乙烯焦油的工業(yè)應用進展及新途徑

劉 劍，陳麗晶，汲永鋼，萬書寶，代躍利，杜 海

1.大慶化工研究中心，黑龍江大慶 163714；2.大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶 163711

乙烯焦油是裂解原料在蒸汽裂解過程中高溫縮合產(chǎn)物，其組成和產(chǎn)量隨乙烯裂解原料及裂解條件不同而有差異。產(chǎn)量約為乙烯產(chǎn)量的10%～15%。隨著中國乙烯工業(yè)的迅猛發(fā)展，乙烯焦油產(chǎn)量也快速增加。近年來，四川、獨山子、武漢等大型乙烯裝置陸續(xù)建成投產(chǎn)及擴能改建，截至2016年，國內乙烯裝置副產(chǎn)乙烯焦油達1.70～2.57×106t/a。如何充分合理利用乙烯副產(chǎn)焦油使其產(chǎn)生最佳的經(jīng)濟效益，將對乙烯整體效益和乙烯副產(chǎn)資源的深加工產(chǎn)生重大影響，也是當前國內外石化企業(yè)亟待解決的重要課題之一。

目前，國內乙烯焦油整體利用率不高，大部分乙烯焦油用作燃料油，少部分乙烯焦油用于提取萘、甲基萘、生產(chǎn)炭黑等高附加值產(chǎn)品[1]。另外，當乙烯焦油作燃料油時，由于焦油中芳烴、芳烯烴含量高，燃燒時易產(chǎn)生結焦和燃燒不完全從而產(chǎn)生黑煙，造成環(huán)境污染[2]。筆者在綜述乙烯焦油工業(yè)應用情況的基礎上，提出綜合利用乙烯焦油的新途徑。

1 乙烯焦油的組成及性質

乙烯焦油組成極為復雜，主要是由各種烷烴、芳烴、芳烯烴及含S，N，O等元素的雜環(huán)化合物等組成，具有側鏈短、碳氫比高、灰分和重金屬含量低等特點。焦油中含有大量的C8～C15芳烴化合物，芳烴總量超過80 %，其中含量較高的茚及茚同系物、萘及萘同系物及蒽、苊、菲、偏三甲苯、均四甲苯等均為有機化工合成的重要原料。表1為國內某石化公司的乙烯焦油的基本性質及組成，表2為乙烯焦油的各餾分組成。

表1 乙烯焦油的基本性質

注：BS為苯溶解物。

表2 乙烯焦油各餾分收率

從表1可以看出，乙烯焦油碳氫比高，灰分含量低，不含重金屬[3]；從表2可知，乙烯焦油<300 ℃的餾分收率較高，約占60%，可用于生產(chǎn)萘、甲基萘、芳烴溶劑油、汽油組分等；>300 ℃的餾分約占40%，含碳量高，分子結構緊密，雜質含量少，是制備改質瀝青、碳纖維、炭黑、針狀焦的理想原料。乙烯焦油中可以利用的組分較多，但其含量都較少，且沸點又十分接近，其相對揮發(fā)度α為1.1～1.2。乙烯焦油中含有多種重要的有機化工合成原料，若將這些可利用的資源提取出來，其經(jīng)濟效益是非?？捎^的。

2 乙烯焦油的工業(yè)應用

國外早在20世紀40年代就對乙烯焦油開展研究，并進行了工業(yè)應用。如：美國的高級芳香劑公司和德士古公司開發(fā)了以乙烯焦油為原料制取石油萘的工藝；日本帝人公司和吳羽化學公司也開發(fā)了一系列精萘深加工產(chǎn)品，生產(chǎn)二異丙基萘作為無碳復寫紙溶劑和電力容器絕緣油等產(chǎn)品，經(jīng)濟效益非?？捎^；荷蘭Shell公司采用乙烯焦油為原料在工業(yè)裝置上生產(chǎn)出了針狀焦產(chǎn)品。我國對乙烯焦油利用研究起步較晚，直到20世紀末才引起人們的重視。

2.1 從乙烯焦油中提取萘和甲基萘

乙烯焦油210～230 ℃餾分含大量萘，230～250 ℃餾分含大量甲基萘。因此，從乙烯焦油中提取萘、甲基萘有著重要的開發(fā)價值[4]。國內一些石化企業(yè)建立了乙烯焦油提萘工業(yè)裝置。遼陽化纖公司和石科院于1991年采用精餾、結晶、重結晶的聯(lián)合工藝，從乙烯焦油中提取工業(yè)萘、甲基萘等重要化工產(chǎn)品，并建成了乙烯焦油年處理量為 10 kt的裝置。上海金環(huán)石油萘開發(fā)有限公司利用以乙烯焦油為原料制取精萘及甲基萘，年處理量10 kt，1993年7月打通全流程并進入試運轉，當年投資870萬元，純利潤1 000萬元/年，經(jīng)濟效益十分可觀。1997年，燕化高新技術股份有限公司在建立一套處理能力20 kt/a乙烯焦油加工裝置的基礎上，采用天津大學技術，建立三塔串聯(lián)精密精餾單元和四級分步結晶單元，形成提取3 kt/a精萘能力，產(chǎn)品純度在99.8%以上。

2.2 合成石油樹脂

乙烯焦油中120～300 ℃餾分富含短側鏈或無側鏈的多環(huán)芳香烴，具有空間位阻小和反應活性高的特點，可用來合成縮合多環(huán)多核芳香烴樹脂(COPNA)。COPNA石油樹脂具有優(yōu)良的耐熱性、親和性和潤滑性，且易于成型[5]，在烴類溶劑中具有良好的溶解性能，可用于橡膠、膠黏劑、油墨、油漆和涂料等工業(yè)。

目前，國外裂解重芳烴(C9，C10)主要用于生產(chǎn)石油樹脂，少部分經(jīng)切割餾分生產(chǎn)高沸點溶劑油，總利用率達到90%以上。國外C9石油樹脂的生產(chǎn)基本上由歐美大公司壟斷，生產(chǎn)能力大約為270 kt/a[6]。

杭州化工實驗廠在20世紀80年代就已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)合成石油樹脂，國內陸續(xù)有多家化工廠相繼進行投產(chǎn)。由于該石油樹脂產(chǎn)品顏色較深，在國際市場上價格較低。近年來青島琴波化工廠利用140～220 ℃窄餾分C9作原料[7]，在聚合前加入定量的祛色劑，再加入定量抗氧劑，得到了超淺色石油樹脂。這種樹脂具有廣泛的應用領域和良好的經(jīng)濟效益。目前，青島琴波化工廠已建成生產(chǎn)能力為3 kt/a的超淺色高級石油樹脂裝置，其質量已趕超國外同類產(chǎn)品，這種石油樹脂是高級油墨、油漆、黏合劑等理想原料。

2.3 制備燃料油

一般乙烯焦油作燃料油的部分(初餾點～210 ℃和250～360 ℃)顏色較深且燃料油中的不飽和烴基含硫、氮元素的化合物較多，氧化安定性較差?？蛇x用適宜的加氫精制催化劑進行精制，精制后的燃料油可作為柴油的調和組分，較其作燃料油的經(jīng)濟價值大大提高。

揚子石化公司柴油加氫裝置摻煉乙烯裝置C9烴[8]，該公司煉油廠把乙烯裂解裝置C9烴引入柴油加氫精制裝置加工，不僅為增產(chǎn)柴油提供了原料，而且提高產(chǎn)品附加值和產(chǎn)品的利用率，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。2012年，新疆獨山子天利實業(yè)公司采用中科院山西煤炭化學研究所的技術[9]，建立了生產(chǎn)能力為25 kt/a乙烯焦油輕組分兩段加氫工業(yè)裝置，并一次投產(chǎn)成功，生產(chǎn)出合格的高辛烷值汽油組分。該工藝一段選擇性加氫主要脫除原料中的苯乙烯衍生物和共軛雙烯，二段深度加氫則脫除其中的單烯和硫、氮、重金屬等雜質，其工藝特點是反應條件溫和，產(chǎn)品質量好。

2.4 制備芳烴溶劑油

乙烯焦油<205 ℃餾分組成復雜，含有大量的不飽和組分，研發(fā)人員開發(fā)了兩塔連續(xù)精餾兩段加氫技術，將乙烯焦油輕組分油加氫飽和制得優(yōu)質芳烴溶劑油[9-10]。

2004年，燕山石化公司與天津大學、中科院山西煤炭化學研究所等單位合作，投建了以乙烯焦油為原料生產(chǎn)高沸點芳烴溶劑油裝置[11]，經(jīng)過3個多月生產(chǎn)運行，生產(chǎn)出4個牌號近7 kt溶劑油。此項技術成本低，原料易采購，其產(chǎn)品芳烴溶劑油的溶解性比烷烴溶劑油好，屬綠色環(huán)保產(chǎn)品。2010年，天津石化建成乙烯焦油制取芳烴溶劑油的中試裝置并進行試運行[12]，采用精餾技術從乙烯焦油中采用分離出<205 ℃餾分，然后對該餾分進行加氫處理，獲得芳烴溶劑油產(chǎn)品。這種新型溶劑油不含水、烷烴、氯和重金屬，具有優(yōu)良的溶解能力和化學物理穩(wěn)定性，且沸點高、揮發(fā)慢、流動性好，可替代混合二甲苯用作涂料、印刷油墨、精密機械部件的洗滌劑和農藥乳化劑等，不僅可以得到高附加值產(chǎn)品，在節(jié)能減排方面也可帶來一定社會效益。

2.5 制備碳纖維

碳纖維具有低密度、高拉伸強度和模量、耐高溫、抗化學腐蝕、抗輻射、抗疲勞、高導電和導熱、熱膨脹小、生理兼容性好、比重輕、韌性強等一系列優(yōu)異的特性，廣泛用于防靜電材料、絕熱材料、活性碳纖維、水泥增強材料、汽車剎車片及密封材料等領域，已成為衡量一個國家科技水平、軍工和經(jīng)濟實力的標志[13]。

瀝青基中間相瀝青經(jīng)過調制、紡絲、氧化、不熔化和碳化等過程可制瀝青基碳纖維。瀝青基碳纖維由日本大谷衫郎1963年發(fā)明。1970年，吳羽化學工業(yè)公司進行了低性能瀝青基碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)，隨后美國聯(lián)合碳化物公司(UCC)開發(fā)了高性能中間相瀝青石墨纖維，1975年該公司實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)[14]。

由乙烯焦油生產(chǎn)碳纖維瀝青其工藝已經(jīng)成熟，1991年中石化在遼陽建成了一套生產(chǎn)碳纖維瀝青1.4 kt/a的工業(yè)裝置[15]。該工藝以烯烴廠副產(chǎn)乙烯焦油為原料，通過熱致改性獲得不同軟化點的瀝青，再經(jīng)熔融、紡絲、氧化、炭化等工序，生產(chǎn)出通用級碳纖維系列產(chǎn)品。該工藝流程簡單、設備投資低、產(chǎn)品附加值高，具有很好的開發(fā)價值。

2.6 制備炭黑

乙烯焦油是生產(chǎn)炭黑的優(yōu)良原料，其工藝流程一般是將預熱的乙烯焦油噴進反應器，使其在高溫區(qū)(1 200～1 800 ℃)裂解，在空氣過剩的情況下燃燒天然氣來維持反應溫度，生成炭黑。我國的乙烯焦油炭黑生產(chǎn)經(jīng)過了引進、消化吸收及國產(chǎn)化的過程。于20世紀80年代中期引進用乙烯焦油生產(chǎn)炭黑的全套設備和技術，并積極進行消化、吸收、國產(chǎn)化工作，目前生產(chǎn)炭黑用的高溫空氣預熱器、高壓離心風機、炭黑裝袋機、新型耐火材料、濾材等都國產(chǎn)化成功，質量接近或達到國外同類產(chǎn)品標準[16]。同時，化工部炭黑工業(yè)研究設計院成功地完成了萬噸級新工藝炭黑裝置的國產(chǎn)化工作，全套工藝采用DCS控制，由于空氣預熱器溫度高，強化反應過程，每噸炭黑降低原料油0.2 t，炭黑品種也由5個發(fā)展到12個。整套工藝固定資產(chǎn)投資5 000萬元，僅為引進裝置的1/2。目前，已有8套國產(chǎn)化裝置竣工投產(chǎn)或正在建設中。但國內炭黑生產(chǎn)裝置規(guī)模普遍較小，一些新工藝比如800 ℃空氣預熱器、富氧生產(chǎn)炭黑及低滾動阻力炭黑等新品種尚處于起步階段，與世界先進水平相比還存在一定差距。

2.7 其他

蘭州石化公司煉油廠延遲焦化裝置摻煉乙烯焦油對原料性質、產(chǎn)物性質及收率、工藝操作條件的影響[17]。結果表明，在摻煉乙烯裂解重油后，原料密度、黏度和殘?zhí)亢烤黾?，輕油收率下降了0.66%，石油焦收率增加2.79%。大慶石化公司采用德士古部分氧化技術將乙烯焦油和氧氣反應生產(chǎn)合成氣，并與丙烯生產(chǎn)丁辛醇[18]。

2010年，山東菏澤兆邦化工有限公司采用自主研發(fā)技術建設一套100 kt/a乙烯裂解焦油綜合利用裝置，利用焦油中輕質餾分生產(chǎn)具有高附加值的石油萘、芳烴溶劑油、增塑劑油等。

2013年，天津天大天?；ば录夹g有限公司與山東齊隆化工股份有限公司合作開發(fā)建設一套12 t/a乙烯裂解焦油綜合利用裝置[19]，從乙烯焦油中成功提煉出市場急需的5大系列10多種高品質化工原料，生產(chǎn)的茚類石油樹脂號<4號，精餾得到的石油萘含量>95%，實現(xiàn)了乙烯焦油的高附加值綜合利用，每年可為企業(yè)帶來3 700萬元的利潤。

3 結論和建議

我國具有豐富的乙烯焦油資源，目前工業(yè)應用主要為從乙烯焦油中制取萘和甲基萘、石油樹脂、燃料油、芳烴溶劑油、碳纖維、炭黑等產(chǎn)品，技術應用逐漸成熟。乙烯焦油應用還期待新技術的開發(fā)。

隨著中國乙烯產(chǎn)能的提高，乙烯焦油資源產(chǎn)量會很大。目前，國內乙烯焦油綜合利用率不高，產(chǎn)品附加值低。表現(xiàn)為：當乙烯焦油作為鍋爐燃料使用時，熱值低，容易損壞設備，污染環(huán)境；從乙烯焦油中提取精萘化工產(chǎn)品時，實施難度大；合成石油樹脂時產(chǎn)品附加值低等等。因此，可提出一條乙烯焦油利用新途徑—以乙烯焦油輕質餾分(<300 ℃)加氫生產(chǎn)高辛烷值汽油調和組分，重質餾分(瀝青餾分)生產(chǎn)改性瀝青的綜合利用技術。該路線具有：a)全組分利用；b)產(chǎn)品附加值高經(jīng)濟效益好；c)技術路線可行等特點。合理利用乙烯焦油資源，大幅提高乙烯焦油的附加值，會產(chǎn)生較高的經(jīng)濟效益。