塔河原油生產(chǎn)高等級(jí)道路瀝青原料選擇與評(píng)價(jià)

張龍，方向晨，蓋金祥，金平，侯欣岐，劉樹華

（1 中國(guó)石化大連石油化工研究院，遼寧大連116045；2 中國(guó)石化塔河煉化有限責(zé)任公司，新疆庫車842000）

隨著“一帶一路”建設(shè)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)重心從東部向中西部轉(zhuǎn)移過程中，中國(guó)西部道路建設(shè)迎來高速發(fā)展的增長(zhǎng)期。中國(guó)石化集團(tuán)公司在西安召開的西部瀝青質(zhì)量升級(jí)攻關(guān)會(huì)確認(rèn)，中國(guó)西部道路建設(shè)對(duì)高等級(jí)道路瀝青的需求將急劇增長(zhǎng)。今后5～10 年西藏交通建設(shè)將臨來跨越式發(fā)展，瀝青年需求量在20萬～30萬噸[1]。高等級(jí)道路瀝青生產(chǎn)成為西部地區(qū)煉油企業(yè)迫在眉睫的問題。

塔河原油是中國(guó)西部煉廠主要原油供應(yīng)來源之一，是瀝青市場(chǎng)生產(chǎn)高等級(jí)道路瀝青的主要原油品種[2]之一。大量的研究和工業(yè)生產(chǎn)表明，瀝青的性質(zhì)在很大程度上取決于原油性質(zhì)[3]，直接用減壓蒸餾工藝生產(chǎn)高等級(jí)道路瀝青的原油并不多[4]。據(jù)石油化工科學(xué)研究院報(bào)告[5]，塔河原油＞410℃及＞480℃各級(jí)渣油均不宜直接生產(chǎn)道路瀝青。且隨著塔河原油性質(zhì)重質(zhì)化、劣質(zhì)化的加劇[6]，塔河原油減壓渣油生產(chǎn)高等級(jí)道路瀝青面臨產(chǎn)品針入度和閃點(diǎn)指標(biāo)相互矛盾、難以兼顧的問題，導(dǎo)致其瀝青產(chǎn)品質(zhì)量持續(xù)劣化[7]。然而，塔河煉化加工原油品種單一，生產(chǎn)瀝青的原油和渣油沒有選擇性；同時(shí)其加工總流程較為特殊和單一，無法生產(chǎn)調(diào)和瀝青所常用的抽出油和油漿等煉油副產(chǎn)品。且塔河煉化地處邊疆，油品運(yùn)輸困難且成本高。這些不利因素嚴(yán)重制約塔河煉化道路瀝青產(chǎn)品質(zhì)量以及改善其性質(zhì)的途徑。為此，本文對(duì)塔河原油生產(chǎn)高等級(jí)道路瀝青所需的瀝青原料進(jìn)行研究，以生產(chǎn)出合格的90A道路瀝青，滿足企業(yè)及市場(chǎng)的需要。

1 原料選擇

依靠一種原油直接生產(chǎn)瀝青的原油品種很少。大多數(shù)瀝青生產(chǎn)都是通過多種適宜的組分調(diào)和而成的。瀝青性質(zhì)的優(yōu)劣主要取決于原料性質(zhì)。因此，瀝青原料的選擇至關(guān)重要。由于塔河原油密度大、黏度高，殘?zhí)颗c瀝青質(zhì)含量高的性質(zhì)，塔河煉化總加工流程中重油（蠟油、渣油）加工路線選擇延遲焦化工藝，且采取高循環(huán)比設(shè)計(jì)[8]。研究發(fā)現(xiàn)[9]：經(jīng)過延遲焦化高溫深度裂化反應(yīng)而得到的焦化蠟油中含有較多的重質(zhì)多環(huán)芳烴、堿性氮化物，這些組分具有極高的針入度。焦化蠟油是塔河煉化現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中可用于瀝青生產(chǎn)為數(shù)不多的原料之一。鑒于塔河煉化延遲焦化采用高循環(huán)比操作模式，焦化分餾塔塔底的焦化輻射油是焦化反應(yīng)油氣在分餾塔內(nèi)與焦化進(jìn)料傳質(zhì)、傳熱后的液相餾分，也存在高針入度組分的可能性。為此，選擇塔河煉化焦化蠟油和焦化輻射油為生產(chǎn)瀝青原料，研究分析塔河焦化蠟油和焦化輻射油性質(zhì)進(jìn)行比較。分析結(jié)果見表1。

根據(jù)表1分析數(shù)據(jù)，從組成上看，塔河焦化蠟油基本不含瀝青質(zhì)組分，具有一定的芳烴和膠質(zhì)含量，作為生產(chǎn)瀝青的調(diào)和軟組分應(yīng)具備一定的潛在可能性，但與瀝青諸多性質(zhì)相關(guān)[10]且反應(yīng)膠溶能力的膠體不穩(wěn)定指數(shù)Ic[11]（Colloidal Instability Index）為1.16。焦化輻射油雖然含有11.6%的瀝青質(zhì)，但也含有相對(duì)于焦化蠟油更高的膠質(zhì)組分。芳烴組分和焦化蠟油的大致相當(dāng)，飽和烴組分高出焦化蠟油約22個(gè)百分點(diǎn)。其膠體不穩(wěn)定指數(shù)Ic為0.76，低于焦化蠟油的。通常，軟化點(diǎn)、延度等瀝青指標(biāo)與瀝青的膠體結(jié)構(gòu)有關(guān)。瀝青質(zhì)在瀝青膠體中是質(zhì)心或核心，靠芳香分和膠質(zhì)分散。在瀝青質(zhì)含量高或膠質(zhì)芳香分含量不足（分散能力降低）情況下，體系的膠溶能力降低，瀝青質(zhì)會(huì)集聚并形成具有一定強(qiáng)度的空間結(jié)構(gòu)（也有人稱其為網(wǎng)絡(luò)），導(dǎo)致瀝青性質(zhì)發(fā)生變化，如軟化點(diǎn)升高、延度下降等。由焦化蠟油和焦化輻射油的Ic可以看出焦化輻射油的膠溶能力更好，生產(chǎn)出瀝青產(chǎn)品的性能較好。

表1 塔河焦化蠟油和焦化輻射油性質(zhì)對(duì)比分析

從餾程上看，塔河焦化蠟油400℃以上組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%左右，420℃以上質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%左右，高沸點(diǎn)重質(zhì)餾分含量并不多，可供生產(chǎn)瀝青的組分含量在30%以下。另外，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究[12]，塔河原油中加入焦化蠟油可以明顯提高渣油的閃點(diǎn)、降低了針入度指數(shù)（PI）值。但從瀝青產(chǎn)品閃點(diǎn)優(yōu)化的角度看，應(yīng)選擇塔河原油中摻煉15%焦化蠟油（對(duì)進(jìn)料）減壓蒸餾＞420℃餾程范圍渣油為最佳。

而輻射油作為焦化塔進(jìn)料，包括渣油、焦化蠟油，組成復(fù)雜。其初餾點(diǎn)較焦化蠟油低了很多，但其中輕餾分含量卻較少。大于400℃餾分含量較高，在70%以上。雖然焦化輻射油餾程范圍較寬，初餾點(diǎn)較低，但含量較少，大部分餾分集中在380℃以上。利用實(shí)沸點(diǎn)蒸餾儀對(duì)焦化輻射油進(jìn)行了蒸餾切割，實(shí)沸點(diǎn)蒸餾后各段渣油作為生產(chǎn)瀝青的性質(zhì)如表2所示。

表2 焦化輻射油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾渣油性質(zhì)

從表2可以看出，焦化輻射油減壓蒸餾后各段渣油的PI值均較低，閃點(diǎn)滿足90A道路瀝青要求。適宜作為生產(chǎn)高等級(jí)道路瀝青的基礎(chǔ)配比原料。

2 調(diào)和瀝青試驗(yàn)

為進(jìn)一步對(duì)比塔河原油摻煉焦化蠟油和焦化輻射油生產(chǎn)高等級(jí)瀝青的性能，按AC-13 級(jí)配進(jìn)行了混合料性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。瀝青原料分別為摻煉15%焦化蠟油的塔河原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾＞420℃的渣油和焦化輻射油實(shí)沸點(diǎn)＞430℃的渣油。調(diào)和瀝青后制備了混合料性能評(píng)價(jià)樣品分別為H-90和C-90，調(diào)和瀝青試驗(yàn)結(jié)果見表3，二者的黏溫曲線見圖1。

由表3可見，樣品H-90和C-90的針入度、不同溫度下的延度、以及薄膜烘箱后各種性質(zhì)都滿足高等級(jí)道路瀝青的質(zhì)量指標(biāo)。H-90的PI高于C-90，H-90的針入度隨溫度的敏感度要好于C-90。但H-90的閃點(diǎn)為244℃，低于高等級(jí)道路瀝青的質(zhì)量指標(biāo)。而C-90能夠完全滿足A級(jí)瀝青的要求。由圖1可知，樣品H-90和C-90的黏溫曲線基本一致。

3 混合料性能評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)對(duì)比H-90 和C-90 作為瀝青產(chǎn)品的使用性能，依據(jù)交通部《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052—2000）進(jìn)行混合料試驗(yàn)。在混合料性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，采用了某筑路新材料有限公司的石灰?guī)r礦料。各粒徑范圍的礦料主要性質(zhì)均符合道路工程的規(guī)范要求。選擇常用的細(xì)粒式密級(jí)配AC-13 瀝青混合料。此種級(jí)配的瀝青用量較大，包裹粗集料的瀝青膜比較富余，可增強(qiáng)瀝青混合料的耐久性。對(duì)各粒徑范圍的礦料組分進(jìn)行調(diào)配試驗(yàn)，并通過篩分結(jié)果選擇比較接近級(jí)配中值的曲線數(shù)據(jù)為本次瀝青混合料評(píng)價(jià)試驗(yàn)的目標(biāo)級(jí)配，見表4。級(jí)配曲線見圖2。瀝青混合料的瀝青用量，也稱油石比，是指瀝青混合料中的瀝青質(zhì)量與礦料質(zhì)量的比例。通常，最佳油石比的確定，是根據(jù)不同油石比水平的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果來通過計(jì)算相關(guān)參數(shù)而獲得。對(duì)H-90 和C-90 兩種混合料進(jìn)行試驗(yàn)，確定兩種瀝青混合料的油石比均為5.0%。

圖1 混合料評(píng)價(jià)用瀝青大樣的黏溫曲線

表3 調(diào)和瀝青試驗(yàn)

表4 AC-13的推薦級(jí)配范圍及實(shí)驗(yàn)形成的目標(biāo)級(jí)配

表5 瀝青混合料馬歇爾體積指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 試驗(yàn)用礦料級(jí)配曲線

3.1 馬歇爾體積指標(biāo)檢驗(yàn)

依據(jù)所得級(jí)配和油石比，制備瀝青混合料及馬歇爾試件，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。結(jié)果見表5。數(shù)據(jù)表明，兩種瀝青AC-13混合料的馬歇爾試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)可以滿足不同地區(qū)高速公路和一級(jí)公路的規(guī)范要求。

3.2 高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、抗塑形變形能力是評(píng)價(jià)瀝青路面車輛荷載的碾壓下產(chǎn)生橫向剪切變形流動(dòng)的性質(zhì)，關(guān)系到道路面變形、平整度、排水能力等指標(biāo)。嚴(yán)重的會(huì)降低了路面的服務(wù)水平，甚至于威脅到行車安全。

為檢驗(yàn)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，對(duì)C-90和H-90 樣品采用5%油石比、碾壓溫度分別為148℃和149℃條件下制成瀝青混合料車轍試件，按照規(guī)范要求進(jìn)行了車轍試驗(yàn)。結(jié)果見表6。數(shù)據(jù)表明，加15%焦化蠟油塔河原油混合蒸餾所得＞420℃的渣油和焦化輻射油實(shí)沸點(diǎn)＞430℃的渣油制備的瀝青AC-13 混合料的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)均滿足所有氣候分區(qū)的使用要求，具有非常好的高溫穩(wěn)定性能。

表6 兩種瀝青材料混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)

瀝青路面的水損害影響因素較復(fù)雜，其基本的機(jī)理是瀝青路面在存在水分的條件下，經(jīng)受交通荷載和溫度脹縮的反復(fù)作用，極性的水分子逐漸浸入到瀝青與集料的界面上，同時(shí)由于強(qiáng)大的動(dòng)水壓力的作用，瀝青膜漸漸地從集料表面剝落，并導(dǎo)致與集料之間的粘結(jié)力喪失而發(fā)生破壞。加15%焦化蠟油塔河原油混合蒸餾所得＞420℃的渣油和焦化輻射油實(shí)沸點(diǎn)＞430℃的渣油制備的瀝青AC-13混合料瀝青水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表7 和表8。數(shù)據(jù)表明，兩種瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比滿足規(guī)范要求，具有較好的抗水損害的能力。

表7 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表8 凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 瀝青生產(chǎn)及評(píng)價(jià)

根據(jù)塔河煉化兩種瀝青生產(chǎn)原料對(duì)比研究，焦化輻射油＞430℃的渣油作為基質(zhì)瀝青具有更加優(yōu)良的性能。因此，選擇焦化輻射油作為原料，確定生產(chǎn)工藝流程[9]如圖3 所示，進(jìn)行了工業(yè)生產(chǎn)。塔河原油進(jìn)行換熱升溫后在常壓爐加熱到350～370℃進(jìn)入常壓蒸餾塔進(jìn)行常壓蒸餾。蒸餾塔底常壓渣油入焦化分餾塔進(jìn)料進(jìn)入延遲焦化裝置焦化分餾塔。高溫的焦化反應(yīng)油進(jìn)入焦化分餾塔底部換熱洗滌板下?lián)Q熱段，焦化蠟油抽出分出一部分洗滌油進(jìn)入洗滌換熱段上部，對(duì)高溫反應(yīng)油氣進(jìn)行洗滌冷卻，冷凝下來的焦化循環(huán)油和常壓渣油在焦化分餾塔塔底混合。焦化分餾塔塔底焦化輻射油油經(jīng)泵抽出后部分送焦化爐，部分經(jīng)減壓爐加熱到380～420℃進(jìn)入減壓蒸餾塔。從減壓蒸塔側(cè)線抽出減壓餾分油，從減壓塔底抽出減壓渣油，作為基質(zhì)瀝青送往瀝青調(diào)和裝置。

塔河煉化按圖3生產(chǎn)流程改造后，穩(wěn)定生產(chǎn)的減壓渣油采樣分析如表9所示。并持續(xù)將減壓渣油用于生產(chǎn)瀝青的性質(zhì)進(jìn)行跟蹤分析，分析結(jié)果如圖4所示。從表9、圖4中可以看出，減壓渣油作為基質(zhì)瀝青的性質(zhì)很穩(wěn)定，針入度和閃點(diǎn)相互矛盾的一對(duì)性質(zhì)得到了解決，二者都滿足瀝青產(chǎn)品的質(zhì)量要求。且蠟含量控制在A級(jí)瀝青的指標(biāo)范圍內(nèi)，軟化點(diǎn)性能優(yōu)良。減壓渣油中芳香分組分增加較為明顯，為瀝青調(diào)和過程FRI母液與減壓渣油的互溶創(chuàng)造了有利的條件。

并以減壓渣油為基質(zhì)瀝青，調(diào)和出瀝青產(chǎn)品。產(chǎn)品性質(zhì)如表10。

從表10 可以得出，焦化輻射油通過減壓蒸餾的減壓渣油調(diào)和瀝青產(chǎn)品的針入度指數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)都滿足90A級(jí)瀝青產(chǎn)品的指標(biāo)。塔河煉化按照上述生產(chǎn)流程已連續(xù)生產(chǎn)三年，累計(jì)生產(chǎn)90A 瀝青約45 萬噸。源源不斷的輸入到西藏及西部地區(qū)道路建設(shè)中，為企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益，為西部地區(qū)道路建設(shè)做出了積極的貢獻(xiàn)。

5 結(jié)論

圖3 塔河原油生產(chǎn)瀝青工藝流程

表9 流程改造后減壓渣油性質(zhì)

圖4 減壓渣油性質(zhì)

針對(duì)塔河煉化加工塔河原油生產(chǎn)高等級(jí)道路瀝青存在的問題，從塔河煉化現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，選擇適宜于調(diào)和瀝青產(chǎn)品的焦化蠟油和焦化輻射油作為原料，開展生產(chǎn)高等級(jí)道路瀝青原料對(duì)比研究，并生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的高等級(jí)道路瀝青產(chǎn)品。得出如下結(jié)論。

（1）塔河焦化蠟油具有生產(chǎn)瀝青調(diào)和軟組分的潛在可能性，調(diào)和瀝青的性質(zhì)除閃點(diǎn)外均滿足高等級(jí)道路瀝青的指標(biāo)。

表10 瀝青產(chǎn)品分析

（2）焦化輻射油雖然餾程范圍較寬，但其實(shí)沸點(diǎn)＞430℃的渣油各種性能良好。能夠完全滿足A級(jí)瀝青的要求。

（3）按AC-13 混合料的配合比要求進(jìn)行的評(píng)估試驗(yàn)表明，兩種瀝青混合料的馬歇爾體積指標(biāo)、車轍動(dòng)穩(wěn)定度及浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比滿足所有氣候分區(qū)的使用要求。

（4）焦化輻射油通過減壓蒸餾獲得的減壓渣油作為基質(zhì)瀝青性能良好，生產(chǎn)出90A級(jí)瀝青。且連續(xù)生產(chǎn)三年，瀝青性能保持穩(wěn)定，為中國(guó)西部地區(qū)道路建設(shè)做出了積極的貢獻(xiàn)。