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 cơng 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 ngồi ý muốn. Trong số các cơng 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 cơng suất của các cơng 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 q 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 cơng 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 Cơng 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 ngun 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 thông 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 quá 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 khơng 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, dòng 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 điểm của từng cơng nghệ như cơng nghệ màng khơng có khả năng làm sạch tinh khí axit, cịn cơng nghệ amine có khả năng làm sạch khí axit trong khí tự nhiên đến ppm
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 46 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
nhưng phải tiêu tốn rất nhiều amine và năng lượng để tái sinh nó. Khi kết hợp giữa màng và amine sẽ giúp tăng khả năng làm sạch tinh cho khí tự nhiên đến hàm lượng yêu cầu nhưng không cần phải sử dụng đến một lượng lớn amine, rất có lợi về mặt kinh tế.
Phương án sử dụng công nghệ làm lạnh tách CO2 cũng được xem xét. Tuy nhiên, cơng nghệ này hiện nay đang ở giai đoạn hồn thiện và chưa được áp dụng ở quy mô lớn nên sẽ được xem xét trong tương lai, khi cơng nghệ này đã hồn thiện và có được áp dụng thương mại.
* Làm sạch CO2 bằng công nghệ màng: [19]
Công nghệ màng là một công nghệ sử dụng những lớp màng mỏng được làm từ các hợp chất hữu cơ để tách có chọn lọc một số chất từ hỗn hợp các chất khác nhau. Màng không hoạt động như những bộ lọc, ở đó các chất được phân tách nhờ vào sự chênh lệch kích thước của các phân tử khí và kích thước của rây phân tử, mà màng phân tách dựa trên khả năng hòa tan của các chất vào màng và khuyếch tán qua nó.
Màng được sản xuất ở dạng tấm gồm 1 lớp cực kỳ mỏng không xốp đặt trên rất nhiều lớp dày hơn và có độ xốp cao của cùng một loại vật liệu, tạo cho màng có một độ bền cơ học. Như trong hình 3.2, đây là một tấm màng gồm nhiều lớp màng mỏng tạo thành, được cuộn lại tạo thành một hình xoắn giúp tăng khả năng phân tách.
Khí nguyên liệu đi vào dọc theo các tấm màng và đi qua lớp đệm nạp liệu. Khi khí di chuyển giữa các lớp đệm thì các khí như CO2, H2S và H2O hòa tan rồi thấm qua màng tế bào và được thu lại trong ống thấm. Để có thể tách được các khí axit thì u cầu dịng khí ngun liệu phải có áp suất cao và các khí hydrocacbon phải hịa tan và thấm chậm hơn các khí axit, khi đó các khí axit được gọi là khí nhanh, các hydrocacbon được gọi là khí chậm. Từ đó, màng giúp ta tách các khí nhanh ra khỏi khí chậm. Dịng khí tự nhiên thu được sau khi ra khỏi màng có nồng độ CO2 từ 3 – 8% tùy thuộc vào hàm lượng ban đầu của CO2 trong khí tự nhiên.
Hình 3.2. Mơ hình thiết bị màng
Một số màng polymer được sử dụng để loại bỏ CO2 khỏi khí tự nhiên như: Cellulose acetate, Polyimides, Polyamides, Polysulfone, Polycacbonates và Polyetherimide.
Hiện nay, công nghệ màng đã được thương mại hóa để loại bỏ CO2 từ khí tự nhiên và ngày càng thể hiện năng ưu việt đối với các dịng khí có hàm lượng CO2 cao.
* Làm ngọt khí bằng cơng nghệ Amine:
Dịng khí sau khi được làm sạch sơ bộ CO2 bằng màng, hàm lượng CO2 trong khí vẫn cịn cao, để đạt được yêu cầu về hàm lượng khí axit trong khí sản phẩm thì khí tự nhiên cần qua q trình làm sạch bằng công nghệ Amine.
Các amine thường được sử dụng để hấp thụ khí axit trong khí tự nhiên: MEA, DEA, TEA, DGA, MDEA,…Ở mô hình này sẽ sử dụng dung dịch DEA 25 – 30% wt vì đây là loại amine được sử dụng phổ biến nhất hiện nay để tách khí axit từ khí tự nhiên. [5]
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 48 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
Cơ sở phản ứng hóa học cho q trình hấp thụ:
2 RNH2 + CO2 + H2O (RNH3)2CO3 (RNH3)2CO3 + CO2 + H2O 2RNH3HCO3
- Điều kiện phản ứng hấp thụ: áp suất cao, nhiệt độ thấp (t = 25 – 40o
C)
- Tái sinh: áp suất khí quyển, nhiệt độ cao (t = 100 – 150oC)
d) Làm khơ khí:
Sau khi được làm ngọt bằng amine, dịng khí tự nhiên sẽ bão hịa hơi nước. Sự có mặt của hơi nước trong dịng khí có thể tạo hydrat, ăn mòn các thiết bị, cản trở quá trình vận hành của các thiết bị trong các quá trình sau (như bơm, máy nén, tháp chưng cất,…), làm thủng, vỡ đường ống trong q trình vận chuyển khí và sản phẩm,….Để tránh các tác hại này, khí cần làm khơ bằng cách phương pháp hấp thụ sử dụng dung môi Glycol.
Những chất hấp thụ được sử dụng phổ biến là các loại glycol như etylen glycol (EG), dietylen glycol (DEG), trietylen glycol (TEG), propylen glycol (PG)... Hiện nay, dung môi TEG được sử dụng làm khơ khí phổ biến nhất ở Việt Nam. Do vậy, dung môi này được đề xuất sử dụng cho q trình làm khơ khí tại miền Trung.
Do u cầu về nhiệt độ điểm sương đối với dịng khí sản xuất LNG rất thấp, do vậy, sau khi làm khơ khí bằng glycol, dịng khí cần được làm khô giai đoạn 2 theo phương pháp hấp phụ bằng zeolite.
Tuy nhiên, trong thực tế hiện nay, phương pháp hấp phụ hơi nước bằng zeolite được thiết kế áp dụng với cả những dịng khí bão hịa hơi nước mà khơng cần dùng dung môi hấp thụ, do vậy trong mơ hình này chỉ biểu diễn cụm tách hơi nước chung. Việc xác định phương án sử dụng kết hợp dung môi hấp thụ và hấp phụ bằng zeolite hoặc phương án chỉ sử dụng zeolite phải được nghiên cứu sâu hơn và có đánh giá, so sánh về mặt hiệu quả kinh tế đối với từng phương án.
3.1.2. Q trình hóa lỏng khí
Như đã lựa chọn ở chương 2, mơ hình nhà máy sử dụng cơng nghệ C3MR để hóa lỏng khí tự nhiên. Cơng nghệ này gồm 02 quá trình làm lạnh như sau:
- Quá trình làm lạnh sơ bộ bằng propan.
- Quá trình làm lạnh sâu bằng dung mơi hỗn hợp.
a) Quá trình làm lạnh sơ bộ bằng propan
Ở giai đoạn làm lạnh sơ bộ, dịng khí tự nhiên sẽ được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt với dòng Propan lỏng nhiệt độ thấp, mất đi một phần nhiệt lượng để giảm nhiệt độ xuống khoảng -35oC. Để tăng hiệu suất làm lạnh thì dịng khí sẽ được đi qua các cấp độ làm lạnh khác nhau. Trước khi qua cấp độ làm lạnh sâu để đạt đến nhiệt độ làm lạnh cần thiết, dịng khí sẽ được tách bớt phần lỏng chứa các cấu tử nặng C2+ (NGL), sau đó đưa qua q trình xử lý để thu hồi LPG và condensate làm tăng lợi nhuận kinh tế.
Để tận dụng khả năng làm lạnh của Propan lỏng, dịng mơi chất làm lạnh hỗn hợp (MR) cũng được đi qua thiết bị trao đổi nhiệt này với các cấp độ làm lạnh khác nhau. Dòng MR sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt sẽ có nhiệt độ khoảng -35oC, giúp giảm năng lượng để hóa lỏng dịng mơi chất MR ở giai đoạn sau.
Hình 3.3. Mơ hình làm lạnh bằng Propan
Propan lỏng sau khi làm lạnh cho dịng khí tự nhiên và MR, nhiệt độ của nó sẽ tăng lên và chuyển hóa hồn tồn thành pha khí. Để tuần hồn trở lại chu trình làm
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 50 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
lạnh dịng mơi chất propan cần được hóa lỏng và làm lạnh trở lại bằng các thiết bị: máy nén, thiết bị trao đổi nhiệt với khơng khí hoặc nước và van tiết lưu.
b) Q trình làm lạnh sâu bằng dung môi hỗn hợp
Ở giai đoạn làm lạnh sâu, dung môi làm lạnh hỗn hợp (MR) có thành phần gồm Nitơ, Metan, Etan, Propan và Butan. Ưu điểm khi sử dụng dịng mơi chất MR là có thể