I. Hiểu rõ vấn đề muối NH4Cl tại phân xưởng CCR Dung Quất
Nhà máy Lọc dầu (NMLD) Dung Quất ban đầu được thiết kế để xử lý dầu thô ngọt nội địa, có hàm lượng tạp chất thấp. Tuy nhiên, do sự thay đổi nguồn cung và nhu cầu tối ưu hóa sản xuất, nhà máy đã phải chế biến các loại dầu thô thay thế nhập khẩu. Các loại dầu này thường chứa hàm lượng lưu huỳnh, nitơ, và clo cao hơn đáng kể so với thiết kế. Sự thay đổi này đã dẫn đến một vấn đề kỹ thuật nghiêm trọng: sự hình thành và đóng cặn muối NH4Cl (amoni clorua) tại các thiết bị hạ nguồn của phân xưởng Reforming xúc tác (CCR). Đây là một phân xưởng cốt lõi, chịu trách nhiệm chuyển hóa naphtha nặng thành xăng có chỉ số octane cao (Reformate) và khí hydro giá trị. Vấn đề đóng cặn muối NH4Cl không chỉ làm giảm hiệu suất vận hành, gây gián đoạn sản xuất mà còn tiềm ẩn nguy cơ ăn mòn thiết bị, ảnh hưởng đến an toàn và tính toàn vẹn của nhà máy. Việc nghiên cứu sâu về nguyên nhân, tác hại và đưa ra giải pháp khắc phục triệt để là một nhiệm vụ cấp bách để đảm bảo NMLD Dung Quất vận hành ổn định và hiệu quả trong bối cảnh nguồn nguyên liệu ngày càng đa dạng và phức tạp. Bài viết này sẽ phân tích chi tiết các khía cạnh của vấn đề, dựa trên các nghiên cứu và dữ liệu thực tiễn tại nhà máy.
1.1. Bối cảnh vận hành và thách thức từ nguồn dầu thô mới
Thiết kế ban đầu của NMLD Dung Quất tối ưu cho dầu thô Bạch Hổ với hàm lượng lưu huỳnh dưới 0.14% và clo hữu cơ dưới 0.15 ppm. Thực tế, nhà máy đã phải tiếp nhận và chế biến các loại dầu thô như Azeri, ESPO, WTI với hàm lượng lưu huỳnh có thể lên đến 0.54% và clo hữu cơ tới 0.19 ppm. Thậm chí, một số lô dầu thô trong nước ở giai đoạn khai thác cuối cũng có nồng độ tạp chất tăng đột biến. Sự gia tăng hàm lượng tạp chất nitơ và clo trong nguyên liệu đầu vào là tiền đề trực tiếp cho việc hình thành muối NH4Cl ở các phân xưởng công nghệ phía sau, đặc biệt là phân xưởng CCR.
1.2. Vai trò của phân xưởng CCR và tháp tách Debutanizer
Phân xưởng CCR là trái tim của quá trình sản xuất xăng chất lượng cao. Nó sử dụng xúc tác lưỡng chức (kim loại-acid) để thực hiện các phản ứng reforming. Sản phẩm sau phản ứng là một hỗn hợp phức tạp, cần được phân tách tại tháp Debutanizer. Tháp này có nhiệm vụ tách các cấu tử nhẹ (C1-C4) ra khỏi sản phẩm lỏng Reformate. Bất kỳ sự cố nào xảy ra tại tháp, chẳng hạn như đóng cặn, sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng của cả hai dòng sản phẩm chính là xăng Reformate và khí hóa lỏng (LPG), gây thiệt hại kinh tế lớn.
II. Phân tích 3 nguyên nhân cốt lõi gây ra muối NH4Cl tại CCR
Sự hình thành muối NH4Cl tại phân xưởng CCR là kết quả của một chuỗi phản ứng hóa học phức tạp, bắt nguồn từ nhiều yếu tố khác nhau trong quá trình vận hành. Việc xác định chính xác các tác nhân gây ra vấn đề này là bước đầu tiên và quan trọng nhất để xây dựng giải pháp hiệu quả. Ba nguyên nhân chính đã được xác định. Thứ nhất là sự hiện diện của các tạp chất nitơ và clo trong nguồn dầu thô vượt mức thiết kế. Thứ hai là vai trò của chính xúc tác CCR và nồng độ khí acid HCl trong dòng khí tuần hoàn. Cuối cùng là những hạn chế trong khả năng xử lý tạp chất của phân xưởng xử lý Naphtha bằng hydro (NHT) trước đó. Phản ứng tạo muối diễn ra qua hai giai đoạn chính: hợp chất chứa nitơ phản ứng với hydro tạo thành amoniac (NH3); sau đó, NH3 phản ứng với khí hydro clorua (HCl) để tạo thành muối NH4Cl ở trạng thái hơi. Khi dòng khí này di chuyển đến các khu vực có nhiệt độ thấp hơn như tháp Debutanizer và các thiết bị trao đổi nhiệt, muối NH4Cl sẽ ngưng tụ và đóng rắn, gây ra hàng loạt vấn đề nghiêm trọng cho hệ thống.
2.1. Nguồn gốc tạp chất nitơ và clo từ dầu thô đầu vào
Nguyên nhân gốc rễ bắt đầu từ nguyên liệu. Dữ liệu thực tế cho thấy hàm lượng nitơ và clo trong các loại dầu thô chế biến tại NMLD Dung Quất thường xuyên cao hơn giá trị thiết kế. Các hợp chất chứa nitơ không được xử lý triệt để tại phân xưởng NHT sẽ đi vào phân xưởng CCR. Tại đây, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao cùng sự có mặt của xúc tác, chúng phản ứng với hydro tạo thành amoniac (NH3). Tương tự, các hợp chất clo hữu cơ cũng bị phân hủy tạo thành HCl. Đây là hai tiền chất thiết yếu cho phản ứng tạo muối NH4Cl.
2.2. Vai trò của xúc tác và sự gia tăng nồng độ khí acid HCl
Xúc tác CCR (loại R-234) là xúc tác lưỡng chức Pt/Al2O3 hoạt hóa clo. Để duy trì chức năng acid, một lượng hợp chất clo (C2Cl4) được phun định kỳ vào hệ thống tái sinh xúc tác, tạo ra khí acid HCl. Theo thời gian, xúc tác bị lão hóa, diện tích bề mặt giảm, dẫn đến khả năng giữ clo kém đi. Để duy trì hoạt tính, cần phun nhiều clo hơn, làm nồng độ khí acid HCl trong dòng hydro tuần hoàn tăng cao, có thời điểm lên đến 4,5 ppm mol, vượt xa mức thiết kế (1,5 - 2,0 ppm mol). Nồng độ HCl cao này chính là tác nhân thứ hai, phản ứng với NH3 để tạo thành muối amoni clorua.
2.3. Hạn chế của phân xưởng NHT trong việc xử lý nitơ
Phân xưởng NHT đóng vai trò tiền xử lý, loại bỏ tạp chất độc hại cho xúc tác CCR. Tuy nhiên, xúc tác S-120 đang sử dụng tại NHT được thiết kế chủ yếu để khử lưu huỳnh (hiệu suất 100) và no hóa olefin (hiệu suất 80). Khả năng khử nitơ của loại xúc tác này rất hạn chế, chỉ đạt khoảng 20%. Do đó, một lượng đáng kể các hợp chất nitơ vẫn còn sót lại trong dòng naphtha nặng, trở thành nguồn cung cấp NH3 chính trong phân xưởng CCR, góp phần trực tiếp vào quá trình hình thành đóng cặn muối NH4Cl.
III. Bóc tách 3 tác hại nghiêm trọng do muối NH4Cl gây ra
Việc đóng cặn muối NH4Cl tại các thiết bị hạ nguồn của phân xưởng CCR không chỉ là một vấn đề vận hành đơn thuần mà còn gây ra những hậu quả nghiêm trọng và đa dạng. Các tinh thể muối sau khi ngưng tụ sẽ tích tụ dần trên các bề mặt thiết bị như đĩa tháp, ống trao đổi nhiệt, và bộ lọc, dẫn đến ba nhóm tác hại chính. Thứ nhất, nó làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất của các thiết bị công nghệ, đặc biệt là tháp Debutanizer, khiến sản phẩm không đạt chất lượng và phải giảm công suất nhà máy. Thứ hai, lớp cặn muối đóng vai trò như một lớp cách nhiệt, làm giảm hiệu quả của các thiết bị trao đổi nhiệt, dẫn đến tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để duy trì điều kiện vận hành. Cuối cùng và nguy hiểm nhất, muối NH4Cl có tính hút ẩm cao, tạo ra một môi trường ăn mòn cục bộ cực kỳ mạnh ngay dưới lớp cặn. Loại ăn mòn này, được gọi là ăn mòn điểm dưới lớp cặn (under deposit pitting corrosion), có thể phá hủy vật liệu thiết bị, gây rò rỉ, cháy nổ, đe dọa đến an toàn và tính toàn vẹn của toàn bộ nhà máy.
3.1. Suy giảm hiệu suất tháp Debutanizer và chất lượng sản phẩm
Muối NH4Cl tích tụ trên các đĩa của tháp Debutanizer, gây tắc nghẽn các lỗ van và ống chảy chuyền. Điều này làm tăng chênh lệch áp suất toàn tháp và gây ra hiện tượng ngập lụt, được xác nhận qua kết quả chụp gamma scan. Khi tháp bị ngập lụt, khả năng phân tách lỏng-hơi bị phá vỡ. Hậu quả là các cấu tử nặng C5+ bị cuốn lên đỉnh tháp làm hỏng chất lượng sản phẩm LPG, trong khi các cấu tử nhẹ C4- không được tách triệt để, khiến sản phẩm Reformate ở đáy tháp không đạt tiêu chuẩn về áp suất hơi bão hòa (RVP).
3.2. Giảm hiệu quả trao đổi nhiệt và tắc nghẽn hệ thống
Tại các thiết bị trao đổi nhiệt, lớp cặn muối NH4Cl bám vào thành trong của các đường ống, làm giảm hệ số truyền nhiệt. Điều này buộc hệ thống phải tiêu thụ nhiều năng lượng hơn (hơi nước, nước làm mát) để đạt được nhiệt độ mong muốn. Ngoài ra, sự tích tụ muối còn làm tăng trở lực dòng chảy, gây tắc nghẽn tại bộ lọc đầu hút của máy nén khí hydro tuần hoàn. Tình trạng này có thể làm giảm áp suất hút, gây xâm thực và có nguy cơ phải dừng máy nén, kéo theo việc dừng cả phân xưởng CCR.
3.3. Rủi ro ăn mòn thiết bị và đường ống Under Deposit Corrosion
Đây là tác hại nguy hiểm nhất. Muối NH4Cl có đặc tính hút ẩm mạnh, nó hấp thụ hơi nước trong hệ thống để tạo thành một dung dịch điện ly có tính acid cao. Dung dịch này bị giữ lại dưới lớp cặn muối, tạo ra môi trường ăn mòn điểm cực mạnh. Các phản ứng ăn mòn giải phóng thêm acid HCl, tạo thành một chu trình tự duy trì, phá hủy nhanh chóng vật liệu thép carbon của đường ống và thiết bị. Cơ chế ăn mòn dưới lớp đóng cặn muối này có thể gây thủng thiết bị, rò rỉ hydrocarbon, dẫn đến nguy cơ cháy nổ nghiêm trọng.
IV. Hướng dẫn 2 giải pháp xử lý khi muối NH4Cl đã hình thành
Khi muối NH4Cl đã hình thành và gây đóng cặn trong hệ thống, cần có những giải pháp can thiệp kịp thời để khôi phục lại trạng thái vận hành bình thường và kéo dài chu kỳ hoạt động của phân xưởng. Các giải pháp này tập trung vào việc xử lý vấn đề hiện hữu thay vì ngăn chặn từ gốc. Dựa trên nghiên cứu tại NMLD Dung Quất, hai giải pháp chính đã được áp dụng và chứng minh hiệu quả. Giải pháp thứ nhất là điều chỉnh các thông số công nghệ của hệ thống, chủ yếu là nhiệt độ và áp suất của tháp Debutanizer. Mục tiêu của phương pháp này là di chuyển điểm ngưng tụ muối ra khỏi các khu vực trọng yếu của tháp, hạn chế tình trạng ngập lụt đĩa. Giải pháp thứ hai, mang tính can thiệp trực tiếp hơn, là thực hiện rửa nước trực tuyến. Kỹ thuật này sử dụng nước đã qua xử lý để hòa tan và loại bỏ lớp cặn muối bám trên bề mặt thiết bị. Mặc dù hiệu quả, phương pháp này đòi hỏi sự chuẩn bị kỹ lưỡng và kiểm soát chặt chẽ để tránh gây ra các vấn đề phụ như sốc nhiệt hay tăng nguy cơ ăn mòn. Cả hai giải pháp đều đã góp phần quan trọng vào việc duy trì hoạt động ổn định cho phân xưởng CCR.
4.1. Phương pháp điều chỉnh thông số công nghệ hệ thống
Giải pháp này dựa trên nguyên tắc nhiệt động học. Bằng cách thay đổi nhiệt độ và áp suất, có thể thay đổi điểm sương của muối NH4Cl. Tại NMLD Dung Quất, các kỹ sư đã áp dụng biện pháp giảm nhẹ áp suất vận hành của tháp Debutanizer (từ 9,8 xuống 9,75 kg/cm2g) và tăng nhiệt độ tại các vùng đỉnh, đĩa nhạy cảm và đáy tháp. Việc này giúp di chuyển vùng ngưng tụ muối ra khỏi khu vực đĩa tháp, hạn chế tắc nghẽn. Kết quả thực tế cho thấy giải pháp này đã giúp kéo dài thời gian vận hành ổn định của tháp từ 6 tháng lên hơn 1 năm trước khi cần can thiệp rửa muối.
4.2. Kỹ thuật rửa nước trực tuyến để loại bỏ cặn muối NH4Cl
Khi tình trạng đóng cặn trở nên nghiêm trọng, rửa nước trực tuyến là giải pháp bắt buộc. Quy trình này yêu cầu giảm công suất phân xưởng và phun nước cấp lò hơi (BFW) có chất lượng được kiểm soát chặt chẽ vào hệ thống. Nước sẽ hòa tan muối NH4Cl và đưa ra ngoài qua hệ thống xả thải. Điều quan trọng là phải đảm bảo lưu lượng nước đủ để duy trì pha lỏng và phân bố đồng đều để tránh tình trạng muối bị ẩm, gây ăn mòn nghiêm trọng hơn. Dù làm gián đoạn sản xuất tạm thời, phương pháp này giúp làm sạch hiệu quả thiết bị và khôi phục công suất vận hành cho tháp Debutanizer.
V. Bí quyết ngăn chặn sự hình thành muối NH4Cl từ gốc rễ
Các giải pháp xử lý tình huống chỉ giải quyết được phần ngọn của vấn đề. Để khắc phục triệt để và đảm bảo vận hành bền vững, cần phải áp dụng các giải pháp ngăn chặn sự hình thành muối NH4Cl ngay từ đầu. Hướng tiếp cận này tập trung vào việc loại bỏ một hoặc cả hai tiền chất chính của phản ứng: NH3 và HCl. Hai giải pháp chiến lược đã được nghiên cứu và đề xuất tại NMLD Dung Quất. Giải pháp thứ nhất là kiểm soát chặt chẽ chất lượng nguyên liệu đầu vào. Điều này bao gồm việc lựa chọn và phối trộn các loại dầu thô một cách khoa học để giữ hàm lượng tạp chất nitơ và clo trong giới hạn cho phép. Giải pháp thứ hai, mang tính đột phá và dài hạn hơn, là nâng cấp công nghệ tại phân xưởng NHT. Cụ thể là thay thế chủng loại xúc tác hiện tại bằng một thế hệ xúc tác mới có khả năng khử nitơ vượt trội. Bằng cách loại bỏ gần như hoàn toàn nitơ trước khi vào phân xưởng CCR, nguồn gốc tạo ra NH3 sẽ bị triệt tiêu, từ đó ngăn chặn hiệu quả phản ứng tạo muối amoni clorua.
5.1. Tối ưu hóa lựa chọn và phối trộn các loại dầu thô
Đây là tuyến phòng thủ đầu tiên. NMLD Dung Quất sử dụng phần mềm LP (Linear Programming) để tính toán tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa các loại dầu thô khác nhau. Mục tiêu không chỉ là tối đa hóa lợi nhuận mà còn là kiểm soát hàm lượng các tạp chất có hại. Bằng cách lựa chọn các loại dầu thô có hàm lượng nitơ và clo thấp hoặc phối trộn chúng với tỷ lệ hợp lý, có thể giảm tải cho các phân xưởng xử lý phía sau và hạn chế nguy cơ hình thành muối NH4Cl. Tuy nhiên, giải pháp này phụ thuộc nhiều vào sự sẵn có và giá cả của các loại dầu thô trên thị trường.
5.2. Nâng cấp xúc tác NHT Giải pháp dài hạn và hiệu quả nhất
Đây được xem là giải pháp căn cơ nhất. Luận văn đã nghiên cứu đề xuất thay thế xúc tác S-120 (Co-Mo/Al2O3) tại phân xưởng NHT bằng xúc tác thế hệ mới HYT-1119. So sánh cho thấy xúc tác HYT-1119 có khả năng xử lý tạp chất nitơ cao hơn rất nhiều so với xúc tác S-120. Bằng cách loại bỏ nitơ hiệu quả ngay tại phân xưởng tiền xử lý, dòng naphtha nạp liệu cho phân xưởng CCR sẽ gần như không còn chứa tác nhân tạo NH3. Việc này sẽ cắt đứt một mắt xích quan trọng trong chuỗi phản ứng tạo muối NH4Cl, giải quyết triệt để vấn đề đóng cặn và ăn mòn.
VI. Kết luận Kiến nghị Tương lai vận hành tại CCR Dung Quất
Vấn đề hình thành và đóng cặn muối NH4Cl tại phân xưởng CCR của NMLD Dung Quất là một thách thức kỹ thuật phức tạp, xuất phát từ việc thay đổi nguồn nguyên liệu dầu thô. Thông qua quá trình nghiên cứu và áp dụng thực tiễn, một bộ giải pháp toàn diện đã được hình thành. Các giải pháp tình thế như điều chỉnh thông số vận hành và rửa nước trực tuyến đã được áp dụng thành công, giúp kéo dài thời gian vận hành và duy trì sự ổn định cho nhà máy. Đây là những thành công quan trọng, chứng tỏ năng lực làm chủ công nghệ và khả năng xử lý sự cố. Tuy nhiên, để hướng tới sự phát triển bền vững và loại bỏ hoàn toàn rủi ro, các giải pháp phòng ngừa dài hạn cần được ưu tiên triển khai. Việc nâng cấp xúc tác tại phân xưởng NHT và sử dụng các hóa chất phân tán chuyên dụng (ACF) là những bước đi chiến lược tiếp theo. Các giải pháp này hứa hẹn sẽ giải quyết tận gốc nguyên nhân gây ra muối NH4Cl, đảm bảo phân xưởng CCR hoạt động an toàn, hiệu quả và linh hoạt với nhiều loại dầu thô khác nhau trong tương lai.
6.1. Tổng kết hiệu quả các giải pháp đã và đang áp dụng
Luận văn đã chứng minh sự thành công của hai giải pháp đã triển khai. Việc điều chỉnh thông số vận hành tháp Debutanizer đã giúp kéo dài chu kỳ hoạt động ổn định lên hơn một năm. Kỹ thuật rửa nước trực tuyến đã trở thành quy trình chuẩn để xử lý khi sự cố đóng cặn xảy ra, giúp khôi phục nhanh chóng trạng thái vận hành. Những kết quả này không chỉ có ý nghĩa về mặt kinh tế mà còn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà máy lọc dầu khác đối mặt với vấn đề tương tự.
6.2. Triển vọng và định hướng nghiên cứu trong tương lai
Tương lai vận hành an toàn của phân xưởng CCR phụ thuộc vào việc triển khai các giải pháp ngăn chặn từ gốc. Hai giải pháp có giá trị cao đã được nghiên cứu là sử dụng hóa chất phân tán muối ACF (Ammonium Chloride Free) và nâng cấp xúc tác tại phân xưởng NHT. Đặc biệt, việc thay thế xúc tác S-120 bằng HYT-1119 được kỳ vọng sẽ loại bỏ triệt để nguồn phát sinh nitơ. Đây là những định hướng quan trọng cần được áp dụng sớm vào thực tế để đảm bảo NMLD Dung Quất vận hành ổn định và hiệu quả lâu dài.
