提高改質瀝青質量技術研究

朱玉萍，楊文迪，唐忠斌

(1.攀鋼煉鐵廠，四川 攀枝花 61700；2.攀鋼集團研究院有限公司，四川 攀枝花 61700)

改質瀝青是中溫瀝青的下游產品，產率約占焦油加工量的55%左右，是碳素行業的重要原料[1]。改質瀝青組成復雜，是以芳香族為主、結構復雜的多環芳烴化合物構成的混合體[2]，改質瀝青有兩個非常重要的質量指標：甲苯不溶物(BI)和喹啉不溶物(QI)，BI是由多種不同化學成分的高分子碳氫化合物組成的混合物，在碳材料生產中主要起黏結作用；QI是煤焦油和煤瀝青在高溫聚合過程中形成的，是高度縮合的稠環芳烴，在粘結劑中起骨料作用。改質瀝青附加值遠高于中溫瀝青，是增加焦化銷售收入及利潤的有效途徑之一，因此控制好改質瀝青的品質至關重要。

1 現狀分析

1.1 改質瀝青生產工藝

脫水后的原料焦油用泵送到焦油二段蒸發器蒸餾，從二次蒸發器底部出來的瀝青不經冷卻進入改質瀝青反應釜，在此被加熱并在380～395 ℃左右保溫熱聚合10 h后，經冷卻至280 ℃以下，進入改質瀝青高置槽，瀝青在高置槽內繼續冷卻到230 ℃以下，再經鏈板機冷卻成型后裝車外發。

1.2 改質瀝青生產現狀

攀鋼釩煉鐵廠現有兩套改質瀝青生產裝置，設計年生產改質瀝青產品10萬噸，實際年產量7萬噸左右。改質瀝青生產從投產以來一直比較正常，但從2017年開始，改質瀝青質量開始出現BI和QI連續嚴重超標。2017年攀鋼釩煉鐵廠生產的改質瀝青喹啉不溶物和甲苯不溶物含量見圖1、圖2。

從圖1、圖2可見，喹啉不溶物和甲苯不溶物含量遠高于國標(BI：26%～34%，QI：6%～15%)要求，導致產品銷售困難，直接影響攀枝花盤江煤焦化公司焦油加工生產。

圖1 2017年改質瀝青喹啉不溶物統計結果

圖2 2017年改質瀝青甲苯不溶物統計結果

2 影響改質瀝青喹啉不溶物和甲苯不溶物的因素

2.1 影響改質瀝青喹啉不溶物的因素

2.1.1原料焦油質量

改質瀝青中的喹啉不溶物由焦油中含有的喹啉不溶物和熱聚合過程中的喹啉不溶物組成，原料焦油中的QI稱為原生QI，集合過程產生的QI為次生QI[3-4]。原生QI由焦油的性質決定，次生QI在焦油蒸餾和瀝青改質生產過程中生成，原生喹啉不溶物(QI)含量對熱聚合改質過程和產品改質瀝青的QI含量影響非常大。2007年原攀鋼煤化工廠因改質瀝青喹啉不溶物含量偏低的問題與北京石油化工學院合作開展過研究，研究結果：攀鋼煤焦油原生QI含量為1.35%，生成的中溫瀝青QI為2.21%，經瀝青聚合反應(常壓下370 ℃、380 ℃、390 ℃各熱聚3小時)，改質瀝青中的QI含量上升到6.80%。統計盤江煤焦化原料焦油原生喹啉不溶物，結果見表1。

從表1數據可見，原料焦油中喹啉不溶物逐年上升。

影響原料焦油中喹啉不溶物和甲苯不溶物含量上升的因素：

1)頂裝焦爐爐頂空間溫度控制偏高，石墨生成量大

盤江煤焦化公司4座焦爐均存在爐頂空間溫度偏高、石墨生長較快的現象，尤其是1#、2#焦爐石墨生長迅速，崗位人員處理石墨的勞動強度大，出現崗位人員不按要求及時處理石墨的現象，造成推焦電流偏高，偶有難推焦現象，還會造成石墨在裝煤和推焦過程中隨著荒煤氣一起進入原料焦油中，從而增加焦油的原生喹啉不溶物。

表1 原料焦油喹啉不溶物統計

2)高壓氨水壓力控制過高

隨著國家環保要求日益嚴格，為減少焦爐煙塵外溢，高壓氨水壓力不斷提高，在裝煤、推焦過程中，石墨、焦粉、煤粉等隨著荒煤氣一起進入原料焦油中，造成原料焦油的甲苯不溶物和原生喹啉不溶物不斷上升。

3)焦油脫水、脫渣效果差

原料焦油在進入焦油蒸餾工序前，需經過機械化澄清槽刮渣、二次脫渣槽刮渣、超級離心機脫渣、焦油大槽沉降脫水、脫渣處理，影響原料焦油脫水脫渣質量的原因主要有如下幾點：

(1)機械化澄清槽的刮渣負荷增大，除渣效果降低。

(2)超級離心機超期服役，功能減退嚴重，運行效率差。

(3)焦油大槽長期未清渣，造成焦油帶渣嚴重。

2.1.2瀝青改質過程中聚合溫度和時間的影響

2007年北京石油化工學院在攀鋼煤化工廠，對瀝青聚合過程中的溫度和時間對喹啉不溶物的影響開展了試驗，實驗結果：當熱聚合溫度為360 ℃時，煤瀝青QI增長比較緩慢，曲線較為平緩，360 ℃下熱聚12 h，QI只達到4.8%左右；隨著熱聚溫度提高，QI增長加快，曲線坡度變陡。在400 ℃下聚合6 h，QI即接近8.0%。熱聚合溫度和時間對QI的影響見圖3所示。

從圖3可以看出，隋著聚合時間的延長、聚合溫度的升高，改質瀝青中的QI含量逐漸上升。

2.1.3瀝青熱聚合改質過程中軟化點與QI關系

北京石油化工學院還對瀝青在熱聚合改質過程中軟化點與QI的關系進行了試驗，試驗結果表明，隨著軟化點溫度升高，瀝青中的QI含量逐漸上升，具體見圖4所示。

圖3 聚合溫度、時間對改質瀝青QI的影響

圖4 軟化點與QI的關系

2.2 影響改質瀝青甲苯不溶物的因素

改質瀝青熱聚合過程中在不同的聚合溫度下，煤瀝青甲苯不溶物BI組分與熱聚合時間之間存在著很好的線性關系，煤瀝青所含BI是由稠環芳烴構成的中等分子量組分，其分子量大約為1200～1800，除從中溫瀝青原料中轉移來的BI外，改質瀝青中大部分BI是在熱聚合改質處理過程中低分子量芳烴聚合而成，因此煤瀝青BI值在熱聚合過程中的增長速率反映了改質瀝青中等分子量組分的縮聚速度。

查文獻資料[5]，按照熱聚合生產操作規律，瀝青中的甲苯不溶物在焦油進二段蒸發器的閃蒸過程中生成量約為6%～8%，瀝青的甲苯不溶物在由中溫瀝青向改質瀝青轉化過程中的生成量約為12%～15%，按原料焦油10%的甲苯不溶物計算，經過熱聚合的改質瀝青甲苯不溶物可達到38%以上，因此改質瀝青甲苯不溶物偏高的直接原因也是焦油原料甲苯不溶物偏高導致。

3 改造措施及效果

3.1 降低焦爐爐頂空間溫度，減少石墨生成對焦油的影響

3.1.1燃燒室加熱水平基本一致，達到降低標準溫度條件

現場主要進行了焦爐煤氣補充加熱，處理調節磚，清透斜道；廢氣盤兩叉部、蓄熱室、斜道正面封墻串漏抹補密封等改造。

改造后，1號焦爐立火道溫度機側最高升高51 ℃，平均提高23 ℃，焦側最高升高121 ℃，平均提高55.5 ℃；2號焦爐立火道溫度機側最高提高117 ℃，平均提高84.5 ℃，焦側最高升高108 ℃，平均提高51.4 ℃。橫排溫度最高提高了54 ℃，平均提高13.7 ℃，且燃燒室加熱水平基本一致，達到降低標準溫度條件。

3.1.2降低焦爐爐頂空間溫度

適當降低標準溫度，二期焦爐標準溫度機焦側降幅達25～45 ℃，煤氣用量每小時減少1500～2500 m3。三期焦爐標準溫度機焦側降幅達15～25 ℃，煤氣用量每小時減少1000-1500 m3。

標準溫度已達到合適水平，適當增加單孔裝煤量，減少爐頂空間距離，實現降低空間溫度目的。調整后二期焦爐空間溫度得到較大改善，尤其是焦側溫度，降幅最高達80℃。

3.2 原料焦油超級離心機過濾脫水、脫渣設備升級改造

原設計有3臺德國福樂偉(FLOTTWEG)生產的超級離心機，處理能力為15 t/h，于2006年建成投運。自2015年起3臺超級離心機的故障頻率逐年升高、維修難度大，離心機基本處于停運狀態。隨著環保要求日益嚴格，高壓氨水壓力不斷提高，進入焦油中的煤粉、焦粉增加，而由于離心機故障，焦油脫渣不好，嚴重影響瀝青產品質量。通過研究對比，2018年采購了1臺南京五創機械制造有限公司生產的焦油超級離心機用于焦油脫渣，設備于2018年3月投入運行。

3.3 改質瀝青生產工藝改造

通過對比分析盤江煤焦化生產的中溫瀝青產品與改質瀝青產品國標指標(結果見表3)，并結合北京石油化工學院的研究結果，中溫瀝青即使不經過熱聚合反應，焦油的原生喹啉不溶物折算在改質瀝青中QI就可能達到15%左右，按中溫瀝青轉換為改質瀝青過程中的聚合規律，軟化點從85～90 ℃的中溫瀝青提高到110～115 ℃的改質瀝青，喹啉不溶物的增加量在3%～5%左右，改質瀝青的QI將上升到20%左右，超出國標要求。

表2 中溫瀝青產品質量與改質瀝青國標指標對比

結合盤江煤焦化中溫瀝青質量現狀及北京石油化工學院的研究成果，提出了以下改造思路：

中溫瀝青不經聚合反應以避免喹啉不溶物和甲苯不溶物的增加，采取提高二段蒸發器出口溫度與吹屈柱結合萃提的方法脫除中溫瀝青中的輕質組分，提高瀝青的軟化點達到標準要求。2018年現場開展了試驗，試驗數據如表3所示。

從表3數據分析，喹啉不溶物大幅度降低，取樣產品有70%達到國標要求。

2018年5月對改質瀝青生產工藝進行了改造：提高焦油管式爐二段出口溫度，從原來的375 ℃提高到385 ℃，在二段蒸發器內對瀝青進行第一次閃蒸提高軟化點，從二段蒸發器底采出的中溫瀝青送入瀝青吹屈柱，在吹屈柱中對瀝青中的輕質組分再次進行吹脫。根據試驗結果優化了吹脫時間，提高瀝青軟化點使之滿足國標要求，改造后的工藝流程如圖5所示。

表3 試驗數據統計表

圖5 吹屈柱生產工藝流程圖

4 實施后的效果

實施改進改質瀝青產品質量措施后，改質瀝青產品質量有較大的改善，目前甲苯不溶物及喹啉不溶物已達到GB一級品的范圍(見表5)。

5 結論

1)原料焦油中喹啉不溶物和甲苯不溶物不斷上升影響改質瀝青產品的喹啉不溶物和甲苯不溶物含量。

表5 2018年5～9月改質瀝青質量指標

2)降低焦爐爐頂空間溫度，加強焦油脫水、脫渣操作，可以有效降低原料焦油中喹啉不溶物和甲苯不溶物含量。

3)提高二段蒸發器出口溫度，結合吹屈柱萃提的方法可生產出滿足國標要求的改質瀝青。