Bài viết đánh giá khả năng sử dụng khí permeate để làm nhiên liệu cho nồi hơi phụ trợ và lò đốt reforming sơ cấp tại Nhà máy Đạm Cà Mau; đề xuất các giải pháp khả thi về kỹ thuật và hiệu quả về kinh tế để thu hồi toàn bộ lượng khí permeate đang được đốt bỏ tại đuốc của Nhà máy xử lý khí Cà Mau.
HĨA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ TẠP CHÍ DẦU KHÍ Số - 2021, trang 30 - 38 ISSN 2615-9902 GIẢI PHÁP THU HỒI KHÍ PERMEATE TỪ NHÀ MÁY XỬ LÝ KHÍ CÀ MAU ĐỂ LÀM NHIÊN LIỆU CHO NỒI HƠI PHỤ TRỢ VÀ LÒ ĐỐT REFORMING SƠ CẤP TẠI NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU Nguyễn Văn Bình, Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Trường Giang, Nguyễn Duy Hải Công ty CP Phân bón Dầu khí Cà Mau Email: binhnv@pvcfc.com.vn https://doi.org/10.47800/PVJ.2021.03-04 Tóm tắt Khí permeate chủ yếu chứa CO2 (54%) CH4 (43,6%), có nhiệt trị cao khoảng 16.625 KJ/Nm3 (bằng khoảng 47% nhiệt trị khí tự nhiên mà Nhà máy Đạm Cà Mau sử dụng) Tại Nhà máy xử lý khí Cà Mau, khoảng 36% lượng khí permeate tận dụng để đốt thiết bị gia nhiệt (heater), lại (khoảng 70.000 Sm3/ngày) phải đốt đuốc, gây lãng phí lớn mặt lượng Bài báo đánh giá khả sử dụng khí permeate để làm nhiên liệu cho nồi phụ trợ lò đốt reforming sơ cấp Nhà máy Đạm Cà Mau; đề xuất giải pháp khả thi kỹ thuật hiệu kinh tế để thu hồi toàn lượng khí permeate đốt bỏ đuốc Nhà máy xử lý khí Cà Mau Từ khóa: Khí permeate, nồi phụ trợ, lò đốt reforming, Nhà máy Đạm Cà Mau, Nhà máy xử lý khí Cà Mau Giới thiệu Nhà máy Đạm Cà Mau, công suất thiết kế 800.000 urea hạt đục/năm, đưa vào vận hành thương mại từ tháng 4/2012 Nguồn khí tự nhiên cung cấp làm nguyên liệu nhiên liệu cho Nhà máy Đạm Cà Mau lấy từ mỏ PM3-CAA Theo cấu hình thiết kế, 65% tổng lượng khí tự nhiên tiêu thụ Nhà máy Đạm Cà Mau sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất NH3, lại (35%) sử dụng làm nhiên liệu cấp nhiệt cho lò reforming sơ cấp nồi phụ trợ Nhà máy xử lý khí Cà Mau, cơng suất xử lý 6,2 triệu m3 khí/ngày từ nguồn khí PM3-CAA, đưa vào vận hành thương mại từ tháng 10/2017 Theo thiết kế, trình hoạt động ổn định, Nhà máy xử lý khí Cà Mau phát sinh lượng khí permeate (side product - sản phẩm phụ) khoảng 110.000 Sm3/ngày Trong đó, khoảng 36% lượng khí tận dụng để đốt thiết bị gia nhiệt (heater), lại (khoảng 70.000 Sm3/ngày) phải đốt đuốc Khí permeate sản phẩm chứa phần lớn CO2 (54,0%) CH4 (43,6%), có nhiệt trị cao khoảng 16.625 KJ/ Ngày nhận bài: 8/5/2020 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 8/5 - 16/10/2020 Ngày báo duyệt đăng: 9/3/2021 30 DẦU KHÍ - SỐ 3/2021 Nm3 (bằng khoảng 47% nhiệt trị khí tự nhiên mà Nhà máy Đạm Cà Mau sử dụng) Trên giới chưa công bố nghiên cứu việc sử dụng dịng khí giàu CO2 khí permeate từ nhà máy xử lý khí để làm nguyên/nhiên liệu bổ sung cho nhà máy sản xuất urea Tuy nhiên, có số nhà máy lọc dầu nghiên cứu thu hồi cấu tử có khí đốt đuốc Một số trường hợp nghiên cứu thu hồi khí đốt đuốc nhà máy lọc dầu sau: - Nhà máy Lọc dầu Tabriz (Iran) [1]: Ở điều kiện hoạt động ổn định, Nhà máy Lọc dầu Tabriz đốt bỏ lượng khí với thành phần tính chất sau: 43% H2, 10% C1, 30% C2, 2% C3, 10% C4+, 5% H2S; nhiệt độ 80 oC; áp suất barg; khối lượng 19,9 g/mol; lưu lượng 630 kg/giờ Sau trình nghiên cứu, Nhà máy Lọc dầu Tabriz lắp đặt hệ thống thu hồi khí đốt bỏ đuốc làm nguyên liệu để sinh sau: Sử dụng máy nén để nâng áp suất khí trước đưa vào cụm amine để tách H2S; dịng khí H2S đầu cụm amine thu gom để làm nhiên liệu sản xuất - Nhà máy Lọc (Khangiran) (Iran) [1]: dầu Shahid Hashemi-Nejad PETROVIETNAM Bảng Lưu lượng tính chất khí đốt bỏ đuốc Nhà máy Lọc dầu Shahid Hashemi-Nejad (Khangiran) Áp suất (Psig) Nhiệt độ (oC) Lưu lượng (Nm3/giờ) Thành phần (%) CH4 C2H6 C3H8 C4H10 CO2 H2 S N2 H2 O Nhỏ Trung bình Lớn 10 -29 30 75 2.500 25.000 100.000 47,07 0,16 0,0058 0,0019 40,85 8,06 0,94 2,91 47,07 0,16 0,0058 0,0019 40,85 8,06 0,94 2,91 47,07 0,16 0,0058 0,0019 40,85 8,06 0,94 2,91 Ở điều kiện hoạt động ổn định, Nhà máy Lọc dầu Shahid Hashemi-Nejad đốt bỏ lượng khí với lưu lượng tính chất Bảng Sau q trình nghiên cứu, Nhà máy Lọc dầu Shahid Hashemi-Nejad (Khangiran) đề xuất lắp đặt hệ thống tương tự Nhà máy Lọc dầu Tabriz để thu hồi khí đốt bỏ đuốc Việc đốt bỏ lượng lớn khí permeate Nhà máy xử lý khí Cà Mau gây lãng phí lớn lượng làm tăng phát thải khí nhà kính (CO2) mơi trường Do đó, việc nghiên cứu để thu hồi tồn lượng khí permeate cấp bách, giúp tối ưu điều kiện hoạt động Nhà máy xử lý khí Cà Mau Cụm Khí - Điện - Đạm Cà Mau Phương pháp đối tượng nghiên cứu 2.1 Phương pháp nghiên cứu Nhóm tác giả dựa vào hệ thống liệu thực tế để xây dựng hiệu chỉnh mơ hình lý thuyết; dựa vào mơ hình lý thuyết để xác định kịch tương lai thực thay đổi biến; đánh giá lựa chọn giải pháp tối ưu Nội dung triển khai cụ thể sau: - Xác định thông số độ giảm áp đường ống từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau qua Nhà máy Đạm Cà Mau phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn ASME B31.3; - Đánh giá giải pháp thu hồi khí permeate (bằng máy nén ejector); - Tính tốn khả sử dụng ejector phương pháp khoa học mơ hình HYSIS [2]; - Đánh giá khả sử dụng khí permeate để làm nhiên liệu cho nồi phụ trợ lò đốt reforming sơ cấp Nhà máy Đạm Cà Mau; - Tính tốn việc phối trộn liên hệ nhà cung cấp thiết bị để đánh giá khả làm việc hệ thống đốt điều kiện (đánh giá John Zink cho hệ thống đầu đốt lò reformer, đánh giá SAACKE cho hệ thống đầu đốt nồi phụ trợ); - Đề xuất giải pháp khả thi kỹ thuật hiệu kinh tế để thu hồi toàn lượng khí permeate (khí thấp áp) đốt bỏ đuốc Nhà máy xử lý khí Cà Mau Quá trình nghiên cứu thực qua bước: - Bước 1: + Đánh giá xác định áp suất khí cuối nguồn đoạn ống cấp khí permeate từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau qua Nhà máy Đạm Cà Mau; + Đề xuất giải pháp sơ xác định thành phần khí sau phối trộn khí tự nhiên (khí cao áp) khí permeate tỷ lệ phối trộn khác nhau; + Đề xuất cấu hình ejector (có tham khảo ý kiến nhà cung cấp thiết bị); + Đánh giá khả đáp ứng hệ thống đầu đốt (burner) với hỗn hợp khí tỷ lệ phối trộn khác khí tự nhiên khí permeate dựa vào tài liệu thiết kế nhà cung cấp thiết bị; + Đánh giá khả đáp ứng tồn thiết bị với hỗn hợp khí tỷ lệ phối trộn khác khí tự nhiên khí permeate dựa vào mơ hình giả lập (mô phần mềm HYSYS) [2]; + Xác định lựa chọn tỷ lệ phối trộn khí tự nhiên khí permeate - Bước 2: + Đánh giá giải pháp/phương án (kịch bản) thu hồi lượng khí permeate với tỷ lệ phối trộn khí tự nhiên khí permeate xác định Bước 1; + Xác định lựa chọn phương án tối ưu kỹ thuật kinh tế 2.2 Đối tượng nghiên cứu 2.2.1 Khí permeate Khí permeate sản phẩm phụ sinh sau màng lọc rây phân tử q trình hoạt động Nhà máy xử lý khí Cà Mau Theo thiết kế Nhà máy xử lý khí Cà Mau, để đảm bảo nhiệt trị khí cấp cho hộ tiêu thụ, khí tự nhiên sau tách thành phần nặng đưa đến màng lọc rây phân tử để tách phần CO2 Sau màng lọc rây phân tử, khí tự nhiên chia thành dịng: DẦU KHÍ - SỐ 3/2021 31 HĨA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ - Dịng khí không qua màng lọc rây phân tử (membrane residue) dịng khí phối trộn với dịng sản phẩm lỏng, chủ yếu C5, (condensate) để thành khí thương mại cấp cho hộ tiêu thụ (nhà máy đạm nhà máy điện); Thành phần, áp suất nhiệt độ khí cấp cho Nhà máy Đạm Cà Mau tương đối ổn định qua năm - Dịng khí qua màng lọc rây phân tử dịng khí permeate mà Nhà máy Đạm Cà Mau dự định thu hồi Thành phần khí permeate thể Bảng Nhiên liệu sử dụng lị reformer nồi phụ trợ khí tự nhiên Mơ hình cấp nhiên liệu cho thiết bị sau: Khí tự nhiên cấp từ nhà máy xử lý khí với áp suất khoảng 39 barg; sau q trình tách bụi tách lỏng, khí tự nhiên giảm áp 4,5 barg đến barg để làm nhiên liệu cung cấp cho hộ tiêu thụ Bảng cho thấy khí permeate chứa cấu tử đốt cháy để sinh nhiệt methane (43,57%) ethane (1,74%) 2.2.4 Lị đốt reformer 2.2.2 Khí tự nhiên Nhà máy Đạm Cà Mau thiết kế để hoạt động với nguồn khí tự nhiên khai thác từ mỏ PM3-CAA vùng biển chồng lấn Malaysia Việt Nam Đặc điểm khí tự nhiên mà Nhà máy Đạm Cà Mau sử dụng thể Bảng [4] Bảng Thành phần khí sau cơng đoạn Nhà máy xử lý khí Cà Mau Khí qua màng lọc rây phân tử [3] 42,9 1,7 Nhiệt độ (oC) Áp suất (barg) Thành phần (%) Carbon dioxide Nitrogen Methane Ethane Nhiệt trị thấp (kJ/Nm3) 54,02 0,67 43,57 1,74 15.113 Bảng Thành phần khí tự nhiên cấp cho Nhà máy Đạm Cà Mau Thông số Nhiệt độ (oC) Áp suất (barg) Thành phần (%) Carbon dioxide Nitrogen Methane Ethane Propane i-Butane n-Butane i-Pentane n-Pentane n-Hexane Nhiệt trị thấp (LHV), kJ/Nm3 Khí áp cao 2.2.3 Hệ thống cấp khí nhiên liệu cho lị reformer nồi phụ trợ Nhà máy Đạm Cà Mau Thiết kế 30 40 Thực tế 41,2 40 1,42 77,66 7,38 3,53 0,79 0,72 0,23 0,12 0,15 38.265 7,24 1,14 83,34 7,96 0,03 0,00 0,01 0,16 0,12 0,01 35.123 Hệ thống van giảm áp Lò đốt reformer lò cấp nhiệt cho phản ứng reforming nước thông qua việc đốt cháy khí tự nhiên 360 đầu đốt bố trí tường lò Lò đốt gồm khu vực: Khu vực xạ nhiệt (radiant section) khu vực thu hồi nhiệt thừa (convection section) Lò đốt reformer dây chuyền sản xuất NH3 Nhà máy Đạm Cà Mau xây dựng lắp đặt theo công nghệ Haldor Topsoe AS Thiết bị reforming sơ cấp gồm phần: - Phần buồng đốt (buồng xạ, phần chính) khu vực cấp nhiệt cho phản ứng reforming nước Việc cấp nhiệt cho phản ứng thực thông qua ống xúc tác, bao gồm: + buồng đốt A-B, C-D 360 đầu đốt lắp đặt tường buồng đốt (2 tường/buồng, hàng/tường, 15 đầu đốt/hàng) cấp nhiệt cho 150 ống xúc tác (75 ống/ buồng) + 60 cửa quan sát (peepholes) bố trí tường (giữa hàng đầu đốt thứ thứ 2) để nhân viên vận hành theo dõi hoạt động ống xúc tác đầu đốt + Loại gạch cách nhiệt sử dụng tường buồng đốt sau: Tường bên (sidewall): Gạch chịu nhiệt (insulating firebrick); sợi gốm cách nhiệt (ceramic fiber modules); Tường cuối (endwall): Sợi gốm cách nhiệt (ceramic fiber modules); Khí thấp áp Hình Mơ hình cấp khí nhiên liệu cho lị reformer nồi phụ trợ Nhà máy Đạm Cà Mau theo thiết kế 32 DẦU KHÍ - SỐ 3/2021 Cấp cho hộ tiêu thụ làm nhiên liệu PETROVIETNAM Bảng Các loại nhiên liệu sử dụng lò reformer TT Nhiên liệu Khí tự nhiên Khí thu hồi từ cơng đoạn thu hồi hydro (off gas) Khí thu hồi từ cơng đoạn tách CO2 (flash gas) Flue gas Qs, Te Convection Nhiệt trị (kJ/Nm3) 38.265 9.414 2.921 Ký hiệu Mô tả Đơn vị Te Nhiệt độ khói lị o Tf Nhiệt độ khí nhiên liệu o Tt Nhiệt độ khơng khí o Td Nhiệt độ tiêu chuẩn (15,6 C) LHV Nhiệt trị khí nhiên liệu Gj Ha Năng lượng khơng khí theo nhiệt độ Gj Hf Năng lượng khí nhiên liệu theo nhiệt độ Gj Qs Năng lượng mát qua ống khói Gj Qr Năng lượng thất qua xạ giả thuyết Gj Heat losses Qr Radiation Fuel gas Khối lượng mol (g/mol) 20,96 19,94 31,16 Air LHV + Hf Ha Furnace F04201 C C C C o o Hình Mơ hình lị reformer với nguồn lượng vào Bảng Nhiên liệu sử dụng nồi phụ trợ theo thiết kế TT Nhiên liệu Khối lượng mol (g/mol) Nhiệt trị (kj/Nm3) Khí tự nhiên 20,96 38.265 Hệ thống đầu đốt thuộc loại DDG 16 hệ thống đầu đốt khí tự nhiên SACKEE cung cấp Phần sàn (floor): Gạch chịu nhiệt (insulating firebrick); Phần (roof ): Sợi gốm cách nhiệt (ceramic fiber modules) - Phần thu hồi nhiệt thừa (convection section) khu vực thiết kế để tận dụng nguồn khí nhiệt độ (sau khu vực xạ nhiệt) để gia nhiệt dịng cơng nghệ khác nhà máy Các loại nhiên liệu lò đốt reformer theo thiết kế Bảng [5] Hiệu suất sử dụng nhiệt lị đốt reformer tính theo cơng thức: − h = h + + = × ×( + − + Trong đó: = h h = = − − − = η: Hiệu suất nồi hơi; D: Lưu lượng sinh ra; + Hsteam: Enthalpy hơi; ) − × × Hiệu suất nồi xác định sau: steam - Hbfw pw pw dw) Trong đó: hơi; ×( = Các loại nhiên liệu nồi phụ trợ theo thiết kế Bảng [6] × 100 + × Nồi phụ trợ hệ thống sinh cung cấp WESTERN POWER, có cơng suất 200 T/ cao áp ) ×( ×( − − ) ) Theo thiết kế, hiệu suất thu hồi nhiệt lò đốt reformer đạt khoảng 90% 2.2.5 Nồi phụ trợ Nồi phụ trợ nơi sản xuất cao áp nhiệt (38 barg, 370 oC) nhà máy Theo thiết kế, nồi sử dụng khí tự nhiên làm nhiên liệu Hbfw: Enthalpy nước cấp nồi Dpw: Lưu lượng dòng xả đáy nồi hơi; Hpw: Enthalpy dòng xả đáy; B: Lưu lượng khí nhiên liệu; Qdw: Nhiệt trị khí nhiên liệu (tính theo nhiệt trị thấp) Ở điều kiện họat động ổn DẦU KHÍ - SỐ 3/2021 33 HĨA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ định, hiệu suất sinh nồi phụ trợ đạt khoảng 85% 2.2.6 Ejector Ejector thiết bị sử dụng dịng chất lưu có áp suất cao để nâng áp phối trộn với dòng chất lưu có áp suất thấp Áp suất dịng chất lưu đầu ejector biến tỷ lệ phối trộn áp suất dòng chất lưu đầu vào Ejector hoạt động dựa định luật Bernoulli “vận tốc dòng chất lưu tăng làm giảm áp suất ngược lại” - Khi thành phần khí thay đổi làm nhiệt trị thấp giá trị thiết kế: + Các đầu đốt không cung cấp đủ nhiệt lượng để lò reformer nồi phụ trợ trì cơng suất Để trì cơng suất, cần tăng áp suất vận hành khí nhiên liệu Việc tăng áp suất làm tăng rủi ro lửa tiếp xúc trực tiếp vào vật liệu/thiết bị dẫn nhiệt lò; + Hiệu suất sử dụng nhiệt lò reformer nồi phụ trợ giảm lưu lượng khói lị tăng (thành phần trơ nhiên liệu nhiều khơng sinh nhiệt mà cịn lấy nhiệt sinh thành phần khác) - Khi thành phần khí thay đổi làm nhiệt trị cao giá trị thiết kế: V2/2 + gz + P/ρ = constant Trong đó: + Nhiên liệu cháy khơng hồn tồn tạo muội carbon, theo thời gian làm tắc đầu đốt giảm hiệu suất hoạt động; V: Vận tốc dòng chất lưu; + Gây nhiệt cục đầu đốt ảnh hưởng trực tiếp đến vật liệu/thiết bị dẫn nhiệt lò khu vực bị nhiệt Trường hợp phải điều chỉnh giảm áp suất nhiên liệu tắt đầu đốt, làm tăng rủi ro cháy ngược làm nhiệt lò reformer nồi phụ trợ phân bố không đều, làm ảnh hưởng đến tuổi thọ hiệu suất sử dụng nhiệt thiết bị; g: Gia tốc trọng trường; z: Cao độ so với vị trí tham chiếu; P: Áp suất dòng chất lưu; ρ: Khối lượng riêng dòng chất lưu Một ejector bao gồm phận sau: + Lưu lượng khói lị giảm làm ảnh hưởng đến hoạt động thiết bị thu hồi nhiệt thừa khói thải Vì vậy, việc kiểm sốt thành phần nhiệt trị khí nhiên liệu yếu - Vòi phun phận quan trọng yếu ejector Khí động lực sau qua vòi phun bị giảm áp tăng vận tốc - Buồng phối trộn: Khi dòng động lực khỏi vòi phun vào vùng phối trộn tạo vùng áp thấp Chất lưu thấp áp phối trộn với dòng chất lưu cao áp đầu vòi phun buồng phối trộn - Buồng khuếch tán: Hỗn hợp chất lưu cao áp thấp áp sau phối trộn đến buồng khuếch tán, vùng hỗn hợp chất lưu giảm vận tốc phục hồi áp suất trở lại 2.3 Đánh giá tác động đến hoạt động lò reformer nồi phụ trợ thành phần nhiệt trị khí nhiên liệu thay đổi Lị reformer nồi phụ trợ thiết kế với loại nhiên liệu cố định (chủ yếu khí tự nhiên) Dải nhiệt trị hoạt động hệ thống đầu đốt thiết bị tương đối hẹp Do đó, thành phần nhiệt trị khí nhiên liệu thay đổi vượt giá trị thiết kế, lò reformer nồi phụ trợ gặp phải số vấn đề sau: 34 DẦU KHÍ - SỐ 3/2021 Vòi phun Buồng phối trộn Buồng khuếch tán Dòng động lực Dịng đầu Dịng thấp áp Hình Cấu tạo ejector điển hình Buồng phối trộn Vịi phun Dòng động lực Mp, Pp, Tp Buồng phối Buồng trộn khuếch tán P₁ P2 Pp P3 Me Pe P4 P5 Pc P e c Áp suất dòng lưu chất Vận tốc âm Vận tốc dịng lưu chất Hình Đồ thị thể biến thiên áp suất vận tốc chất lưu công đoạn ejector PETROVIETNAM tố quan trọng góp phần đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định, an tồn hiệu Các tiêu chí sau sử dụng làm sở đánh giá trường hợp/giải pháp đề xuất: - Nhiệt trị khí: để đánh giá khả hoạt động hệ thống đầu đốt (của lị đốt) thu hồi khí permeate; - Hiệu suất thu hồi nhiệt hiệu suất nồi hơi: để đánh giá hiệu việc thu hồi khí permeate; - Cấu hình hệ thống: để đánh giá lựa chọn phương án/giải pháp thu hồi khí permeate; - Chi phí đầu tư (CAPEX) chi phí vận hành (OPEX): để đánh giá tính kinh tế phương án thu hồi khí permeate lựa chọn Kết nghiên cứu 3.1 Đánh giá khả sử dụng khí permeate để làm nhiên liệu cho nồi phụ trợ lò đốt reforming sơ cấp Nhà máy Đạm Cà Mau 3.1.1 Đề xuất giải pháp sơ đánh giá tỷ lệ phối trộn Theo thiết kế, nhiệt lượng yêu cầu cấp cho nồi phụ trợ lò reformer trường hợp thể Bảng [5, 6] Từ điều kiện hữu: (i) áp suất khí permeate thấp áp suất hệ thống khí nhiên liệu cấp cho lò reformer nồi phụ trợ, (ii) hệ thống cấp khí nhiên liệu Nhà máy Đạm Cà Mau phải sử dụng hệ thống van để giảm áp nhằm tạo nguồn khí có áp suất phù hợp, để thu hồi khí permeate từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau, xem xét áp dụng giải pháp sau: - Sử dụng máy nén (do áp suất khí permeate thấp Bảng Nhiệt lượng yêu cầu cấp cho nồi phụ trợ lò reformer trường hợp khác TT Thông số Đơn vị Nhỏ Bình thường Lớn GJ/giờ GJ/giờ GJ/giờ Giá trị Nồi phụ trợ Lò reformer 118 463 237 515 591 566 áp suất hệ thống khí nhiên liệu cấp cho lò reformer nồi phụ trợ): để nâng áp suất dịng khí permeate từ 1,1 barg (tại đầu vào cửa hút máy nén) lên 6,5 barg; dịng khí permeate đầu máy nén phối trộn với dịng khí tự nhiên (làm nhiên liệu) để tạo thành khí hỗn hợp trước vào hệ thống đầu đốt nồi phụ trợ lò reformer - Sử dụng ejector: để phối trộn dịng khí permeate với dịng khí tự nhiên làm nhiên liệu hữu Trong dịng động lực (motive gas) dịng khí tự nhiên (38 barg) trước qua hệ thống van giảm áp; dịng khí áp thấp dịng khí permeate (áp suất 1,1 barg cửa hút ejector) Ở trường hợp sử dụng máy nén, lượng khí permeate thu hồi gần đạt tối đa, đó, khả áp dụng phụ thuộc lớn vào mức độ đáp ứng hệ thống đầu đốt hữu, cụ thể Bảng Bảng cho thấy, trường hợp sử dụng máy nén để thu hồi khí permeate, nhiệt trị khí nhiên liệu cấp cho hộ tiêu thụ thấp 19.921 kJ/Nm3 Điều xảy lị reformer khơng hoạt động nồi phụ trợ hoạt động tải tối thiểu lượng khí permeat gas thu hồi lớn Ở trường hợp sử dụng ejector, lượng khí permeate thu hồi trường hợp khác Bảng Bảng cho thấy, nhiệt trị khí nhiên liệu cấp cho hộ tiêu thụ có giảm so với khí tự nhiên, mức độ giảm không đáng kể Do đó, trường hợp này, vấn đề cần quan tâm lượng khí permeate tổng thu hồi Việc thu hồi khí permeate phụ thuộc vào tải nồi phụ trợ Ở điều kiện hoạt động ổn định, lượng khí permeate mà Nhà máy Đạm Cà Mau sử dụng lớn 4.000 Nm3/giờ Điều xảy nồi phụ trợ hoạt động tải bình thường (40% tải) 3.1.2 Đánh giá khả đáp ứng hệ thống đầu đốt với hỗn hợp khí tỷ lệ phối trộn khác Nhiệt trị khí nhiên liệu sau thu hồi khí permeate cấp cho hộ tiêu thụ trường hợp Bảng Bảng Lưu lượng khí permeate thu hồi, tổng lưu lượng khí phối trộn lưu lượng khí phối trộn sử dụng nồi phụ trợ lò reformer cho trường hợp sử dụng máy nén Điều kiện vận hành Nhỏ Hiện Tải nồi phụ trợ (%) 20 20 40 40 Khí permeate thu hồi (Nm3/giờ) 3.500 4.500 3.500 4.500 Khí tự nhiên bổ sung(*) (Nm3/giờ) 1.853 1.423 5.242 4.811 Tổng 5.353 5.923 8.742 9.311 Khí phối trộn Lưu lượng (Nm3/giờ) Nồi phụ trợ Lò reformer (**) 5.353 5.923 8.742 9.311 Nhiệt trị (kJ/Nm3) 20.041 19.921 27.111 25.452 Ghi chú: (*) Khí tự nhiên bổ sung xác định nhằm đảm bảo nguồn khí phối trộn đủ cấp cho nồi phụ trợ hoạt động; (**) Lượng khí thiếu để đáp ứng đủ nhiệt lượng nêu Bảng bù khí tự nhiên (thông qua hệ thống van giảm áp) Trường hợp lượng khí cấp dư vượt nhiệt lượng Bảng giảm lượng khí permeate thu hồi DẦU KHÍ - SỐ 3/2021 35 HĨA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ Bảng Lưu lượng khí permeate thu hồi, tổng lưu lượng khí phối trộn lưu lượng khí phối trộn sử dụng nồi phụ trợ lò reformer cho trường hợp sử dụng ejector Điều kiện vận hành Nhỏ Hiện Tải nồi phụ trợ (%) Khí permeate (Nm3/giờ) 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 20 24 30 36 40 40 40 Khí tự nhiên làm khí động lực (Nm3/giờ) 2.814 5.629 8.443 11.257 14.071 16.886 19.700 22.514 25.329 Tổng 3.314 6.629 9.943 13.257 16.571 19.886 23.200 26.514 29.829 Khí phối trộn Lưu lượng (Nm3/giờ) Nồi phụ trợ Lò reformer (*) 1.105 2.209 2.210 4.419 3.680 6.263 4.419 8.838 5.524 11.047 6.629 13.257 7.410 15.790 7.410 19.104 7.410 22.419 Nhiệt trị (kJ/Nm3) 32.121 32.121 32.121 32.121 32.121 32.121 32.121 32.121 32.121 Ghi chú: (*) Lượng khí thiếu để đáp ứng đủ nhiệt lượng nêu Bảng bù khí tự nhiên Trường hợp lượng khí cấp dư vượt nhiệt lượng Bảng giảm lượng khí permeate thu hồi Bảng Nhiệt trị khí nhiên liệu phối trộn sau thu hồi khí permeate cấp cho hộ tiêu thụ trường hợp có so sánh với dải nhiệt trị hoạt động hệ thống đầu đốt TT Trường hợp Đơn vị Nhiệt trị nhỏ nhất/lớn (LHV) Sử dụng máy nén Sử dụng ejector kJ/Nm3 kJ/Nm3 19.921 32.121 Dải nhiệt trị hoạt động hệ thống đầu đốt (LHV) [5, 6] Nồi phụ trợ Lò reformer 31.000 - 39.000 26.000 - 39.000 31.000 - 39.000 26.000 - 39.000 Bảng 10 Kết tính tốn khả đáp ứng lị reformer nồi phụ trợ với hỗn hợp khí tỷ lệ phối trộn khác Giá trị TT Thơng số Nhiệt độ khói lò Hàm lượng oxy dư Hiệu suất thu hồi nhiệt Hiệu suất lò Đơn vị C % % % o Nồi phụ trợ Khí Khí phối trộn 115 115 3,5 85 Ở trường hợp sử dụng máy nén, khí thu hồi sử dụng cho hộ tiêu thụ (lò reformer nồi phụ trợ), hệ thống đầu đốt hộ tiêu thụ đáp ứng Để đảm bảo nhiệt trị nguồn khí nằm dải nhiệt trị hoạt động hệ thống đầu đốt, nhà máy buộc phải cấp bù thêm khí tự nhiên vào hỗn hợp khí sau phối trộn (thơng qua hệ thống van giảm áp) Ở trường hợp sử dụng ejector, hệ thống đầu đốt lò reformer nồi phụ trợ đáp ứng Nhà máy không cần cấp bù thêm khí tự nhiên vào hỗn hợp khí sau phối trộn thông qua hệ thống van giảm áp Hiện 158 2,5 90,25 Lị reformer Khí phối trộn 158 2,5 90,25 85 Theo kết tính tốn nhóm tác giả Hysys [2], hệ thống nồi phụ trợ lò reformer trường hợp đáp ứng điều kiện hoạt động với thành phần khí nhiên liệu theo tiêu Bảng 10 Các thơng số cần điều chỉnh cấu hình hệ thống điều khiển công suất nồi phụ trợ lị reformer sử dụng khí phối trộn sau: - Đối với nồi phụ trợ: Điều chỉnh lại hệ số Stoich nhằm đảm bảo oxy dư khói lị nằm khoảng an tồn tối ưu đột ngột nguồn khí permeate; Như vậy, tiêu chí đánh giá này, giải pháp sử dụng ejector phù hợp so với giải pháp sử dụng máy nén - Đối với lò reformer: Điều chỉnh giá trị nhiệt trị điều khiển công suất đốt nhằm đảm bảo nhiệt lượng cấp cho lị reformer xác ổn định 3.1.3 Đánh giá khả đáp ứng tồn thiết bị (lị reformer nồi phụ trợ) với hỗn hợp khí tỷ lệ phối trộn khác 3.1.4 Xác định lựa chọn tỷ lệ phối trộn khí tự nhiên khí permeate phù hợp Kết tính tốn mục dựa giả định, hệ thống đầu đốt hộ tiêu thụ đáp ứng với hỗn hợp khí phối trộn Ở trường hợp sử dụng ejector, hệ thống đầu đốt nồi phụ trợ lò reformer đáp ứng tất tỷ lệ phối trộn nêu nên tỷ lệ phối trộn lựa chọn cho hỗn hợp khí sau phối trộn sử 36 DẦU KHÍ - SỐ 3/2021 PETROVIETNAM Bảng 11 Lưu lượng khí sau phối trộn tương ứng với lượng khí permeate thu hồi cho trường hợp sử dụng máy nén Tải nồi phụ trợ (%) Lượng khí permeate thu hồi (Nm3/giờ) 20 20 40 40 3.500 4.500 3.500 4.500 Lượng khí tự nhiên cần để phối trộn (Nm3/giờ) 14.000 18.000 14.000 18.000 Lưu lượng khí sau phối trộn (Nm3/giờ) Tổng Nồi phụ trợ Lò reformer (*) 17.500 22.500 17.500 22.500 3.792 3.792 7.615 7.615 13.708 18.708 9.885 14.885 Ghi chú: (*) Lượng khí thiếu để đáp ứng đủ nhiệt lượng nêu Bảng 11 bù khí tự nhiên Trường hợp lượng khí cấp dư vượt nhiệt lượng Bảng 11 giảm lượng khí permeate thu hồi dụng hết nồi phụ trợ lò reformer Do đó, việc lựa chọn tỷ lệ phối trộn sử dụng 3.500 Nm3/giờ khí permeate để phối trộn với 19.700 Nm3/giờ khí tự nhiên (theo kết tính toán Mục 3.1.1) Ở trường hợp sử dụng máy nén, tỷ lệ phối trộn lựa chọn cho nhiệt trị khí sau phối trộn nằm dải nhiệt trị hoạt động hệ thống đầu đốt Do dải nhiệt trị hoạt động đầu đốt nồi phụ trợ hẹp dải nhiệt trị hoạt động đầu đốt lò reformer nên dựa vào đầu đốt nồi phụ trợ để lựa chọn tỷ lệ phối trộn Khí permeate Khí cao áp Khí cao áp Hệ thống van giảm áp EJECTOR Khí thấp áp Khí thấp áp Cấp cho hộ tiêu thụ làm khí nhiên liệu Cấp cho hộ tiêu thụ làm khí nhiên liệu (a) (b) Hình Mơ hình cấp khí nhiên liệu cho lị reformer nồi phụ trợ theo thiết kế (a) thu hồi khí permeate (b) cho trường hợp sử dụng ejetor Với nhiệt trị khí tự nhiên khí permeate nêu tỷ lệ phối trộn tối đa 20/80 (để nhiệt trị khí sau phối trộn đạt mức tối thiểu 31.000 kJ/Nm3), tức lượng khí permeate thu hồi tối đa chiếm 20% tổng lượng khí sau phối trộn + Sử dụng dịng khí tự nhiên (38 barg) cấp làm dòng động lực ejector để nâng áp dịng khí permeate trước phối trộn vào hệ thống cấp khí nhiên liệu cho nồi phụ trợ lò reformer Với tỷ lệ phối trộn này, lượng khí sau phối trộn tương ứng với lượng khí permeate thu hồi Bảng 11 Đối với trường hợp sử dụng máy nén, nhóm tác giả đề xuất giải pháp khả thi kỹ thuật sau: 3.2 Đánh giá tính khả thi kỹ thuật hiệu kinh tế giải pháp thu hồi toàn lượng khí permeate 3.2.1 Giải pháp kỹ thuật Với đánh giá nêu trên, xét mặt tổng thể, giải pháp (sử dụng máy nén sử dụng ejector) áp dụng nhằm thu hồi tồn lượng khí permeate Nhà máy xử lý khí Cà Mau để làm nhiên liệu Nhà máy Đạm Cà Mau Đối với trường hợp sử dụng ejector, nhóm tác giả đề xuất giải pháp khả thi kỹ thuật sau: - Nhà máy xử lý khí Cà Mau điều chỉnh cơng nghệ trì áp suất cấp tối thiểu khoảng 2,5 barg đầu nguồn - Nhà máy Đạm Cà Mau lắp đặt ejector thiết bị phụ trợ kèm để phối trộn dịng khí nhiên liệu với dịng khí permeate trước đưa vào đốt nồi phụ trợ - Phương án kết nối với hệ thống hữu sau: + Lắp đặt đường ống inches để dẫn khí permeate từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau Nhà máy Đạm Cà Mau - Nhà máy xử lý khí Cà Mau điều chỉnh cơng nghệ trì áp suất cấp tối thiểu khoảng 2,5 barg đầu nguồn - Nhà máy Đạm Cà Mau lắp đặt cụm máy nén thiết bị phụ trợ kèm để nâng áp dòng khí permeate trước phối trộn với dịng khí nhiên liệu hữu - Phương án kết nối với hệ thống hữu sau: + Lắp đặt đường ống inches để dẫn permeate gas từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau Nhà máy Đạm Cà Mau; + Dịng khí permeate dẫn vào máy nén để nâng áp từ 1,1 barg (tại cửa hút máy nén) lên 6,5 barg trước phối trộn vào hệ thống cấp khí nhiên liệu cho nồi phụ trợ lị reformer 3.2.2 Đánh giá tính khả thi kỹ thuật Cả giải pháp khả thi kỹ thuật, nhiên xét cấu hình hệ thống giải pháp sử dụng ejector có cấu hình đơn giản giải pháp sử dụng máy nén Cấu hình hệ thống ejector đơn giản giúp trình vận hành bảo dưỡng dễ dàng Bên cạnh đó, xét mặt tiêu hao lượng, giải pháp sử dụng ejector tiêu thụ lượng thấp giải pháp sử dụng máy nén DẦU KHÍ - SỐ 3/2021 37 HĨA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ Khí cao áp Khí cao áp Khí permeate Hệ thống van giảm áp Hệ thống van giảm áp Máy nén Khí thấp áp Khí thấp áp Cấp cho hộ tiêu thụ làm khí nhiên liệu Cấp cho hộ tiêu thụ làm khí nhiên liệu (a) (b) Hình Mơ hình cấp khí nhiên liệu cho lị reformer nồi phụ trợ theo thiết kế (a) thu hồi khí permeate (b) cho trường hợp sử dụng máy nén 3.2.3 Đánh giá sơ hiệu kinh tế Xét hiệu kinh tế, giải pháp sử dụng ejector hiệu giải pháp sử dụng máy nén do: - Giải pháp sử dụng ejector có chi phí đầu tư thấp giải pháp sử dụng máy nén; - Chi phí vận hành giải pháp sử dụng ejector thấp chi phí sử dụng máy nén (sử dụng máy nén tiêu tốn điện với công suất tiêu thụ dự kiến khoảng 170 kW) Kết luận Kết nghiên cứu cho thấy sử dụng khí permeate từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau để phối trộn với nguồn khí tự nhiên hữu để làm nhiên liệu cho nồi phụ trợ lò reformer Nhà máy Đạm Cà Mau Việc sử dụng khí permeate làm nhiên liệu khơng ảnh hưởng xấu đến hoạt động nồi phụ trợ lò reformer Trong giải pháp thu hồi khí permeate (giải pháp sử dụng ejector giải pháp sử dụng máy nén) giải pháp sử dụng ejector giải pháp khả thi kỹ thuật hiệu kinh tế Do đó, giải pháp sử dụng ejector cần lựa chọn để nghiên cứu áp dụng vào thực tế Tài liệu tham khảo [1] O Zadakbar, Ali Vatani, and K Karimpour, “Flare gas recovery in oil and gas refineries”, Oil & Gas Science and Technology, Vol 63, No 6, pp 705 - 711, 2008 DOI: 10.2516/ogst:2008023 [2] Aspentech Pte Ltd., “Software License Agreement (Product Name: AspenONE Engineering r11; Product Number: 79001117)”, 2019 [3] UOP LLC, “Ca Mau GPP design basis”, 2015 [4] Nie Ningxin, “Ca Mau Fertilizer Plant design basis”, Wuhan Engineering Co., Ltd, 2009 [5] G Tiballi, “Primary reformer F04201 - Burner datasheet & curves (Ca Mau Fertilizer Plant)”, Hamworthy Combustion Engineering Limited, 2010 [6] M Mantyk, “Technical datasheet for SAACKE firing system (Auxiliary boiler -Ca Mau Fertilizer Plant)”, SAACKE GmbH, 2011 SOLUTION FOR RECOVERY OF PERMEATE GAS FROM CA MAU GAS PROCESSING PLANT TO USE AS FUEL FOR AUXILIARY BOILER AND REFORMER FURNACE AT CA MAU FERTILIZER PLANT Nguyen Van Binh, Pham Tuan Anh, Nguyen Truong Giang, Nguyen Duy Hai Petrovietnam Camau Fertilizer Joint Stock Company Email: binhnv@pvcfc.com.vn Summary Permeate gas mainly contains CO2 (54%) and CH4 (43.6%), with a high calorific value of about 16,625 KJ/Nm3 (equivalent to about 47% of the calorific value of the natural gas that Ca Mau Fertilizer Plant is using) At the Ca Mau Gas Processing Plant, approximately 36% of permeate gas is used for burning in the heater, while the rest (about 70,000 Sm3/day) is burned at the flare stack, causing huge waste in terms of energy The paper evaluates the possibility of using permeate gas as fuel for the auxiliary boiler and the reformer furnace at Ca Mau Fertilizer Plant, and propose feasible and cost-effective technical solutions to fully recover the permeate gas currently disposed by burning at the flare stack of the Ca Mau Gas Processing Plant Key words: Permeate gas, auxiliary boiler, reformer furnace, Ca Mau Fertilizer Plant, Ca Mau Gas Processing Plant 38 DẦU KHÍ - SỐ 3/2021 ... cứu cho thấy sử dụng khí permeate từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau để phối trộn với nguồn khí tự nhiên hữu để làm nhiên liệu cho nồi phụ trợ lò reformer Nhà máy Đạm Cà Mau Việc sử dụng khí permeate làm. .. án thu hồi khí permeate lựa chọn Kết nghiên cứu 3.1 Đánh giá khả sử dụng khí permeate để làm nhiên liệu cho nồi phụ trợ lò đốt reforming sơ cấp Nhà máy Đạm Cà Mau 3.1.1 Đề xuất giải pháp sơ đánh... cấp khí nhiên liệu Nhà máy Đạm Cà Mau phải sử dụng hệ thống van để giảm áp nhằm tạo nguồn khí có áp suất phù hợp, để thu hồi khí permeate từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau, xem xét áp dụng giải pháp sau: