I. Tổng quan thay thế xúc tác R 264 cho R 234 tại Dung Quất
Việc đánh giá và lựa chọn giải pháp thay thế xúc tác đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa hiệu suất và lợi nhuận của một nhà máy lọc dầu. Tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất (BSR), xúc tác CCR Reforming R-234 đã được sử dụng từ khi nhà máy đi vào hoạt động năm 2009. Sau hơn một thập kỷ vận hành với gần 700 chu kỳ tái sinh, hoạt tính của xúc tác đã có dấu hiệu suy giảm. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chuyển hóa và khả năng sản xuất các sản phẩm có giá trị cao như xăng Reformate RON 102-103. Nhu cầu thị trường xăng dầu ngày càng tăng đòi hỏi BSR phải vận hành phân xưởng Reforming ở công suất cao hơn thiết kế, một thách thức lớn đối với xúc tác R-234 hiện tại. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng thay thế bằng xúc tác UOP R-264, một thế hệ xúc tác mới của UOP. R-264 được giới thiệu từ năm 2004, sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội như tỷ trọng cao hơn, giúp hạn chế hiện tượng “Catalyst Pinning” khi vận hành ở công suất cao. Giải pháp này không chỉ giải quyết các vấn đề hiện tại mà còn là bước chuẩn bị quan trọng cho dự án nâng cấp và mở rộng nhà máy trong tương lai, đảm bảo sự ổn định, an toàn và nâng cao hiệu quả kinh tế.
1.1. Bối cảnh cấp thiết của việc nâng cấp xúc tác CCR Reforming
Phân xưởng Reforming xúc tác (CCR) là trái tim của nhà máy lọc dầu, quyết định đến chất lượng và sản lượng xăng. Tuổi thọ xúc tác R-234 tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất đã vượt qua thời gian bảo hành (6 năm) và số chu kỳ tái sinh xúc tác khuyến nghị. Theo báo cáo kỹ thuật [13], xúc tác R-234 đã trải qua gần 700 chu kỳ, dẫn đến sự suy giảm không thể tránh khỏi về hoạt tính xúc tác. Điều này buộc nhà máy phải vận hành ở nhiệt độ cao hơn để duy trì chỉ số octane, làm tăng chi phí năng lượng và đẩy nhanh quá trình lão hóa thiết bị. Hơn nữa, nhu cầu thị trường đòi hỏi phải nâng công suất phân xưởng lên 105-110%, một ngưỡng vận hành mà xúc tác R-234 gặp nhiều rủi ro, đặc biệt là hiện tượng “Catalyst Pinning”. Do đó, việc nghiên cứu một loại xúc tác thay thế là yêu cầu cấp bách để đảm bảo vận hành ổn định và tối ưu hóa sản xuất.
1.2. Vai trò chiến lược của phân xưởng Reforming tại BSR
Phân xưởng Reforming tại BSR sử dụng công nghệ của UOP để chế biến nguyên liệu Naphtha thành cấu tử pha trộn xăng có chỉ số octane cao. Sản phẩm chính là xăng Reformate, thành phần không thể thiếu để sản xuất chất lượng xăng RON 95. Ngoài ra, phân xưởng còn cung cấp một lượng lớn khí Hydro (H2) tinh khiết cho các phân xưởng khác như NHT, LCO-HDT, ISOM. Sự ổn định của phân xưởng CCR ảnh hưởng trực tiếp đến toàn bộ chuỗi sản xuất và lợi nhuận nhà máy. Bất kỳ sự sụt giảm nào về hiệu suất của xúc tác đều dẫn đến giảm sản lượng xăng chất lượng cao và thiếu hụt H2, gây tác động tiêu cực dây chuyền. Vì vậy, duy trì hiệu suất tối ưu của xúc tác Reforming là một nhiệm vụ chiến lược, quyết định khả năng cạnh tranh của BSR trên thị trường.
II. Thách thức vận hành CCR với xúc tác R 234 tại Nhà máy BSR
Xúc tác R-234, mặc dù đã phục vụ hiệu quả trong nhiều năm, hiện đang bộc lộ những hạn chế rõ rệt khi Nhà máy lọc dầu Dung Quất đặt mục tiêu tăng công suất. Thách thức lớn nhất là hiện tượng “Catalyst Pinning”, một rủi ro kỹ thuật nghiêm trọng khi lưu lượng nguyên liệu tăng cao. Hiện tượng này xảy ra khi dòng khí nguyên liệu đi xuyên tâm qua lớp xúc tác đủ mạnh để giữ các hạt xúc tác lại, cản trở sự di chuyển tuần hoàn của chúng. Hậu quả là tái sinh xúc tác không đồng đều, cốc tích tụ cục bộ, làm giảm mạnh hoạt tính xúc tác và có thể gây hỏng hóc thiết bị do nhiệt độ tăng đột ngột. Các thử nghiệm tăng công suất lên 105% tại BSR đã cho thấy giới hạn pinning của R-234 đang ở mức báo động. Cụ thể, tài liệu [2] ghi nhận giới hạn pinning tại thiết bị phản ứng số 3 và số 4 chỉ còn 20% và 23%, rất gần với ngưỡng tối thiểu 20%. Bên cạnh đó, tuổi thọ xúc tác đã cao cũng dẫn đến bề mặt riêng giảm, khả năng phân tán kim loại Pt kém đi, ảnh hưởng đến độ chọn lọc Aromatic và hiệu suất tổng thể. Những vấn đề này tạo ra một bài toán khó, đòi hỏi một giải pháp xúc tác mới ưu việt hơn.
2.1. Hiện tượng Catalyst Pinning Rào cản tăng công suất
Catalyst Pinning là hiện tượng xúc tác bị giữ lại trong thiết bị phản ứng do trở lực của dòng nguyên liệu tăng cao, ngăn cản dòng chảy tự nhiên của xúc tác theo trọng lực. Đây là rào cản chính khi BSR muốn nâng công suất phân xưởng Reforming vượt ngưỡng thiết kế. Với xúc tác R-234 có tỷ trọng tương đối thấp (560 kg/m³), nguy cơ này càng trở nên rõ rệt. Khi pinning xảy ra, lớp xúc tác bị "treo" lại sẽ tiếp xúc với nguyên liệu trong thời gian dài hơn, dẫn đến tạo cốc nhanh chóng. Điều này làm giảm hiệu suất chuyển hóa, yêu cầu nhiệt độ phản ứng cao hơn, và nghiêm trọng hơn là gây tăng nhiệt cục bộ trong tháp tái sinh, có thể dẫn đến thiêu kết và làm hỏng vĩnh viễn xúc tác. Báo cáo kỹ thuật từ các đợt chạy thử nghiệm cho thấy việc vận hành ở 105% công suất với R-234 là rủi ro và không bền vững.
2.2. Sự suy giảm hoạt tính xúc tác R 234 sau nhiều chu kỳ
Mỗi chu kỳ tái sinh xúc tác đều gây ra những thay đổi vi mô không thể phục hồi hoàn toàn trên bề mặt xúc tác. Sau gần 700 chu kỳ, bề mặt riêng và độ phân tán của Platin (Pt) trên chất mang Al2O3 của xúc tác R-234 đã suy giảm đáng kể. Hoạt tính xúc tác giảm sút biểu hiện qua việc phải tăng nhiệt độ đầu vào trung bình (WAIT) để đạt được chỉ số RON mong muốn. Điều này không chỉ tiêu tốn thêm năng lượng cho các lò đốt mà còn thúc đẩy các phản ứng phụ không mong muốn như hydrocracking, làm giảm sản lượng xăng và tăng sản lượng khí nhẹ. Sự suy giảm này cũng ảnh hưởng đến độ chọn lọc Aromatic, một yếu tố then chốt quyết định chất lượng sản phẩm Reformate. Việc tiếp tục sử dụng một loại xúc tác đã lão hóa sẽ làm giảm dần hiệu quả kinh tế của phân xưởng.
III. Phân tích đặc tính kỹ thuật vượt trội của xúc tác UOP R 264
Xúc tác UOP R-264 là một giải pháp công nghệ tiên tiến được thiết kế để giải quyết trực tiếp các thách thức mà các thế hệ xúc tác cũ như R-234 gặp phải. Đặc tính nổi bật nhất của R-264 là tỷ trọng khối cao hơn đáng kể (670 kg/m³ so với 560 kg/m³ của R-234). Sự khác biệt này là yếu tố quyết định giúp chống lại hiện tượng “Catalyst Pinning”. Với trọng lượng lớn hơn, các hạt xúc tác R-264 có thể di chuyển ổn định trong thiết bị phản ứng ngay cả khi lưu lượng nguyên liệu tăng cao, cho phép Nhà máy lọc dầu Dung Quất vận hành an toàn ở công suất 110% hoặc hơn. Hơn nữa, xúc tác UOP R-264 được cung cấp với hai chế độ vận hành linh hoạt: Chế độ Hoạt tính cao (High Activity - HA) và Chế độ Sản lượng cao (High Yield - HY). Chế độ HA cho phép vận hành ở nhiệt độ thấp hơn 4-6°C so với R-234, giúp tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Chế độ HY tập trung vào việc tối đa hóa sản lượng xăng Reformate, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn. Sự linh hoạt này cho phép BSR điều chỉnh thông số vận hành để đáp ứng các mục tiêu sản xuất khác nhau, từ việc tối ưu hóa chi phí đến tối đa hóa sản lượng.
3.1. Đặc điểm cấu trúc và tỷ trọng cao của xúc tác UOP R 264
Theo tài liệu từ UOP [11], xúc tác UOP R-264 được phát triển với cấu trúc chất mang Al2O3 được tối ưu hóa và quy trình tẩm kim loại quý tiên tiến. Điều này không chỉ giúp tăng tỷ trọng khối mà còn cải thiện độ bền cơ học và khả năng chống mài mòn, giảm lượng bụi phát sinh trong quá trình tuần hoàn. Tỷ trọng cao hơn 20% so với R-234 là một lợi thế vật lý trực tiếp. Nó làm tăng lực hấp dẫn lên các hạt xúc tác, giúp chúng dễ dàng thắng được lực cản của dòng khí đi xuyên tâm. Nhờ đó, giới hạn pinning được đẩy lên cao hơn đáng kể, tạo ra một biên độ an toàn rộng cho việc tăng công suất phân xưởng Reforming, một mục tiêu quan trọng trong chiến lược phát triển của BSR.
3.2. Chế độ vận hành linh hoạt Hoạt tính cao HA và Sản lượng cao HY
Khả năng vận hành ở hai chế độ là một ưu điểm chiến lược của R-264. Chế độ Hoạt tính cao (HA) cho phép đạt được chỉ số RON mục tiêu ở nhiệt độ thấp hơn. Điều này đặc biệt hữu ích khi các lò đốt của phân xưởng Reforming đã gần đạt giới hạn công suất hoặc khi cần giảm căng thẳng nhiệt cho thiết bị. Mặc dù sản lượng xăng ở chế độ này thấp hơn R-234 một chút (khoảng 0.6% khối lượng), nhưng lợi ích về an toàn vận hành và tiết kiệm năng lượng là rất lớn. Ngược lại, chế độ Sản lượng cao (HY) được thiết kế để tối đa hóa hiệu suất chuyển hóa thành sản phẩm lỏng, mang lại sản lượng xăng Reformate tương đương hoặc cao hơn R-234. Sự lựa chọn giữa hai chế độ này cho phép nhà máy linh hoạt thích ứng với điều kiện nguyên liệu Naphtha và nhu cầu thị trường, giúp tối ưu hóa sản xuất một cách hiệu quả.
IV. So sánh hiệu quả xúc tác R 264 và R 234 trong thực tiễn
Việc so sánh trực tiếp giữa xúc tác R-264 và R-234 cho thấy những ưu điểm rõ ràng của thế hệ xúc tác mới, đặc biệt trong bối cảnh vận hành tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất. Về hiệu suất chuyển hóa, ở chế độ Sản lượng cao (HY), R-264 mang lại sản lượng xăng Reformate và LPG cao hơn so với R-234. Theo dữ liệu dự báo từ UOP [Bảng 3.1], với cùng chỉ số RON 103, sản lượng Reformate của R-264 (chế độ HY) có thể tăng khoảng 0.5-1.0% khối lượng. Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế khi quy đổi ra sản lượng hàng năm. Về thông số vận hành, R-264 (chế độ HA) cho phép giảm nhiệt độ phản ứng, giúp giảm tải cho các lò đốt và tăng tính an toàn. Đây là một lợi thế quan trọng khi BSR xử lý các loại nguyên liệu Naphtha có hàm lượng Naphthene thấp, vốn đòi hỏi nhiệt độ phản ứng cao. Một yếu tố quan trọng khác là tuổi thọ xúc tác. Với công nghệ chế tạo tiên tiến hơn, R-264 có độ bền cao hơn, khả năng chống ngộ độc xúc tác bởi lưu huỳnh và các tạp chất khác tốt hơn, hứa hẹn một vòng đời hoạt động dài hơn và ổn định hơn, giảm tần suất và chi phí thay thế xúc tác trong dài hạn.
4.1. Đối chiếu độ chọn lọc Aromatic và sản lượng sản phẩm
So sánh về sản lượng là một trong những tiêu chí quan trọng nhất. Luận văn trích dẫn dữ liệu từ UOP cho thấy, khi vận hành ở cùng điều kiện để sản xuất xăng có RON 103, xúc tác UOP R-264 ở chế độ HY cho hiệu suất sản phẩm lỏng (Reformate + LPG) cao hơn R-234. Cụ thể, sản lượng Reformate tăng lên trong khi các sản phẩm khí nhẹ (off-gas) giảm xuống. Điều này chứng tỏ R-264 có độ chọn lọc Aromatic và các phản ứng mong muốn khác tốt hơn, hạn chế các phản ứng cracking không cần thiết. Sự gia tăng dù chỉ một vài phần trăm trong sản lượng sản phẩm chính sẽ tạo ra một khoản lợi nhuận nhà máy tăng thêm đáng kể trong suốt một năm vận hành.
4.2. Phân tích các thông số vận hành và độ ổn định
Độ ổn định vận hành là một yếu tố sống còn. Với R-264, Nhà máy lọc dầu Dung Quất có thể duy trì hoạt động ở công suất cao mà không phải lo lắng về hiện tượng Pinning. Các thông số vận hành như chênh lệch áp suất qua các lớp xúc tác sẽ ổn định hơn. Khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn (chế độ HA) cũng làm giảm tốc độ tạo cốc, kéo dài khoảng thời gian giữa các lần tái sinh xúc tác và giảm căng thẳng cho toàn bộ hệ thống. Điều này không chỉ nâng cao độ tin cậy của phân xưởng mà còn giảm chi phí bảo trì và rủi ro vận hành, góp phần vào việc tối ưu hóa sản xuất một cách bền vững.
V. Đánh giá hiệu quả kinh tế khi thay thế xúc tác R 264 BSR
Quyết định đầu tư thay thế xúc tác phải dựa trên một phân tích chi tiết về hiệu quả kinh tế. Việc chuyển đổi từ R-234 sang xúc tác UOP R-264 tại BSR mang lại lợi ích tài chính trên nhiều phương diện. Lợi ích trực tiếp và rõ ràng nhất đến từ việc tăng sản lượng sản phẩm có giá trị cao. Bảng so sánh hiệu quả kinh tế [Bảng 3.2] trong tài liệu nghiên cứu chỉ ra rằng, với việc tăng sản lượng Reformate và LPG, lợi nhuận nhà máy có thể tăng thêm hàng triệu USD mỗi năm. Con số này đủ sức hấp dẫn để bù đắp chi phí đầu tư ban đầu cho việc mua xúc tác mới và các chi phí liên quan đến quy trình nạp xúc tác. Bên cạnh đó là các lợi ích gián tiếp nhưng không kém phần quan trọng. Việc vận hành ổn định ở công suất cao giúp BSR đáp ứng tốt hơn nhu cầu thị trường, tăng doanh thu và thị phần. Tiết kiệm chi phí năng lượng do vận hành ở nhiệt độ thấp hơn (chế độ HA) và giảm chi phí bảo trì do thiết bị hoạt động ít khắc nghiệt hơn cũng là những khoản tiết kiệm đáng kể trong dài hạn. Mặc dù có chi phí ban đầu, việc thay thế xúc tác R-264 là một khoản đầu tư chiến lược, mang lại lợi tức cao và bền vững.
5.1. Phân tích lợi nhuận từ việc gia tăng chất lượng xăng RON 95
Sản phẩm Reformate từ phân xưởng CCR là cấu tử chính để pha trộn ra chất lượng xăng RON 95 và các loại xăng cao cấp khác. Việc tăng sản lượng Reformate nhờ xúc tác R-264 (chế độ HY) trực tiếp làm tăng nguồn cung cấu tử pha trộn chất lượng cao. Điều này cho phép Nhà máy lọc dầu Dung Quất không chỉ tăng sản lượng xăng thành phẩm mà còn có thể tối ưu hóa công thức pha trộn, giảm sử dụng các phụ gia đắt tiền khác. Hiệu quả kinh tế được tính toán dựa trên chênh lệch giá giữa sản phẩm (xăng, LPG) và nguyên liệu Naphtha, cho thấy mỗi tấn Reformate tăng thêm đều đóng góp trực tiếp vào biên lợi nhuận của công ty.
5.2. Chi phí đầu tư và các yêu cầu kỹ thuật đi kèm
Việc thay thế xúc tác đòi hỏi một khoản đầu tư ban đầu không nhỏ, bao gồm chi phí mua xúc tác R-264 và kim loại Platin [Bảng 3.3]. Ngoài ra, cần xem xét các chi phí cho quy trình nạp xúc tác mới và các điều chỉnh kỹ thuật nhỏ trên hệ thống để tương thích. Tuy nhiên, cần phải nhấn mạnh rằng đây là một khoản đầu tư cần thiết và có tính chu kỳ. So với lợi ích lâu dài về tăng sản lượng, tăng độ ổn định và giảm rủi ro vận hành, chi phí này hoàn toàn hợp lý. Phân tích hoàn vốn cho thấy dự án có tính khả thi cao, mang lại giá trị gia tăng bền vững cho BSR và là bước đi cần thiết để duy trì năng lực cạnh tranh trong ngành công nghệ lọc hóa dầu.
