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.

Hành động 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.