Nhiên liệu dầu khí - Hoa Hữu Thu Phần 3 ppsx

Bước đầu tiên là chưng cất sơ cấp dầu thô sau khi đã loại hết các chất bẩn, muối và nước thành các phân đoạn đầu tiên gồm: xăng, xăng nhẹ, xăng nặng, dầu gazoin và dầu điezen, tiếp theo

gian hay naphten theo tỉ trọng của chúng và dầu thô được phân loại theo bản chất của phân đoạn chìa khóa theo bảng dưới đây:

Bảng 10

Phân loại dầu thô theo Lane và Garton

Loại dầu thô

Tỉ trọng 15,5/15,5 °C

của phân đoạn chìa khóa 1

Tỉ trọng 15,5/15,5 °C của

phân đoạn chìa khóa 2

Parafin ≤ 0,8251 ≤ 0,8762

Parafin ÷ Trung gian nt 0,934 ÷ 0,8762

Parafin ÷ Naphten nt ≥ 0,934

Trung gian 0,8251 ÷ 0,8602 0,934 ÷ 0,8762

Trung gian ÷ Parafin nt ≤ 0,8762

Trung gian ÷ Naphten nt ≥ 0,934

Naphten ÷ Parafin nt ≤ 0,8762

Naphten ÷ Trung gian nt 0,934 ÷ 0,8762

Theo cách phân loại này, một dầu thô được gọi là không chứa sáp hay có chứa sáp tùy theo điểm đục của phân đoạn chìa khóa 2 thấp hơn hay cao hơn −15°C

Theo cách phân loại dầu thô như trên, có khoảng 85% dầu thô trên thế giới rơi vào 3 loại đơn giản là parafin, trung gian và naphten Các dầu thô parafin - naphten và trung gian - naphten không thấy tồn tại

Cách phân loại dầu thô của Lane và Garton là một cách đổi mới về phân loại dầu thô theo 4 nhóm mà trong nhiều trường hợp người ta thấy rằng một kiểu hiđrocacbon nào đó

có thể chiếm chủ yếu trong một phân đoạn này và nó cũng có thể chiếm chủ yếu trong một phân đoạn khác Vì thế những nghiên cứu chi tiết cần được xác định để phân loại dầu thô được chính xác hơn

Vì dầu thô được đo bằng thể tích, nên hệ số dãn nở nhiệt của chúng rất quan trọng Giá trị của đại lượng này bình thường tăng lên với sự giảm khối lượng riêng của dầu trên một khoảng từ 0,0007 ÷ 0,0010 khi nhiệt độ tăng 1°C Đối với các phân đoạn dầu thì sự thay đổi có rộng hơn như sau:

Phân đoạn dầu Sự thay đổi hệ số dãn nở nhiệt / °C

“Xăng” khối lượng riêng < 0,740

khối lượng riêng > 0,740

Dầu hoả 0,00072

Nhiên liệu điezen 0,00063

Độ nhớt của dầu mỏ thay đổi rất lớn, thậm chí với các dầu từ cùng một khu vực khai thác Độ nhớt tăng lên cùng với khối lượng riêng Cả hai đại lượng độ nhớt và khối lượng riêng càng cao nếu các parafin lỏng càng cao

Bảng 11

Giá trị nhiệt dung riêng của một số dầu thô tại các địa điểm khác

nhau Địa điểm Khối lượng riêng g/cm 3 Nhiệt dung riêng (cal/(C/g) Pensylvania 0,810 0,500

California 0,960 0,398

Người ta cũng nhận thấy rằng: các dầu có cùng khối lượng riêng nhưng độ nhớt thay đổi rất rộng Sự tăng nhiệt độ gây nên sự giảm rất nhanh độ nhớt và khi tăng một vài độ thông thường đã gây nên dầu có thể chảy tự do

Nhiệt dung riêng của dầu là đại lượng rất quan trọng vì nó cần thiết để đốt nóng các dầu nhiên liệu trước khi sử dụng Nhiệt dung riêng giảm đi gần như tỉ lệ với sự tăng khối lượng riêng Bảng 11 trình bày các giá trị này đối với các dầu thô khác nhau

2.2 Sản xuất nhiên liệu từ lọc dầu

Để nâng cao giá trị của dầu thô, thông thường dầu thô phải trải qua một số kiểu chưng cất, các quá trình chế biến và làm sạch lưu huỳnh trước khi đem bán ngoài thị trường Bước đầu tiên là chưng cất sơ cấp dầu thô sau khi đã loại hết các chất bẩn, muối và nước thành các phân đoạn đầu tiên gồm: xăng, xăng nhẹ, xăng nặng, dầu gazoin và dầu điezen, tiếp theo giai đoạn cất chân không người ta tách được dầu bôi trơn từ phần dầu madút Khoảng gần đúng của các phân đoạn này được trình bày trong hình 4

Bản thân dầu thô sau khi đã loại bỏ bùn, cát, nước lẫn trong đó cũng là một loại nhiên liệu Nhưng trong thực tế ít khi người ta dùng ngay dầu thô làm nhiên liệu mà thường tách dầu thô thành các phân đoạn hay các loại nhiên liệu thỏa mãn các yêu cầu kĩ thuật khác nhau Hình 4 ở trên là sơ đồ tách dầu thô thành các phân đoạn nhiên liệu khác nhau mà không làm thay đổi bản chất sẵn có của chúng trong tự nhiên

Việc tách phân đoạn dầu thô bằng cách chưng cất chọn lọc ở trên có thể nâng cao hiệu quả của nhiên liệu và thỏa mãn các yêu cầu phức tạp của các nhà công nghiệp sản xuất các loại động cơ xăng, động cơ điezen, động cơ phản lực khác nhau

Do đặc điểm của các loại dầu thô khác nhau dẫn đến công nghệ lọc - hóa dầu cũng khác nhau Bảng 12 trình bày những tính chất rất khác biệt giữa dầu parafin và dầu asphalt

Hình 4

Sơ đồ tách dầu thô thành các phân đoạn nhiên liệu khác nhau

Bảng 12

Các đặc trưng của dầu thô parafin và asphalt

Tính chất và hiệu suất Dầu thô parafin Dầu thô asphalt

Hàm lượng lưu huỳnh Thấp Cao

Điểm khói của phân đoạn dầu hỏa Cao Thấp Chỉ số xetan của dầu DO Cao Thấp Điểm sương của phân đoạn FO Cao Thấp Hiệu suất phân đoạn dầu bôi trơn Cao Thấp Chỉ số độ nhớt của dầu bôi trơn Cao Thấp Hiệu suất phần sáp Cao Thấp

Vì thế, với mục đích tách các phân đoạn dầu làm nhiên liệu sơ đồ chưng cất các loại dầu parafin và asphalt có thể được trình bày như sau:

- Đối với dầu parafin (trong sơ đồ này chữ viết tắt: n.l = nhiên liệu)

- Đối với dầu asphalt

Dầu parafin

Khí

(gas)

Sáp (wax) Dầu bôi trơn

(lubricating oil)

Dầu mazut, n.l lỏng nặng (được chưng cất trong chân không, fuel oil)

Dầu hỏa (kerosine)

Dầu gazoin, n.l

điezen (gas oil, diezel fuel)

Sáp và sản phẩm chưng cất

đã được chọn lọc (Wax and distilate, filtered)

Cặn A, n.l

(residue A fuel)

Xăng (gasoline)

Các distilat (distilate) )

Do giao thông ngày càng phát triển, nhu cầu về xăng và các loại nhiên liệu khác ngày càng tăng cả về số lượng lẫn chất lượng nên dầu thô được chế biến bằng nhiều phương pháp khác nhau để đáp ứng nhu cầu của thị trường như:

- Crackinh nhiệt: cung cấp xăng có chỉ số octan cao

- Crackinh xúc tác: cho xăng (xăng cracking) có chứa hàm lượng olefin thấp hơn so với crackinh nhiệt nhưng hàm lượng hiđrocacbon phân nhánh cao hơn và chỉ số octan có khi vượt quá 90

- Crackinh với hơi nước

- Hiđrocrackinh

- Refominh xúc tác: cho xăng (xăng refominh - refomat) có đặc tính thơm cao, chỉ

số octan cao

- Polime hoá xúc tác: cho xăng có chứa hiđrocacbon phân nhánh

- Ankyl hoá xúc tác: cho xăng có chứa hiđrocacbon phân nhánh (alkylat)

- Đồng phân hóa xúc tác: cho xăng có chứa hiđrocacbon phân nhánh (isomerat) Sau các quá trình trên, thông thường các sản phẩm dầu trước khi sử dụng cần phải trải qua giai đoạn làm sạch để loại hết các vết lưu huỳnh, nitơ và các chất bẩn khác Có nhiều cách làm sạch các sản phẩm dầu: rửa bằng các tác nhân axit (H2SO4) để loại các hiđrocacbon olefin, rửa bằng dung dịch đioxit chì trong NaOH để loại các hợp chất sunfua Ngày nay, người ta thường dùng các phương pháp hiđro hoá xúc tác, hiđro hóa làm sạch các sản phẩm dầu Tất cả các quá trình vừa nói ở trên được bố trí trong nhà máy lọc dầu (refinery) Sơ đồ công nghệ của nhà máy được trình bày trên hình 5

Dầu asphalt

Khí

(gas)

Dầu hỏa (kerosine)

Dầu gazoin, n.l

điezen (gas oil, diezel fuel)

N.l điezen (diezel fuel)

Dầu mazut, n.l lỏng nặng (được chưng cất trong chân không, fuel oil)

Xăng (gasoline)

Các distilat (distilate)

Dầu bôi trơn (crude lubricating oil) Bitum hay dầu n.l nặng (bitumen or

heavy fuel oil) Dầu bôi trơn tinh luyện

(refined lubricating oil)

Hình 5

Sơ đồ nhà máy lọc dầu Nghi Sơn - Thanh Hóa

2.3 Sản xuất nhiên liệu từ cát bitum (Bituminous Sands)

Dầu mỏ hay các sản phẩm tự nhiên tương tự được tìm thấy trong cát hay khoáng sét ở lớp tương đối gần của vỏ Trái Đất được gọi là cát bitum Có nơi cát bitum lộ thiên gồm dầu asphalt rất nhớt và nước trộn với cát, bùn và sét Tỉ lệ dầu/nước = 12÷16 / 3÷15 tính theo phần trăm

Việc tách dầu ra khỏi hỗn hợp cát, bùn và sét rất khó khăn nhưng đến nay người ta đã tìm được phương pháp tách dầu này Tất cả các loại dầu tách được đều là các loại dầu asphalt Tỉ trọng của chúng thay đổi từ 1,4 ÷ 1,5 và nhiệt trị của dầu vào khoảng 9990

kcal/kg Như vậy, các dầu thu được là dầu rất nặng Khi chưng cất thông thường người ta chỉ thu được 5% phân đoạn sôi dưới 180°C

Có 3 phương pháp tách dầu ra khỏi cát Đó là phương pháp tách bằng nước nóng, tách bằng nước lạnh và chưng cất

1) Phương pháp tách bằng nước nóng

Cát bitum được trộn với 10% (theo trọng lượng) nước nóng ở 85°C Sau đó làm ngập bằng nước nóng hơn rồi để yên Dầu nổi lên được gạn ra khỏi bể chứa Bằng phương pháp này người ta có thể thu hồi được 80% dầu Hỗn hợp nổi lên chứa 5% khoáng tự nhiên và 30% nước

2) Phương pháp tách bằng nước lạnh

Cát bitum trộn với nước lạnh theo tỉ lệ 1/3 và một lượng dầu hoả (kerosine) bằng lượng dầu trong cát trong sự có mặt của kiềm và tác nhân dính ướt Dầu nổi lên, được gạn

ra và để yên Hiệu suất thu hồi theo phương pháp này đạt tới 95% nhưng dầu thô vẫn còn chứa tới 3% các khoáng tự nhiên

3) Phương pháp chưng cất nóng

Người ta thổi cát dầu cùng với không khí vào thiết bị tách để cung cấp nhiệt cho quá trình tách Dầu được đốt nóng và tách ra khỏi cát, sét Dầu thu được qua phương pháp chưng cất nóng thường có khối lượng riêng khoảng 0,955 g/cm3 và có các tính chất sau đây:

- Hàm lượng nước: 0,2%

- Hàm lượng tro: 0,7%

- Hàm lượng lưu huỳnh: 4,2%

- Cặn cacbon Conradson: 6,0%

- Độ nhớt: 157 centistocks ở 21°C

Các phần chưng cất:

- 5% ở 180°C

- 10% ở 230°C

- 50% ở 340°C

- 80% ở 360°C

Bằng cách cất trực tiếp, người ta có thể thu được 15% naphta, 85% dầu madút Dầu madút này rất dễ bị phá vỡ ở 350°C

2.4 Sản xuất nhiên liệu từ dầu nham phiến

Dầu có trong nham phiến đạt trữ lượng khá lớn trên thế giới Trữ lượng lớn nhất về dầu nham phiến là ở Liên Xô (trước đây) và Mỹ Nham phiến chứa dầu là một loại đá có mầu nâu tới màu đen Khi phơi nắng có mầu xám tối Nham phiến này cứng, giòn và giữ nguyên dạng của nó khi chưng cất mặc dù cấu trúc lớp của đá rất rõ ràng

Để tách dầu lấy từ nham phiến, người ta dùng phương pháp chưng cất với hơi nước Lượng hơi nước được đưa vào tới 40% Sau đó nham phiến thô được chưng cất tới cốc trong các nồi chưng ống Nồi chưng cốc cuối cùng cho sản phẩm bão hoà và bền vững hơn Phép chưng cất này cho xăng thô, dầu không chứa sáp, dầu có sáp Sáp được thu hồi bằng cách nén cho kết tinh ở ≈ −10°C Hai sản phẩm không chứa sáp được tinh luyện bằng cách

xử lí với kiềm hoặc axit và cất lấy dầu điezel Dầu điezel gồm hầu hết các parafin và có chất lượng cao, chỉ số xetan cao, nhưng lại không thích hợp cho xăng động cơ vì chỉ số octan thấp (khoảng 58) Sáp được tinh luyện, được tẩy trắng và được chế tạo thành nến và được dùng như một nhiên liệu

2.5 Sản xuất nhiên liệu từ dầu than đá

Khi chưng cất khan (không có không khí) than đá ta sẽ thu được dầu than đá Từ dầu than đá thô, bằng cách chưng cất tiếp tục người ta thu được các nhiên liệu sau:

Xăng động cơ ở phân đoạn cuối của dầu creosote thu được bằng cách xử lí thứ cấp với hiđro

Benzen chỉ thu được một phần từ nhựa than đá Phần lớn hơn có thể thu được bằng cách xử lí khí than đá với hơi nước Nhựa than đá chứa các hiđrocacbon đa nhân hoà tan trong benzen

Không giống các dầu có nguồn gốc từ dầu mỏ, dầu than đá có chứa một tỉ lệ lớn các hợp chất chứa oxi (dưới dạng phenol), nitơ dưới dạng các bazơ hữu cơ Các thành phần nguyên tố chính của dầu than đá từ cùng một than nhưng cách tách nhiên liệu khác nhau cũng cho các kết quả khác nhau (bảng 13)

Các dầu than đá nhiệt độ thấp khác đáng kể dầu than đá nhiệt độ cao như khối lượng riêng thấp hơn, không có naphten

Bảng 13

Thành phần nguyên tố chính của dầu than đá theo điều kiện chưng

cất

Thành phần nguyên

tố (%) Nồi cất nằm ngang Nồi cất thẳng đứng Cất ở nhiệt độ thấp

Những tính chất khác của dầu than đá là:

- Nhiệt trị thay đổi trong giới hạn tương đối nhỏ;

- Hệ số dãn nở thay đổi rất ít;

- Nhiệt dung riêng của dầu than đá thay đổi từ 0,30 ÷ 0,4 cal/g.độ ở 40°C và nhiệt dung riêng của các dầu và dầu than đá thay đổi từ 0,3 ÷ 0,38 ở 15 ÷ 40°C

Chương 3

CÁC NHIÊN LIỆU TỪ DẦU MỎ, KHÍ THIÊN NHIÊN

3.1 Nhiên liệu lỏng nặng (FO) (dầu madút)

Như trên đã trình bày, dầu madút là phân đoạn nặng thu được khi chưng cất dầu thô parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không Các dầu FO có điểm sôi cao Trong kĩ thuật đôi khi người ta còn chia thành dầu FO nhẹ và FO nặng Vì thế, các đặc trưng hoá học của dầu madút có những thay đổi đáng kể nhưng không phải tất cả các đặc trưng này ảnh hưởng tới việc sử dụng chúng làm nhiên liệu và các kỹ thuật sử dụng để đạt hiệu quả cao

Một trong những tính chất quan trọng nhất của dầu madút là độ nhớt được xác định ở

những nhiệt độ quy định, ví dụ ở 20°C và 50°C Nói chung các từ “nặng” và “nhẹ” được sử dụng để mô tả các nhiên liệu dầu madút có độ nhớt cao và thấp tương ứng Những dầu cặn

có độ nhớt cao (> 7000 giây) thông thường phải trải qua bước crackinh nhẹ để phá vỡ những phân tử nặng và do đó làm giảm độ nhớt của dầu Quá trình này cũng gây nên sự

thất thoát dầu dưới dạng khí và quá trình được gọi là visbreaking

Tính chất quan trọng thứ hai của dầu madút là điểm chớp cháy Điểm chớp cháy cực

tiểu của tất cả các dầu là 65,5°C (~ 150°F)

Tính chất quan trọng thứ 3 của dầu madút là hàm lượng nước Bởi vì các dầu nặng có

tỉ trọng gần bằng tỉ trọng của nước nên phải giữ dầu không tiếp xúc với nước trong quá trình sản xuất và bảo quản vì nếu lẫn nước rất khó tách ra khỏi dầu Tính chất cuối cùng là các dầu không được chứa cặn sa lắng bởi vì các cặn này sẽ tập trung dần dần ở đáy bể chứa

Vì thế, yếu tố cơ bản trong việc sử dụng các dầu madút là khống chế sự cháy của chúng và chọn lọc cấp dầu cho mục đích sử dụng thích hợp về mặt kĩ thuật như kích thước buồng đốt cháy, bản chất của thiết bị, kiểu cách và kích thước thiết bị đốt, phương pháp phun nhiên liệu Dĩ nhiên, giá cả cũng là một yếu tố bởi vì việc sử dụng các dầu có độ nhớt cao cần cung cấp nhiệt cho các ống đốt nóng trong các bể chứa, do đó các trạm tiêu thụ sẽ

có giá thành cao

3.1.1 Bố trí cung cấp dầu cho lò đốt

Dầu cấp cho lò đốt trong công nghiệp cần phải khan nghĩa là loại bỏ hết các hạt nước phân tán trong dầu và các hạt rắn trong đó Nhưng hầu hết các thiết bị cung cấp không thể đáp ứng được yêu cầu này Khi dầu được cấp bằng cách rót từ các bể chứa thì thông thường phải sử dụng một cặp bể Ở đây, ta phải đốt nóng bằng hơi nước để tăng cường việc tách nước và tăng cường độ chảy lỏng của dầu Sở dĩ người ta phải dùng kỹ thuật đốt nóng vì: Ở nhiệt độ thường, việc tách các hạt nước trong dầu rất chậm do sự khác nhau về

khối lượng riêng giữa chúng rất nhỏ và với độ nhớt cao của dầu thì các hạt lơ lửng này vẫn tồn tại không thể loại hết được Khi đốt nóng dầu có hai thay đổi rõ ràng xảy ra: (1) độ nhớt của dầu bị giảm đi rất nhanh và (2) dầu dãn nở nhiều hơn nước và vì thế sự khác nhau

về khối lượng riêng trở nên lớn Những hệ số dãn nở tương đối của dầu nặng và của nước tương ứng là 0,00070 /độ và 0,000476 /độ, vì thế cần đốt nóng để tách được nước ra khỏi dầu

Dầu có thể được đốt nóng sơ bộ đến trên điểm chớp cháy nhưng phải ở dưới áp suất cao và cơ bản là phải đạt được độ mềm để dầu có thể chảy hay phun qua các van Nhiệt độ của dầu phải đồng đều và áp suất phải giữ không đổi

Khi phun không khí hay dầu thì việc cấp dầu có thể thực hiện từ một bể chứa nhiên liệu hay nhiều bể ở độ cao đủ để tạo thành dòng chảy cần thiết Vì các dầu rất nhớt không thể phun một cách có hiệu quả nên việc đốt nóng là cần thiết Thông thường để đốt nóng người

ta dùng một thiết bị đốt nóng bằng hơi nước bố trí ngay trên đường cấp dầu

Trong thực tế nhiệt độ cần thiết để bơm dầu là: 38 ÷ 120°C (100 ÷ 250°F) còn nhiệt độ cần thiết để phun dầu vào lò đốt là: 65,5 ÷ 150°C (150 ÷ 300°F) Ví dụ, dầu có khả năng bơm được ở nhiệt độ 38°C có độ nhớt khác nhau thì nhiệt độ bơm thay đổi như sau:

Độ nhớt, ở 38 °C (st) Nhiệt độ bơm, °C

200 7,5

600 15,5

1500 27,0 Trong các thiết bị phun bằng áp suất, các thiết bị lọc được trang bị giống hệt nhau ở cả hai phía hút và đẩy của máy bơm dầu Lưới lọc trong thiết bị lọc của phía hút có kích thước mắt lỗ lớn hơn so với lưới ở phía phun Thông thường cỡ lưới phụ thuộc vào độ lỏng của dầu được sử dụng Do kĩ thuật phát triển, ngày nay người ta dùng các thiết bị lọc khác hiệu quả hơn việc dùng lưới lọc như thiết bị lọc dòng chảy (streamline filter) hay thiết bị lọc “Autoclean” Trong thiết bị lọc Autoclean, dầu đi từ bên ngoài qua nhiều tấm thép mỏng đã được khoan lỗ với khoảng hở rất nhỏ giữa các lỗ Giữa các tấm thép có nhiều dao bằng thép mỏng được giữ cố định Khi dầu đi qua thiết bị này các cặn bẩn bị giữ lại và rơi vào bồn chứa, sau đó bị loại ra ngoài

3.1.2 Phun dầu và lò đốt bằng dầu

Để dầu cháy hoàn toàn thì dầu phải trộn thật đều với không khí Về mặt lý thuyết, điều này có thể thực hiện khá dễ dàng đối với hơi dầu, song rất khó thực hiện được đối với các dầu nặng Vì để hoá hơi dầu, phải tăng nhiệt độ, mà tăng nhiệt độ sẽ dẫn đến phá vỡ phân

tử dầu và tạo nên cặn cốc trong thiết bị hoá hơi và thiết bị đốt cháy bằng kim loại Tuy nhiên, vẫn có thể áp dụng được đối với các dầu có nhiệt độ sôi thấp như dầu hoả, dầu trung gian Người ta có thể thực hiện được sự hoá hơi bằng cách cho một lượng không khí thích hợp vào thiết bị hoá hơi

Với các dầu nặng hơn (như dầu FO nặng, nhẹ) có thể dùng các máy phun khác nhau để chuyển dầu thành các hạt nhỏ với không khí đưa vào lò đốt Để tăng diện tích tiếp xúc