印度尼西亞布敦島天然巖瀝青溶劑抽提工藝研究

董智勇，邢定峰，趙鎖奇，黃文輝

（1.中國石油大學重質油國家重點實驗室，北京102200；2.中國地質大學（北京）能源學院，北京100083；3.中國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，經長期蒸發(fā)凝固而形成的，其中?；煊幸欢ū壤牡V物質［1］。巖瀝青是天然瀝青中的一種，其中含有許多砂和巖石，經過加水熬制，可以得到純凈的瀝青［2］。隨著國際原油價格的持續(xù)上漲，從巖瀝青礦中提取燃料油或生產道路瀝青，具備經濟可行性。

作者在此針對印度尼西亞布敦島天然巖瀝青（BRA），開發(fā)了一種溶劑抽提巖瀝青生產石油瀝青和燃料油的新工藝，并探討了該工藝的技術經濟可行性。

1 巖瀝青資源分布與利用現狀

1.1 儲量分布

巖瀝青的主要產地有美國的猶他州（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。

國內天然巖瀝青礦產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天然巖瀝青礦，該礦地處準噶爾盆地西北邊緣，遠景儲量1000萬t以上，現年產天然巖瀝青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、化學性能穩(wěn)定等特點，附著力強，可作為油漆及油墨等生產過程中的添加劑［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 需求現狀

近年來，伴隨著國內基礎建設的巨大需求和能源緊缺的現狀，國內瀝青和巖瀝青的凈進口量逐年上升（圖1）［13］。

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

由圖1可知，自1995年以來，石油瀝青的凈進口量持續(xù)攀升，2010年達到40萬t以上。其中，主要進口的瀝青類型為中國緊缺的重交通道路瀝青，用于機場跑道、高等級道路的鋪設；而巖瀝青凈進口量在1995～2005年沒有明顯波動，凈進口量較少，自原油價格上漲和中國基礎設施建設加速之后，2006年巖瀝青的凈進口量大幅上升，2008～2009年受金融危機影響又有所回落。

中國進口的巖瀝青主要來自印度尼西亞，占進口總量的86.29%，其次為伊朗13.23%、美國0.27%、英國0.11%、阿聯酋0.08%、日本0.01%。因此，研究更好地利用印度尼西亞進口巖瀝青具有重要的經濟意義和現實意義。

2 巖瀝青溶劑抽提新工藝

2.1 應用背景

巖瀝青作為道路瀝青和油漆等行業(yè)的添加劑，國內消費量約10萬t·a－1，規(guī)模較小。與石油、煤和油頁巖比較，巖瀝青開采成本較低。不同的有機溶劑對巖瀝青中的有機質萃取能力不同，常見的溶劑有多環(huán)芳烴、吡啶類、酚類、氯仿、溶劑油等［14］，有機質脫除率最高能達到90%以上。

布敦島某巖瀝青礦可開采量約5000萬t，采出的巖瀝青原礦石除了用來生產道路瀝青改性劑外，部分摻入燃煤產蒸汽和電力，滿足礦區(qū)公用工程所需。為了實現規(guī)模化開采和利用，計劃采用溶劑油來抽提瀝青質，生產普通道路瀝青和重交通道路瀝青，副產輕烴處理后作為輕質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 原料和抽出油評價

選取布敦島巖瀝青礦區(qū)有代表性的、不同區(qū)位的3種含油率的樣品進行溶劑抽提實驗，巖瀝青性質見表1。

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

設計正交實驗，篩選抽提率高、適應性好的溶劑，對回收溶劑后的抽出油進行評價。抽出油常壓實沸點蒸餾數據見表2。

表2 布敦島巖瀝青抽出油常壓實沸點蒸餾數據Tab.2 The data of actural boiling－point distillation of asphaltenes of BRA

根據表2數據繪制抽出油實沸點蒸餾曲線，如圖2所示。

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

分析發(fā)現抽出油的含硫量為4.86%。根據窄餾分收率比例，進行了摻兌實驗。分別選擇400～425℃、425～450℃、450～475℃和475～480℃4個餾程進行正交實驗，結果表明，選擇合適的餾程分配，所獲得瀝青的軟化點、針入度、延伸度等指標能達到北美巖瀝青的技術指標要求［15］，如表3所示。

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

2.3 工藝方案

根據原料和抽出油評價結果，提出了溶劑抽提巖瀝青生產石油瀝青和燃料油、副產燃料氣和水泥原料的工藝方案：采用密閉的固定床抽提，抽提過程在3～4個抽提塔中交替進行，蒸餾回收溶劑過程連續(xù)進行。

巖瀝青經脫水、粉碎和篩選后由傳動帶送到抽提塔頂部，抽提塔頂部打開裝料，由底部泵入預熱后的溶劑，抽提完成后，先用氮氣從頂部將抽提塔內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 技術經濟可行性研究

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

抽提過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題。經核算，經過抽提之后，砂石回收溶劑時，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油產量計，相當于每生產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，因為抽出油粗產品的出廠價格高于溶劑。

以溶劑蒸發(fā)潛熱300kJ·kg－1計，此過程主要能耗之一加熱爐需要熱能250×0.7×1000×300＝52 500MJ·h－1，標準燃油熱值41.868MJ·kg－1，相當于1.25t·h－1標準燃油，約占瀝青產量的20%。因此采用低價值的煤作燃料，摻雜適量巖瀝青原礦石粉來產蒸汽，以高溫蒸汽作為加熱介質和汽提介質，會較采用燃油或燃氣鍋爐更經濟。

在現有實驗室小試裝置的基礎上，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t·a－1，得到石油瀝青約15萬t·a－1，溶劑損耗低于3%。產品的軟化點、針入度、延伸度等符合GB／T 15180－2000重交通道路石油瀝青國家標準。

2.5 討論

（1）通過定期補充溶劑方式，整個裝置可實現穩(wěn)定運行。

（2）巖瀝青礦開采會產生浮土和石灰?guī)r、砂巖碎石，需要回填礦區(qū)并恢復植被。

（3）溶劑抽提過程中會有微量溶劑揮發(fā)，燃料油燃燒時的尾氣中含有H2S和SO2，通過尾氣吸收和凈化裝置后達標排放。

（4）抽提后礦渣可作為配套水泥廠原料。

3 結論

對巖瀝青的儲量分布和資源利用現狀進行了分析，針對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石油瀝青和燃料油、副產燃料氣和水泥原料的新工藝，該工藝具備技術經濟可行性。

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