Hiện nay, với sự gia tăng nhu cầu về các sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng có nguồn gốc từ dầu khí[T1] , việc đẩy mạnh triển khai các dự án hóa dầu tại Việt Nam đang trở nên cấp thiết. Theo nghiên cứu của Viện Dầu khí Việt Nam, mức tiêu thụ các sản phẩm hóa dầu của Việt Nam chỉ bằng 1/5 so với thế giới (khoảng 10 triệu tấn vào năm 2035), trong đó polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinylchloride (PVC), polyethylene terephthalate (PET) là các sản phẩm có mức tiêu thụ lớn nhất. Bài viết phân tích xu thế phát triển sản phẩm hóa dầu trên thế giới và đánh giá nhu cầu, cơ hội cũng như các thách thức đối với sự phát triển lĩnh vực này ở Việt Nam.
Xu thế phát triển trên thế giới
Lịch sử phát triển hơn 150 năm của ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ đã chứng tỏ, nếu chế biến sâu để có nhiều sản phẩm hóa dầu thì lợi nhuận luôn cao hơn là chỉ sản xuất các sản phẩm nhiên liệu (tức là chỉ lọc dầu). Trong thực tế, sự cần thiết phải kết hợp lọc và hóa dầu trong một nhà máy để tăng lợi nhuận là điều hiển nhiên và xu thế chung là tăng dần hướng sản xuất các sản phẩm hóa dầu. Theo dự báo của Công ty nghiên cứu thị trường [T1] Markit (Hoa Kỳ), cùng với sự tăng dân số, từ nay đến năm 2040, nhu cầu các sản phẩm hóa dầu sẽ tăng với tốc độ khoảng 3%/năm [1]. Trong khi đó, nhu cầu các sản phẩm xăng dầu sẽ tăng rất ít và phụ thuộc vào sự tăng trưởng của các nguồn năng lượng tái tạo - các nguồn năng lượng này trong thời gian tới có thể sẽ gia tăng nhanh chóng. Theo dự báo đến năm 2050, có đến 70% nhiên liệu hóa thạch sẽ bị thay thế bởi các dạng năng lượng tái tạo, trong đó nhiên liệu sinh học sẽ chiếm tỷ lệ khá cao.
Ngành công nghiệp hóa dầu đóng vai trò rất quan trọng trong cuộc sống, các vật phẩm sử dụng hàng ngày đều có nguồn gốc từ sản phẩm hóa dầu. Ngành công nghiệp này có sứ mệnh kết nối lĩnh vực khai thác dầu khí với các ngành công nghiệp quan trọng của nền kinh tế, từ dệt may, chất dẻo, cao su đến dược phẩm, mỹ phẩm… Trong hơn 15 năm qua, ngành công nghiệp hóa dầu đã liên tục tăng trưởng, nhu cầu ethylene toàn cầu năm 2000 đạt 100 triệu tấn/năm, đến năm 2016 đã tăng lên 150 triệu tấn/năm [2].
Cơ sở của nền công nghiệp hóa dầu là các olefin nhẹ như ethylene, propylene, butadiene… và các hydrocarbon thơm như: benzene, toluene, xylene (gọi chung là BTX), từ đó sản xuất ra hàng ngàn sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng. Trong dầu mỏ hay khí thiên nhiên không có các olefin, còn các hợp chất BTX thì có trong dầu mỏ với hàm lượng thấp, không đủ để tách ra và sử dụng ở quy mô công nghiệp. Cả các olefin và BTX đều phải được tạo ra thông qua các quá trình chuyển hóa hóa học khác nhau, từ các phân đoạn dầu mỏ và khí thiên nhiên như methane, ethane, propane, butane cũng như các phân đoạn chứa các hydrocarbon có nhiệt độ sôi cao. Đó là những quá trình chuyển hóa hóa học ở nhiệt độ cao hoặc ở nhiệt độ cao cùng với sự có mặt của chất xúc tác.
Tính theo sản lượng trên thế giới hàng năm (2015), các sản phẩm hóa dầu chủ lực được xếp hạng như sau: ethylene (143 triệu tấn) > propylene (88 triệu tấn) > benzene (58 triệu tấn) > p-xylene (38 triệu tấn); trong khi sản lượng khí tổng hợp để sản xuất amoniac (cho phân đạm urea) và methanol là khoảng 270 triệu tấn. Hiện nay, các nguyên liệu ban đầu để sản xuất các hydrocarbon này được phân bố như sau: methane (thông qua chuyển hóa thành methanol) 1%, ethane (nhiệt phân) 12%, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (nhiệt phân) 9%, naphtha (carcking nhiệt) 44%, naphtha (reforming xúc tác) 29%, dầu nặng gasoil (cracking nhiệt) 5%. Giá thành sản xuất ethylene trực tiếp từ ethane là rẻ nhất, tuy nhiên, tỷ lệ sử dụng naphtha vẫn cao nhất vì những nguyên nhân kinh tế và kỹ thuật khác nhau như khả năng cung cấp và vận chuyển nguyên liệu… Vì vậy, sự cạnh tranh về giá thành sản xuất ethylene là yếu tố rất nhạy cảm khi các công ty lựa chọn phương án xây dựng nhà máy sản xuất ethylene ở một địa điểm nhất định (hình 1). Có thể nhận thấy, ở Trung Đông với nguồn khí thiên nhiên dồi dào, việc sản xuất ethylene thuận lợi nhất với giá thành thấp nhất vì giá ethane ở đây chỉ 0,75 USD/triệu Btu, trong khi ở Mỹ là 4 USD/triệu Btu. Sự bùng nổ của khí đá phiến gần đây đã dẫn tới giá ethane giảm, một số nhà máy sản xuất ethylene ở Mỹ đã chuyển từ cracking naphtha sang cracking ethane. Ở châu Âu và châu Á, giá thành sản xuất ethylene còn cao hơn nữa, vì phần lớn phải đi từ naphtha với giá thành ethylene cao hơn 2,5 lần ở Mỹ và 10 lần ở Trung Đông. Mặc dù vậy, ở châu Á, do thiếu ethane, naphtha vẫn là nguyên liệu chính (80%) để sản xuất ethylene. Những năm gần đây, do giá dầu giảm xuống mức thấp, giá sản phẩm hóa dầu không giảm với nhịp độ tương xứng nên lợi nhuận của ngành hóa dầu tăng cao.
Cũng theo IHS, tăng trưởng nhu cầu sản phẩm hóa dầu được dự báo lớn hơn rất nhiều so với tăng trưởng nhu cầu các sản phẩm lọc dầu (hình 2). Cụ thể, tăng trưởng nhu cầu lọc dầu sẽ <1%/năm do giảm tỷ lệ nhiên liệu hóa thạch, xu hướng sử dụng xe điện tăng cùng với xu hướng sử dụng các loại năng lượng tái tạo. Trong khi đó, tăng trưởng nhu cầu các sản phẩm hóa dầu đạt khoảng 3%/năm do dân số toàn cầu tăng từ mức 7,6 tỷ người năm 2017 lên 9,2 tỷ người năm 2040; tiêu thụ tăng chủ yếu ở khu vực châu Á, đặc biệt là Trung Quốc [1]. Trong bối cảnh đó, các công ty dầu khí đã tăng cường đầu tư và phát triển thị trường hóa dầu. Tuy nhiên, do giá thành sản phẩm hóa dầu phụ thuộc đến 70% giá nguyên liệu đầu vào, mức độ rủi ro cao, buộc các doanh nghiệp đầu tư vào các dự án lớn phải tính toán cẩn thận chiến lược dài hạn.
Hình 1. Nguyên liệu sản xuất chính và sản lượng hóa dầu phân bố theo các khu vực trên thế giới [3].
Ghi chú: các biểu đồ hình tròn có kích thước tương ứng với tổng số lượng [triệu tấn quy dầu (mtoe) hoặc triệu tấn (mt)] trong mỗi trường hợp.
Tái chế phế thải và các sản phẩm polymer đang là vấn đề cấp thiết đặt ra cho ngành công nghiệp hóa dầu. Hiện nay, 80% sản phẩm hóa dầu được sử dụng để sản xuất nhựa và chỉ dùng được một lần. Do đó, các giải pháp tiềm năng đang được thử nghiệm và áp dụng nhằm tái chế phế thải, phục hồi hàm lượng hydrocacbon, song chưa có đủ động lực cần thiết và sức hấp dẫn về quy mô cũng như tính kinh tế. Bên cạnh đó, một số doanh nghiệp hóa dầu đang hướng tới việc chế tạo các sản phẩm có khả năng phân hủy sinh học cao để giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường và thiên nhiên theo hướng thân thiện với môi trường, hữu dụng và thông minh.
Hình 2. Dự báo % tăng trưởng các sản phẩm hóa dầu và các sản phẩm lọc dầu tính từ năm 2010 [1].
Việc nguồn nguyên liệu hóa thạch dần cạn kiệt không chỉ đòi hỏi phải thay thế bằng các nguồn năng lượng tái tạo mà việc tăng trưởng sản lượng các sản phẩm hóa dầu phải được xem xét với quan điểm hoàn thiện công nghệ, giảm giá thành sản phẩm và hạn chế tác động ô nhiễm môi trường. Những đổi mới công nghệ chế biến dầu khí hiện nay nhằm mục tiêu tăng tỷ lệ các olefin nhẹ cũng như BTX trong nhà máy lọc dầu để phục vụ cho phát triển ngành hóa dầu. Để tăng sản lượng propylene, các nhà máy lọc - hóa dầu hiện nay giảm tỷ lệ sản xuất các sản phẩm lọc dầu (xăng và dầu diesel) để tăng tỷ lệ propylene bằng việc thay đổi chế độ cracking xúc tác (tăng nhiệt độ, biến tính chất xúc tác…). Tương tự, công nghệ và xúc tác quá trình sản xuất hydrocarbon thơm (aromatisation) được hoàn thiện để tăng hiệu suất các sản phẩm BTX. Những công nghệ mới để cải thiện cracking hơi naphtha (kết hợp phản ứng nhiệt và phản ứng xúc tác) đồng thời cho ethylene và propylene đang được nhiều công ty chế biến dầu khí nghiên cứu áp dụng.