Nghiên cứu công nghệ thu hồi CO2 trong khói thải để phục vụ cho quá trình sản xuất trong nhà máy đạm phú mỹ bằng phần mềm mô phỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

----------------

NGUYỄN ĐÌNH TRƯỜNG SƠN

NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ THU HỒI CO2 TRONG
KHĨI THẢI ĐỂ PHỤC VỤ CHO QUÁ TRÌNH SẢN
XUẤT TRONG NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ BẰNG
PHẦN MỀM MÔ PHỎNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa dầu

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2010


Trang i / 112

CƠNG TRÌNH NÀY ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học:
PGS. Tiến sĩ:

Phan Đình Tuấn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tiến sĩ:

Huỳnh Quyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Cán bộ chấm nhận xét 1:
....................................................................
....................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2:
....................................................................
....................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . tháng . . . năm 2010.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và bộ môn quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ mơn quản lý chuyên ngành

`i


Trang ii / 112

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA HÓA KỸ THUẬT
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN ĐÌNH TRƯỜNG SƠN

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 29 / 10 /1979

Nơi sinh: Quảng Trị

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa dầu

MSHV: 09400142

1- TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THU HỒI CO2 TRONG KHĨI THẢI ĐỂ PHỤC VỤ
CHO Q TRÌNH SẢN XUẤT TRONG NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ BẰNG PHẦN
MỀM MÔ PHỎNG.
2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu đề xuất mơ hình thu hồi CO2 trong khói
thải và mơ phỏng lại q trình q trình sản thu hồi CO2 trong khói thải của Nhà máy Đạm
Phú Mỹ làm cơ sở dữ liệu tham khảo để áp dụng, thiết kế cho những nhà máy có khói thải
CO2.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

12 / 04 / 2010

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

06 / 12 / 2010

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
PHÓ GIÁO SƯ, TIẾN SĨ

PHAN ĐÌNH TUẤN

TIẾN SĨ

HUỲNH QUYỀN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
KHOA QL CHUN NGÀNH
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PHAN ĐÌNH TUẤN

`ii


Trang iii / 112

HUỲNH QUYỀN

.....................

.....................

Lời cảm ơn
Tôi xin trân trọng cảm ơn sâu sắc
PGS. TS. Phan Đình Tuấn, TS.
Huỳnh Quyền, các thầy đã tận tình
hướng dẫn em trong suốt quá trình
thực hiện nghiên cứu. Xin cảm ơn sự
góp ý chân thành, động viên và chia
sẽ quý giá và của quý thầy để giúp
em hồn thiện luận văn.
Tơi xin được gửi lời cảm ơn đến
Lãnh đạo và các đồng nghiệp trong
Nhà máy Đạm Phú Mỹ, Tổng Cơng
ty Phân Bón và Hóa chất Dầu khí, đã
tạo điều kiện giúp đỡ, nhiệt tình hỗ
trợ chuyên môn và trao đổi kinh
nghiệm trong suốt thời gian qua.
Xin cảm ơn vợ tôi đã tạo dựng niềm
tin hậu phương vững vàng để tơi n
tâm, tập trung hồn thành luận văn.
Cảm ơn gia đình và bạn bè đã động
viên và ln ở bên cạnh tơi.
Nguyễn Đình Trường Sơn 

`iii


Trang iv / 112

ABSTRACT
In Phu My fertilizer plant, CO2 in flue gas has been recovered to produce urea. This
unit base on HMI licenser with sterically hindered amine KS1 and packing KP1,
and capacity of 240 ton per day.
A MEA (monoethanol amine) based CO2 removal process has been simulated with
the process simulation tool PRO II. The thermodynamic properties are calculated
with the Amines Property Package models which are available in PRO II. A
sensitivity analysis on the integrated model is performed to ascertain the process
variables which most strongly influence the CO2 energy penalty. The CO2 removal
in % and the energy consumption in the CO2 removal unit are calculated as a
function of amine circulation rate, absorption column height, absorption
temperature, absorption pressure, generation column height, generation temperature
and generation pressure. This model has also been tested with the data of
performance test of the actual operation within 3 days.
From the simulation results with this integrated model, it is clear that with CO2
removal of 99 %, heat consumption is calculated to 4.620 MJ/kg CO2 removed,
correspond to the value of 3.409 MJ/kg CO2 tested and designed by MHI. as

`iv


Trang v / 112

MỤC LỤC HÌNH
Hình 3.1: Sơ đồ đơn giản dây chuyền cơng nghệ sản xuất NH3 .......................................... 6
Hình 3.2: Q trình xử lý khí ngun liệu .......................................................................... 7
Hình 3.3: Q trình chuyển hóa sơ cấp .............................................................................. 9
Hình 3.4: Q trình chuyển hóa Hydrocarbon thứ cấp ..................................................... 10
Hình 3.5: Q trình chuyển hóa CO ................................................................................. 11
Hình 3.6: Q trình hấp thụ CO2...................................................................................... 12

Hình 3.7: Quá trình tái sinh dung mơi .............................................................................. 13
Hình 3.8: Q trình Metan hóa ........................................................................................ 14
Hình 3.9: Quá trình tổng hợp NH3 ................................................................................... 15
Hình 3.10: Chu trình làm lạnh ......................................................................................... 16
Hình 3.11: Quá trình thu hồi NH3 .................................................................................... 17
Hình 3.12: Hệ thống bảo vệ tự động phân xưởng sản xuất NH3 ....................................... 17
Hình 3.13: Quá trình tổng hợp Urea và thu hồi cao áp ..................................................... 19
Hình 3.14: Quá trình tinh chế, thu hồi trung áp ................................................................ 20
Hình 3.15: Quá trình tinh chế, thu hồi thấp áp.................................................................. 20
Hình 3.16: Q trình cơ đặc Urea .................................................................................... 21
Hình 3.17: Q trình xử lý nước cơng nghệ ..................................................................... 22
Hình 3.18: Hệ thống bảo vệ tự động phân xưởng sản xuất Urea ....................................... 23
Hình 3.19: Quá trình xử lý nước cấp nồi hơi .................................................................... 24
Hình 3.20: Quá trình sản xuất điện năng .......................................................................... 25
Hình 3.21: Hệ thống nước sạch làm mát .......................................................................... 27
Hình 3.22: Sơ đồ dịng sản phẩm trong nhà máy ............................................................. 32
Hình 4.1: Sơ đồ cơng nghệ ABB-Lummus....................................................................... 39
Hình 4.2: Sơ đồ công nghệ Amine Guard FG .................................................................. 40

`v


Trang vi / 112

Hình 5.1: Phương án tăng cơng suất CO2 ......................................................................... 44
Hình 5.2: Sơ đồ khối cơng nghệ thu hồi CO2 trong khói thải............................................ 44
Hình 5.3: Sơ đồ khối dịng cơng nghệ .............................................................................. 45
Hình 5.4: Cấu trúc tháp làm nguội khói thải..................................................................... 48
Hình 5.5: Cấu trúc tháp hấp thụ ....................................................................................... 50
Hình 5.6: Cấu trúc tháp hấp thụ ....................................................................................... 52

Hình 6.1: Lưu đồ thực hiện mô phỏng hệ thống ............................................................... 58
Hình 6.2: Hệ đơn vị sử dụng trong mơ phỏng .................................................................. 63
Hình 6.3: Hệ cấu tử sử dụng mơ phỏng ............................................................................ 64
Hình 6.4: Mơ hình nhiệt động sử dụng mơ phỏng ............................................................ 65
Hình 6.5: Cụm thiết bị hấp thụ......................................................................................... 66
Hình 6.6: Cụm thiết bị hấp thụ tích hợp với cụm tái sinh ................................................. 72
Hình 6.7: Cụm thiết bị hấp thụ và tái sinh tích hợp với bổ sung tuần hồn ....................... 74
Hình 6.8: Ảnh hưởng của số lượng đĩa hấp thụ ................................................................ 77
Hình 6.9: Ảnh hưởng của tốc độ tuần hồn dung mơi ...................................................... 78
Hình 6.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ khói thải................................................................... 79
Hình 6.11: Ảnh hưởng của nhiệt độ dung mơi tuần hồn ................................................. 79
Hình 6.12: Ảnh hưởng áp suất khói thải........................................................................... 80
Hình 6.13: Ảnh hưởng của áp suất đỉnh tháp hấp thụ ....................................................... 81
Hình 6.14: Ảnh hưởng của số lượng đĩa tháp tái sinh ....................................................... 82
Hình 6.15: Ảnh hưởng của nhiệt độ dung môi vào tháp tái sinh ....................................... 83
Hình 6.16: Ảnh hưởng của áp suất đỉnh tháp tái sinh ....................................................... 84
Hình 6.17: Cụm thiết bị làm mát khói thải ....................................................................... 87
Hình 6.18: Cụm thiết bị hấp thụ ....................................................................................... 88
Hình 6.19: Cụm thiết bị tái sinh ....................................................................................... 88

`vi


Trang vii / 112

Hình 6.20: Cụm thiết bị phân tách sản phẩm.................................................................... 89

 

`vii

Trang viii / 112

MỤC LỤC BẢNG
Bảng 3.1: Thành phần khí nguyên liệu ............................................................................. 29
Bảng 3.2: Cơ cấu sản phẩm theo chế độ vận hành 1 ......................................................... 30
Bảng 3.3: Cơ cấu sản phẩm theo chế độ vận hành 2 ......................................................... 31
Bảng 3.4: Số liệu NH3 dư qua các năm ............................................................................ 33
Bảng 6.1: So sánh đặc tính giữa dung mơi MEA và KS1 ................................................. 57
Bảng 6.2: Thơng số kỹ thuật của khói thải ....................................................................... 58
Bảng 6.3: Thơng số kỹ thuật các dịng công nghệ ............................................................ 68
Bảng 6.4: Thông số kỹ thuật các thiết bị .......................................................................... 69
Bảng 6.5: Thông số kỹ thuật các thiết bị .......................................................................... 72
Bảng 6.6: Thông số kỹ thuật các dịng cơng nghệ ............................................................ 74
Bảng 6.7: Thơng số kỹ thuật các thiết bị .......................................................................... 75
Bảng 6.8: Số liệu thiết kế................................................................................................. 84
Bảng 6.9: Số liệu mô phỏng............................................................................................. 85
Bảng 6.10: So sánh kết quả thiết kế và mô phỏng ............................................................ 85
Bảng 6.11: So sánh kết quả mô phỏng và vận hành thực tế .............................................. 89

`viii


Trang ix / 112

MỤC LỤC
Chương 1

Đặt vấn đề .......................................................................................... 1

1.1

Nhà máy Đạm Phú Mỹ ............................................................................. 1

1.2

Những vấn đề tồn tại về cân bằng vật chất ................................................ 2

1.2.1.1

Cơ cấu sản phẩm theo thiết kế .................................................................. 2

1.2.2

Cơ cấu sản phẩm trong tương lai............................................................... 2

1.3

Khói thải nhà máy .................................................................................... 3

1.3.1

Nguồn phát sinh khói thải ......................................................................... 3

1.3.1.1

Hệ thống sản xuất điện năng ..................................................................... 3

1.3.1.2

Hệ thống sản xuất hơi nước ...................................................................... 3

1.3.1.3

Cơng đoạn chuyển hóa Hydrocarbon sơ cấp ............................................. 3

1.3.2

Tác động và tiềm năng .............................................................................. 3

1.3.2.1

Tác động ................................................................................................... 3

1.3.2.2

Tiềm năng................................................................................................. 4

1.3.3

Phương án ................................................................................................ 4

Chương 2

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 5

2.1

Mục tiêu ................................................................................................... 5

2.1.1

Phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 5

Chương 3

Công nghệ sản xuất Nhà máy Đạm Phú Mỹ ....................................... 5

3.1

Công nghệ sản xuất NH3 ........................................................................... 5

3.1.1

Cơng đoạn xử lý khí ngun liệu .............................................................. 6

3.1.1.1

Hydro hóa ................................................................................................. 7

3.1.1.2

Hấp phụ H2S ............................................................................................. 8

`ix


Trang x / 112

3.1.2

Cơng đoạn chuyển hóa Hydrocarbon ........................................................ 8

3.1.2.1

Chuyển hóa sơ cấp (reforming sơ cấp) ...................................................... 8

3.1.2.2

Chuyển hóa thứ cấp (reforming thứ cấp) ................................................... 9

3.1.3

Cơng đoạn chuyển hóa CO ..................................................................... 10

3.1.3.1

Chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao: .............................................................. 11

3.1.3.2

Chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp: ............................................................. 11

3.1.4

Cơng đoạn tách CO2 và Methane hóa ...................................................... 12

3.1.4.1

Tách CO2 ................................................................................................ 12

3.1.4.2

Methane hóa ........................................................................................... 13

3.1.5

Công đoạn tổng hợp NH3 ........................................................................ 14

3.1.6

Công đoạn thu hồi NH3 và H2 ................................................................. 16

3.1.7

Hệ thống bảo vệ tự động ......................................................................... 17

3.2

Công nghệ sản xuất Urea ........................................................................ 18

3.2.1

Công đoạn tổng hợp Urea và thu hồi NH3, CO2 cao áp ........................... 18

3.2.2

Công đoạn tinh chế Urea và thu hồi NH3, CO2 trung áp và thấp áp (công
đoạn phân giải) ....................................................................................... 19

3.2.3

Công đoạn cô đặc Urea và tạo hạt ........................................................... 21

3.2.4

Công đoạn xử lý nước công nghệ ............................................................ 22

3.2.5

Hệ thống bảo vệ tự động ......................................................................... 23

3.3

Các hệ thống phụ trợ............................................................................... 23

3.3.1

Hệ thống xử lý nước cấp nồi hơi ............................................................. 24

3.3.2

Hệ thống sản xuất hơi cao áp .................................................................. 25

3.3.3

Hệ thống sản xuất điện............................................................................ 25

`x

Trang xi / 112

3.3.4

Hệ thống nước sông làm mát .................................................................. 26

3.3.5

Hệ thống nước sạch làm mát ................................................................... 26

3.3.6

Hệ thống xử lý nước thải nhiễm bẩn và nước thải sinh hoạt .................... 27

3.3.7

Hệ thống nước sinh hoạt và nước cứu hỏa .............................................. 27

3.3.8

Hệ thống sản xuất khí nén, khí điều khiển và sản xuất N2 ....................... 28

3.3.9

Hệ thống phát điện dự phịng .................................................................. 28

3.4

Tính tốn chi tiết cân bằng vật chất ......................................................... 28

3.4.1

Cân bằng vật chất theo thiết kế ............................................................... 28

3.4.2

Cân bằng vật chất thực tế ........................................................................ 32

3.4.3

Cân bằng vật chất trong tương lai ........................................................... 33

Chương 4

Ứng dụng và thu hồi CO2 công nghiệp ............................................. 33

4.1

Ứng dụng CO2 ........................................................................................ 33

4.2

Các kỹ thuật thu hồi CO2 trong khói thải ................................................ 34

4.2.1

Hấp thụ hóa học ...................................................................................... 34

4.2.2

Hấp thụ vật lý ......................................................................................... 35

4.2.3

Hấp phụ .................................................................................................. 35

4.2.4

Màng tách ............................................................................................... 36

4.2.5

Phân tách lạnh ........................................................................................ 37

4.3

Công nghệ áp dụng và bản quyền cung cấp công nghệ ............................ 38

4.3.1

Fluor Daniel Inc ...................................................................................... 38

4.3.2

ABB-Lummus ........................................................................................ 38

4.3.3

Mitsubishi Heavy Industries, Ltd ............................................................ 39

4.3.4

UOP ....................................................................................................... 39

`xi


Trang xii / 112

Chương 5

Lựa chọn, đề xuất công nghệ thu hồi CO2 trong khói thải ................ 40

5.1

Đặc tính kỹ thuật .................................................................................... 40

5.1.1

SOx ........................................................................................................ 40

5.1.2

NOx ........................................................................................................ 41

5.1.3

O2 ........................................................................................................... 41

5.1.4

Tro bụi .................................................................................................... 41

5.2

Đặc tính dung mơi hấp thụ ...................................................................... 41

5.2.1

MEA - Mono Ethanol Amine .................................................................. 41

5.2.2

DEA – Di Ethanol Amine ....................................................................... 42

5.2.3

DGA – Di Glycol Amine ........................................................................ 42

5.2.4

MDEA – Methy Di Ethanol Amine ........................................................ 42

5.3

Nghiên cứu dây chuyền công nghệ thu hồi CO2 ...................................... 42

5.3.1

Đề xuất sơ đồ khối công nghệ ................................................................. 42

5.3.2

Cơ chế hấp thụ và tái sinh ....................................................................... 44

5.3.3

Mô tả sơ đồ dịng cơng nghệ ................................................................... 45

5.3.3.1

(1) Cụm làm nguội khói thải ................................................................... 46

5.3.3.2

(2) Cụm thu hồi CO2 ............................................................................... 46

5.3.3.3

(3) Cụm tái sinh dung môi ...................................................................... 47

5.3.4

Cấu tạo thiết bị chính .............................................................................. 47

5.3.4.1

Tháp làm nguội khói thải ........................................................................ 47

5.3.4.2

Tháp hấp thụ ........................................................................................... 49

5.3.4.3

Tháp tái sinh ........................................................................................... 51

Chương 6

Mô phỏng cơng nghệ thu hồi CO2 trong khói thải ............................. 53

`xii


Trang xiii / 112

6.1

Phần mềm mô phỏng công nghệ ............................................................. 53

6.1.1

ASPEN – Plus ........................................................................................ 53

6.1.2

HYSYS .................................................................................................. 53

6.1.3

SIMSCI PRO II ...................................................................................... 54

6.2

Những cơng trình nghiên cứu liên quan .................................................. 54

6.3

Vấn đề khi mô phỏng công nghệ MHI .................................................... 56

6.4

Dữ liệu xây dựng mô phỏng.................................................................... 58

6.5

Kinh nghiệm mô phỏng .......................................................................... 59

6.6

Giả định trong mô phỏng ........................................................................ 60

6.7

Sử dụng công cụ trong phần mềm mô phỏng .......................................... 60

6.7.1

Bơm........................................................................................................ 60

6.7.2

Quạt ........................................................................................................ 60

6.7.3

Trao đổi nhiệt ......................................................................................... 60

6.7.4

Bộ trộn/chia dòng ................................................................................... 61

6.7.5

Tháp làm mát .......................................................................................... 61

6.7.6

Tháp hấp thụ và tái sinh .......................................................................... 61

6.8

Xây dựng mô phỏng q trình cơng nghệ................................................ 62

6.8.1

Thiết lập dữ liệu cơ sở của mơ hình ........................................................ 62

6.8.2

Mơ phỏng cụm thiết bị hấp thụ. .............................................................. 65

6.8.2.1

Tổng quát quá trình................................................................................. 65

6.8.2.2

Các bước thực hiện ................................................................................. 66

6.8.3

Mơ phỏng cụm thiết bị hấp thụ tích hợp với cụm tái sinh. ....................... 71

`xiii


Trang xiv / 112

6.8.4

Mô phỏng cụm thiết bị hấp thụ và cụm tái sinh tích hợp với cụm bổ sung
dung mơi tuần hồn. ............................................................................... 73

6.9

Khảo sát sự ảnh hưởng các thông số công nghệ ...................................... 75

6.9.1

Ảnh hưởng của số lượng đĩa trong tháp hấp thụ ...................................... 76

6.9.2

Ảnh hưởng của lưu lượng dung mơi tuần hồn. ...................................... 77

6.9.3

Ảnh hưởng của nhiệt độ hấp thụ ............................................................. 78

6.9.4

Ảnh hưởng của áp suất hấp thụ ............................................................... 80

6.9.5

Ảnh hưởng của số lượng đĩa trong tháp tái sinh ...................................... 81

6.9.6

Ảnh hưởng của nhiệt độ tái sinh ............................................................. 82

6.9.7

Ảnh hưởng của áp suất tái sinh ............................................................... 83

6.9.8

Kết quả mô phỏng .................................................................................. 84

6.10

Kiểm tra thực nghiệm ............................................................................. 85

6.10.1

Cơ sở thực hiện....................................................................................... 86

6.10.2

Kết quả thử nghiệm hệ thống mô phỏng ................................................. 89

Chương 7

Bàn luận kết quả mô phỏng .............................................................. 90

7.1

Ảnh hưởng của thông số công nghệ ........................................................ 90

7.2

Mức độ chính xác ................................................................................... 93

Chương 8

Kết luận và đề xuất .......................................................................... 93

8.1

Kết luận .................................................................................................. 93

8.2

Đề xuất ................................................................................................... 94

`xiv


Trang 1 / 112

Chương 1
1.1

Đặt vấn đề

Nhà máy Đạm Phú Mỹ
Nhà máy Đạm Phú Mỹ đã chính thức đưa vào vận hành thương mại từ
tháng 9 năm 2004. Dây chuyền cơng nghệ sản xuất của Nhà máy ĐPM
gồm có ba phân xưởng cơng nghệ chính như sau.
Phân xưởng sản xuất NH3 có cơng suất 1350 tấn/ngày, sử dụng bản quyền
cơng nghệ HALDOR TOPSOE – Đan Mạch. Đây là một trong những
công nghệ tiến tiến trong lĩnh vực sản xuất NH3, được phát triển hồn
thiện có tính cạnh tranh cao với các công nghệ danh tiếng khác trên thế
giới như Uhde, KBR, Linde AG. Công nghệ này được áp dụng rộng rãi
trên thế giới cũng như các nước trong khu vực Đơng Nam Á. Mục đích
của phân xưởng này là chuyển hóa nguyên liệu thành sản phẩm NH3 và
CO2. NH3 lỏng là sản phẩm cuối của phân xưởng, khí CO2 là sản phẩm

trung gian cho công đoạn sản xuất Urea hoặc thải bỏ, và hơi nước cao áp
sinh ra trong quá trình thu hồi nhiệt.
Phân xưởng sản xuất Urea có cơng suất 2200 tấn/ngày, sử dụng bản quyền
công nghệ SNAPROGETTI – Italia. Đây là một trong những công nghệ
tiến tiến trong lĩnh vực sản xuất Urea, được phát triển hoàn thiện có tính
cạnh tranh cao với các cơng nghệ danh tiếng khác trên thế giới như Toyo
Stamicarbon. Công nghệ này được áp dụng rộng rãi trên thế giới cũng như
các nước trong khu vực Đơng Nam Á. Mục đích của phân xưởng này là
chuyển hóa các sản phẩm NH3 và CO2 thành sản phẩm Urea. Sản phẩm
cuối của phân xưởng này là phân Urea hạt rời.
Phân xưởng Phụ trợ có nhiệm vụ sản xuất các nguồn phụ trợ cung cấp cho
hai phân xưởng công nghệ và những nhu cầu khác của toàn bộ nhà máy
như hơi nước, điện năng, nước làm mát, khí nén, khí N2 và xử lý nước
thải.


Trang 2 / 112

1.2

Những vấn đề tồn tại về cân bằng vật chất

1.2.1.1

Cơ cấu sản phẩm theo thiết kế
Theo thiết kế của nhà máy, nguồn nguyên liệu cung cấp nhà máy có thể từ
hai nguồn khác nhau: khí từ bể Cửu Long là nguồn ưu tiên chính và khí từ
bể Nam Cơn Sơn là nguồn dự phịng. Với đặc tính khác nhau về thành
phần nguyên liệu dẫn đến cơ cấu sản phẩm từng phân xưởng công nghệ
cũng như nhà máy cũng thay đổi theo.

Theo thiết kế, nhà máy vận hành với nguồn ngun liệu là khí Cửu Long
thì các sản lượng các sản phẩm thu được tương ứng là 1350 tấn NH3/ngày,
1652 tấn CO2/ngày (sản phẩm trung gian) và 2200 tấn Urea/ngày. Với đặc
trưng khí ngun liệu Cửu Long thì toàn bộ sản phẩm trung gian CO2
được sử dụng để sản xuất Urea, sản phẩm NH3 sản xuất ra ngoài phần đã
sử dụng sản xuất Urea thì ln cịn dư khoảng 107 tấn/ngày (tương đương
7.9% công suất) phải được bơm chuyển về bồn chứa nhằm dự phòng hoặc
bán ra thị trường.
Như vậy, với thiết kế cho nhà máy thì mục tiêu ưu tiên sản xuất tối đa
phân Urea bắt buộc cần phải tìm kiếm các nguồn có thể bổ sung thêm CO2
và sử dụng hết sản lượng NH3 còn dư là mang tính khả thi nhất.

1.2.2

Cơ cấu sản phẩm trong tương lai
Theo thông báo gần đây của Công ty cung cấp nguyên liệu khí tự nhiên
cho Nhà máy Đạm Phú Mỹ. Trong giai đoạn tới, thành phần khí cung cấp
sẽ có thay đổi khi Cơng ty này đưa dự án thu hồi Ethane trong khí khơ
thương mại vào hoạt động. Với sự biến đổi thành phần nguyên liệu như
vậy, cơ cấu sản phẩm chính và sản phẩm trung gian của Nhà máy Đạm
Phú Mỹ sẽ còn tiếp tục mất cân đối theo chiều hướng thiếu CO2 và thừa
NH3. Điều này sẽ cũng cố thêm cho việc cần thiết tìm kiếm các nguồn bổ
sung CO2 khác nhằm đảm bảo duy trì và tăng công suất sản xuất Urea của
nhà máy.


Trang 3 / 112

1.3

Khói thải nhà máy

1.3.1

Nguồn phát sinh khói thải
Công nghệ sản xuất của nhà máy Đạm Phú Mỹ là những q trình làm
việc phức tạp, có điều kiện hoạt động khắc nghiệt: nhiệt độ cao, áp suất
cao. Các quá trình này lại tiêu thụ năng lượng dưới các hình thức khác
nhau: nhiệt năng, điện năng, hơi nước. Nguồn năng lượng này được sản
xuất dưới các hình thức trực tiếp hoặc gián tiếp thơng qua q trình đốt
nhiên liệu Hydrocarbon. Quá trình đốt cháy nhiên liệu phát sinh ra khí
CO2 với khối lượng đáng kể. Các nguồn phát sinh CO2 trong nhà máy như
sau:

1.3.1.1

Hệ thống sản xuất điện năng
Quá trình này, nhiên liệu Hydrocarbone được đốt trong Turbine khí để sản
xuất điện năng. Lưu lượng khói thải khoảng 421800 kg/giờ, hàm lượng
CO2 chiếm khoảng 2.72 % mol [15].

1.3.1.2

Hệ thống sản xuất hơi nước
Quá trình này, nhiên liệu Hydrocarbone được đốt trực tiếp để cung cấp
nhiệt năng sản xuất hơi nước. Lưu lượng khói thải khoảng 132180
Nm3/giờ, hàm lượng CO2 chiếm khoảng 10.86 % mol [15].

1.3.1.3

Cơng đoạn chuyển hóa Hydrocarbon sơ cấp
Trong công đoạn này nhiên liệu Hydrocarbone được đốt cháy để cung cấp
nhiệt năng trực tiếp cho quá trình chuyển hóa. Lưu lượng khói thải khoảng
148353 Nm3/giờ, hàm lượng CO2 chiếm khoảng 10.47 % mol [15].

1.3.2
1.3.2.1

Tác động và tiềm năng
Tác động
Khói thải của q trình đốt cháy khí thiên nhiên có chứa nhiều thành phần
gây ơ nhiễm mơi trường. Các khí CO2, NOx trong thành phần khói thải là


Trang 4 / 112

những hợp chất gây hiệu ứng nhà kính, tác động đến mơi trường sống
trong khu vực và toàn bộ cộng đồng xã hội. Ngoài ra, các hợp chất NOx
và SOx trong khí thải khi gặp hơi ẩm sẽ có tính axit, gây ăn mịn vật liệu
cơng trình, phá hủy thiết bị và gây ra hiện tượng mưa axit.
1.3.2.2

Tiềm năng
Với mục tiêu ưu tiên nâng cao sản lượng Urea tối đa có thể của Nhà máy
Đạm Phú Mỹ cũng như tận dụng toàn bộ sản phẩm NH3 đang cịn dư thì
việc tìm kiếm các nguồn bổ sung sản lượng CO2 là yêu cầu cơ bản được
nghĩ đến đầu tiên. Vì vậy, phương án thu hồi CO2 trong khói thải là một
giải pháp có ý nghĩa tích cực về cả khía cạnh sản xuất và mơi trường.
Bên cạnh khả năng có thể được sử dụng để sản xuất Urea, sản phẩm CO2
cịn có thể được sử dụng với những mục đích khác tương đối tiềm năng

trên thị trường như: CO2 trong công nghiệp nước giải khát, CO2 rắn trong
sản xuất thực phẩm, CO2 trong công nghiệp khác như hàn cắt, bột chữa
cháy và lâu dài hơn là có thể sử dụng để ép vĩa nhằm tăng khả năng thu
hồi dầu trong các mỏ khai thác giai đoạn cuối hoặc tồn chứa trong lịng đất
để giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường.

1.3.3

Phương án
Trên cơ sở nhu cầu thiết yếu và tiềm năng sẵn có. Vì vậy, Nhà máy Đạm
Phú Mỹ quyết định thực hiện đầu tư hệ thống công nghệ thu hồi CO2 trong
khói thải với hai mục đích chính: một phần để bổ sung nguồn CO2 nhằm
tăng công suất sản xuất Urea và phần còn lại để sản xuất CO2 thực phẩm.
Hệ thống thu hồi CO2 này đã được nghiệm thu và đưa vào vận hành từ
tháng 9 năm 2010.
Hệ thống thu hồi CO2 trong khói thải của nhà máy Đạm Phú Mỹ đã đặt
những bước đi tiên phong trong việc thu hồi CO2 ở nước ta, và đây là cơ
sở có thể sử dụng tham khảo để áp dụng nhân rộng việc thu hồi CO2 cho


Trang 5 / 112

nhiều mục đích khác nhau với những nhà máy tương tự trong cùng lĩnh
vực hoặc những nhà máy nhiệt điện trong cả nước.
Chương 2
2.1

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu

Trên cơ sở tìm hiểu về các cơng nghệ thu hồi CO2 trong khói thải trên thế
giới và công nghệ áp dụng ở nhà máy Đạm Phú Mỹ. Lựa chọn, đề xuất mơ
hình cơng nghệ thu hồi CO2 trong khói thải và xây dựng mơ hình hóa công
nghệ thu hồi CO2 này bằng phần mềm mô phỏng để làm cơ sở dữ liệu
khoa học và tham khảo khi áp dụng, thiết kế những hệ thống thu hồi cho
những nhà máy có thải CO2 khác. Thử nghiệm hệ thống đã mô phỏng trên
cơ sở so sánh với hệ thống vận hành thực tế được thiết kế cho nhà máy
Đạm Phú Mỹ.

2.1.1

Phạm vi nghiên cứu
Đề tài chỉ tập trung vào nghiên cứu hệ thống công nghệ Nhà máy Đạm
Phú Mỹ nói chung và cơng nghệ thu hồi CO2 trong khói thải áp dụng tại
nhà máy nói riêng, đồng thời mô phỏng lại hệ thống thu hồi này bằng phần
mềm mô phỏng tĩnh PRO II và thử nghiệm lại kết quả mô phỏng bằng số
liệu vận hành thực tế của hệ thống thiết kế cho nhà máy.

Chương 3
3.1

Công nghệ sản xuất Nhà máy Đạm Phú Mỹ

Công nghệ sản xuất NH3
Dây chuyền công nghệ sản xuất NH3 công suất 1350 tấn/ngày, sử dụng
bản quyền công nghệ HALDOR TOPSOE – Đan Mạch. Đây là công nghệ
sản xuất NH3 hiện đại, trên cơ sở chuyển hóa ngun liệu khí tự nhiên
(natural gas), sử dụng các thế hệ xúc tác mới nên cho hiệu suất và chất
lượng sản phẩm cao. Phân xưởng này gồm có các cơng đoạn chính được
trình bày trên hình 3.1 [14].

Trang 6 / 112



Cơng đoạn xử lý khí ngun liệu: gồm có Hydro hóa và hấp phụ lưu
huỳnh.



Cơng đoạn chuyển hóa Hydrocarbon: gồm có chuyển hóa sơ cấp và
thứ cấp.



Cơng đoạn chuyển hóa CO: gồm có chuyển hóa nhiệt độ cao và nhiệt
độ thấp.



Cơng đoạn tách CO2 và Methane hóa:



Cơng đoạn tổng hợp NH3: gồm có chu trình tổng hợp NH3 và chu
trình làm lạnh.



Cơng đoạn thu hồi NH3 và thu hồi H2.

Hình 3.1: Sơ đồ đơn giản dây chuyền cơng nghệ sản xuất NH3
3.1.1

Cơng đoạn xử lý khí ngun liệu
Quá trình này sẽ loại bỏ, giảm thiểu hàm lượng các hợp chất có chứa lưu
huỳnh trong nguyên liệu đến mức < 0.05 ppm (wt) [14]. Công đoạn xử lý


Trang 7 / 112

khí nguyên liệu được thực hiện qua hai giai đoạn: hydro hóa và hấp phụ.
Sơ đồ quá trình này được trình bày trên hình 3.2.

Hình 3.2: Quá trình xử lý khí ngun liệu
3.1.1.1

Hydro hóa
Hydro hóa là phản ứng chuyển hóa các hợp chất có chứa lưu huỳnh bởi H2
sang dạng H2S, được tiến hành trong thiết bị phản ứng tầng xúc tác cố
định. Các phản ứng và điều kiện hoạt động của quá trình như sau:
RSH + H2



RH + H2S

R1SSR2 + 3 H2



R1H + R2H + 2 H2S

R1SR2 + 2 H2



R1H + R2H + H2S

(CH)4S + 4 H2



C4H10 + H2S

COS + H2



CO + H2S



Xúc tác thương mại:

TK-250



Nhiệt độ vận hành:

~400 0C.


Trang 8 / 112

3.1.1.2



Áp suất vận hành:

~38.2 barg



Nồng độ H2:

~3.94 % mol

Hấp phụ H2S
Hấp phụ là giai đoạn giữ lại các tạp chất chứa S dưới dạng H2S, được tiến
hành trong thiết bị phản ứng tầng hấp phụ cố định. Phản ứng và điều kiện
hoạt đơng của q trình như sau:
ZnO + H2S

3.1.2



ZnS + H2O



Chất hấp phụ:

ZnO



Nhiệt độ vận hành:

~400 0C



Áp suất vận hành:

~38.2 barg

Cơng đoạn chuyển hóa Hydrocarbon
Q trình này cho phép chuyển hoá các hợp chất Hydrocarbon sang H2,
CO và CO2, đồng thời bổ sung thành phần N2 vào hệ thống để chuẩn bị
cho công đoạn tổng hợp NH3. Cơng đoạn chuyển hóa Hydrocarbon được
thực hiện qua hai giai đoạn.

3.1.2.1

Chuyển hóa sơ cấp (reforming sơ cấp)

Reforming sơ cấp được thực hiện bởi sự có mặt của hơi nước, Reforming
sơ cấp được tiến hành trong thiết bị phản ứng dạng ống, tầng xúc tác cố
định, sơ đồ quá trình này được trình bày trên hình 3.3. Các phản ứng điều
kiện hoạt động của quá trình như sau:
CnHm + H2O



Cn -1 Hm -2 + CO + 2 H2 - Q

CH4 + H2O



CO + 3 H2 - Q

CO + H2O



CO2 + H2 + Q



Xúc tác thương mại:

RK-211/RK-201/R-67-7H



Nhiệt độ vào/ra:

~535/783 0C


Trang 9 / 112



Áp suất vào/ra:

~34.8/30.9 barg



Tỷ lệ S/C:

~2.9 ÷ 3.1



Số lượng ống xúc tác:

180 (dài 12 m)



Số lượng đầu đốt:

480 cái

Hình 3.3: Q trình chuyển hóa sơ cấp
3.1.2.2

Chuyển hóa thứ cấp (reforming thứ cấp)
Dịng khơng khí được gia nhiệt trước khi đưa vào quá trình, vừa hỗ trợ quá
trình chuyển hóa lượng CH4 cịn lại trong dịng khí cơng nghệ, đồng thời
cung cấp thành phần N2 vào hệ thống. Reforming thứ cấp được tiến hành
trong thiết bị phản ứng tầng xúc tác cố định, sơ đồ quá trình này được
trình bày trên hình 3.4. Các phản ứng và điều kiện hoạt động của quá trình
như sau:


Trang 10 / 112

H 2 + O2



2 H2 O + Q

CH4 + O2



CO2 + 2 H2 + Q

CH4 + H2O



CO + 3 H2 - Q

CO + H2O



CO2 + H2 + Q



Xúc tác thương mại:

RKS-2P/RKS-2-7H



Nhiệt độ vào/ra:

~783/958 0C.



Áp suất vào/ra:

~30.9/30.4 barg

Hình 3.4: Q trình chuyển hóa Hydrocarbon thứ cấp
3.1.3

Cơng đoạn chuyển hóa CO
Q trình chuyển hóa CO được thực hiện qua hai giai đoạn, tiến hành
trong các thiết bị phản ứng tầng xúc tác cố định, sơ đồ quá trình này được