煉油與產製瀝青膠泥

照片：美國煉油廠一角(U.S. Oil and Refining - Wikipedia)

瀝青材料(Bituminous Materials)有天然瀝青、石油瀝青、及柏油等三大類，如圖1所示[1]，早在西元前3,500年，人類即使用瀝青材料作為黏結、防水材料、或使用於磚牆之黏結砂漿(Mortar)中，當時這些瀝青材料都是天然瀝青。

圖1、瀝青材料之分類[1]

進入20世紀以後，由於煉油技術之發明，加上人類開始使用汽車，大量要求平坦且可全天候使用之路面，因此，對鋪路瀝青材料之需求大量增加，天然瀝青與由煤礦提煉的柏油，一度成為主要的鋪路材料；一直到二次世界大戰後石化工業進步，煉油附帶產生之石油瀝青(Petroleum Asphalt)，挾其便宜與品質優良之勢，已成為最主要的瀝青材料來源，天然瀝青及柏油，反因開採所需之經費較高而逐漸被淡忘。

石油煉製流程和產品種類如圖2所示，由圖可知，石油瀝青是分餾塔下的殘渣(Residue)，是化學工業的附產物，很難免除「製程廢料」的本質。

圖2、石油煉製及產品示意圖(圖源：Oiltanking)

圖3則主要描述煉油廠分餾塔底的部份，也就是鋪路與防水用瀝青材料的部份，包括瀝青膠泥、油溶瀝青、乳化瀝青、及吹煉瀝青(屋頂柏油)共四類石油瀝青產品。圖中說明分餾塔底黑色的第一項石油瀝青產品是瀝青膠泥；而將三種不同揮發程度的油品加回(Cutback)瀝青膠泥拌勻，即可得慢、中、或速凝油溶瀝青(Cutback Asphalt)；將瀝青膠泥加水經乳化處理，則得乳化瀝青；至於黏度較高的防水瀝青(屋頂柏油)則是將瀝青膠泥經吹煉處理。

圖3、石油瀝青之煉製流程與產品種類[2]

分餾塔底殘渣的性質，主要受原油產地(Crude Source)及煉製參數影響；不同產地的原油，在黏度、比重、及含硫量有不同的變化；重原油一般比輕原油產出較多塔底殘渣，含硫多的原油要付出較高的煉製成本以符合油品的標準。

基於瀝青是石油煉製附產物的現實，不容易從製程上去要求此種產品的精確化學成份，且瀝青的組成過於複雜，勉強能建構簡化的「概念性化學組成模型」，以助於理解瀝青膠泥的物理特性；大部份瀝青研究人員在觀念上同意，將瀝青膠泥描述為由瀝青質(Asphaltenes)、脂類(Resins)、及油類(Oils)組成，如圖4所示。 

圖4、瀝青膠泥的概念性化學組成模型[2]

依照圖4所描繪的瀝青化學概念，瀝青膠泥的主要成份為瀝青質、脂類、及油類所組成；瀝青質為深棕色異碎的固體，由許多易與其它分子糾結群聚的化合物組成，為極性最高且最複雜的瀝青成份，由於極性最高，是瀝青膠泥具有黏結性的主要成份；脂類則為深色的半固體或固體，加熱後呈流體，冷卻後呈易碎固體，可溶解於戊烷中，且能被礬土吸附，若經氧化，脂類會轉變為瀝青質類分子，一般認為脂類是使瀝青質能分散於油類中而形成均質瀝青膠泥的「界面劑」；至於油類則為白色或無色的液體，能溶於大部份溶劑，分子構造類似於不含氧及氮的石蠟油或揮發油，若經氧化，油類會轉變為脂類或瀝青質類分子，反應在瀝青膠泥的物理性質上就是變稠(硬)變脆易裂。這種化學概念是添加再生劑以回復老化瀝青本性的理論基礎，詳參「仍需投入更多研究資源的再生劑(Rejuvenator)」。因此，鋪面工程師以物理性質區別不同瀝青膠泥外，也將該物理性質與實際使用績效建立相關，以篩除品質不良的瀝青膠泥，詳參「從「咀嚼法」、針入度、到具科學定義的黏度」及「瀝青黏結料分級的演進歷程」。

調動煉製參數(分餾溫度及壓力等)可以產出不同軟硬度的瀝青，若直接從煉油廠分餾塔底得到的瀝青，恰能符合規範規定的物理性質要求，例如符合針入度、黏度、或甚至某一成效分級如之規定，則稱為直餾瀝青；現代的瀝青膠泥規範愈來愈嚴謹，而煉油的技術日新月異，很少有直餾成級的瀝青膠泥產品，大部份煉油廠要產出符合規範的瀝青膠泥，都要靠「摻配技術」，而煉油廠無法摻配成級時，則需要依靠瀝青的改質技術。詳參「Why/What/How改質瀝青?」。

瀝青黏結料的成效分效分級(詳參「瀝青黏結料分級的演進歷程」)，應檢成效性質相同，以檢測溫度分級，例如PG64-22，代表該黏結料適用在設計鋪面高溫為64℃，適用的鋪面低溫為-22℃，這兩個溫度總涵括的溫度區間，64-(-22)=86℃，稱為「有用溫度區間(Useful Temperature Interval, UTI)」，亦即PG64-22的UTI為86℃。從某一原油產地煉製得的瀝青膠泥有其特定的UTI，調動煉製參數(分餾溫度及壓力等)可以產出不同軟硬度的瀝青，如圖5所示變動PG級別，但不能大符改變UTI值，亦即UTI主要受由原油類型主控，調動煉油製程參數不能大符改變UTI。圖5所示的原油，調動煉製參數可產出較軟的PG52-34，或較硬的PG64-22，但變動的「PG線斜率變化不大」，以該圖為例，再怎麼調動煉製參數，也不可能產出PG70-22；該PG線的斜率顯然受到原油產地的影響。

圖5、超級鋪面成效分級及「煉製參數調動PG線」

(圖源：The Use and Performance of Asphalt Binder Modified with Polyphosphoric Acid (PPA))

基於調動煉製參數不能改變「有用溫度區間(UTI)」，要產製不同UTI的瀝青膠泥，需要摻配不同油源煉製的瀝青膠泥。中東地區的專業油商PetroNaft以圖6說明「原油產地對PG級別的影響」，圖中有所謂「一般原油」及「高品質原油」兩種原油產地，調動煉製參數可以得到不同軟硬程度的瀝青膠泥，綠色區塊的各種PG級瀝青的UTI在68℃~86℃之間，黃色區塊的各種PG級瀝青的UTI在86℃~92℃之間，而紅色區塊UTI在92℃~110℃之間的瀝青膠泥，就必需要添加改質劑才能達成。

圖6、原油產地對PG級別的影響

(圖源：PERFORMANCE GRADE BITUMEN (PG BITUMEN))

圖6也驗證美國路面工程界對UTI的所謂「92共識(Rule of 92)」，用UTI=92判斷是否為改質瀝青，因為大部分未改質的瀝青，UTI都小於92℃，UTI超過92℃的大都是改質瀝青。詳參「Why/What/How改質瀝青?」。

參考文獻

1. Shan Somayaji, Civil Engineering Materials, 1995, Prentice Hall Inc., Chapter 6.
2. Freddy L. Roberts, Prithvi S. Kandhal, E. Ray Brown, Dah-Yinn Lee, and Thomas W. Kennedy, Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design, and Construction, 2nd edition, 1996, NAPA Education Foundation, Lanham, Maryland., Chapter 2.