Bơm co2 là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về bơm CO₂

Bơm CO₂ là thiết bị chuyên dụng trong công nghiệp năng lượng và môi trường, dùng để nén và vận chuyển khí carbon dioxide từ nơi thu giữ đến điểm lưu trữ hoặc tái sử dụng. Ứng dụng chính bao gồm công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS), enhanced oil recovery (EOR) trong khai thác dầu khí, và cung cấp CO₂ siêu tới hạn cho các quy trình hoá – thực phẩm và dược phẩm.

Bơm CO₂ thường phải đạt áp suất từ 5 đến hơn 20 MPa và lưu lượng từ hàng chục đến hàng nghìn tấn mỗi ngày, tuỳ theo quy mô dự án. Thiết bị phải thiết kế để chịu áp lực cao, ăn mòn do CO₂ siêu tới hạn có thể hòa tan tạp chất như H₂S, nước và kiềm, đồng thời đảm bảo vận hành liên tục, an toàn trong môi trường áp suất cao.

Hệ thống bơm CO₂ bao gồm bộ phận nén (compressor/pump), hệ van điều áp, đường ống và các thiết bị kiểm soát áp suất, lưu lượng, nhiệt độ. Việc lựa chọn loại bơm phù hợp và thiết kế đường ống cách nhiệt, chống ăn mòn là yếu tố then chốt để tối ưu hiệu suất, giảm tổn thất năng lượng và chi phí bảo trì.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý cơ bản của bơm CO₂ là nén khí đến trạng thái siêu tới hạn, khi đó CO₂ có đặc tính vừa giống chất lỏng (mật độ cao) vừa giống khí (độ nhớt thấp), giúp vận chuyển dễ dàng qua đường ống và tăng hiệu quả hòa tan khi bơm vào tầng địa chất hoặc hỗ trợ khai thác dầu.

Quá trình nén thường được thực hiện theo chu trình đa cấp: CO₂ được hút vào buồng nén cấp thấp, sau đó qua bộ làm mát (intercooler) để hạ nhiệt và giảm tiêu hao năng lượng trước khi vào cấp nén cao. Thiết kế này giúp giảm nhiệt độ đầu ra, kéo dài tuổi thọ các bộ phận và cải thiện độ ổn định quá trình.

• Buồng nén: pittông hoặc rotor ly tâm/đĩa, tạo áp và đẩy CO₂ đến áp suất mục tiêu.
• Bộ làm mát trung gian: trao đổi nhiệt với môi trường hoặc nước tuần hoàn, hạn chế quá nhiệt.
• Van tiết áp: duy trì áp suất ổn định và bảo vệ an toàn, ngăn hiện tượng quá áp trong trường hợp tắc ống hoặc lưu lượng bất thường.

Việc điều chỉnh lưu lượng và áp suất được thực hiện thông qua biến tần điều khiển tốc độ động cơ hoặc van tiết áp điện tử, kết hợp hệ thống giám sát áp suất, nhiệt độ và dòng chảy thời gian thực để đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả.

Các loại bơm CO₂

Tuỳ theo yêu cầu về áp suất, lưu lượng và điều kiện làm việc, có ba nhóm bơm CO₂ phổ biến:

• Bơm pittông trượt (Reciprocating Piston Pump): sử dụng piston dịch chuyển qua lại, tạo áp suất cao lên đến 30 MPa. Ưu điểm: độ chính xác cao, bơm được lưu lượng nhỏ đến trung bình. Nhược điểm: cấu tạo phức tạp, yêu cầu bảo trì thường xuyên và chi phí vận hành cao.
• Bơm ly tâm đa tầng (Multistage Centrifugal Pump): tạo áp qua nhiều tầng cánh quạt, phù hợp lưu lượng lớn (50–5.000 tấn/ngày) và áp suất trung bình (5–10 MPa). Ưu điểm: vận hành êm, chi phí bảo trì thấp. Nhược điểm: không đạt áp suất quá cao và nhạy cảm với thay đổi độ nhớt.
• Bơm trục vít (Screw Pump): hai vít xoắn hoặc nhiều vít ăn khớp, vận hành êm, chịu tạp chất tốt và lý tưởng cho CO₂ siêu tới hạn. Áp suất vừa phải (8–15 MPa) và lưu lượng linh hoạt. Nhược điểm: chi phí đầu tư cao hơn ly tâm, kích thước lớn.

Loại bơm	Áp suất tối đa	Lưu lượng	Ưu/Nhược
Piston	≤ 30 MPa	1–200 tấn/ngày	Ưu: áp suất cao; Nhược: bảo trì phức tạp
Ly tâm đa tầng	≤ 10 MPa	50–5.000 tấn/ngày	Ưu: ổn định, chi phí thấp; Nhược: áp thấp
Trục vít	≤ 15 MPa	10–1.000 tấn/ngày	Ưu: chịu tạp chất; Nhược: đầu tư cao

Tính chất vật lý của CO₂ siêu tới hạn

Khi đạt trạng thái siêu tới hạn (supercritical CO₂ – scCO₂), CO₂ có nhiệt độ > 31 °C và áp suất > 7,38 MPa. Ở điều kiện này, CO₂ sở hữu mật độ gần bằng chất lỏng nhưng độ nhớt và độ khuếch tán tương tự khí, rất thuận lợi cho việc vận chuyển và hòa tan.

Các thông số điển hình:

$\rho_{\mathrm{scCO_2}} \approx 600–800\;\mathrm{kg/m^3},\quad \mu_{\mathrm{scCO_2}} \approx 0{,}05–0{,}1\;\mathrm{mPa\cdot s}$

Mật độ cao giúp giảm thể tích lưu trữ và áp lực thủy động học trên đường ống, giảm tổn thất áp suất. Độ nhớt thấp giảm tiêu hao công suất bơm, đồng thời khả năng hòa tan tạp chất và dầu khí tốt hỗ trợ EOR và chiết xuất chất hoạt tính trong công nghiệp hoá – dược.

Đặc tính	Giá trị
Mật độ	600–800 kg/m³
Độ nhớt	0,05–0,1 mPa·s
Điểm tới hạn	31 °C, 7,38 MPa
Nhiệt dung	1,1 kJ/kg·K

Thiết kế hệ thống bơm và đường ống

Thiết kế hệ thống bơm CO₂ bao gồm lựa chọn vật liệu, thiết kế đường ống, hệ thống cách nhiệt và bảo vệ chống ăn mòn. Vì CO₂ siêu tới hạn có thể hòa tan nước và H₂S, đường ống thường sử dụng thép không gỉ 316L hoặc hợp kim nickel để chống ăn mòn và chịu áp lực cao.

Đường ống phải có lớp cách nhiệt bên ngoài, thường bằng bông thủy tinh hoặc polyurethan, duy trì nhiệt độ > 31 °C nhằm giữ CO₂ ở trạng thái siêu tới hạn, tránh ngưng tụ gây tắc hoặc giảm hiệu suất bơm. Các mối hàn và khớp nối cần kiểm tra bằng siêu âm để đảm bảo độ kín khít.

• Van an toàn (relief valve) đặt ở mỗi tầng nén để ngăn quá áp.
• Van bi chịu nhiệt, chịu áp, chống rò rỉ tại các vị trí kiểm tra và bảo trì.
• Cảm biến áp suất, nhiệt độ và lưu lượng bố trí dọc theo đường ống, kết nối SCADA giám sát thời gian thực.

Ứng dụng trong Enhanced Oil Recovery (EOR)

Trong EOR, CO₂ siêu tới hạn được bơm vào tầng chứa dầu để hòa tan vào dầu thô, làm giảm độ nhớt và tăng độ lưu động của dầu. Quá trình này tăng tỉ lệ thu hồi dầu thêm 10–20 % so với phương pháp khai thác thông thường .

Bơm CO₂ dùng trong EOR phải đảm bảo lưu lượng ổn định 100–500 tấn/ngày và áp suất 10–15 MPa tùy thuộc vào đặc tính tầng chứa. Hệ thống thường tích hợp với giàn nén và giàn làm mát, đảm bảo lượng CO₂ đầu vào và đầu ra đồng nhất, tránh biến động áp suất làm vỡ tầng chứa.

Thông số	Giá trị tiêu biểu
Lưu lượng	100–500 tấn/ngày
Áp suất bơm	10–15 MPa
Nhóm bơm ưu tiên	Piston hoặc trục vít
Thời gian vận hành	Liên tục 24/7, bảo trì theo lịch

Ứng dụng trong Carbon Capture and Storage (CCS)

Hệ thống CCS bao gồm thu giữ CO₂ từ nguồn phát thải, nén và vận chuyển qua đường ống đến khu vực lưu trữ ngầm sâu 2.000–3.000 m. Bơm CO₂ giữ vai trò then chốt trong giai đoạn vận chuyển và bơm vào tầng địa chất để tránh rò rỉ và phân tán CO₂ trong khí quyển.

Khi bơm vào tầng trầm tích, áp suất phải kiểm soát trong khoảng 8–12 MPa để ngăn áp suất quá mức làm nứt gãy tầng địa chất. Hệ thống bơm kết hợp giám sát địa chấn và quan trắc địa chất qua cảm biến áp suất và microseismic, nhằm phát hiện sớm hiện tượng rò rỉ hoặc biến dạng địa tầng .

• Trạm nén CO₂ đặt gần nguồn thu, nén lên 8–12 MPa.
• Ống dẫn siêu tới hạn cách nhiệt, chống ăn mòn, dẫn CO₂ đến giếng khoan dự trữ.
• Giếng bơm trang bị bộ van kiểm soát lưu lượng và thiết bị đo lượng CO₂ thực tế đã bơm.

Giám sát và an toàn

An toàn vận hành bơm CO₂ yêu cầu giám sát liên tục các thông số: áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và phát hiện rò rỉ. Cảm biến áp suất điện tử, đồng hồ đo lưu lượng Coriolis và cảm biến NDIR phát hiện nồng độ CO₂ ngoài đường ống được tích hợp vào hệ thống SCADA với cảnh báo tự động.

Yếu tố	Thiết bị giám sát	Tiêu chuẩn
Áp suất	Cảm biến áp suất 0–30 MPa	ASME B31.3
Nhiệt độ	Thermocouple –50–200 °C	ISO 13623
Lưu lượng	Flowmeter Coriolis	API MPMS
Rò rỉ CO₂	Cảm biến NDIR, laser	IEC 61508

Các biện pháp an toàn bổ sung:

• Relief valve và flare system xử lý CO₂ khi quá áp.
• Thiết bị cách ly khẩn cấp (ESD) tự động đóng van khi phát hiện sự cố.
• Huấn luyện định kỳ cho nhân viên quy trình phản ứng khẩn cấp (ERP).

Thách thức và hướng phát triển

Hạn chế chính của bơm CO₂ là tiêu thụ năng lượng cao do áp suất nén lớn và tổn thất nhiệt. Nghiên cứu tối ưu chu trình nén, hồi nhiệt giữa các cấp và sử dụng biến tần điều khiển động cơ có thể giảm 10–15 % điện năng tiêu thụ.

Ngoài ra, vật liệu đường ống và thiết bị vẫn phải chịu ăn mòn do CO₂ siêu tới hạn chứa tạp chất. Hướng phát triển bao gồm composite sợi carbon và lớp phủ polymer trơ để kéo dài tuổi thọ, giảm chi phí bảo trì. Công nghệ tự động hóa với AI có thể dự đoán sự cố và tối ưu thông số vận hành theo điều kiện thực tế.

• Tối ưu thủy lực bằng mô phỏng CFD để giảm tổn thất áp.
• Ứng dụng vật liệu composite thế hệ mới cho ống và khớp nối.
• Hệ thống AI-Scada phân tích dữ liệu lớn, dự đoán bảo trì.

Tài liệu tham khảo

1. International Energy Agency (IEA). (2022). CCUS in Clean Energy Transitions. iea.org.
2. United Nations Environment Programme (UNEP). (2021). Emissions Gap Report. unep.org.
3. American Petroleum Institute (API). (2019). MPMS Chapter 14. api.org.
4. ASME. (2018). B31.3 Process Piping. asme.org.
5. IPCC. (2022). Working Group III Report. ipcc.ch.
6. Smith, J., & Lee, A. (2020). “Supercritical CO₂ Pumps for Enhanced Oil Recovery.” Journal of Petroleum Technology.