ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2023-4-800-808YRJBRDipolytech-764Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯMETALLURGYСнижение экологической нагрузки на окружающую среду при производстве алюминия за счёт применения нефтяного пекаReducing the environmental impact of aluminum production through the use of petroleum pitchhttps://orcid.org/0000-0001-9895-1709НемчиноваН. В.NemchinovaN. V.

Немчинова Нина Владимировна, д.т.н., профессор, заведующая кафедрой металлургии цветных металлов

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Nina V. Nemchinova, Dr. Sci. (Eng.), Professor,  Head of the Department of Non-Ferrous Metals Metallurgy

83, Lermontov St., Irkutsk 664074

ninavn@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6786-2711КоноваловН. П.KonovalovN. P.

Коновалов Николай Петрович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой физики

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Nikolay P. Konovalov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Physics

83, Lermontov St., Irkutsk 664074

knp@istu.eduhttps://orcid.org/0000-0003-3005-6577КоноваловП. Н.KonovalovP. N.

Коновалов Пётр Николаевич, к.т.н., доцент, доцент кафедры физики

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Petr N. Konovalov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Physics

83, Lermontov St., Irkutsk 664074

iskpn@rambler.ruДошловИ. О.DoshlovI. O.

Дошлов Иван Олегович, аспирант

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Ivan O. Doshlov, Postgraduate Student

83, Lermontov St., Irkutsk 664074

doshlov125@mail.ruИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation202310012024274800808Copyright © Немчинова Н.В., Коновалов Н.П., Коновалов П.Н., Дошлов И.О., 20242024Немчинова Н.В., Коновалов Н.П., Коновалов П.Н., Дошлов И.О.Nemchinova N.V., Konovalov N.P., Konovalov P.N., Doshlov I.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/764

Цель – разработка технологии получения нефтяного пека как связующего для анодной массы, используемой при электролитическом получении алюминия, из мазутов каталитического жидкофазного окислительного крекинга нефти.  Для определения направления исследований в работе использовался анализ опубликованных данных о способах получения и свойствах нефтяного пека. Предложен способ получения нефтяных пеков методом каталитического жидкофазного окислительного крекинга нефтяного сырья с применением гетерогенных металлокомплексных катализаторов. Показано, что процесс получения данного пека состоит из нескольких стадий. К ним относятся: гомогенизация мазута и модифицирующей присадки; окислительный крекинг мазута в процессе нагрева гомогенизированного мазута в печи; каталитический жидкофазный окислительный крекинг мазута с удалением дистиллятов; ректификация светлых фракций; конденсация дистиллятов; сбор светлых нефтепродуктов; окисление воздухом и паром кубового остатка, удаление дистиллятов окисления и нефтяного пека; гранулирование пека. В результате сравнения полученного по предлагаемому методу нефтяного пека с каменноугольным пеком марки Б-1 производства АО «Алтай-кокс» установлено, что предлагаемый материал не уступает требованиям технологического регламента Красноярского алюминиевого завода компании РУСАЛ. Показано, что по содержанию серы предлагаемый пек превосходит каменноугольный пек. Согласно результатам исследований и испытаний, проведенных на алюминиевом предприятии, в нефтяном пеке не содержатся вредные полиароматические углеводороды, в частности, канцерогенный бенз(а)пирен.  Таким образом, замена каменноугольного пека нефтяным дает технологические и экологические преимущества для производителей первичного алюминия, а также для предприятий, выпускающих различные углеродные материалы. 

This study is aimed at developing a technology for obtaining petroleum pitch as a binder for anode mass used in the electrolytic production of aluminum from fuel oils of catalytic liquid-phase oxidative oil cracking. A review of published data on the existing methods for obtaining petroleum pitch and its properties is carried out in order to define research directions. A method for producing petroleum pitch by catalytic liquid-phase oxidative cracking of crude oil using heterogeneous metal complex catalysts is proposed. The process of petroleum pitch production is shown to undergo several stages, including homogenization of fuel oil and modifying additives; oxidative cracking of fuel oil during heating of homogenized fuel oil in a furnace; catalytic liquid-phase oxidative cracking of fuel oil with removal of distillates; rectification of light fractions; condensation of distillates; collection of light oil products; oxidation of bottom residues by air and steam; removal of oxidation distillates and petroleum pitch; and pitch pelletizing. According to the conducted comparison of the as-obtained petroleum pitch with the B-1 coal tar pitch produced by the Altai Koks JSC, the proposed material meets the technological requirements of the Krasnoyarsk Aluminum Plant of the RUSAL company. In terms of sulfur content, the proposed petroleum pitch is superior to coal tar pitch. The experiments conducted at an aluminum plant showed the petroleum pitch to contain no harmful polyaromatic hydrocarbons, in particular, carcinogenic benz(a)pyrene.  Therefore, replacement of coal tar pitch with petroleum pitch could provide technological and environmental advantages for primary aluminum producers, as well as for enterprises producing various carbon materials.

производство алюминияэкологическая безопасностьанод электролизераанодная массанефтяной пекaluminum productionenvironmental safetyelectrolyser anodeanode pastepetroleum pitchReferencesMann V., Buzunov V., Pitertsev N., Chesnyak V., Polyakov P. Reduction in power consumption at UC RUSAL’s smelters 2012–2014 // Light Metals / eds. M. Hyland. Cham: Springer, 2015. Р. 757–762. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48248-4_128.Mann V., Buzunov V., Pitertsev N., Chesnyak V., Polyakov P. Reduction in power consumption at UC RUSAL’s smelters 2012–2014. In: Hyland M. (eds.). Light Metals. Cham: Springer; 2015, р. 757-762. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48248-4_128.Напалков В.И., Баранов В.Н., Фролов В.Ф. Лигатуры алюминиевые: структура и назначение: монография. Красноярск: СФУ, 2019. 176 с.Napalkov V.I., Baranov V.N, Frolov V.F. Aluminum ligatures: structure and purpose. Krasnoyarsk: Siberian Federal University; 2019, 176 р. (In Russ.).Dubovikov O.A., Brichkin V.N., Ris A.D., Sundurov A.V. Thermochemical activation of hydrated aluminosilicates and its importance for alumina production // Non-ferrous Metals. 2018. No. 2. Р. 11–16. https://doi.org/10.17580/nfm.2018.02.02. EDN: VAYILVDubovikov O.A., Brichkin V.N., Ris A.D., Sundurov A.V. Thermochemical activation of hydrated aluminosilicates and its importance for alumina production. Non-ferrous Metals. 2018;2:11-16. https://doi.org/10.17580/nfm.2018.02.02. EDN: VAYILV.Nemchinova N.V., Barauskas A.E., Tyutrin A.A., Vologin V.S. Processing finely dispersed technogenic raw materials for aluminum production in order to extract valuable components // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2021. Vol. 62. No. 6. Р. 659–667. https://doi.org/10.3103/S1067821221060158. EDN: RHWKMQ.Nemchinova N.V., Barauskas A.E., Tyutrin A.A., Vologin V.S. Processing finely dispersed technogenic raw materials for aluminum production in order to extract valuable components. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2021;62(6):659-667. https://doi.org/10.3103/S1067821221060158. EDN: RHWKMQ.Patrin R.K., Bazhin V.Yu. Spent linings from aluminum cells as a raw material for the metallurgical, chemical, and construction industries // Metallurgist. 2014. Vol. 58. Iss. 7-8. P. 625–629. https://doi.org/10.1007/s11015-014-9967-2.Patrin R.K., Bazhin V.Yu. Spent linings from aluminum cells as a raw material for the metallurgical, chemical, and construction industries. Metallurgist. 2014;58(7-8):625-629. https://doi.org/10.1007/s11015-014-9967-2.Бурдонов А.Е., Зелинская Е.В., Гавриленко Л.В., Гавриленко А.А. Изучение вещественного состава глиноземсодержащего материала алюминиевых электролизеров для использования в технологии первичного алюминия // Цветные металлы. 2018. № 3. С. 32–38. https://doi.org/10.17580/tsm.2018.03.05.Burdonov A.E., Zelinskaya E.V., Gavrilenko L.V., Gavrilenko A.A. Investigation of substantial composition of alumina-bearing material of aluminium electrolysers for usage in primary aluminium technology. Tsvetnye Metally. 2018;3:32–38. (In Russ.). https://doi.org/10.17580/tsm.2018.03.05.Grjotheim K., Kvande H. Introduction to aluminium electrolysis. Düsseldorf: Aluminium-Verlag, 1993. 260 p.Grjotheim K., Kvande H. Introduction to aluminium electrolysis. Düsseldorf: Aluminium-Verlag; 1993, 260 p.Борисоглебский Ю.В., Галевский Г.В., Кулагин Н.М., Минцис М.Я., Сиразутдинов Г.А. Металлургия алюминия. Новосибирск: Наука, 1999. 438 с.Borisoglebskij Yu.V., Galevskij G.V., Kulagin N.M., Mincis M.Ya., Sirazutdinov G.A. Aluminum metallurgy. Novosibirsk: Nauka; 1999, 438 р. (In Russ.).Mann V., Buzunov V., Pingin V., Zherdev A., Grigoriev V. Environmental aspects of UC RUSAL’s aluminum smelters sustainable development // Light Metals / eds. C. Сhesonis. Cham: Springer, 2019. P. 553–563. https://doi.org/10.1007/978-3030-05864-7_70.Mann V., Buzunov V., Pingin V., Zherdev A., Grigoriev V. Environmental aspects of UC RUSAL’s aluminum smelters sustainable development. In: Сhesonis C. (eds.). Light Metals. Cham: Springer; 2019, р. 553-563. https://doi.org/10.1007/9783-030-05864-7_70.Хайрудинов И.Р., Тихонов А.А., Таушев В.В., Теляшев Э.Г. Современное состояние и перспективы развития термических процессов переработки нефтяного сырья. Уфа: ГУП ИНХП РБ, 2015. 328 с. EDN: IGKCDX.Hajrudinov I.R., Tihonov A.A., Taushev V.V., Telyashev E.G. Current state and development prospects of thermal processes of petroleum processing. Ufa: Institute of Petroleum Refining and Petrochemistry; 2015, 328 р. (In Russ.). EDN: IGKCDX.Виноградов А.М., Пинаев А.А., Виноградов Д.А., Пузин А.В., Шадрин В.Г., Зорько Н.В., Сомов В.В. Повышение эффективности укрытия электролизеров Содерберга // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2017. № 1. С. 19–30. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-1-19-30.Vinogradov A.M., Pinaev A.A., Vinogradov D.A., Puzin A.V., Shadrin V.G., Zor’ko N.V., Somov V.V. Increasing hooding efficiency of Soderberg cells. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya = Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2017;(1):19-30. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-1-19-30.Buzunov V., Mann V., Chichuk E., Frizorger V., Pinaev A., Nikitin E. The first results of the industrial application of the EcoSoderberg technology at the Krasnoyarsk aluminium smelter // Light metals. 2013. Р. 573–576. https://doi.org/10.1002/9781118663189.ch98.Buzunov V., Mann V., Chichuk E., Frizorger V., Pinaev A., Nikitin E. The first results of the industrial application of the EcoSoderberg technology at the Krasnoyarsk aluminium smelter. Light metals. 2013;573-576. https://doi.org/10.1002/9781118663189.ch98.Янко Э.А. Аноды алюминиевых электролизеров. М.: Руда и металлы, 2001. 671 с.Yanko E.A. Aluminum electrolyser anodes. Moscow: Ruda i metally; 2001, 671 р. (In Russ.).Сидоров О.Ф., Селезнёв А.Н. Перспективы производства и совершенствования потребительских свойств каменноугольных электродных пеков // Российский химический журнал. 2006. Т. 50. № 1. С. 16–24. EDN: GZQCPJ.Sidorov O.F., Seleznyov A.N. Prospects for the production and consumer property improvement of coal electrode pitches. Rossijskij himicheskij zhurnal. 2006;50(1):16-24. EDN: GZQCPJ.Привалов В.Е., Степаненко М.А. Каменноугольный пек: получение, пере работка, применение. М.: Металлургия, 1981. 208 с.Privalov V.E., Stepanenko M.A. Coal tar pitch: production, processing, application. Moscow: Metallurgiya; 1981, 208 р. (In Russ.).Аншиц А.Г., Куртеева Л.И., Цыганова С.И., Суздорф А.Р., Аншиц Н.Н., Морозов С.В. Сравнительная оценка эмиссии канцерогенных веществ при использовании средне- и высокотемпературных пеков в производстве алюминия в электролизерах Содерберга // Химия в интересах устойчивого развития. 2001. № 9. С. 345–352.Anshitz A.G., Kurteeva L.I., Cyganova S.I., Suzdorf A.R., Anshic N.N., Morozov S.V. Comparative assessment of carcinogenic substance emission when using medium- and high-temperature pitches in aluminum production in Soderberg electrolysers. Himiya v interesah ustojchivogo razvitiya = Chemistry for Sustainable Development. 2001;9:345-352. (In Russ.).Храменко С.А., Анушенков А.Н., Маракушина Е.Н., Третьяков Я.А. Оценка эмиссии полиароматических углеводородов с поверхности анодов Содерберга // Цветные металлы. 2012. № 6. С. 34–37.Khramenko S.A., Anushenkov A.N., Marakushina E.N., Tret'yakov Ya.A. Estimation of polyaromatic hydrocarbon emission from the Soderberg anode surfaces. Tsvetnye Metally. 2012;6:34-37. (In Russ.).Дошлов О.И., Кондратьев В.В., Угапьев А.А. Влияние тяжелой смолы пиролиза на свойства анодной массы // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2013. № 2. С. 67–75.Doshlov O.I., Kondratiev V.V., Ugapyev A.A. Heavy pyrolysis tar effect on characteristics of anode mass. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2013;2:67-75. (In Russ.).Фитцер Э., Дифендорф Р., Калинин И. Углеродные волокна и углекомпозиты / пер. с англ.; под ред. Э. Фитцера. М.: Мир, 1988. 336 с.Fitzer E., Difendorf R., Kalinin I. Carbon fibers and carbon composites, 1988. 336 р. (Russ. еd.: Uglerodnye volokna i uglekompozity. Moscow, Mir; 1988, 336 р.)Хайрудинов И.Р., Садыков Р.Х., Гаскаров Н.С., Султанов Ф.М. Перспективы производства нефтяных пеков из различных видов сырья // Цветные металлы. 1993. № 7. С. 24–25.Khajrudinov I.R., Sadykov R.H., Gaskarov N.S., Sultanov F.M. Production prospects of petroleum pitches from various types of raw materials. Tsvetnye Metally. 1993;7:24-25. (In Russ.).Хайрудинов И.Р., Ахметов М.М., Теляшев Э.Г. Состояние и перспективы развития производства кокса и пека из нефтяного сырья // Российский химический журнал. 2006. Т. L. № 1. С. 25–28.Khajrudinov I.R., Akhmetov M.M., Telyashev E.G. State and development prospects of coke and pitch production from petroleum raw materials. Rossijskij himicheskij zhurnal. 2006;L(1):25-28. (In Russ.).Нешев А.В., Будник В.А., Хайбуллин А.А., Муратшин Р.Р. Сравнение требований к качеству нефтяных и каменноугольных пеков для электродной промышленности // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт. 2011. № 11. С. 50–57. EDN: ONCTLP.Neshev A.V., Budnik V.A., Khajbullin A.A., Muratshin R.R. Comparing quality requirements for petroleum and coal tar pitches for the electrode industry. Neftepererabotka i neftekhimiya. Nauchno-tekhnicheskie dostizheniya i peredovoj opyt. 2011;11:50-57. (In Russ.). EDN: ONCTLP.Мухамедзянова А.А., Бейлина Н.Ю. О создании в России производства нефтяных коксов и пеков-прекурсоров углеродных композиционных материалов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2018. № 4-2. С. 109–116. EDN: XXRULJ.Mukhamedzianova A.A., Beylina N.Yu. About creation in Russia productions oil coke and pitches – precursors carbon composite materials. Fundamental'nye i prikladnye problemy tekhniki i tekhnologii. 2018;4-2:109-116. (In Russ.). EDN: XXRULJ.Дошлов О.И., Кондратьев В.В., Угапьев А.А., Ким И.В. Применение метода компаундирования для производства связующих материалов для алюминиевой промышленности // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2014. № 2. С. 31–41.Doshlov O.I., Kondratiev V.V., Ugapyev A.A., Kim I.V. Application of compounding technique for aluminum industry binder material production. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2014;2:31-41. (In Russ.).Дошлов О.И., Дошлов И.О. О перспективах производства нефтяных вяжущих в ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 5. С. 141–146. EDN: TVQUNP.Doshlov O.I., Doshlov I.O. On production prospects of oil binders in JSC "Angarsk petrochemical company". Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2015;5:141146. (In Russ.). EDN: TVQUNP.Дошлов И.О., Горяшин Н.А., Кузора И.Е. Нефтяной пек из высокоароматизированного мазута // Нефть и газ: сб. тр. 74-й Междунар. молодежной науч. конф. (г. Москва, 28 сентября – 04 октября 2020 г.). М.: Российский гос. ун-т нефти и газа (нац. иссл. ун-т) им. И.М. Губкина, 2020. С. 166–174. EDN: KCKCWR.Doshlov I.O., Goryashin N.A., Kuzora I.E. Petroleum pitch from highly aromatic fuel oil. In: Neft' i gaz: sbornik trudov 74-j Mezhdunarodnoj molodezhnoj nauchnoj konferencii = Oil and gas: collected articles of the 74th International youth scientific conference. 28 September – 4 October 2020. Moscow: Gubkin University. National University of Oil and Gas; 2020, р. 166-174. (In Russ.). EDN: KCKCWR.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.