sản xuất phân bón
Theo dự báo tháng 5/2011 của IFA, nhu cầu toàn cầu phân bón tăng trung bình hàng năm giai đoạn 2010 - 2015 là 2,4%. Thế giới tiêu thụ phân bón được dự báo là gần 190 triệu tấn chất dinh dưỡng vào năm 2015. Sức mạnh của tăng trưởng vượt quá tốc độ tăng trưởng lịch sử của thập kỷ vừa qua là 2,2% mỗi năm [13]. Tiêu thụ ba loại phân bón cơ bản của thế giới ở các quốc gia chủ yếu được thể hiện ở hình sau.
Hình 1.7. Tiêu thụ phân bón tại một số quốc gia chính trên thế giới
năm 2010 -2012 (IFA, 2010)
Dựa vào biểu đồ Hình 1.7 của ba loại phân bón chính trên thế giới, sản lượng tiêu thụ phân Nitơ, phân Phốtpho và phân Kali đều tăng dần trong các năm 2010 – 2012. Các loại phân được tiêu thụ nhiều nhất là phân Nitơ, tiếp theo là phân
23
Phốtpho và cuối cùng là Kali. Trung Quốc, Ấn Độ và Mỹ là các thị trường chủ yếu tiêu thụ và sản xuất các loại phân bón.
Trong số các loại phân Nitơ, phân ure (phân đạm) chiếm phần lớn về sản lượng, được sản xuất chủ yếu thông qua quá trình tổng hợp amoniac. Ammonia được sản xuất trên toàn thế giới chủ yếu dựa vào quá trình tổng hợp Haber-Bosch (NH3 được tổng hợp từ một hỗn hợp tỉ lệ 3:1 hydro và nitơ ở nhiệt độ cao và áp suất với sự có mặt của xúc tác sắt (Engelstad 1985). Tất cả nitơ được sử dụng thu được từ không khí và hydro có thể thu được bằng một trong các quá trình sau đây:
a) Reforming hơi nước khí tự nhiên hoặc các hydrocacbon nhẹ khác (khí thiên nhiên hóa lỏng, Khí dầu mỏ hoá lỏng hoặc Naphtha);
b) Oxy hóa phân đoạn dầu nặng hoặc than đá. c) Khí hóa than
Trong đó, 85% sản xuất ammonia thế giới được dựa vào quá trình reforming hơi nước (EFMA 2000a) và khí tự nhiên là nguyên liệu hydrocarbon chủ yếu.
Trong khi đó, các loại phân Phốtpho thì DAP chiếm tỷ lệ cao về sản lượng, được sản xuất chủ yếu thông qua quá trình tổng hợp axit H3PO4 (Hình 1.8). Trong giai đoạn 2010 – 2015, Việt Nam là một trong 11 quốc gia có dự án sản xuất phân DAP đóng góp vào nhu cầu chung trên thế giới. Sản lượng phân DAP gia tăng được ước tính chiếm ¾ sự gia tăng của các loại phân bón Phốtpho vào năm 2015 (44,4 triệu tấn P2O5). Bên cạnh đó, axit phốtphoric là một hợp chất quan trọng ứng dụng để sản xuất các loại phân bón photpho (DAP, MAP, TSP…) cũng gia tăng mạnh 3,9%/năm từ 2010 – 2015. Trong khi đó ứng dụng trong các lĩnh vực của axit phốtphoric trong các lĩnh vực khác chỉ là 10% [13].
24
Hình 1.8. Ứng dụng của axit phốtphoric trong sản xuất phân bón
(Nguồn: Fertecon, CRU)
Sản xuất phân bón luôn được coi là ngành tiêu thụ năng lượng và phát thải KNK trọng điểm trong ngành công nghiệp hóa chất, liên quan tới 3 loại hình: sản xuất amoniac, sản xuất axit phốtphoric và axit nitric (IFA) [5]. Sản xuất phân bón sử dụng xấp xỉ 1,2 % tổng năng lượng toàn thế giới hàng năm, trong đó 94% năng lượng tiêu thụ cho công nghiệp sản xuất phân bón là sản xuất ammoniac [8].
Theo thống kê năm 2008 của IFA, sản lượng ammonia thế giới tổng hợp từ khí thiên nhiên chiếm đến 67%, trong khi đó ammonia tổng hợp từ than là 27% (hình 1.8).
Hình 1.9. Sản lượng amoniac toàn cầu theo nguyên liệu, 2007
25
Ammonia được sản xuất trên toàn cầu trong năm 2005 là 145,4 triệu tấn. Sản xuất phân bố chủ yếu tập trung ở Tây và Đông Á, chiếm gần 40% sản lượng toàn cầu (IFA 2006). Khoảng 77% sản xuất ammonia thế giới dựa vào quá trình reforming hơi nước khí tự nhiên, 14% dựa vào quá trình khí hóa than (chủ yếu ở Trung Quốc), và 9% dựa vào quá trình oxy hóa phân đoạn các sản phẩm dầu và hydrocarbon nặng (chủ yếu ở Ấn Độ và một phần nhỏ ở Trung Quốc). Quá trình tổng hợp amoniac từ dầu nặng sử dụng năng lượng gấp 1,3 lần quá trình tổng hợp dựa vào khí. Trong khi đó, quá trình dựa vào than đá sử dụng năng lượng gấp 1,7 lần quá trình tổng hợp dựa vào khí [Error! Reference source not found.].
1.3.2. Phát thải KNK ngành sản xuất phân bón
Tổ chức phát triển và hợp tác kinh tế (OECD) và Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) phân biệt hai nguồn phát thải chính:
(1) Phát thải do các hoạt động năng lượng trong các ngành dầu khí, than, điện, cơ khí, hóa chất, công nghiệp, lâm nghiệp, giao thông.
(2) Phát thải do các hoạt động ngoài năng lượng trong các ngành sản xuất công nghiệp: xi măng, phân bón, canh tác lúa, chăn nuôi, khai thác rừng...
Qui mô phát thải phụ thuộc chủ yếu vào qui mô sản xuất. Vì vậy, các nước công nghiệp đóng góp 75% lượng phát thải KNK trên thế giới. Trong khi đó các nước đang phát triển chiếm 75% dân số thế giới, chỉ phát thải 25% tổng lượng KNK.
Theo báo cáo đánh giá lần thứ tư của IPCC (AR4 - 2007), trong 250 năm trở lại đây, chính việc sử dụng các nhiên liệu hóa thạch đã tạo ra phần lớn khí thải nhà kính. Lượng CO2 thải chủ yếu từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch, các quá trình sản xuất công nghiệp (sản xuất xi măng, phân bón, sản xuất thép...).
Trong số các nhiên liệu hóa thạch, khí thiên nhiên ít tạo ra khí thải nhà kính nhất, cho nên đây là một loại nhiên liệu được khuyến khích sử dụng, thậm chí người ta còn chuyển hóa than đá hay dầu mỏ thành khí hóa than lỏng tiện cho việc sử dụng, đồng thời ít gây ô nhiễm. Khí thiên nhiên có thành phần hydro cao hơn so với
26
bất kỳ nguồn năng lượng nào vì thế là nguồn cung cấp hydro được lựa chọn cho tổng hợp amoniac. Hơn nữa, khí thiên nhiên lại có phát thải CO2 thấp nhất trên một đơn vị sử dụng (bảng 1.3). Theo tính toán trung bình, 1/3 phát thải từ sản xuất amoiac từ khí thiên nhiên là do đốt cháy nhiên liệu và 2/3 là do việc sử dụng nguyên liệu thu hồi H2 để tổng hợp amoniac. Trong khi đó, sản xuất amoniac từ than đá theo thứ tự là 25% và 75% (IFA).
Bảng 1.3 Mức phát thải của nhiên liệu hóa thạch
(Đơn vị: kg/GJ) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khí thải Khí thiên nhiên Dầu Than
CO2 49,900 69,950 88,710 CO 0,017 0,014 0,088 NOx 0,039 0,192 0,195
SO2 -- 0,478 1,105
(Nguồn: EIA - Natural Gas Issues and Trends 1998)
Đặc điểm công nghệ sản xuất áp dụng cũng ảnh hưởng lớn đến suất tiêu thụ năng lượng và phát thải KNK của ngành. Suất tiêu hao năng lượng riêng trung bình của công nghiệp sản xuất amoniac thế giới là 41 GJ/tấn amoniac [18]. Mặc dù, suất tiêu hao năng lượng ở các nhà máy sản xuất phân bón hiện đại nhất chỉ còn bằng một nửa so với công nghệ của những năm 1960 (28 so với 60 GJ/tấn amoniac) [3]. So sánh các công nghệ tổng hợp amoniac hiện tại với công nghệ tốt nhất hiện có - BAT trong bảng dưới đây.
27
Bảng 1.4. So sánh các công nghệ BAT tổng hợp amoniac
Nguyên liệu Công nghệ Tiêu thụ năng lượng (GJ/tấn NH3) Phát thải CO2 (tấn CO2 /tấn NH3) Chỉ số KNK **
Khí thiên nhiên Reforming hơi nước 28 1,6 100
Naphtha Reforming hơi nước 35 2,5 153
Dầu nặng Oxy hóa phân đoạn 38 3,0 188
Than Oxy hóa phân đoạn 42 3,8 238
**
Chỉ số KNK: sử dụng khí thiên nhiên làm cơ sở, các chỉ số thể hiện cường độ cacbon của các nguồn nguyên liệu khác nhau
(Nguồn: [8])
So sánh công nghệ BAT tổng hợp amoniac với công nghệ một số nước có sản xuất phân bón lớn trên thế giới (bảng 1.5), tiêu thụ năng lượng riêng trong tổng hợp amoniac (bước trung gian trong sản xuất đạm) – công nghệ autothermal reforming từ khí thiên nhiên sử dụng BAT là 28 GJ/MT.
Bảng 1.5 So sánh công nghệ BAT tổng hợp amoniac với một số quốc gia
(Đơn vị: GJ/tấn NH3)
Nguyên liệu BAT- thế giới Ấn Độ BAT - Ấn Độ Trung Quốc
Khí thiên nhiên 28 36,5 30,3 36,7
Naphtha - 39,9 34 38,7
Dầu nặng - 58,4 47,9 -
28
Quá trình sản xuất axit phốtphoric phát thải làm phát thải KNK là CO2. Theo số liệu khảo sát 14 nhà máy sản xuất axit phốtphoric năm 2006 của EPA, phát thải do quá trình sản xuất là 1,17 triệu tấn CO2 (U.S. EPA 2008).
Ở Việt Nam, trong năm 1993 – 1994, một nghiên cứu kiểm kê các KNK từ nguồn gốc năng lượng và công nghiệp đã được tiến hành. Theo Thông báo Quốc gia lần thứ II của Việt Nam, Bộ TNMT đã thực hiện kiểm kê quốc gia KNK cho năm cơ sở là năm 2000 và xác định các lĩnh vực: năng lượng; các quá trình công nghiệp;
nông nghiệp; sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp và chất thải. Trong năng lượng, phát thải KNK được kiểm kê từ hai nguồn: quá trình đốt cháy nhiên liệu và phát tán trong quá trình khai thác, vận chuyển. Đối với các quá trình công nghiệp, phát thải KNK là loại phát thải không liên quan đến sử dụng năng lượng. Đó là những phát thải KNK trong quá trình chuyển hóa vật lý và hóa học của vật chất mà các KNK được giải phóng.
Kiểm kê quốc gia KNK năm 2000, các quá trình công nghiệp bao gồm sản xuất xi măng, thép, giấy và bột giấy,vôi và amoniac được thực hiện theo Hướng dẫn kiểm kê (phiên bản sửa đổi năm 1996) và Hướng dẫn thực hành tốt của IPCC cho các lĩnh vực đối với các KNK chủ yếu là CO2, CH4 và N2O. Phần lớn các hệ số phát thải được sử dụng là các hệ số mặc định (default) của IPCC về kiểm kê quốc gia KNK.
Đối với của Việt Nam, tuy hiện nay sản lượng phân bón chưa phải là lớn nhưng với xu thế phát triển ngành này trong thời gian tới - đặc biệt tỷ trọng sản xuất phân đạm sẽ chiếm hơn 65%, phân lân chiếm 18%, tiếp theo là DAP 10% thì mức phát thải KNK của ngành sẽ tăng đáng kể.
Để đóng góp cho chương trình kiểm kê KNK quốc gia, luận văn xác định phát thải KNK cho ngành sản xuất phân bón Việt Nam, tập trung vào 2 loại hình tiêu thụ năng lượng và phát thải KNK trọng điểm là sản xuất phân đạm (liên quan tới sản xuất amoniac) và sản xuất phân DAP và (liên quan tới sản xuất axit phốtphoric).
29 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chương 2.
PHƯƠNG PHÁP LUẬN KIỂM KÊ KHÍ NHÀ KÍNH TỪ HOẠT ĐỘNG SẢN XUẤT PHÂN BÓN
Dựa theo tình hình sản xuất phân bón trong nước và xu hướng phát triển trong tương lai của ngành sản xuất phân bón Việt Nam, hai sản phẩm phân bón nổi bật của ngành đó là phân đạm và DAP. Trong chương này tập trung kiểm kê phát thải khí nhà kính của ngành phân bón đối với lĩnh vực sản xuất phân đạm và phân DAP. Với lĩnh vực sản xuất phân lân nung chảy, quá trình sản xuất phát sinh chủ yếu là các khí HF, CO, CO2 tuy nhiên lượng phát sinh là không đáng kể. Do vậy, việc tính toán phát thải KNK cho ngành sản xuất phân lân nung chảy không tính đến.
Các phương pháp kiểm kê phát thải KNK từ các nguồn khác nhau được thực hiện bởi các phương pháp sau:
1). Đo trực tiếp phát thải:
Phương pháp đo trực tiếp phát thải sử dụng hệ thống giám sát khí thải nhà máy CEMS đo trực tiếp liên tục phát thải. Phát thải được tính bởi nồng độ KNK trong khí ống khói và tốc độ phát thải khí ống khói. Đây là phương pháp giám sát chính xác nhất để xác định phát thải KNK từ một nguồn cụ thể. Tuy nhiên đây là phương pháp không phải là phổ biến vì cần có sự đầu tư lớn về kinh phí, thời gian của mỗi nhà máy sản xuất và tính không sẵn có của hệ thống.
2). Sử dụng hệ số phát thải:
Hệ số phát thải là lượng thải chất ô nhiễm tính bình quân trên một đơn vị nhiên liệu tiêu hao hay trên một đơn vị thành phẩm làm ra. Hệ số thải được xác định qua tập hợp nhiều số liệu thống kê để rút ra hệ số chung.
Sử dụng phép toán nhân hệ số phát thải KNK với lượng nhiên liệu sử dụng để xác định lượng phát thải KNK. Các hệ số phát thải có thể là hệ số mặc định theo tài liệu quốc tế hoặc hệ số phát thải riêng từng quốc gia. Tuy nhiên cách tính này không thể đảm bảo chính xác tuyệt đối và cũng sẽ dễ phát sinh những mâu thuẫn.
30 3). Áp dụng theo các hướng dẫn quốc tế:
Là phương pháp sử dụng các công thức kiểm kê phát thải ứng với khả năng đáp ứng số liệu. Bao gồm các cách tiếp cận: phép tính top-down, bottom-up và phép tính cân bằng.
+ Phép tính top – down (phép tính từ trên xuống): phép toán dựa vào số liệu tổng quát của ngành để kiểm kê phát thải toàn ngành. Phép tính top-down cũng được hiểu là phép tính sử dụng hệ số phát thải và không có sự phân biệt rõ ràng giữa 2 phương pháp này
+ Phép tính bottom – up (phép tính từ dưới lên): phép toán dựa vào số liệu cụ thể từng loại nguyên liệu, loại công nghệ từng nhà máy để kiểm kê phát thải từng nhà máy và toàn ngành.
+ Phép tính cân bằng: tính toán cân bằng vật liệu chi tiết cho từng nhà máy sản xuất phân bón, sau đó tổng hợp lại. Việc này đòi hỏi số liệu đầu vào cực kỳ chi tiết và sẽ là không khả thi trong trường hợp số lượng nhà máy lớn.
2.1. Phương pháp luận và nguồn số liệu kiểm kê phát thải KNK của lĩnh vực sản xuất phân đạm sản xuất phân đạm
2.1.1. Phương pháp luận
Kiểm kê KNK của các ngành sản xuất theo các hướng dẫn quốc tế dễ áp dụng vì tính linh động của các công thức ứng với với các mức độ thu thập số liệu khác nhau. Mặt khác, trong khuôn khổ nhiệm vụ kiểm kê KNK quốc gia, chúng ta đã thống nhất sử dụng phương pháp luận của IPCC để tính toán phát thải cho một số ngành như sản xuất điện, sản xuất xi măng… Hướng dẫn IPCC đồng thời cũng là cơ sở của một số Hướng dẫn khác áp dụng tính kiểm kê phát thải KNK.
Kiểm kê phát thải KNK của ngành phân bón là kiểm kê phát thải quá trình sản xuất (đó là những phát thải KNK trong quá trình chuyển hóa vật lý và hóa học của vật chất [1]), không bao gồm các phát thải liên quan đến sử dụng năng lượng (đốt cháy, sản xuất điện, vận chuyển…) để tránh tính lặp lại (double counting) các kết quả kiểm kê của các ngành liên quan đến năng lượng.
31
dụng theo hướng dẫn của IPCC 2006 (phiên bản sửa đổi 1996) “Kiểm kê khí nhà kính Quốc Gia” (2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories) đối với ngành sản xuất ammoniac, phần 3, chương 3, mục 3.2.
Lựa chọn các cách tính Tier dựa vào mức độ đáp ứng các dữ liệu sẵn có (sơ cấp, thứ cấp) hoặc chưa sẵn có. Công thức tính toán cho mức độ (Tier) khác nhau - ứng với khả năng đáp ứng số liệu giảm dần, như sau [9]:
- Tier 1: dựa vào những giá trị mặc định và thống kê quốc gia
- Tier 2: dựa vào những giá trị mặc định và số liệu đầu ra đầy đủ từng nhà máy ứng với nguyên liệu đầu vào và loại quá trình
- Tier 3: dựa hoàn toàn vào số liệu đầu vào từng nhà máy
TIER 1
Tier 1 sử dụng sản lượng amoniac quốc gia để kiểm kê phát thải theo công thức:
CÔNG THỨC 1
ECO2 = AP * FR * CCF * COF * 44/12 – RCO2
(Công thức [3.1] – [9])
Trong đó: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
ECO2 = lượng CO2 phát thải, kg AP = sản lượng ammoniac, tấn
FR = Nguyên nhiên liệu cần thiết cho một đơn vị sản phẩm, GJ/tấn NH3
CCF = hệ số hàm lượng C của nhiên liệu, kg C/GJ COF = hệ số oxi hóa C của nhiên liệu, phân số
RCO2 = lượng CO2 thu hồi cho quá trình xuôi dòng (sản xuất đạm), kg
Lưu ý:
- AP: thu được từ số liệu thống kê quốc gia - FR: sử dụng hệ số cao nhất trong Bảng 2.1
- CCF, COF có thể xác định từ các giá trị mặc định như Bảng 2.1.
32
thì áp dụng các giá trị lớn nhất trong Bảng 2.1 - RCO2 = (sản lượng đạm) * 44/60
- Trường hợp lượng CO2 thu hồi cho quá trình sản xuất đạm không có thì