Giải pháp xúc tác cracking xử lý cặn dầu nặng cho Nhà máy lọc dầu Dung Quất

Yêu cầu cấp bách của thực tiễn

Nhà máy lọc dầu Dung Quất được xây dựng và đưa vào vận hành thương mại từ năm 2009, được thiết kế để sử dụng nguồn nguyên liệu đầu vào là dầu thô Bạch Hổ. Tuy nhiên, sản lượng khai thác của mỏ Bạch Hổ ngày càng sụt giảm khiến Nhà máy lọc dầu Dung Quất phải phối trộn dầu thô Bạch Hổ với các loại dầu chất lượng kém hơn, dẫn đến nguyên liệu cặn nặng (residue) cho phân xưởng cracking xúc tác tầng sôi (RFCC - Residue Fluid Catalytic Cracking) có xu hướng ngày càng xấu (cặn nặng hơn, khó cracking hơn, hàm lượng tạp chất kim loại cao hơn), khiến xúc tác nhanh mất hoạt tính.

Do chất lượng nguyên liệu đầu vào giảm, Nhà máy lọc dầu Dung Quất cần sử dụng khối lượng xúc tác tăng gấp 2 - 3 lần so với khi chế biến dầu thô Bạch Hổ. Hiện nay, lượng xúc tác FCC thải của nhà máy vào khoảng 18 - 20 tấn/ngày và biện pháp xử lý chủ yếu là chôn lấp, không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế mà còn tiềm ẩn nguy cơ ảnh hưởng đến môi trường.

Thực tế này đặt ra nhiệm vụ cho Viện Dầu khí Việt Nam (VPI) là phát triển thế hệ xúc tác cracking mới dựa trên zeolite (khoáng chất silicat nhôm) đa mao quản để chế biến hiệu quả nguồn nguyên liệu chất lượng xấu của Nhà máy lọc dầu Dung Quất với mục tiêu tăng hiệu suất propylen (do biên lợi nhuận hóa dầu cao hơn so với lọc dầu) và tăng trị số octane của xăng.

Nhờ được tuyển chọn tham gia vào Chương trình đối tác quốc tế về đổi mới bền vững (CLIENT II) với CHLB Đức và nhiệm vụ Nghị định thư “Nghiên cứu chế tạo xúc tác cracking công nghiệp trên cơ sở zeolite Y và zeolite ZSM-5 đa mao quản” hợp tác giữa Đức và Việt Nam, nhóm nghiên cứu của TS. Vũ Xuân Hoàn đã có cơ hội hợp tác với Công ty CP Lọc hóa dầu Bình Sơn (BSR, đơn vị quản lý và vận hành Nhà máy lọc dầu Dung Quất), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Công nghệ Dresden (Technische Universität Dresden) và Công ty AIOTEC GmbH (Đức).

Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích các phương pháp chế tạo zeolite Y và zeolite ZSM-5 đa mao quản, phương pháp biến tính nâng cao độ bền thủy nhiệt và hoạt tính, công nghệ sấy phun để tạo hạt vi cầu cho xúc tác FCC, nhóm nghiên cứu của TS. Vũ Xuân Hoàn đã hợp tác với đối tác Đức xây dựng quy trình chế tạo xúc tác cracking công nghiệp từ zeolite Y và zeolite ZSM-5 đa mao quản quy mô phòng thí nghiệm.

Trọng tâm nghiên cứu là xây dựng quy trình tổng hợp zeolite Y từ nguồn hóa chất công nghiệp, quy biến tính zeolite Y và zeolite ZSM-5 thành zeolite Y và zeolite ZSM-5 đa mao quản, nâng cao độ bền thủy nhiệt và độ bền hoạt tính cho zeolite đa mao quản, xây dựng quy trình sấy phun để tạo hạt xúc tác cracking công nghiệp phù hợp cho thiết bị cracking tầng sôi và đánh giá hiệu quả của xúc tác chế tạo so với xúc tác thương mại.

Tiềm năng ứng dụng cao

Nhóm nghiên cứu xác định điểm mấu chốt của nghiên cứu là mở rộng mao quản của zeolite, thành phần quan trọng nhất của xúc tác FCC, chiếm khoảng từ 10 - 50% khối lượng xúc tác, quyết định khả năng cracking của xúc tác cũng như hiệu suất sản phẩm xăng và khí.

Đồng thời, tiến hành nghiên cứu tổng hợp zeolite tiêu chuẩn, sau đó áp dụng thêm quá trình biến tính để tách chọn lọc một phần silic và nhôm khỏi khung mạng nhằm tạo ra các kênh mao quản trung bình bên trong tinh thể zeolite, từ đó giúp cải thiện tốc độ khuếch tán cũng như tăng khả năng tiếp cận các tâm hoạt tính nằm sâu bên trong các kênh vi mao quản.

Zeolite NaY có thể dễ dàng chế tạo từ muối nhôm, song do nguyên liệu này Việt Nam chưa có sản phẩm thương mại, nên nhóm nghiên cứu quyết định bắt đầu với hydroxide nhôm, loại nguyên liệu sẵn có trong nước nhưng thô hơn, khó chế tạo hơn và gần như rất ít nghiên cứu.

"Nhóm nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình chế tạo zeolite NaY từ nguồn thủy tinh lỏng và hydroxide nhôm tại Việt Nam bằng phương pháp tạo mầm tinh thể, đã có đơn đăng ký sáng chế được Cục Sở hữu trí tuệ chấp nhận ở trong nước, đồng thời cũng đang trong quá trình đăng ký bảo hộ sáng chế ở CHLB Đức” - TS. Vũ Xuân Hoàn thông tin.

Sau khi đã chế tạo được zeolite Y và zeolite ZSM-5 đa mao quản, nhóm nghiên cứu đối mặt với thách thức là kích thước hạt xúc tác chưa đạt tối ưu (40-80 µm với tỷ lệ khoảng 60%). Với thiết bị sấy phun quy mô phòng thí nghiệm, bước tạo hạt xúc tác cracking này là thách thức đối với cả các nhà nghiên cứu Đức và Việt Nam.

Xúc tác cracking công nghiệp đòi hỏi rất nhiều thông số về vật lý, hóa lý và yêu cầu rất cao về tính lưu biến. Nhóm nghiên cứu thậm chí đã mạo hiểm nâng tỷ lệ rắn trong nguyên liệu sấy phun lên khoảng 15 - 20% khối lượng - yếu tố có thể gây tắc vòi sấy phun, để có thể tăng kích thước hạt xúc tác lên tỷ lệ tối ưu.

Dưới điều kiện khắc nghiệt của quá trình tái sinh xúc tác trong phân xưởng RFCC (khoảng 700 - 800 oC, có mặt hơi nước), cấu trúc zeolite dần bị phá hủy, làm xúc tác mất hoạt tính. Để nâng cao độ bền thủy nhiệt và hoạt tính, nhóm nghiên cứu đã thêm bước bền hóa (trao đổi với ion đất hiếm để nâng cao độ bền cho zeolite Y đa mao quản, biến tính với phốt pho để nâng cao độ bền cho ZSM-5 đa mao quản) để hạn chế sự phá vỡ cấu trúc zeolite khi hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt.

So sánh với các mẫu xúc tác đối chứng trên thị trường, sau khi giảm hoạt tính, xúc tác đa mao quản của nhóm nghiên cứu có diện tích bề mặt mao quản trung bình lớn hơn (125 m2/g), có nghĩa là xúc tác có khả năng cracking phân đoạn cặn nặng tốt hơn, độ chuyển hóa cao hơn so với dòng xúc tác được sử dụng tại mà Nhà máy lọc dầu Dung Quất và có hiệu quả tương đương với xúc tác đa mao quản mới của Grace.

Đặc biệt, do bổ sung zeolite ZSM-5 đa mao quản với tỷ lệ hợp lý, xúc tác của nhóm nghiên cứu có hiệu suất propylen tăng mạnh (trên 13% khối lượng), đồng thời trị số octane của xăng cũng tăng thêm khoảng 5 đơn vị so với các dòng xúc tác được sử dụng tại Nhà máy Lọc dầu Dung Quất.

Qua đánh giá xúc tác trên phần mềm FCC-SIM mô phỏng điều kiện hoạt động của phân xưởng RFCC của Nhà máy lọc dầu Dung Quất cho thấy, xúc tác cracking đa mao quản là sự lựa chọn phù hợp khi cần mở rộng giới hạn của nguyên liệu chế biến. Hệ xúc tác này cho hoạt tính cao, ổn định, đồng thời việc sử dụng xúc tác đa mao quản không phải điều chỉnh lớn các thông số vận hành của Nhà máy lọc dầu Dung Quất.

Kết quả này cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng cao của xúc tác cracking đa mao quản, mở ra các hướng nghiên cứu mới về xúc tác FCC, nhất là trong bối cảnh Việt Nam vẫn đang phải nhập khẩu hoàn toàn xúc tác cracking công nghiệp.

Tuy nhiên, TS. Vũ Xuân Hoàn lưu ý, các bí quyết về công nghệ tạo hạt xúc tác, hợp phần pha nền, chất kết dính... cực kỳ quan trọng nhưng hiện nay Việt Nam chưa làm được. Để có thể từng bước làm chủ công nghệ và đánh giá đầy đủ khả năng ứng dụng cho Nhà máy lọc dầu Dung Quất, cần thiết phải đầu tư nghiên cứu ở quy mô lớn hơn với máy sấy phun công nghiệp để hoàn thiện xúc tác trước khi ứng dụng thử nghiệm thực tế.