Nghiên cứu lựa chọn phương án thích hợp để sản xuất hới quá nhiệt từ các dòng khí thải của phân xưởng RFCC trong nhà máy lọc dầu dung quất

THỚI THANH TUẤN NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THÍCH HỢP ĐỂ SẢN XUẤT HƠI QUÁ NHIỆT TỪ CÁC DÒNG KHÍ THẢI CỦA PHÂN XƯỞNG RFCC TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HÓA H

THỚI THANH TUẤN

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

THÍCH HỢP ĐỂ SẢN XUẤT HƠI QUÁ NHIỆT TỪ CÁC DÒNG KHÍ THẢI CỦA PHÂN XƯỞNG RFCC TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC MÃ SỐ NGÀNH: 2.10.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

PGS.TSKH LÊ XUÂN HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : THỚI THANH TUẤN Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 30/11/1978 Nơi sinh : Quảng Ngãi

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÓA HỌC MSHV : CNHH13-043

I- TÊN ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THÍCH HỢP ĐỂ SẢN XUẤT HƠI QUÁ NHIỆT TỪ CÁC DÒNG KHÍ THẢI CỦA PHÂN XƯỞNG RFCC TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

- Nghiên cứu các phương án sản xuất hơi quá nhiệt

- Lập ra các tiêu chí đánh giá các phương án công nghệ

- Mô hình hóa quá trình thiết kế và tính toán bằng máy tính

- Đánh giá và lựa chọn phương án thích hợp

- Xác định sơ bộ các thông số vận hành

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TSKH LÊ XUÂN HẢI

CB HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH

PGS.TSKH LÊ XUÂN HẢI PGS.TS MAI HỮU KHIÊM

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin tỏ lòng biết ơn chân thành đối với PGS TSKH Lê Xuân Hải, người thầy đã dìu dắt tôi trong những bước đầu nghiên cứu khoa học Nhờ sự hướng dẫn tận tình cũng như sự động viên, khích lệ của thầy những lúc khó khăn, tôi mới hoàn thành được luận văn này

Con xin được cám ơn ba mẹ và mọi người trong gia đình đã hỗ trợ cho con cả về tinh thần lẫn vật chất để con có điều kiện thực hiện luận văn này Xin cám ơn vợ tôi, ThS Bùi Thu Hà, đã động viên tôi và lo chăm sóc con nhỏ để tôi có thời gian hoàn thành tốt luận văn

Tôi cũng xin cám ơn ThS Trần Hải Ưng - Khoa Công Nghệ Hóa Học, TS Nguyễn Văn Tuyên và PGS.TS Trần Thanh Kỳ ở Trung tâm Nhiệt - Khoa Cơ Khí Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quí báu trong thời gian tôi làm luận văn

Xin cảm ơn TS Trần Ngọc Hà, ông Vũ Văn Thư và anh Vỹ, anh Bản, anh Thức, bạn Linh cùng các cán bộ nhân viên Ban Quản lý dự án Nhà máy lọc dầu Dung Quất đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình thu thập dữ liệu và hướng dẫn cho tôi nhiều kiến thức bổ ích

Tôi xin gửi lời cám ơn đến anh Lê Anh Tuấn – Trưởng phòng Kỹ Thuật cùng các bạn đồng nghiệp ở Công ty Kurabe Industrial Việt Nam đã nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ trong công việc, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện tốt đề tài

Và cuối cùng tôi cũng xin cám ơn các thầy cô phòng Đào Tạo Sau Đại Học đã giúp đỡ về vấn đề học vụ và thủ tục trong thời gian học Cao học

TÓM TẮT

Mục tiêu của đề tài này là vận dụng phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống để giải quyết vấn đề xây dựng phương án công nghệ phù hợp, tính toán thiết kế và xác định quy trình vận hành tối ưu cho hệ thống sản xuất hơi quá nhiệt Trên cơ sở đó, luận văn trình bày những nội dung sau:

− Chương 1: Tổng quan về các phương pháp bảo toàn và tiết kiệm năng lượng trong Nhà máy lọc dầu, các phương án tiết kiệm năng lượng trong quá trình cracking xúc tác cũng như thiết bị sinh hơi từ nhiệt lượng thu hồi, phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống

− Chương 2: Giới thiệu về Nhà máy lọc dầu Dung Quất và phân xưởng cracking xúc tác cặn tầng sôi (RFCC) và các phương pháp nghiên cứu

− Chương 3: Nghiên cứu các phương án tận dụng nhiệt từ các dòng khí thải của phân xưởng RFCC

− Chương 4: Nghiên cứu và đề xuất các phương án sản xuất hơi quá nhiệt

− Chương 5: Lập ra các tiêu chí đánh giá, mô phỏng quá trình sản xuất hơi quá nhiệt, kiểm định mô hình, vận dụng phương pháp thoát ly vùng cấm để giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu, từ đó đánh giá các phương án và tìm nhiệt độ thải tối ưu

− Chương 6: Xem xét quá trình vận hành của phương án đuợc chọn cũng như nghiên cứu trường hợp sử dụng khí nhiên liệu để đốt phụ trợ

− Phần kết luận và kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo

ABSTRACT

The aim of this thesis is to use system analysing and synthesizing approaches to choose a suitable alternative and to design, calculate and determine the optimal operation conditions of superheated steam production system The research content is composed of:

− The first chapter presents the overview of conservation and economy methods of energy in refineries, energy economy projects in catalytic cracking process The heat recovery steam generator and system analysing and synthesizing method are also studied

− The second chapter introduces the overview of Dung Quat Refinery and Residue Fluid Catalytic Cracking (RFCC) process and research methods

− The heat recovery methods from the flue gases of RFCC process is covered in Chapter 3

− Chapter 4 introduces some methods for producing superheated steam from the flue gases

− In Chapter 5, the evaluating criteria are established The production process of superheated steam is modeled and verified In this part, release forbidden area method is also applied to solve a problem of multi–objective optimization Then, the alternatives are evaluated so that the optimal eleminated temperature is chosen

− In Chapter 6, operating case of the chosen alternative is examined and the case of using fuel gas for auxiliary combustion is also studied

− Lastly, the conclusion and suggestion about this thesis are presented

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1 TỔNG QUAN 4

1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU 4

1.1.1 Tiêu thụ năng lượng trong Nhà máy lọc dầu 4

1.1.2 Các phương pháp để bảo toàn năng lượng trong nhà máy 8

1.1.3 Tiết kiệm năng lượng trong các quá trình 13

1.2 CÁC PHƯƠNG ÁN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG QUÁ TRÌNH CRACKING XÚC TÁC 17

1.2.1 Sử dụng các thiết bị mới 17

1.2.2 Sử dụng thiết bị giãn nở thu hồi năng lượng 21

1.2.3 Tối ưu hóa các thiết bị hiện tại 23

1.3 THIẾT BỊ SINH HƠI TỪ NHIỆT LƯỢNG THU HỒI (HRSG) 24

1.3.1 Giới thiệu chung 24

1.3.2 Cấu tạo HRSG 25

1.3.3 Sơ đồ trao đổi nhiệt với HRSG 31

1.4 PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ 33

1.4.1 Hệ thống 33

1.4.2 Cấu trúc phân tầng của hệ thống 33

1.4.3 Phân tích hệ thống và tổng hợp hệ thống 34

1.4.4 Mô hình hóa và mô phỏng tính toán bằng máy tính 35

Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHỆ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

2.1 NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT 37

2.1.1 Giới thiệu chung 37

2.1.2 Sơ đồ tổng thể nhà máy 38

2.1.3 Các phân xưởng công nghệ 40

2.1.4 Các công trình phụ trợ và ngoại vi 41

2.2 PHÂN XƯỞNG CRACKING XÚC TÁC CẶN TẦNG SÔI 42

2.2.1 Giới thiệu chung 42

2.2.2 Các dòng khí thải 44

2.2.3 Các số liệu khác 46

2.3 GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 48

Chương 3 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TẬN DỤNG NHIỆT 49

3.1 PHƯƠNG ÁN GIA NHIỆT CHO DÒNG LƯU CHẤT KHÁC 49

3.2 PHƯƠNG ÁN SẢN XUẤT HƠI 50

3.3 PHƯƠNG ÁN SẢN XUẤT KẾT HỢP ĐIỆN VÀ HƠI 52

3.4 NHẬN XÉT CHUNG 55

Chương 4 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH PHƯƠNG ÁN SẢN XUẤT HƠI QUÁ NHIỆT 56

4.1 PHƯƠNG ÁN NHẬP CHUNG 57

4.2 PHƯƠNG ÁN SONG SONG 58

4.3 PHƯƠNG ÁN KẾT HỢP 59

4.4 NHÓM PHƯƠNG ÁN CÓ 2 QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT NỐI TIẾP 60

4.5 ĐÁNH GIÁ CHUNG 62

Chương 5 TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN 63

5.1 CƠ SỞ TÍNH TOÁN 63

5.1.1 Tính toán quá trình cháy 63

5.1.2 Tính toán cân bằng nhiệt 69

5.1.3 Tính toán quá trình truyền nhiệt ([4], [18], [24], [28]) 71

5.2 CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ 80

5.2.1 Hiệu suất thu hồi nhiệt 80

5.2.2 Thời gian hoàn vốn của hệ thống 81

5.2.3 Độ linh động của hệ thống 83

5.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHO CÁC PHƯƠNG ÁN 84

5.3.1 Phương pháp tính toán 84

5.3.2 Xây dựng lập trình để giải bài toán bằng máy tính 85

5.3.3 Kiểm tra sự tương thích của mô hình tính toán 88

5.3.4 Tính toán cho một phương án thiết kế tiêu biểu 91

5.4 ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN 95

5.4.1 Thiết lập bài toán tối ưu 95

5.4.2 Phương pháp thoát ly vùng cấm ([9]) 96

5.4.3 Đánh giá các phương án 98

5.4.4 Tìm nhiệt độ thải tối ưu 100

Chương 6 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH 102

6.1 KHẢO SÁT CÁC TRƯỜNG HỢP THAY ĐỔI 102

6.1.1 Lưu đồ tính toán 102

6.1.2 Thay đổi thành phần khí thải 104

6.1.3 Thay đổi nhiệt độ khí thải đầu vào 105

6.1.4 Thay đổi lượng không khí đốt cháy 106

6.1.5 Thay đổi khối lượng dòng khí thải 108

6.1.6 Thay đổi hệ số piromet 110

6.1.7 Thay đổi chế độ vận hành 112

6.2 TRƯỜNG HỢP SỬ DỤNG KHÍ NHIÊN LIỆU ĐỂ ĐỐT PHỤ TRỢ 114

6.2.1 Tính toán và đánh giá các phương án 114

6.2.2 Khảo sát quá trình vận hành 119

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

PHỤ LỤC 125

CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.1: So sánh độ phức tạp với sự tiêu thụ năng lượng 7

Bảng 1.2: Sự mất mát nhiệt tự nhiên 8

Bảng 1.3: Năng lượng tiêu thụ theo đơn vị cal/g (áp suất cuối = 1 atm) 14

Bảng 2.1: Các phân xưởng công nghệ chính của nhà máy lọc dầu Dung Quất 41

Bảng 2.2: Tính chất dòng khí thải 1 45

Bảng 2.3: Tính chất dòng khí thải 2 45

Bảng 2.4: Thành phần khí thải 45

Bảng 2.5: Lượng nước lò hơi cao áp cung cấp cho hệ thống sản xuất hơi quá nhiệt 46 Bảng 5.1: Thành phần khí thải sau tuabin khí 89

Bảng 5.2: Kết quả kiểm tra BRPP1 và BRPP2 91

Bảng 5.3: Các thông số thiết kế cho chế độ HHMG 92

Bảng 5.4: Kết quả tính toán chung cho cả 2 phương án 93

Bảng 5.5: Kết quả thiết kế HHMG cho phương án song song COB & WHB 93

Bảng 5.6: Kết quả thiết kế HHMG cho phương án kết hợp CW 94

Bảng 5.7: Kết quả tính toán hàm mục tiêu R cho 2 phương án trong trường hợp không có đốt phụ trợ khi vận hành ở tất cả các chế độ 100

Bảng 6.1: Kết quả tính toán quá trình vận hành khi thay đổi thành phần khí thải đối với chế độ BHMG 104

Bảng 6.2: Kết quả tính toán quá trình vận hành khi thay đổi nhiệt độ đầu vào của dòng khí thải đối với chế độ HHMG 106

Bảng 6.3: Kết quả tính toán quá trình vận hành khi thay đổi lượng không khí đốt cháy ứng với chế độ BHMD 107

Bảng 6.4: Kết quả tính toán quá trình vận hành khi thay đổi khối lượng dòng khí thải ứng với chế độ HHMD 109

Bảng 6.5: Kết quả tính toán quá trình vận hành khi thay đổi hệ số piromet ứng với chế độ HHMG 111

Bảng 6.6: Kết quả tính toán quá trình vận hành khi thay đổi chế độ vận hành 113

Bảng 6.7: So sánh khối lượng hơi quá nhiệt khi không có đốt phụ trợ và nhu cầu của phân xưởng RFCC 114

Bảng 6.8: Kết quả tính toán hàm mục tiêu R cho 2 phương án trong trường hợp có đốt phụ trợ khi vận hành ở tất cả các chế độ 118

Bảng 6.9: Kết quả tính toán khối lượng khí nhiên liệu khi thay đổi chế độ vận hành trong trường hợp có đốt phụ trợ 119

CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Tiêu thụ năng lượng trong nhà máy lọc dầu 5

Hình 1.2: Nhiệt độ nhiệt sử dụng 6

Hình 1.3: Cân bằng năng lượng trong nhà máy lọc dầu 8

Hình 1.4: Hiệu suất lò nung 10

Hình 1.5: Chi phí vận hành cột chưng cất 12

Hình 1.6: Tổng các nguồn năng lượng cơ bản ở nhà máy lọc dầu Frontignan 13

Hình 1.7: Thiết bị cracking xúc tác model F kiểu Ortho-flow của hãng Kellogg 19

Hình 1.8: Thiết bị phân tách của Công ty Shell 20

Hình 1.9: Công suất thiết bị giãn nở ứng với nhiệt độ khí thải là 650 o C, áp suất đầu ra là 0.1 kg/cm 2 g và hiệu suất tuabin là 80% 22

Hình 1.11: Dàn sinh hơi hình chữ D 26

Hình 1.12: Dàn sinh hơi hình chữ O 26

Hình 1.13: Dàn bay hơi hình chữ A 27

Hình 1.14: Dàn bay hơi hình chữ I 28

Hình 1.15: Dàn bay hơi ống ngang 29

Hình 1.16: Bộ quá nhiệt ống ngang 30

Hình 1.17: Bộ quá nhiệt ống đứng 30

Hình 1.18: Bộ quá nhiệt hình chữ I 31

Hình 1.19: Sơ đồ nhiệt của một HRSG đơn giản 32

Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ tổng thể nhà máy lọc dầu Dung Quất 39

Hình 2.2: Mô hình sơ đồ công nghệ phân xưởng RFCC 44

Hình 2.3: Sơ đồ cung cấp và tiêu thụ hơi quá nhiệt cao áp 47

Hình 3.1: Mô hình trao đổi nhiệt bởi các dòng khí thải 49

Hình 3.2: Mô hình phương án sản xuất hơi 50

Hình 3.3: Phương án sản xuất hơi bằng lò hơi CO 51

Hình 3.4: Phương án sản xuất hơi bằng lò hơi tận dụng nhiệt 52

Hình 3.5: Sản xuất kết hợp điện-hơi từ hệ thống tuabin thu hồi năng lượng và lò hơi CO 53

Hình 3.6: Sản xuất kết hợp điện-hơi từ hệ thống tuabin thu hồi năng lượng và lò hơi

tận dụng nhiệt 54

Hình 4.1: Mô hình sản xuất hơi quá nhiệt từ 2 dòng khí thải của RFCC 57

Hình 4.2: Mô hình phương án nhập chung để sản xuất hơi quá nhiệt 57

Hình 4.3: Mô hình phương án song song để sản xuất hơi quá nhiệt 58

Hình 4.4: Mô hình phương án kết hợp để sản xuất hơi quá nhiệt 59

Hình 4.5: Mô hình 1 của nhóm phương án có 2 quá trình trao đổi nhiệt nối tiếp 60

Hình 4.6: Mô hình 2 của nhóm phương án có 2 quá trình trao đổi nhiệt nối tiếp 60

Hình 4.7: Mô hình 3 của nhóm phương án có 2 quá trình trao đổi nhiệt nối tiếp 61

Hình 4.8: Mô hình 4 của nhóm phương án có 2 quá trình trao đổi nhiệt nối tiếp 61

Hình 5.1: Minh họa các điểm và nhiệt độ của phương án song song 68

Hình 5.2: Minh họa các điểm và nhiệt độ của phương án kết hợp 69

Hình 5.3: Sơ đồ nhiệt của quá trình trao đổi nhiệt 71

Hình 5.4: Mô hình các dòng ở bề mặt truyền nhiệt thứ i 84

Hình 5.5: Lưu đồ các bước tính toán quá trình tận dụng nhiệt 87

Hình 5.6: Sơ đồ trao đổi nhiệt trong HRSG của Nhà máy điện Bà Rịa 88

Hình 5.7: Các thông số điều khiển quá trình kiểm tra BRPP1 90

Hình 5.8: Các thông số điều khiển quá trình kiểm tra BRPP2 90

Hình 5.9: Các thông số điều khiển quá trình thiết kế cho trường hợp HHMG 93

Hình 5.10: Điểm không tưởng và vùng cấm trong bài toán tối ưu 2 mục tiêu 97

Hình 5.11: Hàm mục tiêu tổ hợp R của 2 phương án song song và kết hợp 99

Hình 5.12: Hàm mục tiêu R của phương án song song trong khoảng nhiệt độ 185~195 o C 100

Hình 6.1: Lưu đồ tính toán cho quá trình vận hành 103

Hình 6.2: Các thông số điều khiển cho trường hợp thay đổi thành phần khí thải 104

Hình 6.3: Ảnh hưởng của thành phần khí thải đến hiệu suất thu hồi nhiệt thải và thời gian hoàn vốn 105

Hình 6.4: Các thông số điều khiển cho trường hợp thay đổi nhiệt độ đầu vào của dòng khí thải 105

Hình 6.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí thải đến hiệu suất thu hồi nhiệt thải và thời gian hoàn vốn đối với chế độ HHMG 106

Hình 6.6: Các thông số điều khiển cho trường hợp thay đổi lượng không khí đốt cháy

107 Hình 6.7: Ảnh hưởng của hệ số không khí dư đến hiệu suất thu hồi nhiệt thải và thời

gian hoàn vốn 108 Hình 6.8: Các thông số điều khiển cho trường hợp thay đổi khối lượng dòng khí thải

109 Hình 6.9: Ảnh hưởng của khối lượng dòng khí thải đến hiệu suất thu hồi nhiệt thải và

thời gian hoàn vốn 110 Hình 6.10: Các thông số điều khiển cho trường hợp thay đổi hệ số piromet 111 Hình 6.11: Ảnh hưởng của hệ số piromet đến hiệu suất thu hồi nhiệt thải và thời gian

hoàn vốn 112 Hình 6.12: Các thông số điều khiển cho trường hợp thay đổi chế độ vận hành 112 Hình 6.13: Ảnh hưởng của chế độ vận hành đến hiệu suất thu hồi nhiệt thải và thời

gian hoàn vốn 113 Hình 6.14: Các thông số điều khiển quá trình thiết kế cho trường hợp HHMG trong

trường hợp có đốt phụ trợ 115 Hình 6.15: Hàm mục tiêu tổ hợp R của 2 phương án song song và kết hợp trong trường

hợp có đốt phụ trợ 116 Hình 6.16: Hàm mục tiêu R của phương án song song trong khoảng nhiệt độ

185~195 o C trong trường hợp có đốt phụ trợ 117 Hình 6.17: Các thông số điều khiển cho trường hợp thay đổi chế độ vận hành khi có

đốt phụ trợ 119

DANH SÁCH PHỤ LỤC

PHỤ LỤC A: CÁC PHỤ LỤC TÍNH TOÁN CẦN THIẾT

Phụ lục A.1: Đặc điểm dòng nước / hơi nước tại các bề mặt truyền nhiệt của BRPP1 Phụ lục A.2: Đặc điểm dòng nước / hơi nước tại các bề mặt truyền nhiệt của BRPP2 Phụ lục A.3: Các thông số thiết kế cho BRPP 1 & BRPP 2

Phụ lục A.4: Các thông số điều khiển quá trình thiết kế trong trường hợp không có

đốt phụ trợ để đánh giá các phương án và tìm nhiệt độ thải tối ưu Phụ lục A.5: Các thông số điều khiển quá trình thiết kế trong trường hợp có đốt phụ

trợ để đánh giá các phương án và tìm nhiệt độ thải tối ưu Phụ lục A.6: Đặc điểm dòng nước / hơi nước tại các điểm tiêu biểu

Phụ lục A.7: Kết quả giải bài toán tối ưu đối với phương án song song COB & WHB,

trường hợp không có đốt phụ trợ Phụ lục A.8: Kết quả giải bài toán tối ưu đối với phương án kết hợp CW, trường hợp

không có đốt phụ trợ Phụ lục A.9: Kết quả giải tìm nhiệt độ thải tối ưu trong khoảng 150 o C ~ 200 o C cho

phương án COB & WHB, trường hợp không có đốt phụ trợ Phụ lục A.10: Kết quả giải tìm nhiệt độ thải tối ưu trong khoảng 170 o C ~ 180 o C cho

phương án COB & WHB, trường hợp không có đốt phụ trợ Phụ lục A.11: Kết quả giải bài toán tối ưu đối với phương án song song COB & WHB,

trường hợp có đốt phụ trợ Phụ lục A.12: Kết quả giải bài toán tối ưu đối với phương án kết hợp CW, trường hợp

có đốt phụ trợ Phụ lục A.13: Kết quả giải bài toán tối ưu trong khoảng 150 o C ~ 200 o C cho phương

án COB & WHB, trường hợp có đốt phụ trợ Phụ lục A.14: Kết quả giải bài toán tối ưu trong khoảng 175 o C ~ 185 o C cho phương

án COB & WHB, trường hợp có đốt phụ trợ Phụ lục A.15: Nhiệt độ của dòng khí thải ở các điểm tiêu biểu của phương án song

song trong quá trình vận hành ở trường hợp không có đốt phụ trợ

Phụ lục A.16: Nhiệt độ của dòng khí thải ở các điểm tiêu biểu của phương án song

song trong quá trình vận hành ở trường hợp có đốt phụ trợ

PHỤ LỤC B: CÁC PHỤ LỤC VỀ KINH TẾ

Phụ lục B.1: Đơn giá của các dòng nguyên liệu

Phụ lục B.2: Đơn giá bán sản phẩm

Phụ lục B.3: Đơn giá bề mặt truyền nhiệt

Phụ lục B.4: Hệ số ε i cho việc tính chi phí đầu tư cho bề mặt truyền nhiệt Phụ lục B.5: Các thông số khác của hệ thống sản xuất hơi quá nhiệt

Phụ lục B.6: Tỷ lệ % giữa chi phí vận hành và bảo dưỡng so với chi phí đầu tư Phụ lục B.7: Tính toán lợi nhuận P của các phương án

Phụ lục B.8: Tính thời gian hoàn vốn POT của các phương án

Phụ lục B.9: Tính hiệu suất thu hồi nhiệt η của các phương án

PHỤ LỤC C: CÁC THÔNG SỐ CỦA CÁC CHẤT

Phụ lục C.1: Hệ số nhiệt dung riêng C p (kJ/kmol.độ)

Phụ lục C.2: Hệ số nhiệt dung riêng ∆C p (kJ/kmol.độ)

Phụ lục C.3: Các tính chất cơ bản của các chất

Phụ lục C.4: Tính chất của dòng khí nhiên liệu

PHỤ LỤC D: HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN PHỤ LỤC E: CODE CỦA CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN

CÁC CHỈ SỐ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Hổ, chế độ tối đa diesel

Hổ, chế độ tối đa xăng

CO Normal : % lượng CO trong dòng khí thải là bình thường

hợp, chế độ tối đa diesel

hợp, chế độ tối đa xăng

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG CHÍNH

ĐẶT VẤN ĐỀ

Đất nước Việt Nam đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa Vì thế nhiều ngành công nghiệp đã và đang được chọn để đầu tư theo chiều rộng lẫn chiều sâu, để dần dần xây dựng nên những ngành công nghiệp mũi nhọn, chủ lực, làm đầu tàu để phát triển kinh tế

Hiện nay ngành Dầu Khí là một trong những ngành mang lại nguồn thu ngoại tệ lớn nhất, đóng góp chủ yếu vào ngân sách Nhà nước Tuy nhiên điều đó chưa tương xứng với tiềm năng to lớn của ngành này do phần lớn lợi nhuận có được là từ phần thượng nguồn: khai thác và bán dầu thô Vì vậy việc đầu tư vào hạ nguồn – với bước đầu tiên là xây dựng nền công nghiệp lọc dầu – là một quá trình tất yếu phải xảy ra để xây dựng và phát triển ngành dầu khí thành một trong những ngành công nghiệp chủ lực của Việt Nam

Chính vì thế, Dự án Nhà máy lọc dầu Dung Quất ra đời với công suất 6,5 triệu tấn/ năm, cung cấp các sản phẩm chính sau: LPG, Propylen, Xăng RON 90 /

92 / 95, Nhiên liệu phản lực Jet A1, Dầu hỏa, Diesel ôtô, Dầu đốt (FO)

Một trong những phân xưởng chính của Nhà máy lọc dầu là quá trình cracking xúc tác tầng sôi cặn chưng cất khí quyển (Residue Fluid Catalytic Cracking – RFCC), có công suất 3,2 triệu tấn/năm RFCC là quá trình quan trọng nhất, đem lại lợi nhuận kinh tế chủ yếu cho Nhà máy lọc dầu (Theo Tạp chí Dầu Khí, tháng 8/2002)

Phân xưởng RFCC có 5 chủng loại sản phẩm là: LPG, Naptha, Dầu LCO, Dầu DCO, Khí nhiên liệu

Công nghệ sử dụng trong phân xưởng RFCC là công nghệ R2R – Bản quyền của Viện dầu khí Pháp IFP, gồm có các thiết bị chính sau: Thiết bị phản ứng/ tái sinh xúc tác, thiết bị chưng cất và cụm thu hồi khí Trong đó, thiết bị tái sinh xúc tác là loại thiết bị tái sinh 2 tầng, có 2 dòng khí thải đi ra với tổng lưu lượng lên

Nhận thấy 2 dòng khí thải này có nhiệt độ cao, lưu lượng lớn nên nếu tận dụng được thì sẽ đem lại một lượng nhiệt không nhỏ cung cấp cho các quá trình cần thiết trong Nhà máy nói chung và trong phân xưởng RFCC nói riêng

Bên cạnh đó, trong phân xưởng RFCC nói riêng và Nhà máy lọc dầu nói chung, nhu cầu sử dụng hơi quá nhiệt cho các quá trình công nghệ là rất lớn, khoảng 200 tấn/h Do vậy, vấn đề tận dụng nhiệt từ các dòng khí thải của phân xưởng RFCC để sản xuất hơi quá nhiệt được đặt ra sao cho có thể tận dụng nhiệt được nhiều nhất mà đảm bảo thời gian hoàn vốn thấp nhất có thể

Vì vậy luận văn “Nghiên cứu lựa chọn phương án thích hợp để sản xuất hơi quá nhiệt từ các dòng khí thải của phân xưởng RFCC trong Nhà máy lọc dầu Dung Quất” được nghiên cứu để giải quyết vấn đề trên Mục tiêu của luận văn:

− Xác định được phương án công nghệ cho phép tận dụng nhiệt bằng cách sản xuất hơi quá nhiệt

− Thiết kế kết cấu sơ bộ và xác định các thông số công nghệ liên quan để tận dụng nhiệt được nhiều nhất với thời gian hoàn vốn thấp nhất

Do đó để đạt được mục tiêu thì luận văn tập trung vào nghiên cứu các vấn đề sau đây:

− Nghiên cứu các phương án công nghệ sản xuất hơi quá nhiệt từ 2 dòng khí thải của phân xưởng RFCC

− Quá trình cháy và truyền nhiệt trong các thiết bị sinh hơi từ nhiệt lượng thu hồi (HRSG)

− Lập ra các tiêu chí đánh giá các phương án công nghệ ở trên

− Tính toán và đánh giá các phương án thông qua chương trình mô phỏng trên máy tính

− Xác định phương án công nghệ thích hợp và các thông số vận hành tối

ưu

Trong luận văn này đã vận dụng phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống công nghệ kết hợp với sự hỗ trợ của máy tính để giải quyết vấn đề tận dụng nhiệt thải bằng cách sản xuất hơi quá nhiệt Luận văn góp phần hoàn thiện quá trình vận hành ở phân xưởng RFCC theo các mặt sau: thu hồi năng lượng nhiệt thải, nâng cao hiệu quả kinh tế, đáp ứng nhu cầu hơi quá nhiệt của phân xưởng và bảo vệ môi trường Về phương diện khoa học, luận văn cũng góp phần xây dựng và hoàn chỉnh quá trình tính toán trao đổi nhiệt trong các thiết bị HRSG cùng với việc áp dụng tin học trong việc giải quyết lớp bài toán liên quan đến thiết kế, vận hành và xác định chế độ tối ưu trong các thiết bị HRSG Về phương diện thực tế, đề tài này được nghiên cứu sẽ cung cấp thêm thông tin cho Ban Quản Lý Dự án Nhà máy lọc dầu Dung Quất trong việc lựa chọn phương án xử lý cho dòng khí thải của phân xưởng RFCC (một hạng mục trong gói thầu EPC1)

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN VÀ TIẾT KIỆM NĂNG

LƯỢNG TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU

1.1.1 Tiêu thụ năng lượng trong Nhà máy lọc dầu

1.1.1.1 Các loại năng lượng và việc sử dụng năng lượng

Các quá trình chuyển hóa xảy ra trong các thiết bị công nghệ của ngành

công nghiệp hóa chất (như thiết bị phản ứng, thiết bị phân tách, …) cần nhiều

dạng năng lượng khác nhau Nói chung, ngoại trừ năng lượng hạt nhân và năng

lượng thủy điện, tất cả năng lượng được sinh ra từ quá trình cháy, sau đó mới

chuyển hóa thành dạng năng lượng khác cần thiết cho thiết bị công nghệ Do đó

sự tối ưu của một nhà máy đạt được phải bằng cách thực hiện tối ưu đồng thời

giữa thiết bị công nghệ và thiết bị hỗ trợ sản xuất (như lò hơi, lò nung, tuabin,

máy phát điện xoay chiều, …)

Mục đích của quá trình lọc dầu là để tách dầu thô thành các phầân sản phẩm

dầu mỏ khác nhau theo yêu cầu của thị trường Để đáp ứng nhu cầu ngày càng

tăng đối với nhiều loại sản phẩm khác nhau thì cấu trúc của nhà máy lọc dầu

ngày càng phức tạp và tiếp theo là việc gia tăng tiêu thụ năng lượng trong nhà

máy

Quá trình chuyển hóa năng lượng xảy ra trong nhà máy lọc dầu được mô tả

trong hình 1.1 dưới đây:

− Về cơ bản, các dạng năng lượng cần thiết được sử dụng đều được sản xuất trong nhà máy lọc dầu Lượng điện năng nhận từ bên ngoài vào nhỏ hơn 1% của tổng năng lượng tiêu thụ trong nhà máy

− Các sản phẩm phụ được sử dụng làm nhiên liệu thì khoảng một nửa là khí nhiên liệu và một nửa là cặn nặng

− Nhiệt được sử dụng ở nhiều mức độ nhiệt độ khác nhau và chủ yếu thông qua các lò nung ở nhiệt độ cao (chiếm khoảng 60 – 65% nhiên liệu của nhà máy lọc dầu)

− Sự tiêu thụ cơ năng ít, nhỏ hơn 10% năng lượng của nhiệt

(Ghi chú: 1th = 1 Mcal = 4.1868 MJ, 1 th/h = 1 Mcal/h = 4.1868 MJ/h)

Sự tiêu thụ các loại năng lượng khác nhau cho các mục đích như sau :

− Cơ năng: vận chuyển sản phẩm, thay đổi trạng thái vật lý của các dòng nguyên liệu và sản phẩm

− Nhiệt năng: gia nhiệt cho sản phẩm ở các nhiệt độ khác nhau (xem hình 1.2)

1.1.1.2 Sự tiêu thụ năng lượng ở các quá trình khác nhau

Để mô tả sự phức tạp của nhà máy lọc dầu, người ta thường sử dụng hệ số phức tạp quá trình Nelson Hệ số này dựa trên chi phí đầu tư cho từng thùng dầu của các quá trình công nghệ khác nhau so với của quá trình chưng cất dầu thô ở

áp suất khí quyển Trong bảng 1.1 cung cấp hệ số Nelson cùng với năng lượng cần thiết cho các quá trình công nghệ khác nhau của nhà máy lọc dầu

Tỷ lệ so với chưng cất khí quyển

Độ phức tạp Điện Hơi nước Nhiệt Năng lượng

1.1.1.3 Mất mát năng lượng trong nhà máy lọc dầu

Sự mất mát nhiệt do quá trình làm nguội các sản phẩm bằng không khí hay nước chiếm tỉ lệ lớn trong cân bằng năng lượng của nhà máy lọc dầu Hình 1.3 là một ví dụ về sự cân bằng trong nhà máy Ta thấy rằng lượng nhiệt hao tốn trong không khí hay nước lên đến 58% tổng năng lượng cần thiết cho nhà máy lọc dầu Bảng 1.2 cho thấy sự phân bố các năng lượng mất mát và nhiệt độ của chúng Các mất mát nhiệt này phải được tính vào mất mát sản phẩm do phát tán trong quá trình tồn trữ và các chỗ rò rỉ khác, cũng như do đốt cháy các khí ở ngọn đuốc của nhà máy

Hình 1.3: Cân bằng năng lượng trong nhà máy lọc dầu

Nhiệt độ của sản phẩm được làm nguội Năng lượng mất mát (%)

1.1.2 Các phương pháp để bảo toàn năng lượng trong nhà máy

Khi tiến hành bảo toàn năng lượng trong nhà máy người ta thường chú ý đến tính kinh tế Tính kinh tế thường được biểu diễn bởi hệ số thời gian hoàn vốn POT (pay-out time) trong khi hoạt động Hệ số POT được định nghĩa là tỷ số giữa tiền đầu tư (bao gồm cả chi phí lắp ráp thiết bị) với tiền lợi nhuận hằng năm Về mặt kỹ thuật, để kiểm tra các quá trình bất thuận nghịch khác nhau (nhiệt, cơ, lý-hóa, …) là nguyên nhân của những giảm sút năng lượng, ta có khái niệm exergy Nó được định nghĩa là phần năng lượng bổ sung có thể chuyển

thành công có ích bởi một sự chuyển hóa lý tưởng Khái niệm này còn được gọi là năng lượng dùng được (available energy) Exergy được bảo toàn trong một quá trình chuyển hóa thuận nghịch, nhưng trong quá trình thực nó sẽ bị tiêu tốn một phần Vì thế, cân bằng exergy là phương tiện để đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng trong khi vận hành một quy trình cho trước

1.1.2.1 Giảm bớt sự mất mát năng lượng:

− Thực hiện đào tạo nhân lực và bảo trì thiết bị tốt hơn là hai phương pháp bắt buộc phải thực hiện trong mọi nhà máy để có thể giảm bớt hao phí năng lượng

− Bảo ôn thiết bị: mục tiêu là tiến hành bảo ôn nhiều thiết bị có hệ số POT nhỏ Tăng gấp đôi bề dày của tường trong phần tỏa nhiệt bức xạ của lò cracking trong nhà máy etylen sẽ giúp tiết kiệm 1% chi phí nhiên liệu với hệ số POT nhỏ hơn 3 năm cho phần đầu tư thêm.[15]

− Cải thiện lò hơi và lò nung: phương pháp này bao gồm việc kiểm soát tốt hơn tỉ số không khí - nhiên liệu (xem hình 1.4), bảo ôn cho thân lò tốt hơn và điều khiển để đầu đốt hoạt động tốt hơn

1.1.2.2 Thu hồi năng lượng thải:

Như đã nêu ở trên, năng lượng mất mát chủ yếu là do nhiệt thải từ ống khói và quá trình làm nguội sản phẩm cuối cùng bằng không khí hay nước

a) Thu hồi nhiệt từ lò hơi và lò nung

Khí thải từ ống khói càng nguội thì hiệu suất lò càng tăng, do đó việc làm lạnh khí thải bằng trao đổi nhiệt với không khí nhập liệu vào lò (gia nhiệt trước cho không khí) là rất cần thiết Tuy nhiên cần phải chú ý là nhiệt độ khí thải phải cao hơn nhiệt độ điểm sương tương ứng để tránh ăn mòn thiết bị Ví dụ, dễ dàng thấy từ hình 1.4 là hiệu suất của lò hoạt động với lượng không khí dư thông

thường là 30% thì về mặt lý thuyết có thể được tăng lên khoảng 10% bằng cách

Về quan điểm chung, việc sử dụng năng lượng được thu hồi sẽ đạt được tối

ưu khi năng lượng đó được đưa trở lại thiết bị phát ra nó, vì vậy người ta sẽ thường làm lạnh khí thải từ ống khói bằng cách gia nhiệt sơ bộ cho không khí Tuy nhiên, khi nhà máy cần hơi nước, lắp đặt lò hơi sẽ thích hợp hơn để làm

hơi như vậy sẽ có giá trị trong khoảng từ 2-3 năm

b) Thu hồi nhiệt từ sản phẩm, phần ngưng tụ, hơi nước thải

Đây là quá trình quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sử dụng nhiệt của nhà máy Tuy nhiên trước hết phải xem xét vấn đề thu hồi nhiệt hao phí sinh ra từ các thiết bị khác nhau mà không làm cho chúng quá phụ thuộc vào nhau

Nhiệt thu hồi có thể được sử dụng trực tiếp hay sau khi chuyển đổi chúng trở thành nhiệt có nhiệt độ cao hơn hay cơ năng

− Tận dụng trực tiếp nhiệt thu hồi : do nhiệt thu hồi có nhiệt độ thấp, nên việc tận dụng nhiệt này bị giới hạn, chủ yếu sử dụng chúng để gia nhiệt cho sản phẩm nguội hơn trong nhà máy lọc dầu: dầu thô, không khí, nước,… cũng như cung cấp nhiệt cho các toà nhà, bồn chứa, thiết bị chiết tách

− Chuyển hóa năng lượng thu hồi: để năng lượng thu hồi thích ứng với nhu cầu của nhà máy, cần chuyển hóa năng lượng thành dạng khác Việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào exergy của nhiệt cần chuyển hóa c) Giảm bớt các quá trình bất thuận nghịch

Để thực hiện được các quá trình chuyển hóa đòi hỏi phải duy trì sự chênh lệch về thế trong hệ thống: quá trình truyền nhiệt thì phải có chênh lệch nhiệt độ, quá trình phân tách hay phản ứng hóa học thì cần phải có sự chênh lệch thế hóa học, di chuyển một lưu chất thì cần sự chênh lệch áp suất

Để làm giảm sự giảm sút năng lượng nhiệt xảy ra trong các thiết bị công nghệ, các quá trình trao đổi nên được đưa ra với sự chênh lệch về thế nhỏ nhất

Do đó, cần tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt Tương tự, hoạt động truyền khối sẽ được tối ưu hóa bằng cách bổ sung cho thiết bị để có được số mâm / chặng lý thuyết lớn để mỗi thiết bị thực hiện quá trình phân tách với độ giảm nồng độ thấp nhất Tỷ số hồi lưu trong quá trình chưng cất nhỏ khi hiệu suất cột lớn, hình 1.5 cho thấy lợi ích kinh tế hiện nay khi sử dụng tỷ số hồi lưu nhỏ so với trước kia (bằng 1,15 thay vì 1,25 lần tỷ số hồi lưu tối thiểu) Nói cách khác, đó là lợi ích khi sử dụng cột chưng cất có hiệu suất lớn hơn bất chấp chi phí đầu tư cao hơn do việc tăng thêm số mâm

Hình 1.5: Chi phí vận hành cột chưng cất

Cách sử dụng năng lượng “xếp tầng” cần được quan tâm khi có nhiều quá trình cần cung cấp nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau Một cơ cấu bố trí thiết bị như vậy tuân theo nguyên lý về năng lượng tổng cộng, hình 1.6 mô tả một cơ cấu bố trí được nhà máy lọc dầu Frontignan lựa chọn Chu trình gồm có một tuabin khí có đầu vào là butan, tiếp tục là lò hơi được nhập liệu là bất kỳ nhiên liệu nào có sẵn đảm bảo cho giai đoạn đốt cháy bổ sung Nhà máy cung cấp đồng thời điện và hơi nước cao áp Ở điều kiện hoạt động bình thường, hiệu suất năng lượng của nhà máy vượt quá 81% trong khi hiệu suất lý thuyết tối đa của chỉ tuabin là 30%

Hình 1.6: Tổng các nguồn năng lượng cơ bản ở nhà máy lọc dầu Frontignan

1.1.3 Tiết kiệm năng lượng trong các quá trình

1.1.3.1.Các quá trình cơ học bất thuận nghịch

a) Giảm tổn thất áp suất

Tổn thất áp suất khi lưu chất có thể tích V chảy trong ống là ∆P, lượng exergy mất đi là V.∆P Vì vậy trong trường hợp chất khí, với cùng một lưu lượng khối thì lưu lượng thể tích giảm khi giảm áp suất nên lượng exergy mất mát lớn hơn khi áp suất thấp và cần giữ chất khí ở áp suất cao nhất có thể để giảm năng lượng tiêu thụ

Các phương pháp thực hiện để giảm tổn thất áp suất trong các ống được sử dụng nhiều như : ngăn chặn hay hạn chế các chỗ uốn cong cũng như sự mở rộng đột ngột của tiết diện ngang và gia tăng các đường kính ống Cũng có thể giảm tổn thất áp suất bằng cách điều chỉnh thiết bị Ví dụ, trong trường hợp quá trình

reforming xúc tác, có thể thay thế chuỗi các thiết bị trao đổi nhiệt bằng một hay nhiều thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng với tổn thất áp suất thấp.[15]

b) Thay thế van bằng thiết bị giãn nở

Trong quá trình làm nguội sản phẩm, thiết bị giãn nở thường cũng được sử

thế các van giãn nở bằng tuabin cho phép thu hồi từ 5000 đến 20000 HP

Tuabin giãn nở thủy lực thường hữu ích trong trường hợp các thiết bị công nghệ hoạt động ở áp suất cao Chúng có thể được đưa vào chu trình dung môi của thiết bị công nghệ tinh chế/ làm sạch khí nếu có sự rò rỉ độc hại, hay đối với dòng

ra của các quá trình công nghệ có năng suất lớn như hydrocracking

c) Thay thế các bơm phụt bằng bơm chân không

Bơm phụt (ejector) là phương pháp tạo chân không đơn giản và có chi phí đầu tư thấp Tuy nhiên hiệu suất của các thiết bị này, được định nghĩa là tỷ số giữa công lý thuyết tối thiểu và lượng nhiệt tiêu thụ để sản xuất hơi nước, thì thấp và không vượt quá 2-3% Vì vậy có thể giảm năng lượng tiêu thụ nhiều hơn bằng cách sử dụng các thiết bị như bơm chân không hay bơm cơ Trong bảng 1.3 là số liệu so sánh năng lượng tiêu thụ trong các trường hợp khác nhau

Áp suất ban đầu tuyệt đối (mmHg) Loại thiết bị

1.1.3.2 Các quá trình nhiệt học bất thuận nghịch

Các quá trình nhiệt học bất thuận nghịch là kết quả của sự giảm nhiệt độ do

có nhiệt độ khác nhau

Xem xét hai trường hợp sau:

a) Trường hợp 1: Nhiệt độ giảm do trao đổi với môi trường khí quyển

Trường hợp này xảy ra khi các dòng sản phẩm được làm nguội trước khi tồn trữ Cũng có thể xảy ra khi khí thải từ ống khói lò nung trộn với không khí Trong trường hợp như vậy, lượng nhiệt mất mát có thể được đánh giá bằng cân bằng năng lượng hay cân bằng exergy Giảm các mất mát nhiệt này nghĩa là gia tăng sử dụng các thiết bị thu hồi nhiệt Nhiệt thường được thu hồi bằng cách gia nhiệt trước cho các dòng lạnh đầu vào

Trong trường hợp của nhà máy lọc dầu, có 3 dòng lạnh đầu vào chính : không khí đốt, nước lò hơi và dầu thô Ước lượng sau được thực hiện cho một nhà

kcal/ngày

pháp này Ngoài ra, nhiệt mất mát vào môi trường khí quyển có thể giảm bớt bằng cách cách nhiệt tốt hơn cho đường ống và bồn chứa Độ dày lớp cách nhiệt tối ưu được định nghĩa trên cơ sở tính kinh tế, khi chi phí nhiên liệu tăng thì độ dày tối ưu này cũng tăng tương ứng

Các chuyển hoá như thêm các thiết bị tiền gia nhiệt không khí vào hệ thống lò nung hay cải tiến lớp cách nhiệt đường ống và bồn chứa đã được thực hiện trong các quá trình công nghệ hiện có và sẽ được ưu tiên xem xét đầu tiên bởi vì không phải điều chỉnh nhiều đối với các quá trình công nghệ đó

b) Trường hợp 2: Nhiệt độ giảm thông qua cân bằng exergy

Khi nhiệt trao đổi được sử dụng trong các quá trình, sự giảm cấp do nhiệt độ giảm không xác định rõ ràng dựa vào cân bằng năng lượng xung quanh thiết bị trao đổi nhiệt nhưng chỉ dựa vào cân bằng exergy Hơn nữa sự mất mát exergy thường có mức độ quan trọng hơn

Theo [15], hai tác giả G.E Kinard và L.S Gauner đã khảo sát quá trình hóa lỏng khí thiên nhiên, thấy rằng hiệu suất exergy của thiết bị trao đổi nhiệt làm lạnh chỉ là 29% và công nén lớn hơn 3.45 lần công lý thuyết tối thiểu Đó là vì entropy sinh ra do giãn nở khí qua van và chiếm phần lớn nhất trong tổng entropy sinh ra từ hệ thống Vì vậy, cần phải giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai phía của thiết bị trao đổi nhiệt càng nhiều càng tốt Điều này có thể đạt được bằng cách tăng bề mặt trao đổi nhiệt hay tăng hiệu suất trao đổi nhiệt

Có thể làm tăng bề mặt truyền nhiệt mà không cần tăng thể tích của thiết bị trao đổi nhiệt bằng cách sử dụng các bề mặt trao đổi nhiệt mở rộng Đối với thiết

bị trao đổi nhiệt dạng ống, các ống dẹt được sử dụng khi vận tốc truyền nhiệt của một trong hai pha thấp hơn Có nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt xếp chặt (compact heat exchangers), nhưng cần sử dụng chúng với các lưu chất sạch

Để tăng hiệu suất trao đổi nhiệt, có thể tăng vận tốc của hai pha hay đưa thêm vào chất trợ xúc tác cho quá trình chảy rối Cần bảo trì cẩn thận và có thể sử dụng thêm tác nhân chống tắc nghẽn để thuận lợi về mặt kinh tế Đối với sự truyền nhiệt có sự chuyển pha, trạng thái bề mặt có vai trò quan trọng Sử dụng một lớp bề mặt xốp có thể cải thiện gấp 10 lần hiệu suất truyền nhiệt Khi ứng

dụng để truyền nhiệt bay hơi – ngưng tụ, bề mặt bay hơi lớn có thể được kết hợp với sự tăng cường bề mặt tương thích ở phía còn lại, ví dụ bằng cách sử dụng các ống rãnh hay ống có bề mặt mở rộng (ống có cánh)

Khi nhiệt độ mà nhiệt sử dụng được cố định bởi điều kiện công nghệ thì không thể giảm tất cả sự chênh lệch nhiệt độ Vì vậy cần phải khảo sát ý đồ cơ bản của các thiết bị công nghệ nếu tìm ra các giải pháp mới

1.2 CÁC PHƯƠNG ÁN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG QUÁ TRÌNH CRACKING XÚC TÁC

Công nghệ cracking xúc tác đãõ được cách mạng hóa bởi sự phát triển của xúc tác zeolit Xúc tác zeolit đãõ làm gia tăng hiệu suất thu nhận xăng và giảm hiệu suất tạo khí Những tính chất của xúc tác như: độ hoạt động, độ chọn lọc, độ ổn định đã được cải tiến liên tục Điều này làm cho các quá trình cracking xúc tác phải được hiệu chỉnh để tận dụng được những ưu điểm của xúc tác

Các quá trình hiệu chỉnh sau đây đã và đang được xem xét:

− Tối thiểu hóa thời gian tiếp xúc giữa các hydrocarbon và xúc tác để chống lại các phản ứng cracking tiếp theo

− Gia tăng hiệu suất tái sinh xúc tác bởi vì hiệu suất của xúc tác zeolit sẽ

đi đôi với lượng carbon lắng đọng làm cản trở những khu vực hoạt động

1.2.1 Sử dụng các thiết bị mới

Những điều kiện phản ứng tối ưu yêu cầu phải phát triển những loại thiết bị mới, đặc biệt là cột phản ứng và bộ phận phân tách xúc tác

Trong một thời gian dài, phần lớn các phản ứng cracking xảy ra trong ống vận chuyển mà mục đích cơ bản đầu tiên là vận chuyển xúc tác đến thiết bị phản

ứng Sau đó vai trò của ống vận chuyển được thay đổi để có thể tiến hành nhiều phản ứng cracking hơn Ngày nay việc sử dụng xúc tác zeolit cho phép loại trừ tất cả những phản ứng cracking dạng tầng để tránh những hỗn hợp hoàn lưu không mong muốn xảy ra trong tầng phản ứng Bây giờ những phản ứng đó xảy ra hoàn toàn trong cột phản ứng

Cột phản ứng cracking hoàn toàn: là cột phản ứng cho phép dòng nhập liệu hydrocarbon tiếp xúc song song hoàn hảo với xúc tác và loại trừ hoàn toàn bất kỳ hỗn hợp hoàn lưu nào Một thiết bị cracking dạng này là model F kiểu Ortho-flow của hãng Kellogg ở hình 1.7

Khó khăn chủ yếu là việc giảm thiểu ăn mòn thiết bị và mài mòn xúc tác, trong khi đó lại cần tốc độ tuần hoàn xúc tác cao để giảm thời gian lưu giữa xúc tác và hydrocarbon cũng như giảm mật độ xúc tác tại thành thiết bị Hai vấn đề này ngược nhau về mục tiêu do đó cần phải có khoảng tối ưu thoả mãn cả hai Hiệu suất tái sinh: cần phải cao để sử dụng xúc tác hiệu quả Vì thế cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng về phản ứng đốt cháy cũng như những yếu tố giới hạn của quá trình Nói chung có hai loại kỹ thuật tái sinh được đề xuất như sau:

toàn dẫn đến mật độ cốc còn lại khoảng 0.1% khối lượng xúc tác Phần CO còn lại từ 8 đến 10% sẽ cho qua lò hơi CO (CO Boiler) để có thể sử dụng lượng nhiệt cháy cũng như nhiệt cảm của dòng khí thải để sản xuất ra hơi nước cao áp Tuy

phải có thiết bị gia nhiệt

thiết bị tái sinh dẫn đến lượng cốc còn lại chỉ khoảng 0.05% khối lượng xúc tác Để kiểm soát kỹ thuật này thì cần phải cải tiến hệ thống phân phối khí cho quá trình đốt cháy cũng như xúc tác trong thiết bị tái sinh Bên cạnh đó cũng cần phải

quan tâm đến vấn đề luyện kim do nhiệt độ cao, đặc biệt với các cột chống đỡ xylon

Khi cân bằng hơi nước trong một nhà máy lọc dầu ở tình trạng thừa, tái sinh

ở nhiệt độ cao sẽ có nhiều thuận lợi hơn trong việc bảo toàn năng lượng so với các kỹ thuật thông thường:

− Giảm tiêu thụ nhiên liệu bởi vì năng lượng gia nhiệt cho dòng nhập liệu giảm cũng như không có lò hơi CO và các thiết bị gia nhiệt bổ sung

− Độ chọn lọc của quá trình tăng lên bởi vì cân bằng nhiệt cải tiến cho phép giảm tỷ lệ xúc tác / dầu

Mặt hạn chế của quá trình tái sinh ở nhiệt độ rất cao là cần phải gia tăng lưu lượng của quạt thổi gió (air blower) Quạt thổi gió này tiêu thụ phần lớn năng lượng được sử dụng trong phân xưởng cracking xúc tác Vì thế cần thiết phải phát triển một hệ thống vận hành thổi gió với năng lượng thu hồi từ dòng khí thải bằng tuabin giãn nở

Mặc dù sau khi được đốt cháy ở thiết bị tái sinh, khí phải đi qua 2 tầng xylon nhưng nó vẫn còn chứa một lượng lớn các hạt xúc tác Những hạt xúc tác rất nhỏ

đó là những chất có độ mài mòn cao do đó trong một thời gian dài, chúng là tác nhân cản trở chủ yếu đến quá trình lắp đặt thiết bị giãn nở để thu hồi năng lượng Các công ty dầu khí đã phát triển rất nhiều công nghệ để giải quyết vấn đề này, đặc biệt là Công ty Shell với thiết bị phân tách tinh vi - xylon giai đoạn 3 - đã loại trừ hầu hết những hạt xúc tác có đường kính lớn hơn 10 micron Thiết bị phân tách được mô tả ở hình 1.8

1.2.2 Sử dụng thiết bị giãn nở thu hồi năng lượng

Năng lượng thu hồi được từ thiết bị giãn nở phụ thuộc vào nhiệt độ khí đầu vào, lưu lượng khí và độ giảm áp suất Năng lượng tối đa có thể thu hồi từ thiết bị giãn nở một tầng vào khoảng 45 kcal cho mỗi kg khí thải Lượng năng lượng thu hồi đối với các điều kiện khác nhau được biểu diễn trong hình 1.9 Về mặt giới hạn công nghệ thì tỷ lệ áp suất khí thải giữa đầu vào và đầu ra là 2.5 đối với giai đoạn đơn

Mặc dù có sử dụng xylon giai đoạn 3 thì vấn đề ăn mòn nhẹ trên các cánh tuabin vẫn tồn tại và gây ra sự giảm hiệu suất thu hồi năng lượng Sau khoảng thời gian hoạt động 5 năm thì năng lượng thu hồi trung bình chỉ còn khoảng 95%

so với lúc mới lắp đặt thiết bị

Việc so sánh giữa năng lượng thu hồi bởi thiết bị giãn nở và năng lượng tiêu thụ bởi quạt thổi gió phụ thuộc vào áp suất vận hành của thiết bị tái sinh và kiểu hệ thống tái sinh được sử dụng Nếu áp suất đầu ra của khí trong thiết bị tái sinh

hồi một cách thích hợp Trong trường hợp khác, nếu thiết bị tái sinh vận hành ở áp suất cao thì nguồn năng lượng yêu cầu bổ sung cho máy quạt gió sẽ vượt quá lượng năng lượng thu hồi bởi thiết bị giãn nở một giai đoạn Vì thế tại áp suất

ứng được nhu cầu của máy quạt gió trong những trường hợp đốt cháy CO không hoàn toàn

Trong một vài trường hợp của thiết bị tái sinh với trạng thái đốt cháy CO không hoàn toàn, cả lò hơi CO và thiết bị giãn nở cùng được sử dụng Đây là điều không cần thiết trong vấn đề bảo toàn năng lượng, mặc dù chúng được sử dụng trong hệ thống Thật ra quá trình giãn nở trong thiết bị giãn nở đã làm lạnh khí

thêm nhiên liệu sử dụng

Mặt khác, khi tái sinh ở nhiệt độ cao, thiết bị giãn nở chỉ cung cấp khoảng 75% khí cho máy quạt gió Khí thải thoát ra khỏi thiết bị tái sinh với nhiệt độ

những giới hạn về công nghệ Thay vào đó, khí sẽ được làm lạnh để giảm nhiệt

Ở đây nhận thấy rằng bảo toàn năng lượng trong quá trình cracking xúc tác chính là khuyến khích vấn đề chống ô nhiễm môi trường Ví dụ, quá trình đốt cháy CO trong thiết bị tái sinh hoặc trong lò hơi CO để thu hồi năng lượng cũng góp phần làm giảm ô nhiễm không khí Cũng tương tự như thế, việc loại bỏ các hạt xúc tác nhỏ để bảo vệ thiết bị giãn nở cũng chính là để bảo vệ môi trường

1.2.3 Tối ưu hóa các thiết bị hiện tại

Xúc tác zeolit tạo cơ hội thuận lợi cho các quá trình cracking xúc tác hiện hữu có thể sử dụng ống vận chuyển để ngăn ngừa phản ứng cracking dạng tầng và phát triển quá trình tái sinh Việc lắp đặt ống vận chuyển mới (cột phản ứng) vào thiết bị cũ đã trở thành quá trình phổ biến Quá trình đó làm cho việc vận hành thiết bị trở nên có lợi hơn rất nhiều do việc hạn chế được phản ứng cracking dạng tầng sẽ làm tăng hiệu suất sản xuất xăng lên 4% và butan lên 2% tại cùng một mức chuyển hóa Dĩ nhiên lượng cốc cũng sẽ giảm xuống

Việc hiệu chỉnh thiết bị tái sinh và điều kiện hoạt động của nó cũng thường có những yếu tố giới hạn Ví dụ, áp suất vận hành không thể vượt quá áp suất thiết kế cho thiết bị Có 2 cách để phát triển động lực của phản ứng cháy:

− Tăng nhiệt độ tái sinh

− Sử dụng xúc tác thích hợp

Việc gia tăng nhiệt độ tái sinh thường yêu cầu sửa đổi bổ sung các loại van, cột chống đỡ xylon và lớp lót chịu nhiệt cho thành thiết bị tái sinh Sử dụng xúc

trừ CO trong vấn đề ăn mòn kim loại ở nhiệt độ cao