Danh sách các hệ thống phụ trợ trong nghiên cứu được đưa ra trong bảng 3.1. Hơi nước là nguồn nhiệt điển hình cung cấp nănglượng cần thiết để gia nhiệt trong quá trình. Đối với các nhà máy hóa học lớn, hơi nước thường được tạo ra ở điểm áp suất cao nhất và được dẫn tới những điểm áp suất thấp hơn thông qua các tua bin và van [89]. Hơi nước áp suất cao thường được tạo ra ở 44.3 barg (4531 kPa) và được gia nhiệt tới 400°C đểtăng hiệu quả sản xuất điện năng của các tuabin. Các luồng hơi quá nhiệt sau đó được giảm nhiệt độ để tạo ra hơi nước bão hòa áp suất cao (41 barg, 254°C) trước khi được sử dụng trong các thiết bị trao truyền nhiệt [89]. Một trong những lý do mà hơi bão hòa được sử dụng thay vì hơi quá nhiệt là vì nhiệt dung của hơi quá nhiệt thay đổi tùy thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Điều này làm cho việc ước tính diện tích bề mặt truyền nhiệt trở nên khó khăn. Một lý do khác là lượng nhiệt mất đi khi hơi quá nhiệt giảm tới nhiệt độ bão hòa tương đối nhỏ so với entanpi bốc hơi nước. Điều này có nghĩa là khi hơi được quá nhiệt thì tỷ lệ truyền nhiệt thấp hơn. Thêm vào đó, trong thiết bị trao đổi nhiệt, sử dụng hơi quá nhiệt có thể dẫn tới việc hình thành vùng tường khô gần với tầm ống và vùng này có thểnhanh chóng đóng rêu bẩn, từđó làm giảm hệ số truyền nhiệt.
Trong quá trình siêu tới hạn, nhiệt độ của hơi bão hòa áp suất cao không đủ để gia nhiệt nguyên liệu tới nhiệt độ phản ứng (350°C). Vì thế, sử dụng một chất lỏng truyền nhiệt tuần hoàn cùng với các nhiên liệu như than và khí gas tự nhiên rất cần thiết cho việc gia nhiệt nhiệt độ cao trong lò hoặc thiết bị đốt nóng trực tiếp. Tuy nhiên, theo Lim, trong các nghiên cứu về quá trình siêu tới hạn, chỉ sử dụng hơi áp suất cao làm nguồn nhiệt [61].
Trong nghiên cứu này, dầu đốt lò có nhiệt độ cao được sử dụng để cung cấp nhiệt trong quá trình ở bất cứ thiết bị nào có nhiệt độ vận hành lớn hơn 254°C. Độ nóng cụ thể của đốt lò là 2.1059 kJ/(kg·K) và nhiệt độ đầu vào và đầu ra được đặt lần lượt ở 385°C và 357.2°C. Chi phí chất lỏng truyền nhiệt tuần hoàn nóng giống như dầu đốt lò được tính bằng chi phí nhiên liệu được đốt để làm nóng chất lỏng truyền nhiệt tuần hoàn. Theo Turton, hiệu suất điển hình của các lò này dao động từ60% đến 82% khi giá trị gia nhiệt của nhiên liệu thấp hơn, hoặc có thế lên tới 90% nếu sử dụng các
78
bộ phận tiết kiệm làm nóng không khí trước. Trong nghiên cứu này, hiệu suất 90% có được khi sử dụng nguồn nhiên liệu là khí tự nhiên. Chi phí phụ trợ của dầu đốt lò tuần hoàn được tính bằng phương trình (3.2), dựa trên giá khí gas tự nhiên là 6 $/GJ [89]. Giá các loại hệ thống phụ trợđược liệt kê trong bảng 3.1.
Chi phí cho dầu gia nhiệt
= á í ự
ệ ấ ò đố (nhiệt dung riêng của dầu)∆T (3.2)
= $
. (2.1059 . ) (385-357.2)
= 0.0004 $/kg dầu sử dụng trong gia nhiệt.
Bảng 3. 1. Giá nguyên liệu phụ trợ sử dụng trong nghiên cứu
Nguyên liệu phụ trợ Giá ($/tấn)
Nước làm lạnh 1
Nước làm mát 0.013
Dầu gia nhiệt tuần hoàn 0.4
Hơi nước áp suất cao 16.64
Hơi nước áp suất trung bình 13.71
Hơi nước thứ áp 12.68
Giá của dầu thực vật nguyên chất được đưa ra trong bản báo cáo của dịch vụ nông nghiệp quốc tế (USDA Foreign Agricultural Service). Theo bản báo cáo, giá dầu thực vật nguyên chất là 916 $/ tấn vào tháng 1/2010. Ngoài ra, thịtrường nông nghiệp quốc tế cũng cung cấp thông tin về giá dầu thực vật thải và biodiesel. Trong bản báo cáo, giá dầu thực vật thải là 530 $/ tấn. Trong cùng thời điểm, giá biodiesel tương đương khoảng 0.99 $/kg với tỷ trọng ước tính 870.5 kg/m3.
Thông tin giá cả methanol và glycerol cũng được đưa ra trong các bản báo cáo mẫu bởi ICIS Princing. Theo các bản báo cáo này, giá methanol vào khoảng 260.37- 277.06 $/tấn còn glycerol dùng trong dược phẩm và glycerol thô có giá lần lượt từ 1212.54-1433.00 $/tấn và 750-970 $/tấn [59]. Trong nghiên cứu này, giá trung bình
79
đưa ra đối với methanol, glycerine dùng trong dược phẩm và glycerine thô lần lượt là 268.71 $/tấn, 1322.77 $/tấn và 860 $/tấn. Giá của các loại nguyên liệu trên được thống kê trong bảng 3.2.
Bảng 3. 2. Giá các loại nguyên liệu thô sử dụng trong nghiên cứu
Tên Giá ($/tấn)
Methanol 268.71
Dầu thực vật nguyên chất 916
Dầu thực vật thải 530 Glycerol 1322.71 (dùng trong dược phẩm) 860 (thô) NaOH 200 H2SO4 60 H3PO4 340 Biodiesel 990 3.2.2. Tổng số vốn đầu tư
Bảng 3.3 cho thấy tổng chi phí vốn cho bốn quá trình sản xuất biodiesel. Chi phí của thiết bị phản ứng trao đổi este cao hơn bất kì thiết bị nào khác trong các quá trình. Nhìn chung, chi phí thiết bị của quá trình SC-WVO và SC-LowE cao hơn các quá trình khác. Đặc biệt, chi phí của thiết bị phản ứng trao đổi este, bơm, thiết bị trao đổi nhiệt của hai quá trình siêu tới hạn cao hơn đáng kể so với quá trình Alkali-FVO (cao hơn khoảng 3 lần với thiết bị phản ứng trao đổi este và bơm; cao hơn 25 lần với thiết bị trao đổi nhiệt). Nguyên nhân chủ yếu là do điều kiện vận hành, quá trình siêu tới hạn có điều kiện vận hành cao hơn rất nhiều so với các quá trình khác. Với thiết bị phản ứng, vật liệu sử dụng để chế tạo là 316SS với cả bốn quá trình, tuy nhiên do điều kiện hoạt động ở nhiệt độ và áp suất cao nên độ dày của thiết bị phản ứng các quá trình siêu tới hạn dày và phức tạp hơn. Điều kiện hoạt động cũng góp phần vào sự gia tăng kích thước của bơm và thiết bịtrao đổi nhiệt trong quá trình SC-WVO và SC-LowE.
80
Bảng 3. 3. Tổng số vốn đầu tư của quá trình sản xuất biodiesel công suất 40.000 tấn/năm (đơn vị: triệu $)
Loại Alkali-FVO Alkali-WVO SC-WVO SC-LowE
Thiết bị phản ứng: Este hóa
Chuyển hóa Trung hòa - 0.252 0.08 0.255 0.249 0.08 - 0.662 - - 0.726 - Tháp: Hồi lưu methanola
Tinh chế biodiesela Tinh chế glycerola Rửa nước Rửa glycerol 0.093 0.186 0.065 0.034 - 0.256b/0.099 0.182 0.047 0.034 0.073 0.211 0.241 - - - 0.108 0.227 - - - Bơm
Thiết bị trao đổi nhiệt
Tháp trích ly L-L Thiết bị tách nhanh 0.017 0.02 0.025 - 0.031 0.059 0.027 - 0.063 0.651 0.026 - 0.052 0.557 0.026 0.021
Tổng chi phí mua thiết bị 0.772 1.392 1.854 1.717
Lắp đặt thiết bị 0.016 0.023 0.021 0.023 Đường ống 0.69 1.12 1.82 1.77 Dân sự 0.133 0.187 0.123 0.126 Thép 0.054 0.087 0.034 0.037 Trang thiết bị 1.21 1.68 0.968 0.991 Điện 0.497 0.529 0.492 0.489 Vật liệu cách điện 0.195 0.283 0.255 0.246 Sơn 0.028 0.035 0.023 0.021 Tổng chi phí trực tiếp 3.595 5.336 5.59 5.42 Chi phí khácc 4.05 5.454 3.627 3.703 Tổng chi phí G&A 0.15 0.219 0.215 0.209 Phí hợp đồng 0.402 0.526 0.411 0.412 Sự cố bất ngờ 1.48 2.08 3.2 3.17 Vốn cố định 9.677 13.615 13.043 12.914 Vốn lưu động 1.45 2.04 1.96 1.94 Tổng số vốn đầu tư 11.127 15.655 15.003 14.854 a
: bao gồm chi phí cho một tháp chưng cất: condenser, tháp, bơm hồi lưu, reboiler
b
: riêng cho quá trình tiền xử lý
c
: mục này là tổng các chi phí sau đây: thiết kế, kỹ thuật, chi phí đặt hàng, chi phí vật liệu (gồm cả vận chuyển và thuế) và các chi phí gián tiếp trong lĩnh vực xây dựng (bảo hiểm, lĩnh vực dịch vụ, văn phòng giám sát, văn phòng và khi nhà máy bắt đầu hoạt động).
81
Chi phí trực tiếp của quá trình Alkali-FVO, Alkali-WVO, SC-WVO và SC- LowE lần lượt là 3.594 triệu đô la, 5.336 triệu đô la, 5.592 triệu đô la và 5.425 triệu đô la. Quá trình SC-LowE giảm chi phí khá nhiều do sử dụng một thiết bị phụ (thiết bị tách nhanh methanol – V100), từ đó giảm chi phí tháp tách và hồi lưu methanol, bơm và thiết bịtrao đổi nhiệt. Nguyên nhân là các thiết bị phải xử lý một lượng methanol ít hơn so với quá trình SC-WVO. Tuy nhiên chi phí lớn nhất trong các quá trình này là chi phí cho việc lắp đặt thiết bị, dân sự, thép, trang thiết bị, điện, các vật liệu cách điện và sơn.
Tổng số vốn đầu tư cho quá trình Alkali-FVO được ước tính là 11.1 triệu đô la, thấp nhất trong số bốn quá trình. Quá trình Alkali-WVO tốn kém nhất với số vốn đầu tư lên đến 15.6 triệu đô la. Như đã trình bày ở trên, do quá trình Alkali-WVO lắp đặt thêm một quá trình tiền xử lý nguyên liệu nên chi phí phát sinh lớn. Hai quá trình còn lại, SC-WVO và SC-LowE có số vốn đầu tư ước tính lần lượt là 15 triệu đô la và 14.8 triệu đô la.
3.2.3. Tổng chi phí sản xuất
Kết quả tổng chi phí sản xuất được thể hiện trong bảng 3.4. Tổng chi phí sản xuất biodiesel của quá trình Alkali-FVO ước tính khoảng 50.9 triệu $, đó là chi phí cao nhất trong bốn quá trình. Quá trình SC-LowE chi phí thấp nhất, vào khoảng 25.9 triệu $. Hình 3.2 thể hiện rõ chi phí của từng mục vào tổng chi phí sản xuất biodiesel của từng quá trình. Như trong hình 3.2, chi phí sản xuất trực tiếp của quá trình Alkali-FVO, Alkali-WVO, SC-WVO, SC-LowE lần lượt là 84%, 63.9%, 71.3% và 75.4%. Chi phí nguyên liệu của quá trình Alkali-FVO đặc biệt cao do sử dụng nguyên liệu là dầu thực vật tinh khiết, các quá trình khác sử dụng dầu phế thải làm nguyên liệu nên chi phí giảm khoảng 42% so với quá trình Alkali-FVO.
Tổng chi phí sản xuất của quá trình Alkali-WVO là 35 triệu $, cao thứ hai trong số bốn quá trình. So với quá trình Alkali-FVO, giá cả của vật liệu (ngoại trừ dầu nguyên liệu) cao hơn do sử dụng một lượng lớn methanol, xúc tác axit sunfuric và glycerol để tách trong tháp tách lỏng-lỏng của quá trình tiền xử lý. Chi phí gián tiếp, bảo dưỡng của quá trình Alkali-WVO cũng hơi cao hơn so với quá trình Alkali-FVO do sự phức tạp của quá trình. Tuy nhiên, với việc sử dụng nguyên liệu dầu thải, mỗi năm quá trình Alkali-WVO tiết kiệm được 10.8 triệu $ trong tổng chi phí sản xuất.
82
Bảng 3. 4. Tổng chi phí sản xuất, lợi nhuận glycerol và doanh thu biodiesel của bốn quá trình (đơn vị: triệu $)
Quá trình Alkali-FVO Alkali-WVO SC-WVO SC-LowE
Chi phí trực tiếp
Dầu nguyên liệu 38.46 22.36 21.88 21.88
Methanol 1.215 1.356 1.15 1.24
Xúc tác 0.201 0.215 - -
Water washing 0 0 - -
Glycerol washing - 3.296 - -
Hơi nước (4201 kPa) - - - -
Hơi nước (1135 kPa) 0.006 0.007 1.328 0.168
Hơi nước (690 kPa) 0.132 0.563 - -
Dầu gia nhiệt tuần hoàn 0.407 0.4 0.787 0.616
Nước làm mát 0.019 0.019 0.081 0.03 Nước lạnh 0.234 1.745 - - Điện 0.066 0.099 0.115 0.089 Vận hành 0.8 0.8 0.6 0.6 Giám sát 0.28 0.28 0.28 0.28 Bảo trì 0.58 0.817 0.783 0.775
Thiết bị doanh nghiệp 0.058 0.082 0.078 0.078
Chi phí phòng lab 0.143 0.176 0.143 0.143 Tổng số tiền 42.4 32.278 27.225 25.899 Chi phí gián tiếp Chi phí quản lý chung 0.73 0.948 0.831 0.828 Khấu hao 0.822 1.35 1.201 1.096 Thuế 0.224 0.315 0.302 0.299 Bảo hiểm 0.097 0.136 0.13 0.129 Tổng số tiền 1.873 2.749 2.464 2.352 Chi phí hành chính 6.641 5.245 4.454 4.238 Tổng chi phí sản xuất 50.914 40.272 34.15 32.489 Lợi nhuận của glycerol 5.49 5.19 3.47 3.45
Doanh thu từ biodiesel 39.6 39.6 39.6 39.6
Tổng chi phí sản xuất (đã
trừ lợi nhuận glycerol) 45.424 35.082 30.68 29.039
Cả hai quá trình SC-WVO và SC-LowE đều có tổng chi phí sản xuất thấp hơn quá trình xúc tác kiềm (Alkali-FVO và Alkali-WVO). Nguyên nhân thứ nhất đó là do độ chuyển hóa của phản ứng siêu tới hạn cao hơn (96% so với 95% của quá trình xúc
83
tác kiềm), thứ hai đó là giá dầu nguyên liệu giảm 0.48 triệu % mỗi năm so với quá trình Alkali-WVO và 16.58 triệu $ mỗi năm so với quá trình Alkali-WVO. Chi phí của methanol trong quá trình siêu tới hạn cũng tương tự như trong quá trình sử dụng xúc tác kiềm mặc dù tỷ lệ methanol/dầu của quá trình siêu tới hạn lớn hơn rất nhiều lần của quá trình xúc tác kiềm (42:1 so với 6:1), tuy nhiên do sử dụng tháp chưng cất để hồi lưu methanol nên lưu lượng methanol thực tế bổ sung cũng tương tự so với các quá trình sử dụng xúc tác kiềm.
Chi phí phụ trong quá trình siêu tới hạn cũng cao hơn quá trình sử dụng xúc tác kiềm do điều kiện phản ứng khắc nghiệt. Lượng methanol lớn bay hơi trong tháp chưng cất cũng tăng chi phí phụ của quá trình này. Điện năng sử dụng chủ yếu trong các thiết bị phản ứng của quá trình Alkali-FVO và Alkali-WVO, từ bơm của quá trình SC-WVO và SC-LowE. So sánh quá trình SC-WVO và SC-LowE cho thấy, quá trình SC-LowE tiết kiệm 1.16 triệu $ mỗi năm cho chi phí hơi nước cao áp (1135 kPa) chỉ đơn giản bằng cách sử dụng tháp bốc hơi nhanh trước tháp chưng cất methanol. Việc tiết kiệm chi phí hơi nước có nhiều lợi ích và tiết kiệm hơn so với chi phí để mua và lắp đặt thiết bị bốc hơi nhanh.
Lợi nhuận từ glycerol của quá trình Alkali-FVO và Alkali-WVO lần lượt là 5.49 triệu $ và 5.19 triệu $, cao hơn so với quá trình siêu tới hạn. Nguyên nhân là sự khác nhau vềđộ tinh khiết của glycerol thương phẩm. Sự khác biệt về giá của glycerol trên thịtrường tùy thuộc vào độ tinh khiết của nó và chi phí bỏ ra để tinh chế, đây cũng là hai tiêu chí quan trọng khi thiết kế và lắp đặt tháp tinh chế glycerol. Ví dụ, nếu glycerol trong quá trình Alkali-FVO không tinh khiết và được bán ở mức giá thấp hơn 860 $/tấn thì lợi nhuận thu được từ glycerol sẽ giảm 1.98 triệu $ mỗi năm. Nói cách khác với việc đầu tư 0.065 triệu $ để lắp đặt tháp tinh chế glycerol, mỗi năm lợi nhuận thu về từ sản phẩm glycerol tăng 1.98 triệu $.
Doanh thu từ biodiesel là 39.6 triệu $ mỗi năm trong mỗi quá trình (giả sử biodiesel được tiêu thụ hoàn toàn trên thịtrường). So với tổng chi phí sản xuất, doanh thu đủ lớn đểbù đắp chi phí đầu tư ban đầu (với các quá trình Alkali-WVO, SC-WVO, SC-LowE). Tuy nhiên, quá trình Alkali-FVO, tổng chi phí sản xuất cao hơn 6.2 triệu $. Để quá trình Alkali-FVO thu được lợi nhuận, có lẽ không thể tránh khỏi việc tăng giá bán biodiesel hoặc giảm chi phí nguyên liệu.
84
3.2.4. Thẩm định dựán đầu tư
Trong quá trình thực hiện quyết định đầu tư, lợi nhuận dự kiến từđầu tư phải được đánh giá một cách tương đối thông qua một số tiêu chuẩn lợi nhuận. Tiêu chuẩn lợi nhuận là thước đo định lượng số vốn đầu tư cần thiết để tạo ra lợi nhuận. Đểđánh giá hiệu quả của dự án, có thể sử dụng các thông số tài chính đánh giá hiệu quả của dự án không quy đổi theo thời gian như tỷ suất lợi nhuận, thời hạn thu hồi vốn đầu tư, thời hạn thu hồi vốn đầu tư từ lợi nhuận, thu nhập thuần tính trên vốn đầu tư. Tuy nhiên các thông số này đều có chung một nhược điểm đó là không xét đến giá trị thời gian của đồng tiền, vì vậy chỉ nên sử dụng trong giai đoạn đánh giá sơ bộ. Trong dự án này, sử dụng các thông số tài chính đánh giá dự án có quy đổi theo thời gian đang được sử dụng rất rộng rãi hiện này như:
+ giá trị hiện tại thuần NPV (Net Present Value)
+ thời gian hoàn vốn có chiết khấu DPP (discounted payback period) + tỷ suất sinh lời nội bộ IRR ((Internal rate of return – IRR)
3.2.4.1. Giá trị hiện tại thuần NPV
Giá trị hiện tại thuần NPV là hiệu số của giá trị hiện tại dòng doanh thu (cash inflow) trừ đi giá trị hiện tại dòng chi phí (cash outflow) tính theo lãi suất chiết khấu