董智勇，邢定峰，趙鎖奇，黃文輝

（1.中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102200；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京100083；3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京100083）

天然瀝青是石油在自然界長(zhǎng)期受地殼擠壓、變化，不斷地從地殼中冒出，存在于山體、巖石裂隙中，并與空氣、水接觸逐漸變化，經(jīng)長(zhǎng)期蒸發(fā)凝固而形成的，其中?；煊幸欢ū壤牡V物質(zhì)［1］。巖瀝青是天然瀝青中的一種，其中含有許多砂和巖石，經(jīng)過(guò)加水熬制，可以得到純凈的瀝青［2］。隨著國(guó)際原油價(jià)格的持續(xù)上漲，從巖瀝青礦中提取燃料油或生產(chǎn)道路瀝青，具備經(jīng)濟(jì)可行性。

作者在此針對(duì)印度尼西亞布敦島天然巖瀝青（BRA），開(kāi)發(fā)了一種溶劑抽提巖瀝青生產(chǎn)石油瀝青和燃料油的新工藝，并探討了該工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。

1 巖瀝青資源分布與利用現(xiàn)狀

1.1 儲(chǔ)量分布

巖瀝青的主要產(chǎn)地有美國(guó)的猶他州（Gilsonite）［3］和堪薩斯州［4］、南太平洋印度尼西亞的布敦島（BMA）、法國(guó)的加德（Gard）、俄羅斯西伯利亞［5］、瑞士瓦勒德特拉弗斯（Valde Travers）地區(qū)的沙泰爾（Neuchatel）、意大利的拉古薩（Ragusa）、約旦中東部［6］以及阿爾巴尼亞南部發(fā)羅拉區(qū)塞萊尼。

國(guó)內(nèi)天然巖瀝青礦產(chǎn)資源主要分布于新疆、青海以及四川等地［7，8］，其中規(guī)模較大的是新疆一三七團(tuán)天然巖瀝青礦，該礦地處準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量1000萬(wàn)t以上，現(xiàn)年產(chǎn)天然巖瀝青8000t［9］。

1.2 主要用途

巖瀝青是石油基的固體，因此與瀝青極易共存，混合后形成天然巖瀝青與瀝青的緊密混合物，既有天然巖瀝青的硬度和耐磨性，同時(shí)也保留了瀝青的韌性［10］。巖瀝青具有非常優(yōu)良的路用性能，目前主要用作石油煉制瀝青的改性劑［11］。另外，巖瀝青具有耐酸堿性、耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，附著力強(qiáng)，可作為油漆及油墨等生產(chǎn)過(guò)程中的添加劑［12］、防腐涂料、熱固及熱塑性塑料添加劑，也可用于石油鉆井中的固井。

1.3 需求現(xiàn)狀

近年來(lái)，伴隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)的巨大需求和能源緊缺的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)瀝青和巖瀝青的凈進(jìn)口量逐年上升（圖1）［13］。

圖1 石油瀝青和巖瀝青的凈進(jìn)口量Fig.1 The import amounts of petroleum asphalt and rock asphalt

由圖1可知，自1995年以來(lái)，石油瀝青的凈進(jìn)口量持續(xù)攀升，2010年達(dá)到40萬(wàn)t以上。其中，主要進(jìn)口的瀝青類型為中國(guó)緊缺的重交通道路瀝青，用于機(jī)場(chǎng)跑道、高等級(jí)道路的鋪設(shè)；而巖瀝青凈進(jìn)口量在1995～2005年沒(méi)有明顯波動(dòng)，凈進(jìn)口量較少，自原油價(jià)格上漲和中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加速之后，2006年巖瀝青的凈進(jìn)口量大幅上升，2008～2009年受金融危機(jī)影響又有所回落。

中國(guó)進(jìn)口的巖瀝青主要來(lái)自印度尼西亞，占進(jìn)口總量的86.29%，其次為伊朗13.23%、美國(guó)0.27%、英國(guó)0.11%、阿聯(lián)酋0.08%、日本0.01%。因此，研究更好地利用印度尼西亞進(jìn)口巖瀝青具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和現(xiàn)實(shí)意義。

2 巖瀝青溶劑抽提新工藝

2.1 應(yīng)用背景

巖瀝青作為道路瀝青和油漆等行業(yè)的添加劑，國(guó)內(nèi)消費(fèi)量約10萬(wàn)t·a－1，規(guī)模較小。與石油、煤和油頁(yè)巖比較，巖瀝青開(kāi)采成本較低。不同的有機(jī)溶劑對(duì)巖瀝青中的有機(jī)質(zhì)萃取能力不同，常見(jiàn)的溶劑有多環(huán)芳烴、吡啶類、酚類、氯仿、溶劑油等［14］，有機(jī)質(zhì)脫除率最高能達(dá)到90%以上。

布敦島某巖瀝青礦可開(kāi)采量約5000萬(wàn)t，采出的巖瀝青原礦石除了用來(lái)生產(chǎn)道路瀝青改性劑外，部分摻入燃煤產(chǎn)蒸汽和電力，滿足礦區(qū)公用工程所需。為了實(shí)現(xiàn)規(guī)模化開(kāi)采和利用，計(jì)劃采用溶劑油來(lái)抽提瀝青質(zhì)，生產(chǎn)普通道路瀝青和重交通道路瀝青，副產(chǎn)輕烴處理后作為輕質(zhì)燃料和化工原料出售，礦渣作為水泥工業(yè)原料，溶劑回收循環(huán)利用。

2.2 原料和抽出油評(píng)價(jià)

選取布敦島巖瀝青礦區(qū)有代表性的、不同區(qū)位的3種含油率的樣品進(jìn)行溶劑抽提實(shí)驗(yàn)，巖瀝青性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 布敦島巖瀝青性質(zhì)Tab.1 The basic properties of BRA

設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，篩選抽提率高、適應(yīng)性好的溶劑，對(duì)回收溶劑后的抽出油進(jìn)行評(píng)價(jià)。抽出油常壓實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 布敦島巖瀝青抽出油常壓實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)Tab.2 The data of actural boiling－point distillation of asphaltenes of BRA

根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制抽出油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線，如圖2所示。

圖2 布敦島巖瀝青抽出油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線Fig.2 The actural boiling－point distillation curve of asphaltenes of BRA

分析發(fā)現(xiàn)抽出油的含硫量為4.86%。根據(jù)窄餾分收率比例，進(jìn)行了摻兌實(shí)驗(yàn)。分別選擇400～425℃、425～450℃、450～475℃和475～480℃4個(gè)餾程進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，選擇合適的餾程分配，所獲得瀝青的軟化點(diǎn)、針入度、延伸度等指標(biāo)能達(dá)到北美巖瀝青的技術(shù)指標(biāo)要求［15］，如表3所示。

表3 北美巖瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.3 The technical indicators of rock asphalt in North America

2.3 工藝方案

根據(jù)原料和抽出油評(píng)價(jià)結(jié)果，提出了溶劑抽提巖瀝青生產(chǎn)石油瀝青和燃料油、副產(chǎn)燃料氣和水泥原料的工藝方案：采用密閉的固定床抽提，抽提過(guò)程在3～4個(gè)抽提塔中交替進(jìn)行，蒸餾回收溶劑過(guò)程連續(xù)進(jìn)行。

巖瀝青經(jīng)脫水、粉碎和篩選后由傳動(dòng)帶送到抽提塔頂部，抽提塔頂部打開(kāi)裝料，由底部泵入預(yù)熱后的溶劑，抽提完成后，先用氮?dú)鈴捻敳繉⒊樘崴?nèi)的溶劑壓回中間溶劑罐，以回收抽提塔中存留的大部分溶劑，然后再將抽提塔抽提后殘余的溶劑用高溫水蒸氣汽提回收。溶劑抽提流程見(jiàn)圖3。

圖3 布敦島巖瀝青溶劑抽提流程Fig.3 The solvent extraction process of BRA

2.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性研究

以三塔流程計(jì)算，假設(shè)每個(gè)抽提塔的溶劑為400m3（直徑6m，高15m），每天3個(gè)塔輪流抽提1次，每天的巖瀝青處理量為1200m3×0.65t·m－3＝780t，年開(kāi)工330d，則可以處理257 400t，年產(chǎn)瀝青約51 500t，若為四塔流程，則年產(chǎn)瀝青達(dá)68 700t。

抽提過(guò)程所使用的溶劑成本低廉，但由于處理量大，需特別考慮其損失問(wèn)題。經(jīng)核算，經(jīng)過(guò)抽提之后，砂石回收溶劑時(shí)，如果每噸砂石損失溶劑3kg，則每天的溶劑損失量為2.34t，以6.5t·h－1油產(chǎn)量計(jì)，相當(dāng)于每生產(chǎn)1t瀝青損失1.5kg溶劑。

溶劑損失主要有裝置密封缺陷、砂石夾帶和抽出油攜帶等。其中，抽出油攜帶從成本角度是許可的，因?yàn)槌槌鲇痛之a(chǎn)品的出廠價(jià)格高于溶劑。

以溶劑蒸發(fā)潛熱300kJ·kg－1計(jì)，此過(guò)程主要能耗之一加熱爐需要熱能250×0.7×1000×300＝52 500MJ·h－1，標(biāo)準(zhǔn)燃油熱值41.868MJ·kg－1，相當(dāng)于1.25t·h－1標(biāo)準(zhǔn)燃油，約占瀝青產(chǎn)量的20%。因此采用低價(jià)值的煤作燃料，摻雜適量巖瀝青原礦石粉來(lái)產(chǎn)蒸汽，以高溫蒸汽作為加熱介質(zhì)和汽提介質(zhì)，會(huì)較采用燃油或燃?xì)忮仩t更經(jīng)濟(jì)。

在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室小試裝置的基礎(chǔ)上，建立以溶劑抽提手段為主的工業(yè)化裝置，處理規(guī)模為80萬(wàn)t·a－1，得到石油瀝青約15萬(wàn)t·a－1，溶劑損耗低于3%。產(chǎn)品的軟化點(diǎn)、針入度、延伸度等符合GB／T 15180－2000重交通道路石油瀝青國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 討論

（1）通過(guò)定期補(bǔ)充溶劑方式，整個(gè)裝置可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）巖瀝青礦開(kāi)采會(huì)產(chǎn)生浮土和石灰?guī)r、砂巖碎石，需要回填礦區(qū)并恢復(fù)植被。

（3）溶劑抽提過(guò)程中會(huì)有微量溶劑揮發(fā)，燃料油燃燒時(shí)的尾氣中含有H2S和SO2，通過(guò)尾氣吸收和凈化裝置后達(dá)標(biāo)排放。

（4）抽提后礦渣可作為配套水泥廠原料。

3 結(jié)論

對(duì)巖瀝青的儲(chǔ)量分布和資源利用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，針對(duì)印度尼西亞布敦島天然巖瀝青提出了一種用溶劑抽提巖瀝青生產(chǎn)石油瀝青和燃料油、副產(chǎn)燃料氣和水泥原料的新工藝，該工藝具備技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。

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