数字化、智能化有较大难度的现实，敢啃硬骨头，从人员手工作业最多的包装工序入手，改手动为自动、将自动升级为智能，实现现场操作无人化，后台运算信息化，稳步提升产线智能制造水平。
北化股份在工艺全流程自动化智能化改造完成后，效果如何？
公司在保证规模效应前提下，深挖生产线潜能，技术提升、效率提升、减员增效多措并举，产品水相流失减少90%，吨产品酒精消耗减少10%以上，产品得率可从50%提升至90%，生产周期缩短25%以上，产品成本降低约1000元/吨，将生产线效益最大化。
5. 自动化改造所需资本开支测算
对于其他市场玩家而言，除技术难度外，自动化智能化改造所需的资金要求、时间如何？
我们考察了$北化股份(SZ002246)$ 自2017年以来的研发费用如下：
即连续投入8年以上，每年最低7000万，最高1.2亿的研发费用，另计安全生产及环保费用每年5000万-7000万不等。
根据年报数据，22年安全生产费用1474万元 ，环保投入5260万元，合计投入6734万元。公司23年计提安全生产费用 1653万，环保投入3331万元，合计投入4984万元。
2022 年，公司开展各类突发环境事件应急演练 68 次，共计 1003 人次参加了演练。组织各级各类生态环境保护 学习培训 440 余次，总计 21670 人次参加。
2023 年，公司开展各类突发环境事件应急演练 65次，共计 961 人次参加了演练。组织各级各类生态环境保护 学习培训 416 余次，总计 16769 人次参加。
以上述资本开支计算，研发费用年化平均9000万，另加安全及环保开支平均6000万计算，考虑到北化另外两块业务（工业泵+防护设备）收入占比约2/3, 研发费用、安全环保费用在三项业务中等比例分配（实际上 硝化工艺会占用更多的研发及安保开支，这里仅保守估计），则上述费用总计为：（9000万+6000万)*1/3*8=4亿，对应的产能为现有3万吨硝化棉产能，则我们初步估算，按照最新规范要求，每万吨硝化棉产能对应的改造成本约为1.34亿。
考虑到北化经过持续8年的技术迭代完成上述改造，而留给竞争对手的时间只有今年年内6个月，考虑到实际的改造技术难度，研发、需求分析、设计、施工以及验收等周期约束，对于业内另外几家民企对手，几乎很难按时完成。
我们以竞争对手实际产能情况罗列如下：（参考硝化棉行业的供给侧改革）
感谢网友@刘仁超 @拖鞋堂主 @天道酬勤我午休 的补充，上述产能数据中，更新了江西佳龙（生产经营存续，但23年起歇业）、衡水和硕（0.6万吨现存 5月被美国列入制裁名单），以及自查后 河南创越（1万吨）、南通泰利达（0.6万吨），所以国内现存产能总计为7.6万吨。
除北化3万吨外，各家产能从0.6万吨到1.5万吨不等，我们以过去10年硝化棉全年海关口径出口销售均价（参考硝化棉最新价格及产能情况更新）测算，
则上述各家企业过去十年的收入区间为：即各家企业年均收入基本上维持在1-3亿区间，
以8%左右的净利润率测算，则上述各企业过去9年净利润总和区间为：0.74亿-1.86亿
如以15%左右的净利润率测算，则上述各企业过去9年净利润总和区间为：1.4亿-3.5亿
考虑到上面测算结果，每万吨硝化棉产能按照北化股份自动化+智能化改造标准需要1.34亿元，则6000吨-1.5万吨产能对应改造成本为：0.8亿-2亿
即使按照最乐观情况估计，上述企业过去9年的净利润总和1.4亿-3.5亿测算，上述改造成本0.8亿-2亿占比为57%，相当于过去9年利润总和的一半多拿出来做改造，这是非常惊人和不可思议的。
当然，如果按照保守的8%的净利润率测算，则述企业过去9年的净利润总和0.74亿-1.86亿，单厂自动化+智能化改造成本0.8亿-2亿来看，相当于过往9年全白干。。。这对任何企业而言，无异于推倒重来。
结论
这场声势浩大的硝化工艺全行业全流程自动化改造，对于硝化棉行业内的企业而言，不论从技术难度、资本开支、以及时间限制来说，几乎是mission impossible。
我们有理由相信，政策全面落地后，相当数量的企业会选择主动关停现有产能，这会在整体上加剧全国乃至全球范围内硝化棉供应的全面短缺。
对于行业的龙头标杆企业而言，大浪淘沙后，由于竞争对手持续退出后带来的产能长期短缺，将迎来价格上长足的上行。
附录1. 《安全生产治本攻坚三年行动方案(2024-2026年)》
附录2 《化工企业硝化工艺全流程自动化改造工作指南(试行)》
