煤化工废渣循环利用体系研究

程鹏

摘要 为解决现有煤沥青改性后环境污染严重、低温性能差的问题，该研究通过改性剂之间相互作用与协同改性，在有效提升煤沥青改性后低温性能的同时减少煤沥青中主要污染物苯并芘的释放，有效解决了现有煤沥青低温性能差、环境污染严重的问题，煤沥青改性后及其混合料的技术指标满足要求。

关键词 煤沥青；改性；煤化工废渣；应用

中图分类号 U411文献标识码 B文章编号 2096-8949（2023）11-0186-03

0 引言

在“双碳”的大背景下，国家提出力争到2025年全国工业固废综合利用率达80.0%以上。目前关于煤沥青在道路中的应用研究中主要存在两方面的问题：一是污染物排放量大，相比于石油沥青，有较多的苯并芘等污染物排放得不到有效的治理；二是低温性能差，主要表现为低温脆裂，混合料低温性能不足等问题。如何缓解煤沥青轻组分不足所致的低温发脆以及环境污染问题已成为当务之急。

1 道路用煤沥青改性技术分析

武继文[1]通过研究发现煤沥青属于煤化工废渣中提炼出来的一种沥青，含有大量的不饱和稠环化合物及固有的片层结构，使得煤沥青低温脆裂延展性差，且其所含苯并芘类化合物引起的环境污染问题严重制约着煤沥青在道路中的应用推广。蔡丽娜、穆建青、谢邦柱[2]利用邻苯二甲酸酯中的芳环结构可与煤沥青的稠环化合物形成离域电子相互作用，因与煤沥青有极好的相容性，所以可调节煤沥青三组分配比改善煤沥青的施工和易性。刘哲、杜素军、刘鹏飞[3]认为丁苯橡胶中有大量苯环结构可与煤沥青形成良好的互溶体系，且丁苯橡胶的柔性分子结构可以有效提升煤沥青改性后的低温性能。蔡丽娜、穆建青[4]通过试验证明邻苯二甲酸酯中COOR基团中的O原子电负性较强且有较强的吸电子能力，可与聚乙二醇形成局部氢键作用，且有助于聚乙二醇在煤沥青改性后体系的稳定存在。穆建青、蔡麗娜、胡国鹏[5]因聚乙二醇中有大量伯醇活性羟基（-OH）和醚键（-O-）存在，所以伯醇活性羟基（-OH）和醚键（-O-）在加热条件下，可大量分解为徉盐结构，并与苯并芘发生亲电取代，从而嫁接到苯并芘等多环芳烃的活性位上，消除苯并芘等多环芳烃的致癌性。谢邦柱、杜素军、蔡丽娜[6]证明聚乙二醇除了可以有效降低煤沥青的污染性以外，其自身特有的低熔点、溶解性强的特点可以有效地缓解煤沥青轻组分不足所致的低温发脆等问题。

2 创新点分析

煤沥青作为一种功能碳材料前驱体具有残碳高、成本低、易石墨化的特点，其碳化材料在新能源及交通行业被广泛应用。如何通过煤沥青改性调整其碳化过程，优化碳材料的结构排列使其更加易于石墨化从而改善碳化材料的应用性能，是当前煤化工领域研究的关键技术问题。

笔者从2020年开始尝试通过实验将高分子聚合物直接加入煤沥青中，结果发现二者相容性较差，无法做到均匀分散。

2021年，笔者基于原位自由基聚合原理制备了聚合物改性煤沥青，研究了自由基调节剂、复配咪唑啉作为预处理剂时对煤沥青的影响，探索了煤沥青与单体比、最佳用量和预处理温度、聚合反应温度等因素对单体转化率的影响。在复配咪唑啉调节体系中，聚苯乙烯聚丙烯腈共聚物改性煤沥青的最高转化率为25.5%；聚苯乙烯改性煤沥青的最高转化率为45.9%。在自由基调节剂调节体系中，聚苯乙烯聚丙烯腈共聚物改性煤沥青的最高转化率为22.7%，聚苯乙烯改性煤沥青的最高转化率为34.9%。

2022年，笔者通过MALDI质谱对聚合物改性煤沥青结构作进一步研究的同时，也对聚合物改性煤沥青和原煤沥青进行了碳化分析。红外光谱结果说明，碳化过程中小分子逐渐消失的同时，改性煤沥青脂肪类烷基链结构逐渐断裂消失，改性煤沥青的中芳香度高于原煤沥青的芳香度。热失重分析结果说明，聚合物加入煤沥青后可提高煤沥青的热稳定性能。X射线衍射与N2吸脱附测试、扫描电镜结果说明，改性后煤沥青碳化材料的微观形貌具有层状的流线型结构，碳分子结构排列有序度高，且材料内部微晶含量增多。

该文同时进行了聚合物改性煤沥青碳化材料交流阻抗测试分析的应用研究。改性煤沥青碳化材料作为电极材料时，对电子转移阻碍减小、导电性能提升。改性之后的煤沥青制备的预焙阳极碳棒样品热膨胀系数降低，说明电极材料拥有稳定的电化学性能；实现聚合物单链段在煤沥青中的精细分散，从而通过聚合物结构调控煤沥青碳化过程和微观结构。

3 公路工程煤化工废渣循环利用体系研究

3.1 主要研究内容

煤化工技术在煤基等新能源利用过程中不可避免地会产生各种副产物，如不能合理利用煤化工固体废渣，带来固废堆积、污染环境等问题的同时，也会造成巨大的资源浪费，不利于促进煤炭资源循环利用和可持续发展。为响应国家对资源型经济转型发展提出的新要求，针对山西省道路基础设施建设和煤化工固废资源化利用的重大需求，该文采用基础理论研究、工艺与装备优化、产业化工程技术示范全链条集成攻关，研究煤化工固体废渣绿色循环路用关键技术[7]。

3.1.1 煤化工废渣化学－物理复合改性石油沥青技术

采用煤化工废渣对沥青进行改性，研发出新型煤化工废渣改性沥青，全面提升道路石油沥青的各项技术性能。利用化学－物理复合改性沥青手段，使煤化工废渣改性沥青路面在高温稳定性、抗水剥离性、低温抗裂性以及耐久性等方面得到较大幅度的改善。分析煤化工废渣类型对沥青胶结料性能的影响作用，筛选出适合道路石油沥青改性的煤化工废渣材料品种，并对煤化工废渣进行测试和表征；系统研究煤化工废渣改性沥青技术，考察改性剂类型、材料用量、改性温度和时间，以及老化条件等对沥青改性效果的影响，基于流变学探讨煤化工废渣改性沥青的机理，为煤化工废渣沥青的应用提供了理论依据。研发出煤化工废渣改性石油沥青关键技术，保障煤化工废渣改性沥青应用到路面工程中，提升了沥青路面的路用性能，减少了路面的早期病害，降低了后期养护费用，提高了道路的通行能力。

3.1.2 煤化工废渣改性石油沥青制备工艺与装备优化

煤化工废渣与石油沥青共混，发生物理溶胀和化学交联作用，形成一种新的胶体分散体系，交联混合物性质存在相应改变。研发煤化工废渣改性石油沥青制备工艺，对煤化工废渣的投放顺序、投放量和拌和时间进行理论和试验研究，建立搅拌器拌和均匀性数学模型，分析搅拌设备拌制煤化工废渣混合料时最佳沥青裹附拌和时间、煤化工废渣材料最佳分散拌和时间，通过相似原理，将其运用到现场沥青搅拌设备上；对目前常规沥青改性设备进行优化，研制改性沥青的煤化工废渣添加拌和装置，提升煤化工废渣改性沥青的生产质量；提出煤化工废渣改性石油沥青制备工艺参数、制备工艺标准以及制备质量控制。

3.1.3 高掺量煤化工固体废渣混合料路用结构性能研究

通过现代粒度分析技术，对煤化工固体废渣性能进行评价。利用微观分析与宏观性能测试相结合的手段，在依据常用沥青技术指标体系基础上，通过二者的结合，研究高掺量煤化工废渣混合料物理力学特性，构建高掺量煤化工废渣混合料质量及性能评价体系。同时对高掺量煤化工固体废渣混合料路用结构特性进行研究，主要研究内容包括废渣细集料－改性沥青与矿料界面特性与强化技术、混合料疲劳性能提升。

3.1.4 煤液化废渣改性石油沥青养护磨耗层提升技术研究

研发煤液化废渣改性石油沥青养护磨耗层，增强全寿命周期养护投资综合效益。研究煤液化废渣改性石油沥青和骨料的技术性能指标及要求，进行煤液化废渣改性石油沥青黏结材料组成优化分析，确定各组分配比。分析煤液化废渣改性石油沥青养护磨耗层与旧路面层黏结强度形成机理，基于室内试验及现场试验，研究其黏结性能，建立煤液化废渣改性石油沥青养护磨耗层力学响应。考虑磨耗层界面接触特性，研究煤液化废渣改性石油沥青磨耗层抗滑性能、耐久性能，形成煤液化废渣改性石油沥青养护磨耗层的品质提升。

3.1.5 煤化工固体废渣绿色循环路面工程产品产业化工程示范

建设煤炭分级分质循环利用项目，提出煤化工固废绿色循环路面关键性技术研究。通过对煤化工固体废渣分级分质提质，实现循环利用，高效、清洁、绿色、科学性地应用煤化工固体废渣。针对煤化工固废多品质、多粒度级进行精细划分，形成煤化工固体废渣划分决策体制；针对煤化工固体废渣内部化合物成分复杂这一问题，采用低温热解、化学萃取等技术，通过循环开发综合利用，分选出煤化工固体废渣各组分，分级确定煤化工固体废渣的路用范畴以及路用性能指标，为煤化工固体废渣绿色循环路面工程及养护提供评测标准，建立煤化工固体废渣绿色循环体系。

3.2 主要技术性能、参数指标、经济性指标分析

3.2.1 主要技术性能分析

对煤化工废渣改性石油沥青的针入度、软化点、延度、黏度等进行测试，获取煤化工废渣改性石油沥青的常规性能参数；利用DSR、RTFOT、PAV等试验手段，研究煤化工废渣改性石油沥青的流变性能及老化性能；对比煤化工废渣改性石油沥青、基质沥青及4.5%的SBS改性沥青性能差异，研制出性能优于或近似于4.5%的SBS改性沥青的煤化工废渣改性石油沥青。

3.2.2 主要参数指标分析

对煤化工废渣改性石油沥青混合料进行马歇尔试验、浸水马歇尔试验、高温车辙试验、低温弯曲试验、间接劈裂试验、单轴贯入试验、疲劳试验以及黏度性试验等，研究煤化工废渣改性石油沥青混合料路用性能；对比煤化工废渣改性石油沥青混合料、基质沥青混合料及4.5%的SBS改性沥青混合料力学性能，配制出路用性能优于或近似于4.5%的SBS改性沥青混合料的改性混合料。

3.2.3 主要经济性指标分析

煤化工废渣作为一种工业副产品，其本身价格较为低廉。充分利用煤化工废渣，积极研发煤化工废渣绿色循环路用关键技术，不仅可以变废为宝，同时利于资源型经济转型发展。对标行业SBS改性沥青经济性指标（每1 t表面层及中面层改性沥青增加费用分别约为820元及720元），研制出每1 t表面层改性沥青增加费用低于498元的煤化工废渣改性石油沥青，每1 t中面层改性沥青增加费用低于398元的煤化工废渣改性石油沥青。

4 煤化工废渣循环利用体系实施路径与保障措施

第一，抓好顶层规划设计、创新要素集聚、创新生态建设、重大科技攻关、人才培养留用、标准规范引领、创新氛围营造、组织实施保障，加大研发投入，高标准建设智慧交通实验室，建立创新主体培育库，承揽重大科技项目，争取高级别科学技术奖励，在智慧交通、新型材料、绿色交通等领域开展深层次、全方位合作，共同推动智能装备、智慧检测、大数据分析、固废利用、生态修复等方向的产业升级，推进产学研用协同创新，加快交通强国建设，促进交通关联新业态发展的意愿和努力，在双方发展战略机遇期开启深入合作，将不仅为煤沥青的发展提供新助力，也将对工业固废的改革与发展产生积极影响。

第二，公路领域进一步全面推进校企合作，将科学技术、科研成果、人才资源等优势与工业固废的发展融为一体，夯实交通及相关产业全方位、高质量发展的人才基础，为互利共赢和协同发展开启新的篇章。用好“一人一策、一事一议”政策，大力引进顶尖人才和创新团队，认真落实“揭榜挂帅”、科研经费“包干制”等中长期激励机制，为科技创新人员提供全方位支持。进一步加强与知名高校、科研院所、科技创新重点企业合作，组建产学研一体化创新联合体，协同推进重大科研任务。

第三，坚持转作风抓落实，确保科技创新各项工作落地见效。强化组织领导，成立科技创新和数字化提升专项领导组，在加强调查研究基础上，高标准制定专项规划。完善体制机制，充分发挥好考核“指挥棒”作用，加強科研经费和科研项目管理，完善科技人才评价制度和科技项目监督检查制度。大力宣传科技创新取得的重要成果，全力推进高水平学术交流活动常态化、品牌化，打造高水平学术交流平台，营造浓厚创新氛围。

第四，交通领域科技创新大会精神的具体实践，也是促进产业链、创新链、人才链融通，促进交通产业转型升级和高校教学科研深度融合的有力举措。坚持务实高效的作风，以项目和课题为牵引，密切沟通，紧密协作，充分发挥科研优势、产业优势、市场优势，推进产学研用协同創新，打造面向市场、协同发展、互利共赢的合作模式，为交通运输行业高质量发展提供有力的技术支持、平台支撑和人才保障。

5 结论

（1）煤沥青改性目前已经在山西省永和至霍州高速公路等工程中得到了应用，促进了低温下性能稳定的煤沥青改性后的技术转化，对所涉及的煤焦油沥青资源化利用具有一定的意义。

（2）煤化工技术在煤基等新能源利用过程中不可避免地产生各种副产物，如不能合理利用煤化工固体废渣，不仅带来固废堆积、污染环境等问题，同时也会造成巨大的资源浪费，不利于促进煤炭资源循环利用和可持续发展。为响应国家对资源型经济转型发展提出的新要求，针对山西省道路基础设施建设和煤化工固废资源化利用的重大需求，研究项目通过基础理论研究、工艺与装备优化、产业化工程技术示范全链条集成攻关，研究煤化工固体废渣煤沥青改性关键技术是必要的。

参考文献

[1]武继文. 煤沥青在公路工程中的应用[J]. 交通世界（建养. 机械）， 2010（5）： 259-260.

[2] 蔡丽娜， 穆建青， 谢邦柱. 聚乙二醇对复合改性煤沥青性能的影响研究[J]. 山西交通科技， 2020（6）： 1-4.

[3] 刘哲， 杜素军， 刘鹏飞， 等. 浅谈国内外筑路煤沥青的研究进展[J]. 现代工业经济和信息化， 2016（9）： 53-55.

[4] 蔡丽娜， 穆建青. SBR和SBS协同改性煤沥青性能研究[J]. 山西交通科技， 2016（3）： 19-22.

[5]穆建青， 蔡丽娜， 胡国鹏. 路用改性煤沥青的研究进展[J]. 山西交通科技， 2016（1）： 17-19+26.

[6]谢邦柱， 杜素军， 蔡丽娜， 等. 水性涂料在公路工程行业中的典型应用及研究进展[J]. 中国涂料， 2017（4）： 6-9+13.

[7]许祥云， 柯望. 基于表面改性的钢渣沥青混合料路用性能研究[J]. 山东交通科技， 2022（5）： 20-24.