Công nghệ chuyển hoá khí thiên nhiên thành sản phẩm lỏng (GTL technology)

Công nghệ chuyển hoá khí thiên nhiên thành sản phẩm lỏng (GTL technology) Giảng viên: TS. Nguyễn Vĩnh Khanh Bộ môn Chế biến dầu khí Khoa Kỹ thuật Hoá học, Trường ĐHBK Tp. HCM Mục tiêu bài giảng • Nhu cầu và điều kiện của Công nghệ GTL • Chuyển hoá hoá học của khí thiên nhiên thành nhiên liệu lỏng và các hoá chất • Khả năng sử dụng các nguyên liệu khác NỘI DUNG BÀI GIẢNG §1. GIỚI THIỆU CHUNG §2. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ GTL §3. TÍNH KINH TẾ VÀ ẢNH HƯỞNG MÔI TRƯỜNG §4. CÁC NHÀ MÁY GTL TRÊN THẾ GIỚI §5. CÁC HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI §1. GIỚI THIỆU CHUNG Khí thiên nhiên : trữ lượng lớn • Trữ lượng khí thiên nhiên (2004) = 6300TCF (180TCM); • Khoảng 40% trữ lượng (2500TCF) hiện tại không khai thác được vì các lý do kỹ thuật và kinh tế (Nga, Qatar, Úc, ...) • R/P ratio: ~70 năm (của dầu thô là 35 năm) • Khí đồng hành : đốt bỏ hoặc bơm lại giếng dầu • Vận chuyển khó khăn • Giới hạn trong khả năng ứng dụng và thị trường Trữ lượng khí thiên nhiên theo khu vực Khí đồng hành bị đốt bỏ Các khả năng chuyển hoá khí thiên nhiên FT Upgrading Diesel Naphtha Syn-crude Methanol and DME Olefins, Gasoline Hydrogen Ammonia and others GTL PROCESS GTC or GTFC TECHNOLOGIES Reforming Methane CH4 GTL: Gas to Liquids (FT- Fischer Tropsch) GTC: Gas to Chemicals GTFC: Gas to Fuels and Chemicals Synthesis Gas CO + H2 PREMIUM PRODUCTS O2 H2O Chuyển hoá hoá học cơ bản trong công nghệ GTL Dimethyl-ether (DME) Methanol Hydrogen Carbon Oxygen “Diesel” Khả năng nguyên liệu Conversion Technologies FT Upgrading Diesel Naphtha Syn-crude Methanol and DME Olefins, Gasoline Hydrogen Ammonia and others GTL PROCESS GTC or GTFC TECHNOLOGIES Reforming Methane Coal Petcoke Biomass Synthesis Gas CO + H2 Gasification/UCG “Clean Coal Technologies” Thị trường sản phẩm của các quá trình chuyển hoá khí thiên nhiên 1100 140Methanol to Olefins Very largePower (methanol, hydrogen) 130Ammonia 215Methanol to DME (LPG) 900Methanol as/to gasoline 34Methanol, chemical 3800Syncrude 150 (actual size) Comparison: LNG Product market size MMTPA Target Products GTL-FT Diesel Natural Gas CO and H2 “Syngas” HYDROGEN METHANOL MTBE Formal -dehyde Acetic acid Ammonia/Fertilizer Refineries Chuyển hoá khí thiên nhiên : hiện tại ~20 bcfd (7%) Ammonia: 12 bcfd Refineries: 6 bcfd Methanol: 3 bcfd Natural Gas HYDROGEN Wax/Syncrude METHANOL Clean Diesel Jet Fuel Naphtha Lubricants MTBE Fuel blend(M15, M85) Power Gasoline Olefins Formal -dehyde Acetic acid Ammonia Refineries DME Chuyển hoá khí thiên nhiên : tương lai > 40bcfd (2020) CO and H2 “Syngas” GTL Fischer Tropsch Shift from chemicals to designer fuels Sản phẩm của Công nghệ GTL Diesel : 70% Naphtha, KO, lube oil : 30% DO thông thường 99.5% §2. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ GTL Syngas generation block Fischer-Tropsch synthesis block - Terminal Syncrude Gasoline AKI 92-95 Diesel (CI 75) Lubricants Storage tank Tank car CH4 + steam Syngas generation Syngas compression FT-synthesis Upgrading Rectification block Feedstock purification block Sales Sơ đồ sản xuất – thương phẩm của công nghệ GTL Markets - Automotive fuels - Lubricants Ưu điểm của công nghệ GTL Tăng giá trị của sản phẩm Nguyên liệu : $0 to 1.50/MMBTU Sản phẩm : $10/MMBTU; sạch (1MMBTU = 1060 x 106 J) Vận chuyển và thị trường Dễ vận chuyển Thị trường không giới hạn : nhiên liệu, hoá dầu, ... Syngas production block -- Tạo thành hỗn hợp CO và H2 với tỷ lệ đặc trưng cho quá trình tổng hợp tiếp theo -- Chiếm 70% năng lượng sử dụng và 50% vốn đầu tư nhà máy GTL -- T > 800 oC ; P ~ 30 bar -- Phản ứng toả nhiệt ! -- Một số quy trình công nghệ tiêu biểu: Thành phần sản phẩm Fischer-Tropsch synthesis block -- Phản ứng chính : nCO + (2n + 1)H2  CnH2n+2 + nH2O ; ΔHR = -39.4 kcal/mol 180 ~ 350 oC, 10 ~ 40 bar -- Xúc tác điển hình : Fe, Co trên chất mang -- Các phản ứng phụ tạo olefin, alcohol, ... -- Độ chọn lọc của xúc tác, tỷ lệ CO/H2, nhiệt độ phản ứng quyết định cơ cấu sản phẩm -- CO và H2 được hồi lưu để tăng hiệu suất phản ứng Fischer-Tropsch synthesis reactor Fischer-Tropsch synthesis reactor Fischer-Tropsch synthesis reactor Upgrading / Rectification block -- Sản phẩm thu được từ FTS block : paraffins; α-olefins (chính) + oxygenates (phụ)  “syncrude” FTS tại nhiệt độ cao (>300 oC) : xăng + olefin FTS tại nhiệt độ thấp (180 ~ 220 oC) : diesel + wax -- Syncrude có thể được đưa trực tiếp đến các nhà máy lọc dầu, hoặc được phân tách bởi một tháp phân tách chính và sau đó nâng cấp và để thu xăng, syn. DO, lube oil, ... -- Các Quá trình nâng cấp chính là: Hydrotreating unit : loại bỏ olefin và alcohol Wax hydrocracking unit Hydroisomerization unit -- Cụm thiết bị xử lý nước thải !!! Tóm tắt về đặc điểm công nghệ GTL • Nhiều phản ứng nối tiếp nhau • Yêu cầu phân tách sản phẩm lớn • Yêu cầu nhiệt độ và áp suất cao • Hệ thống bồn bể tồn trữ kích thước lớn • Sử dụng xúc tác phù hợp Các đặc điểm trên ảnh hưởng lớn đến chi phí đầu tư !!! §3. TÍNH KINH TẾ VÀ ẢNH HƯỞNG MÔI TRƯỜNG Tóm tắt • 2000: GTL có tính kinh tế tương đương LNG • 2006: Khả thi về kinh tế : – GTL (~$35/bbl), CTL (~$50 - 60/bbl), BTL (~$85/bbl) – Giá dầu thô cao tăng tính kinh tế của GTL so với LNG – EPC cost của GTL : > $50k/bbl • Giá thành Methanol và DME : $5-7/MMBTU chấp nhận được khi giá dầu thô > $30/bbl Những yếu tố ảnh hưởng đến tính kinh tế 1. Giá thành nguyên liệu 2. Chi phí đầu tư • Vị trí • Các điều kiện biên • Lạm phát 3. Giá thành sản phẩm So sánh điều kiện biên của GTL và LNG GTL Plant Chi phí cho GTL 0 20 40 60 80 100 ‘0 00 $/ to nn e In st al le d C ap ac ity Mossgas 1991 Bintulu 1993 Oryx 2006 Escravos 2009 Pearl 2010 Actual Estimated Sản xuất 1 bbl GTL fuel cần khoảng 10 GJ khí Nhà máy sản xuất 75 000 bbl GTL fuel / ngày cần khoảng 1.6 tỷ USD (Shell, 2001) Chi phí cho LNG 0 100 200 300 400 500 600 700 1990 1995 2000 2008 2010 2010 Actual Estimated $/ to nn e In st al le d C ap ac ity R ec en tly S an ct io ne d N ew B ro w nf ie ld N ew G re en fie ld Giá thành sản phẩm (USA) US Energy Costs ($/Million BTU) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Bituminous Coal Lignite Coal Natural Gas Domestic Crude Imported Crude Gasoline Diesel >1%S Resid Fuel Oil Diesel>Natural/LNG>Coal Tính kinh tế GTL vs. LNG Key Issues : • Oil:gas price relationship; gas capped by coal • LNG capex: plant only or value chain capex? • Strategic value : • Revenue diversification • Value added in-country • LNG and GTP LNG Economically Advantaged GTL Economically Advantaged O il Pr ic e ($ /b bl ) 20 40 60 80 100 106 8 LNG Price ($/mmbtu) 4 Tỷ lệ vốn đầu tư một nhà máy GTL Documentation. Inspection. 7.2 Know how 2.7 Construction 6 Assembly 4.3 Equipment 79.5 37 Chi phí vận hành Depreciation 10% Workshop and plant expenses 10.7% Catalysts 17% Waste disposal 5.8% Other 17.3% Transport 39% FT D ie se l E m is si on s R el at iv e to a T yp ic al D ie se l F ue l (P er ce nt ag e) FT Diesel Ảnh hưởng môi trường – Diesel thu được từ CN GTL §4. CÁC NHÀ MÁY GTL TRÊN THẾ GIỚI Các dự án GTL trên thế giới SasolChevron Nigeria 35kbpd BP “Colombia Condor” ~35kbpd Heritage Plants Shell Bintulu PetroSA Mossgas Tinrhert Algeria 35kbpd World GTL Trinidad 4kbpd Sasol “Oryx” 35kbpd (70kd/d train 2) Shell “Pearl” 140kbpd (Nov. 2003) ExxonMobil “AGC 21” 160kbpd (July, 2004) ConocoPhillips SasolChevron Marathon/Syntroleum POSTPONED SASOL SASOL - Oryx Plant, June 6th 2006 Plant Statistics 34,000 bpd capacity - 24,000 bpd Diesel - 9,000 bpd Naphtha - 1,000 bpd LPG Construction Start – Dec 2003 Project Completion – March2007 Believed to have cost $1.2Billion SHELL - Bintulu Plant, 1993 Plant Statistics 12,500 bpd capacity Shell Middle Distillate Synthesis Wax, chemicals, diesel PetroSA - Mossgas, 1987 Plant Statistics 22,500 bpd capacity Gasoline and diesel §5. CÁC HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI CÁC HƯỚNG PHÁT TRIỂN • R&D – Giảm chi phí đầu tư nhà máy – Nâng cao hiệu suất • Ứng dụng trên biển – Nhà máy GTL nổi (Syntroleum GTL FPSO) – Công nghệ vi kênh (Velocys, CompactGTL) • Phát triển các sản phẩm mới • Nhà máy chế biến khí – Tích hợp các nhà máy khác nhau – Chuyển hoá sâu các sản phẩm cuối (ví dụ plastics) Syntroleum FPSO 310 M 65 M 16,300 bpd GTL 150 mm-scfd Gas $1.2b EPC 20,150 M2 Syntroleum FPSO CompactGTL Nhà máy chế biến khí tích hợp LNGSyngas Hub Power Plant NGLs Ethane Methane NGL Extraction GTL Diesel DME Plastics PetChems e.g. ATC Integration OptionsCore GTP Offer Feedgas Supply Ammonia (Urea) Methanol (Acetic Acid)