Техническое задание на разработку и ввод в эксплуатацию опытной установки извлечения изотопов кислород-17 и кислород-18

В продолжение статьи

1. Введение

В рамках концепции глубокой переработки продуктов разделения воздуха предлагается реализовать проект по выделению стабильных изотопов кислорода-17 и кислорода-18 из основного потока кислорода, производимого на кислородно-компрессорном производстве (ККП) Нижнетагильского металлургического комбината (АО «ЕВРАЗ НТМК»). Данное техническое задание определяет основные технологические и организационные параметры разработки, строительства и ввода в эксплуатацию опытной установки.

2. Основание для разработки

Проект реализуется в рамках программы технологического развития предприятия, направленной на создание новых высокомаржинальных продуктов из отходящих или промежуточных газовых потоков. Основанием для разработки служат:

• Природное содержание изотопов кислорода: ¹⁶O — 99,758%, ¹⁷O — 0,037%, ¹⁸O — 0,203%.
• Стабильный и растущий рынок изотопов кислорода (мировой рынок ¹⁸O оценивается в 140–141 млн долларов США в 2024–2025 гг. с прогнозом роста до 186–193 млн долларов к 2031 г. при среднегодовом темпе роста 4,6–4,9%).
• Высокая маржинальность изотопной продукции по сравнению с техническим кислородом.

3. Исходные данные о производственной базе

Модернизация первой кислородной станции ККП НТМК предусматривает замену трёх старых блоков разделения воздуха БР-1К двумя новыми блоками суммарной производительностью 33 000 нормальных кубических метров чистого (99,5%) кислорода в час. В рамках проекта также модернизируются три воздушных и три кислородных турбокомпрессора.

Расчётные параметры кислородного производства:

• Часовая производительность по чистоте 99,5%: Qh=33 000 нм3/чQh​=33000 нм3/ч
• Режим работы: непрерывный, 365 дней в году, 24 часа в сутки.
• Коэффициент использования установленной мощности — 0,95 (с учетом планово-предупредительных ремонтов и остановов).

Теоретический годовой объём производства кислорода составляет:

Qгод=33 000×24×365×0,95=274 626 000 нм3.Qгод​=33000×24×365×0,95=274626000 нм3.

Природное содержание ¹⁷O (0,037%) и ¹⁸O (0,203%) в этом потоке составляет 101,6 тыс. нм³ и 557,5 тыс. нм³ в год соответственно.

4. Цель и задачи проекта

Цель: создание опытной установки по извлечению изотопов кислорода-17 и кислорода-18 из потока технического кислорода с последующей их концентрацией до товарных форм (тяжёлокислородная вода с О17 и О18).

Задачи:

1. Провести НИОКР по адаптации существующих методов разделения к конкретным условиям НТМК.
2. Разработать и согласовать технологическую схему встраивания установки в действующее производство.
3. Изготовить, смонтировать и запустить опытную установку.
4. Отработать технологические режимы и достичь проектных показателей по извлечению и чистоте.
5. Разработать технико-экономическое обоснование для перехода к промышленному производству.

5. Технология разделения

Технологический процесс предлагается строить по двухступенчатой гибридной схеме.

5.1. Первая ступень — криогенная ректификация (предварительное обогащение)

На базе существующих или дополнительно устанавливаемых ректификационных колонн из основного потока кислорода отбираются кубовые фракции, обогащённые тяжёлыми изотопами. Принцип основан на различной летучести изотопных молекул О16, О17, О18 при низких температурах.

Характеристики ступени:

• Технология: криогенная ректификация в насадочных колоннах.
• Количество ступеней: не менее 3–4 последовательных колонн со структурированной насадкой.
• Достижимая концентрация ¹⁸O и ¹⁷O: до 3–5 ат.% на выходе.
• Выход целевых изотопов относительно исходного содержания: не менее 80% по массе.

5.2. Вторая ступень — лазерная фотохимическая диссоциация озона (финишное обогащение)

После предварительного обогащения кислород подаётся в озонатор, затем газообразный озон облучается ультрафиолетовым лазером (ArF-лазер, длина волны около 193 нм). Молекулы озона, содержащие ¹⁷O или ¹⁸O, селективно диссоциируют с образованием молекулярного кислорода. Для повышения эффективности и предотвращения спонтанной диссоциации озон разбавляется инертным газом. Полученная смесь разделяется низкотемпературной сухой перегонкой.

Характеристики ступени:

• Тип излучения: импульсный ArF-лазер, энергия в импульсе не менее 100 мДж, частота следования импульсов 100–500 Гц.
• Производительность по исходному газу (обогащённому кислороду): до 50–100 нм³/час.
• Достижимая концентрация ¹⁸O и ¹⁷O: не менее 90 ат.%.
• Выход целевых изотопов относительно поданного на ступень: не менее 85%.

5.3. Конверсия в воду

Финальный продукт — молекулярный кислород с высокой концентрацией целевых изотопов — каталитически восстанавливается водородом с получением тяжёлой воды с кислороддом-18 и кислродом-17.

6. Оценка производительности опытной установки

При КПД выделения 10% от теоретического объёма целевых изотопов в исходном потоке (с учётом технологических потерь, концентрационных пределов и отбора не всего потока):

Q18Oпрод=557 500×0,10=55 750 нм3/год.Q18Oпрод​=557500×0,10=55750 нм3/год.Q17Oпрод=101 600×0,10=10 160 нм3/год.Q17Oпрод​=101600×0,10=10160 нм3/год.

В пересчёте на конечный продукт — тяжёлокислородные воды — это соответствует:

• тяжелокислородная вода с О18: 55 750 нм322,4 нм3/кмоль×20 кг/кмоль×0,889=44 200 кг/год (44,2 т/год)22,4 нм3/кмоль55750 нм3​×20 кг/кмоль×0,889=44200 кг/год (44,2 т/год).
• тяжелокислородная вода с О17: 10 160 нм322,4 нм3/кмоль×20 кг/кмоль×0,963=8 730 кг/год (8,73 т/год)22,4 нм3/кмоль10160 нм3​×20 кг/кмоль×0,963=8730 кг/год (8,73 т/год).

Таким образом, мощности опытной установки составят ориентировочно:

• 44 тонны воды с кислородом-18 в год с концентрацией 90–99 ат.%.
• 9 тонн воды с кислородом-17 в год с концентрацией 90 ат.% и выше.

Это в сотни раз превышает текущее мировое производство изотопно-обогащённой воды (существующие три коммерческие установки дают суммарно 600 кг воды с кислородом-18 в год). Реализация проекта сделает НТМК крупнейшим в мире производителем стабильных изотопов кислорода.

7. Технологическая схема интеграции

Ключевые узлы установки:

• Дополнительный блок ректификационных колонн со структурированной насадкой, интегрированный в существующую ВРУ.
• Система озонирования с плазменными или диэлектрическими барьерными разрядными озонаторами.
• ArF-лазерный комплекс с системой охлаждения и оптической стабилизацией.
• Низкотемпературный блок разделения продуктов диссоциации.
• Каталитический реактор гидрирования.
• Системы автоматического контроля и управления технологическим процессом.

8. Оценка капитальных затрат (CAPEX)

Итоговый диапазон CAPEX: 40–70 млн долл. США.

Примечание по энергопотреблению:

• Криогенная ректификация: удельные затраты ~0,6 кВт·ч/нм³ кислорода. Установка будет потреблять ≈ 1 МВт дополнительной электрической мощности.
• Лазерный комплекс: ориентировочное энергопотребление 200–400 кВт.

Общее увеличение энергопотребления кислородного производства — до 15–20%.

9. Оценка эксплуатационных затрат и экономической эффективности (OPEX)

Эксплуатационные расходы:

• Электроэнергия (при тарифе 0,06–0,08 долл. США/кВт·ч): 0,7–1,5 млн долл. США/год.
• Расходные материалы (озонаторные элементы, лазерные лампы, катализаторы, инертный газ CF₄): 1,5–2,5 млн долл. США/год.
• Персонал (10–15 операторов, инженеры, техники): 1,0–1,8 млн долл. США/год.
• Техническое обслуживание (5–8% от CAPEX): 2–5 млн долл. США/год.
• Суммарные ежегодные OPEX: 5–11 млн долл. США.

Прогноз выручки с текущими ценами на изотопы О17 и О18:

Справочно: текущая розничная цена тяжёлокислородной воды с О17 достигает ~1 млн руб./литр (~12 000 долл. США/кг при плотности ~1,1 кг/л). Оптовые цены при масштабировании производства ожидаемо снизятся, что учтено в консервативном прогнозе.

Окупаемость: даже при падении оптовых цен на порядок (до 1 000 долл. США/кг для ¹⁸O и 5 000–7 000 долл. США/кг для ¹⁷O) ежегодная выручка составит 88–105 млн долл. США, что обеспечивает срок окупаемости менее одного года при CAPEX 40–70 млн долл. США.

10. Планируемые результаты

Технологические:

• Создание опытной установки мощностью до 44 т тяжёлокислородной воды с О18 и 9 т тяжёлокислородной воды с О17 в год.
• Достижение чистоты 90–99 ат.% по целевому изотопу.
• Отработка режимов для последующего масштабирования до 90% КПД извлечения.

Экономические:

• Окупаемость проекта не более 12–18 месяцев с момента выхода на проектную мощность.
• Создание нового высокомаржинального направления бизнеса (рентабельность продаж 70–90%).
• Позиционирование НТМК как мирового лидера в производстве стабильных изотопов кислорода.

Научно-технические:

• Получение данных для проектирования промышленной установки полного цикла.
• Разработка ноу-хау в области гибридных методов изотопного разделения.

11. Календарный план (дорожная карта) — 42 месяца

12. Сроки и риски

Сроки реализации: 42 месяца от начала финансирования. Выход на проектную мощность — не позднее 48 месяцев.

Основные риски и способы их снижения:

13. Особые условия

1. Установка размещается в зоне существующего кислородно-компрессорного производства НТМК на выделенной площадке с подведением коммуникаций.
2. Все стадии работ проводятся в соответствии с требованиями промышленной безопасности, экологического законодательства РФ и нормативными документами ЕВРАЗ Холдинга.
3. Для реализации проекта целесообразно создание дочернего специализированного предприятия (ООО «НТМК-Изотопы») для разделения финансовых потоков и минимизации рисков для основного металлургического производства.
4. Конфиденциальность: все технологические решения, разработанные в рамках проекта, являются коммерческой тайной предприятия.

14. Источники

1. НТМК реконструирует кислородно-компрессорное производство — rusmet.ru, 2005 г.
2. Патент RU2388525 C2: Способ и устройство для концентрации изотопов кислорода (2010 г.)
3. Патент RU2092234 C1: Способ разделения изотопов кислорода
4. Магомедбеков Э.П., Селиваненко И.Л., Кулов Н.Н., Веретенникова Г.В. «Кондиционирование тяжелокислородной воды методом ректификации под вакуумом» // Теоретические основы химической технологии, 2019, Т. 53, № 5, стр. 493–499.
5. Igarashi T., Kambe T., Kihara H. «Industrial separation of oxygen isotopes by oxygen distillation» // Chemistry, Engineering, 2019.
6. Global Oxygen-18 Market Reports (LP Information, Global Info Research), 2025–2031 гг.
7. Информация об энергозатратах воздухоразделительных установок (provita.ru, 2023 г.)