塔河稠油掺炼焦化蜡油改善道路沥青性能的研究

刘树华，仝玉军，沈本贤，郭皎河

(1.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001；2.华东理工大学化学工程联合国家重点实验室)

塔河稠油自2005年生产A级道路沥青以来，其密度(20 ℃)逐年增加，从最初的0.937 0 gcm3升高到目前的0.954 1 gcm3。相应地，减压渣油沥青质(正庚烷不溶物)质量分数由15%升高到21%、闪点(开口)由260 ℃降低到235 ℃、针入度指数(PI值)由-0.2升高到1.8左右，导致其调制沥青难以达到A级道路沥青闪点和PI值技术指标要求，直接影响了塔河稠油生产A级道路沥青的正常运行。

道路沥青产品的闪点与其馏程有关。一般而言，稠油或重质原油直馏法生产的道路沥青因蒸馏切割温度较低，闪点一般也较低，个别稠油生产的道路沥青闪点甚至低于道路沥青规范要求。一般采用该稠油与其它合适的原油或其馏分混炼工艺来提高沥青的蒸馏切割温度。例如，Gale等[1]采用减压蜡油与冷湖稠油共蒸馏工艺提高了冷湖稠油道路沥青(沥青质含量大于15%)的闪点。PI值反映沥青针入度对温度变化的敏感性，又称为感温性，主要与沥青胶体体系中的沥青质含量及其分散程度有关，在理论上降低PI值的主要方法是降低沥青质含量或改善其分散程度。通常认为，在沥青四组分中，胶质和芳香分的含量决定沥青质分散状态。

塔河焦化蜡油(CGO)有两个特点：一是氮含量较高，尤其是碱氮；二是重芳烃和胶质含量较高[2]，因此，进一步轻质化加工难度较大。为此，人们一直在探索利用CGO的合适加工路线[3-4]。根据石油沥青与石料的黏附性原理，碱性化合物将有助于提高沥青与酸性石料的黏附性；根据沥青的胶体理论，芳烃和胶质有助于改善沥青质的分散性，进而影响沥青的PI值和其它流变学性质。因此，利用CGO作为生产道路沥青组分应该是值得研究的课题。

为探索CGO新应用途径，结合塔河稠油生产A级道路沥青的实际情况，分别在实验室和工业装置上考察塔河稠油或塔河常压渣油掺炼CGO对塔河减压渣油调制的90号A级道路沥青的闪点、PI值以及其它性能的影响。同时，对制备的道路沥青进行混合料试验，对其高温稳定性、水稳定性以及低温抗裂性能进行考察。

1 实 验

1.1 试验原料

塔河稠油和CGO的性质见表1。由表1可见，塔河稠油的沥青质含量较高，CGO含有较多的芳烃及少量的胶质，不含沥青质。

1.2 试验方法

1.2.1塔河稠油掺炼CGO实沸点蒸馏与沥青调制试验首先将塔河稠油与一定比例CGO混合均匀，在FY-Ⅱ型实沸点蒸馏仪上进行混合蒸馏，得到合适针入度的减压渣油，考察CGO用量对减压渣油性质的影响。取一定量的减压渣油置于小搅拌釜中，加热到140～150 ℃，加入一定比例的增延剂母液，采用机械搅拌器使其混合均匀，静置一段时间，测其性质。

表1 原料的性质

1.2.2工业试验按推荐的CGO与稠油的混合比例，折算成CGO与常压渣油比例在管道中混合，共同进入减压塔加热炉后，再进入减压塔进行减压蒸馏。然后，换热后减压渣油进入A级沥青工业装置调制罐与增延母液搅拌混合，生产A级沥青工业产品。

2 结果与讨论

2.1 CGO掺炼比例对减压渣油性质的影响

在实沸点装置上，考察了CGO掺炼比例对塔河减压渣油性质的影响，结果见表2。由表2可以看出：在大致相同的减压渣油针入度条件下，其实沸点切割温度显著提高，对应的减压渣油闪点先升高后平稳或略有降低，到加入15%CGO时达到最大值；质量损失随CGO用量的增加，有一定程度的下降；随着CGO用量的不断增加，保留在减压渣油中的沥青质被CGO组分稀释，其含量出现小幅下降，饱和分含量有一定程度下降，芳香分与胶质含量有一定程度增加。这种组成的变化也说明，CGO中的芳烃、胶质进入了减压渣油中，并置换出一部分饱和分。族组成的这种变化导致减压渣油PI值由2.59下降到0.75。

表2 CGO用量对塔河减压渣油性质的影响

按照沥青胶体理论，沥青质是胶体核心，靠芳香分和胶质胶溶、分散。当沥青质含量较高或分散介质胶质、芳香分含量相对不足时，体系分散能力或胶溶能力下降，势必引起胶体结构变化，进而影响沥青的性质。胶体结构的这种变化可用胶体不稳定指数(Ic)变化来表征，其表达式为(沥青质+饱和分)(芳香分+胶质)。该值越大，表明沥青质聚集程度越高或其在体系中的分散性越差，胶体稳定性越差或胶体的胶溶能力越差，导致沥青的结构性增强、塑性变形能力变差[5-6]。因此，随着CGO用量的增加，Ic不断下降，减压渣油胶体的胶溶能力不断得到改善，进而引起减压渣油PI值降低、软化点下降、延度提高。

一般用薄膜烘箱试验后的针入度比和质量变化表征沥青材料的抗老化性能。表2数据表明，CGO用量小于15%时，减压渣油的抗老化性能基本不受影响，以后随着CGO用量的增加质量损失虽有所减少，但针入度比仍不断下降。因此，造成针入度比下降的原因是减压渣油的化学老化：CGO为热裂化产物，其中含有一定的热不稳定组分如烯烃等，当保留在减压渣油中的这种热不稳定组分达到一定浓度时，会对减压渣油的针入度比造成一定的负面影响。

2.2 调制沥青

在表2中的4种实沸点减压渣油中，加入相同比例的增延剂，进行了A级沥青调制试验，考察塔河常压渣油中CGO加入量对调制沥青性质的影响，结果见表3。从表3可以看出：调制的道路沥青与所用减压渣油的性质具有一致性；PI值、60 ℃黏度和软化点随CGO用量的增加而下降；当CGO用量不小于15%时PI值可满足A级沥青的要求；CGO明显提高了调制沥青的闪点，在CGO用量为10%时可满足标准要求，15%时达到最大值，其后基本保持不变；CGO用量不大于15%时，抗老化性较好，与不含CGO的调制沥青差别不大，当CGO用量大于15%时，抗老化性能随CGO用量增大而变差；质量损失随CGO用量提高而有所下降。因此，从优化A级道路沥青闪点和PI值以及尽量保持其高温性能和抗老化性能来看，塔河稠油掺炼15% CGO生产A级道路沥青是合适的。

表3 不同CGO加入量下所得减压渣油调制沥青的性质

2.3 工业试验

在炼油厂进行了CGO掺炼塔河常压渣油工业试验，CGO用量占进料量的20%(按原油量为15%)。在减压塔加热炉入口总进料量50 th、出口温度365 ℃的条件下，考察掺炼CGO对减压渣油性质及对下游A级沥青工业装置产品质量的影响。掺炼CGO对工业试验减压渣油馏程的影响见表4。由表4可以看出，塔河常压渣油掺炼CGO后，减压渣油的初馏点、5%和10%馏出温度均得到明显提高。这说明CGO改变了减压渣油的馏程，为提高调制沥青的闪点打下了良好的基础。CGO对减压渣油及调制沥青性质的影响见表5。由表5可见，掺炼CGO后，因减压渣油馏程和Ic值的变化，调制沥青的闪点明显增加、PI值明显下降，各项指标均符合A级沥青质量要求。

表4 CGO对塔河减压渣油馏程的影响

表5 CGO对减压渣油及其调制沥青性质的影响

2.4 CGO对沥青混合料性能的影响

为了评价残留在调制沥青中焦化蜡油组分对混合料性能的影响，按照交通部《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》(JTG 052—2000)，对掺炼CGO前后两种塔河90号道路沥青(见表5)进行混合料高低温性能和水稳定性能进行对比试验，其中骨料级配选为AC-13。以油石比为横坐标，以马歇尔试验的各项指标为纵坐标绘制马歇尔试验曲线图，通过计算相关参数，确定两种沥青混合料的适宜油石比均为5.0%。沥青混合料性能评价结果见表6。由表6可见：CGO对混合料的高温车辙动稳定度、低温小梁弯曲抗裂性能几乎没有影响；水稳定性指标包括浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比，CGO对前者稍有改善而对后者没有影响。因此，CGO对沥青混合料性能无负面影响。

表6 CGO对AC-13沥青混合料性能的影响

3 结 论

(1)塔河减压渣油因切割温度较低而使其闪点较低，因沥青质含量较高、芳香分和胶质含量较低而使其PI值较高、延度较低，进而造成该减压渣油调制的沥青不能满足A级道路沥青的相应指标要求。

(2)塔河稠油掺炼CGO提高了减压渣油的切割温度、降低了Ic，进而提高了减压渣油及其调制道路沥青的闪点，降低了PI值。

(3)掺炼15% CGO对提高减压渣油与沥青闪点的效果明显，PI值也在合适范围内，同时更好地兼顾了道路沥青的抗老化性能和高温性能，所有指标均满足JTG F40—2004 90A的标准要求。

(4)掺炼15% CGO时生产的道路沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度好于不含CGO的对比沥青，对其它指标无负面影响。

[1] Gale M J.Method for enhancing asphalt properties：The United States，US 6258255[P].2001-07-10

[2] 陈文艺.几种焦化蜡油化学组成和结构的研究[J].石油炼制与化工，1997，28(2)：52-57

[3] 张涛.焦化蜡油加工技术的探讨[J].石油炼制与化工，1995，26(10)：12-18

[4] 刘双成.低质焦化蜡油的加工优化[J].石油炼制与化工，2006，37(9)：28-30

[5] Baginska K，Gawel I.Effect of origin and technology on the chemical composition and colloidal stability of bitumens[J].Fuel Processing Technology，2004，85：1453-1462

[6] Oyekunle L O.Certain relationships between chemical composition and properties of petroleum asphalts from different origin[J].Oil & Gas Science and Technology-Rev IFP，2006，61(3)：433-441