塔河原油生产高等级道路沥青原料选择与评价

张龙，方向晨，盖金祥，金平，侯欣岐，刘树华

（1 中国石化大连石油化工研究院，辽宁大连116045；2 中国石化塔河炼化有限责任公司，新疆库车842000）

随着“一带一路”建设，中国经济重心从东部向中西部转移过程中，中国西部道路建设迎来高速发展的增长期。中国石化集团公司在西安召开的西部沥青质量升级攻关会确认，中国西部道路建设对高等级道路沥青的需求将急剧增长。今后5～10 年西藏交通建设将临来跨越式发展，沥青年需求量在20万～30万吨[1]。高等级道路沥青生产成为西部地区炼油企业迫在眉睫的问题。

塔河原油是中国西部炼厂主要原油供应来源之一，是沥青市场生产高等级道路沥青的主要原油品种[2]之一。大量的研究和工业生产表明，沥青的性质在很大程度上取决于原油性质[3]，直接用减压蒸馏工艺生产高等级道路沥青的原油并不多[4]。据石油化工科学研究院报告[5]，塔河原油＞410℃及＞480℃各级渣油均不宜直接生产道路沥青。且随着塔河原油性质重质化、劣质化的加剧[6]，塔河原油减压渣油生产高等级道路沥青面临产品针入度和闪点指标相互矛盾、难以兼顾的问题，导致其沥青产品质量持续劣化[7]。然而，塔河炼化加工原油品种单一，生产沥青的原油和渣油没有选择性；同时其加工总流程较为特殊和单一，无法生产调和沥青所常用的抽出油和油浆等炼油副产品。且塔河炼化地处边疆，油品运输困难且成本高。这些不利因素严重制约塔河炼化道路沥青产品质量以及改善其性质的途径。为此，本文对塔河原油生产高等级道路沥青所需的沥青原料进行研究，以生产出合格的90A道路沥青，满足企业及市场的需要。

1 原料选择

依靠一种原油直接生产沥青的原油品种很少。大多数沥青生产都是通过多种适宜的组分调和而成的。沥青性质的优劣主要取决于原料性质。因此，沥青原料的选择至关重要。由于塔河原油密度大、黏度高，残炭与沥青质含量高的性质，塔河炼化总加工流程中重油（蜡油、渣油）加工路线选择延迟焦化工艺，且采取高循环比设计[8]。研究发现[9]：经过延迟焦化高温深度裂化反应而得到的焦化蜡油中含有较多的重质多环芳烃、碱性氮化物，这些组分具有极高的针入度。焦化蜡油是塔河炼化现有产品结构中可用于沥青生产为数不多的原料之一。鉴于塔河炼化延迟焦化采用高循环比操作模式，焦化分馏塔塔底的焦化辐射油是焦化反应油气在分馏塔内与焦化进料传质、传热后的液相馏分，也存在高针入度组分的可能性。为此，选择塔河炼化焦化蜡油和焦化辐射油为生产沥青原料，研究分析塔河焦化蜡油和焦化辐射油性质进行比较。分析结果见表1。

根据表1分析数据，从组成上看，塔河焦化蜡油基本不含沥青质组分，具有一定的芳烃和胶质含量，作为生产沥青的调和软组分应具备一定的潜在可能性，但与沥青诸多性质相关[10]且反应胶溶能力的胶体不稳定指数Ic[11]（Colloidal Instability Index）为1.16。焦化辐射油虽然含有11.6%的沥青质，但也含有相对于焦化蜡油更高的胶质组分。芳烃组分和焦化蜡油的大致相当，饱和烃组分高出焦化蜡油约22个百分点。其胶体不稳定指数Ic为0.76，低于焦化蜡油的。通常，软化点、延度等沥青指标与沥青的胶体结构有关。沥青质在沥青胶体中是质心或核心，靠芳香分和胶质分散。在沥青质含量高或胶质芳香分含量不足（分散能力降低）情况下，体系的胶溶能力降低，沥青质会集聚并形成具有一定强度的空间结构（也有人称其为网络），导致沥青性质发生变化，如软化点升高、延度下降等。由焦化蜡油和焦化辐射油的Ic可以看出焦化辐射油的胶溶能力更好，生产出沥青产品的性能较好。

表1 塔河焦化蜡油和焦化辐射油性质对比分析

从馏程上看，塔河焦化蜡油400℃以上组分质量分数30%左右，420℃以上质量分数10%左右，高沸点重质馏分含量并不多，可供生产沥青的组分含量在30%以下。另外，经实验研究[12]，塔河原油中加入焦化蜡油可以明显提高渣油的闪点、降低了针入度指数（PI）值。但从沥青产品闪点优化的角度看，应选择塔河原油中掺炼15%焦化蜡油（对进料）减压蒸馏＞420℃馏程范围渣油为最佳。

而辐射油作为焦化塔进料，包括渣油、焦化蜡油，组成复杂。其初馏点较焦化蜡油低了很多，但其中轻馏分含量却较少。大于400℃馏分含量较高，在70%以上。虽然焦化辐射油馏程范围较宽，初馏点较低，但含量较少，大部分馏分集中在380℃以上。利用实沸点蒸馏仪对焦化辐射油进行了蒸馏切割，实沸点蒸馏后各段渣油作为生产沥青的性质如表2所示。

表2 焦化辐射油实沸点蒸馏渣油性质

从表2可以看出，焦化辐射油减压蒸馏后各段渣油的PI值均较低，闪点满足90A道路沥青要求。适宜作为生产高等级道路沥青的基础配比原料。

2 调和沥青试验

为进一步对比塔河原油掺炼焦化蜡油和焦化辐射油生产高等级沥青的性能，按AC-13 级配进行了混合料性能评价试验。沥青原料分别为掺炼15%焦化蜡油的塔河原油实沸点蒸馏＞420℃的渣油和焦化辐射油实沸点＞430℃的渣油。调和沥青后制备了混合料性能评价样品分别为H-90和C-90，调和沥青试验结果见表3，二者的黏温曲线见图1。

由表3可见，样品H-90和C-90的针入度、不同温度下的延度、以及薄膜烘箱后各种性质都满足高等级道路沥青的质量指标。H-90的PI高于C-90，H-90的针入度随温度的敏感度要好于C-90。但H-90的闪点为244℃，低于高等级道路沥青的质量指标。而C-90能够完全满足A级沥青的要求。由图1可知，样品H-90和C-90的黏温曲线基本一致。

3 混合料性能评价

为评价对比H-90 和C-90 作为沥青产品的使用性能，依据交通部《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052—2000）进行混合料试验。在混合料性能评价试验中，采用了某筑路新材料有限公司的石灰岩矿料。各粒径范围的矿料主要性质均符合道路工程的规范要求。选择常用的细粒式密级配AC-13 沥青混合料。此种级配的沥青用量较大，包裹粗集料的沥青膜比较富余，可增强沥青混合料的耐久性。对各粒径范围的矿料组分进行调配试验，并通过筛分结果选择比较接近级配中值的曲线数据为本次沥青混合料评价试验的目标级配，见表4。级配曲线见图2。沥青混合料的沥青用量，也称油石比，是指沥青混合料中的沥青质量与矿料质量的比例。通常，最佳油石比的确定，是根据不同油石比水平的马歇尔试验结果来通过计算相关参数而获得。对H-90 和C-90 两种混合料进行试验，确定两种沥青混合料的油石比均为5.0%。

图1 混合料评价用沥青大样的黏温曲线

表3 调和沥青试验

表4 AC-13的推荐级配范围及实验形成的目标级配

表5 沥青混合料马歇尔体积指标检验结果

图2 试验用矿料级配曲线

3.1 马歇尔体积指标检验

依据所得级配和油石比，制备沥青混合料及马歇尔试件，进行马歇尔试验。结果见表5。数据表明，两种沥青AC-13混合料的马歇尔试验各项指标可以满足不同地区高速公路和一级公路的规范要求。

3.2 高温稳定性评价试验

沥青混合料的高温稳定性、抗塑形变形能力是评价沥青路面车辆荷载的碾压下产生横向剪切变形流动的性质，关系到道路面变形、平整度、排水能力等指标。严重的会降低了路面的服务水平，甚至于威胁到行车安全。

为检验沥青混合料的高温稳定性，对C-90和H-90 样品采用5%油石比、碾压温度分别为148℃和149℃条件下制成沥青混合料车辙试件，按照规范要求进行了车辙试验。结果见表6。数据表明，加15%焦化蜡油塔河原油混合蒸馏所得＞420℃的渣油和焦化辐射油实沸点＞430℃的渣油制备的沥青AC-13 混合料的动稳定度指标均满足所有气候分区的使用要求，具有非常好的高温稳定性能。

表6 两种沥青材料混合料的车辙试验结果

3.3 水稳定性能评价

沥青路面的水损害影响因素较复杂，其基本的机理是沥青路面在存在水分的条件下，经受交通荷载和温度胀缩的反复作用，极性的水分子逐渐浸入到沥青与集料的界面上，同时由于强大的动水压力的作用，沥青膜渐渐地从集料表面剥落，并导致与集料之间的粘结力丧失而发生破坏。加15%焦化蜡油塔河原油混合蒸馏所得＞420℃的渣油和焦化辐射油实沸点＞430℃的渣油制备的沥青AC-13混合料沥青水稳定性试验结果如表7 和表8。数据表明，两种沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比满足规范要求，具有较好的抗水损害的能力。

表7 浸水马歇尔残留稳定度试验结果

表8 冻融劈裂强度试验结果

4 沥青生产及评价

根据塔河炼化两种沥青生产原料对比研究，焦化辐射油＞430℃的渣油作为基质沥青具有更加优良的性能。因此，选择焦化辐射油作为原料，确定生产工艺流程[9]如图3 所示，进行了工业生产。塔河原油进行换热升温后在常压炉加热到350～370℃进入常压蒸馏塔进行常压蒸馏。蒸馏塔底常压渣油入焦化分馏塔进料进入延迟焦化装置焦化分馏塔。高温的焦化反应油进入焦化分馏塔底部换热洗涤板下换热段，焦化蜡油抽出分出一部分洗涤油进入洗涤换热段上部，对高温反应油气进行洗涤冷却，冷凝下来的焦化循环油和常压渣油在焦化分馏塔塔底混合。焦化分馏塔塔底焦化辐射油油经泵抽出后部分送焦化炉，部分经减压炉加热到380～420℃进入减压蒸馏塔。从减压蒸塔侧线抽出减压馏分油，从减压塔底抽出减压渣油，作为基质沥青送往沥青调和装置。

塔河炼化按图3生产流程改造后，稳定生产的减压渣油采样分析如表9所示。并持续将减压渣油用于生产沥青的性质进行跟踪分析，分析结果如图4所示。从表9、图4中可以看出，减压渣油作为基质沥青的性质很稳定，针入度和闪点相互矛盾的一对性质得到了解决，二者都满足沥青产品的质量要求。且蜡含量控制在A级沥青的指标范围内，软化点性能优良。减压渣油中芳香分组分增加较为明显，为沥青调和过程FRI母液与减压渣油的互溶创造了有利的条件。

并以减压渣油为基质沥青，调和出沥青产品。产品性质如表10。

从表10 可以得出，焦化辐射油通过减压蒸馏的减压渣油调和沥青产品的针入度指数等各项指标都满足90A级沥青产品的指标。塔河炼化按照上述生产流程已连续生产三年，累计生产90A 沥青约45 万吨。源源不断的输入到西藏及西部地区道路建设中，为企业创造了较大的经济效益，为西部地区道路建设做出了积极的贡献。

5 结论

图3 塔河原油生产沥青工艺流程

表9 流程改造后减压渣油性质

图4 减压渣油性质

针对塔河炼化加工塔河原油生产高等级道路沥青存在的问题，从塔河炼化现有产品结构中，选择适宜于调和沥青产品的焦化蜡油和焦化辐射油作为原料，开展生产高等级道路沥青原料对比研究，并生产出优质的高等级道路沥青产品。得出如下结论。

（1）塔河焦化蜡油具有生产沥青调和软组分的潜在可能性，调和沥青的性质除闪点外均满足高等级道路沥青的指标。

表10 沥青产品分析

（2）焦化辐射油虽然馏程范围较宽，但其实沸点＞430℃的渣油各种性能良好。能够完全满足A级沥青的要求。

（3）按AC-13 混合料的配合比要求进行的评估试验表明，两种沥青混合料的马歇尔体积指标、车辙动稳定度及浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比满足所有气候分区的使用要求。

（4）焦化辐射油通过减压蒸馏获得的减压渣油作为基质沥青性能良好，生产出90A级沥青。且连续生产三年，沥青性能保持稳定，为中国西部地区道路建设做出了积极的贡献。