Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng, đặc biệt là nhu cầu về các sản phẩm nhiên liệu nhẹ như xăng và khí hóa lỏng. Theo số liệu năm 2012, tiêu thụ dầu thô thế giới đạt khoảng 88 triệu thùng/ngày và dự báo tiếp tục tăng. Trong khi đó, nguồn cung dầu thô có giới hạn, đòi hỏi các công nghệ chế biến dầu khí tiên tiến để đáp ứng nhu cầu. Công nghệ cracking xúc tác tầng sôi (FCC) được xem là giải pháp chủ đạo, chiếm khoảng 1/3 đến 1/2 công suất chế biến dầu thô tại các nhà máy lọc dầu, với vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa các phân đoạn nặng thành sản phẩm nhẹ có giá trị cao.

Tuy nhiên, quá trình này tạo ra lượng lớn xúc tác FCC đã qua sử dụng, ví dụ như tại nhà máy lọc dầu Dung Quất, lượng xúc tác thải ra khoảng 20 tấn/ngày. Hiện nay, phương pháp xử lý chủ yếu là chôn lấp, gây lãng phí tài nguyên và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường. Đồng thời, lượng nhựa thải, đặc biệt là nhựa polypropylene (PP) từ nhà máy sản xuất PP Dung Quất cũng lên tới khoảng 20 tấn/tháng, với đặc tính khó phân hủy và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu là tận dụng xúc tác FCC đã qua sử dụng để chuyển hóa dầu nhiệt phân nhựa thải thành nhiên liệu có giá trị kinh tế cao, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu tập trung vào đánh giá tính chất hóa lý của xúc tác thải và dầu nhiệt phân nhựa, khảo sát ảnh hưởng của các thông số phản ứng cracking xúc tác trên thiết bị Micro Activity Test (MAT), nhằm xác định điều kiện tối ưu cho quá trình chuyển hóa. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trên thiết bị quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng nguyên liệu từ nhà máy lọc dầu và nhà máy PP Dung Quất, với thời gian nghiên cứu từ tháng 7 đến tháng 11 năm 2012.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ tái chế xúc tác FCC thải và xử lý nhựa thải, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường trong ngành công nghiệp lọc hóa dầu Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công nghệ cracking xúc tác tầng sôi (FCC): Quá trình chuyển hóa các phân tử hydrocacbon nặng thành các phân tử nhỏ hơn như xăng, LPG thông qua phản ứng cracking xúc tác trên bề mặt xúc tác aluminosilicat có zeolite Y. Các tâm axit Bronsted và Lewis trên xúc tác đóng vai trò quan trọng trong cơ chế phản ứng.

  • Tính chất xúc tác FCC thải: Xúc tác FCC thải sau một thời gian sử dụng vẫn giữ được diện tích bề mặt riêng lớn (khoảng 123 m²/g), thể tích lỗ xốp 0,12 cc/g và hoạt tính cao sau khi được xử lý loại bỏ cặn cốc bám trên bề mặt bằng nung ở 540°C.

  • Tính chất dầu nhiệt phân nhựa thải: Dầu nhiệt phân từ nhựa polypropylene thải có thành phần tương tự phân đoạn cặn chân không (VGO) với nhiệt độ sôi trên 360°C, tuy nhiên có độ nhớt cao hơn (21,51 cSt so với 14,15 cSt của VGO) và hàm lượng parafin rắn cao (30,35% so với 24,29%).

  • Phương pháp cracking xúc tác trên thiết bị Micro Activity Test (MAT): Thiết bị MAT mô phỏng phản ứng cracking xúc tác trong điều kiện tầng cố định, cho phép đánh giá hoạt tính, độ chọn lọc và hiệu suất sản phẩm trong thời gian tiếp xúc ngắn (khoảng 12 giây).

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ lệ xúc tác/nguyên liệu (C/O), độ chuyển hóa nguyên liệu, hiệu suất sản phẩm khí, xăng, LCO, và chỉ số octan (RON, MON).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Xúc tác FCC thải lấy từ phân xưởng RFCC nhà máy lọc dầu Dung Quất; dầu nhiệt phân nhựa polypropylene thải từ nhà máy PP Dung Quất; nguyên liệu VGO chưng cất từ dầu thô Azeri.

  • Phân tích tính chất: Sử dụng các phương pháp chuẩn quốc tế ASTM và thiết bị hiện đại như sắc ký khí (GC), chưng cất chân không (ASTM D2892, D5236), phổ huỳnh quang tia X (XRF), đo diện tích bề mặt (BET), đo độ nhớt động học, tỷ trọng, hàm lượng cặn cốc và asphalten.

  • Tiền xử lý xúc tác: Nung xúc tác thải ở 540°C trong 3 giờ để loại bỏ cặn cốc, phục hồi diện tích bề mặt và hoạt tính.

  • Phương pháp thí nghiệm cracking xúc tác: Thực hiện trên thiết bị MAT với các nguyên liệu Wax (phân đoạn cất >360°C của dầu nhiệt phân nhựa), VGO và hỗn hợp phối trộn theo tỷ lệ 10%, 25%, 50% Wax/VGO. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ (500-550°C) và tỷ lệ C/O (1,5-5) đến độ chuyển hóa, hiệu suất sản phẩm và chất lượng xăng.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và phân tích dữ liệu từ tháng 7 đến tháng 11 năm 2012, bao gồm các bước tiền xử lý, thí nghiệm cracking xúc tác, phân tích sản phẩm và đánh giá kết quả.

Phương pháp chọn mẫu nguyên liệu và xúc tác dựa trên tính đại diện thực tế từ các nhà máy, đảm bảo tính ứng dụng cao của kết quả nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính chất xúc tác FCC thải sau xử lý: Diện tích bề mặt riêng tăng từ 123 m²/g lên 134 m²/g sau nung, thể tích lỗ xốp tăng từ 0,12 lên 0,13 cc/g, kích thước hạt trung bình giảm nhẹ từ 94 µm xuống 87,6 µm. Hàm lượng kim loại Ni và V lần lượt khoảng 3420 ppm và 508 ppm, không thay đổi đáng kể sau xử lý.

  2. So sánh tính chất Wax và VGO: Wax có tỷ trọng 0,8431, điểm Anilin 113,2°C, độ nhớt 21,51 cSt; VGO có tỷ trọng 0,8983, điểm Anilin 97°C, độ nhớt 14,15 cSt. Wax có hàm lượng parafin rắn cao hơn (30,35% so với 24,29%), cho thấy Wax có tiềm năng làm nguyên liệu cho cracking nhưng cần phối trộn để giảm độ nhớt.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ lệ C/O đến quá trình cracking:

    • Độ chuyển hóa Wax đạt 55-70% ở nhiệt độ 500-550°C, cao hơn so với VGO (44-70%).
    • Hiệu suất xăng thu được từ Wax khoảng 36-41%, hơi thấp hơn VGO (38-42%).
    • Tỷ lệ cốc sinh ra từ Wax thấp hơn hoặc tương đương VGO (3-5%).
    • Tăng tỷ lệ C/O giúp tăng độ chuyển hóa và hiệu suất sản phẩm xăng, khí nhưng cần tối ưu để tránh tạo cốc quá nhiều.

  4. Hiệu quả phối trộn Wax và VGO:

    • Phối trộn Wax với VGO theo tỷ lệ 10%, 25%, 50% giúp giảm độ nhớt hỗn hợp, cải thiện khả năng vận chuyển và xử lý.
    • Ở tỷ lệ phối trộn 25% Wax - 75% VGO, sản phẩm cracking có chỉ số octan RON đạt 87-91, phù hợp làm nhiên liệu xăng.
    • Cơ cấu sản phẩm và hiệu suất cracking của hỗn hợp Wax/VGO tương đương hoặc tốt hơn so với nguyên liệu đơn lẻ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy xúc tác FCC thải sau khi được xử lý loại bỏ cặn cốc vẫn giữ được hoạt tính cao, phù hợp để sử dụng trong quá trình cracking dầu nhiệt phân nhựa thải. Việc phối trộn Wax với VGO không chỉ giảm độ nhớt mà còn giúp tận dụng hiệu quả nguyên liệu nhựa thải, nâng cao chất lượng sản phẩm nhiên liệu.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả về độ chuyển hóa và hiệu suất sản phẩm tương đồng, khẳng định tính khả thi của việc sử dụng xúc tác FCC thải trong cracking dầu nhiệt phân nhựa. Việc tối ưu nhiệt độ và tỷ lệ C/O là yếu tố then chốt để cân bằng giữa hiệu suất sản phẩm và hạn chế tạo cặn cốc, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ, tỷ lệ C/O với độ chuyển hóa và hiệu suất sản phẩm, cũng như bảng so sánh tính chất vật lý của Wax, VGO và hỗn hợp phối trộn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình nung xúc tác FCC thải: Thực hiện nung xúc tác thải ở 540°C trong 3 giờ để loại bỏ cặn cốc, phục hồi diện tích bề mặt và hoạt tính xúc tác, đảm bảo hiệu quả cracking. Chủ thể thực hiện: Nhà máy lọc dầu; Thời gian: ngay sau thu thập xúc tác thải.

  2. Phối trộn Wax với VGO theo tỷ lệ tối ưu: Khuyến nghị phối trộn Wax và VGO ở tỷ lệ 25% Wax - 75% VGO để giảm độ nhớt nguyên liệu, tăng khả năng xử lý và chất lượng sản phẩm nhiên liệu. Chủ thể thực hiện: Trung tâm nghiên cứu và nhà máy lọc dầu; Thời gian: trong giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu.

  3. Tối ưu điều kiện phản ứng cracking xúc tác: Điều chỉnh nhiệt độ phản ứng trong khoảng 500-550°C và tỷ lệ C/O từ 2 đến 3 để đạt độ chuyển hóa cao, hiệu suất xăng và khí tối ưu, đồng thời hạn chế tạo cặn cốc. Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm và nhà máy; Thời gian: trong quá trình vận hành thử nghiệm pilot.

  4. Phát triển hệ thống pilot công suất 1 kg/h: Xây dựng và vận hành hệ thống cracking xúc tác quy mô pilot để kiểm chứng kết quả phòng thí nghiệm, chuẩn bị cho ứng dụng công nghiệp. Chủ thể thực hiện: Trung tâm nghiên cứu; Thời gian: 6-12 tháng tiếp theo.

  5. Mở rộng nghiên cứu tái chế xúc tác thải: Khuyến khích nghiên cứu tận dụng các loại xúc tác thải khác từ nhà máy lọc dầu nhằm giảm thiểu ô nhiễm và tăng giá trị kinh tế. Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu, trường đại học; Thời gian: dài hạn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong ngành lọc hóa dầu: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp tối ưu hóa quá trình cracking xúc tác sử dụng xúc tác thải, hỗ trợ phát triển công nghệ mới.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Thông tin về xử lý xúc tác thải và nhựa thải giúp xây dựng chính sách quản lý chất thải hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và tái chế nhựa: Nghiên cứu cung cấp giải pháp chuyển hóa nhựa thải thành nhiên liệu, mở ra hướng kinh doanh bền vững và thân thiện môi trường.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật hóa dầu: Tài liệu tham khảo quý giá về công nghệ cracking xúc tác, phương pháp phân tích và ứng dụng thực tiễn trong ngành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần sử dụng xúc tác FCC đã qua sử dụng thay vì xúc tác mới?
    Xúc tác FCC thải vẫn giữ hoạt tính cao sau khi loại bỏ cặn cốc, giúp tiết kiệm chi phí và tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có, đồng thời giảm lượng chất thải nguy hại.

  2. Wax từ dầu nhiệt phân nhựa có thể thay thế hoàn toàn VGO làm nguyên liệu không?
    Wax có độ nhớt cao và hàm lượng parafin lớn, nên phối trộn với VGO giúp giảm độ nhớt và cải thiện tính chất nguyên liệu, không nên dùng riêng lẻ.

  3. Ảnh hưởng của tỷ lệ C/O đến hiệu suất cracking như thế nào?
    Tỷ lệ C/O cao giúp tăng độ chuyển hóa và hiệu suất sản phẩm, nhưng quá cao có thể tạo nhiều cặn cốc, cần tối ưu để cân bằng hiệu quả và chất lượng.

  4. Quá trình nung xúc tác thải có ảnh hưởng đến thành phần hóa học không?
    Nung xúc tác ở 540°C chủ yếu loại bỏ cặn cốc mà không làm thay đổi đáng kể thành phần hóa học và tính chất vật lý của xúc tác.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các nhà máy lọc dầu khác không?
    Với điều kiện tương tự về nguyên liệu và xúc tác, kết quả có thể được áp dụng hoặc điều chỉnh phù hợp cho các nhà máy lọc dầu khác tại Việt Nam và khu vực.

Kết luận

  • Xúc tác FCC thải sau xử lý vẫn giữ được hoạt tính cao với diện tích bề mặt riêng trên 130 m²/g, phù hợp cho quá trình cracking xúc tác.
  • Dầu nhiệt phân nhựa polypropylene thải có tính chất tương đồng với VGO, nhưng cần phối trộn để giảm độ nhớt và cải thiện khả năng xử lý.
  • Nhiệt độ phản ứng 500-550°C và tỷ lệ C/O từ 2 đến 3 là điều kiện tối ưu cho quá trình cracking xúc tác với nguyên liệu Wax/VGO phối trộn.
  • Phối trộn Wax 25% với VGO 75% cho sản phẩm nhiên liệu có chỉ số octan RON đạt 87-91, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.
  • Kết quả nghiên cứu là cơ sở để phát triển hệ thống pilot công suất 1 kg/h và mở rộng ứng dụng trong ngành lọc hóa dầu Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Triển khai thử nghiệm pilot, hoàn thiện quy trình công nghệ và nghiên cứu mở rộng tái chế xúc tác thải cho các loại nguyên liệu khác. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong ngành được khuyến khích áp dụng và phát triển công nghệ này nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.