Cuộc sống luôn yêu cầu năng lượng để tồn tại. Tất cả các hoạt động sống đều tiêu thụ nhiên liệu, sản sinh ra năng lượng cần thiết và phát sinh các chất thải. Xã hội của chúng ta không khác gì một cơ thể đơn bào nhỏ nhất mà trong đó chúng ta tìm kiếm nhiện liệu và tiêu thụ chúng để sản sinh năng lượng chúng ta cần để tồn tại. Nguồn nhiện liệu ban đầu có nguồn gốc cacbon được sử dụng nhiều nhất và chất thải chủ yếu là CO 2. Khi xã hội của chúng ta phát triển, nó cần có nguồn năng lượng lớn hơn. Trải qua 150 năm, chúng ta đã tiêu thụ lượng nhiên liệu có nguồn gốc cacbon khổng lồ trong sự phát triển của nền văn minh của chúng ta. Thêm vào đó, xã hội cùng với những hoạt động của nó bắt đầu có những tác động lên trái đất và để duy trì sự phát triển thì những tác động này vẫn tiếp diễn. Thế kỉ 21 được đặc trưng bởi sự phát triển cùng với một nghị trình hoạt động môi trường mà đã được biểu lộ rõ sự liên quan của xã hội đối với không khí và nước sạch, các vấn đề về giảm thiểu chất thải và phát triển các nguồn tái sinh, kiểm soát các chất thải hóa học và phóng xạ, và phòng ngừa các loại gây nguy hiểm. Những mối liên quan này có ảnh hưởng mạnh lên cuộc sống và công việc kinh doanh của chúng ta. Khi sự hiểu biết của chúng ta về nghị trình này được đầy đủ, những mối liên quan khác với những tác động lớn hơn lên thế giới đã xuất hiện. Biến đổi khí hậu, chặt phá rừng, khả năng sử dụng được của nguồn nước uống phong phú, sự đa dạng sinh học, và những tương tác giữa chúng có thể là những vấn đề về môi trường cần được xác định rõ trong thế kỉ 21. Những vấn đề về biến đổi khí hậu đã trở thành một chủ đề thiết thực cho cả cuộc tranh luận về chính trị và khoa học trong suốt thập kỉ trước. Hiện nay, nhiều nhà khoa học trên thế giới đang đánh giá giá trị của những số tiền bồi thường biến đổi khí hậu, thảo luận các phương thức làm giảm, và phát triển những kế hoạch và sự lựa chọn cho việc làm giảm sự biến đổi. Giới chính trị đang phát triển những chính sách hợp lý để chia sẻ gánh nặng về việc giảm thiểu biến đổi khí hậu đối với người dân trên thế giới. Các kết quả nghiên cứu của nhà khoa học như là cơ sở cho việc đưa ra những quyết định mà sẽ ảnh hưởng tới cuộc sống và kế sinh nhai của hàng tỷ người.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Lọc-Hóa Dầu Nguyễn Văn Lực i Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Thị Lệ Thủy, người đã định hướng và tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Những kiến thức và kinh nghiệm nhận được từ cô đã giúp tôi hoàn thành đồ án với những mục tiêu ban đầu đề ra. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới toàn thể các thầy cô giáo trong Bộ môn Lọc-Hóa dầu, trường Đại học Mỏ-Địa chất đã giúp tôi trang bị những kiến thức cơ bản của ngành học, tạo nền tảng kiến thức mà tôi có thể phát triển thêm sau này. Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các bạn trong tập thể lớp Lọc Hóa Dầu A- K53 đã nhiệt tình giúp đỡ và chia sẽ những kiến thức để tôi hoàn thành đồ án này. Trong quá trình thực hiện đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, tôi kính mong nhận được những ý kiến đóng góp và chia sẻ kinh nghiệm của thầy cô và các bạn để đồ án thêm hoàn thiện. Hà Nội, 12/06/2013 Nguyễn Văn Lực Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Lọc-Hóa Dầu Nguyễn Văn Lực ii Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG viii CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ix LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ CO 2 3 1.1. Nguồn phát thải CO 2 3 1.1.1. Các nguồn CO 2 tự nhiên 3 1.1.2. Các nguồn CO 2 nhân tạo 4 1.1.2.1. Giao thông vận tải 5 1.1.2.2. Sử dụng các dạng năng lượng 5 1.1.2.3. Sản xuất công nghiệp 6 1.2. Lượng khí thải CO 2 ở Việt Nam và trên thế giới 7 1.2.1. Lượng khí thải CO 2 trên thế giới 7 1.2.2. Lượng khí thải CO 2 ở Việt Nam 9 1.3. Những ảnh hưởng của sự phát thải khí CO 2 11 1.4. Các hướng sử dụng CO 2 12 1.4.1. Sử dụng trực tiếp CO 2 13 1.4.2. Chuyển hóa CO 2 thành sản phẩm có ích 14 CHƯƠNG 2: THU HỒI VÀ LƯU TRỮ CO 2 16 2.1. Thu hồi khí CO 2 16 2.1.1. Những nguồn có thể thu hồi CO 2 16 2.1.1.1. Sản xuất xi măng 17 2.1.1.2. Sản xuất sắt và thép 17 2.1.1.3. Lọc dầu 17 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Lọc-Hóa Dầu Nguyễn Văn Lực iii Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 2.1.1.4. Sản xuất hydro và ammoniac 17 2.1.1.5. Tinh chế khí tự nhiên 18 2.1.1.6. Sản xuất các chất mang năng lượng không chứa cacbon 18 2.1.2. Công nghệ tách CO 2 18 2.1.2.1. Tách với các chất hấp phụ/các dung môi 19 2.1.2.2. Tách bằng màng 20 2.1.2.3. Tách bằng chưng cất một dòng khí đã hóa lỏng và làm lạnh 20 2.1.3. Hệ thống thu hồi CO 2 21 2.1.3.1. Thu hồi CO 2 từ các dòng quá trình trong công nghiệp 21 2.1.3.2. Thu hồi sau khi đốt 22 2.1.3.3. Thu hồi trước khi đốt 23 2.1.3.4. Thu hồi bằng cách đốt cháy nhiên liệu bằng oxi 24 2.2. Vận chuyển CO 2 24 2.2.1. Giới thiệu 24 2.2.2. Các hệ phương pháp vận chuyển CO 2 25 2.2.2.1. Vận chuyển bằng đường ống 25 2.2.2.2. Vận chuyển bằng tàu biển 26 2.2.3. Đánh giá phương pháp vận chuyển CO 2 27 2.3. Các dạng lưu trữ CO 2 29 2.3.1. Lưu trữ địa chất CO 2 30 2.3.1.1. Giới thiệu 30 2.3.1.2. Cơ chế lưu trữ trong các thành hệ địa chất 35 2.3.1.3. Lưu trữ CO 2 trong các mỏ dầu và khí 37 2.3.1.4. Các thành hệ (bể) chứa nước mặn sâu 39 2.3.1.5. Các vỉa than 40 2.3.1.6. Các môi trường địa chất khác 41 2.3.1.7. Các ảnh hưởng của tạp chất tới khả năng lưu trữ 43 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Lọc-Hóa Dầu Nguyễn Văn Lực iv Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 2.3.1.8. Đánh giá các phương pháp lưu trữ địa chất CO 2 44 2.3.1.9. Một số dự án lưu trữ địa chất CO 2 đã được triển khai 46 2.3.2. Lưu trữ trong đại dương 48 2.3.2.1. Giới thiệu 48 2.3.2.2. Hướng tiếp cận để đưa CO 2 (đã được thu giữ và được nén) vào trong đại dương 49 2.3.2.3. Lưu trữ CO 2 bằng cách hòa tan các khoáng chất cacbonat trong đại dương 52 2.3.2.4. Các hướng tiếp cận khác để lưu trữ CO 2 trong đại dương 54 2.3.2.5. Ảnh hưởng của CO 2 tới tính chất hóa lý của đại dương 55 2.3.2.6. Đánh giá phương pháp lưu trữ CO 2 dưới đại dương 56 2.3.2.7. Một số dự án lưu trữ CO 2 trong đại dương 57 2.3.3. Cacbonat hóa khoáng chất 58 2.3.3.1. Giới thiệu 58 2.3.3.2. Phản ứng cacbonat hóa khoáng chất 60 2.3.3.3. Các nguồn của oxit kim loại 60 2.3.3.4. Kỹ thuật cacbonat hóa khoáng chất 61 2.3.3.5. Xử lý và sử dụng sản phẩm cacbonat hóa 63 2.3.3.6. Sự tác động tới môi trường 63 2.3.3.7. Đánh giá phương pháp lưu trữ CO 2 bằng cách cacbonat hóa khoáng chất 64 CHƯƠNG 3: CHUYỂN HÓA CO 2 THÀNH SẢN PHẨM CÓ ÍCH 66 3.1. Giới thiệu 66 3.2. Các phương pháp chuyển hóa CO 2 thành sản phẩm có ích 68 3.2.1. Chuyển hóa hóa học 68 3.2.1.1. Quá trình chuyển hóa hóa học CO 2 68 3.2.1.2. Hệ thống chuyển hóa hóa học CO 2 74 3.2.2. Chuyển hóa điện hóa học 76 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Lọc-Hóa Dầu Nguyễn Văn Lực v Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 3.2.2.1. Quá trình chuyển hóa điện hóa 77 3.2.2.2. Hệ thống chuyển hóa điện hóa 79 3.2.3. Chuyển hóa quang hóa 80 3.2.4. Chuyển hóa sinh hóa 81 3.2.4.1. Quá trình chuyển hóa sinh hóa 82 3.2.4.2. Hệ thống chuyển hóa sinh hóa 82 3.2.5. Đánh giá 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Lọc-Hóa Dầu Nguyễn Văn Lực vi Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 DANH MỤC HÌNH VẼ STT Số hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1 Hình 1.1 Sự phát thải khí nhà kính toàn cầu 4 2 Hình 1.2 Các lĩnh vực chính sử dụng nhiên liệu hóa thạch 5 3 Hình 1.3 Mức độ phát thải khí CO 2 trên thế giới trong giai đoạn 1990-2000 8 4 Hình 1.4 Mức độ phát thải khí CO 2 trên thế giới trong giai đoạn 2001-2010 9 5 Hình 1.5 Các hướng sử dụng có thể giảm được lượng lớn CO 2 phát thải vào khí 13 6 Hình 2.1 Các sơ đồ chung của các quá trình tách thích hợp đối với việc thu hồi CO 2 19 7 Hình 2.2 Các hệ thống thu hồi CO 2 22 8 Hình 2.3 Thu giữ sau khi đốt từ một nhà máy năng lượng dựa trên việc đốt than đá 23 9 Hình 2.4 Hệ thống thu hồi trước khi đốt trong một nhà máy năng lượng IGCC 23 10 Hình 2.5 Sơ đồ khối quá trình thu giữ CO 2 bằng đốt cháy nhiên liệu bằng Oxi 24 11 Hình 2.6 Các phương pháp lưu trữ CO 2 29 12 Hình 2.7 Những địa điểm lưu trữ và đề xuất lưu trữ CO 2 31 13 Hình 2.8 Sự thay đổi tỷ trọng của CO 2 với độ sâu 32 14 Hình 2.9 Những sự lựa chọn để lưu trữ CO 2 trong các dạng địa chất ở sâu dưới lòng đất 32 15 Hình 2.10 Hiệu quả lưu trữ của các cơ chế bẫy CO 2 35 16 Hình 2.11 Sơ đồ bơm CO 2 để tăng hệ số thu hồi dầu 38 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Lọc-Hóa Dầu Nguyễn Văn Lực vii Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 17 Hình 2.12 Sơ đồ dự án khí In Salah 46 18 Hình 2.13 Sơ đồ đơn giản của dự án lưu trữ CO 2 Sleipner 47 19 Hình 2.14 Sơ đồ minh họa một số quá trình lưu trữ đại dương được đề xuất 48 20 Hình 2.15 Sự lưu trữ CO 2 trong đại dương 49 21 Hình 2.16 Cân bằng vật chất và năng lượng của quá trình cacbonat hóa khoáng chất trong nhà máy sản xuất điện 59 22 Hình 2.17 Sơ đồ đề xuất của hệ thống cacbonat hóa khoáng chất không tại chỗ 59 23 Hình 3.1 Các ví dụ về các phản ứng bao gồm CO 2 và hướng trung gian trong tổng hợp trong công nghiệp 66 24 Hình 3.2 Ứng dụng của CO 2 trong hóa học tổng hợp 67 25 Hình 3.3 Sơ đồ thử nghiệm cho sản xuất DMC thương mại 72 26 Hình 3.4 Thu hồi CO 2 từ khí thải để sản xuất metanol 75 27 Hình 3.5 Thu hồi CO 2 từ khí thải để sản xuất DME 76 28 Hình 3.6 Thu hồi CO 2 từ khí thải để sản xuất nhiên liệu lỏng 76 29 Hình 3.7 Sơ đồ khái niệm cho hệ thống đề xuất 78 30 Hình 3.8 Sơ đồ đề xuất của hệ thống điện hóa 79 31 Hình 3.9 Sự vận chuyển điện tích được gây ra bởi ánh sáng với các phức chất của kim loại chuyển tiếp 81 32 Hình 3.10 Sơ đồ chuyển hóa CO 2 thành methanol sử dụng enzym 82 33 Hình 3.11 Sơ đồ đề xuất của hệ thống chuyển hóa sinh hóa CO 2 83 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Lọc-Hóa Dầu Nguyễn Văn Lực viii Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 DANH MỤC BẢNG STT Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1 Bảng 1.1 Năng lượng điện được sản xuất từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch 6 2 Bảng 1.2 Lượng phát thải khí CO 2 trên thế giới giai đoạn 1990-2000 7 3 Bảng 1.3 Lượng phát thải khí CO 2 trên thế giới giai đoạn 2001-2010 8 4 Bảng 2.1 Những nguồn CO 2 cố định lớn trên toàn thế giới phát thải hơn 0,1 triệu tấn CO 2 /năm 16 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Lọc-Hóa Dầu Nguyễn Văn Lực ix Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT - BO: butylen oxit - CCS ( carboncapture and storage): thu hồi và lưu trữ CO 2 - CO 2 – ECBM (CO 2 - Enhanced coal bed methane): tăng hệ số thu hồi metan trong vỉa than bằng CO 2 - DBU: 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene - DMC: dimetyl cacbonat - DME: dimetyl ete - ECBM (enhanced coal bed methane): tăng hệ sô thu hồi metan ở vỉa than - EGR (enhanced gas recovery): tăng hệ số thu hồi khí - EJ = 10 18 J - EO: etylen oxit - EOR (enhanced oil recovery): tăng hệ số thu hồi dầu - FT: Fischer-Tropsch - F ald DH: formaldehyde dehydrogenase - F ate DH: formate dehydrogenase - GTL (gas to liquid): chuyển hóa khí thành lỏng - IGCC (Integrated coal Gasification Combined Cycle: chu trình hỗn hợp kết hợp khí hóa than - IPCC: ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu - LPG: khí dầu mỏ hóa lỏng - LNG: khí tự nhiên hóa lỏng - MTBE: methyl tert-butyl ether - NBS: n-bromosuccinimide - NADH: nicotinamide adenine dinucleotide - PO: propylen oxit - SO: styren oxit Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Lọc-Hóa Dầu Nguyễn Văn Lực x Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 - TBHP: tert-butyl hydroperoxit - TBAB: tert-butylamoni bromua [...]... và dòng CO2 được loại bỏ từ khí tự nhiên hoặc khí tổng hợp mà đã trải qua một giai đoạn chuyển hóa CO thành CO2 2.1.3 Hệ thống thu hồi CO2 Các hệ thống cơ bản để thu hồi CO2 từ việc sử dụng các nhiên liệu hóa thạch và sinh khối bao gồm [32]: Thu hồi CO2 từ các dòng quá trình công nghiệp (mục 2.1.3.1) Thu hồi CO2 sau khi đốt (mục 2.1.3.2) Thu hồi CO2 trước khi đốt (mục 2.1.3.3) Thu hồi CO2 bằng cách đốt... CO2 Các hệ thống thu hồi CO2 sử dụng nhiều công nghệ đã biết để tách khí, các công nghệ này được tích hợp thành các hệ thống đơn giản để thu hồi CO2 Hình 2.1 [32] đưa ra các sơ đồ chung cho các công nghệ tách khí CO2 có thể được áp dụng để tích hợp vào các hệ thống thu giữ CO2 Nguyễn Văn Lực 18 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Lọc-Hóa Dầu Chất hấp thu + CO2 Tái sinh chất hấp thu Thu hồi. .. để sản xuất ammoniac, ancol và các nhiên liệu lỏng tổng hợp Các dòng quá trình khác mà nguồn CO2 không thu hồi được bao gồm các quá trình sản xuất ximăng, thép và quá trình lên men để sản xuất thực phẩm và đồ uống CO2 có thể được thu hồi từ các quá trình này bằng cách sử dụng các công nghệ như trong các hệ thống thu hồi sau khi đốt, thu hồi trước khi đốt và thu hồi bằng cách đốt nhiên liệu bằng oxy Nguyễn... (mục 2.1.3.4) Các hệ thống này được thể hiện một cách đơn giản trong hình 2.2 [31, 32] 2.1.3.1 Thu hồi CO2 từ các dòng quá trình trong công nghiệp CO2 đã được thu hồi từ các dòng quá trình trong công nghiệp từ 80 năm trước [37], mặc dù hầu hết CO2 sau khi phát sinh được thải vào khí quyển bởi không có yêu cầu thu hồi Các dòng quá trình trong công nghiệp có khả năng thu hồi CO2 hiện nay là các quá trình... nhiều báo cáo nghiên cứu về các phương pháp chuyển hóa CO2 thành các sản phẩm có ích, trong tương lai không xa, các phương pháp này có thể có tiềm năng ứng dụng rất lớn Những con đường chuyển hóa CO2 thành các sản phẩm có ích sẽ được nêu chi tiết trong chương 3 Nguyễn Văn Lực 15 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Lọc-Hóa Dầu CHƯƠNG 2: THU HỒI VÀ LƯU TRỮ CO2 2.1 Thu hồi khí CO2 2.1.1 Những... một phạm vi của các hệ thống thu hồi CO2 (thu giữ trước khi đốt và thu hồi bằng cách đốt cháy nhiên liệu bằng oxi) Vấn đề cơ bản đối với các hệ thống này là yêu cầu dòng khí oxi lớn Tách bằng cách làm lạnh cũng có thể được sử dụng để tách CO 2 từ các khí khác Nó có thể được sử dụng để tách các tạp chất từ các dòng khí CO2 có độ tinh khiết tương đối cao, chẳng hạn, đối với dòng CO2 thu được từ quá trình... có thể thu hồi CO2 Việc thu hồi CO2 chủ yếu được áp dụng ở các nguồn phát thải CO2 lớn [31, 32]: các nhà máy sản xuất điện từ nhiên liệu hóa thạch, các nhà máy chế biến nhiên liệu và cách nhà máy công nghiệp khác, đặc biệt là đối với quá trình sản xuất sắt, thép, xi măng và khu công nghiệp sản xuất hóa chất quy mô lớn (bulk chemicals) Việc thu hồi CO2 trực tiếp từ các nguồn nhỏ và di động trong các khu... trình chuyển hóa thành các dạng chất hóa học khác Sự bơm CO2 siêu tới hạn vào trong các giếng dầu đã cạn kiệt để thu hồi thêm dầu đã được nghiên cứu một cách thích hợp (Chương 2) Hiện tại chỉ còn là vấn đề về tính khả thi trong phương diện thương mại cho công nghệ thu hồi và lưu trữ CO2 (carbon capture and storage (CCS)) Theo ước tính, việc bơm CO2 có thể làm tăng hệ số thu hồi dầu từ một giếng lên... Tách CO2 Năng lượng và nhiệt H2 Reformer + tách CO2 Khí hóa CO2 CO2 Air/O2 Hơi nước Năng lượng và nhiệt N2 O2 Nén CO2 và khử nước Khí, dầu Air Đốt nhiên liệu bằng oxi Khí Than Biomass Năng lượng và nhiệt CO2 O2 Air Tách không khí N2 Air/O2 Các dòng quá trình trong công nghiệp Than Khí Biomass Xử lý + tách CO2 Nguyên liệu thô CO2 Khí, ammoniac, thép Hình 2.2 Các hệ thống thu hồi CO2 2.1.3.2 Thu hồi sau... khi đốt Thu hồi CO2 sau khi đốt là quá trình thu hồi CO2 từ khí thải được sinh ra bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu hoặc sinh khối trong không khí Thay vì thải trực tiếp CO2 ra ngoài khí quyển thì nó có thể được thu hồi thông qua các thết bị tách Hệ thống này có thể áp dụng trong các quá trình công nghiệp, trong các nhà máy năng lượng Để tách CO2 từ các cấu tử khí thải khác và tập trung khí CO2, cần . 20 2.1.3. Hệ thống thu hồi CO 2 21 2.1.3.1. Thu hồi CO 2 từ các dòng quá trình trong công nghiệp 21 2.1.3.2. Thu hồi sau khi đốt 22 2.1.3.3. Thu hồi trước khi đốt 23 2.1.3.4. Thu hồi bằng cách đốt cháy. 1.5 Các hướng sử dụng có thể giảm được lượng lớn CO 2 phát thải vào khí 13 6 Hình 2.1 Các sơ đồ chung của các quá trình tách thích hợp đối với việc thu hồi CO 2 19 7 Hình 2.2 Các hệ thống thu hồi. A-K53 CO 2 vào khí quyển là một biện pháp quan trọng và cần thiết để ngăn chặn và hạn chế sự biến đổi khí hậu và nóng lên toàn cầu hiện nay. Đồ án Nghiên cứu các phương pháp thu hồi và sử dụng khí CO 2 góp phần