Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý khí acid cho khí thiên nhiên từ mỏ cá voi xanh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.52 MB, 81 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------
----------
BÙI TÁ VŨ
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ XỬ LÝ
KHÍ ACID CHO KHÍ THIÊN NHIÊN TỪ MỎ CÁ
VOI XANH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT HÓA HỌC
Đà Nẵng – Năm 2019
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------
----------
BÙI TÁ VŨ
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ XỬ LÝ
KHÍ ACID CHO KHÍ THIÊN NHIÊN TỪ MỎ CÁ
VOI XANH
Chuyên ngành :Kỹ thuật Hóa học
Mã số
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ THỊ NHƯ Ý
Đà Nẵng – Năm 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu do tôi thực hiện và được sự
hướng dẫn của GVC. TS. Lê Thị Như Ý. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài
này là trung thực và chưa từng được ai công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.
Tơi xin cam đoan, những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận
xét, đánh giá được chính tơi thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài
liệu tham khảo. Ngồi ra, trong luận văn cịn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng
như số liệu của các tác giả khác, cơ quan đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội
dung luận văn của mình.
Tác giả luận văn
Bùi Tá Vũ
TĨM TẮT LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ ACID
CHO KHÍ THIÊN NHIÊN TỪ MỎ CÁ VOI XANH
Học viên: Bùi Tá Vũ, Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học. Mã số: 8520301.
Khóa: K35.KHH.QNg Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm Tắt - Mỏ khí Cá Voi Xanh (CVX) với trữ lượng thu hồi ước tính vào khoảng 150 tỷ m 3, được
xem là mỏ khí lớn nhất tại vùng biển ngoài khơi của Việt Nam từ trước đến nay nên nếu có thể đưa mỏ
khí vào khai thác một cách thuận lợi sẽ đem lại tiềm năng kinh tế vô cùng lớn cho đất nước chúng ta.
Tuy nhiên, với hàm lượng rất cao của khí CO 2 30% thể tích và hàm lượng khí H 2S 2000 ppm địi hỏi
chúng ta phải có biện pháp xử lý khí acid ngay tại giàn để có thể thể vận chuyển khí vào bờ. Nói về
các phương pháp xử lý acid, có rất nhiều phương pháp xử lý khác nhau, mỗi phương pháp lại có những
ưu, nhược điểm riêng phù hợp cho từng trường hợp khác nhau. Vậy phương án nào mới phù hợp nhất
để xử lý khí acid cho mỏ khí CVX cả về mặt yêu cầu kỹ thuật lẫn tính hiệu quả kinh tế?
Để giải quyết các vấn đề nói trên, luận văn sẽ bao gồm các nhiệm vụ sau: Tìm hiểu tổng quan về
khí thiên nhiên và mỏ khí Cá Voi Xanh, về các q trình xử lý khí acid. Từ đó đề xuất các phương án
phù hợp để xử lý khí acid cho mỏ khí Cá Voi Xanh. Bước tiếp theo là tiến hành mô phỏng các phương
án đã chọn bằng bộ phần mềm Aspen One. Từ đó, đánh giá kinh tế cho các phương án xử lý khí acid
và đưa ra phương án tốt nhất.
Từ khóa: Khí mỏ Cá Voi Xanh (CVX); xử lý khí acid; hấp thụ hóa học; màng thẩm thấu; bộ phần
mềm Aspen One.
EVALUATION AND PROPOSAL OF THE METHOD OF ACID GAS REMOVAL
TECHNOLOGY FOR NATURAL GAS FROM GREEN WHALE GAS FIELD
Abstract – Blue Whale (Ca Voi Xanh) gas field whose the estimated reserve of about 150
billion m3, is considered the largest offshore gas field in Vietnam so far, so if it is possible to put this
gas fields into exploitation, it will be convenient to a bring a great economic potential for our country.
However, with a very high CO2 content of about 30% volume and H2S gas content of about 2000 ppm
requires that we take measures to treat acid gas immediately at the rig to be able to transport gas to
shore. Talking about the acid gas removal, there are many different treatment methods, each method
has its own advantages and disadvantages suitable for each different case. So which new method is the
best suitable to remove acid gas for Blue Whale gas field both in terms of technical requirements and
economic efficiency?
To solve the above problems, the thesis will include the following tasks: Understanding the
overview of natural gas and Blue Whale gas field, about the process of treating acid gas. Since then,
propose suitable solutions to treat acid gas for the Blue Whale gas field. The next step is to simulate
selected options with the Aspen One software suite. From there, evaluate the economy for the
treatment of acid gas and give the best plan.
Keywords: Blue Whale gas; acid gas removal; chemical absorption; membrane; Aspen One
software suite.
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................................................... 3
TÓM TẮT LUẬN VĂN........................................................................................................................ 4
MỤC LỤC................................................................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................... 7
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................................... 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ........................................................................................ 9
MỞ ĐẦU...................................................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài........................................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu................................................................................................................... 2
3. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................................................. 2
4. Nội dung nghiên cứu.................................................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài............................................................................. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ MỎ KHÍ CÁ VOI
XANH............................................................................................................................................................ 3
1.1. Tổng quan về khí thiên nhiên........................................................................................................ 3
1.1.1 . Nguồn gốc............................................................................................................................... 3
1.1.2 . Thành phần khí thiên nhiên.............................................................................................. 3
1.1.3 . Phân loại khí thiên nhiên................................................................................................... 4
1.1.4 . Tiềm năng khí ở việt nam.................................................................................................. 4
1.2. Tổng quan về mỏ khí Cá Voi Xanh............................................................................................. 5
1.2.1 . Vị trí........................................................................................................................................... 5
1.2.2. Tầm quan trọng của dự án.................................................................................................. 5
1.2.3. Thành phần............................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH XỬ LÍ KHÍ ACID................................. 7
2.1. Tác hại của khí acid.......................................................................................................................... 7
2.2. Các phương pháp xử lý khí acid.................................................................................................. 7
2.2.1 . Phương pháp hấp thụ........................................................................................................... 7
2.2.2 . Phương pháp hấp phụ......................................................................................................... 9
2.2.3 . Phương pháp thẩm thấu khí........................................................................................... 10
2.2.4 . Phương pháp chưng cất ở nhiệt độ thấp.................................................................... 12
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ KHÍ
ACID CHO KHÍ MỎ CÁ VOI XANH........................................................................................ 14
3.1. Phương pháp hấp thụ hố học bằng dung mơi amine....................................................... 14
3.2. Phương pháp thẩm thấu................................................................................................................ 15
CHƯƠNG 4. TỔNG QUAN BỘ PHẦN MỀM ASPEN ONE .................................
4.1.
Giới thiệu phần mềm Aspen Custom Modeler ......................................
4.2.
Giới thiệu phần mềm Aspen Properties Desktop ..................................
4.3. Giới thiệu phần mềm Aspen HYSYS .....................................................................
4.4.
Giới thiệu phần mềm Aspen Process Economic Analyzer .....................
CHƯƠNG 5. MƠ PHỎNG CÁC PHƯƠNG ÁN KHẢ THI NHẰM LOẠI BỎ
KHÍ ACID CHO KHÍ MỎ CÁ VOI XANH .............................................................
5.1.
Mơ phỏng phương án sử dụng màng thẩm thấu (membrane) ...............
5.1.1
. Thuật toán q trình mơ phỏng
5.1.2
. Các bước tiến hành mơ phỏng .
5.1.3
. Mô phỏng sơ đồ công nghệ 2 b
5.1.4
. Mô phỏng sơ đồ công nghệ 2 g
5.1.5
. Đánh giá các cơng nghệ màng
5.2.
Mơ phỏng phương án hấp thụ hố học ..................................................
5.2.1
. Cơ sở dữ liệu mô phỏng ..........
5.2.2
. Tiến hành mô phỏng ................
5.2.3
. Kết quả mô phỏng ....................
CHƯƠNG 6. ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ CỦA CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÍ
KHÍ ACID ....................................................................................................................
6.1. Các bước tiến hành đánh giá tính kinh tế ...............................................................
6.2. Đánh giá tính kinh tế cho phương án Membrane ...................................................
6.3. Đánh giá tính kinh tế cho phương án hấp thụ hoá học ..........................................
6.4.
So sánh và lựa chọn phương án tối ưu ..................................................
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................
PHỤ LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACM
APEA
CFZ
CVX
DEA
DGA
DIPA
DMEPEG
GPM
HC
KTN
MDEA
MEA
Membrane
MMSCFD
NGL
NMP
Offshore
Permeate
ppmv
Retentate
RSH
% vol
UOP
Aspen Custom Modeler
Aspen Process Economic Analyzer
Controlled Freezing Zone
Cá Voi Xanh
Diethanolamine
Diglycolamine
Diisopropanolamine
Dimethyl ether polyethylene glycol
Gallon Per Minute
Hydrocarbon
Khí thiên nhiên
Methyl diethanolamine
Monoethanolamine
Màng lọc
Million Standard Cubic Feet Per Day
Natural Gas Liquids
N-Methyl-2-pyrrolidone
Ngồi khơi
Dịng khí qua màng lọc (Giàu CO2, H2S)
Phần triệu thể tích
Dịng khí khơng đi qua màng lọc (Giàu hydrocarbon)
Mercaptan
Phần trăm thể tích
Universal Oil Product
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
1.1.
Thành phần hóa học
hành ở một số mỏ kh
1.2.
Thành phần mỏ khí
2.1.
Tính chất vật lý của
2.2.
Tính chất hoá lý cơ
3.1.
So sánh các amine s
5.1.
Độ chọn lọc và hệ số
5.2.
Kết quả mô phỏng c
5.3.
Kết quả mô phỏng tr
5.4.
So sánh kết quả từ 2
5.5.
Giá trị K của các loạ
5.6.
Thơng số dịng Lean
5.7.
Kết quả mơ phỏng
5.8.
So sánh khí sản phẩm
6.1.
Kết quả đánh giá tín
6.2.
Chi phí màng lọc
6.3.
Chi phí vận hành mà
6.4.
Chi phí thực tế của p
6.5.
Kết quả đánh giá tín
6.6.
So sánh chi phí giữa
6.7.
Chi phí phương án h
6.8.
Chi phí phương án m
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
1.1.
Vị trí mỏ Cá Voi Xa
2.1.
Sơ đồ nguyên lý ho
2.2.
Sơ đồ nguyên lý ho
dung môi hấp thụ am
2.3.
Sơ đồ quá trình khử
2.4.
Nguyên lý hoạt độn
2.5.
Cấu tạo màng lọc ph
2.6.
Cấu tạo màng chùm
2.7.
Sơ đồ công nghệ củ
2.8.
Sơ đồ cơng nghệ củ
3.1.
3.2.
So sánh hiệu quả sử
Hình thể hiện việc s
3.3.
Sơ đồ công nghệ 1 g
3.4.
Sơ đồ công nghệ 2 g
3.5.
Sơ đồ công nghệ 2 b
4.1.
Nguyên lý làm việc
4.2.
Giao diện làm việc
4.3.
Giao diện làm việc
4.4.
Giao diện làm việc
4.5.
Môi trường làm việ
Analyzer
4.6.
Đánh giá tính kinh t
5.1.
Lựa chọn các cấu tử
5.2.
Lựa chọn hệ phương
5.3.
Nhập dữ liệu đầu và
5.4.
Tạo model Membra
5.5.
Nhập code cho Mod
5.6.
Tạo biểu tượng cho
5.7.
Tạo dịng ngun li
5.8.
Mơ hình membrane
5.9.
Xuất file mơ phỏng
Số hiệu
hình
5.10.
Cài đặt Membrane v
5.11.
Nhập các cấu tử và
5.12.
Cấu hình Model Me
5.13.
Sơ đồ mô phỏng cô
5.14.
Thông số vận hành
5.15.
Thông số vận hành
5.16.
Sơ đồ mô phỏng qu
5.17.
Thông số vận hành
5.18.
Thông số các dịng
5.19.
Thơng số vận hành
5.20.
Thơng số các dịng
5.21.
Thơng số thiết bị tra
5.22.
Thơng số các dịng
5.23.
Sơ đồ mơ phỏng qu
thụ hố học
6.1.
Thiết lập Scenario đ
6.2.
Đánh giá tính kinh t
6.3.
Kết quả đánh giá tín
6.4.
Đồ thị lãi suất phải
6.5.
Đồ thị lãi suất phải
6.6.
Đồ thị thể hiện chi p
phương án
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, nhu cầu sử dụng khí trên thế giới cũng như ở Việt Nam ngày càng
tăng, nguồn lợi nhuận thu về từ khí là vơ cùng lớn. Chính vì vậy việc thăm dị, tìm
kiếm và khai thác các mỏ khí đóng vai trị vô cùng quan trọng. Trong thời gian gần
đây, tại miền Trung Việt Nam, mỏ khí Cá Voi Xanh đã được phát hiện với trữ lượng
3
thu hồi tại chỗ ước tính vào khoảng 150 tỷ m , lớn nhất Việt Nam vào thời điểm hiện
tại. Nếu được đưa vào khai thác và xử lý, dự án khí mỏ Cá Voi Xanh ngồi định hướng
cung cấp một lượng lớn khí đốt cho các nhà máy nhiệt điện, đảm bảo nhu cầu về điện
cho các tỉnh miền Trung, khơng cịn phụ thuộc q nhiều vào thủy điện, còn mở ra cơ
hội phát triển ngành cơng nghiệp hóa dầu từ khí tại miền Trung Việt Nam.
Tuy nhiên, hàm lượng khí CO2 trong thành phần khí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi
Xanh rất cao, xấp xỉ 30% mol. Bên cạnh đó, hàm lượng H 2S trong khí thiên nhiên từ
mỏ Cá Voi Xanh cũng tương đối cao khoảng 2500 ppmv, cao hơn nhiều so với nguồn
khí được khai thác từ các mỏ dầu khí khác trong nước (mỏ Sư Tử Vàng/Sư Tử Trắng:
11,7 ppmv, mỏ Tê Giác Trắng/Hải Sư Trắng/Hải Sư Đen: 0,4 ppmv, mỏ Rạng
Đông/Phương Đông: 7,3 ppmv, mỏ Bạch Hổ/Rồng: 18,7 ppmv, mỏ Cá Ngừ Vàng: 9
ppmv, mỏ Đại Hùng tại điểm đấu vào đường ống Nam Côn Sơn: 2 4 ppmv, mỏ
Thiên Ưng gần như khơng chứa khí H2S…) [3]. Khí H2S và CO2 này nếu chưa được
loại bỏ đến mức cho phép, có thể gây ăn mịn mạnh các đường ống vận chuyển từ
ngoài khơi vào bờ, bắt buộc phải thiết kế chế tạo bằng thép chống ăn mòn đắt tiền.
Hoặc có thể gây ăn mịn turbine khí trong ngành cơng nghiệp điện khí, đầu độc xúc tác
trong ngành cơng nghiệp hóa dầu và ảnh hưởng đến màu sắc và chất lượng sản phẩm
trong các ngành sản xuất gốm sứ, gạch men, nhựa… [14]. Do đó, khí thiên nhiên từ
mỏ Cá Voi Xanh cần được xử lý để loại bỏ H 2S và CO2 nhằm đáp ứng mục đích sử
dụng của khí thương phẩm (H2S 30 ppmv và CO2 8% vol theo đề nghị của
ExxonMobil).
Các phương pháp loại bỏ khí acid H 2S và CO2 khỏi khí thiên nhiên thường được
sử dụng bao gồm: hấp thụ, hấp phụ, chưng cất ở nhiệt độ thấp và màng thẩm thấu. Tuy
nhiên, việc lắp đặt một hệ thống phức tạp với nhiều thiết bị và tiện ích mở rộng để hỗ
trợ các hoạt động cho một số phương pháp kể trên khơng thể thỏa mãn các ràng buộc
chính ứng dụng trên các giàn khai thác ngoài khơi là giới hạn về không gian và trọng
lượng [15].
Theo các nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà tư vấn công nghệ, các nhà cung
cấp thiết bị và các chuyên gia trong lĩnh vực khí thì cơng nghệ sử dụng màng thẩm
2
thấu được đánh giá là hiệu quả và kinh tế nhất cho đến nay để loại bỏ khí acid ngồi
khơi do kích thước thiết bị nhỏ gọn, hoạt động dễ dàng và độ tin cậy cao, thân thiện
với môi trường hơn hệ thống loại bỏ khí acid bằng dung mơi do sẽ khơng lo ngại đến
vấn đề làm sạch hóa chất từ đó làm giảm chi phí sản xuất [8], [11]. Bên cạnh đó,
phương pháp hấp thụ hóa học bằng dung mơi Amine cũng thể hiện nhiều tính khả thi.
Với những phân tích nêu trên, tơi xin đề xuất chọn đề tài cho luận văn của mình
là “Nghiên cứu đề xuất cơng nghệ xử lý khí acid cho khí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi
Xanh”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu, mô phỏng nhằm đánh giá và đề xuất phương án cơng nghệ xử lý khí
acid cho khí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi Xanh tại lô 118 thuộc địa phận huyện Núi
Thành, tỉnh Quảng Nam.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu gồm các đặc trưng cơ bản của khí mỏ Cá Voi Xanh, các
phương án công nghệ để xử lý khí acid và các cơng cụ của phần mềm mô phỏng.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của khí mỏ Cá Voi Xanh
Nghiên cứu lựa chọn các phương án công nghệ phù hợp để xử lý khí acid cho
khí mỏ Cá Voi Xanh.
Sử dụng công cụ mô phỏng nhằm đánh giá và đề xuất phương án cơng nghệ tối
ưu nhằm xử lý khí acid cho khí thiên nhiên mỏ Cá Voi Xanh
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1. Ý nghĩa khoa học
Việc sử dụng kết quả mô phỏng của phần mềm Hysys để lựa chọn loại sơ đồ
công nghệ tối ưu qua việc đánh giá tính khả thi về kỹ thuật và hiệu quả xử lý khí acid
cho khí thiên nhiên sẽ phần nào khẳng định tính hợp lý của các kết quả nghiên cứu
trên lý thuyết và thực tế.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ cho phép đánh giá và đề xuất phương án cơng
nghệ xử lý khí acid cho khí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi Xanh, mở ra triển vọng khả thi
trong vận chuyển, tồn chứa, chế biến và sử dụng khí này trong ngành cơng nghiệp điện
khí và cơng nghiệp hóa dầu.
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ MỎ KHÍ CÁ VOI XANH
1.1 . Tổng quan về khí thiên nhiên
1.1.1 . Nguồn gốc
Tương tự như dầu mỏ, khí thiên nhiên được hình thành từ sự phân hủy xác động
thực vật và được giữ lại trong lỗ rỗng ở những tầng sâu hoặc từ những mỏ khí sâu.
Mỏ khí có độ biến tính cao hơn mỏ dầu nhưng cũng trải qua 4 giai đoạn hình
thành như sau:
- Tích đọng vật liệu hữu cơ ban đầu
- Biến đổi vật liệu ban đầu thành dầu khí
- Di chuyển đến nơi ở mới
- Biến đổi trong bồn chứa.
1.1.2 . Thành phần khí thiên nhiên [3]
Khí thiên nhiên là một loại nhiên liệu khí hóa thạch, thành phần chủ yếu là khí
methane, ethane, cùng với các hydrocarbon (HC) nặng hơn và một số tạp chất như
H2S, CO2, Hg, kim loại, He, …
Tương tự như dầu mỏ, khí thiên nhiên là một hỗn hợp phức tạp có rất nhiều cấu tử
khác nhau, nhưng ít phức tạp hơn dầu mỏ. Về bản chất chúng đều có HC là thành phần
chính, chiếm từ 60% 90% thể tích. Ngồi ra còn chứa các hợp chất dị nguyên tố là
hợp chất chứa oxy, lưu huỳnh, các phức cơ kim và các khí trơ như N 2, He, Ar, …
Thành phần hóa học của khí tự nhiên và khí đồng hành ở Việt Nam được thể hiện
trong bảng 1 dưới đây:
Bảng 1.1. Thành phần hóa học (% thể tích) của khí tự nhiên và
khí đồng hành ở một số mỏ khí của Việt Nam
Cấu Tử
N2 và CO2
CH4
C2H6
C3H8
n-C4H10
i-C4H10
C5H12
Qua những số liệu trong các bảng này, ta có thể dễ dàng nhận thấy những cấu tử
cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là methane, ethane, propane và butane.
4
Trong đó methane là cấu tử chiếm chủ yếu (có thể đạt 98% theo thể tích). Thành phần
các cấu tử cơ bản trong khí thay đổi trong khoảng rộng tùy theo các mỏ khí khai thác
và đều chứa các hàm lượng khí acid cần được quan tâm xử lý như H2S, CO2.
1.1.3 . Phân loại khí thiên nhiên
1.1.3.1 . Phân loại theo nguồn gốc
Hiện nay trên thế giới người ta đã phát hiện và khai thác mỏ khí với số lượng
ngày càng tăng và phân bố rộng khắp. Tuy vậy dựa theo nguồn gốc hình thành của khí,
ta có thể phân loại như sau:
Khí thiên nhiên: Khí khai thác từ những mỏ khí riêng biệt, hồn tồn khơng
chứa dầu mỏ kèm theo.
-
Khí ngưng tụ (condensate): Loại trung gian giữa dầu và khí, bao gồm phần
đi của khí và phần đầu của dầu. điều kiện thường condensate này sẽ ở dạng
lỏng gọi là khí khơng ngưng.
-
Khí đồng hành: Khí được khai thác cùng với q trình khai thác dầu. Khí
nằm trong mỏ này có áp suất cao nên chúng hịa tan một phần trong dầu. Khi
khai thác lên, áp suất giảm, khí sẽ thốt ra và ta thu được khí đồng hành.
1.1.3.2 . Phân loại theo hàm lượng khí acid
Phân loại khí dựa vào phần trăm thể tích của khí acid (CO 2 và H2S) có trong mỏ
-
khí. Khí là khí chua nếu thành phần H 2S chiếm lớn hơn 1% thể tích hoặc thành phần
CO2 chiếm lớn hơn 2% thể tích. Khí được gọi là khí ngọt nếu thành phần H 2S nhỏ hơn
1% thể tích và thành phần CO2 nhỏ hơn 2% thể tích.
1.1.3.3 . Phân loại theo hàm lượng C3
+
+
Theo hàm lượng C3 ta phân biệt khí béo và khí gầy. Khí béo là khí giàu C 3, C4
3
và các hydrocacbon nặng (có khối lượng riêng lớn hơn 150 g/cm ). Khí gầy là khí
3
chứa ít các hydrocacbon nặng (có khối lượng riêng nhỏ hơn 150 g/cm ).
1.1.3.4 . Phân loại theo hàm lượng C2
+
+
Hàm lượng C2 có trong khí thiên nhiên cũng là một tiêu chí để phân loại khí.
+
Bao gồm khí khơ và khí ẩm.Khí khơ là khí có thành phần C2 nhỏ hơn 10% thể tích.
+
Khí ẩm là khí có thành phần C2 lớn hơn hoặc bằng 10% thể tích.
1.1.4 . Tiềm năng khí ở việt nam
Việt Nam được Thế Giới nhìn nhận là một quốc gia dầu khí non trẻ trong cộng
đồng các quốc gia dầu khí trên thế giới. Theo PetroVietNam, mỏ dầu Bạch Hổ và mỏ
Rồng thuộc vùng trũng Cửu Long đã và đang cho sản lượng khí đồng hành quan trọng
nhất. Ngồi ra, tiềm năng khí của Việt Nam tập trung ở 5 vùng trũng chính gồm: trũng
Sơng Hồng, trũng Cửu Long, trũng Nam Côn Sơn, trũng Mã Lai-Thổ Chu và trũng
Phú Khánh, vẫn đang trong đoạn nghiên cứu và đánh giá một cách chi tiết. Đây là
5
những vùng có khả năng cung cấp khí trong vài thập kỷ tới. Hiện nay chỉ có 2 trũng có
khả năng thương mại là trũng Cửu Long, trũng Nam Côn Sơn thuộc thềm lục địa phía
nam của nước ta.
1.2 . Tổng quan về mỏ khí Cá Voi Xanh
1.2.1 . Vị trí
Mỏ khí Cá Voi Xanh được phát hiện vào năm 2011 nằm ngồi khơi trong lơ 118,
thuộc bể Sơng Hồng, cách bờ biển miền Trung khoảng 100 km về phía Đơng. Theo dự
kiến, mỏ khí sẽ được đưa vào khai thác từ năm 2023 với định hướng sử dụng để cung
cấp điện cũng như làm nguyên liệu cho công nghiệp hố dầu. Trữ lượng thu hồi tại chỗ
3
ước tính vào khoảng 150 tỷ m , gấp 3 lần mỏ Lan Tây và Lan Đỏ, lớn nhất Việt Nam
tại thời điểm hiện tại. Dự án khai thác mỏ khí Cá Voi Xanh được coi là “siêu dự án”
mở ra triển vọng mới cho ngành cơng nghiệp khí Việt Nam [14].
Hình 1.1. Vị trí mỏ Cá Voi Xanh
1.2.2 . Tầm quan trọng của dự án
-
Đối với nguồn năng lượng khu vực
Dự án khí Cá Voi Xanh là dự án khí lớn nhất tại Việt Nam cho tới nay. Dự tính
khi đưa vào khai thác, dự án sẽ cung cấp nguồn khí thiên nhiên đặc biệt quan trọng, sử
dụng cho các nhu cầu phát điện, hóa dầu, cũng như là động lực phát triển các ngành
cơng nghiệp địa phương, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng cho đất nước, thêm
động lực phát triển kinh tế địa phương, và tạo nhiều việc làm cho khu vực. Nguồn khí
6
Cá Voi Xanh sẽ được sử dụng cho 4 nhà máy nhiệt điện khí, với tổng cơng suất 3.000
MW (cơng suất mỗi nhà máy 750 MW). Trong đó, hai nhà máy được xây tại xã Tam
Quang, huyện Núi Thành (Quảng Nam) và hai nhà máy sẽ xây ở khu kinh tế Dung
Quất, thuộc địa phận xã Bình Thạnh (Bình Sơn).
-
Đối với sự phát triển kinh tế đất nước
Khai thác dầu khí tại đây ước tính hằng năm có thể mang về 24 tỷ USD cho ngân
sách Nhà nước (theo Petro Việt nam), đóng vai trị quan trọng đóng góp vào ngân sách
nhà nước, mang lại nguồn ngoại tệ lớn cho quốc gia, làm cân đối hơn cán cân xuất,
nhập khẩu thương mại quốc tế, góp phần tạo nên sự phát triển ổn định đất nước [15].
1.2.3 . Thành phần
Về thành phần, khí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi Xanh có hàm lượng tạp chất cao, có
thể kể đến là CO2, H2S, và N2. Thành phần mỏ khí Cá Voi Xanh được cho trong bảng
sau [8].
Bảng 1.2. Thành phần mỏ khí Cá Voi Xanh
Thành phần
7
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH XỬ LÍ KHÍ ACID
2.1 . Tác hại của khí acid
H2S và CO2 là những khí acid có mặt trong khí thiên nhiên, khi có mặt của hơi
nước sẽ có tính ăn mịn rất cao, nhanh chóng phá hủy đường ống và các thiết bị trong
q trình vận chuyển khí từ giàn khai thác vào bờ và tồn chứa.
Ngồi ra, H2S rất độc dù có mặt với hàm lượng nhỏ và gây nguy hại đối với sức
khỏe con người, đe dọa đến cuộc sống.
CO2 làm giảm nhiệt trị của khí thiên nhiên và giảm cơng suất đường ống.
2.2 . Các phương pháp xử lý khí acid
2.2.1 . Phương pháp hấp thụ
Phương pháp hấp thụ là phương pháp phổ biến để khử thơ khí.
Có thể chia làm 2 nhóm chính: hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học.
2.2.1.1 . Hấp thụ vật lý
Phương pháp này thường được sử dụng khi khí acid có áp suất riêng phần cao và
khí khơng chứa nhiều HC nặng [3]. Dung môi vật lý thường dùng như: dimethyl ether
polyethylene glycol (DMEPEG), N-methyl pyrrolidone (NMP).
Bảng 2.1. Tính chất vật lý của một số dung mơi vật lý [3]
Tính chất
0
Nhiệt độ sơi, C
0
Nhiệt độ nóng chảy, C
0
Khối lượng riêng ở 25 C, kg/m
Khối lượng phân tử
3
0
Độ nhớt ở 25 C, Pa.s
o
Áp suất hơi bão hoà ở 25 C, Pa
Nhiệt dung riêng, KJ/(kg.độ)
Ưu điểm:
-
Các chất hấp thụ khơng sủi bọt, khơng ăn mịn thiết bị.
-với phương
Khi áp suất riêng phần các hợp chất acid cao thì chi phí đầu tư và vận hành ít hơn so
pháp hoá học.
-
Việc tái sinh chất hấp thụ vật lý trong nhiều trường hợp không cần cấp nhiệt mà chỉ
cần giảm áp suất trong hệ thống.
8
Nhược điểm:
-
Các dung môi được sử dụng hấp thụ tương đối tốt các HC nên mất mát HC lớn
-
Việc làm sạch triệt để khí trong nhiều trường hợp chỉ được thoả mãn sau khi xử lý
bằng phương pháp hấp thụ hố học
-
Sơ đồ cơng nghệ với nhiều thiết bị q cồng kềnh nên không phù hợp để xử lý các
mỏ khí offshore.
Hình 2.1. Sơ đồ ngun lý hoạt động của q trình Selexol
[3] 2.2.1.2 . Hấp thụ hố học
Các dung mơi hố học thường được sử dụng là các dung môi amine gồm : MEA,
DEA, DIPA, MDEA, ….
Ưu điểm:
-
Đảm bảo làm sạch triệt để H2S và CO2.
Độ hoà tan các HC trong các chất hấp thụ này không cao nên giảm mất mát HC
Thiết bị của quá trình đơn giản và bền nên vốn đầu tư thấp
Nhược điểm:
-
Mức độ tách RSH và các hợp chất chứa lưu huỳnh khác không cao.
-học không
Tương tác của RSH, COS và CS
tái sinh được.
-
2
với một vài dung mơi tạo thành các hợp chất hố
Cần có bậc tuần hồn dung mơi cao và tiêu hao nhiệt lượng lớn.
9
-
Chất hấp thụ và sản phẩm tương tác của chúng với các tạp chất chứa trong khí
ngun liệu có tính ăn mịn cao.
Bảng 2.2. Tính chất hố lý cơ bản của các dung môi amine [3]
Khối lượng phân tử
0
Điểm chảy. C
0
Nhiệt độ sôi, C/101325 Pa
0
Tỉ trọng, 20/20 C)
0
Độ nhớt tuyệt đối ở 20 C (Pa.s)
0
Nhiệt trị ở 15,6 C (J/kg.s.K)
0
Điểm chớp cháy ( C)
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của q trình khử acid cho khí bằng dung môi
hấp thụ amine [3]
2.2.2 . Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ là phương pháp thường được sử dụng để khử tinh khí
trong trường hợp dịng khí có lưu lượng khơng q cao, nồng độ khí acid thấp và khí.
[3]
Q trình này sử dụng chất hấp phụ rắn có cấu trúc xốp với các mao quản rất nhỏ
để tạo bề mặt riêng thật lớn, từ đó có thể giữ lại một cách chọn lọc trên bề mặt và
trong các mao quản các cấu tử cần tách.
10
Ưu điểm: sản phẩm có độ sạch rất cao
Hạn chế: khơng sử dụng phù hợp đối với nguồn khí có lưu lượng lớn và chứa
hàm lượng tạp chất lớn.
Hình 2.3. Sơ đồ quá trình khử acid bằng hấp phụ
[3] 2.2.3 . Phương pháp thẩm thấu khí
Phương pháp thẩm thấu thường được sử dụng để tách khí acid khi áp suất riêng
phần của chúng trong nguồn khí cao. Dưới tác dụng của áp suất, các cấu tử khác nhau
của khí hoặc sẽ thẩm thấu qua màng lọc hoặc khơng, từ đó quá trình tách được thực
hiện. Để quá trình diễn ra hiệu quả, màng lọc phải đảm bảo thẩm thấu thật tốt đối với
các tạp chất cần tách và gần như khơng thẩm thấu methane.
Hình 2.4. Ngun lý hoạt động của màng lọc [11]
Hiện nay, phương pháp thẩm thấu sử dụng màng lọc là các lớp mỏng cao phân tử
khơng có lỗ xốp mà qua các lớp này, quá trình thẩm thấu sẽ được thực hiện nhờ hòa
tan và khuếch tán. Hợp chất cao phân tử này phải thẩm thấu rất tốt đối với các cấu tử
11
cần tách hay có độ chọn lọc tốt. Các hợp chất cao phân tử thường sử dụng là dẫn xuất
của cellulose acetate, polyethersulfones, polyimides, polyamides, …
Ưu điểm :
-
Khơng có sự chuyển pha cũng như thay đổi nhiệt độ nên ít tiêu tốn năng lượng
-thuật hệKhả
năng thích nghi cao: sự thay đổi thành phần khí khơng làm thay đổi thơng số kỹ
thống màng.
-
Chi phí đầu tư, vận hành thấp.
-
Chiếm ít diện tích, phù hợp cho các mơi trường làm việc offshore.
-
Ít tác động đến môi trường do không chứa các phụ gia hố học, khí sản phẩm đạt
chất lượng tốt.
Nhược điểm :
-
Có vấn đề về đóng cặn.
-
Q trình khơng vận hành khi áp suất riêng phần CO2 thấp
Có 2 loại màng lọc:
-
Loại màng lọc phẳng: Gồm 1
màng lọc quấn quanh theo đường
xoắn ốc một ống hình trụ có lỗ ở
giữa. Hỗn hợp khí nguyên liệu sẽ đi
vào một đầu thiết bị, một số cấu tử
cần tách sẽ thẩm thấu qua các màng
lọc và sẽ đi vào các lỗ trống của ống
góp ở giữa để đi ra ngồi.
Hình 2.5. Cấu tạo màng lọc phẳng
-
Loại chùm sợi rỗng: Các sợi rỗng có
đường kính rất bé (khoảng 300 µm), khoảng
cách giữa các sợi cịn bộ hn (khong 50 ữ
100 àm). Hn hp khớ nguyờn liệu sẽ đi bên
ngoài
các sợi rỗng này. Bề mặt riêng của loại màng
2
3
lọc này rất lớn, có thể đạt đến 1000 m /m .
Hình 2.6. Cấu tạo màng chùm sợi rỗng
12
2.2.4 . Phương pháp chưng cất ở nhiệt độ thấp
Người ta có thể sử dụng phương pháp chưng cất ở nhiệt độ thấp để tách CO 2 khi
nồng độ của khí tạp này trong khí thơ cao [3]. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thấp CO 2 sẽ kết
o
tinh (điểm ba là -56,57 C).
Có 2 cách để giải quyết khó khăn này :
-
Sử dụng phụ gia là một HC nhẹ (quá trình Ryan-Holme)
-
Sử dụng một tháp chưng cất đặc biệt (quá trình CFZ - Controlled Freezing
Zone)
Hình 2.7. Sơ đồ cơng nghệ của q trình Ryan-Holme
Hình 2.8. Sơ đồ cơng nghệ của quá trình CFZ
13
Tuy nhiên quá trình Ryan-Holme và CFZ của phương pháp chưng cất ở nhiệt độ
thấp rất phức tạp về mặt công nghệ, dường như chưa được ứng dụng trong công
nghiệp.
14
CHƯƠNG 3
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ KHÍ ACID CHO
KHÍ MỎ CÁ VOI XANH
Khí mỏ Cá Voi Xanh có những đặc trưng kỹ thuật sau:
-
3
Lưu lượng khí nguyên liệu lớn: tối thiểu 7 tỷ m /năm
Hàm lượng khí acid cao: 2500 ppmv H2S, 30% thể tích CO2
-
Yêu cầu chất lượng khí sản phẩm vào bờ : H2S < 30 ppmv, CO2 8% vol
Qua phần tổng quan ở chương 2, chúng ta hồn tồn có cơ sở khoa học để phân
tích và lựa chọn các phương pháp cơng nghệ phù hợp nhằm xử lí khí acid cho mỏ khí
Cá Voi Xanh. Trong đó:
-
Phương pháp hấp thụ vật lý khơng phù hợp để xử lý các mỏ khí
offshore như mỏ khí Cá Voi Xanh do sơ đồ cơng nghệ với nhiều thiết bị quá
cồng
kềnh; ngoài ra với phương pháp khử thơ này khơng thể đảm bảo tiêu chí về
hàm lượng H2S rất nhỏ của dịng khí sản phẩm;
-
Phương pháp hấp phụ khơng thoả mãn cả tiêu chí về khả năng xử lý
lưu lượng khí quá lớn (lưu lượng khí cần xử lý chỉ có thể dao động trong
3
khoảng 3 triệu ft chuẩn/ngày) và cả tiêu chí về hàm lượng khí acid q lớn
trong dịng ngun liệu đầu vào.
Như vậy, ta sẽ chỉ đi sâu phân tích 2 phương pháp là hấp thụ hố học bằng dung mơi
amine và phương pháp thẩm thấu để xem xét mức độ phù hợp của từng phương pháp
cho việc xử lí khí acid cho mỏ khí Cá Voi Xanh, thoả mãn các yêu cầu đã đề ra.
3.1 . Phương pháp hấp thụ hoá học bằng dung mơi amine
Như đã trình bày ở chương 2, đây là phương pháp khử tinh khí acid với việc sử
dụng nhiều loại dung mơi amine có các tính năng kỹ thuật khác nhau được so sánh
trong bảng 3.1, trong đó dung mơi Methyl DiEthanol Amine (MDEA) là dung mơi rất
tiềm năng, mới được nghiên cứu sử dụng gần đây, với nhiều ưu điểm như : Hoạt tính
hóa học mạnh, hồn tồn có thể thỏa mãn tiêu chí về chất lượng khí sản phẩm với hàm
lượng H2S rất nhỏ, có thể sử dụng dung môi này ở nồng độ cao nên cho phép giảm lưu
lượng và bội số tuần hoàn dung mơi, giảm chi phí, tăng tính kinh tế cho q trình. Đặc
biệt, đối với các mỏ khí offshore như nguồn khí Cá Voi Xanh, phương pháp hấp thụ
hố học bằng dung mơi amine lại mang tính khả thi do sơ đồ cơng nghệ của phân
xưởng xử lý khí acid bằng dung môi amine khá đơn giản và thiết bị bền nên vốn đầu tư
thấp.
