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
HÓA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ
TẠP CHÍ DẦU KHÍ
Số 3 - 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
Tóm tắt
Khí permeate chủ yếu chứa CO2 (54%) và CH4 (43,6%), có nhiệt trị cao khoảng 16.625 KJ/Nm3 (bằng khoảng 47% nhiệt trị của khí tự
nhiên mà Nhà máy Đạm Cà Mau đang sử dụng). Tại Nhà máy xử ly khí Cà Mau, khoảng 36% lượng khí permeate được tận dụng để đốt tại
các thiết bị gia nhiệt (heater), còn lại (khoảng 70.000 Sm3/ngày) phải đốt tại đuốc, gây lãng phí lớn về mặt năng lượng.
Bài báo 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 ly khí Cà Mau.
Từ khóa: Khí permeate, nồi hơi phụ trợ, lò đốt reforming, Nhà máy Đạm Cà Mau, Nhà máy xử ly khí Cà Mau.
1. Giới thiệu
Nhà máy Đạm Cà Mau, công suất thiết kế là 800.000
Nm3 (bằng khoảng 47% nhiệt trị của khí tự nhiên mà Nhà
máy Đạm Cà Mau đang sử dụng).
Trên thế giới chưa công bố nghiên cứu về việc sử
dụng dòng khí giàu CO2 hoặc khí permeate từ nhà máy
xử lý khí để làm nguyên/nhiên liệu bổ sung cho nhà máy
sản xuất urea. Tuy nhiên, có một số nhà máy lọc dầu đã
nghiên cứu thu hồi các cấu tử có trong khí đốt tại đuốc.
Một số trường hợp đã nghiên cứu thu hồi khí đốt tại đuốc
ở các nhà máy lọc dầu như sau:
tấn urea hạt đục/năm, được đưa vào vận hành thương
mại từ tháng 4/2012. Nguồn khí tự nhiên cung cấp làm
nguyên liệu và nhiên liệu cho Nhà máy Đạm Cà Mau được
lấy từ mỏ PM3-CAA. Theo cấu hình thiết kế, 65% tổng
lượng khí tự nhiên tiêu thụ tại Nhà máy Đạm Cà Mau sẽ
được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất NH3, còn lại
(35%) sẽ được sử dụng làm nhiên liệu cấp nhiệt cho lò re-
forming sơ cấp và nồi hơi phụ trợ.
- Nhà máy Lọc dầu Tabriz (Iran) [1]:
Nhà máy xử lý khí Cà Mau, công suất xử lý 6,2 triệu
m3 khí/ngày từ nguồn khí PM3-CAA, được đưa vào vận
hành thương mại từ tháng 10/2017. Theo thiết kế, trong
quá 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 này được tận dụng để đốt tại các thiết bị gia
nhiệt (heater), còn lại (khoảng 70.000 Sm3/ngày) phải đốt
tại đuốc. Khí permeate là sản phẩm chứa phần lớn CO2
(54,0%) và CH4 (43,6%), có nhiệt trị cao khoảng 16.625 KJ/
Ở điều kiện hoạt động ổn định, Nhà máy Lọc dầu Ta-
briz đốt bỏ lượng khí với thành phần và tính chất như sau:
43% H2, 10% C1, 30% C2, 2% C3, 10% C4+, 5% H2S; nhiệt độ
80 C; áp suất 1 barg; khối lượng 19,9 g/mol; lưu lượng
630 kg/giờ.
o
Sau quá trình nghiên cứu, Nhà máy Lọc dầu Tabriz đã
lắp đặt hệ thống thu hồi khí đốt bỏ tại đuốc làm nguyên
liệu để sinh hơi như sau: Sử dụng máy nén để nâng áp
suất khí trước khi đưa vào cụm amine để tách H2S; dòng
khí sạch H2S đầu ra cụm amine sẽ được thu gom để làm
nhiên liệu sản xuất hơi.
Ngày nhận bài: 8/5/2020. Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 8/5 - 16/10/2020.
Ngày bài báo được duyệt đăng: 9/3/2021.
- Nhà máy Lọc dầu Shahid Hashemi-Nejad
(Khangiran) (Iran) [1]:
DẦU KHÍ - SỐ 3/2021
30
PETROVIETNAM
Bảng 1. Lưu lượng và tính chất khí được đốt bỏ tại đuốc của Nhà máy Lọc dầu Shahid
cấp thiết bị để đánh giá khả năng làm việc của hệ thống
đốt trong điều kiện mới (đánh giá của John Zink cho hệ
thống đầu đốt của lò reformer, đánh giá của SAACKE cho
hệ thống đầu đốt của nồi hơi phụ trợ);
Hashemi-Nejad (Khangiran)
Nhỏ nhất Trung bình Lớn nhất
Áp suất (Psig)
2
-29
6
30
10
75
Nhiệt độ (oC)
- Đề xuất các giải pháp khả thi về kỹ thuật và hiệu
quả về kinh tế để thu hồi toàn bộ lượng khí permeate (khí
thấp áp) đang được đốt bỏ tại đuốc của Nhà máy xử lý khí
Cà Mau.
Lưu lượng (Nm3/giờ)
Thành phần (%)
2.500
25.000
100.000
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
CO2
H2S
47,07
0,16
0,0058
0,0019
40,85
8,06
47,07
0,16
0,0058
0,0019
40,85
8,06
47,07
0,16
0,0058
0,0019
40,85
8,06
Quá trình nghiên cứu được thực hiện qua 2 bước:
- Bước 1:
N2
H2O
0,94
2,91
0,94
2,91
0,94
2,91
+ Đánh giá và xác định áp suất khí tại cuối nguồn
đoạn ống cấp khí permeate từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau
qua Nhà máy Đạm Cà Mau;
Ở điều kiện hoạt động ổn định, Nhà máy Lọc dầu Sha-
hid Hashemi-Nejad đốt bỏ lượng khí với lưu lượng và tính
chất như Bảng 1.
+ Đề xuất giải pháp sơ bộ và xác định thành phần
khí sau khi phối trộn giữa khí tự nhiên (khí cao áp) và khí
permeate ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau;
Sau quá trình nghiên cứu, Nhà máy Lọc dầu Shahid
Hashemi-Nejad (Khangiran) đã đề xuất lắp đặt hệ thống
tương tự như Nhà máy Lọc dầu Tabriz để thu hồi khí đốt
bỏ tại đuốc.
+ Đề xuất cấu hình ejector (có tham khảo ý kiến của
các nhà cung cấp thiết bị);
+ Đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống đầu đốt
(burner) với hỗn hợp khí ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau
giữa khí tự nhiên và khí permeate dựa vào tài liệu thiết kế
của các nhà cung cấp thiết bị;
Việc đốt bỏ lượng lớn khí permeate tại Nhà máy xử lý
khí Cà Mau gây lãng phí lớn về năng lượng cũng như làm
tăng phát thải khí nhà kính (CO2) ra môi trường. Do đó,
việc nghiên cứu để thu hồi toàn bộ lượng khí permeate là
cấp bách, giúp tối ưu về điều kiện hoạt động của Nhà máy
xử lý khí Cà Mau cũng như Cụm Khí - Điện - Đạm Cà Mau.
+ Đánh giá khả năng đáp ứng của toàn bộ thiết bị
với hỗn hợp khí ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau giữa khí
tự nhiên và khí permeate dựa vào mô hình giả lập (mô
phỏng bằng phần mềm HYSYS) [2];
2. Phương pháp và đối tượng nghiên cứu
+ Xác định và lựa chọn tỷ lệ phối trộn giữa khí tự
nhiên và khí permeate.
2.1. Phương pháp nghiên cứu
Nhóm tác giả dựa vào hệ thống dữ liệu thực tế để xây
dựng và hiệu chỉnh mô hình lý thuyết; dựa vào mô hình lý
thuyết để xác định các kịch bản trong tương lai khi thực
hiện thay đổi các biến; đánh giá và lựa chọn giải pháp tối
ưu. Nội dung triển khai cụ thể như sau:
- Bước 2:
+ Đánh giá các giải pháp/phương án (kịch bản) thu
hồi lượng khí permeate với tỷ lệ phối trộn giữa khí tự
nhiên và khí permeate đã được xác định ở Bước 1;
+ Xác định và lựa chọn phương án tối ưu về kỹ thuật
và kinh tế.
- Xác định thông số độ giảm áp trên đường ống từ
Nhà máy xử lý khí Cà Mau qua Nhà máy Đạm Cà Mau bằng
các phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn ASME B31.3;
2.2. Đối tượng nghiên cứu
- Đánh giá các giải pháp có thể thu hồi khí permeate
2.2.1. Khí permeate
(bằng máy nén hoặc bằng ejector);
Khí permeate là sản phẩm phụ được sinh ra sau màng
lọc rây phân tử trong quá trình hoạt động của Nhà máy xử
lý khí Cà Mau. Theo thiết kế của Nhà máy xử lý khí Cà Mau,
để đảm bảo nhiệt trị của khí cấp cho các hộ tiêu thụ, khí tự
nhiên sau khi tách các thành phần nặng sẽ được đưa đến
màng lọc rây phân tử để tách một phần CO2. Sau màng lọc
rây phân tử, khí tự nhiên sẽ được chia thành 2 dòng:
- Tính toán khả năng sử dụng ejector bằng phương
pháp khoa học trên mô hình HYSIS [2];
- 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;
- Tính toán việc phối trộn và liên hệ các nhà cung
DẦU KHÍ - SỐ 3/2021
31
HÓA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ
- Dòng khí không đi qua màng lọc rây phân tử
Thành phần, áp suất và nhiệt độ khí cấp cho Nhà máy
Đạm Cà Mau tương đối ổn định qua các năm.
(membrane residue) là dòng khí sẽ phối trộn với dòng
sản phẩm lỏng, chủ yếu là C5, (condensate) để thành khí
thương mại cấp cho các hộ tiêu thụ (nhà máy đạm và nhà
máy điện);
2.2.3. Hệ thống cấp khí nhiên liệu cho lò reformer và nồi hơi
phụ trợ tại Nhà máy Đạm Cà Mau
Nhiên liệu chính sử dụng tại lò reformer và nồi hơi
phụ trợ là khí tự nhiên. Mô hình cấp nhiên liệu cho các
thiết bị này như sau: Khí tự nhiên được cấp từ nhà máy xử
lý khí với áp suất khoảng 39 barg; sau quá trình tách bụi
và tách lỏng, khí tự nhiên được giảm áp về 4,5 barg đến 5
barg để làm nhiên liệu cung cấp cho các hộ tiêu thụ.
- Dòng khí đi qua màng lọc rây phân tử là dòng khí
permeate mà Nhà máy Đạm Cà Mau dự định sẽ thu hồi.
Thành phần khí permeate được thể hiện như Bảng 2.
Bảng 2 cho thấy khí permeate chứa các cấu tử có thể
đốt cháy để sinh nhiệt là methane (43,57%) và ethane
(1,74%).
2.2.4. Lò đốt reformer
2.2.2. Khí tự nhiên
Lò đốt reformer là lò cấp nhiệt cho phản ứng reform-
ing hơi nước thông qua việc đốt cháy khí tự nhiên tại 360
đầu đốt được bố trí đều tại 4 tường lò. Lò đốt gồm 2 khu
vực: Khu vực bức xạ nhiệt (radiant section) và khu vực thu
hồi nhiệt thừa (convection section).
Nhà máy Đạm Cà Mau được thiết kế để hoạt động
với nguồn khí tự nhiên được khai thác từ mỏ PM3-CAA tại
vùng biển chồng lấn giữa Malaysia và Việt Nam. Đặc điểm
khí tự nhiên mà Nhà máy Đạm Cà Mau sử dụng được thể
hiện như Bảng 3 [4].
Lò đốt reformer trong dây chuyền sản xuất NH3 của
Nhà máy Đạm Cà Mau được xây dựng và lắp đặt theo
công nghệ của Haldor Topsoe AS. Thiết bị reforming sơ
cấp gồm 2 phần:
Bảng 2. Thành phần khí sau các công đoạn tại Nhà máy xử lý khí Cà Mau
Khí đi qua màng lọc rây
phân tử [3]
Nhiệt độ (oC)
Áp suất (barg)
Thành phần (%)
Carbon dioxide
Nitrogen
42,9
1,7
- Phần buồng đốt (buồng bức xạ, đây là phần chính)
là khu vực cấp nhiệt cho phản ứng reforming hơi nước.
Việc cấp nhiệt cho phản ứng được thực hiện thông qua
ống xúc tác, bao gồm:
54,02
0,67
Methane
Ethane
Nhiệt trị thấp (kJ/Nm3)
43,57
1,74
15.113
+ 2 buồng đốt A-B, C-D và 360 đầu đốt lắp đặt trên
tường của các buồng đốt (2 tường/buồng, 6 hàng/tường,
15 đầu đốt/hàng) cấp nhiệt cho 150 ống xúc tác (75 ống/
buồng).
Bảng 3. 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
Thiết kế
30
Thực tế
41,2
+ 60 cửa quan sát (peepholes) được bố trí trên các
tường (giữa hàng đầu đốt thứ nhất và thứ 2) để nhân viên
vận hành theo dõi hoạt động của các ống xúc tác và các
đầu đốt.
40
40
8
7,24
1,14
83,34
7,96
0,03
0,00
0,01
0,16
0,12
0,01
1,42
77,66
7,38
3,53
0,79
0,72
0,23
0,12
0,15
38.265
+ Loại gạch cách nhiệt chính sử dụng tại các tường
tại buồng đốt như sau:
Tường bên (sidewall): Gạch chịu nhiệt (insulating fire-
brick); sợi gốm cách nhiệt (ceramic fiber modules);
n-Butane
i-Pentane
n-Pentane
Tường cuối (endwall): Sợi gốm cách nhiệt (ceramic
fiber modules);
n-Hexane
Nhiệt trị thấp (LHV), kJ/Nm3
35.123
Cấp cho các hộ tiêu thụ
Hệ thống van giảm áp
Khí thấp áp
Khí áp cao
làm nhiên liệu
Hình 1. Mô hình cấp khí nhiên liệu cho lò reformer và nồi hơi phụ trợ của Nhà máy Đạm Cà Mau theo thiết kế
DẦU KHÍ - SỐ 3/2021
32
PETROVIETNAM
Bảng 4. Các loại nhiên liệu sử dụng tại lò reformer
TT
1
2
Nhiên liệu
Khí tự nhiên
Khí thu hồi từ công đoạn thu hồi hydro (oꢀ gas)
Khí thu hồi từ công đoạn tách CO2 (flash gas)
Khối lượng mol (g/mol)
Nhiệt trị (kJ/Nm3)
20,96
19,94
31,16
38.265
9.414
2.921
3
Flue gas
Ký hiệu
Mô tả
Đơn vị
oC
Qs, Te
Te
Tf
Nhiệt độ khói lò
Nhiệt độ khí nhiên liệu
Nhiệt độ không khí
Nhiệt độ tiêu chuẩn (15,6 oC)
oC
oC
oC
Convection
Heat losses
Qr
Tt
Td
LHV
Ha
Hf
Nhiệt trị của khí nhiên liệu
Gj
Năng lượng trong không khí theo nhiệt độ
Năng lượng trong khí nhiên liệu theo nhiệt độ
Năng lượng mất mát qua ống khói
Gj
Radiation
Fuel gas
LHV + Hf
Gj
Air
Qs
Qr
Gj
Ha
Furnace F04201
Năng lượng thất thoát qua bức xạ giả thuyết
Gj
Hình 2. Mô hình lò reformer với các nguồn năng lượng vào và ra
Bảng 5. Nhiên liệu sử dụng tại nồi hơi phụ trợ theo thiết kế
Nồi hơi phụ trợ trong hệ thống
sinh hơi được cung cấp bởi WEST-
ERN POWER, có công suất 200 T/
giờ hơi cao áp.
Khối lượng mol
Nhiệt trị (kj/Nm3)
TT
Nhiên liệu
Khí tự nhiên
(g/mol)
1
20,96
38.265
Hệ thống đầu đốt thuộc loại
DDG 16 trong hệ thống đầu đốt
khí tự nhiên do SACKEE cung cấp.
Phần sàn (floor): Gạch chịu nhiệt (insulating firebrick);
Phần nóc (roof): Sợi gốm cách nhiệt (ceramic fiber modules).
Các loại nhiên liệu tại nồi hơi
phụ trợ theo thiết kế như Bảng 5
[6].
- Phần thu hồi nhiệt thừa (convection section) là khu vực được thiết kế để
tận dụng nguồn khí nhiệt độ (sau khu vực bức xạ nhiệt) để gia nhiệt các dòng
công nghệ khác trong nhà máy.
Hiệu suất nồi hơi được xác định
như sau:
Các loại nhiên liệu tại lò đốt reformer theo thiết kế như Bảng 4 [5].
Hiệu suất sử dụng nhiệt trong lò đốt reformer được tính theo công thức:
steam - Hbfw
pw
)
dw
pw
h
−
h
−
h
=
Trong đó:
h
η: Hiệu suất nồi hơi;
+
+
−
−
× 100
=
D: Lưu lượng hơi sinh ra;
Hsteam: Enthalpy của hơi;
+
+
Trong đó:
=
=
=
=
=
×
× (
−
)
Hbfw: Enthalpy của nước cấp nồi
+
+
hơi;
×
× (
−
)
Dpw: Lưu lượng dòng xả đáy
của nồi hơi;
×
× (
−
)
)
×
× (
−
Hpw: Enthalpy của dòng xả đáy;
Theo thiết kế, hiệu suất thu hồi nhiệt của lò đốt reformer đạt khoảng 90%.
B: Lưu lượng khí nhiên liệu;
2.2.5. Nồi hơi phụ trợ
Qdw: Nhiệt trị của khí nhiên liệu
(tính theo nhiệt trị thấp).
Nồi hơi phụ trợ là nơi sản xuất hơi cao áp quá nhiệt (38 barg, 370 oC) của nhà
máy. Theo thiết kế, nồi hơi sử dụng khí tự nhiên làm nhiên liệu chính.
Ở điều kiện họat động ổn
DẦU KHÍ - SỐ 3/2021
33
HÓA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ
định, hiệu suất sinh hơi của nồi hơi phụ trợ đạt
khoảng 85%.
- Khi thành phần khí thay đổi làm nhiệt trị thấp hơn giá trị thiết
kế:
+ Các đầu đốt sẽ không cung cấp đủ nhiệt lượng để lò reformer
2.2.6. Ejector
hoặc nồi hơi phụ trợ duy trì được công suất. Để duy trì được công
suất, cần tăng áp suất vận hành của khí nhiên liệu. Việc tăng áp suất
sẽ làm tăng rủi ro ngọn lửa tiếp xúc trực tiếp vào các vật liệu/thiết bị
dẫn nhiệt trong lò;
Ejector là thiết bị sử dụng dòng chất lưu có
áp suất cao để nâng áp và phối trộn với dòng
chất lưu có áp suất thấp. Áp suất dòng chất lưu
đầu ra ejector sẽ là biến giữa tỷ lệ phối trộn và
áp suất của các dòng chất lưu đầu vào.
+ Hiệu suất sử dụng nhiệt của lò reformer và nồi hơi phụ trợ sẽ
giảm do lưu lượng khói lò sẽ tăng (thành phần trơ trong nhiên liệu
nhiều không những không sinh nhiệt mà còn lấy nhiệt được sinh ra
bởi các thành phần khác).
Ejector hoạt động dựa trên định luật Ber-
noulli “vận tốc của dòng chất lưu tăng sẽ làm
giảm áp suất của chính nó và ngược lại”.
- Khi thành phần khí thay đổi làm nhiệt trị cao hơn giá trị thiết kế:
V2/2 + gz + P/ρ = constant
Trong đó:
+ Nhiên liệu sẽ cháy không hoàn toàn và sẽ tạo muội carbon,
theo thời gian sẽ làm tắc đầu đốt và giảm hiệu suất hoạt động;
+ Gây quá nhiệt cục bộ tại từng đầu đốt và ảnh hưởng trực tiếp
đến các vật liệu/thiết bị dẫn nhiệt trong lò tại khu vực bị quá nhiệt.
Trường hợp phải điều chỉnh giảm áp suất nhiên liệu hoặc tắt đầu đốt,
sẽ làm tăng rủi ro cháy ngược hoặc sẽ làm nhiệt trong lò reformer
hoặc nồi hơi phụ trợ phân bố không đều, làm ảnh hưởng đến tuổi
thọ cũng như hiệu suất sử dụng nhiệt của thiết bị;
V: Vận tốc dòng chất lưu;
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.
+ Lưu lượng khói lò giảm làm ảnh hưởng đến hoạt động của các
thiết bị thu hồi nhiệt thừa của khói thải.
Một ejector bao gồm các bộ phận chính
như sau:
Vì vậy, việc kiểm soát thành phần và nhiệt trị khí nhiên liệu là yếu
- Vòi phun là bộ phận quan trọng và
chính yếu của ejector. Khí động lực sau khi qua
vòi phun sẽ bị giảm áp và tăng vận tốc.
Vòi phun
Buồng phối trộn
Buồng khuếch tán
Dòng đầu ra
- Buồng phối trộn: Khi dòng động lực ra
khỏi vòi phun và đi vào vùng phối trộn sẽ tạo 1
vùng áp thấp tại đây. Chất lưu thấp áp sẽ được
phối trộn với dòng chất lưu cao áp đầu ra vòi
phun tại buồng phối trộn.
Dòng động
lực
- Buồng khuếch tán: Hỗn hợp chất lưu
cao áp và thấp áp sau khi phối trộn sẽ đi đến
buồng khuếch tán, tại vùng này hỗn hợp chất
lưu sẽ giảm vận tốc và phục hồi áp suất trở lại.
Dòng thấp áp
Hình 3. Cấu tạo của 1 ejector điển hình
Buồng phối
Buồng phối
trộn
Buồng
khuếch tán
trộn
Vòi phun
2.3. Đánh giá tác động đến hoạt động của lò
reformer và nồi hơi phụ trợ khi thành phần và
nhiệt trị khí nhiên liệu thay đổi
Dòng
động lực
Mp, Pp, Tp
P1
P2
P3
P4 P5
Pp
Me
Pe
Áp suất dòng
Lò reformer và nồi hơi phụ trợ được thiết kế
với các loại nhiên liệu cố định (chủ yếu là khí tự
nhiên). Dải nhiệt trị hoạt động của hệ thống đầu
đốt tại các thiết bị này tương đối hẹp. Do đó, khi
thành phần và nhiệt trị khí nhiên liệu thay đổi
và vượt quá giá trị thiết kế, lò reformer và nồi hơi
phụ trợ có thể sẽ gặp phải một số vấn đề sau:
Pc
lưu chất
Vận tốc
âm thanh
Vận tốc
dòng lưu chất
P
e 1
2
3
4
5
c
Hình 4. Đồ thị thể hiện sự biến thiên áp suất và vận tốc chất lưu đi tại các công đoạn của ejector
DẦU KHÍ - SỐ 3/2021
34
PETROVIETNAM
tố quan trọng góp phần đảm bảo thiết bị hoạt động ổn
định, an toàn và hiệu quả.
hơn áp suất hệ thống khí nhiên liệu cấp cho lò reformer
và nồi hơi phụ trợ): để nâng áp suất dòng khí permeate
từ 1,1 barg (tại đầu vào cửa hút máy nén) lên 6,5 barg;
dòng khí permeate đầu ra máy nén sẽ được phối trộn với
dòng khí tự nhiên (làm nhiên liệu) để tạo thành khí hỗn
hợp trước khi đi vào hệ thống các đầu đốt tại nồi hơi phụ
trợ và lò reformer.
Các tiêu chí sau được sử dụng làm cơ sở đánh giá các
trường hợp/giải pháp đề xuất:
- Nhiệt trị khí: để đánh giá khả năng hoạt động của
hệ thống đầu đốt (của các lò đốt) khi thu hồi khí permeate;
- Hiệu suất thu hồi nhiệt và hiệu suất nồi hơi: để đánh
giá hiệu quả của việc thu hồi khí permeate;
- Sử dụng ejector: để phối trộn dòng khí permeate
với dòng khí tự nhiên làm nhiên liệu hiện hữu. Trong đó
dòng động lực (motive gas) là dòng khí tự nhiên (38 barg)
trước khi qua hệ thống van giảm áp; dòng khí áp thấp là
dòng khí permeate (áp suất là 1,1 barg tại cửa hút ejector).
- Cấu hình hệ thống: để đánh giá lựa chọn phương
án/giải pháp thu hồi khí permeate;
- Chi phí đầu tư (CAPEX) và chi phí vận hành (OPEX):
để đánh giá tính kinh tế của phương án thu hồi khí
permeate được lựa chọn.
Ở trường hợp sử dụng máy nén, lượng khí permeate
thu hồi gần như sẽ đạt tối đa, do đó, khả năng áp dụng
phụ thuộc rất lớn vào mức độ đáp ứng của hệ thống đầu
đốt hiện hữu, cụ thể như Bảng 7.
3. Kết quả nghiên cứu
3.1. 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
Bảng 7 cho thấy, trường hợp sử dụng máy nén để thu
hồi khí permeate, nhiệt trị khí nhiên liệu cấp cho các hộ
tiêu thụ thấp nhất là 19.921 kJ/Nm3. Điều này xảy ra khi lò
reformer không hoạt động và nồi hơi phụ trợ hoạt động ở
tải tối thiểu và lượng khí permeat gas thu hồi là lớn nhất.
3.1.1. Đề xuất giải pháp sơ bộ và đánh giá tỷ lệ phối trộn
Theo thiết kế, nhiệt lượng yêu cầu cấp cho nồi hơi phụ
trợ và lò reformer ở các trường hợp thể hiện ở Bảng 6 [5, 6].
Ở trường hợp sử dụng ejector, lượng khí permeate
có thể thu hồi ở các trường hợp khác nhau như Bảng 8.
Từ các điều kiện hiện hữu: (i) áp suất khí permeate thấp
hơn áp suất hệ thống khí nhiên liệu cấp cho lò reformer và
nồi hơi phụ trợ, (ii) hệ thống cấp khí nhiên liệu tại Nhà máy
Đạm Cà Mau phải sử dụng hệ thống van để giảm áp nhằm
tạo ra nguồn khí có áp suất phù hợp, để thu hồi khí perme-
ate từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau, có thể xem xét áp dụng
một trong các giải pháp sau:
Bảng 8 cho thấy, mặc dù nhiệt trị khí nhiên liệu cấp
cho các hộ tiêu thụ có giảm so với khí tự nhiên, nhưng mức
độ giảm này không đáng kể. Do đó, ở trường hợp này, vấn
đề cần quan tâm là lượng khí permeate tổng được thu hồi.
Việc thu hồi khí permeate sẽ phụ thuộc vào tải của
nồi hơi phụ trợ. Ở điều kiện hoạt động ổn định, lượng khí
permeate mà Nhà máy Đạm Cà Mau có thể sử dụng lớn
nhất là 4.000 Nm3/giờ. Điều này xảy ra khi nồi hơi phụ trợ
hoạt động ở tải bình thường (40% tải).
- Sử dụng máy nén (do áp suất khí permeate thấp
Bảng 6. Nhiệt lượng yêu cầu cấp cho nồi hơi phụ trợ và lò reformer
ở các trường hợp khác nhau
3.1.2. Đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống đầu đốt với
hỗn hợp khí ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau
Giá trị
TT
Thông số
Đơn vị
Nồi hơi phụ trợ Lò reformer
1
2
3
Nhỏ nhất
Bình thường GJ/giờ
Lớn nhất GJ/giờ
GJ/giờ
118
237
591
463
515
566
Nhiệt trị khí nhiên liệu sau khi thu hồi khí permeate
cấp cho các hộ tiêu thụ ở các trường hợp như Bảng 9.
Bảng 7. Lưu lượng khí permeate thu hồi, tổng lưu lượng khí phối trộn và lưu lượng khí phối trộn sử dụng tại nồi hơi phụ trợ và lò reformer cho trường hợp sử dụng máy nén
Khí phối trộn
Lưu lượng (Nm3/giờ)
Nồi hơi phụ trợ Lò reformer(**)
Tải nồi hơi Khí permeate Khí tự nhiên
Điều kiện
vận hành
phụ trợ
(%)
20
thu hồi
bổ sung(*)
(Nm3/giờ)
1.853
Nhiệt trị
(kJ/Nm3)
20.041
19.921
27.111
(Nm3/giờ)
Tổng
5.353
5.923
8.742
9.311
Nhỏ nhất
Hiện tại
3.500
4.500
3.500
4.500
5.353
5.923
8.742
9.311
0
0
0
0
20
40
40
1.423
5.242
4.811
25.452
Ghi chú: (*) Khí tự nhiên bổ sung được xác định nhằm đảm bảo nguồn khí phối trộn đủ cấp cho nồi hơi phụ trợ hoạt động; (**) Lượng khí thiếu để đáp ứng đủ nhiệt lượng đã nêu ở Bảng 6 sẽ được bù bằng khí tự
nhiên (thông qua hệ thống van giảm áp). Trường hợp lượng khí cấp dư và vượt quá nhiệt lượng ở Bảng 6 sẽ giảm lượng khí permeate thu hồi.
DẦU KHÍ - SỐ 3/2021
35
HÓA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ
Bảng 8. Lưu lượng khí permeate thu hồi, tổng lưu lượng khí phối trộn và lưu lượng khí phối trộn sử dụng tại nồi hơi phụ trợ và lò reformer cho trường hợp sử dụng ejector
Khí phối trộn
Lưu lượng (Nm3/giờ)
Nồi hơi phụ trợ Lò reformer (*)
Tải nồi hơi
phụ trợ
(%)
Khí tự nhiên
làm khí động lực
(Nm3/giờ)
2.814
Điều kiện
vận hành
Khí permeate
(Nm3/giờ)
Nhiệt trị
(kJ/Nm3)
32.121
32.121
32.121
32.121
32.121
32.121
32.121
32.121
32.121
Tổng
3.314
6.629
500
1.105
2.210
3.680
4.419
5.524
6.629
7.410
7.410
7.410
2.209
4.419
6.263
8.838
11.047
13.257
15.790
19.104
22.419
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
4.000
4.500
5.629
8.443
11.257
14.071
16.886
19.700
22.514
25.329
Nhỏ nhất
Hiện tại
20
24
30
36
40
40
40
9.943
13.257
16.571
19.886
23.200
26.514
29.829
Ghi chú: (*) Lượng khí thiếu để đáp ứng đủ nhiệt lượng đã nêu ở Bảng 8 sẽ được bù bằng khí tự nhiên. Trường hợp lượng khí cấp dư và vượt quá nhiệt lượng ở Bảng 8 sẽ giảm lượng khí permeate thu hồi.
Bảng 9. Nhiệt trị khí nhiên liệu phối trộn sau khi thu hồi khí permeate cấp cho các hộ tiêu thụ ở các trường hợp có so sánh với dải nhiệt trị hoạt động của hệ thống đầu đốt
Dải nhiệt trị hoạt động của hệ thống đầu đốt
Nhiệt trị nhỏ nhất/lớn nhất
(LHV) [5, 6]
TT
Trường hợp
Đơn vị
(LHV)
Nồi hơi phụ trợ
31.000 - 39.000
31.000 - 39.000
Lò reformer
26.000 - 39.000
26.000 - 39.000
1
2
Sử dụng máy nén
Sử dụng ejector
kJ/Nm3
kJ/Nm3
19.921
32.121
Bảng 10. Kết quả tính toán khả năng đáp ứng của lò reformer và nồi hơi phụ trợ với hỗn hợp khí ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau
Giá trị
TT
Thông số
Đơn vị
Nồi hơi phụ trợ
Lò reformer
Khí phối trộn
Khí hiện tại
Khí phối trộn
Hiện tại
158
2,5
1
2
3
4
Nhiệt độ khói lò
Hàm lượng oxy dư
Hiệu suất thu hồi nhiệt
Hiệu suất lò hơi
oC
%
%
%
115
3
115
3,5
158
2,5
90,25
90,25
85
85
Ở trường hợp sử dụng máy nén, nếu khí thu hồi chỉ
được sử dụng cho 1 hộ tiêu thụ (lò reformer hoặc nồi hơi
phụ trợ), hệ thống của đầu đốt của các hộ tiêu thụ này
không thể đáp ứng. Để đảm bảo nhiệt trị nguồn khí nằm
trong dải nhiệt trị hoạt động của hệ thống đầu đốt, nhà
máy buộc phải cấp bù thêm khí tự nhiên vào hỗn hợp khí
sau khi phối trộn (thông qua hệ thống van giảm áp).
Theo kết quả tính toán của nhóm tác giả bằng Hysys
[2], hệ thống nồi hơi phụ trợ và lò reformer ở các trường
hợp đều đáp ứng được điều kiện hoạt động với thành
phần khí nhiên liệu mới theo các chỉ tiêu trong Bảng 10.
Các thông số cần điều chỉnh trong cấu hình hệ thống
điều khiển công suất của nồi hơi phụ trợ và lò reformer khi
sử dụng khí phối trộn như sau:
Ở trường hợp sử dụng ejector, hệ thống đầu đốt của
lò reformer và nồi hơi phụ trợ đều đáp ứng. Nhà máy
không cần cấp bù thêm khí tự nhiên vào hỗn hợp khí sau
khi phối trộn thông qua hệ thống van giảm áp.
- Đối với nồi hơi phụ trợ: Điều chỉnh lại hệ số Stoich
nhằm đảm bảo oxy dư trong khói lò nằm trong khoảng an
toàn và tối ưu khi đột ngột mất nguồn khí permeate;
- Đối với lò reformer: Điều chỉnh giá trị nhiệt trị của
bộ điều khiển công suất đốt nhằm đảm bảo nhiệt lượng
cấp cho lò reformer chính xác và ổn định.
Như vậy, ở tiêu chí đánh giá này, giải pháp sử dụng
ejector phù hợp hơn so với giải pháp sử dụng máy nén.
3.1.3. Đánh giá khả năng đáp ứng của toàn bộ thiết bị (lò
reformer và nồi hơi phụ trợ) với hỗn hợp khí ở các tỷ lệ phối
trộn khác nhau
3.1.4. Xác định và lựa chọn tỷ lệ phối trộn giữa khí tự nhiên và
khí permeate phù hợp
Ở trường hợp sử dụng ejector, do hệ thống đầu đốt
của nồi hơi phụ trợ và lò reformer đáp ứng được tất cả
các tỷ lệ phối trộn nêu trên nên tỷ lệ phối trộn sẽ được lựa
chọn sao cho hỗn hợp khí sau khi phối trộn sẽ được sử
Kết quả tính toán ở mục này dựa trên giả định, hệ
thống đầu đốt của các hộ tiêu thụ đều đáp ứng với hỗn
hợp khí phối trộn.
DẦU KHÍ - SỐ 3/2021
36
PETROVIETNAM
Bảng 11. Lưu lượng khí sau phối trộn tương ứng với lượng khí permeate thu hồi cho trường hợp sử dụng máy nén
Lượng khí tự nhiên
cần để phối trộn
(Nm3/giờ)
14.000
Lưu lượng khí sau khi phối trộn (Nm3/giờ)
Tải nồi hơi
phụ trợ (%)
Lượng khí permeate
thu hồi (Nm3/giờ)
Tổng
Nồi hơi phụ trợ
Lò reformer (*)
20
20
40
40
3.500
4.500
3.500
4.500
17.500
22.500
17.500
22.500
3.792
3.792
7.615
7.615
13.708
18.708
9.885
18.000
14.000
18.000
14.885
Ghi chú: (*) Lượng khí thiếu để đáp ứng đủ nhiệt lượng đã nêu ở Bảng 11 sẽ được bù bằng khí tự nhiên. Trường hợp lượng khí cấp dư và vượt quá nhiệt lượng ở Bảng 11 sẽ giảm lượng khí permeate thu hồi
dụng hết ở nồi hơi phụ trợ và lò reformer. Do đó, việc lựa
Khí permeate
Khí cao áp
Hệ thống van giảm áp
Khí thấp áp
Khí cao áp
EJECTOR
chọn tỷ lệ phối trộn sẽ sử dụng là 3.500 Nm3/giờ khí per-
meate để phối trộn với 19.700 Nm3/giờ khí tự nhiên (theo
như kết quả tính toán ở Mục 3.1.1).
Ở trường hợp sử dụng máy nén, tỷ lệ phối trộn sẽ
được lựa chọn sao cho nhiệt trị khí sau khi phối trộn nằm
trong dải nhiệt trị hoạt động của hệ thống đầu đốt. Do
dải nhiệt trị hoạt động của đầu đốt nồi hơi phụ trợ hẹp
hơn dải nhiệt trị hoạt động của đầu đốt lò reformer nên
sẽ dựa vào đầu đốt của nồi hơi phụ trợ để lựa chọn tỷ lệ
phối trộn.
Khí thấp áp
Cấp cho các hộ tiêu thụ
làm khí nhiên liệu
Cấp cho các hộ tiêu thụ
làm khí nhiên liệu
(a)
(b)
Hình 5. Mô hình cấp khí nhiên liệu cho lò reformer và nồi hơi phụ trợ theo thiết kế (a)
và khi thu hồi khí permeate (b) cho trường hợp sử dụng ejetor
Với nhiệt trị của khí tự nhiên và khí permeate như đã
nêu thì tỷ lệ phối trộn tối đa là 20/80 (để nhiệt trị khí sau
phối trộn đạt mức tối thiểu là 31.000 kJ/Nm3), tức là lượng
khí permeate thu hồi tối đa sẽ chiếm 20% tổng lượng khí
sau phối trộn.
+ Sử dụng dòng khí tự nhiên (38 barg) cấp làm dòng
động lực tại ejector để nâng áp dòng khí permeate trước
khi phối trộn vào hệ thống cấp khí nhiên liệu cho nồi hơi
phụ trợ và lò reformer.
Đối với trường hợp sử dụng máy nén, nhóm tác giả đề
xuất giải pháp khả thi về kỹ thuật như sau:
Với tỷ lệ phối trộn này, lượng khí sau phối trộn tương
ứng với lượng khí permeate thu hồi như Bảng 11.
- Nhà máy xử lý khí Cà Mau điều chỉnh công nghệ và
duy trì áp suất cấp tối thiểu khoảng 2,5 barg tại đầu nguồn.
3.2. Đánh giá tính khả thi về kỹ thuật và hiệu quả về kinh
tế của các giải pháp thu hồi toàn bộ lượng khí permeate
- Nhà máy Đạm Cà Mau sẽ lắp đặt 1 cụm máy nén và
các thiết bị phụ trợ đi kèm để nâng áp dòng khí permeate
trước khi phối trộn với dòng khí nhiên liệu hiện hữu.
3.2.1. Giải pháp kỹ thuật
Với các đánh giá đã nêu ở trên, xét về mặt tổng thể, cả
2 giải pháp (sử dụng máy nén và sử dụng ejector) đều có
thể áp dụng nhằm thu hồi toàn bộ lượng khí permeate tại
Nhà máy xử lý khí Cà Mau để làm nhiên liệu tại Nhà máy
Đạm Cà Mau.
- Phương án kết nối với hệ thống hiện hữu như sau:
+ Lắp đặt đường ống 8 inches để dẫn permeate gas
từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau về Nhà máy Đạm Cà Mau;
+ Dòng khí permeate sẽ được dẫn vào máy nén để
nâng áp từ 1,1 barg (tại cửa hút của máy nén) lên 6,5 barg
trước khi phối trộn vào hệ thống cấp khí nhiên liệu cho
nồi hơi phụ trợ và lò reformer.
Đối với trường hợp sử dụng ejector, nhóm tác giả đề
xuất giải pháp khả thi về kỹ thuật như sau:
- Nhà máy xử lý khí Cà Mau điều chỉnh công nghệ và
duy trì áp suất cấp tối thiểu khoảng 2,5 barg tại đầu nguồn.
3.2.2. Đánh giá tính khả thi về kỹ thuật
- Nhà máy Đạm Cà Mau sẽ lắp đặt 1 bộ ejector và
các thiết bị phụ trợ đi kèm để phối trộn dòng khí nhiên
liệu với dòng khí permeate trước khi đưa vào đốt tại nồi
hơi phụ trợ.
Cả 2 giải pháp trên đều khả thi về kỹ thuật, tuy nhiên
nếu xét về cấu hình hệ thống thì giải pháp sử dụng ejec-
tor có cấu hình đơn giản hơn giải pháp sử dụng máy nén.
Cấu hình hệ thống ejector đơn giản giúp quá trình vận
hành và bảo dưỡng dễ dàng. Bên cạnh đó, xét về mặt tiêu
hao năng lượng, giải pháp sử dụng ejector tiêu thụ năng
lượng thấp hơn giải pháp sử dụng máy nén.
- Phương án kết nối với hệ thống hiện hữu như sau:
+ Lắp đặt đường ống 8 inches để dẫn khí permeate
từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau về Nhà máy Đạm Cà Mau.
DẦU KHÍ - SỐ 3/2021
37
HÓA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ
Việc sử dụng khí permeate làm nhiên liệu không ảnh
hưởng xấu đến hoạt động của nồi hơi phụ trợ và lò re-
former.
Khí permeate
Máy nén
Khí cao áp
Hệ thống van giảm áp
Khí thấp áp
Khí cao áp
Hệ thống van giảm áp
Khí thấp áp
Trong 2 giải pháp thu hồi khí permeate (giải pháp sử
dụng ejector và giải pháp sử dụng máy nén) thì giải pháp
sử dụng ejector là giải pháp khả thi nhất về kỹ thuật cũng
như về hiệu quả kinh tế. Do đó, giải pháp sử dụng ejector
cần được lựa chọn để nghiên cứu và áp dụng vào thực tế.
Cấp cho các hộ tiêu thụ
làm khí nhiên liệu
(a)
Cấp cho các hộ tiêu thụ
làm khí nhiên liệu
(b)
Tài liệu tham khảo
Hình 6. Mô hình cấp khí nhiên liệu cho lò reformer và nồi hơi phụ trợ theo thiết kế (a)
[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.
và khi thu hồi khí permeate (b) cho trường hợp sử dụng máy nén
3.2.3. Đánh giá sơ bộ hiệu quả về kinh tế
Xét về hiệu quả kinh tế, giải pháp sử dụng ejector sẽ
hiệu quả hơn giải pháp sử dụng máy nén do:
[2] Aspentech Pte. Ltd., “Software License Agreement
(Product Name: AspenONE Engineering r11; Product
Number: 79001117)”, 2019.
- Giải pháp sử dụng ejector có chi phí đầu tư thấp
hơn giải pháp sử dụng máy nén;
[3] UOP LLC, “Ca Mau GPP design basis”, 2015.
- Chi phí vận hành của giải pháp sử dụng ejector
thấp hơn chi phí sử dụng máy nén (sử dụng máy nén sẽ
tiêu tốn điện với công suất tiêu thụ dự kiến khoảng 170
kW).
[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.
4. Kết luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng khí per-
meate từ Nhà máy xử lý khí Cà Mau để phối trộn với nguồn
khí tự nhiên hiện hữu để làm nhiên liệu cho nồi hơi phụ
trợ và lò reformer tại Nhà máy Đạm Cà Mau.
[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.
DẦU KHÍ - SỐ 3/2021
38
9 trang
16/04/2022
3220
Bạn đang xem tài liệu "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", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giai_phap_thu_hoi_khi_permeate_tu_nha_may_xu_ly_khi_ca_mau_d.pdf
