Sử Dụng Khí Oxy Trong Công Nghiệp: Ứng Dụng Và Vai Trò Của O₂

Sử dụng khí oxy trong công nghiệp không chỉ giới hạn ở hàn cắt kim loại mà còn xuất hiện trong luyện thép, sản xuất kính, hóa chất, xử lý nước, giấy – bột giấy, nuôi trồng thủy sản và điện tử. Nhờ khả năng thúc đẩy phản ứng oxy hóa và tăng cường quá trình cháy, O₂ có thể hỗ trợ nâng cao hiệu quả của nhiều dây chuyền khi được sử dụng đúng cách. Tomoe Vietnam sẽ cùng bạn tìm hiểu từng nhóm ứng dụng và các yếu tố cần xác định khi lựa chọn nguồn oxy cho sản xuất.

Vì sao oxy được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp?

Oxy có công thức hóa học O₂, là khí không màu, không mùi và chiếm khoảng 20,9% thể tích không khí. Bản thân O₂ không phải nhiên liệu nhưng là chất oxy hóa mạnh, tham gia trực tiếp vào quá trình cháy và nhiều phản ứng hóa học.

Đây chính là cơ sở cho phần lớn ứng dụng công nghiệp của oxy.

Trong một quá trình đốt sử dụng không khí thông thường, ngoài O₂ cần cho phản ứng còn có lượng lớn nitơ đi vào thiết bị. Phần nitơ này hầu như không tham gia phản ứng cháy nhưng vẫn phải được gia nhiệt và sau đó thoát ra cùng khí thải.

Khi sử dụng oxy tinh khiết hoặc làm giàu không khí bằng O₂, lượng khí trơ đi qua quá trình có thể giảm. Trong những hệ thống được thiết kế phù hợp, điều này có thể hỗ trợ:

• Tăng cường tốc độ cháy.

• Tăng nhiệt độ ngọn lửa.

• Tăng khả năng truyền nhiệt.

• Tăng công suất xử lý.

• Giảm thể tích khí thải.

• Thúc đẩy phản ứng oxy hóa.

Linde cho biết oxy và không khí giàu oxy được sử dụng trong nhiều ngành như luyện kim, kính, hóa chất, lọc dầu, xử lý nước và nuôi trồng thủy sản.

Khí oxy công nghiệp được sản xuất và cung cấp như thế nào?

Nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất oxy công nghiệp chính là không khí. Tùy độ tinh khiết và lưu lượng cần thiết, nhà máy có thể sử dụng những công nghệ tách khí khác nhau.

Tách oxy từ không khí

Với nhu cầu lớn và yêu cầu độ tinh khiết cao, oxy có thể được sản xuất bằng công nghệ chưng cất phân đoạn không khí ở nhiệt độ thấp.

Không khí được làm sạch, nén và làm lạnh sâu để các thành phần như nitơ, oxy và argon có thể được phân tách dựa trên sự khác nhau về nhiệt độ sôi.

Ngoài ra còn có công nghệ hấp phụ biến thiên áp suất hoặc chân không, sử dụng vật liệu hấp phụ để ưu tiên giữ lại nitơ, từ đó tạo dòng khí giàu oxy.

Air Liquide cho biết hệ VSA của hãng có thể tạo oxy khoảng 90–93% và được ứng dụng trong thép, kính, giấy – bột giấy, xử lý nước và khai khoáng. Trong khi đó, hệ tách khí quy mô lớn bằng công nghệ nhiệt độ thấp có thể cung cấp oxy với độ tinh khiết cao hơn.

Oxy khí và oxy lỏng

Sau khi sản xuất, O₂ có thể được cung cấp dưới nhiều hình thức:

• Bình khí đơn.

• Cụm nhiều bình.

• Oxy lỏng chứa trong bồn.

• Hệ sản xuất oxy ngay tại nhà máy.

• Đường ống trong các tổ hợp công nghiệp lớn.

Air Liquide Vietnam hiện công bố oxy công nghiệp đóng chai có độ tinh khiết từ 99,95%, oxy lỏng từ 99,99%, trong khi hệ sản xuất tại chỗ có thể cung cấp nhiều cấp độ khác nhau tùy công nghệ.

Oxy trong luyện gang thép và luyện kim

Luyện kim là một trong những ngành tiêu thụ lượng oxy công nghiệp đáng kể. O₂ có thể được sử dụng tại lò cao, lò oxy cơ bản, lò hồ quang điện, lò nung và nhiều công đoạn luyện kim màu.

Oxy trong lò luyện thép

Trong quy trình luyện thép bằng oxy cơ bản, O₂ được thổi vào gang lỏng có hàm lượng carbon cao.

Oxy phản ứng với carbon và một số thành phần khác, giúp điều chỉnh thành phần của kim loại để tạo thép với yêu cầu phù hợp.

Có thể hình dung đơn giản:

Gang lỏng → thổi O₂ → oxy hóa carbon và tạp chất → thép

World Steel Association cho biết quy trình luyện thép bằng oxy cơ bản sử dụng oxy thay cho không khí để loại lượng carbon dư khỏi gang. Một lò hiện đại có thể xử lý mẻ kim loại lên tới khoảng 350 tấn trong thời gian dưới 40 phút.

Làm giàu oxy cho lò

O₂ còn được bổ sung vào luồng không khí cấp cho:

• Lò cao.

• Lò hồ quang điện.

• Lò nung lại.

• Lò luyện kim màu.

• Một số quá trình nung chảy phế liệu.

Air Liquide ghi nhận oxy được sử dụng để làm giàu không khí trong lò cao, khử carbon trong lò oxy cơ bản và hỗ trợ khử carbon, đốt sau trong lò hồ quang điện.

Hiệu quả thực tế phụ thuộc loại lò, nhiên liệu, nguyên liệu đầu vào và cách điều khiển quá trình, vì vậy không nên mặc định cứ tăng lượng O₂ là năng suất sẽ tăng tương ứng.

Sử dụng oxy trong hàn, cắt và gia công kim loại

Hàn cắt là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của oxy ở quy mô xưởng sản xuất.

O₂ có thể được sử dụng cho:

• Cắt kim loại.

• Hàn oxy – nhiên liệu.

• Gia nhiệt trước.

• Nung.

• Một số quá trình xử lý nhiệt và gia công kim loại.

Cắt kim loại bằng oxy

Trong cắt oxy, kim loại trước hết được đưa tới điều kiện nhiệt độ phù hợp. Sau đó, dòng O₂ thúc đẩy phản ứng oxy hóa kim loại và hỗ trợ loại các sản phẩm phản ứng khỏi rãnh cắt.

Do đó, oxy không đơn giản chỉ đóng vai trò “làm nóng chảy thép”.

Độ tinh khiết, áp suất và lưu lượng O₂ ảnh hưởng tới:

• Tốc độ cắt.

• Độ rộng đường cắt.

• Lượng xỉ.

• Chất lượng mép cắt.

Air Liquide Vietnam cũng sử dụng oxy độ tinh khiết cao làm khí hỗ trợ cho cắt laser đối với thép carbon và một số kim loại phù hợp.

Oxy kết hợp với khí nhiên liệu

Trong hàn cắt bằng ngọn lửa, O₂ có thể được kết hợp với:

• Acetylene.

• Propane.

• Hoặc loại khí nhiên liệu phù hợp với thiết bị.

Việc lựa chọn phụ thuộc nhiệt độ ngọn lửa, vật liệu, độ dày và mục đích gia công.

Oxy trong sản xuất kính và các lò nhiệt độ cao

Sản xuất kính là ví dụ điển hình của việc sử dụng oxy để cải thiện quá trình đốt.

Trong lò truyền thống, nhiên liệu cháy với không khí:

Nhiên liệu + không khí → nhiệt

Tuy nhiên, không khí chứa phần lớn nitơ. Lượng khí này phải được gia nhiệt dù không trực tiếp tham gia phản ứng cháy.

Trong hệ đốt oxy – nhiên liệu, một phần hoặc toàn bộ không khí có thể được thay bằng O₂.

Air Liquide Vietnam cho biết việc thay không khí bằng oxy trong lò kính giúp hạn chế năng lượng phải dùng để gia nhiệt nitơ, đồng thời có thể cải thiện truyền nhiệt và giảm thể tích khí thải.

Oxy có thể được áp dụng theo nhiều mức:

• Làm giàu không khí cấp vào đầu đốt.

• Phun O₂ bổ sung gần đầu đốt.

• Lắp đầu đốt oxy – nhiên liệu.

• Chuyển sang cấu hình dùng oxy nhiều hơn khi thiết kế lò phù hợp.

Không nên đưa ra một tỷ lệ tiết kiệm nhiên liệu cố định vì kết quả phụ thuộc cấu tạo lò, nhiên liệu, nhiệt độ và chế độ vận hành.

Oxy trong công nghiệp hóa chất và lọc dầu

O₂ còn là nguyên liệu phản ứng quan trọng trong ngành hóa chất.

Do là chất oxy hóa mạnh, oxy có thể được đưa trực tiếp vào phản ứng hoặc dùng để làm giàu không khí nhằm tăng nồng độ O₂ trong dòng khí.

Các ứng dụng có thể liên quan đến:

• Phản ứng oxy hóa hóa học.

• Sản xuất hóa chất trung gian.

• Tái sinh xúc tác.

• Khí hóa nguyên liệu chứa carbon.

• Thu hồi lưu huỳnh.

• Một số quá trình trong lọc dầu.

Linde cho biết việc làm giàu oxy được ứng dụng trong các quá trình hóa chất và lọc dầu nhằm tăng áp suất riêng phần của O₂, giảm tổng lưu lượng khí đi qua hệ thống và hỗ trợ tăng khả năng xử lý trong một số dây chuyền.

Trong hệ thu hồi lưu huỳnh, bổ sung O₂ vào một số cấu hình có thể giúp tăng công suất xử lý mà không cần tăng tương ứng lượng khí trơ đi vào lò.

Tuy nhiên, việc cấp oxy cho phản ứng hóa học cần kiểm soát rất chặt:

• Tỷ lệ O₂.

• Nhiệt độ.

• Áp suất.

• Thành phần nguyên liệu.

• Khả năng tản nhiệt.

• Vật liệu thiết bị.

Do đó, đây không phải ứng dụng có thể đơn giản hóa thành “cấp càng nhiều oxy thì phản ứng càng nhanh”.

Oxy trong xử lý nước và nước thải

Trong nhiều hệ xử lý sinh học hiếu khí, vi sinh vật cần oxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ trong nước.

Phương pháp phổ biến là thổi không khí vào bể. Tuy nhiên, một số hệ thống có tải cao có thể sử dụng O₂ có độ tinh khiết cao thay cho hoặc bổ sung cho không khí.

Oxy được hòa tan vào nước nhằm:

• Duy trì nồng độ oxy hòa tan.

• Hỗ trợ hoạt động của vi sinh vật hiếu khí.

• Tăng khả năng cung cấp O₂ cho tải hữu cơ cao.

• Hạn chế tình trạng thiếu oxy trong bể.

EPA ghi nhận hệ bùn hoạt tính sử dụng oxy tinh khiết có khả năng tăng mức truyền O₂ vào nước và đã được áp dụng cho cả nước thải sinh hoạt lẫn nước thải công nghiệp có khả năng phân hủy sinh học.

Điểm cần hiểu đúng là O₂ không tự “xử lý nước thải”. Khí này chủ yếu hỗ trợ các phản ứng sinh học hoặc oxy hóa diễn ra trong hệ thống.

Oxy trong ngành giấy và bột giấy

Oxy được sử dụng tại nhiều công đoạn của ngành giấy, nổi bật là quá trình tách lignin.

Lignin là thành phần cần được loại bớt khỏi bột giấy trước khi đạt độ trắng và tính chất mong muốn.

Trong công đoạn tách lignin bằng oxy, O₂ tham gia quá trình oxy hóa nhằm giảm lượng lignin còn lại trong bột.

Air Liquide cho biết công nghệ này có thể giúp giảm nhu cầu một số hóa chất tẩy trắng ở các dây chuyền phù hợp, đồng thời hỗ trợ giảm tải BOD và COD trong nước thải.

Ngoài ra, O₂ còn có thể được sử dụng cho:

• Oxy hóa dịch trắng.

• Xử lý dịch đen.

• Làm giàu oxy cho lò vôi.

• Xử lý nước thải.

• Một số công đoạn tẩy trắng.

Như vậy, trong ngành giấy, O₂ vừa là khí tham gia phản ứng hóa học vừa có thể hỗ trợ các quá trình đốt và xử lý môi trường.

Oxy trong nuôi trồng thủy sản

Đối với nuôi trồng thủy sản, yếu tố quan trọng không phải nồng độ O₂ trong khí mà là lượng oxy hòa tan trong nước.

Ở hệ thống nuôi thâm canh, mật độ sinh vật cao có thể khiến nhu cầu O₂ vượt quá khả năng trao đổi tự nhiên.

Bổ sung oxy có thể được áp dụng tại:

• Ao hoặc bể nuôi.

• Hệ nuôi tuần hoàn.

• Hệ dòng chảy.

• Giai đoạn vận chuyển.

• Thu hoạch.

• Tình huống dự phòng khi oxy hòa tan giảm.

Linde cho biết hệ thống bổ sung O₂ được sử dụng trong các trang trại nuôi trên bờ và hệ tuần hoàn để kiểm soát oxy hòa tan, đặc biệt khi mật độ nuôi cao hoặc nhu cầu oxy thay đổi theo từng giai đoạn.

Tuy nhiên, không thể kết luận “càng nhiều O₂ càng tốt”. Nồng độ hòa tan cần được kiểm soát theo loài, nhiệt độ nước, mật độ nuôi và thiết kế hệ thống.

Một số ứng dụng khác của oxy trong công nghiệp

Ngoài những ngành lớn trên, O₂ còn xuất hiện trong nhiều dây chuyền chuyên biệt.

Điện tử và bán dẫn

Oxy có độ tinh khiết cao có thể được dùng trong:

• Quá trình oxy hóa.

• Tạo một số lớp vật liệu.

• Sản xuất bán dẫn.

• Sản xuất sợi quang.

• Một số quá trình xử lý bề mặt.

Linde liệt kê oxygen độ tinh khiết cao trong nhóm khí dùng cho semiconductor và optical fiber, trong khi Air Liquide Vietnam cung cấp các hệ khí độ tinh khiết cao và mạng phân phối khí chuyên dụng cho ngành điện tử.

Dược phẩm và công nghệ sinh học

Trong công nghệ sinh học, O₂ có thể được bổ sung vào:

• Quá trình lên men.

• Hệ nuôi cấy hiếu khí.

• Một số phản ứng tổng hợp.

• Hệ xử lý nước thải.

Thực phẩm

O₂ cũng có thể là thành phần của một số hỗn hợp khí dùng trong bao gói thực phẩm có kiểm soát thành phần khí.

Tuy nhiên, oxy công nghiệp thông thường không nên được mặc định sử dụng thay cho oxy đáp ứng yêu cầu thực phẩm hoặc y tế. Cấp khí phải đúng với tiêu chuẩn của ứng dụng.

Bảng tổng hợp ứng dụng khí oxy trong công nghiệp

Có thể thấy cùng là O₂ nhưng yêu cầu kỹ thuật giữa một lò luyện thép, hệ xử lý nước và dây chuyền bán dẫn hoàn toàn khác nhau.

Oxy công nghiệp có phải ngành nào cũng dùng cùng một độ tinh khiết?

Không.

Độ tinh khiết cần thiết phải được xác định dựa trên yêu cầu của quá trình, thay vì mặc định sử dụng cấp O₂ cao nhất.

Hàn cắt và luyện kim

Các ứng dụng này có thể sử dụng oxy cấp công nghiệp phù hợp với thiết bị và yêu cầu gia công.

Đối với cắt kim loại, độ tinh khiết O₂ còn ảnh hưởng tới khả năng oxy hóa và chất lượng đường cắt.

Hóa chất

Ngoài tỷ lệ O₂, cần quan tâm:

• Hơi ẩm.

• Tạp chất.

• Thành phần khí.

• Ảnh hưởng của tạp chất đến phản ứng và xúc tác.

Điện tử

Ngành bán dẫn có thể yêu cầu khí có độ tinh khiết cao hoặc siêu tinh khiết, trong đó từng tạp chất phải được kiểm soát ở mức rất thấp.

Vì vậy, nguyên tắc lựa chọn phù hợp hơn là:

Ứng dụng → độ tinh khiết → giới hạn tạp chất → phương thức cấp khí

Sử dụng O₂ có độ tinh khiết vượt xa yêu cầu không phải lúc nào cũng mang lại lợi ích kỹ thuật tương ứng mà có thể làm tăng chi phí.

Nên sử dụng bình khí, oxy lỏng hay sản xuất oxy tại chỗ?

Phương thức cấp O₂ nên được lựa chọn dựa trên cả lưu lượng và đặc điểm tiêu thụ.

Theo Air Liquide Vietnam, oxy có thể được cung cấp bằng bình khí, khí hóa lỏng hoặc hệ sản xuất tại chỗ; phương thức cụ thể phụ thuộc quy mô và yêu cầu khách hàng.

Không nên sử dụng một mốc lưu lượng duy nhất để quyết định phương án vì còn phải xét:

• Khoảng cách vận chuyển.

• Độ tinh khiết.

• Giá điện.

• Mức tiêu thụ cực đại.

• Độ biến động tải.

• Khả năng dự phòng.

• Diện tích lắp đặt.

• Tổng chi phí vòng đời.

Những yếu tố cần xác định khi lựa chọn nguồn oxy công nghiệp

Trước khi lựa chọn nguồn O₂, doanh nghiệp nên xác định:

1. Ứng dụng: luyện kim, hàn cắt, hóa chất, xử lý nước hay điện tử.

2. Độ tinh khiết: mức O₂ và giới hạn tạp chất cần thiết.

3. Lưu lượng trung bình: lượng khí tiêu thụ trong vận hành bình thường.

4. Lưu lượng cực đại: nhu cầu lớn nhất tại từng thời điểm.

5. Áp suất: yêu cầu tại thiết bị sử dụng.

6. Thời gian vận hành: theo ca hay liên tục 24/7.

7. Mức độ biến động: tải ổn định hay thay đổi lớn.

8. Khoảng cách cấp khí: từ nguồn đến các điểm sử dụng.

9. Khả năng dự phòng: khi nguồn chính dừng hoặc nhu cầu tăng đột biến.

10. Không gian lắp đặt: cho bình, bồn hoặc máy tạo oxy.

11. Chi phí vòng đời: gồm đầu tư, vận hành, bảo trì và logistics.

Có thể tóm tắt bằng:

Ứng dụng → Độ tinh khiết → Lưu lượng → Áp suất → Phương thức cấp → Dự phòng → Chi phí vòng đời

Lưu ý an toàn khi sử dụng oxy trong công nghiệp

Oxy không cháy nhưng có thể làm quá trình cháy diễn ra mạnh hơn đáng kể. Vì vậy, hệ thống cần đặc biệt chú ý:

• Không để dầu và mỡ tiếp xúc với van hoặc thiết bị O₂.

• Sử dụng bộ điều áp, đường ống và vật liệu phù hợp với oxy.

• Kiểm soát nguồn lửa và nguồn nhiệt.

• Hạn chế rò rỉ làm giàu oxy trong không gian kín.

• Không dùng O₂ để thổi bụi quần áo hoặc thay khí nén.

• Vận hành bình và hệ thống chịu áp theo đúng quy trình.

Các yêu cầu này cần được đánh giá riêng theo áp suất, lượng O₂, không gian và cấu hình thiết bị của từng nhà máy.

Kết luận

Sử dụng khí oxy trong công nghiệp trải rộng từ luyện gang thép, hàn cắt và sản xuất kính đến hóa chất, xử lý nước, giấy – bột giấy, thủy sản và điện tử. Trong mỗi lĩnh vực, O₂ đảm nhiệm vai trò khác nhau như hỗ trợ cháy, thúc đẩy phản ứng oxy hóa hoặc cung cấp oxy cho quá trình sinh học, vì vậy yêu cầu về độ tinh khiết, lưu lượng và phương thức cấp khí cũng không giống nhau. Tomoe Vietnam khuyến nghị doanh nghiệp xác định chính xác nhu cầu của quy trình trước khi lựa chọn cấp O₂ bằng bình khí, bồn lỏng hay hệ sản xuất tại chỗ.