綏中36-1 瀝青生產(chǎn)SBS 改性瀝青工業(yè)轉(zhuǎn)化實驗研究

夏偉健XIA Wei-jian；張雪娜ZHANG Xue-na

（①中海石油寧波大榭石化有限公司，寧波 315812；②寧波譜尼測試技術(shù)有限公司，寧波 315812）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速增長，我國汽車等運輸工具保有量快速增長，交通量隨之增大車輛載荷提升以及我國各地氣候差異及季節(jié)溫差大等因素，對瀝青路面的質(zhì)量提出了更嚴(yán)苛的要求，然而普通瀝青由于其組成和結(jié)構(gòu)等特點決定了瀝青在老化后抗拉強度不夠?qū)е聻r青易疲勞開裂；低溫抗拉強度不夠?qū)е聻r青易低溫開裂；高溫時抗剪強度不夠?qū)е聻r青高溫時易軟化形成車轍；孔隙率不當(dāng)瀝青與礦料粘結(jié)能力差，導(dǎo)致瀝青易水損害。

為了應(yīng)對以上問題，某公司研究了使用SBS 對瀝青改性，改性后的瀝青恢復(fù)能力和應(yīng)對載荷能力提高，瀝青高低溫性能和耐久性都得到很大程度的提升，瀝青性能的提升，有利于提高道路壽命，有利于國民經(jīng)濟的發(fā)展，所以，SBS 改性瀝青具有很好的應(yīng)用前景。

本文介紹了某公司利用6 萬噸/年改性瀝青生產(chǎn)裝置，以渤海環(huán)烷基重質(zhì)原油生產(chǎn)的中海綏中36-1 瀝青為原料，進行I-D 級SBS 改性瀝青工業(yè)轉(zhuǎn)化實驗的生產(chǎn)流程和工藝參數(shù)。同時，本文對影響改性瀝青產(chǎn)品性能的因素進行了適當(dāng)?shù)奶接憽?/p>

1 裝置簡介

某公司303 單元改性瀝青裝置，設(shè)計規(guī)模為6 萬噸/年，以AH-70、AH-90 重交瀝青為基質(zhì)瀝青原料，以SBS為改性劑，以相容劑和穩(wěn)定劑為輔助原料，生產(chǎn)相應(yīng)牌號的SBS 改性瀝青。改性劑對瀝青高低溫性能、彈性恢復(fù)性能、感溫性能等都有非常突出的改性作用，但SBS 與基質(zhì)瀝青的相溶性較差，因此本裝置采用目前國內(nèi)外普遍使用的膠體磨法生產(chǎn)改性瀝青，連續(xù)生產(chǎn)。

裝置生產(chǎn)能力為30 噸/小時，按年開工2000 小時計算，年生產(chǎn)SBS 改性瀝青6 萬噸；同時本裝置可配合瀝青實驗室，進行SBS 改性瀝青工業(yè)放大實驗，用以驗證實驗室SBS 改性瀝青小試和中試配方和工藝的可行性。

本裝置主要包括原料、發(fā)育和成品罐、換熱器、改性瀝青成套設(shè)備（內(nèi)含給料泵、膠體磨、改性劑計量提升機、混合罐）、膠粉瀝青生產(chǎn)設(shè)備、研磨罐、相容劑泵、相容劑罐、原料泵、改性瀝青泵、成品泵等設(shè)備。

本裝置使用導(dǎo)熱油作為熱媒加熱瀝青；1.0MPa、250℃過熱蒸汽作為消防蒸汽、吹掃蒸汽。本裝置控制由現(xiàn)場PLC 進行，控制室內(nèi)的DCS 進行監(jiān)視。

2 改性瀝青及綏中36-1 瀝青簡介

2.1 改性瀝青簡介

瀝青是一種主要成分為飽和份、芳香份、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的黑色液體、半固體或固體物質(zhì)。相對密度為1.15～1.25，閃點大于230℃，沸點大于等于470℃，自燃點為285℃，爆炸極限30（V%），它不溶于水、乙醇、丙酮等物質(zhì)，而溶于二硫化碳、四氯化碳等物質(zhì)；瀝青質(zhì)量的主要指標(biāo)為針入度、軟化點和延度。

改性瀝青是在瀝青中加入改性劑，通過一定的工藝加工而得，為黑色液體。它不溶于水、乙醇、丙酮等物質(zhì)，而溶于二硫化碳、四氯化碳等物質(zhì)；改性瀝青質(zhì)量的主要指標(biāo)為針入度、軟化點、5℃烘箱前和烘箱后延度。改性后的瀝青，與原瀝青相比，優(yōu)點是可以顯著改善基質(zhì)瀝青的高低溫性能，使路面的抗車轍能力提升，低溫開裂溫度降低，具有很好的抗疲勞和粘附性能，是一種很好的改性劑。SBS改性瀝青在制備過程中一般需要強烈的機械分散，在液態(tài)條件下儲存很容易發(fā)生離析，因此采用預(yù)混合法生產(chǎn)時須加入合適的穩(wěn)定劑。

2.2 綏中36-1 瀝青簡介

綏中36-1 原油為重質(zhì)原油具有：密度大、粘度較大、凝點低酸值較低、蠟含量較低膠質(zhì)含量高、殘?zhí)扛叩忍攸c，是典型的高膠、少蠟環(huán)烷基原油。

由于某公司生產(chǎn)的XX36-1 瀝青已成為知名品牌，如能實現(xiàn)改性瀝青產(chǎn)品的大規(guī)模推廣應(yīng)用，將帶來可觀的經(jīng)濟效益，但在改性瀝青生產(chǎn)方面因XX36-1 瀝青芳香分含量較低，與SBS 相容性較差，所以以此瀝青為原料生產(chǎn)I-D 級SBS 改性瀝青難度較大。本次實驗將主要研究以中海綏中36-1 70 號瀝青為原料生產(chǎn)I-D 級SBS 改性瀝青的最優(yōu)工藝配方和生產(chǎn)條件。中海綏中36-1 瀝青性能見表1。

表1 綏中36-1 瀝青性能

3 影響改性瀝青產(chǎn)品性能的主要因素

3.1 軟化點的影響因素

隨著改性劑摻加后，瀝青的軟化點均有提高，隨著穩(wěn)定劑量的增加，促進了SBS 相之間以及與瀝青相之間形成交聯(lián)反應(yīng)、接枝反應(yīng)，形成改性瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高改性瀝青的高溫性能。

3.2 針入度的影響因素

隨著相容劑加入量的增加，增加了瀝青中的輕組分的含量，使得瀝青針入度增大。隨著改性劑加入量的增加，使瀝青針入度降低。

3.3 延度、老化后延度的影響因素

隨著改性劑加入量的增加，增加了改性瀝青低溫抗開裂能力，使得瀝青的延度、老化后延度增加。隨著相容劑加入量的增加，增加了改性瀝青低溫勁度模量，使得瀝青延度、老化后延度增加。

4 工藝配方

SBS 改性瀝青的生產(chǎn)是以一定比例的基質(zhì)瀝青為原料，加熱到一定的溫度后，按一定配比加入相容劑、SBS 改性劑、化學(xué)穩(wěn)定劑，經(jīng)高速剪切、攪拌后，穩(wěn)定劑中的活性交聯(lián)成分參與了SBS 與瀝青的交聯(lián)反應(yīng)，降低了SBS 相和瀝青相間的界面張力，從而形成SBS 改性瀝青穩(wěn)定體系。

對I-D 級SBS 改性瀝青性能指標(biāo)和影響改性瀝青產(chǎn)品性能的因素加以分析，通過系統(tǒng)性的小試實驗和中試實驗，得到以LG505S 為改性劑生產(chǎn)綏中I-D 級SBS 改性瀝青的配方：

①改性劑加量為a%；

②相容劑b%；

③穩(wěn)定劑c～d%；

④綏中36-1 70 號基質(zhì)瀝青100%。

并對此生產(chǎn)配方，進行工業(yè)轉(zhuǎn)化實驗，同時對不同發(fā)育時間的樣品進行跟蹤測試。希望通過工業(yè)轉(zhuǎn)化實驗驗證此配方在工業(yè)化生產(chǎn)裝置應(yīng)用的可行性，同時探索最優(yōu)生產(chǎn)工藝和操作參數(shù)。

5 生產(chǎn)工藝

5.1 工藝流程（圖1）

圖1 工藝流程

5.2 工藝指標(biāo)（表2）

表2 工藝指標(biāo)

5.3 工藝技術(shù)路線

5.3.1 原料預(yù)熱

403 單元儲運罐區(qū)130 ～150℃的原料瀝青，由瀝青泵送至303 單元瀝青罐緩沖罐，然后經(jīng)瀝青輸送泵壓送至改性瀝青加熱器，用0.6MPa、230℃導(dǎo)熱油加熱至200℃左右，然后送入改性瀝青預(yù)混罐。

5.3.2 SBS 改性劑加料

SBS 改性劑由人工加入SBS 提升機中，送入改性瀝青預(yù)混罐內(nèi)，加入比例按工藝指標(biāo)要求控制。

5.3.3 相容劑加料

相容劑經(jīng)過加溫后，由計量泵送入預(yù)混罐；變頻器控制電機轉(zhuǎn)速改變泵往復(fù)次數(shù)控制流量，加入比例按工藝指標(biāo)要求控制。

5.3.4 化學(xué)穩(wěn)定劑加料

化學(xué)穩(wěn)定劑與SBS 等聚合物同時加入預(yù)混罐，加入比例按工藝指標(biāo)要求控制。

5.3.5 SBS 改性瀝青產(chǎn)品

預(yù)混罐內(nèi)的各種物料經(jīng)加熱并攪拌分散均勻后，再經(jīng)膠體磨研磨后進入發(fā)育罐，改性瀝青發(fā)育一定時間后，達到交聯(lián)效果，采樣合格后，作為SBS 改性瀝青產(chǎn)品出廠。

6 生產(chǎn)過程

6.1 研磨階段

工業(yè)實驗采用預(yù)稀釋生產(chǎn)工藝，第一步：原料瀝青經(jīng)過換熱器后達到預(yù)設(shè)溫度指標(biāo)后，裝入D306/1.2.3 預(yù)混罐中（各約12 噸），并按照比例預(yù)混罐（1 和2）中添加

圖3 發(fā)育時間與軟化點的關(guān)系

圖4 發(fā)育時間與延度的關(guān)系

D306/2 罐以同樣的方法研磨，當(dāng)母液剩余6 噸時停止過磨，開始進行D306/3 罐內(nèi)預(yù)混液過磨，完成后，將D306/2 罐中母液過磨至D303/1 罐，然后開始發(fā)育，其中D306/1 過磨溫度為189℃，D306/2 罐過磨溫度為185℃，D306/3 過磨溫度為176℃，發(fā)育溫度為178-181℃（生產(chǎn)流程見圖1）。

6.2 產(chǎn)品發(fā)育階段

三個預(yù)混罐中混合瀝青進入發(fā)育罐后保溫178-181℃開始發(fā)育，攪拌器功率為22kW 不停進行攪拌，幫助瀝青中的各組分分布均勻，發(fā)育12 小時、16 小時和其它不同發(fā)育時間取樣分析，根據(jù)樣品分析結(jié)果判定合適的發(fā)育時間。

7 實驗結(jié)果

對不同發(fā)育時間下的樣品進行分析，改性瀝青性能隨發(fā)育時間變化的規(guī)律見表3。（圖2-圖5）

表3 發(fā)育時間與瀝青性能的關(guān)系

圖2 發(fā)育時間與針入度的關(guān)系

圖5 發(fā)育時間與48h 離析軟化點差的關(guān)系

8 分析總結(jié)及探討

8.1 分析總結(jié)

通過上述實驗可以得知，在原料性質(zhì)、工藝條件穩(wěn)定的情況下，發(fā)育12-24 小時改性瀝青產(chǎn)品即可穩(wěn)定。如需長時間留罐保溫，要停止連續(xù)攪拌，采取間斷攪拌方式，以保證瀝青質(zhì)量的穩(wěn)定。

通過對表3 和圖2-圖5 的分析，可以得出在此工藝條件下，發(fā)育20h 所得產(chǎn)品性能完全滿足I-D 指標(biāo)要求，可以生產(chǎn)出性能優(yōu)良的SBS 改性瀝青產(chǎn)品，此次工業(yè)化轉(zhuǎn)化實驗驗證了本配方和工藝的可行性。

8.2 探討

自SBS 改性瀝青產(chǎn)品發(fā)貨出廠后，到進行道路鋪裝施工的過程會經(jīng)歷幾個小時到幾十個小時的儲存時間，如果SBS 改性瀝青儲存穩(wěn)定性不夠好，會使SBS改性瀝青的應(yīng)用性能發(fā)生顯著下降，影響道路的使用壽命，所以我們還應(yīng)該關(guān)注瀝青儲存時的穩(wěn)定性。提高改性瀝青儲存穩(wěn)定性主要措施有：減小SBS 顆粒粒徑和提高界面層穩(wěn)定性。

一般的改性瀝青加工設(shè)備可使SBS 顆粒細化到微米級，再進一步細化會顯著增加成本和能耗，此時應(yīng)考慮如何提高瀝青界面層穩(wěn)定性。因此，可以在SBS 與瀝青混合時首先加入增容劑，用以降低SBS 與瀝青界面張力，增加界面層厚度。盡管如此，界面層是通過SBS與瀝青之間的物理吸附作用，靠分子之間的范德華力來維持的，形成的界面層并不穩(wěn)定。

為提高界面層粘結(jié)強度，需采取化學(xué)改性的方法，即通過加入穩(wěn)定劑使SBS 與瀝青在界面層上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在瀝青與SBS 之間引入化學(xué)鍵（共價鍵）。共價鍵的鍵能要比范德華力大1-2 個數(shù)量級，從而大大提高界面層粘結(jié)強度，改善SBS 改性瀝青的儲存穩(wěn)定性。LG505S 改性劑形成母液，向3 號研磨罐中添加HMD-1 穩(wěn)定劑，隨著添加劑的加入研磨罐中的瀝青攪拌、升溫；第二步：當(dāng)D306/1 罐溫度升高至186℃時，開始將瀝青混合物送入膠體磨，進行過磨研磨，研磨后的混合物進入D303/1發(fā)育罐。