Sự hình thành bùn trong quá trình xử lý nhiên liệu hàng hải | Cơ chế, tác động và biện pháp giảm thiểu dựa trên hiện tượng xâm thực
Dầu nhiên liệu nặng (HFOs) và dầu nhiên liệu trung gian (IFO) được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu hàng hải nhờ chi phí thấp và mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên, một thách thức vận hành dai dẳng là sự hình thành cặn bùn trong quá trình lưu trữ và xử lý, đặc biệt là trong các hệ thống tiếp nhiên liệu cả trên bờ và trên tàu.
Cặn bùn là một chất cặn bã nhớt, bán rắn, bao gồm asphaltenes, sáp, cặn lắng, nước và các chất gây ô nhiễm khác. Sự hình thành bùn bị ảnh hưởng bởi thành phần nhiên liệu, nhiệt độ lưu trữ, thời gian lưu giữ và các phương pháp xử lý. Dữ liệu thực nghiệm từ hướng dẫn của IMO cho thấy lượng bùn sinh ra thường dao động từ 1–3% theo thể tích HFO tiêu thụ (≈ 0,01–0,03 m³ trên mỗi tấn).
1. Hình thành bùn – Cơ chế và thành phần
1.1 Thành phần
Bùn chủ yếu bao gồm:
1.2 Các thông số ảnh hưởng
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự hình thành cặn bao gồm:
1.3. Các tác động kinh tế và vận hành bao gồm:
1.4. Tỷ lệ hình thành cặn
Tỷ lệ hình thành cặn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thành phần nhiên liệu, điều kiện lưu trữ và các quy trình xử lý. Kinh nghiệm vận hành và hướng dẫn của IMO cho thấy lượng cặn bùn sinh ra trong quá trình tinh chế và lưu trữ nhiên liệu thường dao động từ 1–3% theo thể tích HFO tiêu thụ, mặc dù con số này đề cập đến cặn bùn từ thiết bị tách/bồn chứa và không nên được coi là tương đương trực tiếp với tiêu chuẩn cặn bùn theo ISO 8217.
Đối với một tàu chứa 1.000 tấn HFO 380:
Cần lưu ý rằng các ước tính này chỉ tính đến tổn thất trực tiếp về giá trị nhiên liệu. Trên thực tế, chi phí quản lý bùn thải thường cao hơn do yêu cầu xử lý bắt buộc theo Phụ lục I của MARPOL, phí tiếp nhận tại cảng và các yêu cầu xử lý chất thải lỏng, những chi phí này có thể vượt xa đáng kể so với chi phí đơn thuần của lượng nhiên liệu bị mất.
2. Các phương pháp kiểm soát và xử lý bùn
2.1 Phương pháp truyền thống
Hạn chế
3. Tiềm năng đồng nhất hóa dựa trên hiện tượng xâm thực của RAPTECH
Phương pháp trộn bằng xâm thực sử dụng dòng chảy áp suất cao được kiểm soát và hiện tượng xâm thực để tạo ra nhiễu loạn vi mô, phân tán nhanh các hạt bùn vào khối nhiên liệu. Các hình dưới đây cho thấy khả năng đồng nhất hóa của RAPTECH sau khi xử lý các cặn nặng từ dầu pyrolysis nhựa thải:
Trước khi đồng nhất hóa bằng cavitation RAPTECH
Sau khi đồng nhất hóa bằng cavitation RAPTECH
Trong các thử nghiệm với HFO 380, quá trình đồng nhất hóa bằng cavitation của RAPTECH đã làm giảm Tiềm năng cặn tổng (TSP), một chỉ số ổn định quan trọng, từ các giá trị ban đầu lên đến 0,10% m/m (trong phạm vi tiêu chuẩn ISO 8217) xuống còn 0,04% m/m (theo báo cáo của Bureau Veritas). Điều này thể hiện sự cải thiện độ ổn định nhiên liệu được đo lường lên đến 60%, cho thấy độ ổn định nhiên liệu cao hơn đáng kể và rủi ro hình thành cặn bùn thấp hơn đáng kể trong quá trình lưu trữ và vận hành động cơ.
Lợi ích chính:
Đối với một tàu tiêu thụ 20.000 tấn HFO mỗi năm, điều này tương ứng với mức tiết kiệm nhiên liệu khoảng 20–200 tấn mỗi năm, hoặc khoảng 10.000–100.000 USD hàng năm (dựa trên giá tham chiếu 500 USD/tấn). Giá nhiên liệu cao hơn hoặc mức tiêu thụ lớn hơn sẽ làm tăng tương ứng mức tiết kiệm này. Ngoài giá trị trực tiếp của lượng nhiên liệu bị mất, việc xử lý bùn thải theo các yêu cầu của Phụ lục I MARPOL cũng là một yếu tố chi phí đáng kể. Tàu biển bắt buộc phải lưu trữ bùn thải trong các bể chứa chuyên dụng và chỉ xả thải tại các cơ sở tiếp nhận hoặc đốt trên tàu. Phí xử lý bùn thải tuân thủ MARPOL tại các cảng thường có thể vượt quá chi phí của chính lượng nhiên liệu bị mất, khiến việc giảm thiểu bùn thải trở thành ưu tiên vận hành và kinh tế còn lớn hơn.
Tác động minh họa
Việc triển khai quy trình trộn bằng cavitation có thể dẫn đến:
4. Kết luận
Việc hình thành bùn trong quá trình tiếp nhiên liệu tàu vẫn là một thách thức liên tục về mặt vận hành và quy định, gây ra những hậu quả kinh tế đáng kể. Ngoài tổn thất nhiên liệu trực tiếp, Phụ lục I của MARPOL yêu cầu tất cả bùn phải được lưu trữ, đốt trên tàu hoặc xả vào các cơ sở tiếp nhận được cấp phép, nơi phí xử lý thường vượt quá giá trị của lượng nhiên liệu bị mất.
Bằng cách kết hợp quản lý nhiên liệu có hệ thống với quá trình đồng nhất hóa tiên tiến dựa trên hiện tượng xâm thực, các nhà khai thác có thể:
Việc tích hợp công nghệ đồng nhất hóa bằng cavitation tại cả trạm tiếp nhiên liệu và trên tàu do đó mở ra con đường hướng tới việc xử lý nhiên liệu hàng hải an toàn hơn, kinh tế hơn và thân thiện với môi trường, đồng thời giảm thiểu các vấn đề liên quan đến cặn bùn và gánh nặng quy định.
Tác giả: Tiến sĩ Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
5. Tài liệu tham khảo
Dầu nhiên liệu nặng (HFOs) và dầu nhiên liệu trung gian (IFO) được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu hàng hải nhờ chi phí thấp và mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên, một thách thức vận hành dai dẳng là sự hình thành cặn bùn trong quá trình lưu trữ và xử lý, đặc biệt là trong các hệ thống tiếp nhiên liệu cả trên bờ và trên tàu.
Cặn bùn là một chất cặn bã nhớt, bán rắn, bao gồm asphaltenes, sáp, cặn lắng, nước và các chất gây ô nhiễm khác. Sự hình thành bùn bị ảnh hưởng bởi thành phần nhiên liệu, nhiệt độ lưu trữ, thời gian lưu giữ và các phương pháp xử lý. Dữ liệu thực nghiệm từ hướng dẫn của IMO cho thấy lượng bùn sinh ra thường dao động từ 1–3% theo thể tích HFO tiêu thụ (≈ 0,01–0,03 m³ trên mỗi tấn).
1. Hình thành bùn – Cơ chế và thành phần
1.1 Thành phần
Bùn chủ yếu bao gồm:
- Asphaltenes (các phân đoạn thơm nặng dễ kết tủa)
- Sáp ( các phân đoạn parafin có điểm nóng chảy cao)
- Trầm tích và các hạt (cát, rỉ sét, sản phẩm ăn mòn)
- Nước ( từ sự ngưng tụ hoặc ô nhiễm)
- Dư lượng hóa chất (từ hóa chất xử lý, phụ gia)
| Thành phần | Kích thước (thông thường) |
|---|---|
| Asphaltenes | 50-70 % |
| Sáp | 10-20 % |
| Trầm tích | 5-15 % |
| Nước | 1-5 % |
| Khác (chất thải) | 5-10 % |
1.2 Các thông số ảnh hưởng
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự hình thành cặn bao gồm:
- Thành phần nhiên liệu: Hàm lượng asphaltene cao hơn → khả năng hình thành cặn cao hơn
- Nhiệt độ: Làm mát xuống dưới điểm kết tủa sáp làm tăng sự hình thành cặn
- Thời gian lưu trữ: Thời gian lưu trữ càng lâu càng thúc đẩy quá trình lắng đọng và kết tụ
- Ô nhiễm: Nước và sự xâm nhập của các hạt làm tăng tốc độ hình thành cặn bùn
- Hiệu quả trộn: Lưu thông kém dẫn đến sự tích tụ cục bộ
1.3. Các tác động kinh tế và vận hành bao gồm:
- Giảm khối lượng nhiên liệu có thể sử dụng
- Tắc nghẽn trong bơm, bộ lọc và đường ống nhiên liệu
- Chi phí bảo trì và vệ sinh tăng
- Nguy cơ cháy không đều và bám bẩn động cơ
1.4. Tỷ lệ hình thành cặn
Tỷ lệ hình thành cặn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thành phần nhiên liệu, điều kiện lưu trữ và các quy trình xử lý. Kinh nghiệm vận hành và hướng dẫn của IMO cho thấy lượng cặn bùn sinh ra trong quá trình tinh chế và lưu trữ nhiên liệu thường dao động từ 1–3% theo thể tích HFO tiêu thụ, mặc dù con số này đề cập đến cặn bùn từ thiết bị tách/bồn chứa và không nên được coi là tương đương trực tiếp với tiêu chuẩn cặn bùn theo ISO 8217.
Đối với một tàu chứa 1.000 tấn HFO 380:
| Kịch bản | Khối lượng bùn (t) | Thể tích Slugle (m³) | Chi phí nhiên liệu bị mất @ 500 USD/tấn |
|---|---|---|---|
| Nồng độ ước tính thấp (1% theo thể tích) | 9.5 | ≈ 10 | 4.750 |
| Nồng độ ước tính cao (3% theo thể tích) | 28.5 | ≈ 30 | 14.250 |
Cần lưu ý rằng các ước tính này chỉ tính đến tổn thất trực tiếp về giá trị nhiên liệu. Trên thực tế, chi phí quản lý bùn thải thường cao hơn do yêu cầu xử lý bắt buộc theo Phụ lục I của MARPOL, phí tiếp nhận tại cảng và các yêu cầu xử lý chất thải lỏng, những chi phí này có thể vượt xa đáng kể so với chi phí đơn thuần của lượng nhiên liệu bị mất.
2. Các phương pháp kiểm soát và xử lý bùn
2.1 Phương pháp truyền thống
- Làm nóng và tuần hoàn: Giữ nhiên liệu ở nhiệt độ cao hơn điểm kết tủa sáp (~50–60°C đối với HFO 380)
- Tách ly tâm/lắng: Loại bỏ nước và chất rắn nặng
- Lọc cơ học: Bảo vệ động cơ và hệ thống tiếp nhiên liệu
- Phụ gia hóa học: Chất phân tán, chất ổn định để giảm sự hình thành cặn
Hạn chế
- Chi phí năng lượng và bảo trì cao
- Không hoàn toàn hiệu quả trong việc đồng nhất hóa các thể tích bể lớn
- Rủi ro trộn không đều, đặc biệt tại các trạm tiếp nhiên liệu hoặc trên tàu
3. Tiềm năng đồng nhất hóa dựa trên hiện tượng xâm thực của RAPTECH
Phương pháp trộn bằng xâm thực sử dụng dòng chảy áp suất cao được kiểm soát và hiện tượng xâm thực để tạo ra nhiễu loạn vi mô, phân tán nhanh các hạt bùn vào khối nhiên liệu. Các hình dưới đây cho thấy khả năng đồng nhất hóa của RAPTECH sau khi xử lý các cặn nặng từ dầu pyrolysis nhựa thải:
Trước khi đồng nhất hóa bằng cavitation RAPTECH
Sau khi đồng nhất hóa bằng cavitation RAPTECH
Trong các thử nghiệm với HFO 380, quá trình đồng nhất hóa bằng cavitation của RAPTECH đã làm giảm Tiềm năng cặn tổng (TSP), một chỉ số ổn định quan trọng, từ các giá trị ban đầu lên đến 0,10% m/m (trong phạm vi tiêu chuẩn ISO 8217) xuống còn 0,04% m/m (theo báo cáo của Bureau Veritas). Điều này thể hiện sự cải thiện độ ổn định nhiên liệu được đo lường lên đến 60%, cho thấy độ ổn định nhiên liệu cao hơn đáng kể và rủi ro hình thành cặn bùn thấp hơn đáng kể trong quá trình lưu trữ và vận hành động cơ.
Lợi ích chính:
- Đồng nhất hóa hiệu quả: Giảm sự tích tụ cặn cục bộ
- Ổn định lâu dài: Duy trì thành phần nhiên liệu đồng nhất trong thời gian lưu trữ kéo dài
- Độ tin cậy vận hành: Giảm tắc nghẽn và các sự cố bảo trì
- Ứng dụng có thể mở rộng: Có thể triển khai cả trên đất liền tại các trạm tiếp nhiên liệu và trên tàu
- Tiết kiệm kinh tế: Ngoài việc giảm chi phí xử lý bùn cặn, quá trình đồng nhất hóa bằng xâm thực có thể cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu khoảng 0,1–1% cho mỗi bồn chứa mỗi chuyến đi
Đối với một tàu tiêu thụ 20.000 tấn HFO mỗi năm, điều này tương ứng với mức tiết kiệm nhiên liệu khoảng 20–200 tấn mỗi năm, hoặc khoảng 10.000–100.000 USD hàng năm (dựa trên giá tham chiếu 500 USD/tấn). Giá nhiên liệu cao hơn hoặc mức tiêu thụ lớn hơn sẽ làm tăng tương ứng mức tiết kiệm này. Ngoài giá trị trực tiếp của lượng nhiên liệu bị mất, việc xử lý bùn thải theo các yêu cầu của Phụ lục I MARPOL cũng là một yếu tố chi phí đáng kể. Tàu biển bắt buộc phải lưu trữ bùn thải trong các bể chứa chuyên dụng và chỉ xả thải tại các cơ sở tiếp nhận hoặc đốt trên tàu. Phí xử lý bùn thải tuân thủ MARPOL tại các cảng thường có thể vượt quá chi phí của chính lượng nhiên liệu bị mất, khiến việc giảm thiểu bùn thải trở thành ưu tiên vận hành và kinh tế còn lớn hơn.
Tác động minh họa
Việc triển khai quy trình trộn bằng cavitation có thể dẫn đến:
- Giảm sự tích tụ cặn bùn: Bằng cách phân tán các hạt cặn bùn, quy trình này ngăn chặn sự tích tụ cục bộ
- Cải thiện việc sử dụng nhiên liệu: Chất lượng nhiên liệu ổn địnhhơn dẫn đến hiệu suất và hiệu quả động cơ tốt hơn
- Tiết kiệm chi phí: Giảm nhu cầu bảo trì và vệ sinh, dẫn đến chi phí vận hành thấp hơn
4. Kết luận
Việc hình thành bùn trong quá trình tiếp nhiên liệu tàu vẫn là một thách thức liên tục về mặt vận hành và quy định, gây ra những hậu quả kinh tế đáng kể. Ngoài tổn thất nhiên liệu trực tiếp, Phụ lục I của MARPOL yêu cầu tất cả bùn phải được lưu trữ, đốt trên tàu hoặc xả vào các cơ sở tiếp nhận được cấp phép, nơi phí xử lý thường vượt quá giá trị của lượng nhiên liệu bị mất.
Bằng cách kết hợp quản lý nhiên liệu có hệ thống với quá trình đồng nhất hóa tiên tiến dựa trên hiện tượng xâm thực, các nhà khai thác có thể:
- Duy trì sự ổn định lâu dài của nhiên liệu
- Giảm chi phí bảo trì, thời gian ngừng hoạt động và xử lý
- Nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu, độ tin cậy của động cơ và an toàn vận hành
- Đảm bảo tuân thủ Phụ lục I của MARPOL đồng thời giảm thiểu rủi ro môi trường
Việc tích hợp công nghệ đồng nhất hóa bằng cavitation tại cả trạm tiếp nhiên liệu và trên tàu do đó mở ra con đường hướng tới việc xử lý nhiên liệu hàng hải an toàn hơn, kinh tế hơn và thân thiện với môi trường, đồng thời giảm thiểu các vấn đề liên quan đến cặn bùn và gánh nặng quy định.
Tác giả: Tiến sĩ Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
5. Tài liệu tham khảo
- Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO). (2017). ISO 8217:2017 - Sản phẩm dầu mỏ — Nhiên liệu (loại F) — Thông số kỹ thuật của nhiên liệu hàng hải
- Concawe. (2019). Độ ổn định của dầu nhiên liệu nặng và sự hình thành cặn. Báo cáo số 5/19
- CIMAC. (2018). Báo cáo về nhiên liệu: Sự hình thành cặn bùn và việc xử lý nhiên liệu. Hội đồng Quốc tế về Động cơ Đốt trong
- RAPTECH GmbH. (2024). Báo cáo kỹ thuật nội bộ về công nghệ trộn cavitation
