Đảm bảo tính toàn vẹn của ống góp đầu ra lò Reforming sơ cấp tại nhà máy amoniac

(Bài viết tháng 11/12 năm 2024 của tạp chí Inspectioneering Journal.)

1- Giới thiệu

Lò reforming sơ cấp (Primary Reformers) trong nhà máy amoniac đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất khí tổng hợp (Synthesis Gas), thành phần thiết yếu của quá trình tổng hợp amoniac theo Quy trình Haber-Bosch. Trong lò này, hydrocarbon phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ cao từ 700°C (1292°F) đến 1000°C (1832°F) trong các ống chứa xúc tác, tạo ra hydro (H2) và carbon monoxide (CO). Hỗn hợp khí thu được, được gọi là khí công nghệ (process gas), sau đó đi qua ống góp đầu ra (outlet manifolds) và đường dẫn chuyển tiếp để vào lò Reforming thứ cấp (Secondary Reformers) tiếp tục quá trình chuyển hóa.

(Ghi chú: Quy trình Haber-Bosch là một phương pháp công nghiệp quan trọng để tổng hợp amoniac (NH₃) từ khí nitơ (N₂) và khí hydro (H₂) dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Đây là một phát minh mang tính cách mạng trong ngành hóa học, được phát triển bởi Fritz Haber và Carl Bosch vào đầu thế kỷ 20.)

Outlet Manifolds of Primary Reformers

Việc duy trì hiệu suất và an toàn của lò reforming là điều tối quan trọng, đặc biệt là đảm bảo tính toàn vẹn của ống góp đầu ra, nơi chịu tác động của nhiệt độ và ứng suất cao. Điều này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về vật liệu và các yếu tố thiết kế nhằm giảm thiểu tập trung ứng suất. Các vật liệu được sử dụng phải chịu được nhiệt độ cao và có khả năng chống biến dạng dão (creep) cũng như mỏi nhiệt (thermal fatigue), trong đó thép hợp kim cao như 20Cr-32Ni-Nb thường được chọn nhờ khả năng chống oxy hóa và biến dạng dão do nhiệt. Thiết kế cơ khí chính xác là yếu tố then chốt, bao gồm việc xem xét đặc tính giãn nở nhiệt của vật liệu và đảm bảo khả năng thích ứng của ống góp với sự giãn nở mà không tạo ra ứng suất quá mức.

Các vết nứt trên ống góp đầu ra có thể phát sinh do nhiều cơ chế khác nhau như mỏi nhiệt (thermal fatigue), biến dạng dão (creep), nứt do ăn mòn ứng suất (stress corrosion cracking – SCC) hoặc nứt do giãn ứng suất (stress relaxation cracking – SRC).

Mỏi nhiệt xảy ra do chu kỳ nung nóng và làm mát lặp đi lặp lại, dẫn đến sự hình thành và lan rộng của vết nứt.
Biến dạng dão (creep) xuất hiện khi tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao, gây ra biến dạng vĩnh viễn và nứt do biến dạng.
SCC xảy ra khi có sự kết hợp giữa môi trường ăn mòn và ứng suất kéo.
SRC, còn được gọi là nứt do gia nhiệt lại (reheat cracking) hoặc stress relief cracking, xảy ra khi kim loại bị giãn ứng suất thông qua biến dạng ranh giới hạt trong phạm vi nhiệt độ biến dạng (creep temperature range). Loại nứt này có thể phát sinh trong quá trình xử lý nhiệt sau hàn (post-weld heat treatment – PWHT) hoặc khi thiết bị hoạt động ở nhiệt độ cao trong thời gian dài. SRC thường liên quan đến việc hàn các thành phần dày, kết cấu bị hạn chế hoặc bị giới hạn chuyển động của thép không gỉ austenitic, thép không gỉ ferritic, thép chịu nhiệt (Cr-Mo-V) và hợp kim nền niken. SRC xảy ra trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong quá trình hàn, đôi khi trong quá trình xử lý nhiệt sau hàn và cũng có thể xảy ra sau một thời gian dài hoạt động ở nhiệt độ cao. Các cơ chế chính gây ra SRC bao gồm trượt biên hạt (grain boundary sliding) và nứt do dão (creep), bắt đầu và phát triển trong các hạt từ sự hình thành của vùng không có kết tủa.

Các hợp kim nền niken như Alloy 800H, 800HT và 22Cr-35Ni-Nb, thường được sử dụng trong chế tạo ống góp đầu ra, cũng dễ bị ảnh hưởng bởi SRC. Nhiệt độ khởi phát SRC thay đổi tùy theo hợp kim cụ thể và kích thước hạt của nó, đặc biệt phổ biến trong các thành phần có thành dày. Kiểm soát chặt chẽ các thông số xử lý nhiệt và lựa chọn hợp kim có kích thước hạt phù hợp có thể giảm nguy cơ SRC, đặc biệt đối với các thành phần dày.

2- Kỹ thuật kiểm tra

Việc phát hiện các vấn đề liên quan đến ống góp đầu ra sử dụng nhiều kỹ thuật kiểm tra khác nhau:

Kiểm tra trực quan (visual inspection) giúp xác định các vết nứt bề mặt và hư hỏng có thể nhìn thấy.
Phương pháp kiểm tra không phá hủy (Nondestructive Testing – NDT) như kiểm tra siêu âm (Ultrasonic Testing – UT), kiểm tra chụp ảnh phóng xạ (Radiographic Testing – RT) và kiểm tra thẩm thấu thuốc nhuộm (Dye Penetrant Testing – PT) giúp phát hiện các khuyết tật bề mặt và bên trong.

UT sử dụng sóng âm tần số cao để phát hiện các khuyết tật bên trong.
RT dùng tia X hoặc tia gamma để chụp ảnh cấu trúc bên trong của ống góp (xem hình 1)
PT áp dụng dung dịch thẩm thấu lên bề mặt vật liệu, dung dịch này thấm vào các vết nứt nhỏ và làm chúng hiển thị rõ ràng.(Xem hình 2,3).

Hình 1. Kết quả chụp RT cho thấy các tín hiệu bất thường tại mối hàn chữ T của ống góp đầu ra với bộ mở rộng (hình nón). Ảnh chụp năm 2016.

Hình 2. Các chỉ thị quan sát được trong kiểm tra thẩm thấu (PT) tại mối hàn chữ T của ống góp đầu ra với bộ mở rộng (hình nón). Vật liệu: 20Cr-32Ni-Nb; Năm chế tạo: 2000. Ảnh chụp năm 2016.

Hình 3. Các chỉ thị được phát hiện trên vùng kim loại cơ bản lân cận (phía pigtail) trong kiểm tra thẩm thấu (PT) tại mối hàn giữa ống góp đầu ra và pigtail.

Hình 4. Mẫu vật lấy từ ống góp đầu ra của lò reforming sơ cấp, chế tạo năm 2000, để phục vụ đánh giá tổ chức kim loại và xác định tuổi thọ còn lại.

Ngoài ra, đối với các vật liệu ống góp đầu ra đã sử dụng lâu dài trong môi trường nhiệt độ cao, các phương pháp kiểm tra truyền thống cần được bổ sung bằng đánh giá sức khỏe tổng thể. Điều này bao gồm:

Đánh giá cấu trúc tế vi bằng kính hiển vi quang học và điện tử quét. Xem hình 4.
Các thử nghiệm cơ học như đo độ cứng vi mô (microhardness), thử nghiệm biến dạng tăng tốc (accelerated creep testing),...
Phân tích tham số Larson-Miller (Larson-Miller Parameter – LMP) để dự đoán tuổi thọ còn lại của vật liệu trong điều kiện chịu ứng suất và nhiệt độ cao.

3- Biện pháp phòng ngừa

Các biện pháp phòng ngừa và quy trình sửa chữa đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tính toàn vẹn của ống góp đầu ra.

Nâng cấp vật liệu lên các hợp kim có hiệu suất cao hơn, chịu nhiệt tốt hơn và chống biến dạng, mỏi nhiệt sẽ giúp giảm nguy cơ nứt gãy.
Khi cần sửa chữa, việc tuân thủ các quy trình hàn đúng cách là rất quan trọng, bao gồm:

Chọn vật liệu hàn có tính chất tương đương hoặc cao hơn vật liệu gốc.
Thực hiện PWHT để giảm ứng suất dư sau khi hàn.
Đối với các vết nứt nhỏ, có thể sửa chữa tại chỗ bằng cách mài vết nứt và hàn lại với vật liệu thích hợp.

Cải tiến thiết kế, như lắp đặt giá đỡ linh hoạt, giúp ống góp thích ứng với giãn nở nhiệt, giảm ứng suất.
Tích hợp các đặc điểm giảm ứng suất, như bo tròn các góc và tạo bề mặt chuyển tiếp mượt mà để hạn chế sự khởi phát của vết nứt.
Giám sát nhiệt độ của ống góp giúp phát hiện điểm nóng và các khu vực có nguy cơ bị mỏi nhiệt cao.

4- Tiêu chuẩn và hướng dẫn

Các hướng dẫn về vật liệu, chế tạo và sửa chữa ống góp đầu ra của lò reforming hydro được quy định trong Báo cáo kỹ thuật API 942-A (API Technical Report 942-A). Báo cáo này cung cấp:

Các thực tiễn tốt nhất trong lựa chọn vật liệu, thiết kế cơ khí và kỹ thuật hàn.
Các nghiên cứu điển hình về các dạng hư hỏng phổ biến của ống góp đầu ra.
Đồ thị ứng suất-biến dạng (stress-rupture curves) của các hợp kim thường dùng trong lò reforming, giúp đánh giá hiệu suất vật liệu khi hoạt động lâu dài ở nhiệt độ cao.

5- Kết luận

Việc đảm bảo tính toàn vẹn (integrity) của ống góp đầu ra trong lò reforming sơ cấp (primary reformers) tại nhà máy amoniac là yếu tố quan trọng để duy trì hiệu suất và an toàn vận hành.

Kiểm tra định kỳ bằng các kỹ thuật NDT tiên tiến giúp phát hiện sớm các dấu hiệu suy giảm vật liệu.
Áp dụng biện pháp phòng ngừa như chọn vật liệu chịu nhiệt tốt, cải tiến thiết kế, giám sát nhiệt độ và ứng suất giúp kéo dài tuổi thọ của ống góp.
Tuân thủ các tiêu chuẩn ngành, đặc biệt là API 942-A, giúp tối ưu hóa quá trình bảo trì và giảm thiểu rủi ro hư hỏng.

Cách tiếp cận toàn diện này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất amoniac, đồng thời đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho hệ thống lò reforming.

Nói thêm:

Haber-Bosch process là gì

Quy trình Haber-Bosch là một phương pháp công nghiệp quan trọng để tổng hợp amoniac (NH₃) từ khí nitơ (N₂) và khí hydro (H₂) dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Đây là một phát minh mang tính cách mạng trong ngành hóa học, được phát triển bởi Fritz Haber và Carl Bosch vào đầu thế kỷ 20.

Nguyên lý của quy trình Haber-Bosch

Phản ứng hóa học chính diễn ra như sau:

N2+3H2 ⇌ 2NH3

Quá trình này cần:

Nhiệt độ cao: Khoảng 400 - 500°C.
Áp suất cao: Khoảng 150 - 300 bar.
Chất xúc tác: Thường là sắt (Fe) có pha thêm các nguyên tố như kali (K), nhôm (Al), hoặc molypden (Mo) để tăng hiệu suất phản ứng.

Các bước chính trong quy trình Haber-Bosch

Chuẩn bị nguyên liệu:

Khí nitơ (N₂) được lấy từ không khí bằng phương pháp chưng cất phân đoạn.
Khí hydro (H₂) thường được sản xuất từ hơi nước và khí tự nhiên (CH₄) thông qua quá trình cải cách hơi nước (steam reforming).

Tổng hợp amoniac:

Hỗn hợp N₂ và H₂ được nén ở áp suất cao, đi qua hệ thống phản ứng với chất xúc tác sắt ở nhiệt độ và áp suất thích hợp.
Chỉ một phần nhỏ N₂ và H₂ chuyển hóa thành NH₃ do phản ứng thuận nghịch.
Hỗn hợp khí sau phản ứng được làm lạnh để NH₃ ngưng tụ thành lỏng, còn khí N₂ và H₂ dư được hồi lưu để tiếp tục phản ứng.

Thu hồi amoniac:

Amoniac lỏng sau khi ngưng tụ sẽ được tách ra và sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

Ứng dụng của quy trình Haber-Bosch

Sản xuất phân bón: NH₃ là nguyên liệu chính để tạo ra phân đạm (NH₄NO₃, (NH₂)₂CO), đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp.
Sản xuất hóa chất công nghiệp: NH₃ được dùng trong sản xuất axit nitric (HNO₃), ure, hydrazin, v.v.
Ứng dụng trong ngành lạnh: NH₃ là chất làm lạnh hiệu quả trong các hệ thống điều hòa công nghiệp.

Tầm quan trọng của quy trình Haber-Bosch

Quy trình này đã giúp tăng đáng kể sản lượng lương thực toàn cầu nhờ việc cung cấp nguồn phân bón dồi dào. Tuy nhiên, nó cũng tiêu tốn nhiều năng lượng và phát thải CO₂, dẫn đến các tác động môi trường đáng kể. Do đó, ngày nay, các nghiên cứu đang tập trung vào công nghệ sản xuất amoniac xanh (green ammonia) bằng năng lượng tái tạo để giảm phát thải khí nhà kính.

Công nghệ sản xuất NH3 của Haldor topsoe

Haldor Topsoe là một trong những công ty hàng đầu thế giới về công nghệ sản xuất amoniac, và quy trình của họ có một số điểm khác biệt so với công nghệ Haber-Bosch tiêu chuẩn. Dưới đây là một số đặc điểm chính của công nghệ Haldor Topsoe:

1. Hiệu suất cải thiện so với Haber-Bosch truyền thống

Sử dụng chất xúc tác tiên tiến: Haldor Topsoe phát triển các dòng xúc tác KM1, KM111, KM112 giúp tăng hiệu suất tổng hợp amoniac và giảm tiêu hao năng lượng.
Thiết kế tối ưu hệ thống lò phản ứng: Công nghệ của Haldor Topsoe có thể sử dụng Reactor Radial Flow giúp cải thiện sự phân bố dòng khí, tăng hiệu suất phản ứng và giảm áp suất sụt.

2. Công nghệ cải tiến trong reforming

Primary Reformer: Dùng công nghệ HTER (Topsoe Exchange Reformer) giúp cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải CO₂.
Secondary Reformer: Thiết kế tối ưu giúp giảm tiêu hao hydro dư thừa và tối ưu hóa tỷ lệ khí N₂/H₂.

3. Tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải CO₂

Sử dụng công nghệ heat integration để tận dụng nhiệt từ các quá trình phản ứng, giảm tiêu hao nhiên liệu.
Tích hợp quá trình xử lý CO₂: Công nghệ Haldor Topsoe thường kết hợp hệ thống thu hồi CO₂ để tái sử dụng trong sản xuất ure hoặc giảm phát thải khí nhà kính.

4. Điều khiển và tự động hóa

Công nghệ của Haldor Topsoe có hệ thống điều khiển Advanced Process Control (APC) giúp tối ưu hóa quá trình vận hành, giảm biến động và nâng cao độ ổn định của nhà máy.

Sự khác nhau giữa quy trình Haber-Bosch và Haldor Topsoe

Công nghệ của Haldor Topsoe thực chất vẫn dựa trên nền tảng của quy trình Haber-Bosch, nhưng đã được phát triển và cải tiến để nâng cao hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải.

1. Mối liên hệ giữa Haber-Bosch và công nghệ Haldor Topsoe

Haber-Bosch là nền tảng chung cho hầu hết các công nghệ sản xuất amoniac hiện đại, bao gồm cả công nghệ của Topsoe.
Quy trình Haber-Bosch ban đầu do Fritz Haber phát minh và Carl Bosch thương mại hóa vào đầu thế kỷ 20, với nguyên tắc chính là tổng hợp NH₃ từ N₂ và H₂ dưới áp suất cao (~150-350 bar) và nhiệt độ cao (~400-500°C) với sự có mặt của chất xúc tác sắt.
Haldor Topsoe đã kế thừa nguyên lý này nhưng tối ưu hóa từng bước của quá trình, từ reforming, tổng hợp NH₃, đến quản lý nhiệt để tăng hiệu suất và giảm tiêu hao năng lượng.

2. Các cải tiến của Haldor Topsoe so với Haber-Bosch truyền thống

a. Cải tiến quá trình reforming (sản xuất khí tổng hợp H₂ và N₂)

Topsoe Exchange Reformer (HTER) giúp tận dụng nhiệt tốt hơn so với reformer truyền thống.
Sử dụng xúc tác nickel hiệu suất cao trong quá trình steam methane reforming (SMR) để giảm tiêu hao nhiên liệu.

b. Cải tiến tổng hợp NH₃

Sử dụng xúc tác tiên tiến (KM1, KM111, KM112) thay vì xúc tác sắt truyền thống, giúp tăng tốc độ phản ứng và giảm áp suất cần thiết.
Thiết kế reactor dạng radial flow, giúp tối ưu hóa dòng khí đi qua lớp xúc tác, giảm sụt áp và tiết kiệm năng lượng.

c. Tối ưu hóa nhiệt và tiết kiệm năng lượng

Hệ thống Heat Integration: Haldor Topsoe tận dụng nhiệt sinh ra từ phản ứng tổng hợp NH₃ để gia nhiệt các dòng khí, giảm tiêu hao nhiên liệu.
Giảm phát thải CO₂: Một số thiết kế của Topsoe tích hợp quá trình thu hồi CO₂ để tái sử dụng trong sản xuất phân ure hoặc giảm phát thải khí nhà kính.

3. Kết luận

Haldor Topsoe không phát triển một công nghệ hoàn toàn mới tách biệt khỏi Haber-Bosch, mà thay vào đó, họ cải tiến sâu trên nền tảng của quy trình này để làm cho nó hiệu quả hơn, ít tiêu tốn năng lượng hơn và thân thiện với môi trường hơn.

Thông tin về Báo cáo kỹ thuật API 942-A,

APITechnical Report 942-A được phát hành lần đầu vào tháng 6 năm 2014 bởi Viện Dầu khí Hoa Kỳ (American Petroleum Institute - API). Tiêu chuẩn này tập trung vào các vấn đề liên quan đến vật liệu, chế tạo và sửa chữa cho các ống nối (pigtails) và ống góp (manifolds) tại đầu ra của lò reforming hydro. Các thành phần này thường hoạt động ở nhiệt độ cao, trong khoảng từ 750°C đến 950°C (1382°F đến 1742°F), và do đó có thể chịu các hư hỏng như biến dạng do nhiệt độ cao (creep), thư giãn ứng suất (stress relaxation), ăn mòn nóng (hot corrosion) và mỏi nhiệt (thermal fatigue).

Mục tiêu của báo cáo này là cung cấp hướng dẫn về lựa chọn vật liệu, quy trình hàn, thiết kế cơ khí và các phương pháp sửa chữa nhằm đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ cho các thành phần quan trọng này trong lò reforming hydro và khí tổng hợp. Báo cáo cũng bao gồm các nghiên cứu trường hợp về các vấn đề suy giảm và nứt gãy trong quá trình vận hành, từ đó rút ra bài học và khuyến nghị cho việc thiết kế và bảo trì.

Việc tuân thủ các hướng dẫn trong API TR 942-A có thể giúp các nhà vận hành lò reforming nâng cao hiệu suất, giảm thiểu rủi ro hư hỏng và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

Tìm đọc: API Technical Report 942-A, 2014 “Materials, Fabrication, and Repair Considerations for Hydrogen Reformer Furnace Outlet Pigtails and Manifold” First Edition, American Petroleum Institute.

Bottom of Form

----

Xin chào bạn!

Nếu bạn đang thích trang web của chúng tôi và thấy các bài viết của chúng tôi hữu ích, chúng tôi rất mong nhận được sự ủng hộ của bạn. Với sự giúp đỡ của bạn, chúng tôi có thể tiếp tục phát triển tài nguyên và cung cấp cho bạn nội dung có giá trị hơn nữa.

Cảm ơn bạn đã ủng hộ chúng tôi.

Nguyễn Thanh Sơn

Tìm kiếm Blog này