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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------

THỚI THANH TUẤN

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
THÍCH HP 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

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2006


CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
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 só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . tháng . . . . năm . . . . .


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
---oOo---

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên : THỚI THANH TUẤN
Ngày, tháng, năm sinh : 30/11/1978
Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Phái : Nam
Nơi sinh : Quảng Ngãi
MSHV : CNHH13-043

I- TÊN ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THÍCH HP 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

PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢI

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS. MAI HỮU KHIÊM

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

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Ngày tháng năm
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 q 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.


-i-

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 đïc 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.


- ii -

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.

- iii -

MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................. 1
Chương 1 TỔNG QUAN........................................................................... 4
1.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯNG 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 LƯNG 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 LƯNG 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 HP 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 TƯNG 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


- iv -

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 HP 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 HP ..................................................................................... 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 nhieät .................................................................................. 80


-v-

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 HP 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 HP SỬ DỤNG KHÍ NHIÊN LIỆU ĐỂ ĐỐT PHỤ TR................ 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


- vi -

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


- vii -

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 650oC, áp suất đầu ra
là 0.1 kg/cm2g 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


- viii -

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
185~195oC............................................................................................... 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


- ix -

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
185~195oC 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


-x-

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 150oC ~ 200oC 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 170oC ~ 180oC 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 150oC ~ 200oC cho phương
án COB & WHB, trường hợp có đốt phụ trợ
Phụ lục A.14: Kết quả giải bài toán tối ưu trong khoảng 175oC ~ 185oC 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


- xi -

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 εi 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 Cp (kJ/kmol.độ)

Phụ lục C.2:

Hệ số nhiệt dung riêng ∆Cp (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


- xii -

CÁC CHỈ SỐ VÀ CHỮ VIẾT TẮT
BHMD

: RFCC vận hành với nguyên liệu của CDU là dầu Bạch
Hổ, chế độ tối đa diesel

BHMG

: RFCC vận hành với nguyên liệu của CDU là dầu Bạch
Hổ, chế độ tối đa xăng

BHN

: Bộ hâm nước

BQN

: Bộ quá nhiệt

BRPP

: Nhà máy điện Bà Rịa

CDU

: Phân xưởng chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển

CO Max

: % lượng CO trong dòng khí thải là lớn nhất

CO Min

: % lượng CO trong dòng khí thải là nhỏ nhất

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

: Lò hơi CO (CO Boiler)

CW

: Lò hơi CO có mixer

DSH

: Dàn sinh hơi

HHMD

: RFCC vận hành với nguyên liệu của CDU là dầu hỗn
hợp, chế độ tối đa diesel

HHMG

: RFCC vận hành với nguyên liệu của CDU là dầu hỗn
hợp, chế độ tối đa xăng

HQN

: Hơi quá nhiệt

HRSG

: Thiết bị sinh hơi từ nhiệt lượng thu hồi

RFCC

: Cracking xúc tác tầng sôi cặn chưng cất khí quyển

WHB

: Lò hơi tận dụng nhiệt (Waste Heat Boiler)

g

: chỉ dòng khí thải nói chung

g1

: chỉ dòng khí thải 1

g2

: chỉ dòng khí thải 2

fg

: chỉ dòng khí nhiên liệu

a

: chỉ dòng không khí


- xiii -

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG CHÍNH
Cp

: nhiệt dung riêng (kJ/kmol.độ hay kJ/kg.độ)

d

: đường kính (mm)

F

: diện tích bề mặt, (m2/m)

∆Hi

: nhiệt cháy tương ứng của từng tác chất (kJ/mol)

i

: enthanpy (kJ/kg)

i

: lãi suất ngân hàng (%/năm)

k

: hệ số truyền nhiệt (W/m2.độ)

M

: khối lượng mol (kg/kmol)

ma

: lượng không khí thực tế đưa vào buồng đốt (kg/h)

ni

: số mol của từng tác nhân cháy (kmol/h)

Q

: nhiệt lượng (kJ/h)

r

: nhiệt hóa hơi của nước (kJ/kg)

R

: nhiệt trở, (m2.độ/W)

s

: bước ống (mm)

T

: nhiệt độ (K)

t

: nhiệt độ (oC)

α

: hệ số không khí dư (%)

α

: hệ số tỏa nhiệt (W/m2.độ)

δ

: bề dày (mm)

η

: hiệu suất thu hồi nhiệt thải(%)

η1

: hiệu suất nhiệt của phần trao đổi nhiệt trong lò hơi

λ

: hệ số dẫn nhiệt của dòng khí, (W/m.độ)

µ

: độ nhớt động lực học, (N.s/m2)

ν

: độ nhớt động học , (m2/s)

θ

: hệ số piromet

ρ

: khối lượng riêng (kg/m3)


-1-

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 lieäu.


-2-

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
đến hơn 400 tấn/h và nhiệt độ hơn 630oC.
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.


-3-

− 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).

-4-

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN VÀ TIẾT KIỆM NĂNG
LƯNG 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:


-5-

− 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.

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


-6-

(Ghi chuù: 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).

Hình 1.2: Nhiệt độ nhiệt sử dụng
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


-7-

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

Tỷ lệ so với chưng cất khí quyển
Điện

Hơi nước

Nhiệt

Năng lượng

Chưng cất khí quyển

1

1.0

1.0

1.0

1.0

Alkyl hóa

11

7.0

21.6

3.6

6.8

Cốc hóa

5.5

2.0

2.1

2.8

2.5

Cracking

6

3.3

6.0

1.1

3.7

Tách sáp

9

35.0

30.0

3.0

9.2

Hydro-cracking

6

16.0

0.5

2.3

2.7

Xử lý bằng H2

1.7

1.5

0.6

0.6

0.6

Xử lý lưu huỳnh bằng H2

3

2.7

0.5

0.7

0.7

Sản xuất dầu nhờn

64

25.0

89.0

8.5

23.1

Reforming

5

2.7

1.5

3.0

2.7

Flash chân không

1

0.8

1.3

0.7

0.9

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.


-8-

Hình 1.3: Cân bằng năng lượng trong nhà máy lọc dầu
Bảng 1.2:

Sự mất mát nhiệt tự nhiên

Nhiệt độ của sản phẩm được làm nguội

Năng lượng mất mát (%)

> 120oC

40

90 – 120oC

35

< 90oC

25

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 nghóa 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 nghóa là phần năng lượng bổ sung có thể chuyển