Khí tổng hợp là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa khí tổng hợp

Khí tổng hợp, hay còn gọi là syngas (synthesis gas), là một hỗn hợp khí gồm chủ yếu hydrogen (H₂) và carbon monoxide (CO). Đây là nguyên liệu trung gian quan trọng trong nhiều quá trình tổng hợp hóa học và sản xuất nhiên liệu. Ngoài hai thành phần chính, syngas còn có thể chứa carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄) và hơi nước (H₂O), tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu và công nghệ sản xuất.

Tỷ lệ mol giữa H₂ và CO trong syngas có thể thay đổi từ 1:1 đến 3:1, và tỉ lệ này quyết định tính phù hợp của syngas với các ứng dụng cụ thể như tổng hợp methanol, quy trình Fischer–Tropsch, hoặc sản xuất ammonia. Syngas không phải là sản phẩm cuối cùng, mà là một chất trung gian cần được xử lý thêm để tạo ra các hợp chất hoặc nhiên liệu có giá trị cao hơn.

Một số đặc điểm chính của khí tổng hợp:

• Là hỗn hợp dễ cháy và có thể phát nổ nếu không kiểm soát đúng
• CO trong syngas có độc tính cao, yêu cầu xử lý an toàn
• Syngas có thể được sản xuất từ nhiều nguồn: khí thiên nhiên, than đá, sinh khối hoặc rác thải

Thành phần và tính chất

Thành phần của khí tổng hợp thay đổi tùy theo công nghệ và nguyên liệu sử dụng. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, hai thành phần chủ yếu luôn là CO và H₂. Sự hiện diện của các thành phần khác như CO₂, CH₄, N₂ và H₂O có thể ảnh hưởng đến hiệu quả và lựa chọn ứng dụng.

Thành phần phổ biến của syngas sản xuất từ khí hóa than hoặc sinh khối:

Thành phần	Khoảng phần trăm thể tích (%)
H2	25–60
CO	30–60
CO2	0–15
CH4	0–5
H2O	Biến thiên

Một số tính chất đặc trưng:

• Nhiệt trị thấp hơn nhiều so với khí thiên nhiên: khoảng 4–10 MJ/Nm³
• Độc hại do hàm lượng CO cao, cần hệ thống giám sát khí thải nghiêm ngặt
• Có thể làm nhiên liệu đốt trực tiếp hoặc chuyển hóa thành sản phẩm hóa học

Các phương pháp sản xuất khí tổng hợp

Khí tổng hợp có thể được sản xuất thông qua nhiều quy trình nhiệt – hóa học khác nhau. Mỗi quy trình có ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến thành phần khí tạo thành, hiệu suất năng lượng và chi phí vận hành. Các quy trình phổ biến gồm steam reforming, khí hóa, oxy hóa một phần và auto-thermal reforming.

Các phản ứng tiêu biểu:

• Steam reforming: $CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3H_2 \quad (\Delta H > 0)$ – phản ứng thu nhiệt
• Partial oxidation: $CH_4 + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow CO + 2H_2 \quad (\Delta H < 0)$ – phản ứng tỏa nhiệt
• Auto-thermal reforming: kết hợp hai phản ứng trên để cân bằng năng lượng
• Gasification: C + H₂O → CO + H₂ (từ than hoặc sinh khối)

Lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào:

• Loại nguyên liệu (khí thiên nhiên, than, sinh khối, rác thải)
• Yêu cầu về tỷ lệ H₂/CO
• Khả năng thu hồi năng lượng và chi phí thiết bị

Nguồn nguyên liệu đầu vào

Khí tổng hợp có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau. Việc lựa chọn nguyên liệu đầu vào quyết định đến cả chi phí sản xuất, hiệu suất phản ứng và tiềm năng giảm phát thải. Các nguồn phổ biến gồm nhiên liệu hóa thạch và sinh khối tái tạo.

Bảng tổng hợp các nguồn nguyên liệu phổ biến:

Nguyên liệu	Ưu điểm	Hạn chế
Khí thiên nhiên (CH4)	Hiệu suất cao, dễ tinh chế	Phát thải CO2
Than đá	Dồi dào, giá rẻ	Phát thải lớn, xử lý phức tạp
Sinh khối	Tái tạo, tiềm năng carbon âm	Độ ẩm cao, tạp chất nhiều
Rác thải rắn	Giảm áp lực môi trường, tận dụng tài nguyên	Không đồng nhất, cần phân loại

Sử dụng sinh khối và chất thải đang trở thành xu hướng trong sản xuất syngas bền vững. Các công nghệ khí hóa tích hợp với thu giữ carbon (BECCS) mở ra cơ hội phát triển năng lượng tái tạo gắn với giảm phát thải khí nhà kính.

Ứng dụng trong công nghiệp hóa học

Khí tổng hợp là nguyên liệu trung gian đa năng trong công nghiệp hóa chất. Nhờ tính linh hoạt trong điều chỉnh thành phần và khả năng tham gia các phản ứng tổng hợp, syngas đóng vai trò then chốt trong việc sản xuất nhiều hợp chất hữu cơ có giá trị thương mại cao.

Một số ứng dụng chính của khí tổng hợp:

• Sản xuất methanol: phản ứng tổng hợp CO và H₂ thành CH₃OH diễn ra dưới xúc tác Cu/ZnO/Al₂O₃
• Quy trình Fischer–Tropsch: tổng hợp hydrocarbon lỏng từ syngas, đặc biệt ứng dụng trong sản xuất xăng dầu tổng hợp
• Sản xuất ammonia: sử dụng hydrogen từ syngas để tạo NH₃ qua phản ứng với N₂
• Chất khử trong luyện kim: CO và H₂ dùng thay thế than cốc trong hoàn nguyên quặng sắt

Các tập đoàn hóa chất như BASF, Linde, Shell và Sasol đã thương mại hóa hàng loạt quy trình sử dụng syngas, đặc biệt trong các tổ hợp hóa dầu tích hợp. Syngas giúp giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ thô, đồng thời tạo ra các chuỗi sản phẩm hóa học linh hoạt.

Khí tổng hợp trong sản xuất nhiên liệu tổng hợp

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của khí tổng hợp là làm nguyên liệu đầu vào cho quy trình sản xuất nhiên liệu tổng hợp. Các phản ứng hóa học như Fischer–Tropsch cho phép chuyển đổi syngas thành các hợp chất hydrocarbon dạng lỏng như diesel, xăng sinh học hoặc nhiên liệu máy bay.

Sơ đồ phản ứng tổng quát của quy trình Fischer–Tropsch: $nCO + 2nH_2 \rightarrow (CH_2)_n + nH_2O$

Các nước như Qatar, Trung Quốc, Nam Phi và Mỹ đã đầu tư vào công nghệ CTL (coal-to-liquid), GTL (gas-to-liquid) và BTL (biomass-to-liquid). Đặc biệt, Sasol là công ty đi đầu trong ứng dụng CTL thương mại ở quy mô lớn. Tỷ lệ H₂/CO lý tưởng trong khí tổng hợp dùng cho Fischer–Tropsch nằm trong khoảng 2.0–2.2.

Vai trò trong nền kinh tế hydro

Syngas là nguồn hydrogen quan trọng cho các ngành công nghiệp và đang đóng vai trò cầu nối trong quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế hydrogen. Phần lớn lượng hydrogen công nghiệp hiện nay (khoảng 95%) được sản xuất từ khí tự nhiên thông qua quá trình steam reforming.

Tuy nhiên, phương pháp này phát thải đáng kể CO₂, làm gia tăng áp lực môi trường. Các công nghệ mới đang được nghiên cứu để sản xuất syngas từ sinh khối kết hợp thu giữ carbon (BECCS – bioenergy with carbon capture and storage) nhằm đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng không hoặc âm.

Tham khảo thêm tại U.S. Department of Energy – Hydrogen from Natural Gas Reforming, nơi mô tả chi tiết các bước reforming, xử lý CO, tách hydrogen và thu hồi CO₂.

Khía cạnh môi trường và phát triển bền vững

Sản xuất syngas từ nguyên liệu hóa thạch đi kèm với lượng lớn phát thải CO₂. Do đó, để đạt được các mục tiêu khí hậu toàn cầu, cần tích hợp các giải pháp giảm phát thải và chuyển sang nguyên liệu tái tạo.

Các chiến lược bền vững trong sản xuất khí tổng hợp:

• Khí hóa sinh khối hoặc rác thải kết hợp công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (BECCS)
• Ứng dụng khí tổng hợp trong pin nhiên liệu để tăng hiệu suất và giảm khí thải
• Tận dụng CO₂ trong syngas để tái tổng hợp methanol hoặc các hợp chất có ích

Bài viết “Carbon-negative syngas” trên tạp chí Nature Energy nhấn mạnh tiềm năng đạt phát thải âm khi khí hóa sinh khối đi kèm lưu trữ CO₂. Đây là hướng đi chiến lược cho các nền kinh tế muốn kết hợp năng lượng tái tạo và khử carbon sâu. Tham khảo tại: Nature Energy – Carbon-negative syngas from biomass.

Thách thức và xu hướng công nghệ

Việc triển khai công nghệ sản xuất syngas ở quy mô lớn đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật và kinh tế. Đặc biệt, kiểm soát chính xác tỷ lệ H₂/CO và loại bỏ các tạp chất như tar, sulfur, nitrogen oxides là vấn đề phức tạp, yêu cầu thiết bị xử lý tiên tiến.

Các thách thức chính:

• Chi phí đầu tư cao, đặc biệt với công nghệ khí hóa sinh khối quy mô lớn
• Hiệu suất tổng thể thấp nếu không có tích hợp thu hồi nhiệt và điện
• Cần hệ thống làm sạch khí đầu ra hiệu quả để bảo vệ xúc tác trong các phản ứng sau

Xu hướng công nghệ tương lai:

• Reforming plasma ở nhiệt độ thấp, không xúc tác
• Khí hóa oxy siêu tới hạn hoặc khí hóa bằng vi sóng
• Khí hóa tích hợp chu trình kết hợp (IGCC) để phát điện hiệu suất cao

Các trung tâm nghiên cứu như NREL – National Renewable Energy Laboratory đang thử nghiệm nhiều công nghệ mới giúp nâng cao hiệu quả sản xuất syngas và giảm chi phí.

Tài liệu tham khảo

1. Dry, M. E. (2002). The Fischer–Tropsch process: 1950–2000. Catalysis Today, 71(3–4), 227–241. DOI: 10.1016/S0920-5861(01)00453-9
2. Rostrup-Nielsen, J. R., & Rostrup-Nielsen, T. (2002). Large-scale hydrogen production. Topics in Catalysis, 22(3–4), 321–327. DOI: 10.1023/A:1013875309983
3. Turner, J. A. (2004). Sustainable hydrogen production. Science, 305(5686), 972–974. DOI: 10.1126/science.1103197
4. Balat, M., & Kırtay, E. (2010). Hydrogen from biomass – Present scenario and future prospects. International Journal of Hydrogen Energy, 35(14), 7416–7426. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2010.04.137
5. Nature Energy Editorial (2020). Carbon-negative syngas. Nature Energy, 5, 703. DOI: 10.1038/s41560-019-0461-5