Là những người sát cánh với công việc của các nhà máy, TS. Vũ Xuân Hoàn và các đồng nghiệp đã sớm nhận thấy một vấn đề mà các nhà máy lọc dầu, đặc biệt là Dung Quất - nhà máy đầu tiên của Việt Nam và cũng là công trình trọng điểm quốc gia - gặp phải: suy giảm hiệu quả lọc hóa dầu do chất lượng nguồn nguyên liệu đầu vào đang ngày càng xấu. Được xây dựng và vận hành từ năm 2009, nhà máy lọc dầu Dung Quất được thiết kế để sử dụng nguồn nguyên liệu dầu thô đầu vào là dầu mỏ Bạch Hổ, tuy nhiên, những năm gần đây sản lượng khai thác của mỏ Bạch Hổ sụt giảm khiến họ phải tìm kiếm các nguồn dầu thô nhập khẩu có tính chất tương tự để phối trộn chế biến. “Trong những năm trở lại đây, tính chất nguyên liệu của nhà máy thay đổi và dẫn đến nhiều vấn đề, chẳng hạn như khả năng cracking phân đoạn cặn nặng - một quá trình quan trọng trong lọc dầu nhằm chuyển hóa phân đoạn này thành các sản phẩm có giá trị kinh tế như nhiên liệu cho giao thông vận tải và propylen cho tổng hợp hóa dầu - trở nên khó hơn; đồng thời, nguyên liệu cũng lẫn nhiều tạp chất như sắt, canxi,... hơn, khiến chất xúc tác nhanh mất hoạt tính”, TS. Vũ Xuân Hoàn giải thích.
Nhưng đây chưa phải là vấn đề duy nhất mà nhà máy lọc dầu Dung Quất gặp phải. Do chất lượng nguyên liệu đầu vào giảm sút, lượng xúc tác Dung Quất cần sử dụng phải tăng lên gấp hai, gấp ba lần so với thiết kế ban đầu, không chỉ gây ảnh hưởng nặng nề đến hiệu quả kinh tế của nhà máy mà còn tiềm ẩn nguy cơ đến môi trường. “Hiện nay, lượng xúc tác mà nhà máy lọc dầu Dung Quất thải ra hằng ngày là khoảng 18-20 tấn và biện pháp xử lý chủ yếu chỉ là chôn lấp. Về lâu dài, những xúc tác thải ấy có thể làm rò rỉ kim loại nặng ra môi trường xung quanh”, TS. Vũ Xuân Hoàn cho biết.
Thực tế này đưa đến cho Dung Quất và các nhà nghiên cứu ở Viện Dầu khí một bài toán: phải tìm kiếm được các hệ xúc tác phù hợp để chế biến nguyên liệu hiệu quả hơn, đặc biệt là phần cặn nặng của tháp chưng cất khí quyển, nguyên liệu đầu vào của phân xưởng RFCC - cracking xúc tác tầng sôi. Nhờ được tuyển chọn tham gia vào dự án CLIENT II - Quan hệ đối tác quốc tế về đổi mới bền vững của Đức và đề tài 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 bốn bên khác là Công ty CP lọc hóa dầu Bình Sơn (Đơn vị quản lý và vận hành nhà máy lọc dầu Dung Quất), ĐH Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN, ĐH Công nghệ Dresden và công ty AIOTEC (Đức) để tìm lời giải cho bài toán này cũng như đáp ứng nhu cầu của doanh nghiệp.
Mở “đường cao tốc” cho xúc tác
Do xúc tác cracking có rất nhiều dòng khác nhau và được lựa chọn tùy thuộc vào nhu cầu của từng nhà máy, để đáp ứng được nhu cầu và tình hình hiện tại của nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhóm của TS. Vũ Xuân Hoàn lựa chọn hai mục tiêu cụ thể: tăng hiệu suất propylen - nguyên liệu đầu vào quan trọng cho công nghiệp hóa dầu, giúp đem lại biên lợi nhuận cao hơn; và tăng trị số octan của xăng - thước đo cho thấy nhiên liệu có khả năng chống kích nổ tốt hơn.
Để vừa đáp ứng được đồng thời các mục tiêu ấy, lại vừa chế biến hiệu quả được nguyên liệu cặn nặng với chất lượng kém hơn, họ tìm đọc rất nhiều tài liệu và nhận thấy, điểm mấu chốt để giải quyết vấn đề này là phải mở rộng mao quản của zeolite - thành phần quan trọng nhất của xúc tác FCC, quyết định khả năng cracking của xúc tác cũng như hiệu suất sản phẩm xăng và khí. “Việc đưa thêm hệ thống mao quản trung bình vào trong tinh thể zeolite cũng giống như khi các con đường nhỏ bị ùn tắc, muốn cho xe đi nhanh hơn thì cần phải mở những con đường lớn hơn vậy”, TS. Vũ Xuân Hoàn giải thích, “mao quản trung bình với kích thước khoảng 2-30 nm đó đóng vai trò như là ‘đường cao tốc’, giúp các chất sau khi đi vào các kênh vi mao quản (< 1,2 nm) phản ứng xong thì cũng dễ dàng khuếch tán ra khỏi tinh thể, giúp hạn chế được các phản ứng thứ cấp không mong muốn, từ đó nâng cao được hiệu suất sản phẩm có lợi như xăng và propylen”.
Tìm thấy điểm mấu chốt, họ bắt tay vào việc nghiên cứu tổng hợp zeolite tiêu chuẩn, sau đó áp dụng thêm một 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 vi mao quản. Thực tế, zeolite đa mao quản nói chung đã được nghiên cứu trong vòng 10 năm trở lại đây và cũng đã có khá nhiều quy trình chế tạo. “Tuy nhiên xúc tác cracking đa mao quản vẫn là một dòng xúc tác mới, và vấn đề chính đặt ra là tùy vào đối tượng, nguyên liệu, điều kiện cụ thể thì phải tối ưu điều kiện biến tính như thế nào để thu được zeolite có kích thước mao quản và tính chất phù hợp, chứ không thể áp dụng ngay được”, TS. Vũ Xuân Hoàn cho biết.
Trong khi nhiều nước khác có thể dễ dàng chế tạo zeolite NaY từ muối nhôm thì tại Việt Nam, do nguyên liệu này chưa có sản phẩm thương mại nên nhóm nghiên cứu phải bắt tay vào làm với hydroxit nhôm - một nguyên liệu thô hơn, khó chế tạo hơn và gần như chưa có nhiều nơi nghiên cứu. Nhờ biết tận dụng những nguyên liệu không nhiều người nghĩ đến, nhóm của TS. Vũ Xuân Hoàn đã xây dựng được thành công quy trình chế tạo zeolite NaY từ hydroxit nhôm và thủy tinh lỏng, không chỉ vậy còn có đơn đăng ký sáng chế được chấp nhận ở trong nước, đồng thời cũng đang trong quá trình đăng ký bảo hộ ở nước ngoài (Đức).
Thế nhưng sau khi đã chế tạo được zeolite Y và zeolite ZSM-5 đa mao quản, nhóm nghiên cứu của TS. Vũ Xuân Hoàn mới đối mặt với một thách thức thật sự: làm sao chế tạo được hạt xúc tác cracking đạt tiêu chuẩn? Với thiết bị sấy phun quy mô phòng thí nghiệm, bước tạo hạt xúc tác cracking này là thách thức với cả các nhà nghiên cứu Việt Nam lẫn Đức. “Bước này đòi hỏi rất nhiều thông số về mặt vật lý, hóa lý và yêu cầu rất nghiêm ngặt về tính lưu biến, nếu hạt nhỏ quá thì sẽ tạo thành bụi, không hoạt động được, mà lớn quá thì lại ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy của nó”, anh giải thích. Để đáp ứng được yêu cầu về kích thước hạt từ 20 - 70 µm, nhóm của TS. Vũ Xuân Hoàn phải thử nghiệm nhiều lần, thậm chí “mạo hiểm” nâng tỷ lệ rắn - yếu tố có thể gây tắc vòi sấy phun - để có thể tăng kích thước hạt lên một chút. “Kết quả là dù hạt của mình chưa đạt được kích thước tối ưu nhưng vẫn nằm trong phạm vi cho phép, và may mắn là cũng không ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác”, TS. Vũ Xuân Hoàn cho biết.
Chế tạo được xúc tác rồi nhưng cũng chưa phải là đã có thể vui mừng. “Xúc tác sau khi chế tạo được gọi là xúc tác fresh, chưa qua sử dụng, có hoạt tính rất cao nhưng hoạt tính ban đầu đó không nói lên điều gì cả. Cái chính là sau khi giảm hoạt tính, xúc tác cân bằng có thể đem lại hiệu quả cho nhà máy lọc dầu như thế nào”, TS. Vũ Xuân Hoàn nhấn mạnh. Với đặc thù của phân xưởng FCC gồm có hai thiết bị chính là thiết bị phản ứng và thiết bị tái sinh liên tục để tạo thành vòng tuần hoàn, khi đưa xúc tác vào tiếp xúc với nguyên liệu, phản ứng chỉ diễn ra trong vòng từ 2-10 giây trong ống phản ứng, sau đó sản phẩm cracking được tách ra và xúc tác sau phản ứng được chuyển ngay vào thiết bị tái sinh để đốt cốc rồi trở lại thiết bị phản ứng. Trải qua vòng tuần hoàn liên tục như vậy, hoạt tính của xúc tác sẽ dần dần giảm xuống. Để nâng cao độ bền thủy nhiệt và hoạt tính, nhóm nghiên cứu đã thêm một bước bền hóa để hạn chế sự phá vỡ cấu trúc zeolite trong điều kiện thực tế khắc nghiệt của phân xưởng.
Nhờ vậy, khi đánh giá xúc tác trên hệ thiết bị mô phỏng điều kiện hoạt động của phân xưởng RFCC ở nhà máy lọc dầu Dung Quất và so sánh với các mẫu xúc tác đối chứng trên thị trường, nhóm nghiên cứu không khỏi mừng rỡ khi nhìn thấy một kết quả khả quan: “Sau khi giảm hoạt tính, xúc tác đa mao quản của chúng tôi có diện tích bề mặt zeolite lớn hơn - có nghĩa là xúc tác có độ bền hoạt tính hơn, không chỉ vậy độ chuyển hóa cũng cao hơn so với xúc tác hiện tại mà nhà máy Dung Quất đang sử dụng và có hiệu quả tương đương với xúc tác đa mao quản mới của Grace - một trong những công ty sản xuất xúc tác lớn trên thế giới”, TS. Vũ Xuân Hoàn hào hứng nói. Đặc biệt do bổ sung zeolite ZSM-5 với tỉ lệ hợp lý, xúc tác của nhóm nghiên cứu có hiệu suất propylen tăng rất mạnh (trên 10% kl), đồng thời chỉ số octan xăng cũng tăng lên khoảng 5 đơn vị so với các dòng xúc tác đang dùng tại Dung Quất hiện nay.
Dù kết quả này không chỉ cho thấy tiềm năng ứng dụng cao của xúc tác cracking đa mao quản mà còn có thể mở ra những 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, đây mới chỉ là kết quả trong phòng thí nghiệm”, TS. Vũ Xuân Hoàn lưu ý. Anh thẳng thắn chia sẻ, để hạt xúc tác có thể thực sự đáp ứng được yêu cầu của xúc tác công nghiệp sẽ cần phải trải qua một quãng thời gian nghiên cứu rất dài nữa, bởi “những bí quyết về công nghệ tạo hạt xúc tác, hợp phần pha nền, chất kết dính,... cực kỳ quan trọng nhưng hiện nay chúng ta chưa làm được. Nếu muốn từng bước làm chủ được công nghệ thì mình phải thực hiện được những điều đó. Và muốn như vậy thì phải có đầu tư nghiên cứu ở quy mô lớn hơn”, TS. Vũ Xuân Hoàn cho biết.