Институт химии и химической технологии СО РАН, Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр СО РАН», Красноярск, Россия¹ ; Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа, Красноярск, Россия²:

П. Н. Кузнецов, ведущ. науч. сотр.¹, проф.², докт. хим. наук, эл. почта: kpn@icct.ru

А. В. Обухова, науч. сотр.¹, доцент², канд. хим. наук

Институт химии и химической технологии СО РАН, Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр СО РАН», Красноярск, Россия:
Л. И. Кузнецова, ведущ. науч. сотр., канд. хим. наук

Институт химии и химической технологии МАН, Улан-Батор, Монголия:

Б. Авид, главный науч. сотр., докт. хим. наук

В последние годы электролизное производство алюминия испытывает прогрессирующую нехватку связующего каменноугольного пека, необходимого для изготовления анодов. Это обусловлено неуклонным и необратимым снижением производства каменноугольного пека. Такая тенденция подрывает перспективы развития алюминиевого производства и обусловливает острую необходимость разработки методов получения альтернативных связующих для угольных электродов. Представлено обоснование перспективности способа получения экологически более безопасных пековых связующих веществ путем сольволизного растворения углей при низких температуре и давлении. Разработаны критерии отбора углей для получения растворимых полиароматических веществ с выходом до 80 % (против 5 % при коксовании углей). Охарактеризованы химический состав, показатели молекулярного строения, технических свойств экстрактивных пековых веществ, полученных путем сольволиза каменного угля в среде технических углеводородных растворителей, и проведено сравнение с техническими каменноугольным, нефтяным и компаундным нефтекаменноугольным пеками. Показано, что экстрактивные пеки по основным показателям соответствуют требованиям, предъявляемым к пековым связующим для получения анодов, что подтверждено на примере модельного образца анода, приготовленного с использованием альтернативного пека. Важным достоинством экстрактивного пека является низкое содержание бенз(а)пирена (в несколько раз по сравнению с каменноугольным пеком).

Работа выполнена в рамках государственного задания Института химии и химической технологии СО РАН по проекту FWES-2021-0014 (номер регистрации в ЕГИСУ 121031500206-5).
Авторы благодарят ведущего инженера ИХХТ СО РАН Е. С. Каменского за выполнение экспериментальных работ по термосольволизному растворению угля.

1. Aluminum. U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2020. — URL: https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2020/mcs2020-aluminum.pdf.
2. Primary Aluminium Production. International Aluminium Institute. — URL: https://international-aluminium.org/statistics/primary-aluminium-production/.
3. Корнеев С. И. Алюминиевая промышленность Китая и перспективы мировой алюминиевой индустрии // Цветные металлы. 2021. № 4. С. 5–11.
4. Горланов Е. С., Бричкин В. Н., Поляков А. А. Электролитическое производство алюминия. Обзор. Часть 1. Традиционные направления развития // Цветные металлы. 2020. № 2. С. 36–41.
5. Сизяков В. М., Поляков П. В., Бажин В. Ю. Современные тенденции и стратегические задачи в области производства алюминия и его сплавов в России // Цветные металлы. 2022. № 7. С. 16–23.
6. Chevarin F., Lemieux L., Picard D., Ziegler D. et al. Characterization of carbon anode constituents under CO₂ gasification: A try to understand the dusting phenomenon // Fuel. 2015. Vol. 156. P. 198–210.
7. Wu X. Inert anodes for aluminum electrolysis. The minerals, metals & materials series. — Switzerland : Springer Nature, 2021. — 183 p.
8. Mann V., Buzunov V., Pingin V., Zherdev A. et al. Environmental aspects of UC RUSAL’s aluminum smelters sustainable development // Light Metals. 2019. P. 553–563.
9. Babich A., Senk D. Coke in the iron and steel industry. New trends in coal conversion: combustion, gasification, emissions, and coking. — Cambridge : Woodhead Publishing, 2019. P. 367–404.
10. Crafting a green future. Annual Report 2019. RUSAL. — URL: https://rusal.ru/upload/iblock/b5c/b5c1bfaee0b83bdc5602cd8ee5f9c6bb.pdf.
11. Kovalev E. T., Malina V. P., Rudyka V. I., Soloviov M. A. Global coal, coke, and steel markets and innovations in coke production: a report on the european coke 2018 summit // Coke and Chemistry. 2018. Vol. 61, Iss. 7. P. 235–245.
12. Kozlov A. P., Subbotin S. P., Solodov V. S., Cherkasova T. G. et al. Innovative coal-tar products at PAO Koks // Coke and Chemistry. 2020. Vol. 63, Iss. 7. P. 344–350.
13. Горланов Е. С., Кавалла Р., Поляков А. А. Электролитическое производство алюминия. Обзор. Часть 2. Перспективные направления развития // Цветные металлы. 2020. № 10. С. 42–49.
14. Sidorov O. F. Reducing the carcinogenic impact of pitch processing // Coke and Chemistry. 2013. Vol. 56, Iss. 2. P. 63–69.
15. Chen P., Metz J. N., Mennito A. S., Merchant S. et al. Petroleum pitch: exploring a 50-year structure puzzle with realspace molecular imaging // Carbon. 2020. Vol. 161. P. 456–465.
16. Kapustin V. M., Glagoleva V. F. Physicochemical aspects of petroleum coke formation (review) // Petroleum Chemistry. 2016. Vol. 56, No. 1. P. 1–9.
17. Хайрутдинов И. Р., Ахметов М. М., Теляшев Э. Г. Состояние и перспективы развития производства кокса и пека из нефтяного пека // Рос. хим. журн. 2006. № 1. C. 25–28.
18. Смакова У. М., Федосеева М. В., Будник В. А. Структура и виды нефтяных пеков. Перспективы производства пеков // Нефтепереработка и нефтехимия. 2019. № 1. С. 19–22.
19. Mukhamedzyanova A. A., Khaibullin A. A., Telyashev E. G., Gimaev R. N. Production of petroleum pitch from oil refinery residues // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2011. Vol. 47, Iss. 2. P. 90–96.
20. Мухамедзянова А. А., Гимаев Р. Н., Хайбуллин А. А., Теляшев Э. Г. Исследование качественных характеристик тяжелой смолы пиролиза // Вестник Башкирского университета. 2012. № 2. С. 909–915.
21. Андрейков Е. И. Сырье для углеродных материалов на базе продуктов коксохимии и термического растворения // Химия в интересах устойчивого развития. 2016. № 3. С. 317–323.
22. Lapidus A. L., Khudyakov D. S., Zhagfarov F. G., Beilina N. Y. Characterization of pitch and coke obtained from the semicoking tar of sulfur oil shale from the Volga basin // Solid Fuel Chemistry. 2020. Vol. 54, Iss. 1. P. 21–24.
23. Hamaguchi M., Okuyama N., Shishido T., Sakai K. et al. Prebaked anode from coal extracts (3) – carbonization properties of HyperCoal and blends with binder pitch // Light Metals. 2012. P. 1219–1221.
24. Yoshida T., Li C., Takanohashi T., Matsumura A. et al. Effect of extraction condition on “HyperCoal” production (2) — effect of polar solvents under hot filtration // Fuel Proc. Tech. 2004. Vol. 86, Iss. 1. P. 61–72.
25. Koyano K., Takanohashi T., Saito I. Estimation of the extraction yield of coals by a simple analysis // Energy Fuels. 2011. Vol. 25, Iss. 6. P. 2565–2571.
26. Kuznetsov P. N., Kuznetsova L. I., Buryukin F. A., Marakushina E. N. et al. Methods for the preparation of coal-tar pitch // Solid Fuel Chemistry. 2015. Vol. 49, Iss. 4. P. 213–225.
27. Rahman M., Pudasainee D., Gupta R. Review on chemical upgrading of coal: production processes, potential applications and recent developments // Fuel Proc. Tech. 2017. Vol. 158. P. 35–56.
28. Andrews R. J., Rantell T., Jacques D., Hower J. C. et al. Mild coal extraction for the production of anode coke from Blue Gem coal // Fuel. 2010. Vol. 89, Iss. 9. P. 2640–2647.
29. Кузнецов П. Н., Маракушина Е. Н., Бурюкин Ф. А., Исмагилов З. Р. Получение альтернативных пеков из углей // Химия в интересах устойчивого развития. 2016. № 3. C. 325–333.
30. Kuznetsov P. N., Kamenskiy E. S., Kuznetsova L. I. Compa rative study of the properties of the coal extractive and commercial pitches // Energy Fuels. 2017. Vol. 31, Iss. 5. P. 5402–5410.
31. Kuznetsov P. N., Kamenskiy E. S., Kuznetsova L. I. Solvolysis of bituminous coal in coal- and petroleum-derived commercial solvents // ACS Omega. 2020. Vol. 5, Iss. 24. P. 14384–14393.
32. Kuznetsov P. N., Ismagilov Z. R., Kuznetsova L. I., Avid B. et al. The composition and properties of soluble products from the coal thermo solvolysis with hydrocarbon residues and blends as solvents // Eurasian Chem.-Technol. Journal. 2022. Vol. 24, Iss. 3. P. 183–190.
33. ГОСТ 7847–2020. Пек каменноугольный. Метод определения массовой доли веществ, нерастворимых в толуоле. — Введ. 01.03.2021.
34. ГОСТ 10200–83. Пек каменноугольный электродный. Технические условия. — Введ. 01.01.1985.
35. ГОСТ 9950–83. Пек каменноугольный. Методы определения температуры размягчения. — Введ. 30.06.1984.
36. ГОСТ Р ИСО 6998–2017. Материалы углеродные для производства алюминия. Пек для электродов. Определение коксового числа. — Введ. 01.08.2018.
37. Маракушина Е. Н. Получение пеков и связующих веществ методом термического растворения углей : дис. … канд. техн. наук. — М., 2016. — 137 с.
38. ТУ 48-5-80–86. Масса анодная углеродная. — Введ. 01.07.1986.