Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH
2.2. Giới thiệu các hãng công nghệ GTL đã áp dụng trên thế giới
2.2.1. Công nghệ SASOLCHEVRON
a. Mơ tả cơng nghệ
Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ Sasol Slurry Phase Distillate của Sasol Chervon Công nghệ Sasol Slurry Phase Distillate (SSPD) sản xuất khí tổng hợp sử dụng phương pháp reforming nhiệt (ART) bằng oxi của Haldor Topsoe. Phương pháp này đã được sử dụng nhiều trong công nghệ các nhà máy sản xuất ammoniac, hydro, methanol. Chuyển hóa Fischer–Tropsch sử dụng thiết bị phản ứng huyền phù, có tên gọi là Sasol Slurry Phase (SSP)–là bản quyền của Sasol, xảy ra ở nhiệt độ 200–250 oC, áp suất 20 – 25atm. Sản phẩm từ SSP được đưa vào phân xưởng hydrocracking và hydro isome hóa để tạo thành hydrocarbon nhẹ hơn, chủ yếu là diesel và naphtha.
b. Nguyên liệu và sản phẩm
- Nguyên liệu là khí thiên nhiên có hàm lượng CO2 thấp hơn 10%.
- Sản phẩm của SSPD bao gồm: 80% diesel, 20% naphtha, và một tỷ lệ nhỏ LPG. c. Công suất
Công suất hướng đến là 34.000 – 100.000 thùng/ngày. Cơng nghệ SSPD có thể xây dựng với công suất 15.000 thùng/ngày cho một mô-đun. Lượng nguyên liệu cần khoảng 4,25 triệu m/ngày, tương đương với 6.000 triệu Btu/giờ).
d. Chi phí đầu tư
- Nhà máy công suất 15.000 thùng/ngày cần vốn đầu tư là 375 triệu USD, tương đương 25.000 USD/đơn vị công suất.
- Chi phí vận hành (bao gồm nhân cơng, bảo dưỡng và xúc tác) khoảng 5 USD/thùng. Do đó nếu giá khí là 0,5 USD/ triệu Btu thì chi phí sản xuất là 10 USD/thùng sản phẩm.
e. Ưu, nhược điểm của cơng nghệ
• Ưu điểm:
- Cơng nghệ đã được hồn thiện dựa trên những kinh nghiệm từ các nhà máy GTL thương mại.
- Nguyên liệu cho các công nghệ của Sasol đa dạng như: khí thiên nhiên, than đá, khí ra đuốc cơng nghiệp.
• Nhược điểm:
- Hiệu suất nhiệt không cao, khoảng 56%.
2.2.2. Công nghệ SHELL
a. Mơ tả cơng nghệ
Tên các q trình:
SGP- Shell Gasification Process: Q trình sản xuất khí tổng hợp; HPS- Heavy Parafin Synthesic: tổng hợp các paraffin nặng; HPC- Heavy Parafin Conversion: chuyển hóa các paraffin nặng. HGU- Hydrogenation Unit: phân xưởng hydro hóa
Cơng nghệ có đầy đủ cả 3 q trình:
- Q trình sản xuất khí tổng hợp SGP: dùng phương pháp oxi hóa một phần (không xúc tác), phản ứng xảy ra ở 1300 – 1500oC và áp suất 30 – 60 bar, hiệu suất cacbon hơn 95%, với lượng methane còn lại khoảng 1%.
- Phản ứng tổng hợp Fischer–Tropsch của Shell: được tiến hành trong thiết bị xúc tác tầng sôi cố định dạng ống, sử dụng xúc tác cobalt, diễn ra ở nhiệt độ 180 - 250 oC và áp suất 10 – 45atm. Với công suất lên đến 9.000 thùng/ngày cho một thiết bị.
- Quá trình nâng cấp sản phẩm: dòng HPS được phân tách để tách riêng sáp, hydrocarbon nhẹ hơn và nước. Phần sáp được hydrocracking (HPC) để chuyển hóa thành các phân đoạn trung bình, đồng thời phản ứng isome hóa cũng xảy ra để cải thiện các tính chất lưu chuyển ở điều kiện lạnh của sản phẩm. Thiết bị này có thể vận hành linh động dựa trên xúc tác hydrocracking của Shell, cho phép lựa chọn sản phẩm chính là diesel hay dầu hỏa [3].
b. Nguyên liệu và sản phẩm
- Ngun liệu: có thể là khí thiên nhiên hoặc cặn nặng có hàm lượng CO2 thấp hơn 10%.
- Sản phẩm: naphtha, diesel, dầu hỏa, sáp. Có thể đầu tư thêm để thu được các sản phẩm dung môi, dung dịch khoan, parafin mạch thẳng. Sản phẩm phụ: LPG, nước thải cần xử lý.
- Năm 1993, Shell vận hành một nhà máy GTL tại Bintulu, Mã Lai có cơng suất 12.000 thùng/ngày. Mặc dù Shell không cho biết công suất phù hợp của công nghệ SMDS, nhưng các dự án mà Shell đang tham gia đều có cơng suất 75.000 thùng/ngày.
d. Chi phí đầu tư
- Chi phí đầu tư: khoảng 1,3 tỷ USD cho nhà máy công suất 50.000 thùng/ngày, tương đương 26.000 USD/đơn vị cơng suất.
- Chi phí sản xuất: khoảng 26,7 USD/thùng, bao gồm nguyên liệu, bảo dưỡng, khấu hao, thuế, lợi nhuận trên vốn đầu tư 10%... (Nguồn Chem Systems).
e. Ưu, nhược điểm của công nghệ
- Cơng nghệ đã hồn thiện cho cả ba q trình.
- Sản phẩm đa dạng và linh động trong cơ cấu sản phẩm. - Hiệu suất nhiệt cao 62,8%.
2.2.3. Công nghệ hệ EXXON-MOBIL
a. Mô tả công nghệ
Hình 2.5. Sơ đồ cơng nghệ GTL của Exxon Mobil
Tên các quá trình:
FBSG: Fluid Beg Syngas Generation – Tạo khí tổng hợp xúc tác tầng sơi; HCS: Hydrocarbon Synthesis –Tổng hợp hydrocarbon;
POX: Patial Oxidization – Phương pháp oxi hóa một phần; SR: Steam Reforming – Reforming hơi nước.
Công nghệ AGC – 21 gồm cả ba q trình:
- Sản xuất khí tổng hợp: kết hợp hai quá trình là reforming hơi nước và oxi hóa một phần để sản xuất khí tổng hợp có tỷ lệ H2/CO là 2. Các phản ứng xảy ra trong thiết bị xúc tác tầng sôi, nhiệt độ vận hành thấp hơn so với thiết bị của quá trình chỉ có reforming tự cung cấp nhiệt hoặc oxi hóa một phần. Lượng hơi nước nguyên liệu yêu cầu phải thấp hơn so với quá trình reforming tự cấp nhiệt để có được tỷ lệ H2/CO là 2.
- Tổng hợp Fischer – Tropsch: (quá trình HCS) được tiến hành trong thiết bị phản ứng dạng huyền phù, dùng xúc tác cobalt.
- Quá trình nâng cấp sản phẩm: dòng hydro hóa được phân tách để tách riêng diesel, naphtha và dầu hỏa.
b. Nguyên liệu và sản phẩm
- Nguyên liệu: sử dụng khí thiên nhiên có hàm lượng CO2 thấp hơn 10%. - Sản phẩm: naphtha, diesel, dầu gốc. Sản phẩm phụ: hơi nước, điện, nito.
c. Công suất
- Theo Exxon Mobil, công nghệ AGC – 21 được thiết kế phù hợp cho các nhà máy cơng suất lớn 50.000 – 100.000 thùng/ngày.
d. Chi phí đầu tư
- Chi phí đầu tư: khoảng 1,2 tỷ USD cho nhà máy 50.000 thùng/ngày, tương đương khoảng 24.000 USD/thùng ngày cơng suất.
- Chi phí vận hành: khoảng 14,48 USD/thùng sản phẩm. e. Ưu, nhược điểm của công nghệ
- Công nghệ đã được hồn thiện, là một trong bốn cơng nghệ đã được đưa vào thương mại.
- Độ chuyển hóa cao.
2.2.4. Công nghệ SYNTROLEUM
a. Mô tả công nghệ
Hình 2.6. Sơ đồ cơng nghệ GTL của Syntroleum
Cơng nghệ của Syntroleum gồm có hai q trình:
- Sản xuất khí tổng hợp: bằng phương pháp reforming nhiệt. Khơng khí và khí thiên nhiên với tỷ lệ 5:2 được đưa vào thiết bị reforming cùng với hơi nước (hoặc CO2). Hơi nước hoặc CO2 chiếm một tỷ lệ nhỏ trong thành phần nguyên liệu để điều chỉnh tỷ lệ H2/CO bằng 2.
- Tổng hợp Fischer – Tropsch: khí tổng hợp được đưa vào thiết bị xúc tác tầng sôi cố định, sử dụng xúc tác cobalt, H2 và CO được chuyển hóa thành các hydrocarbon và nước. Lượng nitơ trong hỗn hợp khí có tác dụng kiểm soát nhiệt độ cho quá trình phản ứng, sau đó nitơ được tách ra ở cuối qui trình. Điểm nổi bật của công nghệ là không có phân xưởng sản xuất oxi từ khơng khí, do đó giảm đáng kể vốn đầu tư.
b. Nguyên liệu và sản phẩm
- Nguyên liệu: khí thiên nhiên có hàm lượng CO2 nhỏ hơn 10%, hàm lượng N2 và CO2 dưới 30%.
- Sản phẩm: Naphtha, diesel, dầu hỏa, nước. c. Công suất
- Syntroleum tập trung vào việc phát triển mức cơng suất 2.500 thùng/ngày. Đối với mơ hình nhà máy GTL đặt trên xà lan thì cơng st có thể đạt 10.000 thùng/ngày.
Bảng 2.1. Chi phí sản xuất cho công nghệ Syntroleum (Nguồn GTL study group, E& P BDC ASCOPE) Cơng suất (thùng/ngày) Chi phí vận hành
(USD/thùng)
5.000 5,64
10.000 4,50
25.000 3,50
- Chi phí sản xuất: 22 USD/thùng. Chi phí này được tính với giá khí 0,5 USD/triệu Btu và chi phí vận chuyển 1USD/thùng.
d. Chi phí đầu tư
- Chi phí đầu tư: khoảng 97 triệu USD cho nhà máy với công suất 5.600 thùng/ngày, tương đương 17.300 USD/đơn vị công suất.
- Chi phí vận hành: (bao gồm bảo dưỡng, xúc tác, phí bản quyền) tùy thuộc vào công suất.
e. Ưu, nhược điểm của cơng nghệ
• Ưu điểm:
- Chi phí đầu tư giảm do khơng cần lắp thêm phân xưởng tách oxi từ khơng khí như công nghệ của các hãng khác. Điều này cũng khiến cho quá trình vận hành an toàn hơn.
- Thiết kế theo kiểu dịng cơng nghệ một chiều (không có dòng hoàn lưu) làm giảm chi phí đầu tư và vận hành.
• Nhược điểm:
2.2.5. Cơng nghệ SYNERGY
a. Mơ tả cơng nghệ
Hình 2.7. Sơ đồ công nghệ GTL của Synergy
Công nghệ của Synergy gồm hai q trình chính:
- Sản xuất khí tổng hợp: q trình chuyển hóa khí thiên nhiên thành khí tổng hợp có tỷ lệ H2/CO là 2 bằng phương pháp plasma lạnh. Hỗn hợp nguyên liệu gồm khí thiên nhiên, khí giàu oxi, hơi nước đi qua hai điện cực. Nguồn điện từ ngoài tạo ra giữa hai điện cực một dòng điện khơng liên tục có hiệu điện thế cao 20 kV và cường độ tương đối nhỏ 0,1 – 5A. Dưới tác dụng của dòng điện này, phản ứng oxi hóa một phần xảy ra tạo khí tổng hợp.
- Quá trình Fischer – Tropsch sử dụng thiết bị xúc tác tầng cố định với xúc tác cobalt, khác với các công nghệ khác, sản phẩm chỉ gồm naphtha và diesel mà khơng có phân đoạn sáp, do đó khơng cần q trình hydrocracking và xử lý sáp mà sản phẩm từ quá trình Fischer – Tropsch được chưng cất để tách riêng naphtha và diesel.
b. Nguyên liệu và sản phẩm
- Nguyên liệu: là khí thiên nhiên hoặc khí đồng hành. Khí thiên nhiên có hàm lượng CO2 tối đa 35%.
- Sản phẩm: gồm 67% diesel, 33% naphtha, khơng có sáp. c. Công suất
- Các nhà máy thường có cơng suất 10.000 – 30.000 thùng/ngày. d. Chi phí đầu tư
- Chi phí đầu tư: theo Synergy chi phí cho việc xây dựng hồn chỉnh một nhà máy là 25.000 – 30.000 USD/đơn vị công suất. Chi phí đầu tư cho cơng nghệ này thấp hơn 40 – 45% so với các quá trình dùng phương pháp oxi hóa một phần hay reforming bằng hơi nước.
- Chi phí vận hành và chi phí sản xuất: khơng được Synergy công bố. e. Ưu, nhược điểm của công nghệ
- Synergy có tính linh động cao, chi phí đầu tư thấp và thích ứng với nhiều loại khí khác nhau.
- Tỷ lệ oxi tính khiết thay đổi trong khoảng rộng, có thể là 45%. - Khơng cần q trình hồn thiện tính chất sản phẩm.
- Khơng có sản phẩm sáp.
2.2.6. So sánh các thông số công nghệ GTL
Sau đây là bảng tổng hợp so sánh thông số các q trình cơng nghệ GTL: Bảng 2.2. Các thông số công nghệ GTL của các hãng công nghệ
Sasol Shell ExxonMobil Syntroleum Synergy
Công nghệ SSPD SMDS AGC-21 Syngen
Tính chất nguyên liệu
CO2<10% CO2<10% CO2<10% CO2<10% CO2<35%
Q trình sản xuất khí tổng hợp Reforming nhiệt, sử dụng oxi Oxi hóa một phần khơng xúc tác; 1300 - 1500 oC; 30– 60bar Oxi hóa một phần và Reforming hơi nước Reforming nhiệt, sử dụng khơng khí Plasma Dùng điện 20kV; 0,1 - 5A; 0,11kW cho 1m3
Quá trình FT Huyền phù 200- 250oC; 20-25atm Tầng cố định 10-45 atm Huyền Phù 180-250oC 10-45 atm Tầng cố định 10-45atm Tầng cố định; 10- 45 atm Xúc tác Fe/Co Co Co Co Co Quá trình hồn thiện sản phẩm Cơng nghệ Chevron Hydrocracking & hydro isome
hóa Hydro isome hóa wax (của Exxon) Khơng có cơng nghệ đặc trưng Khơng cần Công suất (thùng /ngày) 34.000 – 100.000 12.000 – 75.000 50.000 – 100.000 < 10.000 10.000 – 30.000 Hiệu suất (%) 56% 62,8% 61,6% 44% Chi phí đầu tư (USD/thùng theo công suất ngày) 20.000 (công suất 50.000 thùng/ ngày) 25.000 (công suất 15.000 thùng/ ngày) 26.000 (công suất 50.000 thùng/ ngày) 24.000 (công suất 50.000 thùng/ ngày) 17.300 (công suất 5.600 thùng/ ngày) 25.000 – 30.000 Chi phí vận hành (USD/thùng) 10 14,48 Xem bảng 2.1 Chi phí sản xuất (USD/thùng) 26,7 22