VINACHEM

Thiết bị reforming metan bằng hơi nước là một trong những thiết bị tiêu thụ nhiều năng lượng nhất trong công nghiệp hóa chất ngày nay. Trong quá trình vận hành, lò phản ứng của thiết bị được gia nhiệt bằng các buồng đốt khí thiên nhiên bao quanh với nhiệt độ lên tới 900^oC, tạo thành khí tổng hợp từ nguyên liệu ban đầu là metan và hơi nước. Đồng thời, quá trình đốt khí thiên nhiên và phản ứng tiếp theo của CO với hơi nước cũng giải phóng những lượng lớn CO₂. Nhìn chung, quá trình reforming metan tạo ra khoảng 3% trong tổng lượng phát thải CO₂trên toàn cầu.

Với mục tiêu giảm lượng phát thải CO₂ khổng lồ này, các nhà nghiên cứu tại Công ty Haldor Topsoe đã phát triển thiết bị reforming thay thế, sử dụng điện năng để gia nhiệt thay cho khí thiên nhiên. Các nhà nghiên cứu ước tính, nếu tất cả các thiết bị reforming trên thế giới được thay thế bằng kiểu thiết bị gia nhiệt nhờ điện năng này và sử dụng nguồn điện tái sinh thì có thể giảm 1% lượng phát thải CO2 trên toàn cầu.

Các thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm cũng cho thấy, thiết bị reforming bằng điện năng có thể đạt sản lượng H₂ tương đương thiết bị reforming đốt khí thiên nhiên với thể tích lớn gấp 100 lần. Vì vậy, thiết bị reforming kiểu mới sẽ nhỏ gọn hơn rất nhiều và chi phí chế tạo thấp hơn nhiều so với các thiết bị kiểu truyền thống. Đây có thể là giải pháp giúp công nghiệp hóa dầu phát triển theo xu hướng bền vững hơn mà không cần tăng chi phí sản xuất, vừa đạt hiệu quả kinh tế cao vừa có lợi cho môi trường.

Reforming metan là quá trình tạo ra khoảng một nửa trong tổng sản lượng 60 triệu tấn H2/năm trên thế giới, cung cấp cho các quá trình tinh chế dầu mỏ và sản xuất amoniăc, metanol. Thiết bị reforming kiểu truyền thống thường có 100 lò phản ứng, mỗi lò dài hơn 10 m và được nạp chất xúc tác niken. Thiết bị này thải ra 6,6-9,3 tấn CO₂ đối với mỗi tấn H₂ được sản xuất, trong đó 17-41% lượng CO₂ được tạo thành từ quá trình đốt nhiên liệu.

Có thể nói, các quá trình reforming truyền thống có hiệu quả năng lượng rất thấp. Độ dẫn nhiệt thấp của các ống phản ứng và chất xúc tác khiến cho nhiệt độ giảm mạnh về phía tâm ống phản ứng, làm cho quá trình phản ứng chậm lại và tạo thành những lượng lớn sản phẩm phụ CO₂. Gradien nhiệt độ theo chiều ngang của ống phản ứng cũng có thể gây ra ứng suất nhiệt, làm giảm tuổi thọ của thiết bị phản ứng.

Trái lại, phương pháp gia nhiệt bằng điện năng giữ cho nhiệt độ duy trì tương đối đồng đều theo chiều ngang của ống phản ứng. Nguyên mẫu thiết bị reforming kiểu mới sử dụng các ống bằng hợp kim sắt-crôm-nhôm dài 0,5 m và rộng 6 mm, với lớp phủ bên trong dày 130 nm có thành phần là zircon xốp pha niken. Dòng điện xoay chiều đi qua sẽ gia nhiệt ống lên 800^oC, sử dụng phương pháp gia nhiệt điện trở tương tự như bóng đèn sợi đốt. Khi được nạp hỗn hợp metan, nước và một lượng nhỏ H₂, thiết bị này sản xuất khí tổng hợp với sản lượng gần 1 m3 /giờ.

Kết quả khảo sát cho thấy, khoảng 20% vị trí hoạt tính của xúc tác niken trong thiết bị mới đã tham gia phản ứng reforming, cao hơn nhiều so với 3-5% ở thiết bị kiểu truyền thống. Thiết bị kiểu mới cũng sử dụng ít niken hơn nhiều và giảm các phản ứng phụ tạo thành CO₂ so với thiết bị reforming gia nhiệt bằng khí đốt có công suất tương đương.

Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, nếu hệ thống của họ được nâng cấp thì một thiết bị 5 m³ có thể đạt sản lượng H2 tương đương thiết bị reforming metan truyền thống với thể tích 1.100 m3. Tiềm năng tiết kiệm chi phí khi chế tạo những thiết bị reforming với kích thước nhỏ hơn nhiều có thể khiến cho những thiết bị này tạo ra những bước đột phá lớn. Đây có thể là một đổi mới quyết định trong công nghiệp hóa dầu.

Công trình nghiên cứu trên là một phần của xu hướng mới đang nổi lên - xu hướng sử dụng điện năng cho các quá trình khác nhau trong sản xuất hóa dầu. Ví dụ, Công ty BASF đã cam kết sẽ thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng điện năng tái sinh ở một số hệ thống gia nhiệt phản ứng của mình nhằm cắt giảm phát thải CO₂.

Các nhà nghiên cứu ước tính, chi phí của các quá trình sản xuất sử dụng điện năng có thể ngang bằng chi phí của các quá trình truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch, nếu giá điện giảm xuống dưới 4 cent/kWh - đây là mức giá mà các thiết bị phong điện bên bờ biển ở một số quốc gia đã đạt được.

Theo Công ty Haldor Topsoe, nếu giá điện phù hợp thì thiết bị reforming mới của họ sẽ sản xuất H₂ với chi phí thấp hơn thiết bị kiểu truyền thống. Hiện nay, nhiều khách hàng đã thể hiện mối quan tâm đối với thiết bị mới này - một giải pháp hướng đến sản xuất hóa chất bền vững hơn trong tương lai.

LH

Theo Chemical & Engineering News, 7/2019