Luận văn thạc sĩ về tối ưu quy trình công nghệ tách CO2 khỏi khí thiên nhiên

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật hóa dầu và lọc dầu thiết kế tối ưu quy trình công nghệ kết hợp giữa kỹ thuật tách màng và, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Đỗ Thị Hồng Hạnh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thành Duy Quang
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa dầu và Lọc dầu
• Đề tài: Thiết kế tối ưu quy trình tách CO2 từ khí thiên nhiên bằng kỹ thuật tách màng và hấp thụ amine
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP.Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tiềm năng nguồn CO2 trong các mỏ khí có hàm lượng CO2 cao ở Việt Nam
• 1.2. Tổng quan về Công nghệ làm ngọt khí thiên nhiên
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ QUY TRÌNH HẤP THỤ AMINE
• 2.1. Lựa chọn quy trình cho dữ liệu khí đầu vào ban đầu
• 2.2. Cơ sở tính toán thiết kế quy trình hấp thụ amine
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUY TRÌNH MÀNG TÁCH
• 3.1. Cơ chế của màng tách khí acid từ khí thiên nhiên
• 3.2. Các thống số đặc trưng màng tách CO2 trong khí thiên nhiên
• 3.3. Chế độ dòng chảy - Flow Patterns
• 3.4. Membranes and Modules
• 3.5. Mô tả giải thuật di truyền Genetic Algorithm (GA)
• 3.6. Các phương trình tính toán chi phí trong bài toán tối ưu hóa
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ TỐI ƯU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ KẾT HỢP GIỮA KỸ THUẬT TÁCH MÀNG VÀ HẤP THỤ BẰNG DUNG DỊCH AMINE
• 4.1. Tính toán và mô phỏng quy trình hấp thụ amine
• 4.1.1. Tính toán thiết kế quy trình hấp thụ amine trên Excel
• 4.1.2. Kết quả mô phỏng quy trình hấp thụ amine bằng phần mềm Hysys
• 4.2. Thiết kế tối ưu quy trình công nghệ kết hợp giữa kỹ thuật tách màng và hấp thụ bằng dung dịch amine
• 4.2.1. Tổng quan về các nghiên cứu ứng dụng phương pháp tách màng trong tách loại khí CO2 ra khỏi khí thiên nhiên
• 4.2.2. Mô hình toán học cho thiết bị tách màng (Membrane Separator)
• 4.2.2.1. Mô tả mô hình và giải mô hình toán học của thiết bị tách màng
• 4.2.2.2. Kiểm chứng mô hình toán học của thiết bị tách màng
• 4.2.3. Chiến lược để giải bài toán tối ưu hóa thiết kế hệ thống thiết bị kết hợp Membrane Separator & Amine Absorber
• 4.2.4. Kiểm tra hiệu quả của giải thuật di truyền Genetic Algorithm với các bài toán kiểm tra (test problems)
• 4.2.5. Các thông số kinh tế và phương trình tính toán chi phí trong bài toán tối ưu hóa
• 4.2.6. Kết quả thiết kế tối ưu hóa Tối ưu hoá bằng giải thuật di truyền Genetic Algorithm (GA) quy trình kết hợp tách màng – hấp thụ amine
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về quy trình tách CO2

Quy trình tách CO2 từ khí thiên nhiên là một trong những công nghệ quan trọng nhằm cải thiện chất lượng khí và giảm thiểu khí thải. Công nghệ tách CO2 thường được áp dụng để loại bỏ khí CO2 trong các mỏ khí có hàm lượng CO2 cao. Việc lựa chọn quy trình tách hiệu quả không chỉ phụ thuộc vào tính chất của khí đầu vào mà còn vào các yếu tố kinh tế và môi trường. Quy trình hấp thụ bằng dung dịch amine và kỹ thuật tách màng là hai phương pháp phổ biến, mỗi phương pháp có ưu điểm và hạn chế riêng. Việc tối ưu hóa quy trình tách CO2 có thể giúp giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả tách khí. Theo nghiên cứu, việc kết hợp giữa tách màng và hấp thụ amine có thể mang lại hiệu quả cao hơn so với việc sử dụng từng phương pháp đơn lẻ.

1.1. Tầm quan trọng của việc tách CO2

Việc tách CO2 từ khí thiên nhiên không chỉ có ý nghĩa về mặt kỹ thuật mà còn về mặt môi trường. Giảm thiểu khí thải CO2 là một trong những mục tiêu chính trong việc ứng phó với biến đổi khí hậu. Các công nghệ tách CO2 hiện nay như hấp thụ amine và tách màng polymer đều nhằm mục đích này. Tách CO2 hiệu quả có thể giúp cải thiện chất lượng khí thiên nhiên, từ đó nâng cao giá trị kinh tế của nguồn tài nguyên này. Hơn nữa, việc áp dụng các công nghệ tách CO2 còn giúp các nhà máy khí giảm thiểu chi phí xử lý khí thải, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường ngày càng khắt khe.

II. Công nghệ tách CO2

Công nghệ tách CO2 hiện nay chủ yếu bao gồm hấp thụ amine và kỹ thuật tách màng. Hấp thụ amine là phương pháp truyền thống, sử dụng dung dịch amine để hấp thụ CO2 từ khí thiên nhiên. Phương pháp này có ưu điểm là khả năng tách CO2 cao nhưng lại gặp phải vấn đề về chi phí vận hành và bảo trì. Ngược lại, kỹ thuật tách màng sử dụng màng polymer để tách CO2 ra khỏi khí thiên nhiên, có ưu điểm là chi phí đầu tư thấp và dễ dàng vận hành. Tuy nhiên, hiệu quả tách CO2 của kỹ thuật này thường thấp hơn so với hấp thụ amine. Nghiên cứu cho thấy việc kết hợp cả hai phương pháp này có thể tạo ra một quy trình tối ưu, vừa tiết kiệm chi phí vừa nâng cao hiệu suất tách CO2.

2.1. Quy trình hấp thụ amine

Quy trình hấp thụ amine thường bao gồm các bước như lựa chọn loại amine phù hợp, tính toán thiết kế quy trình và mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng. MDEA (Methyl diethanolamine) là một trong những loại amine phổ biến được sử dụng trong quy trình này. Việc tối ưu hóa quy trình hấp thụ amine không chỉ giúp nâng cao hiệu quả tách CO2 mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Các yếu tố như nồng độ amine, nhiệt độ và áp suất đều ảnh hưởng đến hiệu suất tách CO2. Do đó, việc nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới trong hấp thụ amine là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về khí thiên nhiên sạch.

III. Thiết kế tối ưu quy trình công nghệ

Thiết kế tối ưu quy trình công nghệ kết hợp giữa kỹ thuật tách màng và hấp thụ amine là một thách thức lớn trong nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Quy trình này không chỉ cần đảm bảo hiệu quả tách CO2 mà còn phải tối ưu hóa chi phí đầu tư và vận hành. Việc sử dụng thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) để tìm kiếm các thông số tối ưu cho quy trình tách CO2 là một phương pháp hiệu quả. Mô hình toán học cho thiết bị tách màng được thiết lập trên phần mềm Matlab, cho phép kiểm chứng với số liệu thực nghiệm. Kết quả cho thấy việc tối ưu hóa thiết kế quy trình tách CO2 có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và giảm thiểu chi phí.

3.1. Mô hình toán học cho thiết bị tách màng

Mô hình toán học cho thiết bị tách màng là một phần quan trọng trong việc thiết kế quy trình. Mô hình này bao gồm các phương trình cân bằng vật chất, phương trình mô hình toán học của màng tách và các phương trình tính toán chi phí. Việc kiểm chứng mô hình toán học với số liệu thực nghiệm giúp đảm bảo tính chính xác và khả thi của quy trình thiết kế. Các thông số vận hành như nồng độ CO2 và lưu lượng dòng khí nhập liệu đều được tính toán để đạt được hiệu suất tách CO2 tối ưu. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả tách mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

IV. Kết luận và kiến nghị

Luận văn đã trình bày một cách chi tiết về quy trình tách CO2 từ khí thiên nhiên bằng cách kết hợp giữa kỹ thuật tách màng và hấp thụ amine. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tối ưu hóa quy trình này có thể mang lại hiệu quả cao trong việc tách CO2, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành. Việc áp dụng các công nghệ mới trong tách CO2 không chỉ đáp ứng nhu cầu sử dụng khí thiên nhiên mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phát triển các vật liệu màng mới và cải tiến quy trình hấp thụ amine để nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí. Việc hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp cũng cần được thúc đẩy để đưa các công nghệ này vào ứng dụng thực tế.

4.1. Đề xuất nghiên cứu trong tương lai

Đề xuất nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực tách CO2. Việc nghiên cứu và ứng dụng các loại màng tách mới có thể giúp cải thiện hiệu suất tách CO2. Bên cạnh đó, việc tối ưu hóa quy trình hấp thụ amine cũng cần được chú trọng để nâng cao hiệu quả kinh tế. Hơn nữa, các nghiên cứu về tác động môi trường của quy trình tách CO2 cũng cần được thực hiện để đảm bảo tính bền vững trong việc sử dụng khí thiên nhiên. Sự hợp tác giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sẽ là yếu tố quan trọng trong việc hiện thực hóa các nghiên cứu này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khí thiên nhiên là nguồn năng lượng quan trọng, chiếm khoảng 25% nguồn cung năng lượng toàn cầu, với thành phần chủ yếu là methane (CH4) chiếm đến 85%. Tuy nhiên, nhiều mỏ khí thiên nhiên tại Việt Nam chứa hàm lượng CO2 cao, lên đến 75-93% ở một số mỏ như Cá Voi Xanh và mỏ 115A, gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng khí và hiệu quả khai thác. Việc tách CO2 khỏi khí thiên nhiên là cần thiết để đáp ứng tiêu chuẩn khí khô thương mại, trong đó hàm lượng CO2 phải ≤ 2%. Nhu cầu sử dụng khí thiên nhiên ngày càng tăng, trong khi trữ lượng khí ngọt có nguy cơ cạn kiệt, thúc đẩy việc khai thác các mỏ khí có hàm lượng CO2 cao.

Luận văn tập trung thiết kế tối ưu quy trình công nghệ kết hợp giữa kỹ thuật tách màng và hấp thụ bằng dung dịch amine nhằm tách CO2 ra khỏi khí thiên nhiên có hàm lượng CO2 cao tại Việt Nam. Nghiên cứu sử dụng mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm Matlab và Aspen Hysys, áp dụng thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) để tối ưu hóa các thông số vận hành và chi phí. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mỏ khí có hàm lượng CO2 biến thiên từ 6% đến 15% với lưu lượng khí đầu vào từ 277 đến 484 mol/s. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả khai thác khí thiên nhiên, giảm thiểu thất thoát hydrocarbon và chi phí vận hành, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường thông qua giảm phát thải CO2.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết hấp thụ khí bằng dung dịch amine và lý thuyết tách khí bằng màng bán thấm.

1. Lý thuyết hấp thụ amine: Quá trình hấp thụ CO2 và H2S trong khí thiên nhiên diễn ra qua phản ứng hóa học thuận nghịch giữa khí acid và dung dịch amine (MEA, DEA, MDEA). Tháp hấp thụ amine được thiết kế với các mâm nhằm tăng diện tích tiếp xúc giữa khí và dung dịch, tối ưu hóa hiệu suất tách khí. Quá trình tái sinh amine sử dụng thiết bị reboiler cung cấp nhiệt để giải phóng khí acid, tái sử dụng dung dịch amine. Các khái niệm chính bao gồm nhiệt phản ứng, tỷ lệ loading khí acid, công suất reboiler, và cân bằng vật chất trong tháp hấp thụ.

2. Lý thuyết tách màng: Màng bán thấm cho phép phân tách CO2 dựa trên sự khác biệt áp suất và tính chọn lọc của màng đối với các thành phần khí. Các loại màng phổ biến gồm màng cellulose acetate và polyimide, với cấu hình module như spiral wound và hollow fiber. Màng tách khí có ưu điểm chi phí đầu tư và vận hành thấp, vận hành đơn giản, phù hợp cho các vị trí khó tiếp cận như giàn khoan ngoài khơi. Tuy nhiên, màng một cấp khó đạt tiêu chuẩn khí khô thương mại do thất thoát hydrocarbon.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: loading khí acid, công suất reboiler, nhiệt dung riêng, áp suất riêng phần, module màng spiral wound, hollow fiber, thuật toán di truyền (Genetic Algorithm).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mỏ khí thiên nhiên có hàm lượng CO2 cao tại Việt Nam, đặc biệt ở bể Sông Hồng và Malay-Thổ Chu. Dữ liệu bao gồm thành phần khí, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ và các thông số vận hành của thiết bị tách màng và hấp thụ amine.

Phương pháp nghiên cứu gồm:

• Mô hình toán học: Thiết lập mô hình toán học cho thiết bị tách màng trên Matlab, kiểm chứng với số liệu thực nghiệm công bố. Mô hình bao gồm các phương trình cân bằng vật chất, phương trình truyền khối qua màng, và phương trình chi phí đầu tư, vận hành.

• Mô phỏng quy trình: Sử dụng phần mềm Aspen Hysys để mô phỏng quy trình hấp thụ amine, tính toán chi phí đầu tư, chi phí vận hành và công suất tiêu thụ reboiler với các thông số đầu vào biến đổi.

• Tối ưu hóa: Áp dụng thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) trên Matlab để tìm ra các thông số vận hành tối ưu (nồng độ CO2, lưu lượng khí đầu vào) nhằm giảm chi phí và nâng cao hiệu suất tách CO2.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 02 đến tháng 06 năm 2023, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và tối ưu hóa.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các trường hợp mô phỏng với lưu lượng khí đầu vào từ 277 đến 484 mol/s và nồng độ CO2 từ 6% đến 15%. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các mỏ khí có hàm lượng CO2 cao tại Việt Nam, phù hợp với mục tiêu nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả tách CO2 của quy trình hấp thụ amine: Mô phỏng trên Aspen Hysys cho thấy quy trình hấp thụ amine với dung dịch MEA 20%wt có thể giảm nồng độ CO2 trong khí đầu ra xuống dưới 2%, đáp ứng tiêu chuẩn khí khô thương mại. Chi phí đầu tư dao động từ khoảng 1,2 đến 1,8 triệu USD/năm tùy theo lưu lượng khí đầu vào (277-484 mol/s). Chi phí vận hành tương ứng từ 0,8 đến 1,3 triệu USD/năm. Công suất tiêu thụ reboiler tăng từ 1500 đến 2200 kJ/h khi lưu lượng và nồng độ CO2 tăng.

2. Hiệu quả tách màng đơn cấp và đa cấp: Màng tách một cấp có ưu điểm chi phí đầu tư thấp và vận hành đơn giản, nhưng không thể đạt được nồng độ CO2 ≤ 2% trong khí ngọt do thất thoát hydrocarbon lên đến 10-15%. Màng hai cấp với hồi lưu dòng permeate giúp giảm thất thoát hydrocarbon xuống còn khoảng 5-7%, cải thiện chất lượng khí ngọt nhưng chi phí máy nén tăng lên khoảng 20%.

3. Quy trình kết hợp tách màng và hấp thụ amine: Thiết kế tối ưu sử dụng màng tách để loại bỏ phần lớn CO2 ban đầu, sau đó sử dụng hấp thụ amine để xử lý khí đầu ra của màng, đạt nồng độ CO2 ≤ 2%. Thuật toán di truyền tìm ra cấu hình tối ưu với chi phí đầu tư giảm khoảng 15% và chi phí vận hành giảm 10% so với quy trình hấp thụ amine đơn thuần. Công suất reboiler giảm khoảng 18% nhờ tận dụng khí methane thất thoát từ màng làm nhiên liệu.

4. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 và lưu lượng khí đầu vào: Khi nồng độ CO2 đầu vào tăng từ 6% lên 15%, chi phí đầu tư và vận hành tăng trung bình 25%, công suất reboiler tăng 30%. Lưu lượng khí đầu vào tăng từ 277 đến 484 mol/s làm chi phí đầu tư tăng 40%, chi phí vận hành tăng 35%. Kết quả cho thấy cần điều chỉnh linh hoạt thông số vận hành để tối ưu chi phí.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả cao trong quy trình kết hợp là tận dụng ưu điểm của màng tách trong loại bỏ nhanh phần lớn CO2 với chi phí thấp, đồng thời sử dụng hấp thụ amine để đạt tiêu chuẩn khí khô thương mại. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng công nghệ lai nhằm cân bằng hiệu suất và chi phí.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa chi phí đầu tư, chi phí vận hành và công suất reboiler theo nồng độ CO2 và lưu lượng khí đầu vào minh họa rõ ràng xu hướng tăng chi phí khi các thông số này tăng. Bảng tổng hợp kết quả tối ưu hóa cho thấy cấu hình màng hai cấp kết hợp hấp thụ amine là lựa chọn kinh tế nhất.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp giải pháp công nghệ phù hợp cho các mỏ khí có hàm lượng CO2 cao tại Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác, giảm phát thải khí nhà kính và tiết kiệm chi phí vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình kết hợp tách màng và hấp thụ amine cho các mỏ khí CO2 cao: Khuyến nghị các nhà đầu tư và nhà máy khí tại Việt Nam triển khai quy trình kết hợp để đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tối ưu, giảm chi phí đầu tư và vận hành trong vòng 1-2 năm tới.

2. Tăng cường nghiên cứu và phát triển màng tách khí có độ chọn lọc cao hơn: Đầu tư nghiên cứu vật liệu màng mới nhằm giảm thất thoát hydrocarbon, nâng cao hiệu suất tách màng, dự kiến hoàn thành trong 3-5 năm.

3. Tối ưu hóa vận hành thiết bị reboiler và hệ thống tái sinh amine: Sử dụng khí methane thất thoát từ màng làm nhiên liệu cho reboiler để giảm chi phí năng lượng, áp dụng trong các nhà máy hiện hữu trong vòng 1 năm.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành cho nhân sự kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ tách màng và hấp thụ amine, thuật toán tối ưu hóa nhằm nâng cao hiệu quả vận hành, dự kiến thực hiện liên tục hàng năm.

5. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển tự động: Áp dụng công nghệ số và tự động hóa để kiểm soát chính xác các thông số vận hành, giảm thiểu rủi ro và tăng hiệu quả, triển khai trong 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa dầu, lọc hóa dầu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ tách CO2, mô hình toán học và phương pháp tối ưu hóa, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

2. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành nhà máy khí thiên nhiên: Tham khảo để áp dụng quy trình tối ưu, nâng cao hiệu quả vận hành, giảm chi phí và cải thiện chất lượng khí sản phẩm.

3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để xây dựng chính sách khai thác và xử lý khí thiên nhiên có hàm lượng CO2 cao, hướng tới phát triển bền vững.

4. Các công ty cung cấp công nghệ và thiết bị xử lý khí: Tham khảo để phát triển sản phẩm, cải tiến công nghệ màng tách và hấp thụ amine phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần tách CO2 khỏi khí thiên nhiên?
   CO2 làm giảm nhiệt trị khí, gây ăn mòn đường ống và ảnh hưởng đến chất lượng khí thương mại. Việc tách CO2 giúp nâng cao hiệu quả sử dụng và đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.

2. Ưu điểm của quy trình kết hợp tách màng và hấp thụ amine là gì?
   Quy trình kết hợp tận dụng ưu điểm chi phí thấp và vận hành đơn giản của màng tách, đồng thời đảm bảo độ tinh khiết khí đầu ra nhờ hấp thụ amine, giảm thất thoát hydrocarbon và chi phí năng lượng.

3. Phương pháp tối ưu hóa sử dụng trong nghiên cứu là gì?
   Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) được áp dụng để tìm ra các thông số vận hành tối ưu, cân bằng giữa chi phí và hiệu suất tách CO2.

4. Chi phí vận hành của quy trình kết hợp so với quy trình hấp thụ amine đơn thuần như thế nào?
   Chi phí vận hành của quy trình kết hợp giảm khoảng 10% so với quy trình hấp thụ amine đơn thuần nhờ giảm công suất tiêu thụ reboiler và tận dụng khí methane thất thoát.

5. Làm thế nào để giảm thất thoát hydrocarbon trong quá trình tách màng?
   Sử dụng màng nhiều cấp với hồi lưu dòng permeate và kết hợp với quy trình hấp thụ amine giúp giảm thất thoát hydrocarbon đáng kể, đồng thời nâng cao chất lượng khí ngọt.

Kết luận

• Thiết kế tối ưu quy trình kết hợp tách màng và hấp thụ amine hiệu quả trong việc tách CO2 từ khí thiên nhiên có hàm lượng CO2 cao, đạt tiêu chuẩn khí khô thương mại (CO2 ≤ 2%).
• Mô hình toán học và mô phỏng trên Matlab, Aspen Hysys cùng thuật toán di truyền giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư, vận hành và công suất tiêu thụ năng lượng.
• Quy trình kết hợp giảm chi phí đầu tư khoảng 15%, chi phí vận hành giảm 10% so với quy trình hấp thụ amine đơn thuần, đồng thời giảm thất thoát hydrocarbon.
• Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao cho việc khai thác và xử lý khí thiên nhiên tại các mỏ khí CO2 cao ở Việt Nam, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
• Đề xuất triển khai áp dụng quy trình trong 1-2 năm tới, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển vật liệu màng và tối ưu hóa vận hành trong các giai đoạn tiếp theo.

Các nhà đầu tư, nhà máy khí và cơ quan quản lý nên xem xét áp dụng quy trình kết hợp này để nâng cao hiệu quả khai thác và xử lý khí thiên nhiên, đồng thời đầu tư nghiên cứu phát triển công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tiềm năng nguồn CO2 trong các mỏ khí có hàm lượng CO2 cao ở Việt Nam 1.1 Tổng quan phân bố khí thiên nhiên tại Việt Nam Việt nam là quốc gia đứng thứ 28 trên tổng số 52 nước trên thế giới có tài nguyên dầu khí. Việt nam đứng thứ nhất trong khu vực Đông Nam Á về trữ lượng dầu thô xác minh (khoảng 4,4 tỷ thùng) và đứng thứ 3 trong khu vực Đông Nam Á (sau Indonesia và Malaysia) về trữ lượng khí xác minh (khoảng 0,6 nghìn tỷ m3). Hiện Việt Nam có 6 bể khí chính gồm (hình 1.1): bể Sông Hồng, bể Nam Côn Sơn, bể Cửu Long, bể Malay – Thổ Chu, bể Phú Khánh và bể Tư Chính–Vũng Mây[2].1 Các bể khí chính của Việt Nam [2] Bể trầm tích Sông Hồng có diện tích khoảng 110.000 km2, bao gồm toàn bộ vùng lãnh hải của Việt Nam từ Móng Cái đến Quãng Ngãi và phần đất liền thuộc đồng bằng Bắc Bộ của các tỉnh Hưng Yên, Hải Dương, Hải Phòng, Thái Bình và Nam Định [3]. Trang 3 Luận văn thạc sĩ HVCH: Đỗ Thị Hồng Hạnh Các giếng khoan đầu tiên chủ yếu nằm ở các tỉnh Thái Bình và Hưng Yên ở độ sâu từ 1000m đến hơn 3000m.

Mỏ khí đầu tiên được phát hiện là mỏ “Tiền Hải C” và được đưa vào khai thác từ năm 1981, trở thành biểu tượng ngọn lửa của Ngành Công nghiệp Dầu khí Việt Nam. Cho đến nay, ở bể trầm tích Sông Hồng, ngoài mỏ Tiền Hải C, chúng ta đã có các mỏ và phát hiện dầu khí khác như: Đông Quan D, B10, Hồng Long, Hoàng Long, Yên Tử, Hàm Rồng, Hàm Rồng Nam, Hàm Rồng Đông, Thái Bình, Hạ Mai, Báo Vàng, Báo Đen, Báo Gấm, Bạch Trĩ, Cá Voi Xanh. Về tiềm năng dầu khí, bể trầm tích Sông Hồng được xếp thứ 3 ở trên thềm lục địa Việt Nam, đứng sau các bể trầm tích Cửu Long và Nam Côn Sơn. Bể trầm tích Hoàng Sa có diện tích khoảng trên 70.000 km2, nằm ở ngoài khơi cửa Vịnh Bắc Bộ, trong đó có huyện đảo Hoàng Sa của Việt Nam.

Tuy nhiên cho đến nay ở bể trầm tích Hoàng Sa chưa có một giếng khoan thăm dò dầu khí nào được triển khai. Vì vậy, tiềm năng dầu khí của bể vẫn còn là một ẩn số [3]. Bể trầm tích Phú Khánh có diện tích khoảng 80.000 km2, nằm ở ngoài khơi biển Nam Trung Bộ, kéo dài từ Quảng Ngãi đến Phan Thiết. Cho đến nay, ngoài khảo sát thu nổ địa chấn, đã khoan một số giếng khoan thăm dò và phát hiện được dầu khí ở các mỏ Cá Voi Xanh, Cá Heo, Cá Mập, Tuy Hòa.

Bể trầm tích dầu khí Cửu Long có diện tích khoảng 36.000 km2, nằm dọc theo bờ biển Vũng Tàu - Bình Thuận. Ở bể trầm tích dầu khí Cửu Long đã phát hiện các mỏ dầu khí lớn như Bạch Hổ, Sư Tử Đen, Sư Tử Vàng, Sư Tử Trắng, Sư Tử Nâu, Tê Giác Trắng, Hải Sư Trắng, Rạng Đông, Hồng Ngọc, Kình Ngư Trắng. Hiện nay, sản lượng khai thác dầu hàng năm của bể trầm tích dầu khí Cửu Long chiếm hơn 80% tổng sản lượng khai thác của Ngành Dầu khí. Bể trầm tích dầu khí Nam Côn Sơn nằm ở vùng Đông Nam thềm lục địa Việt Nam với diện tích khoảng 100.

đã phát hiện được nhiều mỏ dầu khí như Đại Hùng, Lan Tây - Lan Đỏ, Rồng Đôi Tây, Chim Sáo, Hải Thạch, Mộc Tinh, Thiên Ưng, Cá Rồng Đỏ, Dừa, Đại Nguyệt, Kim Cương Tây, Gấu Chúa. Bể trầm tích Tư Chính- Vũng Mây nằm ở vùng nước sâu trên thềm lục Đông Nam Việt Nam có diện tích khoảng 90. Do điều kiện nước biển sâu nên Trang 4 Luận văn thạc sĩ HVCH: Đỗ Thị Hồng Hạnh công tác khoan còn hạn chế. Tuy nhiên, tiềm năng dầu khí của bể trầm tích Tư Chính – Vũng Mây được đánh giá có triển vọng khá.

Bể trầm tích Trường Sa nằm ở vùng nước sâu và xa bờ Đông Nam Việt Nam, bao gồm cả huyện đảo Trường Sa của nước ta, có diện tích khoảng 200. Tiềm năng dầu khí của bể trầm tích Trường Sa chưa được đánh giá. Bể trầm tích dầu khí Mã lai -Thổ Chu nằm ở thềm lục địa Tây - Nam Việt nam, ngoài khơi bờ biển Cà Mau - Hà Tiên, có diện tích khoảng 80. Một khối lượng lớn khảo sát địa chấn và khoan đã được triển khai và đã phát hiện được nhiều mỏ dầu khí như Kim Long, Ác Quỷ, Cá Voi, Sông Đốc - Năm Căn, Hoa Mai, Ngọc Hiển, Phú Tân, Khánh Mỹ, U Minh, Cái Nước, Đầm Dơi.

Sản lượng khai thác dầu khí hàng năm ở đây đang đứng thứ ba, sau các bể trầm tích dầu khí Cửu Long và Nam Côn Sơn.2 Sơ lược về chất lượng các mỏ khí tại Việt Nam Để lựa chọn được giải pháp công nghệ phù hợp cho việc khai thác chế biến khí thì chất lượng hay thành phần khí trong các mỏ là một yếu tố quan trọng cần được xem xét kỹ trước khi quyết định đầu tư khai thác.  Bể Cửu Long Bảng 1.1 Chất lượng khí đồng hành các mỏ thuộc bể Cửu Long [2] Trang 5 Luận văn thạc sĩ HVCH: Đỗ Thị Hồng Hạnh Khí khai thác từ bể Cửu Long có hàm lượng tạp chất thấp, hàm lượng CO2 hầu như không có hoặc không đáng kể. Do đó, khí thiên nhiên thu được từ bể Cửu Long không cần xử lý.  Bể Nam Côn Sơn Bảng 1.2 Chất lượng khí các mỏ thuộc bể Nam Côn Sơn [2] Khí khai thác từ bể Nam Côn Sơn nhìn chung có hàm lượng CO2 thấp và không cần xử lý trong các trường hợp sử dụng cho phát điện.

 Bể Malay-Thổ Chu Bảng 1.3 Chất lượng khí các mỏ thuộc khu vực bể Malay-Thổ Chu [2] Hàm lượng khí CO2 ở mỏ Malay-Thổ Chu khá cao, cần được tiến hành xử lý trước khi chế biến khí. Trang 6 Luận văn thạc sĩ HVCH: Đỗ Thị Hồng Hạnh  Bể Sông Hồng Bảng 1.4 Chất lượng khí các mỏ khí thuộc khu vực bể Sông Hồng [2] Các mỏ khí tại bể Sông Hồng có thành phần khí khác nhau thay đổi trong khoảng rộng với hàm lượng CO2 cao do đó khá khó khăn để khai thác khí tại bể Sông Hồng hiệu quả.3 Đánh giá chung các bể khí thiên nhiên có hàm lượng CO2 cao tại Việt Nam Trữ lượng khí thiên nhiên của Việt Nam được ước lượng khoảng 4000 tỷ m3, nước ta đang khai thác khí thiên nhiên tại hai khu vực chính là bồn trũng Cửu Long và Nam Côn Sơn với thành phần CO2 thấp (hoặc không chứa khí CO2), khí hydrocacbon được khai thác có hiệu quả và mang lại giá trị kinh tế cao.2 Sản lượng khai thác khí hàng năm giai đoạn 1986-2015 Trang 7 Luận văn thạc sĩ HVCH: Đỗ Thị Hồng Hạnh Nhu cầu sử dụng khí thiên nhiên tăng cao đã thúc đẩy việc khai thác khí Việt nam tăng lên đáng kể.2 cho thấy được sản lượng khai thác khí của Việt Nam tăng vọt so với những năm trước 2005. Tuy nhiên, trữ lượng khí ngọt tại các bể Nam Côn Sơn và bể Cửu Long có nguy cơ cạn kiệt, việc đánh giá chất lượng khí tại bể Malay – Thổ Chu và bể Sông Hồng và có phương án khai thác là rất cần thiết. Các mỏ khí có hàm lượng CO2 cao phân bố rải rác ở bể trầm tích Sông Hồng, Malay-Thổ Chu phân bố ở cả ba miền Bắc, Trung, Nam khu vực thềm lục địa Việt Nam hiện chưa được khai thác.

Mặc dù nước ta đã có những khảo sát nghiên cứu đánh giá tiềm năng, trữ lượng, chất lượng các mỏ khí thiên nhiên nhưng còn nhiều hạn chế do đặc điểm địa chất phức tạp, chi phí tốn kém. Tại khu vực bể Sông Hồng, trữ lượng khí xác minh tại chỗ là 1523,8 tỷ m3 khí, nhưng thành phần CO2 biến thiên và các mỏ khí không tập trung đã đặt ra rất nhiều thách thức cho việc khai thác chế biến. Dựa theo vị trí phân bố có thể chia bể Sông Hồng thành 3 khu vực các mỏ như sau: - Nhóm mỏ khí phía Bắc bể Sông Hồng nằm trên vĩ tuyến 19030’, bao gồm các mỏ khí Tiền Hải C, Hồng Long, D14, các mỏ từ lô 102 đến 110 và các mỏ nằm khu vực đồng bằng Sông Hồng [2]. Các mỏ khí ở đây có hàm lượng CO2 rất thấp hoặc không chứa CO2.

Chính vì vậy khí được khai thác tại các mỏ khí này được sử dụng ngay mà không qua xử lý. - Nhóm mỏ phía Nam nằm giữa hai vĩ tuyến 17000’ – 18000’ cách bờ biển Quảng Bình - Quảng Trị - Thừa Thiên Huế 30 - 130km, gồm các mỏ có trữ lượng trung bình, có hàm lượng CO2 thay đổi từ 0-70%. Như giếng khoan 112-HO-1X:DST≠, mẫu khí lấy được có hàm lượng CO2 là 57%, CH4 là 38%, giếng khoan có số hiệu 112-BT-1X:DST≠1 mẫu khí lấy được có thành phần CO2 là 27%. - Nhóm mỏ nằm dưới vĩ tuyến 17000’ cách bờ biển Quảng Nam-Quảng Ngãi- Đà Nẵng 70-120km, gồm các mỏ khí có trữ lượng lớn, hàm lượng CO2 cao.

Có thể kể đến như Cá Voi Xanh có hàm lượng CO2 là 75-80% (trữ lượng khoảng 1,38Tcf), mỏ 115A có hàm lượng CO2 từ 78-93% (trữ lượng khoảng 2,0Tcf). Trang 8 Luận văn thạc sĩ HVCH: Đỗ Thị Hồng Hạnh Một số mỏ nằm tại những khu vực nhạy cảm chính trị giữa Việt Nam và Trung Quốc hiện chúng ta chưa có những kết quả khảo sát khu vực này ngoại trừ những thông tin khảo sát được đưa ra từ phía Trung Quốc. Khu vực bể Malay-Thổ Chu, đây là khu vực chồng lấn giữa Việt Nam và Malaysia, chất lượng khí tại bể này có hàm lượng CO2 ở mức trung bình khoảng 20%. Hiện nước ta đang xem xét một số mỏ khí chứ hàm lượng CO2 cao có trữ lượng lớn, như Bảng 1.5 Các mỏ khí tự nhiên có hàm lượng CO2 vừa và cao đang được xem xét trong việc khai thác và chế biến trong tương lai [2] Ngựa Vằn / Sao Bạch Trĩ / Bồ Nông/ Cá Voi Xanh 115A La / Gấu Trúc Hải Yến Sáo Đá Lô 118 115 111 112 113 17,5-17,7 oBắc 17,2-17,5 17,0-17,5 15,84 oBắc 16,78 oBắc o Bắc o Bắc Vị trí địa lý 107,86-108,26 109,43 oĐông 109,1 oĐông 107,37 108,42 o Đông o Đông o Đông Khoảng cách 75km 100km 100/75/85 km 25/40km 85/70km đến bờ Bờ biển Bờ biển Điểm bờ gần Bờ biển Bờ biển Đã Bờ biển Thừa Thừa Thiên Thừa Thiên nhất Quảng Ngãi Nẵng Thiên Huế Huế Huế Trữ lượng 489,6 820,7 54,7 95,1 52,4 (tỷ m3) Nồng độ CO2 75-80 78-93 5-39 27-40 40-48 Nhìn chung, các mỏ khí thiên nhiên được phát hiện tại thềm lục địa của Việt nam chứa hàm lượng CO2 thấp (hoặc không chứa CO2) chiếm tỷ lệ cao và đang được khai thác hiệu quả, mang lại giá trị kinh tế cao.