Nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng khí Cá Voi Xanh làm nhiên liệu cho các lò đốt lò hơi của NMLD Dung Quất
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngành dầu khí Việt Nam đã mở ra một giai đoạn mới trong công nghiệp khai thác và chế biến khí thiên nhiên với sự tham dò và phát hiện ra mỏ khí Cá Voi Xanh (CVX) ngoài khơi vùng biển Quảng Nam/Đà Nẵng. Dự án khí CVX có sự hợp tác giữa PVN và Tập đoàn Exxon Mobil. Theo số liệu cung cấp, mỏ CVX có trữ lượng thu hồi được đánh giá sơ bộ khoảng 10÷17 Tcf (280÷450 tỷ m3), dự kiến bắt đầu đưa vào khai thác từ năm 2023 với sản lượng trung bình giai đoạn đầu khoảng 4 tỷ m3/năm sau đó tăng lên đến hơn 8 tỷ m3/năm. Khí CVX là nguồn khí chua và khô, chứa khoảng 60 %tt Hydrocarbon, 30 %tt CO2, 10 %tt N2, 2.100÷2.800 ppmtt H2S và rất ít C2 (<2 %tt). Khí CVX sau khi xử lý tại GPP được cung cấp cho các nhà máy điện và các hộ tiêu thụ khác.
Với công nghệ tách CO2 như hiện nay vẫn có thể cho phép loại CO2 về mức khoảng 1%mol trong khí nhiên liệu CVX. Qua đó góp phần nâng cao nhiệt trị và chất lượng nhiên liệu. Cho đến thời điểm này, mỏ khí CVX được đánh giá là có trữ lượng vào loại lớn nhất Việt Nam, do đó việc sử dụng có hiệu quả nguồn khí CVX là vấn đề cấp thiết đã được đặt ra ngay từ đầu. Định hướng sử dụng khí CVX để sản xuất điện được triển khai ngay trong giai đoạn đầu của dự án. Theo chủ trương của các Bộ ngành liên quan thì sản lượng khí dành cho mục đích ngoài việc cung ứng cho sản xuất điện là 1,7 tỷ m3 khí CVX/năm từ năm 2023 – 2035 và có thể cao hơn sau 2035.
Khí CVX được đánh giá là khí có trữ lượng khá lớn, với một số tính chất đặc trưng như: nhiều CO2, ít C2,…Ngoài ra, vị trí của mỏ khí CVX là ngoài khơi tỉnh Quảng Nam/Đà Nẵng, thuộc Miền Trung Việt Nam. Điểm tiếp bờ dự kiến của đường ống dẫn khí là ở huyện Núi Thành tỉnh Quảng Nam. Địa điểm này rất gần với khu kinh tế Chu Lai và khu kinh tế Dung Quất, đặc biệt là gần với Nhà máy lọc dầu (NMLD) Dung Quất. Do đó, việc nghiên cứu, đánh giá phương án sử dụng nguồn khí này đối với NMLD là vấn đề cần phải xem xét.
Nhà máy lọc dầu Dung Quất được xây dựng vào năm 2005 và đưa vào vận hành vào năm 2009. Đây là NMLD đầu tiên của Việt Nam được Chính phủ giao cho Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam triển khai xây dựng tại Khu kinh tế Dung Quất, thuộc 2 xã Bình Thuận và Bình Trị, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi với công suất thiết kế 6,5 triệu tấn dầu thô/năm (tương đương 148.000 thùng/ngày) và có thể chế biến được 100% dầu thô Bạch Hổ hoặc hỗn hợp 85% dầu thô Bạch Hổ và 15% dầu thô Dubai.
PVN và BSR đã và đang triển khai dự án Nâng cấp mở rộng (NCMR) NMLD Dung Quất nhằm nâng cao công suất (từ 148.000 thùng/ngày lên 192.000 thùng/ngày), đa dạng hóa sản phẩm và bên cạnh đó còn đảm bảo chất lượng sản phẩm đạt tiêu chuẩn tương đương Euro 5 với việc bổ sung thêm một số phân xưởng cần thiết. Nhiên liệu sử dụng trong vận hành bình thường của Nhà máy là dầu đốt (FO) và khí đốt nhiên liệu (FG). Trong đó khí đốt FG chỉ sử dụng nội bộ trong Nhà máy. Dầu đốt FO vừa sử dụng làm nhiên liệu nội bộ và vừa là sản phẩm có thể xuất bán ra thị trường. Các thiết bị tiêu thụ lượng lớn nhiên liệu FG và FO trong nhà máy là các lò đốt, lò hơi.
Theo số liệu dự báo, đến năm 2025, cán cân cung cầu đối FO vẫn trong tình trạng thiếu hụt. Do đó, sản phẩm FO của dự án hoàn toàn có thể tiêu thụ trong nước để đáp ứng nhu cầu nội địa.
Mặt khác, việc bán nhiên liệu FO ở thị trường trong nước sẽ được hoàn thuế VAT căn cứ tỉ lệ dầu thô nguyên liệu nội địa được sử dụng.
Như vậy nếu xem xét phương án sử dụng nguồn khí CVX để làm nhiên liệu bổ sung/thay thế cho FO trong Nhà máy là vấn đề rất đáng để xem xét áp dụng với một số nguyên nhân sau :
- Sử dụng nhiên liệu khí đốt sẽ giảm bớt chi phí phải trả cho thuế môi trường.
- Có thể đa dạng hóa nguồn nhiên liệu cho Nhà máy và tăng độ linh động trong vận hành. Đặc biệt khi hệ thống FG, FO của Nhà máy có vấn đề hoặc Nhà máy không đủ nguồn nhiên liệu do có sự cố.
- Việc sử dụng khí CVX làm nhiên liệu thay thế cho dầu đốt sẽ cải thiện các chỉ số đánh giá về phát thải cho Nhà máy. Đặc biệt trong trường hợp khi Nhà máy sử dụng nguyên liệu dầu thô có hàm lượng lưu huỳnh cao sẽ kéo theo lưu huỳnh trong dầu FO cũng sẽ tăng lên điều này dẫn tới việc phát thải SOx lớn và không đạt tiêu chuẩn môi trường nếu không có biện pháp tiền xử lý trước khi phát thải.
Những phân tích trên đây đã thể hiện được tính cần thiết và cũng chính là cơ sở để đề xuất đề tài: “Nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng khí Cá Voi Xanh làm nhiên liệu cho các lò đốt, lò hơi của NMLD Dung Quất”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xem xét sự phù hợp và những ảnh hưởng về vấn đề kỹ thuật khi sử dụng khí CVX làm nhiên liệu cho các lò đốt, lò hơi của NMLD Dung Quất;
- Từ kết quả tính toán, đưa ra những nhận định về phương án sử dụng khí CVX để thay thế cho dầu đốt FO làm nhiên liệu nội bộ;
- Đánh giá về vấn đề kinh tế và môi trường khi sử dụng khí CVX làm nhiên liệu cho các lò đốt, lò hơi của NMLD Dung Quất.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Dòng khí CVX và các lò đốt, lò hơi điển hình của NMLD Dung Quất
- Công cụ sử dụng: Các mô hình tính toán, phần mềm mô phỏng chuyên dụng.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các phương án tích hợp nguồn khí CVX vào NMLD Dung Quất;
- Làm cơ sở cho việc đánh giá sự phù hợp về mặt thiết kế và vận hành các lò đốt, lò hơi của NMLD Dung Quất khi sử dụng khí CVX làm nhiên liệu. Qua đó có thể sử dụng vào việc xem xét có cần/không cần cải hoán thiết bị, hoặc sử dụng nhiên liệu như thế nào cho phù hợp khi bổ sung từ nguồn khí CVX;
- Làm cơ sở cho việc xem xét thay đổi cơ cấu nhiên liệu nội bộ giữa FO và FG khi có nguồn khí CVX.
5. Phương pháp luận thực hiện
Phương pháp nghiên cứu được hệ thống như trong hình sau
Sơ đồ phương pháp luận thực hiện đề tài
6. Cấu trúc luận văn
Căn cứ các kết quả cần đạt được như được đưa ra trên Hình 0.1, nội dung luận văn sẽ được phân bổ vào các chương chính như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Khảo sát và thu thập dữ liệu về hiện trạng NMLD Dung Quất và kế hoạch NCMR NMLD Dung Quất
Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán, mô phỏng các thiết bị lò đốt, lò hơi điển hình của NMLD Dung Quất
Chương 4: Phân tích đánh giá việc sử dụng khí CVX tích hợp làm nhiên liệu cho NMLD Dung Quất
Kết luận và kiến nghị
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nguồn khí Cá Voi Xanh (CVX)
Mỏ khí CVX nằm trong lô 118 ở ngoài khơi thềm lục địa Việt Nam khu vực Quảng Nam–Đà Nẵng, cách bờ khoảng 85 km.
Sản lượng khí CVX được xem xét trên phương án cơ sở đã được Bộ Công Thương phê duyệt tại QĐ 460/QĐ-BCT ngày 07/09/2016. Phương án này cho công suất dòng khí thô theo ngày là 737 MMSCFD (xấp xỉ 7,2 tỷ m3 khí thô/năm) dự kiến vào năm 2023. Sau đó nâng lên 900 MMSCFD (xấp xỉ 8,8 tỷ m3 khí thô/năm) trong giai đoạn 2025-2030.
Bảng 1.1. Các kịch bản sản lượng khí CVX
| Sản lượng | Khí cho hóa dầu (tỷ m3/năm) | Căn cứ |
|---|---|---|
| Thấp | 0,85 | CV 1214/TTg-KTN ngày 12/07/2016 |
| Cao | 1,6÷1,7 | CV 3694/BCT-TCNL ngày 24/4/2016 |
Qua dữ liệu thu thập được có thể xem khí Cá Voi Xanh là nguồn khí chua, chứa 60 %tt HC, 30 %tt CO2, 10 %tt N2 và 2.100÷2.800 ppmtt H2S.
1.2. Tổng quan về NMLD Dung Quất
1.2.1. Nguyên liệu
NMLD Dung Quất hiện đang hoạt động ở mức công suất 148.000 BPSD (tương đương 6,5 triệu tấn dầu thô trên năm). Nguồn dầu thô sử dụng chủ yếu sử dụng trong thời gian qua gồm các loại dầu thô trong nước như: Bạch Hổ, Tê Giác Trắng, Sư Tử Đen, Đại Hùng,…. Ngoài ra, NMLD Dung Quất còn sử dụng một lượng dầu thô nước ngoài như: Azeri (nhập khẩu từ Azerbaijan), một số loại dầu từ khu vực Đông Nam Á,…
1.2.2. Sản phẩm
Sản phẩm chính của nhà máy hiện đáp ứng được tiêu chuẩn EURO II và các sản phẩm chính gồm: LPG, Xăng A92, A95, JetA1, DO, FO, lưu huỳnh, hạt nhựa Polypropylene.
1.3. Tổng quan về dự án NCMR NMLD Dung Quất
1.3.1. Nguyên liệu
Sau khi NCMR, công suất NMLD Dung Quất tăng từ 148.000 BPSD lên 192.000 BPSD. Thiết kế dự kiến sử dụng nguồn dầu thô hỗn hợp gồm 30% dầu Murban và 70% dầu ESPO 346 (Base CrudeBlend Case).
Ngoài ra, NMLD sau NCMR cũng có thể hoạt động được với hai kịch bản nguyên liệu khác gồm: 50% dầu ESPO 360 và 50% dầu Arab nhẹ (Light Blend Case); 30% dầu Arab nhẹ và 70% dầu ESPO 346 (Heavy Blend Case).
1.3.2. Sản phẩm
Sản phẩm chính của NMLD Dung Quất sau NCMR có thể đáp ứng được tiêu chuẩn EURO V. Ngoài việc tăng sản lượng của các sản phẩm cũ, NMLD sau NCMR còn sản xuất sản phẩm mới là Asphalt và xăng RON 97.
1.3.3. Công nghệ
Theo nghiên cứu của Amec Foster Wheeler (AFW), nhà thầu FEED (Front-End Engineering Design) cho dự án NCMR, trong quá trình NCMR, một số phân xưởng mới được xây dựng để phù hợp với dòng nguyên liệu mới và đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng về sản phẩm. Ngoài ra, một số phân xưởng hiện hữu cũng được nâng công suất để phù hợp với sự tăng nguyên liệu đầu vào của nhà máy.
1.4. Tổng quan và lựa chọn sơ bộ công nghệ xử lý CO2
Mục tiêu của phần lựa chọn sơ bộ công nghệ xử lý CO2 là tìm ra các công nghệ hiện có trên thế giới cho nhà máy xử lý CO2 trong khí CVX, đáp ứng được yêu cầu về tính chất khí CVX cho quá trình tích hợp vào NMLD sau NCMR căn cứ đề xuất thiết kế của AFW với thành phần CO2 trong khí CVX sau xử lý là 1%tt. Công nghệ phải thỏa mãn được các yêu cầu sau:
- Đáp ứng được công suất thiết kế;
- Đã được thương mại hóa.
Công nghệ tách CO2 trong khí CVX được đề xuất theo hướng sử dụng công nghệ màng. Đây là công nghệ đã được áp dụng phổ biến trên thế giới với chi phí vận hành thấp và tốn ít diện tích xây dựng. Khí CVX sau khi xử lý CO2 phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật theo đề xuất của cho quá trình làm nhiên liệu và làm nguyên liệu cho phân xưởng sản xuất Hydro (HGU) của dự án NCMR.
CHƯƠNG 2 – KHẢO SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU VỀ HIỆN TRẠNG NMLD DUNG QUẤT VÀ KẾ HOẠCH NCMR NMLD DUNG QUẤT
2.1. Thông tin và số liệu của các phân xưởng và hệ thống thiết bị của NMLD Dung Quất có liên quan đến phạm vi nghiên cứu
2.1.1. Nguồn cấp Hydro của Nhà máy
Hiện tại, CCR là phân xưởng duy nhất của NMLD Dung Quất sản xuất Hydro với độ tinh khiết khoảng 92÷94%. Sau khi được tách loại HCl, một phần Hydro được tăng áp nhờ các thiết bị nén (multi-stage compressors) tại phân xưởng NHT (U012). Dòng Hydro sau đó được cấp cho các phân xưởng tiêu thụ Hydro như NHT, LCO HDT, Isomerization,…). Lượng Hydro còn lại được đưa qua hệ thống FG.
2.1.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí, dầu
2.1.2.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí U037
Nhiên liệu khí (FG) sử dụng trong NMLD được phân phối đến các phân xưởng thông qua hệ thống cung cấp nhiên liệu khí (FG system, U037) của NMLD. Hệ thống bao gồm thiết bị hóa hơi, bình trộn có thiết bị gia nhiệt và hệ thống đường ống phân phối khí. Khí nhẹ (offgas) được sản xuất từ các phân xưởng công nghệ bên trong nhà máy được thu gom và đưa vào hệ thống. Khí LPG, PP không đạt chất lượng và hỗn hợp C4 dư được hóa hơi và trộn với dòng offgas tại bình trộn rồi phân phối đến các phân xưởng có nhu cầu sử dụng.
Ở điều kiện hoạt động bình thường, lượng khí từ hệ thống được cấp đến các phân xưởng là 25.727,9 kg/h (13.194 m3/h ở 46oC và 3,3 kg/cm2g) ở chế độ vận hành BH Case-Max Gas và 21.830,7 kg/h (10.649 m3/h ở 46oC và 3,3 kg/cm2g) ở chế độ vận hành Base Case-Max Dis.
2.1.2.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu dầu
Theo thiết kế dầu đốt (FO) được phân phối đến 3 phân xưởng CDU, RFCC, nhà máy điện qua hệ thống cung cấp nhiên liệu dầu (fuel oil system). Hệ thống bao gồm máy bơm, bồn chứa, thiết bị gia nhiệt và đường ống phân phối. Nguồn dầu đốt thông thường là FO lấy từ RFCC. Ngoài ra còn có các nguồn Heavy Gasoil, dầu thải từ bể slop và dầu có tính axit từ CNU.
2.2. Thông tin, số liệu của một số phân xưởng, hệ thống mới sau NCMR có liên quan đến nội dung nghiên cứu
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\KY THUAT HOA HOC\KHOA 35\(R)10. Le Hong Nguyen\16. Le Hong Nguyen\TOM TAT
