Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu tổng hợp nhiên liệu do sạch từ khí tổng hợp sử dụng xúc tác trên cơ sở coban màng trên vật liệu monolith và foam

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu tổng hợp nhiên liệu sạch từ khí tổng hợp sử dụng xúc tác coban trên vật liệu monolith và foam.

• Tác giả: Nguyễn Thị Châu Giang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hữu Lương
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp nhiên liệu DO sạch từ khí tổng hợp sử dụng xúc tác trên cơ sở Coban mang trên vật liệu Monolith và Foam
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tiềm năng khí thiên nhiên của Việt Nam
• 1.2. Nhu cầu sử dụng nhiên liệu và xu hướng phát triển nhiên liệu sạch tại Việt Nam
• 1.3. Công nghệ chuyển hóa khí thiên nhiên thành nhiên liệu sạch và các vấn đề cần giải quyết
• 1.3.1. Công nghệ Velocys
• 1.3.2. Công nghệ CompactGTL
• 1.3.3. Công nghệ Syntroleum
• 1.3.4. Công nghệ Verdis GTD
• 1.4. Ứng dụng của vật liệu có cấu trúc trong chế biến dầu khí
• 1.4.1. Giới thiệu về vật liệu monolith
• 1.4.2. Vật liệu Foam
• 1.4.3. Ứng dụng của vật liệu có cấu trúc trong chế biến dầu khí
• 1.5. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của Luận văn
• 1.5.1. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5.2. Phương pháp luận
• 1.5.2.1. Nguyên vật liệu
• 1.5.2.2. Quy trình tổng hợp các hệ xúc tác
• 1.5.2.2.1. Quy trình điều chế xúc tác bột Fe-Co/γ-Al2O3
• 1.5.2.2.2. Quy trình biến tính xúc tác lưỡng kim loại Fe-Co/γ-Al2O3 với Rhenium
• 1.5.2.2.3. Quy trình phủ xúc tác bột lên tầng xúc tác có cấu trúc (monolith và foam)
• 1.5.2.3. Phương pháp đánh giá các tính chất đặc trưng và hiệu quả hoạt động của xúc tác
• 1.5.2.3.1. Phương pháp đánh giá tính chất đặc trưng của xúc tác
• 1.5.2.3.2. Phương pháp đánh giá hiệu quả hoạt động của xúc tác
• 1.5.2.3.3. Phương pháp sắc ký khí (GC)
• 2. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 2.1. Các tính chất đặc trưng của các hệ xúc tác khảo sát
• 2.1.1. Kết quả tính chất đặc trưng của hệ xúc tác dạng bột Fe-Co/Al2O3
• 2.1.2. Kết quả tính chất đặc trưng của hệ xúc tác biến tính Re
• 2.1.3. Kết quả phân tích về xúc tác khi phủ lên vật liệu cấu trúc
• 2.2. Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng đến hiệu quả tổng hợp nhiên liệu
• 2.3. Ảnh hưởng của thành phần xúc tác đến hiệu quả tổng hợp nhiên liệu
• 2.4. Ảnh hưởng của việc sử dụng xúc tác trên cơ sở vật liệu cấu trúc đến hiệu quả tổng hợp nhiên liệu và độ bền xúc tác
• 2.4.1. Ảnh hưởng của việc sử dụng xúc tác trên cơ sở vật liệu cấu trúc
• 2.4.2. Kết quả độ bền hoạt tính
• KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp nhiên liệu sạch từ khí tổng hợp sử dụng xúc tác coban trên vật liệu monolith và foam đã được thực hiện nhằm cải thiện hiệu suất tổng hợp nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng xúc tác coban mang lại nhiều lợi ích nhờ vào khả năng hoạt động hiệu quả ở các điều kiện khác nhau. Chất xúc tác này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất phản ứng mà còn góp phần vào việc sản xuất nhiên liệu sạch có giá trị cao từ khí tổng hợp. Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng quy trình tổng hợp xúc tác và khảo sát các tính chất lý hóa của xúc tác nhằm đánh giá hiệu quả tổng hợp nhiên liệu.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nhu cầu về nhiên liệu sạch đang gia tăng trên toàn cầu, đặc biệt là tại Việt Nam. Việc chuyển đổi khí tổng hợp thành nhiên liệu sạch không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng cao. Nghiên cứu này cung cấp một giải pháp khả thi cho việc sản xuất nhiên liệu sạch từ nguồn tài nguyên khí thiên nhiên phong phú của Việt Nam. Cụ thể, việc sử dụng xúc tác coban trên vật liệu monolith và foam có thể cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi CO thành các sản phẩm hữu ích, từ đó tạo ra năng lượng tái tạo và giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

II. Quy trình tổng hợp xúc tác

Quy trình tổng hợp xúc tác coban diễn ra qua nhiều bước, bao gồm việc tẩm xúc tác trên các vật liệu cấu trúc như monolith và foam. Các phương pháp như ngâm tẩm đồng thời và phủ chất xúc tác lên bề mặt vật liệu được áp dụng để tối ưu hóa khả năng hoạt động của xúc tác. Việc nghiên cứu các tính chất đặc trưng của xúc tác như diện tích bề mặt riêng (BET), cấu trúc tinh thể (XRD) và quá trình khử (H2-TPR) đã chỉ ra rằng xúc tác coban có khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài. Kết quả cho thấy, việc sử dụng vật liệu có cấu trúc không chỉ giúp tăng cường hiệu suất phản ứng mà còn cải thiện độ bền của xúc tác.

2.1. Tính chất của xúc tác

Các tính chất lý hóa của xúc tác coban được nghiên cứu kỹ lưỡng nhằm đánh giá khả năng hoạt động của nó trong quá trình tổng hợp nhiên liệu sạch. Kết quả từ các phương pháp phân tích như BET và XRD cho thấy diện tích bề mặt riêng của xúc tác cao, điều này góp phần vào khả năng hấp thụ và phản ứng với khí tổng hợp. Hơn nữa, quá trình khử H2-TPR cũng cho thấy rằng xúc tác coban có khả năng duy trì tính ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt, từ đó đảm bảo hiệu suất tổng hợp nhiên liệu cao trong thời gian dài.

III. Đánh giá hiệu quả hoạt động của xúc tác

Đánh giá hiệu quả hoạt động của xúc tác coban được thực hiện thông qua các thí nghiệm tổng hợp nhiên liệu sạch từ khí tổng hợp. Kết quả cho thấy, hiệu suất chuyển đổi CO và sản lượng C5+ đã tăng đáng kể khi sử dụng xúc tác coban trên vật liệu monolith và foam. Cụ thể, sự hiện diện của Re như một chất xúc tác xúc tác đã làm tăng hiệu suất chuyển đổi CO lên đến 49% và sản lượng C5+ lên đến 50%. Việc áp dụng vật liệu có cấu trúc cũng đã mang lại sự cải thiện thêm 23% trong cả chuyển đổi CO và sản lượng C5+.

3.1. Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng

Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, áp suất và lưu lượng khí được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất của xúc tác coban. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc tăng nhiệt độ phản ứng đến 250°C và áp suất 20 bar đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển hóa khí tổng hợp. Kết quả thu được không chỉ chứng minh tính khả thi của quy trình mà còn mở ra hướng đi mới trong việc phát triển công nghệ sản xuất nhiên liệu sạch từ nguồn khí thiên nhiên tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu diesel (DO) tại Việt Nam đã đạt khoảng 9,3 triệu tấn vào năm 2020 và dự báo sẽ tăng lên khoảng 11 triệu tấn vào năm 2025, với tốc độ tăng trưởng trung bình 3,1% mỗi năm. Sự gia tăng này phản ánh xu hướng phát triển kinh tế, dân số và giao thông vận tải, đồng thời đặt ra yêu cầu cấp thiết về nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường. Trong bối cảnh đó, công nghệ chuyển hóa khí thiên nhiên thành nhiên liệu sạch (GTL) được xem là giải pháp chiến lược nhằm tận dụng nguồn khí đồng hành và khí thiên nhiên dồi dào tại Việt Nam, đặc biệt là các mỏ khí nhỏ, cận biên và xa bờ.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp nhiên liệu DO sạch từ khí tổng hợp sử dụng xúc tác trên cơ sở coban mang trên vật liệu monolith và foam. Mục tiêu chính là xây dựng quy trình tổng hợp xúc tác, khảo sát các tính chất lý-hóa của xúc tác và đánh giá ảnh hưởng của vật liệu cấu trúc đến hiệu quả tổng hợp nhiên liệu cũng như độ bền của xúc tác. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM và Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Chế biến Dầu khí, với điều kiện phản ứng ở nhiệt độ 250°C, áp suất 20 bar và GHSV 3600 mL.

Việc ứng dụng vật liệu monolith và foam nhằm cải thiện hiệu quả truyền nhiệt, truyền khối và giảm kích thước thiết bị phản ứng, phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ GTL tích hợp trên các hệ thống khai thác ngoài khơi. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất nhiên liệu sạch, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao giá trị kinh tế từ nguồn khí thiên nhiên tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về xúc tác tổng hợp Fischer-Tropsch (F-T) và ứng dụng vật liệu có cấu trúc trong xúc tác hóa học. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết xúc tác Fischer-Tropsch: Quá trình chuyển hóa khí tổng hợp (CO và H2) thành các hydrocarbon mạch dài, trong đó xúc tác coban (Co) và sắt (Fe) là các kim loại chuyển tiếp phổ biến. Phản ứng F-T được thực hiện ở nhiệt độ thấp (200-275°C) và áp suất trung bình (10-20 bar) nhằm tối ưu hóa hiệu suất chuyển hóa CO và chọn lọc sản phẩm lỏng C5+.

2. Lý thuyết vật liệu có cấu trúc (Monolith và Foam): Vật liệu monolith gồm các kênh song song với bề mặt phủ xúc tác, có ưu điểm về truyền nhiệt, truyền khối và giảm trở lực dòng chảy. Foam kim loại có cấu trúc đa bào, nhẹ và có khả năng chịu nhiệt tốt, giúp tăng diện tích bề mặt xúc tác và cải thiện hiệu quả phản ứng.

Các khái niệm chính bao gồm: diện tích bề mặt riêng BET, phân tích pha XRD, quá trình khử theo chương trình nhiệt độ H2-TPR, hiệu suất chuyển hóa CO, độ chọn lọc sản phẩm C5+, và độ bền hoạt tính xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp xúc tác Fe-Co/γ-Al2O3 biến tính với Re, phủ lên vật liệu monolith ceramic và foam kim loại (đồng, nhôm). Cỡ mẫu xúc tác được chuẩn bị theo quy trình ngâm tẩm đồng thời, sấy và nung ở nhiệt độ cao. Các xúc tác được khảo sát ở điều kiện phản ứng 250°C, áp suất 20 bar, GHSV 3600 mL.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Đặc trưng vật lý và hóa học: XRD để xác định pha, BET để đo diện tích bề mặt riêng, H2-TPR để đánh giá khả năng khử của xúc tác.
• Đánh giá hiệu quả xúc tác: Thí nghiệm tổng hợp F-T trong thiết bị phản ứng áp suất cao, đo độ chuyển hóa CO, độ chọn lọc sản phẩm C5+ và khí phụ.
• Đánh giá độ bền xúc tác: Thử nghiệm liên tục trong 24 giờ để quan sát sự ổn định hoạt tính.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2022 đến tháng 5/2023, bao gồm các giai đoạn tổng hợp xúc tác, biến tính, phủ xúc tác lên vật liệu cấu trúc, thí nghiệm phản ứng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của biến tính Re trên xúc tác Fe-Co/Al2O3: Sự có mặt của Re làm tăng đáng kể hiệu suất chuyển hóa CO và sản lượng C5+. Cụ thể, với xúc tác biến tính Re, độ chuyển hóa CO tăng 49% và hiệu suất C5+ tăng 50% so với xúc tác không biến tính.

2. Hiệu quả của vật liệu cấu trúc monolith và foam: Việc phủ xúc tác lên monolith ceramic và foam kim loại đã cải thiện hiệu quả xúc tác thêm 23% về cả chuyển hóa CO và sản lượng C5+ so với xúc tác dạng bột truyền thống.

3. Độ bền hoạt tính xúc tác: Tất cả các xúc tác được khảo sát đều duy trì hoạt tính ổn định trong 24 giờ liên tục, cho thấy tính bền vững của hệ xúc tác biến tính và vật liệu cấu trúc trong điều kiện phản ứng.

4. Phân tích đặc trưng xúc tác: Kết quả BET cho thấy diện tích bề mặt riêng của xúc tác phủ trên monolith và foam đạt mức phù hợp để tăng diện tích tiếp xúc phản ứng. Phổ XRD xác nhận sự tồn tại của các pha Co và Fe ổn định, trong khi H2-TPR cho thấy khả năng khử tốt hơn khi có Re.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do Re làm tăng khả năng khử và phân tán kim loại hoạt động trên bề mặt xúc tác, từ đó tăng số lượng vị trí hoạt động cho phản ứng F-T. Vật liệu monolith và foam với cấu trúc kênh mở giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt và truyền khối, giảm hiện tượng nóng cục bộ và nghẽn dòng, đồng thời tăng diện tích bề mặt xúc tác tiếp xúc với khí tổng hợp.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với xu hướng ứng dụng vật liệu cấu trúc trong xúc tác F-T nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền. Việc duy trì hoạt tính trong 24 giờ cho thấy xúc tác có khả năng chống tạo cốc và ổn định trong điều kiện vận hành thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ chuyển hóa CO và hiệu suất C5+ giữa các hệ xúc tác dạng bột, biến tính Re và phủ trên monolith/foam, cũng như bảng phân tích đặc trưng BET, XRD và H2-TPR.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển xúc tác biến tính Re trên vật liệu cấu trúc: Tiếp tục tối ưu hàm lượng Re trong khoảng 0,3-0,5% để cân bằng chi phí và hiệu suất, nhằm nâng cao hiệu quả chuyển hóa CO và sản lượng nhiên liệu lỏng.

2. Ứng dụng vật liệu monolith và foam trong thiết kế thiết bị phản ứng: Khuyến khích sử dụng monolith ceramic và foam kim loại trong các lò phản ứng F-T quy mô pilot và công nghiệp để tận dụng ưu điểm truyền nhiệt và truyền khối, giảm kích thước thiết bị và chi phí đầu tư.

3. Nghiên cứu mở rộng về độ bền xúc tác: Thực hiện các thử nghiệm dài hạn trên 100 giờ để đánh giá khả năng chống tạo cốc và suy giảm hoạt tính, từ đó đề xuất các biện pháp tái sinh xúc tác phù hợp.

4. Tích hợp công nghệ GTL với hệ thống khai thác ngoài khơi: Phát triển các module xúc tác nhỏ gọn, dễ dàng thay thế và bảo trì, phù hợp với điều kiện vận hành trên các FPSO và các mỏ khí nhỏ, cận biên.

Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 2-3 năm tới, phối hợp giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp trong ngành dầu khí để thúc đẩy ứng dụng thực tiễn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu về xúc tác tổng hợp nhiên liệu sạch, vật liệu cấu trúc và công nghệ GTL, giúp mở rộng kiến thức và ứng dụng thực nghiệm.

2. Chuyên gia phát triển công nghệ dầu khí: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thiết kế xúc tác và thiết bị phản ứng, nâng cao hiệu quả sản xuất nhiên liệu sạch từ khí thiên nhiên.

3. Doanh nghiệp sản xuất nhiên liệu sạch: Tận dụng công nghệ xúc tác biến tính và vật liệu monolith/foam để phát triển các nhà máy GTL quy mô nhỏ và vừa, phù hợp với nguồn khí cận biên và xa bờ.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Tham khảo để xây dựng chiến lược phát triển nhiên liệu sạch, thúc đẩy chuyển đổi năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn xúc tác Co-Fe biến tính Re cho tổng hợp F-T?
   Xúc tác Co-Fe kết hợp ưu điểm hoạt tính cao của Co và chi phí thấp của Fe, trong khi Re làm tăng khả năng khử và phân tán kim loại, cải thiện hiệu suất chuyển hóa CO và sản lượng nhiên liệu lỏng.

2. Vật liệu monolith và foam có ưu điểm gì so với xúc tác dạng viên?
   Monolith và foam có cấu trúc kênh mở giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt, truyền khối, giảm trở lực dòng chảy và hạn chế hiện tượng nóng cục bộ, từ đó nâng cao hiệu quả phản ứng và độ bền xúc tác.

3. Điều kiện phản ứng tối ưu cho quá trình tổng hợp F-T trong nghiên cứu là gì?
   Nhiệt độ 250°C, áp suất 20 bar và GHSV 3600 mL được xác định là điều kiện phù hợp để đạt hiệu suất chuyển hóa CO và sản lượng C5+ cao, đồng thời đảm bảo độ bền xúc tác.

4. Hiệu suất xúc tác có ổn định trong thời gian dài không?
   Các xúc tác biến tính và phủ trên vật liệu cấu trúc duy trì hoạt tính ổn định trong 24 giờ liên tục, cho thấy khả năng chống tạo cốc và suy giảm hoạt tính tốt.

5. Nghiên cứu này có thể ứng dụng vào quy mô công nghiệp như thế nào?
   Kết quả nghiên cứu hỗ trợ phát triển xúc tác và thiết bị phản ứng nhỏ gọn, phù hợp với các nhà máy GTL quy mô pilot và công nghiệp, đặc biệt là tích hợp trên các hệ thống khai thác ngoài khơi như FPSO.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp xúc tác Fe-Co/γ-Al2O3 biến tính Re và phủ lên vật liệu monolith ceramic, foam đồng và nhôm.
• Sự biến tính bằng Re làm tăng 49% độ chuyển hóa CO và 50% hiệu suất sản phẩm C5+ so với xúc tác không biến tính.
• Vật liệu cấu trúc monolith và foam cải thiện thêm 23% hiệu quả xúc tác so với xúc tác dạng bột truyền thống.
• Tất cả xúc tác khảo sát duy trì hoạt tính ổn định trong 24 giờ, chứng minh độ bền cao và khả năng ứng dụng thực tế.
• Đề xuất phát triển xúc tác biến tính và ứng dụng vật liệu cấu trúc trong thiết kế thiết bị phản ứng GTL quy mô nhỏ gọn, phù hợp với khai thác khí cận biên và xa bờ.

Mở rộng thử nghiệm độ bền xúc tác dài hạn, tối ưu hóa hàm lượng Re và thiết kế module xúc tác cho ứng dụng công nghiệp.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng sạch nên hợp tác để phát triển và ứng dụng công nghệ xúc tác cải tiến này, góp phần thúc đẩy sản xuất nhiên liệu sạch và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Tiềm năng khí thiên nhiên của Việt Nam Việt Nam bắt đầu khai thác khí thiên nhiên từ năm 1981 (mỏ khí Tiền Hải C – Thái Bình) và khai thác dầu cùng với khí đồng hành từ năm 1986 (tại mỏ Bạch Hổ ở thềm lục địa phía Nam). Sau khi Luật Đầu tư nước ngoài tại Việt Nam được ban hành vào năm 1987, công tác tìm kiếm, thăm dò dầu khí được triển khai mạnh mẽ tại các bể trầm tích ở Việt Nam. Nhiều nhà thầu nước ngoài đã tìm thấy các phát hiện dầu – khí như Total ở vịnh Bắc Bộ, Shell ở biển Miền Trung, … Tiềm năng về khí thiên nhiên nói chung và khí đồng hành nói riêng ngày càng được chứng minh đã đặt ra cho ngành Dầu khí Việt Nam nói riêng và cả hệ thống nói chung nhiệm vụ mới là khai thác và sử dụng hiệu quả tài nguyên khí để phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế của đất nước. Trước năm 1995, khí đồng hành khai thác cùng với dầu bị đốt bỏ trong một thời gian dài gây hậu quá không nhỏ về môi trường cũng như lãng phí nguồn tài nguyên lớn của quốc gia.

Việc khai thác và sử dụng khí đặc biệt là khí đồng hành đòi hỏi phải đầu tư tổng thể từ việc thu gom, hạ tầng kỹ thuật để vận chuyển khí đến thị trường tiêu thụ khí. Hơn nữa, hoạt động thu gom, xử lý và vận chuyển khí đòi hỏi phải có hệ thống liên kết chặt chẽ giữa các khâu từ giai đoạn phát triển khai thác khí đồng hành đến thu gom xử lý và vận chuyển khí đến hộ tiêu thụ. Ngoài các vấn đề về công nghệ, kỹ thuật thì giá khí và các điều khoản tài chính (thuế tài nguyên, thu hồi chi phí, tỷ lệ chia khí lãi,…) là các yếu tố quan trọng để khuyến khích nhà thầu thu gom và giảm thiểu đốt bỏ khí đồng hành. Cùng với việc đẩy mạnh công tác tìm kiếm thăm dò khai thác và đầu tư xây dựng các hệ thống đường ống dẫn khí, hoạt động phát triển khai thác và thu gom khí đồng hành ở Việt Nam từ năm 1995 đến nay đã phát triển nhanh chóng.

Trong số 27 mỏ dầu đang khai thác có 18 mỏ dầu (66,67%) đã thực hiện thu gom khí đồng hành và 09 mỏ dầu chưa thực hiện thu gom khí đồng hành (33,33%). Như vậy có thể thấy Việt Nam còn nhiều tiềm năng trong việc thu gom khí đồng hành và nếu không tận dụng hiệu quả nguồn khí đồng hành này thì vừa lãng phí tài nguyên quốc gia và vừa gây ô nhiễm môi trường do khí CH4 là một trong những tác nhân gây biến đổi khí hậu lớn. Ngoài nguồn khí đồng hành, các mỏ nhỏ, cận biên và xa bờ (gọi tắt là mỏ cận biên) là các mỏ có tiềm năng dầu khí nhưng chưa được thu gom vì gặp phải những khó khăn về Trang 3 kinh tế - kỹ thuật khi khai thác. Đối với các mỏ nhỏ và xa bờ, việc áp dụng công nghệ thu gom bằng đường ống truyền thống gặp nhiều khó khăn khi thi công và thường không đạt hiệu quả khi sử dụng.

Tại Việt Nam, đa số các mỏ khí đều là mỏ nhỏ có trữ lượng < 1 tcf nằm trong phạm vi dưới 500 km từ bờ biển. Các mỏ này nằm tập trung tại các khu bể trầm tích Cửu Long, Nam Côn Sơn, Malay – Thổ Chu và Sông Hồng. Đây được đánh giá là nguồn cung khí bổ sung quan trọng khi nhu cầu sử dụng khí thiên nhiên trong nước tăng cao. Do đó việc phát triển và áp dụng các công nghệ mới để sử dụng hiệu quả các nguồn khí từ các mỏ cận biên có vai trò quyết định đến việc phát triển được các nguồn dầu khí này.

Như vậy, với nguồn khí dồi dào, vấn đề chuyển hóa khí thiên nhiên thành khí tổng hợp không chỉ là để đáp ứng các mục tiêu dài hạn mà Việt Nam đã đề ra, còn phù hợp với xu thế của thế giới, biến đổi khí thiên nhiên thành các nguồn thương phẩm có giá trị cao hơn thông qua khí tổng hợp.2 Nhu cầu sử dụng nhiên liệu và xu hướng phát triển nhiên liệu sạch tại Việt Nam − Nhu cầu và xu hướng sử dụng nhiên liệu DO tại Việt Nam Nhu cầu DO trong nước đạt 9,3 triệu tấn vào năm 2020. Nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu DO được thể hiện trong Hình 1. 18 16 14 12 Triệu tấn 10 8 6 4 2 0 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035 2036 2037 2038 2039 2040 Hình 1. Nhu cầu tiêu thụ DO giai đoạn 2015-2040 Nguồn: Số liệu hải quan, 2021 Trang 4 Dự báo nhu cầu tiêu thụ DO tại Việt Nam trong những năm tới tiếp tục có sự tăng trưởng ở mức gấp đôi so với hiện tại.

Nhu cầu DO được dự báo dựa theo giả định về phát triển dân số, giao thông vận tải và tốc độ phát triển ngành công nghiệp có xét đến xu hướng chuyển dịch năng lượng. Dự báo nhu cầu DO sẽ đạt khoảng 11 triệu tấn vào năm 2025 (tăng 3,1%/năm), sau đó tiếp tục tăng nhưng với tốc độ chậm hơn giai đoạn trước. Về tác động của chuyển dịch năng lượng toàn cầu, tốc độ chuyển dịch của DO đến từ thay thế bởi xe pin nhiên liệu chậm hơn so với xăng khoảng 5-10 năm. Trong giai đoạn tới, nhu cầu DO bị thay thế chủ yếu đến từ thay thế một phần bởi CNG và các cải thiện công nghệ, biện pháp sử dụng tiết kiệm và hiệu quả nhiên liệu.

Xét về cơ cấu nhu cầu theo lĩnh vực, 77% DO trong nước tiêu thụ cho GTVT, 15% cho công nghiệp – chủ yếu phục vụ cho phát điện và phần còn lại cho dân dụng/thương mại. − Nguồn cung Hiện tại nguồn cung DO trong nước khoảng 6,6 triệu tấn/năm đáp ứng khoảng 60% đến 65% nhu cầu trong nước, trong đó nguồn cung trong nước được sản xuất tại NMLD Dung Quất (52%) và LHLHD Nghi Sơn (48%). Phần nhu cầu thiếu hụt được đáp ứng bằng nguồn nhập khẩu. Năm 2020, DO chủ yếu được nhập khẩu từ Malaysia 39%, Hàn Quốc 27%, Thái Lan 16%, Singapore 15%, phần còn lại là các nước khác.

Ngoài ra, trong lĩnh vực dầu khí, hiện nay các mỏ khí nhỏ, khí cận biên đang gặp vấn đề trong việc thu gom. Để sử dụng hiệu quả các nguồn khí mỏ nhỏ, cận biên, cách xa thị trường tiêu thụ, một số công nghệ thu gom không đường ống đã và đang được phát triển, ứng dụng để thu gom các nguồn khí này như công nghệ nén khí ngoài khơi (Floating compressed natural gas, FCNG), công nghệ hóa lỏng khí ngoài khơi (Floating liquefied natural gas, FLNG), công nghệ chuyển hóa khí thành nhiên liệu lỏng ngoài khơi (Floating Gas to Liquid, FGTL). Trong đó, công nghệ FGTL đang được nghiên cứu phát triển mạnh do có khả năng tạo ra các sản phẩm nhiên liệu sạch và các hóa chất có giá trị gia tăng cao như Methanol. Công nghệ GTL nổi (FGTL) về bản chất quá trình không khác gì so với công nghệ chuyển hóa khí thành nhiên liệu lỏng (GTL – Gas to Liquid).

Mục đích cuối cùng của cả hai quá trình là chuyển hóa khí thiên nhiên thành các sản phẩm lỏng có giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên, công nghệ FGTL đặt mục tiêu hướng Trang 5 đến việc chuyển hóa hiệu quả nguồn khí thiên nhiên tại các mỏ khí nhỏ, xa bờ thành các sản phẩm lỏng vừa có giá trị cao vừa có khả năng vận chuyển bằng các phương pháp truyền thống như tàu, đường ống. Có hai hướng chuyển hóa công nghệ chính bao gồm: (i) Chuyển hóa khí thành các loại nhiên liệu lỏng (GTL); (ii) Chuyển hóa khí thành hóa chất cơ bản (GTC). Công nghệ GTL cơ bản gồm ba quá trình chính: sản xuất khí tổng hợp, chuyển hóa khí tổng hợp thành sản phẩm lỏng, nâng cấp – phân tách hỗn hợp sản phẩm lỏng.

Quy trình công nghệ sơ bộ được thể hiện trong Hình 1. Các quá trình của công nghệ GTL cơ bản Tuy nhiên, để có thể tích hợp được công nghệ GTL với các tàu khai thác, chứa, xuất dầu ngoài khơi thì cần phải có sự đột phá về công nghệ và xúc tác do công nghệ GTL truyền thống chỉ hiệu quả với công suất lớn và kèm theo đó là diện tích mặt bằng lớn, vì vậy, không phù hợp để tích hợp với các phương tiện khai thác, lưu trữ và xuất dầu ngoài khơi (FPSO). Do đó, cần có sự cải tiến cả về công nghệ lẫn xúc tác để có thể tích hợp với FPSO, trong đó, xúc tác cần có hoạt tính và độ bền cao để có thể giảm kích thước các thiết bị phản ứng và các thiết bị phản ứng cần có kích thước nhỏ, có khả năng lắp ráp dưới dạng module để dễ dàng thay đổi công suất phù hợp với nhu cầu khai thác của từng đối tượng khác nhau.3 Công nghệ chuyển hóa khí thiên nhiên thành nhiên liệu sạch và các vấn đề cần giải quyết Công nghệ chuyển hóa khí thiên nhiên thành nhiên liệu sạch (GTL) truyền thống còn một số nhược điểm liên quan đến công nghệ và xúc tác như sau: Trang 6 − Về công nghệ: Công nghệ GTL truyền thống chỉ hiệu quả với công suất lớn và yêu cầu diện tích mặt bằng lớn để bố trí và lắp đặt. Do đó, việc tích hợp với các phương tiện khai thác, lưu trữ và xuất dầu ngoài khơi cần có chi phí đầu tư và vận hành lớn.

− Về xúc tác: Trạng thái pha vật lý trong thiết bị phản ứng F-T là rất phức tạp, bao gồm: pha khí (khí nguyên liệu, khí sản phẩm), pha lỏng (các hydrocarbon lỏng), nước và pha rắn (xúc tác). Do đó, để tăng hiệu quả vượt trội cho FTS, các quá trình truyền nhiệt và truyền khối cũng cần phải được xem xét: o Ví dụ, trong thiết bị phản ứng tầng xúc tác cố định, sự hạn chế về mặt khuếch tán gây ra sự điền đầy lỗ xốp xúc tác của các sản phẩm lỏng sau phản ứng. Điều này ngăn cản khả năng hấp phụ của CO lên các tâm kim loại hoạt động. Do đó, gây ra ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình tổng hợp F-T.

Để khắc phục các nhược điểm về truyền nhiệt và truyền khối, thiết bị phản ứng dạng slurry đã được ứng dụng. Tuy nhiên, việc tách sản phẩm dạng sáp từ FTS ra khỏi xúc tác và khả năng rửa trôi xúc tác kim loại vào dung dịch là những vấn đề phát sinh khi sử dụng thiết bị phản ứng dạng slurry. o Ngày nay, việc sử dụng vật liệu có cấu trúc cho các phản ứng hóa học đang ngày càng trở nên phổ biến.