Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, phát thải CO2 từ các hoạt động công nghiệp và tiêu thụ năng lượng không bền vững đã trở thành một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu. Theo báo cáo của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC), lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu đạt mức cao nhất trong lịch sử với khoảng 59 Gt CO2 tương đương vào năm 2019, trong đó CO2 chiếm gần 80%. Việc giảm thiểu phát thải CO2 là nhiệm vụ cấp thiết nhằm hạn chế sự tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu dưới 1,5°C vào năm 2050, phù hợp với các cam kết quốc tế như Hiệp định Paris.

Công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCUS) được xem là giải pháp then chốt để giảm phát thải CO2 từ các nguồn phát thải lớn như nhà máy điện, nhà máy lọc dầu, và các nhà máy công nghiệp khác. Trong đó, quá trình hấp thụ CO2 bằng dung môi amine, đặc biệt là Monoethanolamine (MEA), được ứng dụng phổ biến nhưng gặp phải hạn chế về tiêu thụ năng lượng cao và chi phí vận hành lớn. Để khắc phục, nghiên cứu này tập trung mô phỏng và tối ưu hóa quy trình hấp thụ CO2 sử dụng dung môi hỗn hợp giữa MEA và chất lỏng ion (Ionic Liquids - IL), nhằm giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí, đồng thời nâng cao hiệu quả thu giữ CO2.

Luận văn thực hiện khảo sát quá trình hấp thụ CO2 từ các nguồn phát thải có lưu lượng và nồng độ CO2 khác nhau, sử dụng phần mềm AspenOne để mô phỏng, tối ưu hóa các thông số vận hành và mạng nhiệt, cũng như đánh giá kinh tế chi tiết. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các dòng khí thải với lưu lượng từ 0 đến 10 kmol/s và nồng độ CO2 đa dạng, phản ánh đặc tính thực tế của các nguồn phát thải công nghiệp tại Việt Nam và trên thế giới. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả công nghệ thu giữ CO2 mà còn cung cấp mô hình toán học xác định chi phí hàng năm, hỗ trợ thiết kế và vận hành hệ thống CCUS trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCUS): Là quá trình thu giữ CO2 từ các nguồn phát thải lớn, nén, vận chuyển và lưu trữ hoặc tái sử dụng nhằm giảm phát thải khí nhà kính. CCUS bao gồm các bước thu giữ CO2 (trước đốt, sau đốt, đốt cháy bằng oxy), xử lý tạp chất, vận chuyển và lưu trữ địa chất.

  • Hấp thụ CO2 bằng dung môi amine: MEA là dung môi amine phổ biến nhất, hấp thụ CO2 qua phản ứng hóa học tạo thành các muối carbamate. Tuy nhiên, MEA tiêu tốn năng lượng tái sinh cao (khoảng 3,6-4,0 GJ/tấn CO2), dễ bị ăn mòn và bay hơi.

  • Dung môi Ionic Liquids (ILs): Chất lỏng ion có đặc tính nhiệt động học ổn định, độ bay hơi thấp, khả năng hòa tan CO2 cao và yêu cầu năng lượng tái sinh thấp hơn so với amine truyền thống. Tuy nhiên, ILs có độ nhớt cao và tốc độ phản ứng chậm.

  • Mô hình hấp thụ CO2 bằng hỗn hợp MEA và IL: Kết hợp ưu điểm của MEA và IL nhằm cải thiện hiệu suất hấp thụ, giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành. Mô hình sử dụng các hằng số cân bằng, hệ số tương tác nhị phân và động học phản ứng để mô phỏng quá trình hấp thụ trong tháp hấp thụ.

  • Mạng lưới trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Network - HEN): Tối ưu hóa tích hợp nhiệt nhằm giảm tiêu thụ năng lượng tái sinh dung môi, sử dụng phần mềm Aspen Energy Analyzer để thiết kế mạng nhiệt hiệu quả.

  • Mô hình toán học chi phí đầu tư và vận hành: Xây dựng hàm mục tiêu tổng chi phí hàng năm (TAC) dựa trên các đặc tính dòng khí thải (lưu lượng, nồng độ CO2), hỗ trợ dự báo chi phí và thiết kế hệ thống CCUS.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu đặc tính dòng khí thải (lưu lượng, nồng độ CO2, áp suất) được thu thập từ các nguồn phát thải công nghiệp phổ biến như nhà máy điện than, nhà máy lọc dầu, sản xuất xi măng, thép và khí hóa tích hợp (IGCC). Các thông số vật liệu và phản ứng hóa học của dung môi MEA và IL được lấy từ các nghiên cứu trước và cơ sở dữ liệu Aspen Plus.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Aspen Plus để mô phỏng quá trình hấp thụ CO2 trong tháp hấp thụ với dung môi hỗn hợp MEA và IL. Các thông số vận hành như nhiệt độ, áp suất, nồng độ dung môi, lưu lượng khí và dung môi được tối ưu hóa nhằm đạt hiệu suất hấp thụ cao nhất với tiêu thụ năng lượng thấp nhất.

  • Tối ưu hóa mạng nhiệt: Áp dụng phần mềm Aspen Energy Analyzer để thiết kế và tối ưu mạng lưới trao đổi nhiệt, giảm thiểu năng lượng tái sinh dung môi.

  • Đánh giá kinh tế: Sử dụng Aspen Economic Analyzer để tính toán chi phí đầu tư hàng năm (AIC), chi phí vận hành hàng năm (AOC) và tổng chi phí hàng năm (TAC) cho quy trình MEA-IL và so sánh với quy trình chỉ sử dụng MEA.

  • Xây dựng mô hình toán học: Phát triển mô hình hồi quy đa biến xác định mối quan hệ giữa chi phí hàng năm và các đặc tính dòng khí thải (lưu lượng từ 100 đến 10.000 mol/s, nồng độ CO2 từ 0,6 trở lên), làm cơ sở cho thiết kế và quy hoạch hệ thống thu giữ CO2.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong học kỳ 2 năm học 2021-2022, với các giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng, tối ưu hóa và đánh giá kinh tế liên tục trong vòng 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả hấp thụ CO2 tăng khi sử dụng dung môi hỗn hợp MEA-IL: Mô phỏng cho thấy dung môi hỗn hợp MEA và Ionic Liquid [Bpy][BF4] cải thiện hiệu suất hấp thụ CO2 so với dung môi MEA truyền thống. Ở lưu lượng khí 5 kmol/s và nồng độ CO2 15%, hiệu suất hấp thụ tăng khoảng 12%, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng tái sinh dung môi khoảng 18%.

  2. Tối ưu hóa mạng nhiệt giúp giảm tiêu thụ năng lượng: Việc tích hợp mạng trao đổi nhiệt tối ưu trên phần mềm Aspen Energy Analyzer giảm được khoảng 15-20% năng lượng tái sinh so với quy trình chưa tích hợp, góp phần giảm chi phí vận hành.

  3. Chi phí hàng năm của quy trình MEA-IL thấp hơn quy trình MEA: Ở lưu lượng khí 10 kmol/s và nồng độ CO2 20%, tổng chi phí hàng năm (TAC) của quy trình MEA-IL thấp hơn khoảng 10% so với quy trình chỉ sử dụng MEA, nhờ giảm chi phí năng lượng và chi phí hóa chất do giảm tổn thất dung môi.

  4. Mô hình toán học dự báo chi phí chính xác: Mô hình hồi quy đa biến xây dựng cho thấy chi phí hàng năm tỷ lệ thuận với lưu lượng khí và nồng độ CO2, với sai số trung bình tuyệt đối (AARD) dưới 5%, phù hợp để ứng dụng trong thiết kế và quy hoạch hệ thống thu giữ CO2.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định rằng việc sử dụng dung môi hỗn hợp MEA và Ionic Liquid là một giải pháp khả thi để nâng cao hiệu quả thu giữ CO2 và giảm chi phí vận hành. Sự kết hợp này tận dụng ưu điểm của MEA về tốc độ phản ứng nhanh và ưu điểm của IL về độ bền nhiệt, độ bay hơi thấp và khả năng hấp thụ CO2 cao. Việc tối ưu hóa mạng nhiệt góp phần giảm đáng kể năng lượng tái sinh, vốn chiếm phần lớn chi phí vận hành trong các quy trình hấp thụ CO2.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển dung môi hỗn hợp nhằm khắc phục nhược điểm của MEA truyền thống. Việc xây dựng mô hình toán học chi phí giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế và dự báo chi phí cho các nguồn phát thải khác nhau, hỗ trợ các nhà quản lý và kỹ sư trong việc lập kế hoạch đầu tư và vận hành hệ thống CCUS.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh hiệu suất hấp thụ, tiêu thụ năng lượng và chi phí hàng năm giữa các quy trình MEA và MEA-IL ở các lưu lượng và nồng độ CO2 khác nhau, cũng như bảng tổng hợp các thông số tối ưu và chi phí tương ứng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng dung môi hỗn hợp MEA-IL trong các nhà máy công nghiệp: Khuyến nghị các nhà máy điện, lọc dầu và sản xuất xi măng áp dụng quy trình hấp thụ CO2 sử dụng dung môi hỗn hợp MEA và Ionic Liquid để nâng cao hiệu quả thu giữ và giảm chi phí vận hành trong vòng 2-3 năm tới.

  2. Tối ưu hóa mạng lưới trao đổi nhiệt: Các đơn vị vận hành cần đầu tư vào thiết kế và tích hợp mạng nhiệt tối ưu nhằm giảm tiêu thụ năng lượng tái sinh dung môi, với mục tiêu giảm ít nhất 15% năng lượng trong vòng 1 năm.

  3. Phát triển mô hình toán học chi phí cho các nguồn phát thải đa dạng: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên sử dụng mô hình toán học xây dựng trong luận văn để dự báo chi phí và thiết kế hệ thống thu giữ CO2 phù hợp với đặc tính dòng khí thải thực tế, giúp tối ưu hóa đầu tư và vận hành.

  4. Nâng cao đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ CCUS, mô phỏng và tối ưu hóa quy trình hấp thụ CO2 cho cán bộ kỹ thuật và quản lý trong ngành công nghiệp nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ mới.

  5. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục về dung môi Ionic Liquids: Đề xuất các cơ quan quản lý và viện nghiên cứu tăng cường đầu tư nghiên cứu phát triển các loại dung môi Ionic Liquids mới có tính năng hấp thụ CO2 cao hơn, độ nhớt thấp và chi phí hợp lý để mở rộng ứng dụng trong tương lai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa Dầu và Lọc Dầu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô phỏng, tối ưu hóa quy trình hấp thụ CO2 và ứng dụng phần mềm Aspen Plus, Aspen Energy Analyzer, phù hợp cho nghiên cứu và học tập nâng cao.

  2. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ trong ngành công nghiệp năng lượng và môi trường: Thông tin về công nghệ thu giữ CO2, dung môi hỗn hợp MEA-IL và mô hình kinh tế giúp cải thiện hiệu quả vận hành và giảm chi phí trong các nhà máy điện, lọc dầu, xi măng.

  3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Mô hình toán học chi phí và phân tích kinh tế hỗ trợ đánh giá hiệu quả đầu tư, lập kế hoạch phát triển công nghệ CCUS phù hợp với mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính.

  4. Các tổ chức tài chính và đầu tư: Cung cấp cơ sở dữ liệu và mô hình dự báo chi phí giúp đánh giá tính khả thi và rủi ro tài chính của các dự án thu giữ và lưu trữ CO2, từ đó đưa ra quyết định đầu tư chính xác.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần sử dụng dung môi hỗn hợp MEA và Ionic Liquid để thu giữ CO2?
    Dung môi hỗn hợp kết hợp ưu điểm của MEA về tốc độ phản ứng nhanh và Ionic Liquid về độ bền nhiệt, độ bay hơi thấp, giúp tăng hiệu suất hấp thụ CO2 và giảm tiêu thụ năng lượng tái sinh so với MEA đơn thuần.

  2. Phần mềm Aspen Plus được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Aspen Plus được dùng để mô phỏng quá trình hấp thụ CO2 trong tháp hấp thụ, tối ưu hóa các thông số vận hành như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dung môi nhằm đạt hiệu quả thu giữ cao nhất với chi phí thấp nhất.

  3. Mạng lưới trao đổi nhiệt (HEN) có vai trò gì trong quy trình thu giữ CO2?
    HEN giúp tận dụng nhiệt thải từ các thiết bị trong quy trình để tái sinh dung môi, giảm tiêu thụ năng lượng tái sinh, từ đó giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả kinh tế của hệ thống.

  4. Chi phí vận hành của quy trình MEA-IL so với MEA truyền thống như thế nào?
    Nghiên cứu cho thấy chi phí vận hành của quy trình MEA-IL thấp hơn khoảng 10% so với MEA truyền thống ở các lưu lượng và nồng độ CO2 tương đương, nhờ giảm tiêu thụ năng lượng và tổn thất dung môi.

  5. Mô hình toán học chi phí có thể áp dụng cho các nguồn phát thải khác nhau không?
    Mô hình được xây dựng dựa trên dữ liệu đa dạng về lưu lượng và nồng độ CO2, có sai số thấp, do đó có thể áp dụng để dự báo chi phí cho nhiều loại nguồn phát thải khác nhau, hỗ trợ thiết kế và quy hoạch hệ thống CCUS.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc mô phỏng và tối ưu hóa quy trình hấp thụ CO2 sử dụng dung môi hỗn hợp MEA và Ionic Liquid, nâng cao hiệu suất thu giữ và giảm tiêu thụ năng lượng so với quy trình truyền thống.
  • Việc tích hợp mạng lưới trao đổi nhiệt góp phần giảm đáng kể chi phí vận hành, tăng tính kinh tế cho hệ thống thu giữ CO2.
  • Mô hình toán học chi phí đầu tư và vận hành hàng năm được xây dựng chính xác, hỗ trợ thiết kế và quy hoạch hệ thống CCUS phù hợp với đặc tính dòng khí thải thực tế.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ CCUS tại Việt Nam và các nước đang phát triển.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm thực tế, mở rộng nghiên cứu dung môi Ionic Liquids mới và đào tạo chuyển giao công nghệ cho các đơn vị liên quan.

Hành động tiếp theo là khuyến khích các nhà máy công nghiệp áp dụng quy trình MEA-IL, đồng thời phát triển các dự án nghiên cứu mở rộng nhằm nâng cao hiệu quả và giảm chi phí thu giữ CO2, góp phần vào mục tiêu phát thải ròng bằng không vào năm 2050.