煤化工廢渣循環(huán)利用體系研究

程鵬

摘要 為解決現(xiàn)有煤瀝青改性后環(huán)境污染嚴重、低溫性能差的問題，該研究通過改性劑之間相互作用與協(xié)同改性，在有效提升煤瀝青改性后低溫性能的同時減少煤瀝青中主要污染物苯并芘的釋放，有效解決了現(xiàn)有煤瀝青低溫性能差、環(huán)境污染嚴重的問題，煤瀝青改性后及其混合料的技術指標滿足要求。

關鍵詞 煤瀝青；改性；煤化工廢渣；應用

中圖分類號 U411文獻標識碼 B文章編號 2096-8949（2023）11-0186-03

0 引言

在“雙碳”的大背景下，國家提出力爭到2025年全國工業(yè)固廢綜合利用率達80.0%以上。目前關于煤瀝青在道路中的應用研究中主要存在兩方面的問題：一是污染物排放量大，相比于石油瀝青，有較多的苯并芘等污染物排放得不到有效的治理；二是低溫性能差，主要表現(xiàn)為低溫脆裂，混合料低溫性能不足等問題。如何緩解煤瀝青輕組分不足所致的低溫發(fā)脆以及環(huán)境污染問題已成為當務之急。

1 道路用煤瀝青改性技術分析

武繼文[1]通過研究發(fā)現(xiàn)煤瀝青屬于煤化工廢渣中提煉出來的一種瀝青，含有大量的不飽和稠環(huán)化合物及固有的片層結(jié)構(gòu)，使得煤瀝青低溫脆裂延展性差，且其所含苯并芘類化合物引起的環(huán)境污染問題嚴重制約著煤瀝青在道路中的應用推廣。蔡麗娜、穆建青、謝邦柱[2]利用鄰苯二甲酸酯中的芳環(huán)結(jié)構(gòu)可與煤瀝青的稠環(huán)化合物形成離域電子相互作用，因與煤瀝青有極好的相容性，所以可調(diào)節(jié)煤瀝青三組分配比改善煤瀝青的施工和易性。劉哲、杜素軍、劉鵬飛[3]認為丁苯橡膠中有大量苯環(huán)結(jié)構(gòu)可與煤瀝青形成良好的互溶體系，且丁苯橡膠的柔性分子結(jié)構(gòu)可以有效提升煤瀝青改性后的低溫性能。蔡麗娜、穆建青[4]通過試驗證明鄰苯二甲酸酯中COOR基團中的O原子電負性較強且有較強的吸電子能力，可與聚乙二醇形成局部氫鍵作用，且有助于聚乙二醇在煤瀝青改性后體系的穩(wěn)定存在。穆建青、蔡麗娜、胡國鵬[5]因聚乙二醇中有大量伯醇活性羥基（-OH）和醚鍵（-O-）存在，所以伯醇活性羥基（-OH）和醚鍵（-O-）在加熱條件下，可大量分解為徉鹽結(jié)構(gòu)，并與苯并芘發(fā)生親電取代，從而嫁接到苯并芘等多環(huán)芳烴的活性位上，消除苯并芘等多環(huán)芳烴的致癌性。謝邦柱、杜素軍、蔡麗娜[6]證明聚乙二醇除了可以有效降低煤瀝青的污染性以外，其自身特有的低熔點、溶解性強的特點可以有效地緩解煤瀝青輕組分不足所致的低溫發(fā)脆等問題。

2 創(chuàng)新點分析

煤瀝青作為一種功能碳材料前驅(qū)體具有殘?zhí)几摺⒊杀镜?、易石墨化的特點，其碳化材料在新能源及交通行業(yè)被廣泛應用。如何通過煤瀝青改性調(diào)整其碳化過程，優(yōu)化碳材料的結(jié)構(gòu)排列使其更加易于石墨化從而改善碳化材料的應用性能，是當前煤化工領域研究的關鍵技術問題。

筆者從2020年開始嘗試通過實驗將高分子聚合物直接加入煤瀝青中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者相容性較差，無法做到均勻分散。

2021年，筆者基于原位自由基聚合原理制備了聚合物改性煤瀝青，研究了自由基調(diào)節(jié)劑、復配咪唑啉作為預處理劑時對煤瀝青的影響，探索了煤瀝青與單體比、最佳用量和預處理溫度、聚合反應溫度等因素對單體轉(zhuǎn)化率的影響。在復配咪唑啉調(diào)節(jié)體系中，聚苯乙烯聚丙烯腈共聚物改性煤瀝青的最高轉(zhuǎn)化率為25.5%；聚苯乙烯改性煤瀝青的最高轉(zhuǎn)化率為45.9%。在自由基調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)體系中，聚苯乙烯聚丙烯腈共聚物改性煤瀝青的最高轉(zhuǎn)化率為22.7%，聚苯乙烯改性煤瀝青的最高轉(zhuǎn)化率為34.9%。

2022年，筆者通過MALDI質(zhì)譜對聚合物改性煤瀝青結(jié)構(gòu)作進一步研究的同時，也對聚合物改性煤瀝青和原煤瀝青進行了碳化分析。紅外光譜結(jié)果說明，碳化過程中小分子逐漸消失的同時，改性煤瀝青脂肪類烷基鏈結(jié)構(gòu)逐漸斷裂消失，改性煤瀝青的中芳香度高于原煤瀝青的芳香度。熱失重分析結(jié)果說明，聚合物加入煤瀝青后可提高煤瀝青的熱穩(wěn)定性能。X射線衍射與N2吸脫附測試、掃描電鏡結(jié)果說明，改性后煤瀝青碳化材料的微觀形貌具有層狀的流線型結(jié)構(gòu)，碳分子結(jié)構(gòu)排列有序度高，且材料內(nèi)部微晶含量增多。

該文同時進行了聚合物改性煤瀝青碳化材料交流阻抗測試分析的應用研究。改性煤瀝青碳化材料作為電極材料時，對電子轉(zhuǎn)移阻礙減小、導電性能提升。改性之后的煤瀝青制備的預焙陽極碳棒樣品熱膨脹系數(shù)降低，說明電極材料擁有穩(wěn)定的電化學性能；實現(xiàn)聚合物單鏈段在煤瀝青中的精細分散，從而通過聚合物結(jié)構(gòu)調(diào)控煤瀝青碳化過程和微觀結(jié)構(gòu)。

3 公路工程煤化工廢渣循環(huán)利用體系研究

3.1 主要研究內(nèi)容

煤化工技術在煤基等新能源利用過程中不可避免地會產(chǎn)生各種副產(chǎn)物，如不能合理利用煤化工固體廢渣，帶來固廢堆積、污染環(huán)境等問題的同時，也會造成巨大的資源浪費，不利于促進煤炭資源循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展。為響應國家對資源型經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展提出的新要求，針對山西省道路基礎設施建設和煤化工固廢資源化利用的重大需求，該文采用基礎理論研究、工藝與裝備優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)化工程技術示范全鏈條集成攻關，研究煤化工固體廢渣綠色循環(huán)路用關鍵技術[7]。

3.1.1 煤化工廢渣化學－物理復合改性石油瀝青技術

采用煤化工廢渣對瀝青進行改性，研發(fā)出新型煤化工廢渣改性瀝青，全面提升道路石油瀝青的各項技術性能。利用化學－物理復合改性瀝青手段，使煤化工廢渣改性瀝青路面在高溫穩(wěn)定性、抗水剝離性、低溫抗裂性以及耐久性等方面得到較大幅度的改善。分析煤化工廢渣類型對瀝青膠結(jié)料性能的影響作用，篩選出適合道路石油瀝青改性的煤化工廢渣材料品種，并對煤化工廢渣進行測試和表征；系統(tǒng)研究煤化工廢渣改性瀝青技術，考察改性劑類型、材料用量、改性溫度和時間，以及老化條件等對瀝青改性效果的影響，基于流變學探討煤化工廢渣改性瀝青的機理，為煤化工廢渣瀝青的應用提供了理論依據(jù)。研發(fā)出煤化工廢渣改性石油瀝青關鍵技術，保障煤化工廢渣改性瀝青應用到路面工程中，提升了瀝青路面的路用性能，減少了路面的早期病害，降低了后期養(yǎng)護費用，提高了道路的通行能力。

3.1.2 煤化工廢渣改性石油瀝青制備工藝與裝備優(yōu)化

煤化工廢渣與石油瀝青共混，發(fā)生物理溶脹和化學交聯(lián)作用，形成一種新的膠體分散體系，交聯(lián)混合物性質(zhì)存在相應改變。研發(fā)煤化工廢渣改性石油瀝青制備工藝，對煤化工廢渣的投放順序、投放量和拌和時間進行理論和試驗研究，建立攪拌器拌和均勻性數(shù)學模型，分析攪拌設備拌制煤化工廢渣混合料時最佳瀝青裹附拌和時間、煤化工廢渣材料最佳分散拌和時間，通過相似原理，將其運用到現(xiàn)場瀝青攪拌設備上；對目前常規(guī)瀝青改性設備進行優(yōu)化，研制改性瀝青的煤化工廢渣添加拌和裝置，提升煤化工廢渣改性瀝青的生產(chǎn)質(zhì)量；提出煤化工廢渣改性石油瀝青制備工藝參數(shù)、制備工藝標準以及制備質(zhì)量控制。

3.1.3 高摻量煤化工固體廢渣混合料路用結(jié)構(gòu)性能研究

通過現(xiàn)代粒度分析技術，對煤化工固體廢渣性能進行評價。利用微觀分析與宏觀性能測試相結(jié)合的手段，在依據(jù)常用瀝青技術指標體系基礎上，通過二者的結(jié)合，研究高摻量煤化工廢渣混合料物理力學特性，構(gòu)建高摻量煤化工廢渣混合料質(zhì)量及性能評價體系。同時對高摻量煤化工固體廢渣混合料路用結(jié)構(gòu)特性進行研究，主要研究內(nèi)容包括廢渣細集料－改性瀝青與礦料界面特性與強化技術、混合料疲勞性能提升。

3.1.4 煤液化廢渣改性石油瀝青養(yǎng)護磨耗層提升技術研究

研發(fā)煤液化廢渣改性石油瀝青養(yǎng)護磨耗層，增強全壽命周期養(yǎng)護投資綜合效益。研究煤液化廢渣改性石油瀝青和骨料的技術性能指標及要求，進行煤液化廢渣改性石油瀝青黏結(jié)材料組成優(yōu)化分析，確定各組分配比。分析煤液化廢渣改性石油瀝青養(yǎng)護磨耗層與舊路面層黏結(jié)強度形成機理，基于室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗，研究其黏結(jié)性能，建立煤液化廢渣改性石油瀝青養(yǎng)護磨耗層力學響應?？紤]磨耗層界面接觸特性，研究煤液化廢渣改性石油瀝青磨耗層抗滑性能、耐久性能，形成煤液化廢渣改性石油瀝青養(yǎng)護磨耗層的品質(zhì)提升。

3.1.5 煤化工固體廢渣綠色循環(huán)路面工程產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化工程示范

建設煤炭分級分質(zhì)循環(huán)利用項目，提出煤化工固廢綠色循環(huán)路面關鍵性技術研究。通過對煤化工固體廢渣分級分質(zhì)提質(zhì)，實現(xiàn)循環(huán)利用，高效、清潔、綠色、科學性地應用煤化工固體廢渣。針對煤化工固廢多品質(zhì)、多粒度級進行精細劃分，形成煤化工固體廢渣劃分決策體制；針對煤化工固體廢渣內(nèi)部化合物成分復雜這一問題，采用低溫熱解、化學萃取等技術，通過循環(huán)開發(fā)綜合利用，分選出煤化工固體廢渣各組分，分級確定煤化工固體廢渣的路用范疇以及路用性能指標，為煤化工固體廢渣綠色循環(huán)路面工程及養(yǎng)護提供評測標準，建立煤化工固體廢渣綠色循環(huán)體系。

3.2 主要技術性能、參數(shù)指標、經(jīng)濟性指標分析

3.2.1 主要技術性能分析

對煤化工廢渣改性石油瀝青的針入度、軟化點、延度、黏度等進行測試，獲取煤化工廢渣改性石油瀝青的常規(guī)性能參數(shù)；利用DSR、RTFOT、PAV等試驗手段，研究煤化工廢渣改性石油瀝青的流變性能及老化性能；對比煤化工廢渣改性石油瀝青、基質(zhì)瀝青及4.5%的SBS改性瀝青性能差異，研制出性能優(yōu)于或近似于4.5%的SBS改性瀝青的煤化工廢渣改性石油瀝青。

3.2.2 主要參數(shù)指標分析

對煤化工廢渣改性石油瀝青混合料進行馬歇爾試驗、浸水馬歇爾試驗、高溫車轍試驗、低溫彎曲試驗、間接劈裂試驗、單軸貫入試驗、疲勞試驗以及黏度性試驗等，研究煤化工廢渣改性石油瀝青混合料路用性能；對比煤化工廢渣改性石油瀝青混合料、基質(zhì)瀝青混合料及4.5%的SBS改性瀝青混合料力學性能，配制出路用性能優(yōu)于或近似于4.5%的SBS改性瀝青混合料的改性混合料。

3.2.3 主要經(jīng)濟性指標分析

煤化工廢渣作為一種工業(yè)副產(chǎn)品，其本身價格較為低廉。充分利用煤化工廢渣，積極研發(fā)煤化工廢渣綠色循環(huán)路用關鍵技術，不僅可以變廢為寶，同時利于資源型經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展。對標行業(yè)SBS改性瀝青經(jīng)濟性指標（每1 t表面層及中面層改性瀝青增加費用分別約為820元及720元），研制出每1 t表面層改性瀝青增加費用低于498元的煤化工廢渣改性石油瀝青，每1 t中面層改性瀝青增加費用低于398元的煤化工廢渣改性石油瀝青。

4 煤化工廢渣循環(huán)利用體系實施路徑與保障措施

第一，抓好頂層規(guī)劃設計、創(chuàng)新要素集聚、創(chuàng)新生態(tài)建設、重大科技攻關、人才培養(yǎng)留用、標準規(guī)范引領、創(chuàng)新氛圍營造、組織實施保障，加大研發(fā)投入，高標準建設智慧交通實驗室，建立創(chuàng)新主體培育庫，承攬重大科技項目，爭取高級別科學技術獎勵，在智慧交通、新型材料、綠色交通等領域開展深層次、全方位合作，共同推動智能裝備、智慧檢測、大數(shù)據(jù)分析、固廢利用、生態(tài)修復等方向的產(chǎn)業(yè)升級，推進產(chǎn)學研用協(xié)同創(chuàng)新，加快交通強國建設，促進交通關聯(lián)新業(yè)態(tài)發(fā)展的意愿和努力，在雙方發(fā)展戰(zhàn)略機遇期開啟深入合作，將不僅為煤瀝青的發(fā)展提供新助力，也將對工業(yè)固廢的改革與發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

第二，公路領域進一步全面推進校企合作，將科學技術、科研成果、人才資源等優(yōu)勢與工業(yè)固廢的發(fā)展融為一體，夯實交通及相關產(chǎn)業(yè)全方位、高質(zhì)量發(fā)展的人才基礎，為互利共贏和協(xié)同發(fā)展開啟新的篇章。用好“一人一策、一事一議”政策，大力引進頂尖人才和創(chuàng)新團隊，認真落實“揭榜掛帥”、科研經(jīng)費“包干制”等中長期激勵機制，為科技創(chuàng)新人員提供全方位支持。進一步加強與知名高校、科研院所、科技創(chuàng)新重點企業(yè)合作，組建產(chǎn)學研一體化創(chuàng)新聯(lián)合體，協(xié)同推進重大科研任務。

第三，堅持轉(zhuǎn)作風抓落實，確?？萍紕?chuàng)新各項工作落地見效。強化組織領導，成立科技創(chuàng)新和數(shù)字化提升專項領導組，在加強調(diào)查研究基礎上，高標準制定專項規(guī)劃。完善體制機制，充分發(fā)揮好考核“指揮棒”作用，加強科研經(jīng)費和科研項目管理，完善科技人才評價制度和科技項目監(jiān)督檢查制度。大力宣傳科技創(chuàng)新取得的重要成果，全力推進高水平學術交流活動常態(tài)化、品牌化，打造高水平學術交流平臺，營造濃厚創(chuàng)新氛圍。

第四，交通領域科技創(chuàng)新大會精神的具體實踐，也是促進產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、人才鏈融通，促進交通產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高校教學科研深度融合的有力舉措。堅持務實高效的作風，以項目和課題為牽引，密切溝通，緊密協(xié)作，充分發(fā)揮科研優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢、市場優(yōu)勢，推進產(chǎn)學研用協(xié)同創(chuàng)新，打造面向市場、協(xié)同發(fā)展、互利共贏的合作模式，為交通運輸行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有力的技術支持、平臺支撐和人才保障。

5 結(jié)論

（1）煤瀝青改性目前已經(jīng)在山西省永和至霍州高速公路等工程中得到了應用，促進了低溫下性能穩(wěn)定的煤瀝青改性后的技術轉(zhuǎn)化，對所涉及的煤焦油瀝青資源化利用具有一定的意義。

（2）煤化工技術在煤基等新能源利用過程中不可避免地產(chǎn)生各種副產(chǎn)物，如不能合理利用煤化工固體廢渣，不僅帶來固廢堆積、污染環(huán)境等問題，同時也會造成巨大的資源浪費，不利于促進煤炭資源循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展。為響應國家對資源型經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展提出的新要求，針對山西省道路基礎設施建設和煤化工固廢資源化利用的重大需求，研究項目通過基礎理論研究、工藝與裝備優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)化工程技術示范全鏈條集成攻關，研究煤化工固體廢渣煤瀝青改性關鍵技術是必要的。

參考文獻

[1]武繼文. 煤瀝青在公路工程中的應用[J]. 交通世界（建養(yǎng). 機械）， 2010（5）： 259-260.

[2] 蔡麗娜， 穆建青， 謝邦柱. 聚乙二醇對復合改性煤瀝青性能的影響研究[J]. 山西交通科技， 2020（6）： 1-4.

[3] 劉哲， 杜素軍， 劉鵬飛， 等. 淺談國內(nèi)外筑路煤瀝青的研究進展[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化， 2016（9）： 53-55.

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[7]許祥云， 柯望. 基于表面改性的鋼渣瀝青混合料路用性能研究[J]. 山東交通科技， 2022（5）： 20-24.