塔河原油生產高等級道路瀝青原料選擇與評價

張龍，方向晨，蓋金祥，金平，侯欣岐，劉樹華

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

隨著“一帶一路”建設，中國經濟重心從東部向中西部轉移過程中，中國西部道路建設迎來高速發展的增長期。中國石化集團公司在西安召開的西部瀝青質量升級攻關會確認，中國西部道路建設對高等級道路瀝青的需求將急劇增長。今后5～10 年西藏交通建設將臨來跨越式發展，瀝青年需求量在20萬～30萬噸[1]。高等級道路瀝青生產成為西部地區煉油企業迫在眉睫的問題。

塔河原油是中國西部煉廠主要原油供應來源之一，是瀝青市場生產高等級道路瀝青的主要原油品種[2]之一。大量的研究和工業生產表明，瀝青的性質在很大程度上取決于原油性質[3]，直接用減壓蒸餾工藝生產高等級道路瀝青的原油并不多[4]。據石油化工科學研究院報告[5]，塔河原油＞410℃及＞480℃各級渣油均不宜直接生產道路瀝青。且隨著塔河原油性質重質化、劣質化的加劇[6]，塔河原油減壓渣油生產高等級道路瀝青面臨產品針入度和閃點指標相互矛盾、難以兼顧的問題，導致其瀝青產品質量持續劣化[7]。然而，塔河煉化加工原油品種單一，生產瀝青的原油和渣油沒有選擇性；同時其加工總流程較為特殊和單一，無法生產調和瀝青所常用的抽出油和油漿等煉油副產品。且塔河煉化地處邊疆，油品運輸困難且成本高。這些不利因素嚴重制約塔河煉化道路瀝青產品質量以及改善其性質的途徑。為此，本文對塔河原油生產高等級道路瀝青所需的瀝青原料進行研究，以生產出合格的90A道路瀝青，滿足企業及市場的需要。

1 原料選擇

依靠一種原油直接生產瀝青的原油品種很少。大多數瀝青生產都是通過多種適宜的組分調和而成的。瀝青性質的優劣主要取決于原料性質。因此，瀝青原料的選擇至關重要。由于塔河原油密度大、黏度高，殘炭與瀝青質含量高的性質，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，且采取高循環比設計[8]。研究發現[9]：經過延遲焦化高溫深度裂化反應而得到的焦化蠟油中含有較多的重質多環芳烴、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有產品結構中可用于瀝青生產為數不多的原料之一。鑒于塔河煉化延遲焦化采用高循環比操作模式，焦化分餾塔塔底的焦化輻射油是焦化反應油氣在分餾塔內與焦化進料傳質、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瀝青原料，研究分析塔河焦化蠟油和焦化輻射油性質進行比較。分析結果見表1。

根據表1分析數據，從組成上看，塔河焦化蠟油基本不含瀝青質組分，具有一定的芳烴和膠質含量，作為生產瀝青的調和軟組分應具備一定的潛在可能性，但與瀝青諸多性質相關[10]且反應膠溶能力的膠體不穩定指數Ic[11]（Colloidal Instability Index）為1.16。焦化輻射油雖然含有11.6%的瀝青質，但也含有相對于焦化蠟油更高的膠質組分。芳烴組分和焦化蠟油的大致相當，飽和烴組分高出焦化蠟油約22個百分點。其膠體不穩定指數Ic為0.76，低于焦化蠟油的。通常，軟化點、延度等瀝青指標與瀝青的膠體結構有關。瀝青質在瀝青膠體中是質心或核心，靠芳香分和膠質分散。在瀝青質含量高或膠質芳香分含量不足（分散能力降低）情況下，體系的膠溶能力降低，瀝青質會集聚并形成具有一定強度的空間結構（也有人稱其為網絡），導致瀝青性質發生變化，如軟化點升高、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，生產出瀝青產品的性能較好。

表1 塔河焦化蠟油和焦化輻射油性質對比分析

從餾程上看，塔河焦化蠟油400℃以上組分質量分數30%左右，420℃以上質量分數10%左右，高沸點重質餾分含量并不多，可供生產瀝青的組分含量在30%以下。另外，經實驗研究[12]，塔河原油中加入焦化蠟油可以明顯提高渣油的閃點、降低了針入度指數（PI）值。但從瀝青產品閃點優化的角度看，應選擇塔河原油中摻煉15%焦化蠟油（對進料）減壓蒸餾＞420℃餾程范圍渣油為最佳。

而輻射油作為焦化塔進料，包括渣油、焦化蠟油，組成復雜。其初餾點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，初餾點較低，但含量較少，大部分餾分集中在380℃以上。利用實沸點蒸餾儀對焦化輻射油進行了蒸餾切割，實沸點蒸餾后各段渣油作為生產瀝青的性質如表2所示。

表2 焦化輻射油實沸點蒸餾渣油性質

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，閃點滿足90A道路瀝青要求。適宜作為生產高等級道路瀝青的基礎配比原料。

2 調和瀝青試驗

為進一步對比塔河原油摻煉焦化蠟油和焦化輻射油生產高等級瀝青的性能，按AC-13 級配進行了混合料性能評價試驗。瀝青原料分別為摻煉15%焦化蠟油的塔河原油實沸點蒸餾＞420℃的渣油和焦化輻射油實沸點＞430℃的渣油。調和瀝青后制備了混合料性能評價樣品分別為H-90和C-90，調和瀝青試驗結果見表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都滿足高等級道路瀝青的質量指標。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的閃點為244℃，低于高等級道路瀝青的質量指標。而C-90能夠完全滿足A級瀝青的要求。由圖1可知，樣品H-90和C-90的黏溫曲線基本一致。

3 混合料性能評價

為評價對比H-90 和C-90 作為瀝青產品的使用性能，依據交通部《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ 052—2000）進行混合料試驗。在混合料性能評價試驗中，采用了某筑路新材料有限公司的石灰巖礦料。各粒徑范圍的礦料主要性質均符合道路工程的規范要求。選擇常用的細粒式密級配AC-13 瀝青混合料。此種級配的瀝青用量較大，包裹粗集料的瀝青膜比較富余，可增強瀝青混合料的耐久性。對各粒徑范圍的礦料組分進行調配試驗，并通過篩分結果選擇比較接近級配中值的曲線數據為本次瀝青混合料評價試驗的目標級配，見表4。級配曲線見圖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量與礦料質量的比例。通常，最佳油石比的確定，是根據不同油石比水平的馬歇爾試驗結果來通過計算相關參數而獲得。對H-90 和C-90 兩種混合料進行試驗，確定兩種瀝青混合料的油石比均為5.0%。

圖1 混合料評價用瀝青大樣的黏溫曲線

表3 調和瀝青試驗

表4 AC-13的推薦級配范圍及實驗形成的目標級配

表5 瀝青混合料馬歇爾體積指標檢驗結果

圖2 試驗用礦料級配曲線

3.1 馬歇爾體積指標檢驗

依據所得級配和油石比，制備瀝青混合料及馬歇爾試件，進行馬歇爾試驗。結果見表5。數據表明，兩種瀝青AC-13混合料的馬歇爾試驗各項指標可以滿足不同地區高速公路和一級公路的規范要求。

3.2 高溫穩定性評價試驗

瀝青混合料的高溫穩定性、抗塑形變形能力是評價瀝青路面車輛荷載的碾壓下產生橫向剪切變形流動的性質，關系到道路面變形、平整度、排水能力等指標。嚴重的會降低了路面的服務水平，甚至于威脅到行車安全。

為檢驗瀝青混合料的高溫穩定性，對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，按照規范要求進行了車轍試驗。結果見表6。數據表明，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沸點＞430℃的渣油制備的瀝青AC-13 混合料的動穩定度指標均滿足所有氣候分區的使用要求，具有非常好的高溫穩定性能。

表6 兩種瀝青材料混合料的車轍試驗結果

3.3 水穩定性能評價

瀝青路面的水損害影響因素較復雜，其基本的機理是瀝青路面在存在水分的條件下，經受交通荷載和溫度脹縮的反復作用，極性的水分子逐漸浸入到瀝青與集料的界面上，同時由于強大的動水壓力的作用，瀝青膜漸漸地從集料表面剝落，并導致與集料之間的粘結力喪失而發生破壞。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沸點＞430℃的渣油制備的瀝青AC-13混合料瀝青水穩定性試驗結果如表7 和表8。數據表明，兩種瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂強度比滿足規范要求，具有較好的抗水損害的能力。

表7 浸水馬歇爾殘留穩定度試驗結果

表8 凍融劈裂強度試驗結果

4 瀝青生產及評價

根據塔河煉化兩種瀝青生產原料對比研究，焦化輻射油＞430℃的渣油作為基質瀝青具有更加優良的性能。因此，選擇焦化輻射油作為原料，確定生產工藝流程[9]如圖3 所示，進行了工業生產。塔河原油進行換熱升溫后在常壓爐加熱到350～370℃進入常壓蒸餾塔進行常壓蒸餾。蒸餾塔底常壓渣油入焦化分餾塔進料進入延遲焦化裝置焦化分餾塔。高溫的焦化反應油進入焦化分餾塔底部換熱洗滌板下換熱段，焦化蠟油抽出分出一部分洗滌油進入洗滌換熱段上部，對高溫反應油氣進行洗滌冷卻，冷凝下來的焦化循環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泵抽出后部分送焦化爐，部分經減壓爐加熱到380～420℃進入減壓蒸餾塔。從減壓蒸塔側線抽出減壓餾分油，從減壓塔底抽出減壓渣油，作為基質瀝青送往瀝青調和裝置。

塔河煉化按圖3生產流程改造后，穩定生產的減壓渣油采樣分析如表9所示。并持續將減壓渣油用于生產瀝青的性質進行跟蹤分析，分析結果如圖4所示。從表9、圖4中可以看出，減壓渣油作為基質瀝青的性質很穩定，針入度和閃點相互矛盾的一對性質得到了解決，二者都滿足瀝青產品的質量要求。且蠟含量控制在A級瀝青的指標范圍內，軟化點性能優良。減壓渣油中芳香分組分增加較為明顯，為瀝青調和過程FRI母液與減壓渣油的互溶創造了有利的條件。

并以減壓渣油為基質瀝青，調和出瀝青產品。產品性質如表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和瀝青產品的針入度指數等各項指標都滿足90A級瀝青產品的指標。塔河煉化按照上述生產流程已連續生產三年，累計生產90A 瀝青約45 萬噸。源源不斷的輸入到西藏及西部地區道路建設中，為企業創造了較大的經濟效益，為西部地區道路建設做出了積極的貢獻。

5 結論

圖3 塔河原油生產瀝青工藝流程

表9 流程改造后減壓渣油性質

圖4 減壓渣油性質

針對塔河煉化加工塔河原油生產高等級道路瀝青存在的問題，從塔河煉化現有產品結構中，選擇適宜于調和瀝青產品的焦化蠟油和焦化輻射油作為原料，開展生產高等級道路瀝青原料對比研究，并生產出優質的高等級道路瀝青產品。得出如下結論。

（1）塔河焦化蠟油具有生產瀝青調和軟組分的潛在可能性，調和瀝青的性質除閃點外均滿足高等級道路瀝青的指標。

表10 瀝青產品分析

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

（3）按AC-13 混合料的配合比要求進行的評估試驗表明，兩種瀝青混合料的馬歇爾體積指標、車轍動穩定度及浸水馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂強度比滿足所有氣候分區的使用要求。

（4）焦化輻射油通過減壓蒸餾獲得的減壓渣油作為基質瀝青性能良好，生產出90A級瀝青。且連續生產三年，瀝青性能保持穩定，為中國西部地區道路建設做出了積極的貢獻。