Báo cáo GAS TO LIQUID (GTL) chuyển đổi khí đốt thành nhiên liệu lỏng bằng các phương pháp hóa học

Thế giới hiện đang nóng hơn 1°C so với mức độ tiền công nghiệp. Các nhà khoa học khí hậu hàng đầu thế giới đã cảnh báo chúng ta chỉ còn 12 năm để duy trì sự nóng lên toàn cầu ở mức tối đa 1.5°C, vượt quá nửa độ sẽ làm tăng đáng kể nguy cơ hạn hán, lũ lụt, sóng nhiệt và nghèo đói cho hàng trăm triệu người. Chỉ khác biệt 0.5°C cũng ngăn cản được sự tận diệt 99% các rạng san hô toàn cầu do sự axít hóa đại dương. Côn trùng, vốn rất quan trọng cho sự thụ phấn của cây trồng và thực vật có khả năng mất một nửa môi trường sống ở 2°C so với 1.5°C. Cũng ở 1.5°C, tỷ lệ dân số toàn cầu chịu sự thiếu nước có thể thấp hơn 50% so với 2°C và cùng rất nhiều vấn đề khác. IPCC vạch ra bốn con đường để đạt được mức 1.5°C, với sự kết hợp khác nhau giữa quản lý sử dụng đất và thay đổi công nghệ. Trồng rừng là điều cần thiết cũng như việc chuyển đổi sang hệ thống giao thông dùng năng lượng điện và áp dụng nhiều hơn các công nghệ thu giữ carbon (CCS). Đảo ngược các xu hướng phát thải là điều cần thiết để thế giới có bất kỳ cơ hội nào đạt mức 1.5°C mà không cần dựa vào các công nghệ biến đổi bức xạ mặt trời và các hình thức kỹ thuật địa lý khác, vốn có thể gây ra hậu quả tiêu cực. [59] Chi phí và khối lượng công việc để thực hiện những sự chuyển đổi này rất cao, nhưng thiệt hại sẽ cao hơn nếu chúng ta không làm gì hết. Hơn thế nữa, những sự chuyển đổi này là khả thi trong những quy luật vật lý và hóa học mà chúng ta biết ngày nay, điều cần thiết nhất là quyết tâm chính trị. Một trong những khía cạnh của việc cắt giảm khí nhà kính là cải thiện các công nghệ để giảm phát thải từ các nguồn hiện tại. Đồng thời, kết hợp năng lượng tái tạo cùng với các công nghệ tổng hợp nhiên liệu (power to fuel) để giảm sự bất ổn về tải của các tổ hợp năng lượng tái tạo đang được xây dựng ở Việt Nam. Các công nghệ Gas-to-liquid (GTL) về cơ bản thỏa mãn được cả hai mục tiêu trên

KHOA ĐỘNG LỰC

- -BÁO CÁO GAS-TO-LIQUID (GTL)

Chuyển đổi khí đốt thành nhiên liệu lỏng bằng các phương pháp hóa học

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Thế giới hiện đang nóng hơn 1°C so với mức độ tiền công nghiệp Các nhà khoahọc khí hậu hàng đầu thế giới đã cảnh báo chúng ta chỉ còn 12 năm để duy trì sựnóng lên toàn cầu ở mức tối đa 1.5°C, vượt quá nửa độ sẽ làm tăng đáng kể nguy cơhạn hán, lũ lụt, sóng nhiệt và nghèo đói cho hàng trăm triệu người Chỉ khác biệt0.5°C cũng ngăn cản được sự tận diệt 99% các rạng san hô toàn cầu do sự axít hóađại dương Côn trùng, vốn rất quan trọng cho sự thụ phấn của cây trồng và thực vật

có khả năng mất một nửa môi trường sống ở 2°C so với 1.5°C Cũng ở 1.5°C, tỷ lệdân số toàn cầu chịu sự thiếu nước có thể thấp hơn 50% so với 2°C và cùng rấtnhiều vấn đề khác IPCC vạch ra bốn con đường để đạt được mức 1.5°C, với sự kếthợp khác nhau giữa quản lý sử dụng đất và thay đổi công nghệ Trồng rừng là điềucần thiết cũng như việc chuyển đổi sang hệ thống giao thông dùng năng lượng điện

và áp dụng nhiều hơn các công nghệ thu giữ carbon (CCS) Đảo ngược các xuhướng phát thải là điều cần thiết để thế giới có bất kỳ cơ hội nào đạt mức 1.5°C màkhông cần dựa vào các công nghệ biến đổi bức xạ mặt trời và các hình thức kỹ thuậtđịa lý khác, vốn có thể gây ra hậu quả tiêu cực [59]

Chi phí và khối lượng công việc để thực hiện những sự chuyển đổi này rất cao,nhưng thiệt hại sẽ cao hơn nếu chúng ta không làm gì hết Hơn thế nữa, những sựchuyển đổi này là khả thi trong những quy luật vật lý và hóa học mà chúng ta biếtngày nay, điều cần thiết nhất là quyết tâm chính trị

Một trong những khía cạnh của việc cắt giảm khí nhà kính là cải thiện các côngnghệ để giảm phát thải từ các nguồn hiện tại Đồng thời, kết hợp năng lượng tái tạocùng với các công nghệ tổng hợp nhiên liệu (power to fuel) để giảm sự bất ổn về tảicủa các tổ hợp năng lượng tái tạo đang được xây dựng ở Việt Nam Các công nghệGas-to-liquid (GTL) về cơ bản thỏa mãn được cả hai mục tiêu trên

Chương 1 Tình hình năng lượng và môi trường trên thế giới

Phần 1.1 Xu hướng năng lượng trên thế giới

Hình 1.1 “Năm 2050, dự đoán giá “khí đốt tự nhiên” giảm và chi phí năng lượng táitạo giảm làm cho các loại năng lượng này ngày càng có sức cạnh tranh” [1]

Theo báo cáo và tháng 01/2019 của “U.S Energy Information Administration” thìsau khi các cơ sở xuất khẩu LNG hiện đang được xây dựng hoàn thành vào năm

2022, năng lực xuất khẩu LNG của Hoa Kỳ sẽ tăng thêm Tăng trưởng nhu cầu ởChâu Á cho phép khí đốt tự nhiên của Hoa Kỳ duy trì tính cạnh tranh ở đó Sau năm

2030, LNG của Hoa Kỳ không còn cạnh tranh vì các nhà cung cấp bổ sung tham giavào thị trường LNG toàn cầu, giảm giá LNG và làm cho khả năng xuất khẩu LNGcủa Hoa Kỳ không kinh tế Giá khí đốt tự nhiên tiếp tục giảm và sự phát triển củacông nghiệp điện tái tạo sẽ dẫn đến giá bán điện thấp hơn, sự thay đổi trong tỷ lệ sửdụng, và giảm thời gian vận hành đối với một số lượng lớn nhà máy phát điện than

và hạt nhân Với sự phát triển của công nghiệp năng lượng tái tạo và thị trường khíthiên nhiên, kết hợp áp dụng các công nghệ mới, giá khí thiên nhiên duy trì mứcthấp và áp lực từ các chính sách hạn chế phát thải khí nhà kính sẽ giúp quá trìnhGTL trở nên tiềm năng

Hình 1.2 Dự đoán nguồn cung các loại năng lượng tại Đông Nam Á và Thái Bình

Dương cho đến năm 2050 theo kịch bản “Jazz”, với sự thống trị của than, sự phát

triển thị trường khí thiên nhiên, và việc xúc tiến đầu tư vào năng lượng gió-mặt

trời-địa nhiệt [2]

Hình 1.3 Dự đoán nguồn cung các loại năng lượng tại Đông Nam Á và Thái Bình

Dương cho đến năm 2050 theo kịch bản “Symphony”, với các công nghệ thu giữ

carbon và năng lượng tái tạo sẽ tích hợp nhiều hơn vào các tổ hợp sản xuất điện từ

khí đốt, than và sinh khối [2]

Hình 1.4 Đến cuối năm 2017, 85 quốc gia, tiểu bang hoặc tỉnh thành đã và đang có mục tiêu

đạt hơn 50% lượng điện từ năng lượng tái tạo [3]

NĂNG LƯỢNG MỚI TRÊN Ô TÔ GVHD: TS VÕ TẤN CHÂU

ĐỀ TÀI: GAS-TO-LIQUIDS (GTL)cầu pha nhiên

liệu sinh họcvẫn là mộttrong những

cơ chế được ápdụng rộng rãinhất để tăngviệc sử dụngnhiên liệu táitạo trong lĩnhvực vận tảiđường bộ [4]

Phần 1.2 Khái quát về khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên (còn gọi là khí gas, khí ga -từ chữ gaz trong tiếng Pháp), hỗn hợpchất khí cháy được, bao gồm phần lớn là các hydrocarbon (hợp chất hóa học chứacacbon và hyđrô) Cùng với than đá, dầu mỏ và các khí khác, khí thiên nhiên lànhiên liệu hóa thạch Khí thiên nhiên có thể chứa đến 85% mêtan (CH4) và khoảng10% êtan (C2H6), và cũng có chứa số lượng nhỏ hơn propan (C3H8), butan (C4H10),pentan (C5H12), và các alkan khác Khí thiên nhiên chứa lượng nhỏ các tạp chất, baogồm điôxít cacbon (CO2), hyđrô sulfit (H2S), và nitơ (N2) Do các tạp chất này cóthể làm giảm nhiệt trị và đặc tính của khí thiên nhiên, chúng thường được tách rakhỏi khí thiên nhiên trong quá trình tinh lọc khí và được sử dụng làm sản phẩm phụ[47]

Phần 1.3 Phát thải từ việc đốt cháy khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên thường được mô tả là nhiên liệu hóa thạch sạch nhất Nó tạo ra 25%–30% và ít hơn 40% –45% carbon dioxide trên mỗi joule được phân phối so với dầu

và than tương ứng và có khả năng gây ô nhiễm ít hơn các nhiên liệu hydrocacbonkhác

Tuy nhiên, về mặt tuyệt đối, nó bao gồm một tỷ lệ phần trăm đáng kể lượng khí thảicarbon của con người thải ra, và sự phát thải này được dự báo sẽ tăng lên Theo Báocáo đánh giá lần thứ tư của IPCC, năm 2004, khí tự nhiên tạo ra khoảng 5,3 tỷ tấn

CO2 thải ra trong vòng một năm, trong khi than và dầu sản xuất lần lượt là 10,6 và10,2 tỷ tấn Theo Báo cáo đặc biệt về kịch bản phát thải (Special Report onEmissions Scenario) vào năm 2030, khí thiên nhiên sẽ là 11 tỷ tấn mỗi năm, vớithan và dầu hiện nay là 8,4 và 17,2 tỷ tương ứng do nhu cầu tăng 1,9% một năm.[47]

Hình 1.6a Khí thiên nhiên (Natural Gas) được cho là nhiên liệu hóa thạch cháy sạch

nhất [5][6][47]

Hình 1.6b Các thành phần có trong khí thiên nhiên [6]

Phần 1.4 Phân bố của khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên, thường tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở trong vỏ Trái Đất, đượckhai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25% nguồn cung nănglượng thế giới Khí thiên nhiên còn được tìm thấy trong các thành tạo ngầm dướilòng đất hoặc liên kết với các hồ chứa hydrocacbon khác trong các vỉa than và dướidạng methane clathrates Về cơ bản, khí thiên nhiên thường được khai thác ở nhữngvùng hẻo lánh cách xa các đô thị [60]

Ngày 31/12/2015, được sự ủy quyền của Lãnh đạo Bộ Công Thương, Tổng cụcNăng lượng tổ chức Hội thảo công bố "Quy hoạch địa điểm kho chứa khí thiênnhiên hóa lỏng (LNG) trên phạm vi cả nước đến năm 2020, tầm nhìn đến năm2030" Trên cơ sở phân tích các yếu tố về mặt vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên môitrường, kỹ thuật và kinh tế, các địa điểm được ưu tiên lựa chọn cho Quy hoạch khocảng LNG bao gồm: miền Bắc là Cát Hải (Hải Phòng); miền Trung là Mỹ Giang(Khánh Hòa); miền Nam là Sơn Mỹ (Bình Thuận), Thị Vải (Bà Rịa - Vũng Tàu) vàHòn Khoai (Cà Mau) Trong tương lai sẽ có các quy hoạch khác [61]

Hình 1.7 Bản đồ phân bố các bể trầm tích gần Việt Nam [7]

Hình 1.8 Ước tính trữ lượng dầu chưa được khám phá, nơi có thể tìm thấy khí thiên

nhiên [8]

Hình 1.9 Bản đồ phân lô khai thác dầu khí ở phía nam Việt Nam, những đường màu

đỏ là những đường ống dẫn dầu khí [9]

Hình 1.10 Cơ cấu và sản lượng khí thiên nhiên ở Việt Nam [53]

Phần 1.5 Vận chuyển và tàng trữ khí thiên nhiên hiện nay

(a) Sau khi được chế biến, khí thiên nhiên được vận chuyển bằng các đường ốngdẫn khí đến các hộ tiêu thụ là các khu dân cư hay các khu công nghiệp Khikhí di chuyển trong lòng ống, sự ma sát của khí lên thành ống làm giảm lưulượng khí Do đó, các trạm nén được lắp đặt dọc theo tuyến ống để bổ sung

áp lực cần thiết đủ giữ cho khí di chuyển đến nơi yêu cầu

Hình 1.11 Một số hình ảnh trong quá trình thi công dự án đường ống dẫn khí Nam

Côn Sơn 2 (giai đoạn 1) [10]

(b) Một khi khí đã đến nơi tiêu thụ, các công ty khí đốt thường chứa vào các bồn

bể để cung cấp cho thị trường vào giờ cao điểm Ví dụ khi thời tiết lạnh thìnhu cầu tiêu thụ khí tự nhiên thường vượt quá số lượng đường ống có thể vậnchuyển từ các nhà máy chế biến khí thiên nhiên Do đó, các công ty kinhdoanh khí đốt thường chứa khí thiên nhiên vào các bể chứa lớn chịu áp lựccao hoặc chứa vào các tầng đá xốp Trong nhiều trường hợp, các khu vựctàng trữ khí thiên nhiên được sử dụng là các mỏ than hoặc các giếng dầu đã

bị bỏ hoang Khi cần, người ta lại bơm lên mặt đất

Hình 1.12 Kho cảng chuyên dụng của PV GAS [11]

(c) Khí thiên nhiên có thể được chở bằng tàu và tàng trữ dưới dạng Khí tự nhiênhóa lỏng (Liquified Natural Gas - LNG) Khí thiên nhiên được hóa lỏng ởnhiệt độ -160 °C (-256 °F) Khí thiên nhiên chiếm thể tích lớn hơn 600 lầnlớn hơn so với dạng lỏng của nó Khí hóa lỏng được vận chuyển bằng tàu bồn

và xe bồn

Hình 1.13 Loại tàu bồn chở khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) thông dụng

Hình 1.14 Cảng khí thiên nhiên ở Bangladesh [16]

Ở Việt Nam, dầu thô được khai thác ở quy mô công nghiệp từ năm 1986nhưng “khí đồng hành” (khí tự nhiên được tìm thấy cùng dầu thô) vẫn bị đốt

bỏ ngay tại mỏ cho đến năm 1997 Hình ảnh những ngọn lửa rực sáng trêncác giàn khoan trong đêm đã một thời là hình ảnh nổi tiếng và có phần tự hào

về nền công nghiệp dầu khí non trẻ của Việt Nam Việc xử lý khí đồng hànhvới khối lượng lớn cần lượng máy móc đồ sộ mà điều kiện khai thác trênbiển không cho phép thực hiện Giải pháp triệt để là lắp đặt đường ống vàđưa số khí đó vào bờ Năm 1997, hệ thống xử lý đồng hành của Việt Nam bắtđầu vận hành, hàng năm đưa khoảng 1 tỷ m³ vào bờ, cung cấp khí hóa lỏng,dung môi pha xăng (condensate), khí tự nhiên cho các nhà máy điện[5], v.v Ngày nay, khí đồng hành là nguyên liệu chủ yếu sản xuất khí hóa lỏng vàdung môi pha xăng; là một phần nguyên liệu cung cấp cho Nhà máy phânđạm Phú Mỹ, và nhiên liệu cho các nhà máy điện dùng turbine khí [51]

Hình 1.15 Đuốc đốt khí tại một giàn khoan ở Biển Đông (trái) và tại một nhà

máy công nghiệp dầu khí tại Yenagoa, bang Bayelsa, Nigeria (phải) [52]

(e) Rò rỉ khí thiên nhiên:

Khí thiên nhiên chủ yếu bao gồm mêtan Sau khi thải ra bầu khí quyển, nóđược loại bỏ bằng cách oxy hóa dần dần thành cacbon dioxit và nước bằngcác gốc hydroxyl (OH−) được hình thành ở tầng đối lưu hoặc tầng bình lưu,cho phản ứng hóa học tổng thể: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2OTrong quá trình khai thác, lưu trữ, vận chuyển và phân phối, khí tự nhiênđược biết là rò rỉ vào khí quyển, đặc biệt là trong quá trình khai thác Nghiêncứu của Nathan G.Phillips cùng các cộng sự đã đánh dấu 3356 điểm rò rỉ khíthiên nhiên trong suốt 785 dặm đường phố ở Boston, với mức độ tập trunggấp 15 lần mức trung bình toàn cầu

Hình 1.16 Nghiên cứu của Nathan G.Phillips cùng các cộng sự đã đánh dấu 3356

điểm rò rỉ khí thiên nhiên ở Boston [18]

(f) Nguy cơ cháy nổ

Các vụ nổ do rò rỉ khí tự nhiên xảy ra vài lần mỗi năm Nhà riêng của hộ giađình, doanh nghiệp nhỏ và các cấu trúc khác thường bị ảnh hưởng nhất khi rò

rỉ tích tụ khí bên trong cấu trúc Thông thường, vụ nổ đủ mạnh để gây thiệthại đáng kể cho một tòa nhà nhưng vẫn để nó đứng vững Trong nhữngtrường hợp này, những người bên trong có xu hướng bị thương nhẹ đến trungbình Thỉnh thoảng, khí có thể tích tụ với lượng đủ cao để gây ra một vụ nổchết người, phá hủy một hoặc nhiều tòa nhà trong quá trình này Khí thườngtiêu tan dễ dàng ngoài trời, nhưng đôi khi có thể tích tụ với số lượng nguyhiểm nếu tốc độ dòng chảy đủ cao Tuy nhiên, xét đến hàng chục triệu cấutrúc và địa điểm có tiêu thụ khí thiên nhiên, nguy cơ cho cá nhân khi sử dụngkhí thiên nhiên rất thấp [60]

Hình 1.17 Một chiếc xe buýt chạy bằng khí nén thiên nhiên đã phát nổ vào 4:55

chiều ngày 09/08/2010 gần nhà ga Haengdang ở quận Seongdong, đông Seoul, HànQuốc, gây bị thương cho 17 hàng khách và người đi bộ Nguyên nhân được cho là

do vấn đề đối với bình nhiên liệu [65]

(g) Sử dụng khí thiên nhiên trong giao thông vận tải tại Việt Nam:

Đồng hành cùng Sở Giao thông Vận tải (GTVT) TP.HCM, PV Gas South làđơn vị cung cấp khí CNG cho toàn bộ hệ thống xe buýt tại khu vực TP.HồChí Minh Việc sử dụng CNG thay thế dần nhiên liệu hóa thạch truyền thốngđang khá phổ biến hiện nay Xe buýt chạy CNG vận hành êm ái hơn, giúpgiảm phát thải 20% khí CO2, 75% khí NOx , gần 65% khí CO và hơn 60% khí

HC ra môi trường, tiết kiệm từ 30-40% chi phí nhiên liệu so với xe buýtDiesel thông thường [54] Theo Sở GTVT Tp Hồ Chí Minh, việc chuyểnđổi các xe buýt chạy xăng sang sử dụng CNG sẽ được thực hiện bằng 3phương pháp, đó là: lắp thêm bộ chuyển đổi; thay thế bằng động cơ CNG vàđầu tư mua mới xe buýt sử dụng CNG Hiện tại, đã có 28 chiếc xe buýt sửdụng CNG được nhập về từ Hàn Quốc do Công ty Xe khách Sài Gòn và Liênhiệp HTX Vận tải TP quản lý và vận hành [58]

TS Nguyễn Sĩ Thắng và Cộng sự (vào năm 2012), từng thực hiện đề tài xâydựng cơ sở lý thuyết ứng dụng chuyển đổi xe động cơ xăng sang sử dụng Khínén thiên nhiên (CNG – Compressed Natural Gas) Đã chuyển đổi sử dụngCNG cho 02 xe Toyota Innova và Toyota Corolla Altis và tiến hành đo cácthông số kỹ thuật và so sánh các kết quả sử dụng CNG và xăng Đã triển khaiđại trà ở TP Hồ Chí Minh và Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu với hơn 300 xe chuyểnđổi sang sử dụng CNG do Công ty CP Kinh doanh Khí hóa lỏng miền Nam,Tổng Công ty Khí Việt Nam, thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam tiến hành.Kết quả sơ bộ là chi phí nhiên liệu CNG đã giảm hơn 35% so với sử dụngxăng [55]

Tuy giá nhiên liệu thấp, nhưng chi phí đầu tư ban đầu cao, thời gian nạp lâu,

bố trí trạm khí CNG chưa hợp lý, tốc độ phát triển các trạm khí không đồng

bộ với các tuyến xe buýt đã trở thành trở ngại trong việc phổ cập phương tiệngiao thông sử dụng khí thiên nhiên.[57]

Hình 1.18 Xe Buýt đang nạp khí tại trạm nạp khí thiên nhiên nén (CNG) [54]

Hình 1.19 Xe taxi được cải tiến hệ thống nhiên liệu CNG [55]

(h) Kết luận về ứng dụng trong giao thông vận tải:

Đa phần hoạt động vận chuyển, tàng trữ và tiêu thụ khí thiên nhiên hiện nay

có chi phí cao, nguy hiểm, tiềm năng gây hiệu ứng nhà kính cao, đòi hỏi tiêuchuẩn quản lý nghiêm ngặt, kém hiệu quả và lãng phí Khó sử dụng khí thiênnhiên trong các phương tiện giao thông hiện nay, như máy bay, tàu hỏa, tàuthủy, ô tô và cơ sở hạ tầng nhiên liệu chủ yếu dựa vào nhiên liệu lỏng Vàchuyển đổi sang hệ thống khí thiên nhiên tốn chi phí rất lớn Một trong cácgiải pháp cho điều đó là ứng dụng các công nghệ GTL để chuyển đổi khíthiên nhiên thành nhiên liệu lỏng

Phần 1.6 Tác động của khí thiên nhiên đến hiệu ứng nhà kính

(a) Với phần lớn thành phần là CH4, “chỉ số khả năng gây nóng lên toàn cầu”(GWP) của ‘khí thiên nhiên’ so với CO2 gấp 84 lần trong khoảng 20 năm và

28 lần cho khoảng 100 năm [15] “Chỉ số khả năng gây nóng lên toàn cầu”(Global warming potential - GWP) là phương pháp đo lượng nhiệt mà mộtphân tử của một khí nhà kính thu giữ trong khí quyển cho đến một khoảngthời gian cụ thể, so với mức chuẩn là khí CO2

Hình 1.20 So sánh giữa “chỉ số khả năng gây nóng lên toàn cầu” (GWP) giữa CO2,

CH4 và N2O [14]

Hình 1.21 Tỷ lệ các loại khí trong phát thải khí nhà kính toàn cầu [14].

Hìn

h 1.22 Thống kê năm 1997 cho thấy con người đóng góp 71% lượng CH4 phát thải

toàn cầu [42]

(b) Hiệu ứng “band saturation” làm giảm tiềm năng nhà kính của CO2 và khuyếtđại của CH4 Mặc dù CH4 có một "dải bước sóng được hấp thụ" yếu hơn CO2,nhưng bởi vì hiệu ứng "band saturation” nên CH4 sẽ được cho là khí nhà kínhtiềm năng hơn [44] Bởi vì đã có quá nhiều khí CO2, càng bổ sung nhiều khí

CO2 trong khí quyển thì tiềm năng làm nóng của từng phân tử CO2 sẽ cànggiảm Khí CH4 có nồng độ thấp hơn nhiều và hấp thụ một phần khác nhaucủa dải bức xạ hồng ngoại so với CO2, do đó bất kỳ lượng khí CH4 bổ sungnào cũng sẽ có hiệu ứng nhà kính lớn hơn so với cùng lượng CO2 Đây là lý

do tại sao chúng ta nói khí CH4 là một loại khí nhà kính mạnh hơn CO2

Hình 1.23 Khí quyển hấp thụ và tán xạ năng lượng bức xạ ở các bước sóng khác

nhau của dải sóng điện từ [45]

(c) Vào năm 2011, Lượng CH4 trong khí quyển cao gấp 2.5 lần mức trung bình,đạt mức kỷ lục trong 800,000 năm qua [41]

Hình 1.24 Tuổi thọ trung bình của một số loại khí nhà kính [14]

Hình 1.25 Dòng thời gian tỷ lệ tích tụ khí nhà kính trong khí quyển [14]

(d) CO2 (44.01 g/mol) nặng hơn không khí (29 g/mol), CH4 (16.05 g/mol) nhẹhơn không khí nên tập trung trong bầu khí quyển ở độ cao lớn hơn nên khảnăng giữ bức xạ nhiệt của mặt trời lớn hơn.

(e) Bản thân CH4 là một nguồn sản sinh CO2 thông qua phản ứng oxy hóa CH4

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 212.8kcal/mol

(f) CH4 cũng đa phần tập trung ở xích đạo, nơi nhận lượng bức xạ mặt trời lớnnhất [41]

Hình 1.26 Các mô hình máy tính hiển thị lượng khí mêtan (phần triệu theo thể tích)

ở bề mặt hành tinh (hình trên) và trong tầng bình lưu (hình dưới) [41]

Chương 2. Tổng quan công nghệ Gas-to-liquid (GTL)

Phần 2.1 Giới thiệu công nghệ Gas-to-liquid (GTL)

(a) Gas-to-liquid (GTL) là một quá trình tinh chế để chuyển đổi khí tự nhiênhoặc hydrocarbon dạng khí khác thành hydrocarbon chuỗi dài hơn, như nhiênliệu xăng hoặc Diesel Khí giàu metan được chuyển đổi thành nhiên liệu tổnghợp lỏng Hai phương pháp chính tồn tại: (i) “oxy hóa không hoàn toàn”methane thành methanol thông qua xúc tác [19] và (ii) các quá trình giốngnhư Fischer của Tropsch chuyển đổi carbon monoxide và hydro thànhhydrocarbon Phương pháp ii được thực hiện theo các phương pháp khácnhau để chuyển đổi hỗn hợp hydro-carbon monoxide thành chất lỏng.Phương pháp i đã được chứng minh trong tự nhiên nhưng không đượcthương mại hóa rộng rãi Các công nghệ phụ thuộc vào phương pháp i đãđược thương mại hóa chủ yếu ở các khu vực nơi khí đốt tự nhiên không tốnkém [21]

Hình 2.1 Hai phương pháp chính cho quá trình GTL

(b) GTL có mục đích là sản xuất nhiên liệu lỏng, dễ vận chuyển hơn khí mê-tan.Khí mê-tan phải được làm lạnh dưới nhiệt độ tới -82,3°C để được hóa lỏngdưới áp suất nhất định Do các thiết bị đông lạnh nên tàu chở dầu LNG rấtđắt tiền, chưa kể nguy hiểm tiềm tàng Methanol là một chất lỏng dễ cháyđược xử lý thuận tiện, nhưng mật độ năng lượng của nó chỉ bằng một nửa sovới xăng [21].

(c) Từ hàng thập niên qua, chi phí trung bình cao khiến GTL chưa thể cạnh tranhvới nhiên liệu sản xuất trực tiếp từ dầu thô Cho đến những năm gần đây, nhờviệc áp dụng các công nghệ mới, giá khí thiên nhiên duy trì mức thấp và áplực từ các chính sách hạn chế phát thải khí nhà kính đã giúp quá trình GTLtrở nên tiềm năng [62]

(d) Có nhiều loại quá trình GTL khác nhau: quá trình Fischer–Tropsch; quá trìnhchuyển đổi methane thành methanol và sau đó chuyển đổi tiếp thành xăngthông qua quá trình methanol-to-gasoline (MTG) và methanol-to-olefins; quátrình syngas-to-gasoline-plus (STG+), quá trình gas-to-liquids sinh học (Bio-GTL), Đề tài này tập trung giới thiệu quá trình Fischer–Tropsch

Phần 2.2 Quá trình Fischer–Tropsch

(a) Quá trình Fischer–Tropsch là một tập hợp các phản ứng hóa học nhằmchuyển đổi hỗn hợp carbon monoxide và hydro thành hydrocarbon lỏng.Những phản ứng này xảy ra với sự có mặt của các chất xúc tác kim loại,thường ở nhiệt độ 150~300°C và áp suất từ một đến vài chục atmosphere.Quá trình Fischer–Tropsch (FT) là một phản ứng quan trọng trong cả côngnghệ coal-to-liquid và công nghệ gas-to-liquid để sản xuất hydrocarbon lỏng.Trong cách thực hiện thông thường, carbon monoxide và hydro, nguyên liệucho FT, được sản xuất từ than đá, khí tự nhiên hoặc sinh khối trong một quátrình được gọi là khí hóa (gasification) Sau đó, quá trình Fischer–Tropsch sẽchuyển đổi các khí này thành dầu bôi trơn tổng hợp và nhiên liệu tổng hợp.Các khí phản ứng đi vào lò phản ứng Fischer–Tropsch phải được khử lưuhuỳnh Nếu không, các tạp chất có chứa lưu huỳnh sẽ khử hoạt tính của cácchất xúc tác cần thiết cho các phản ứng trong quá trình Fischer–Tropsch [27]

Hình 2.2 Khát quát quá trình GTL thông qua phương pháp Fischer–Tropsch.

Hình 2.3 Tổng quan quá trình GTL thông qua phương pháp Fischer–Tropsch Ảnh

bởi Dexcel từ English Wikipedia, CC BY-SA 3.0 [21]

(b) Quá trình Fischer–Tropsch bao gồm một loạt các phản ứng hóa học tạo ranhiều loại hydrocarbon, lý tưởng là loại có công thức của ankan (CnH2n + 2).Các phản ứng hữu ích hơn tạo ra ankan như sau:

(2n + 1) H2 + n CO → CnH2n+2 + n H2O

Trong đó n thường là 10-20 Sự hình thành của metan (n = 1) là không mongmuốn Hầu hết các ankan được sản xuất có xu hướng là mạch thẳng, thíchhợp làm nhiên liệu Diesel Ngoài việc hình thành ankan, các phản ứng đồngthời còn cho ra một lượng nhỏ anken, rượu và các hydrocacbon có chức phân

tử oxy khác [27]

(c) Một số phản ứng được sử dụng để điều chỉnh tỷ lệ H2:CO Quan trọng nhất làphản ứng “water-gas shift”, vốn cung cấp hydro từ việc tiêu thụ carbonmonoxide:

H2O + CO → H2 + CO2 - 41kJ/mol

(d) Đối với các nhà máy Fischer–Tropsch sử dụng mê-tan làm nguyên liệu, mộtphản ứng quan trọng khác là “reforming” bằng hơi nước, chuyển đổi khímêtan thành CO và H2:

vì vậy năm 2009, Công ty Total Gaz&Power đã đề nghị một nhóm nghiêncứu của Viện Khoa học phân tử Van’t Hoff cùng hợp tác phát triển xúc tácFischer-Tropsch mới Các nhà khoa học đã đứng trước thách thức là phải tạo

ra một chất xúc tác rẻ hơn và có thể được sản xuất ở quy mô lớn, nhưng phảihoạt động cũng tốt như coban tinh khiết [64]

(f) Trong quá trình Fischer–Tropsch, các điều kiện có thể thay đổi để tạo ra các

tỷ lệ sản phẩm khác nhau: Nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ nhiên liệu, lượng chất táichế, chất xúc tác, lượng chất xúc tác, phương pháp xúc tác, tận dụng sự tỏanhiệt của phản ứng, phương pháp tách sản phẩm, biến thiên nhiệt độ, biếnthiên áp suất, loại lò phản ứng,

Chương 3 Hệ thống Gas-to-liquid (GTL) cỡ nhỏ

Phần 3.1 Ứng dụng thương mại của quá trình GTL

(a) Sử dụng các quy trình GTL, các nhà máy lọc dầu có thể chuyển đổi một sốchất thải dạng khí (khí đốt) thành dầu nhiên liệu có giá trị, có thể được bánnguyên chất hoặc pha trộn với nhiên liệu Diesel Ngân hàng Thế giới ướctính rằng hơn 150 tỷ mét khối khí đốt tự nhiên bị lãng phí do đốt khí dư hoặcthông hơi hàng năm, một lượng trị giá khoảng 30.6 tỷ đô la, tương đương với25% lượng khí đốt tiêu thụ hàng năm của Hoa Kỳ hoặc 30% của Châu Âucủa Liên minh, một nguồn tài nguyên có thể hữu ích khi sử dụng GTL Cácquy trình GTL cũng có thể được sử dụng để cải thiện tính kinh tế việc khaithác các mỏ khí đốt ở những nơi không kinh tế để xây dựng một đường ốngdẫn khí Quá trình này sẽ ngày càng có ý nghĩa khi tài nguyên dầu thô cạnkiệt [21]

(b) Royal Dutch Shell sản xuất dầu Diesel từ khí tự nhiên trong một nhà máy ởBintulu, Malaysia Một cơ sở Shell GTL khác là nhà máy Pearl GTL tạiQatar, cơ sở GTL lớn nhất thế giới SASOL gần đây đã xây dựng cơ sở OryxGTL tại thành phố công nghiệp Ras Laffan, Qatar và cùng với Uzbekneftegaz

và Petronas xây dựng nhà máy GTL của Uzbekistan Tập đoàn Chevron,trong một liên doanh với Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Nigeria đang vận hànhEscravos GTL tại Nigeria, sử dụng công nghệ Sasol [21]

(c) Các trở ngại trong việc triển khai công nghệ GTL:

(i) Hạn chế về công nghệ của các quốc gia.

(ii) Hạn chế về cơ sở hạ tầng.

(iii) Chính sách chưa tạo điều kiện thuận lợi để phát triển.

(iv) Khó khăn trong tiếp cận nguồn nhiên liệu

(v) Thiếu nguồn nhiên liệu ở nhiều khu vực.

Phần 3.2 Hệ thống GTL cỡ nhỏ

(a) Những dự án đầu tư mạo hiểm mới: Thế hệ công nghệ GTL mới đang đượctheo đuổi để chuyển đổi khí đốt từ đa nguồn thành nhiên liệu lỏng có giá trị.Các nhà máy GTL dựa trên các chất xúc tác mới cho quá trình Fischer–Tropsch đã được xây dựng bởi công ty INFRA Technology Các công ty chủyếu khác của Hoa Kỳ bao gồm Velocys, ENVIA Energy, Waste Management,NRG Energy, Ventech, Velocys, ThyssenKrupp Industrial Solutions, LibertyGTL, Petrobras, Greenway Innovative Energy, Primus Green Energy,Compact GTL và Petronas Một vài trong số các quá trình GTL này đã chứngminh được khả năng của họ với các chuyến bay trình diễn sử dụng nhiên liệujet fuel mà họ sản xuất [21]

(b) Vì nguyên liệu khí đốt tự nhiên chiếm hơn 85% chi phí của các sản phẩmGTL, công nghệ này hiện đang cạnh tranh so với các sản phẩm từ dầu thô.Hơn nữa, việc phát triển các nhà máy GTL cỡ 1.000 đến trung bình 20.000thùng mỗi ngày được tiêu chuẩn hóa dưới dạng các đơn vị sản xuất, làm chohoạt động của các nhà máy như vậy đối với “stranded natural gas” là một giảipháp hợp lý và thương mại [66]

(c) INFRA Technology LLC chuyên cung cấp các công nghệ để sản xuất nhiênliệu tổng hợp từ khí thiên nhiên, than và sinh khối Công ty này cung cấp chấtxúc tác Fischer-Tropsch cho các công nghệ GTL, thông qua đó sản xuất dầutổng hợp loại nhẹ và nhiên liệu tổng hợp lỏng cho giao thông vận tải từ khíthiên nhiên và khí đồng hành, cũng như từ nhiên liệu sinh khối và nhiên liệuhóa thạch INFRA Technology LLC có trụ sở tại Houston, Texas [67]

(d) INFRA M100 GTL là nhà máy bao gồm các mô-đun GTL có thể vận chuyểndựa trên việc chuyển đổi trực tiếp khí tự nhiên thành dầu tổng hợp M100đảm bảo 100 thùng dầu tổng hợp (hỗn hợp 60/40 của xăng và dầu Diesel kèmtheo tỷ lệ cao nhiên liệu máy bay) từ gần 30,000 m3 khí (mê-tan) mỗi ngày.Hơn 95% sản phẩm là nhiên liệu lỏng loại nhẹ (FBP <360 ° C) Không có lưuhuỳnh và chất thơm Sản phẩm bao gồm lượng lớn iso-parafin và olefin Chỉ

số cetane cao (lên đến 70) cho nhiên liệu Diesel Tỷ lệ nhiên liệu máy baytrong tổng sản phẩm lên đến 45% [68]

Hình 3.1 Nhà máy INFRA M100 GTL [21]

Hình 3.2 Mô phỏng nhà máy INFRA M100 GTL [26]

Hình 3.3 Nhà máy INFRA M100 GTL nhìn từ trên cao [27].

Hình 3.4 Nhà máy INFRA M100 GTL là một hệ thống kín và có thể tự cung cấp

nước và điện [27]

Hình 3.5 Đơn vị “Reforming” mê-tan bằng hơi nước của nhà máy INFRA M100

GTL [26]

Hình 3.6 Đơn vị sản xuất syn-gas của nhà máy INFRA M100 GTL [26]

Hình 3.7 Các lò phản ứng Fischer-Tropsch của nhà máy INFRA M100 GTL [26]

Hình 3.8 Đơn vị tách sản phẩm của nhà máy INFRA M100 GTL [26]

Hình 3.9 Thiết kế các mô-đun của nhà máy INFRA M100 GTL được tối ưu hóa đểtiết kiệm chi phí và đảm bảo tiến độ gia công cũng như triển khai nhà máy [27].

Hình 3.10 Thiết kế các mô-đun của nhà máy INFRA M100 GTL có kích cỡ tiêu

chuẩn container, giúp linh hoạt và tiện lợi trong vận chuyển và lắp đặt [27]

Hình 3.11 Thiết kế của khu vực lắp đặt nhà máy INFRA M100 GTL có diện tích

gần 400 m2 [27]

Hình 3.12 Tất cả các các mô-đun nhà máy INFRA M100 GTL đều được liên kết

bằng các mối ghép ren (bắt vít), do đó chúng có thể được tháo vít khi cần di chuyển

sang địa điểm khác [27]