MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Thế giới càng phát triển thì nhu cầu năng lượng càng tăng cao,chủ yếu dựa vào nguồn nhiên liệu hóa thạch này, tuy nhiên nguồn nhiên liệu này ngày càng cạn kiệt, làm cho giá thành ngày càng tăng. Ngoài ra, việc sử dụng nguồn nhiên liệu này gây ra hiệu ứng nhà kính, hậu quả dẫn đến nhiệt độ trái đất ngày càng nóng lên, nước biển dâng cao, hạn hán, lũ lụt… Tất cả những mối nguy hại đó tác động trực tiếp đến môi trường sống của chính con người.1: Mối quan hệ giữa mức độ tiêu thụ năng lượng và khí thải CO2(Nguồn: U. Energy Information Administration, International Energy Outlook 2016) Để giảm thiểu tác động môi trường, các nhà khoa học đã và đang tìm ra những nguồn năng lượng thay thế khác như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều, năng lượng địa nhiệt.
Thế nhưng có một giải pháp tuy không tạo ra năng lượng nhưng cũng không kém phần hiệu quả, đó là nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu suất sử dụngcác nguồn năng lượng hiện có trong các nhà máy công nghiệp. Ngành chế biến dầu khí là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn của nước ta.Dầu khí không chỉ mang lại nguồn ngoại tệ lớn cho quốc gia mà còn là nguồn năng lượng quan trọng nhất hiện nay cho sự phát triển kinh tế. Tính đến năm 2010, Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam (PVN) đã cung cấp gần 35 tỷ m3 khí khô cho sản xuất, 40% sản lượng điện của toàn quốc, 35 – 40% nhu cầu Urea và cung cấp 70% nhu cầu khí hóa lỏng cho phát triển công nghiệp và tiêu dùng dân sinh (theo báo công 1 thương). Song song với đó, mức độ tiêu thụ năng lượng của ngành dầu khí cũng chiếm tỷ trọng rất cao trong tổng công suất tiêu thụ năng lượng trong các ngành công nghiệp.Mặc khác, mức độ tiêu hao năng lượng trên bình quân 1 đơn vị sản phẩm của Việt Nam cao gấp 5 – 6 lần so với các nước trong khu vực và trên thế giới.
Do đó, tiết kiệm năng lượng là ưu tiên hàng đầu trong chiến lược phát triển năng lượng quốc gia. Tiết kiệm năng lượng trong ngành dầu khí đã được đặt ra và thực hiện hiệu quả trong những năm vừa qua.Điển hình là nhà máy Đạm Phú Mỹ đã được áp dụng những biện pháp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng ngay cả trong thiết kế và vận hành. Các phân xưởng công nghệ trong nhà máy do những tập đoàn khác nhau thiết kế, mặc dù đã tối ưu nhưng đó chỉ là tối ưu cục bộ. Kết quả của việc tối ưu cục bộ là tồn tại những phần năng lượng không được thu hồi, dẫn đến nhu cầu năng lượng của nhà máy tăng lên.
Mặc khác, trong tình hình giá cả nhiên liệu ngày một leo thang, kéo theo giá thành sản phẩm tăng cao. Từ đó cho thấy, việc đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của mạng lưới nhiệt trong nhà máy Đạm Phú Mỹđược đặt ra như một nhu cầu tất yếu. Để đánh giá mạng nhiệt của nhà máy Đạm Phú Mỹ, “Kỹ thuật phân tích Pinch” là một phương pháp phân tích rất hiệu quả và dễ dàng sử dụng.Nó cho phép xác định nguyên nhân sử dụng năng lượng không hiệu quả cũng như đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng nhiệt của nhà máy. Mục đích của đề tài Áp dụng kỹ thuật phân tích Pinch để đánh giá toàn diện nhu cầu năng lượng và mạng lưới nhiệt nhằm xác định những lỗi trong thiết kế.Từ đó, đưa ra những giải pháp cải thiện mạng nhiệt của nhà máy nhằm giảm thiểu nhu cầu sử dụng năng lượng, góp phần giảm giá thành sản phẩm và hưởng ứng chương trình quốc gia về tiết kiệm năng lượng của chính phủ, đề tài này mong muốn được ứng dụng vào thực tế tại nhà máy.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là mạng lưới nhiệt của nhà máy Đạm Phú Mỹ, cụ thể là cụm phân xưởng Ammoniac và cụm phân xưởng Urea. Ý nghĩa khoa học và nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học của đề tài:Chứng minh hiệu quả việc sử dụng kỹ thuật phân tích Pinch trong vi mô lớn. Qua đó góp phần tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm lượng khí thải CO2 và tiết kiệm tài nguyên. Nội dung nghiên cứu của đề tài : + Trích xuất dữ liệu từ bản vẽ thiết kế của nhà máy + Xây dựng mạng lưới nhiệt thực tế + Kiểm tra mạng lưới nhiệt + Đề xuất các giải pháp + Tính toán kinh tế cho từng giải pháp 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NHÀ MÁY 2.
Giới thiệu nhà máy Hình 2.1: Hình ảnh tổng quan nhà máy Đạm Phú Mỹ Nhà máy Đạm Phú Mỹ, tọa lạc tại khu công nghiệp Phú Mỹ 1, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, là đơn vị thành viên của Tổng công ty Phân bón và Hóa chất Dầu khí (PVFCCo). Nhà máy được khởi công xây dựng vào tháng 3 năm 2001 và được hoàn thành vào tháng 9 năm 2004 với công suất thiết kế là 740000 tấn Urea/năm. Nhà máy có vị trí địa lý chiến lược, nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam, nằm gần nguồn cung cấp nguyên liệu khí thiên nhiên từ bồn trũng Nam Côn Sơn hoặc bể Cửu Long ngoài khơi tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Hơn nữa, nhà máy vừa gần cụm cảng sông lớn nhất Việt Nam, vừa gần trục hệ thống đường bộ nên vô cùng thuận tiện cho việc vận chuyển nguyên liệu đến nhà máy cũng như phân phối sản phẩm đi khắp các thị trường tiêu thụ trên cả nước.
Nhà máy sử dụng công nghệ tổng hợp Ammoniac của hãng Haldor Topsoe (Đan Mạch), công nghệ tổng hợp Urea của hãng Snamprogetti (Ý) và công nghệ thu hồi CO2 từ khí thải của hãng Mitsubishi (NhậtBản). Đây là các công nghệ hàng đầu trên thế giới với dây chuyền khép kín, với đầu vào là khí thiên nhiên (từ mỏ Bạch Hổ và Nam Côn Sơn được cung cấp bởi nhà máy chế biến khí Dinh Cố), không khí và sản phẩm là Ammoniac và đạm Urea. Chu trình công nghệ khép kín cùng với việc tự tạo điện năng và hơi nước giúp nhà máy hoàn toàn chủ động trong sản xuất kể cả khi lưới điện quốc gia có sự cố hoặc không đủ điện cung cấp. Sơ đồ khối công nghệ nhà máy Đạm Phú Mỹ Hiện nay, đạm Urea của Phú Mỹ cung cấp khoảng 40% nhu cầu thị trường trong nước, đóng vai trò quan trọng trong việc tự chủ nguồn phân bón đối với một đất nước nông nghiệp như Việt Nam.
Nhà máy được xây dựng vừa giải quyết được vấn đề thiếu nguồn cung đạm trong nước, vừa sử dụng hiệu quả nguồn khí đồng hành (vốn phải đốt bỏ ở giàn khoan) và khí thiên nhiên ngày càng được phát hiện nhiều hơn. Công nghệ sản xuất Ammoniac Mục đích của phân xưởng Ammoniac là cung cấp NH3 và H2 cho phân xưởng Urea và sản xuất NH3 thương mại đưa vào bể chứa.3:Sơ đồ tổng thể về dây chuyền công nghệ của phân xưởng Ammoniac Thuyết minh: Dòng khí thiên nhiên NG, đầu tiên được xử lý lưu huỳnh ở cụm khử lưu huỳnh nhằm tránh gây ngộ độc xúc tác. Dòng khí công nghệ đi ra từ cụm Hydro hoá được đưa lần lượt vào 2 thiết bị reforming sơ cấp và thứ cấp, với mục đích là chuyển hoá các Hydrocarbon trong dòng khí thành khí CO2 và H2 với sự có mặt của hơi nước. Vì vẫn còn một lượng CO chưa chuyển hoá tạo thành CO2, do vậy, dòng khí tiếp tục đưa đến cụm chuyển hoá CO thành CO2, và được đưa đến cụm hấp thụ CO2bằng dung dịch MDEA (Methyl Diethanol Amine), CO2 được tách ra và đưa đi sản xuất Urea.
Dòng khí đi ra từ cụm tách CO2 vẫn còn chứa một lượng CO và CO2, do đó, được đưa vào công đoạn Methane hoá, thực chất, là các phản ứng ngược với các phản ứng của công đoạn reforming. Khí công nghệ được đưa đến cụm tổng hợp NH3, với độ chuyển hoá đạt khoảng 25%. NH3 được tách ra khỏi hỗn hợp khí sau phản ứng bằng quá trình làm lạnh tầng bậc, tách dần NH3 ra khỏi hỗn hợp. Ngoài ra, trong sơ đồ công nghệ của phân xưởng Ammoniac còn có 2 cụm: Thu hồi H2 và thu hồi NH3, và các cụm thu hồi nhiệt thừa để sản xuất hơi nước (steam), và gia nhiệt nguyên liệu Công đoạn khử lưu huỳnh Khí thiên nhiên nguyên liệu của xưởng chứa một lượng nhỏ lưu huỳnh tồn tại ở dạng hợp chất.
Trong quá trình phản ứng, nếu hàm lượng lưu huỳnh vượt cao hơn nồng độ cho phép sẽ gây các tác hại như ngộ độc xúc tác, ăn mòn, là chất độc hại. Vì vậy việc xử lý dòng khí thiên nhiên là rất cần thiết để đảm bảo cho các quá trình tổng hợp ở giai đoạn sau. Các hợp chất lưu huỳnh dưới dạng hữu cơ được chuyển hoá thành H2S bằng xúc tác hydro hoá. Sau đó H2S được hấp phụ bằng oxit kẽm.
Trong quá trình phản ứng, các olefin cũng bị hydro hóa thành hydrocacbon no, và nitơ dạng hữu cơ chuyển hoá thành NH3 và hydrocacbon no. - Hấp thụ H2S Khí tự nhiên sau khi hydro hóa lưu huỳnh được đưa vào các bình hấp thụ bằng kẽm oxit. Nhiệt độ vận hành bình thường là khoảng 400oC. Kẽm oxit phản ứng với hydro sulphide và cacbonyl sulphide trong những phản ứng thuận nghịch sau đây: ZnO + H2S ZnS + H2O (2.1) ZnO + COS ZnS + CO2 (2.2) Công đoạn Refeforming - Reforming sơ cấp Reforming sơ cấp có vai trò tạo ra H2 từ dòng khí thiên nhiên và hơi nước cho quy trình tổng hợp Ammoniac và các quy trình khác như quy trình khử lưu huỳnh hay quá trình khử xúc tác.
Quá trình reforming hơi nước có thể được diễn tả bởi các phản ứng sau đây: CnHm+ H2O Cn-1Hm-2 + CO + 2H2 – Q (2.5) Nhiệt cho phản ứng trong thiết bị reforming sơ cấp được cung cấp dưới dạng gián tiếp từ lò đốt. Hỗn hợp hơi nước và khí thiên nhiên, được gia nhiệt lên khoảng 535oC đi vào đỉnh của các ống thẳng đứng thông qua ống góp phân phối phía trên. Hỗn hợp khí đi ra khỏi ống ở nhiệt độ khoảng 783 oC và đi vào ống gom phía dưới. Phần nhiệt thải sẽ được tận dụng để gia nhiệt cho dòng nguyên liệu đi vào phản ứng cũng như sản suất hơi siêu cao áp.
- Reforming thứ cấp Dòng công nghệ ra khỏi refoming sơ cấp sẽ đi vào thiết bị reformer thứ cấp được nạp sẵn xúc tác. Trong khoảng không gian trống phía trên của reformer thứ cấp 7 người ta lắp béc đốt 10-J-2001, tại đó không khí trộn một phần vào khí công nghệ.
