Chu trình AP-XTM được mơ tả đơn giản như sau:
Khí tự nhiên đã loại bỏ các tạp chất rắn, nước biển và các khí axit được đi qua chu trình làm lạnh bằng propan, tại đây khí tự nhiên được lấy một phần nhiệt bằng cách trao đổi nhiệt với Propan trong thiết bị trao đổi nhiệt. Sau khi ra khỏi chu trình propan,
nhiệt độ của dịng khí tự nhiên giảm xuống khoảng -30oC. Sau đó, nó được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt thứ 2, tại đây nó được trao đổi nhiệt với chất làm lạnh hỗn hợp để giảm nhiệt độ xuống -120oC. Tiếp tục q trình, khí tự nhiên được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt thứ 3, tại đây người ta sử dụng chu trình giản nở Nitơ để làm lạnh ngưng tụ cho dịng khí tự nhiên. Khác với chu trình C3MR, ở đây không cần thiết phải sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống xoắn bằng đồng mà chỉ cần sử dụng thiết bị dạng tấm bằng nhôm. Được lấy đi lượng lớn nhiệt, nhiệt độ của khí tự nhiên khi này giảm xuống -162oC và hóa lỏng hồn tồn. Dịng LNG này được đưa đi phân tách khí khơng ngưng tụ và đưa vào bồn chứa để cất trữ hoặc đưa lên tàu vận chuyển đi đến nơi khác.
Tương tự như chu trình C3MR, dịng Propan và MR sau khi làm lạnh cho dịng khí tự nhiên được đưa qua các máy nén, làm lạnh và giảm áp để đạt nhiệt độ cần thiết. Sau đó chúng được tiếp tục quay vịng chu trình để làm lạnh khí tự nhiên. Dịng Nitơ sau khi hóa lỏng cho khí tự nhiên, áp suất của nó bị giảm rất lớn, do đó để tiếp tục chu trình hóa lỏng thì Nitơ cần được đưa qua các cấp máy nén để nâng lên áp suất cần thiết.
2.4.2. Công nghệ CPOC [15],[18]
CPOC – ConocoPhillips Optimized Cascade là một công nghệ được phát triển bởi cơng ty dầu khí Phillip. Phiên bản gốc của CPOC được ra đời từ năm 1967 và đã qua nhiều lần cải tiến để trở thành công nghệ CPOC như ngày nay. CPOC hoạt động liên tục thay vì gián đoạn như phiên bản gốc. Ưu điểm chính của CPOC là nó loại bỏ được các máy nén khí nhiên liệu riêng biệt, cũng như nó thu hồi lượng hơi từ các bồn chứa hay các tàu thay vì chuyển trực tiếp lượng hơi đó đến nơi cần để làm nguyên liệu hay đem đốt, do đó làm tăng sản lượng LNG. Trước kia, một nhà máy sản xuất khí tự nhiên hóa lỏng sử dụng phiên bản cũ có cơng suất 1 - 3,5 MTPA, ngày nay công suất của một nhà máy sử dụng CPOC có thể lên đến 5,5 MPTA.
Mơ hình của CPOC được thể hiện như hình 2.9. Cơng nghệ CPOC được trình bày tóm tắt như sau:
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 36 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
Khí tự nhiên khi nạp vào nhà máy sẽ được xử lý sơ bộ: rửa, lọc bụi, tách lỏng, loại bỏ khí axit và làm khơ khí. Sau đó, nó được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt đầu tiên. Tại đây, khí tự nhiên được làm lạnh nhờ trao đổi nhiệt với Propan lỏng, và nhiệt độ của nó được giảm xuống khoảng -35oC. Sau đó, dịng khí tự nhiên tiếp tục đi vào thiết bị trao nhiệt của chu trình làm lạnh thứ 2. Tại đây, nó tiếp tục được làm lạnh xuống -95oC nhờ trao đổi nhiệt với Etylen lỏng. Khí tự nhiên tiếp tục được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt thứ 3. Ở đây, người ta sử dụng Metan lỏng để lấy đi phần nhiệt cịn lại của khí tự nhiên, làm nhiệt độ dịng khí tự nhiên giảm xuống -161oC. Sau khi được giảm áp về áp suất khí quyển, dịng khí tự nhiên bị hóa lỏng hồn tồn và được bơm vào bồn chứa rồi chuyển lên tàu vận chuyển đi nơi khác.
Ở chu trình làm lạnh đầu tiên bằng Propan, dòng propan ở nhiệt độ -42oC áp suất 3,5bar trao đổi nhiệt với dịng khí tự nhiên, sau khi làm lạnh cho khí tự nhiên nhiệt độ của Propan tăng lên 10oC. Propan ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt được đưa qua các cấp máy nén để nâng áp suất lên 20,5bar. Do sau khi nén nhiệt độ của nó tiếp tục tăng nên cần phải được làm lạnh, và sau đó Propan được giảm áp để giảm xuống nhiệt độ -42oC và tiếp tục chu trình làm lạnh của mình.
Chu trình làm lạnh thứ 2 là chu trình làm lạnh bằng Etylen lỏng, dịng Etylen sau khi lấy nhiệt của khí tự nhiên, nhiệt độ tăng lên khoảng 20oC. Dòng Etylen ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt được qua máy nén để nén đến áp suất 34bar. Sau khi nén, nhiệt độ của Etylen tăng lên, nên nó được cho qua thiết bị làm mát bằng khơng khí rồi cho qua thiết bị trao đổi nhiệt với Propan lỏng. Được Propan lỏng làm lạnh xuống -35oC, sau đó nó được qua van giảm áp để đạt -104oC và quay lại thiết bị trao đổi nhiệt để làm lạnh cho khí tự nhiên.
Cuối cùng là chu trình làm lạnh bằng Metan. Dòng Metan lỏng có nhiệt độ - 162oC sau khi trao đổi nhiệt với khí tự nhiên, nhiệt độ của Metan tăng lên khoảng 25oC. Để quay vịng chu trình làm lạnh cho khí tự nhiên, Metan được nén đến 37bar và làm lạnh xuống -162oC bằng cách làm mát bằng khơng khí sau đó trao đổi nhiệt với Propan và Etylen rồi giảm áp suất đến áp suất cần thiết.
Cơng nghệ CPOC có ưu điểm hơn so với cơng nghệ cũ là thu hồi lượng khí từ các bồn chứa và tàu rồi cho hồi lưu trở lại để làm lạnh ngưng tụ giúp tăng sản lượng LNG thu được.
2.5. Ðánh giá, lựa chọn công nghệ
2.5.1. Nguyên tắc lựa chọn công nghệ
Công nghệ sản xuất LNG là cơng nghệ phức tạp, qui mơ đầu tư lớn, có tính rủi ro cao. Việc lựa chọn được công nghệ LNG tối ưu là yếu tố quan trọng có ảnh hưởng quyết định đến hiệu quả kinh tế của dự án bao gồm chi phí đầu tư xây dựng (Capex),
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 38 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
chi phí vận hành (Opex) và giá thành sản phẩm. Đây là công việc phức tạp do các công ty tư vấn thực hiện trong giai đoạn lập FS và chi tiết hóa khi làm thiết kế FEED, trên cơ sở phân tích, đánh giá nhiều yếu tố như: Cơng suất vận hành; Yêu cầu về tính ổn định trong vận hành; Điều kiện khí tượng thủy văn nơi đặt nhà máy; Thành phần, điều kiện và giá khí nguyên liệu; Tiêu chuẩn sản phẩm; Chi phí Capex và Opex; Yêu cầu về bảo vệ môi trường,... Về nguyên tắc, công nghệ LNG được lựa chọn theo các định hướng sau:
a) Hiệu suất năng lượng (năng lượng tiêu hao để sản xuất 1 kg sản phẩm LNG):
Đây là chỉ số quan trọng trong lựa chọn công nghệ. Công nghệ với hiệu suất năng lượng thấp cho hiệu quả kinh tế dự án kém, lãng phí nhiều năng lượng, tăng phát thải gây ô nhiễm môi trường và giảm sản lượng LNG. So sánh các công nghệ đã được thương mại hóa, các cơng nghệ hóa lỏng dùng tác nhân làm lạnh hỗn hợp MR kết hợp chu trình làm lạnh sơ bộ như AP-X, C3MR, DMR có hiệu suất năng lượng cao nhất (khoảng 0,3 kWh/Kg LNG), tiếp đến là công nghệ Cascade, công nghệ SMR và thấp nhất là công nghệ giản nở Nitơ (0,6-0,8 kWh/kg LNG).
b) Công suất dây chuyền:
Việc lựa chọn cơng nghệ hóa lỏng LNG cịn phải xuất phát từ khả năng cung cấp khí nguyên liệu cho dự án, hay nói cách khác là công suất dự kiến của dây chuyền. Cơng nghệ có 1 chu trình làm lạnh (N2 expander, SMR) là lựa chọn cho các nhà máy có qui mơ cơng suất nhỏ (<1,3 triệu tấn/năm); Với qui mô công suất từ 2-5 triệu tấn/năm có thể lựa chọn phương án cơng nghệ có 2 chu trình làm lạnh (C3MR, DMR); và trên 5 triệu tấn/nămcó thể lựa chọn phương án cơng nghệ có 3 chu trình làm lạnh (AP-X, CPOC).
Hình 2.11. So sánh công suất nhà máy của các công nghệ
c) Độ tin cậy:
Công nghệ sản xuất LNG đã được phát triển qua nhiều thế hệ. Việc lựa chọn giữa công nghệ mới chưa được khẳng định và công nghệ đã hoạt động ổn định hàng chục năm qua cần được xem xét. Trên thực tế, tính ổn định và độ tin cậy cao của nhà máy sẽ đảm bảo cung cấp sản phẩm LNG cho những hợp đồng phân phối, bao tiêu dài hạn và hạn chế tối đa việc gián đoạn sản xuất, bồi thường hợp đồng do phải ngừng hoạt động
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 40 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
nhà máy ngoài ý muốn. Trong số các công nghệ sản xuất LNG phổ biến hiện nay, công nghệ C3-MR của APCI được áp dụng nhiều nhất, sản xuất khoảng 66% sản lượng LNG thế giới, tiếp theo là công nghệ AP-X của APCI (17% sản lượng LNG) và CPOC của ConocoPhillips (11% sản lượng LNG).
Hình 2.12. Tỷ lệ theo công suất của các công nghệ sản xuất LNG (2011)
d) Điều kiện khí hậu:
Nhiệt độ mơi trường ít dao động giữa mùa đơng và mùa hè, giữa ngày và đêm sẽ cho phép lựa chọn công nghệ dễ dàng hơn. Đối với những khu vực nhiệt độ mơi trường thay đổi lớn thì cơng nghệ với chu trình làm lạnh sơ bộ dùng tác nhân hỗn hợp (DMR) là lựa chọn phù hợp, cho phép điều chỉnh linh hoạt thành phần MR để đảm bảo nhiệt độ dịng khí cần hóa lỏng sau chu trình làm lạnh sơ bộ được ổn định.
e) Số lượng dây chuyền trong nhà máy LNG:
Nhà máy có từ hai (02) dây chuyền trở lên thì tính ổn định cung cấp LNG sẽ tốt hơn và giá bán dài hạn cao hơn. Tuy nhiên nhà máy sẽ có hiệu suất nhiệt kém hơn, nhiều thiết bị hơn nên có CAPEX và OPEX cao hơn. Số lượng dây chuyền còn phụ thuộc vào sơ đồ khai thác mỏ khí. Nếu như quá trình phát triển mỏ kéo dài với sản lượng tăng dần thì nhiều dây chuyền được xây dựng theo nhiều giai đoạn tùy theo sản
lượng khí khai thác là phù hợp. Ngược lại, mỏ phát triển nhanh và sản lượng ổn định thì một dây chuyền phù hợp hơn.
f) Giá khí nguyên liệu:
Giá khí đầu vào cũng tham gia quyết định vào việc lựa chọn cơng nghệ hóa lỏng có hiệu suất năng lượng cao hay chỉ cần hiệu suất vừa phải là tối ưu. Trong 1 số trường hợp có giá khí ngun liệu rẻ, khơng địi hỏi hiệu suất năng lượng cao thì phương án cơng nghệ 1 chu trình làm lạnh được ưu tiên lựa chọn nhờ các ưu điểm về chi phí đầu tư ban đầu thấp, vận hành đơn giản.
2.5.2. Đề xuất công nghệ sản xuất LNG từ nguồn khí miền Trung
Theo kế hoạch phát triển mỏ và phương án dự kiến sử dụng khí miền Trung, lượng khí hydrocacbon cịn dư có thể sử dụng để sản xuất LNG vào khoảng 4 – 5 tỷ m3/năm, tương đương công suất 3,0 triệu tấn LNG/năm. Với công suất dự kiến như vậy có 2 phương án được xem xét, đánh giá:
- Phương án 1: Xây dựng 1 dây chuyền làm lạnh sử dụng cơng nghệ 2 chu trình làm lạnh (cơng suất 3,0 triệu tấn/năm), có lợi thế về hiệu suất năng lượng.
- Phương án 2: Xây dựng 2 dây chuyền làm lạnh sử dụng công nghệ 1 chu trình làm lạnh (cơng suất 1,3-1,5 triệu tấn/năm) có một số ưu điểm như: Chi phí Capex thấp hơn, vận hành đơn giản, ổn định.
Dịng khí miền Trung có hàm lượng khí CO2 và N2 cao, phải xử lý làm sạch trước khi hóa lỏng làm cho giá khí ngun liệu tăng cao. Cơng nghệ 1 chu trình có hiệu suất năng lượng thấp, chỉ phù hợp cho các nguồn khí giá rẻ.
Qua phân tích các tiêu chí, đánh giá các cơng nghệ sản xuất LNG nêu trên và các đặc điểm, điều kiện khí miền Trung, cơng nghệ C3-MR được lựa chọn cho dự án LNG sử dụng khí miền Trung tại Miền Trung vì các lý do sau đây:
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 42 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
- Là công nghệ đã được kiểm chứng, khẳng định qua nhiều dự án trên thế giới, hoạt động ổn định, có cơng suất phù hợp với sản lượng khí nguyên liệu.
- Cơng nghệ C3-MR có hiệu suất năng lượng cao, tận dụng được năng lượng của quá trình sau để làm lạnh cho quá trình trước.
- Cơng nghệ C3-MR có tính linh động nhờ vào khả năng tùy biến của môi chất làm lạnh MR và khả năng làm lạnh sâu tốt.
- Thu hồi được sản phẩm thương phẩm có giá trị kinh tế cao (condensate).
- Phù hợp với điều kiện khí hậu miền Trung tương đối ổn định giữa các mùa trong năm.
CHƯƠNG III
MƠ PHỎNG MƠ HÌNH CƠNG NGHỆ NHÀ MÁY SẢN XUẤT LNG
* Các thơng số của dịng khí ngun liệu sử dụng cho q trình mơ phỏng nhà máy [2]:
- Nhiệt độ dòng: 38oC.
- Áp suất: 47 bar.
- Lưu lượng: 23.004.959,90 Nm3/ngày. - Thành phần của dịng khí:
Bảng 3.1. Thành phần các cấu tử của dịng khí ngun liệu
THÀNH PHẦN PHẦN MOL (% mol) Nitrogen 8,95 CO2 30,70 Methane 58,15 Ethane 1,10 Propane 0,42 i-Butane 0,10 n-Butane 0,12 C5+ 0,46 H2O 0,00 Tổng 100,00
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 44 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
3.1. Các q trình chính trong mơ hình cơng nghệ
Hình 3.1. Sơ đồ khối các q trình chính của mơ hình
3.1.1. Q trình xử lý khí đầu vào
Các khâu xử lý sơ bộ khí nguyên liệu đầu vào gồm:
- Tách bụi.
- Tách lỏng đầu vào.
- Làm ngọt khí.
- Làm khơ khí.
a) Tách bụi:
Khí nguyên liệu sau khi được khai thác ngoài thành phần chính là các hydrocacbon thì nó cịn chứa các tạp chất như các bụi cơ học. Nguồn gốc của các bụi cơ học như:
- Các bụi cơ học lẫn trong dịng khí: có nguồn gốc từ mỏ, giếng khai thác.
- Các bụi cơ học tạo thành trong q trình vận chuyển khí do q trình ăn mịn, mài mịn các đường ống dẫn khí. Khí tự nhiên Làm lạnh bằng chất làm lạnh hỗn hợp Xử lý LNG và các sản phẩm phụ Xử lý sơ bộ khí đầu vào Làm lạnh bằng Propan
Các bụi cơ học này có thể được tách bằng các thiết bị lọc bụi như: Xyclon, thiết bị lắng bụi, thiết bị lọc điện,….
Do trong thơng tin về nguồn khí khai thác khơng có các thơng số về bụi nên khâu tách bụi không được thể hiện trong mơ hình cơng nghệ.
b) Tách lỏng đầu vào:
Để khơng ảnh hưởng đến các q trình sau cũng như lợi nhuận về kinh tế khi thu hồi condensate, dịng khí đầu vào cần phải được qua tháp tách lỏng để tách các hydrocacbon nặng lẫn trong dịng khí.
Thiết bị sử dụng để tách lỏng đầu vào thường sử dụng là tháp tách 3 pha. Lớp dưới cùng là nước ngưng tụ, lớp ở giữa là hydrocarbon nặng và trên cùng là khí. Dịng khí sẽ được tách ở đỉnh thiết bị tách pha ra để đem đi xử lý tiếp.
Tuy nhiên, do thành phần dịng khí ngun liệu có hàm lượng nước ở mức ppm nên phần tách pha nước khơng được thể hiện trong mơ hình cơng nghệ và chỉ biểu diễn q trình tách hydrocarbon lỏng và khí bằng bình tách 2 pha.
c) Làm ngọt khí bằng cơng nghệ Hybrid màng - amine:
Trong dịng khí ngun liệu có thành phần của CO2 chiếm 30,7%, đây là lượng khá lớn nên nếu chỉ sử dụng Amine để loại bỏ CO2 thì cần phải sử dụng một lượng rất lớn Amine để làm sạch nó và tiêu tốn nhiều năng lượng để tái sinh amine, do đó sẽ khơng có lợi về mặt kinh tế.
Ở mơ hình này, sử dụng cơng nghệ kết hợp giữa màng và Amine để làm ngọt khí tự nhiên, trong đó màng đóng vai trò làm sạch sơ bộ CO2 khỏi dịng khí và Amine đóng vai trị làm sạch tinh CO2 để dịng khí sản phẩm đạt yêu cầu về hàm lượng CO2.
Sự kết hợp giữa công nghệ màng và công nghệ amine giúp hạn chế những nhược