Chuyển hóa các oxit carbon thành nhiên liệu

19/10/2012

Với đà phát triển nhanh chóng của công nghiệp hiện nay, an ninh năng lượng và môi trường đang là vấn đề mà tất cả các quốc gia trên thế giới phải đối mặt và ngày càng liên hệ mật thiết với nhau hơn. Vì vậy, đứng trước tình trạng dầu mỏ đang cạn kiệt dần do tốc độ khai thác chóng mặt nhằm phục vụ cho nhu cầu ngày càng tăng của con người, cùng với tình hình bất ổn chính trị của các quốc gia dầu mỏ, vai trò của nhiên liệu thay thế ngày càng trở nên quan trọng và nhận được sự quan tâm của các quốc gia công nghiệp phát triển.

Nhu cầu năng lượng của thế giới

Giai đoạn 2000 - 2010, nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng với tốc độ 1,5%/năm, từ năm 1990 - 2005 tăng 25%. Đi đôi với nó, lượng phát thải khí nhà kính cũng tăng tương ứng.

Trong đó, với ưu điểm giá thành phải chăng, vận chuyển thuận tiện, dễ tồn trữ và chuyển hóa thành nhiên liệu vận tải, dầu thô là nguồn cung cấp năng lượng lớn nhất, chiếm khoảng 44% thị trường năng lượng thế giới và 80% nhu cầu nhiên liệu giao thông vận tải.

Nhu cầu dầu thô trong những năm 1980 - 2010 tăng 1,4%/năm, những năm 1994 - 2010 tăng từ 3.100 lên 3.900 triệu tấn/năm. Như vậy, với trữ lượng dầu hiện có của thế giới khoảng 240.109 tấn và tốc độ khai thác như hiện nay, thì chỉ còn đủ khai thác trong khoảng 50 năm.

Rõ ràng, sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch (nguồn nhiên liệu truyền thống) khiến cho vấn đề năng lượng thế giới rất khó khăn trong tương lai không xa. Và trong bối cảnh đó, sự dao động về giá dầu hiện nay cùng với sự gia tăng phát thải khí dioxit carbon đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế.

Trong đó, khí thiên nhiên với ưu điểm là nguồn cung cấp năng lượng sạch, tạo điều kiện giảm lượng CO2 phát thải và dễ vận chuyển trong đường ống đến thẳng người tiêu dùng, được ưa chuộng và nhanh chóng thay thế dầu trong các nhà máy sản xuất năng lượng.

Nhu cầu khí thiên nhiên, chất lỏng của khí thiên nhiên (NGL) và khí hóa lỏng (LPG) tăng nhanh nhất trong các nguồn năng lượng trong 15 năm qua (nhu cầu khí thiên nhiên tăng trung bình 2,6%/năm). Hiện chúng đang được nghiên cứu để sử dụng làm nhiên liệu vận tải thay cho xăng và diesel. Song với trữ lượng thế giới hiện có vào khoảng 5.100 ngàn tỷ feet khối thì khí còn khai thác được trong 65 năm (với công suất khai thác của năm 1994).

Tốc độ tăng nhu cầu các dạng nhiên liệu khác nhau của thế giới

Nguồn methan dồi dào (là thành phần chính của khí thiên nhiên, chiếm 87% thể tích), nhưng việc sử dụng nó có một số hạn chế liên quan tới điểm chớp cháy và nhiệt độ sôi của khí thấp (-161,6oC ở 1 atm). Mặc dù hiện nay khí thiên nhiên được sử dụng làm nguồn nhiên liệu sản xuất điện, nhưng quá trình chuyển hóa methane thành nhiên liệu giao thông (như methanol hoặc hydrocarbon phân đoạn trung bình) trong các quá trình có tính cạnh tranh kinh tế sẽ được ứng dụng với tầm cỡ lớn hơn. Nếu quá trình gas-to-liquid (GTL) có thể cạnh tranh với sản xuất xăng từ dầu mỏ thì hàng tỷ lít nhiên liệu lỏng sẽ được sản xuất từ khí thiên nhiên.

Trữ lượng dầu khí của Việt Nam

Việt Nam có trữ lượng tiềm năng từ 0,9 đến 1,2 tỷ m3 dầu và từ 2.100 đến 2.800 tỷ m3 khí. Trữ lượng đã được xác minh là gần 550 triệu tấn dầu và trên 610 tỷ m3 khí. Trong đó 1/3 là khí có thể khai thác thương mại; 1/3 dầu đang khai thác; 1/3 trong số đó khoảng 300 tỷ m3 khí có chứa nồng độ CO2 cao.

Hiện nay, khoảng 70-85% tổng thị trường khí khô (có thành phần chủ yếu là methane) của Việt Nam được sử dụng làm nhiên liệu cho sản xuất điện. Tuy nhiên, theo xu thế chung thì giai đoạn 2011-2015 sẽ là một giai đoạn chuẩn bị quan trọng để đưa công nghiệp khí Việt Nam chuyển sang bước phát triển mới mạnh mẽ, với quy mô lớn (17-21 tỷ m3/năm) và trình độ chế biến cao hơn (chế biến sâu, sử dụng đa dạng) với sản phẩm là nhiên liệu lỏng sạch và hóa chất.

Điều chế nhiên liệu từ oxit carbon

Từ các nguồn khí thiên nhiên, than đá và sinh khối (biomass), khí tổng hợp (CO+H2) được điều chế. Từ khí tổng hợp nhiên liệu sạch và các hóa chất khác nhau sẽ được sản xuất.

Các sản phẩm từ khí tổng hợp

Quá trình Tổng hợp Fischer-Tropsh (FTS) cho sản phẩm cuối là alkan, alken và hợp chất chứa oxi như rượu, aldehyd, keton, axit và eter. Thay đổi thành phần xúc tác và điều kiện phản ứng ta có thể thay đổi thành phần sản phẩm.

Trong các xúc tác kim loại thì sắt, coban, niken và ruteni có hoạt độ cao nhất cho tổng hợp Fischer-Tropsh. Xúc tác niken ở 150-250oC và áp suất 1 bar cho sản phẩm chủ yếu là metan; xúc tác cobalt ở 150-250oC và áp suất 1-25 bar cho sản phẩm chủ yếu là parafin C5+; xúc tác sắt ở 250-350oC và áp suất 20-30 bar cho sản phẩm parafin, olefin và aromat, còn xúc tác Ru ở ~100oC và áp suất trên 100 bar cho sản phẩm chủ yếu là polyetylen.

Trong quá trình tổng hợp Fischer-Tropsh, từ các oxit carbon có thể điều chế được các nhiên liệu hydrocarbon từ khí methane đến wax (sáp). Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm trên các xúc tác khác nhau giảm theo thứ tự sau: Ru > Fe > Co > Rh > Ni > Ir > Pt > Pd.

Các sản phẩm của quá trình Fischer-Tropsh (FTS) từ khí tổng hợp

Phần lớn công nghệ FTS trong hai thập niên qua đều dựa trên quá trình FT nhiệt độ thấp (LTFT) (200-240oC). Cả hai xúc tác sắt và cobalt đều được sử dụng trong quá trình LTFT để sản xuất hydrocacbon wax mạch dài và parafin. Cobalt tuy đắt hơn sắt nhưng lại bền với đầu độc và tuổi thọ cao hơn nhiều, nên có chi phí xúc tác cho một đơn vị sản phẩm thấp hơn, do đó là sự lựa chọn phù hợp cho quá trình LTFT.

Trong nghiên cứu các nhà khoa học Viện Công nghệ hoá học đã chế tạo được các xúc tác trên cơ sở cobalt biến tính có hiệu suất tạo nhiên liệu lỏng đạt đến 51,5% ở điều kiện thuận lợi (7 atm và 200oC). Các sản phẩm phản ứng có thể chế biến tiếp thành xăng sạch.

Hiệu quả của GTL process

Việc chuyển hóa trực tiếp than thành nhiên liệu lỏng và hóa chất không còn được áp dụng, còn việc chuyển hóa khí metan trực tiếp thành các hóa chất như metanol, ethylene hoặc benzen cho đến nay vẫn còn ít thành công. Tuy nhiên, công nghệ chuyển hóa than đá và metane thành khí tổng hợp đã được xác lập.

Khí tổng hợp có thể sử dụng cho sản xuất điện hoặc chuyển hóa thành nhiên liệu thân thiện môi trường và hóa chất thông qua quá trình FTS. Vì lý do môi trường và kinh tế hiện nay, metan có ưu thế hơn than đá trong sản xuất khí tổng hợp. Với nguyên liệu metan, chi phí đầu tư cho nhà máy thấp hơn và quá trình hiệu quả cao hơn do trong trường hợp này chỉ có 25% carbon chuyển hóa thành CO2, trong khi từ than đá có 50% carbon chuyển hóa thành CO2.

Sản phẩm của quá trình GTL có thể cạnh tranh với sản phẩm sản xuất từ dầu thô. Tuy nhiên, tương lai của quá trình này phụ thuộc vào giá của dầu thô trên thị trường. Vì nhiều lý do, giá dầu thô biến động mạnh và khó lường khiến cho việc quyết định đầu tư cho nhà máy FTS có rủi ro cao. Quá trình GTL sẽ không khả thi nếu giá dầu thô giảm xuống đến 16$/thùng và duy trì trong thời gian dài. Ngược lại, công nghệ FTS trở nên hấp dẫn và việc mở rộng ngành công nghiệp GTL sẽ khả thi khi giá dầu thô là 20$/thùng (theo Andre Steynberg, Mark Dry, Fischer-Tropsch Technology, Publisher: Elsevier Science & Technology Books, 2004). Và với giá dầu thô hiện nay gần 100$/thùng thì nền công nghiệp này có khả năng phát triển mạnh.

GS.TSKH. Lưu Cẩm Lộc - Viện Công nghệ Hóa học

Chuyển hóa các oxit carbon thành nhiên liệu

Thông báo nhận hồ sơ các Giải thưởng hiệu quả năng lượng năm 2024

Công nghệ tiết kiệm năng lượng cho trung tâm dữ liệu

Bản quyền thuộc Vụ Tiết kiệm năng lượng và Phát triển bền vững, Bộ Công Thương