2 Công nghệ thu hồi dầu khí
2.1
Công nghệ thu hồi dầu khí đơn lẻ Công nghệ thu hồi dầu khí chủ yếu được chia thành bốn loại dựa trên nguyên tắc: phương pháp ngưng tụ, phương pháp hấp phụ, phương pháp hấp thụ và phương pháp tách màng. Mỗi công nghệ này đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Nhiều học giả trong nước và quốc tế đã tiến hành-nghiên cứu và phân tích chuyên sâu về các công nghệ này nhằm nâng cao hiệu quả thu hồi dầu khí, giảm ô nhiễm môi trường và thúc đẩy việc sử dụng năng lượng bền vững.
2.1.1
Phương pháp ngưng tụ
Phương pháp ngưng tụ là một công nghệ thu hồi dầu khí được sử dụng rộng rãi và hiệu quả cao. Nó sử dụng đặc tính áp suất hơi của các thành phần dễ bay hơi trong dầu và khí thay đổi theo nhiệt độ để đạt được sự phục hồi. Ở nhiệt độ phòng, các thành phần dễ bay hơi chính trong xăng thành phẩm-hydrocacbon C4 đến C8-có áp suất hơi tương đối cao, cho thấy chúng có xu hướng bay hơi từ pha lỏng sang pha khí và bay hơi vào khí quyển. Thông qua phương pháp ngưng tụ, khi nhiệt độ của dầu và khí giảm xuống dưới 0°C, áp suất hơi của hydrocacbon giảm khi nhiệt độ giảm. Sự giảm áp suất hơi làm cho một số hydrocacbon vượt quá áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ đó, ngưng tụ từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng, từ đó đạt được sự tách dầu và khí.
Phương pháp ngưng tụ vận hành đơn giản, hiệu quả cao và không gây ô nhiễm thứ cấp nên phù hợp cho việc thu hồi dầu và khí có nồng độ-cao [12]. Do đó, nó phù hợp để sử dụng ở giai đoạn đầu của các quy trình tích hợp với các công nghệ thu hồi dầu khí khác, nhưng chi phí thiết bị và chi phí vận hành tương đối cao. Phương pháp ngưng tụ chủ yếu được chia thành ngưng tụ cơ học và ngưng tụ nitơ lỏng. Hiệu suất thu hồi, mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống và nồng độ dầu khí sau khi xử lý bằng phương pháp ngưng tụ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, trong đó các yếu tố ảnh hưởng chính bao gồm nhiệt độ ngưng tụ, áp suất ngưng tụ, nồng độ ban đầu và quá trình ngưng tụ.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ ngưng tụ của dầu khí là yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ thu hồi. Để đạt được hiệu suất thu hồi cao hơn, nhiệt độ ngưng tụ thường được yêu cầu thấp hơn, với một số thành phần cần đạt tới -110°C để ngưng tụ [15]. Nhiệt độ ngưng tụ thấp hơn có nghĩa là mức tiêu thụ năng lượng cao hơn trên một đơn vị công suất làm mát. Nghiên cứu hiện tại thường đồng ý rằng quy trình ngưng tụ ba giai đoạn cân bằng hiệu quả hiệu quả năng lượng và tốc độ thu hồi. Các học giả khác nhau đã xác định sự kết hợp nhiệt độ ngưng tụ tối ưu thông qua mô phỏng và thử nghiệm.
. Huang Weiqiu và cộng sự. được phát hiện thông qua mô phỏng phần mềm Aspen rằng việc sử dụng quy trình ngưng tụ ba giai đoạn-với nhiệt độ 2, −30 và −80 °C sẽ đạt được tỷ lệ thu hồi dầu và khí đốt vượt quá 95% với mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống thấp nhất; nếu nhiệt độ ngưng tụ được điều chỉnh thành 2, −30 và −120 ° C, tốc độ thu hồi có thể đạt 99,62% mà mức tiêu thụ năng lượng không tăng đáng kể. Sự kết hợp tham số này đã được hầu hết các học giả áp dụng làm thiết kế chuẩn. SHI và cộng sự. đã thiết kế ba{14}giai đoạn
quá trình ngưng tụ với nhiệt độ ngưng tụ là 1, -40 và -110°C, đạt tỷ lệ thu hồi lần lượt là 99,73%, 99,79%, 99,82% và 99,19% đối với bốn thành phần hơi xăng khác nhau. Khi nhiệt độ ngưng tụ nằm trong khoảng từ 20 đến -110°C, tổng tải làm mát của quy trình ngưng tụ ba giai đoạn giảm 12,23%, 15,68%, 13,96% và 15,65% so với quy trình một giai đoạn.
Zhao Zhiwei và cộng sự. nhận thấy rằng việc cài đặt nhiệt độ ngưng tụ ở mức 4, –50 và –110°C mang lại mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất và hệ thống lạnh hoạt động ổn định. Bi Jinbin và cộng sự. đã mô phỏng và phân tích quy trình thu hồi dầu và khí ngưng tụ ba giai đoạn bằng cách sử dụng mô hình PR (phương trình trạng thái khí thực được gọi là phương trình PR), cân bằng giữa hiệu quả thu hồi dầu và khí với tổng mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống. Nhiệt độ làm mát trước{8}}tối ưu cũng như nhiệt độ ngưng tụ cấp hai và cấp ba được xác định lần lượt là 5, -35 và -75 °C.
Việc tăng vừa phải áp suất ngưng tụ giúp điều chỉnh nhiệt độ ngưng tụ, tiết kiệm năng lượng, đồng thời nâng cao tốc độ thu hồi dầu khí, một điểm cũng đã được cộng đồng học thuật công nhận rộng rãi. Lu Jieming và cộng sự. đã phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất làm mát đến hiệu suất ngưng tụ bằng cách sử dụng mô hình phương trình cân bằng pha và đề xuất quy trình phục hồi ngưng tụ nhiều giai đoạn. Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng nồng độ khí thải dầu khí đặt ra các yêu cầu khắt khe hơn về nhiệt độ làm mát so với tốc độ thu hồi. Ở áp suất khí quyển, cần phải làm mát xuống dưới -100°C để đáp ứng tiêu chuẩn, trong khi điều áp lên 0,5–0,7 MPa có thể tăng nhiệt độ làm mát cần thiết lên 20°C. Vương Đan và cộng sự. đã sử dụng mô phỏng Aspen Plus để phát hiện ra rằng điều áp có thể cải thiện hiệu quả tốc độ thu hồi dầu thô và khí đốt cũng như giảm nồng độ đầu ra. Để giải quyết mức tiêu thụ năng lượng cao của các quy trình thu hồi ngưng tụ thông thường, một số học giả đã tiến hành nghiên cứu tối ưu hóa các quy trình ngưng tụ. Ye Chao và cộng sự. sử dụng phần mềm HYSYS để thiết lập quy trình mô phỏng đơn giản, nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất ngưng tụ đến đặc tính ngưng tụ. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều áp có tác động đáng kể hơn ở phạm vi nhiệt độ cao{16}}so với phạm vi nhiệt độ{23}thấp. Thông qua việc tối ưu hóa quy trình thu hồi dầu và khí thải, việc thu hồi nhiệt dư của khí thải đã đạt được, giúp giảm 9,73% tổng năng lượng tiêu thụ, giảm 8,11% công suất làm mát và tăng hệ số làm mát từ 1,04 lên 1,08. Zhang Shanzhe [25] đã sử dụng các thí nghiệm-một yếu tố để xác định các thông số chính của quy trình ảnh hưởng đến mức tiêu thụ năng lượng và chất lượng sản phẩm. Thông qua mô phỏng và xác minh hiện trường bằng phần mềm ASPEN HYSYS, mức tiêu thụ năng lượng toàn diện đã giảm từ 1.329 kW xuống 1.253–1.255 kW, đạt mức tiết kiệm năng lượng từ 5,57%–5,72%. LI và cộng sự. đã thiết kế một hệ thống thu hồi ngưng tụ sâu (VOC-DCR) mới, với mô phỏng trạng thái ổn định{43}}cho thấy tỷ lệ thu hồi VOC là 99,97%, mức tiêu thụ năng lượng được kiểm soát ở mức 35,67 kW và nồng độ khối lượng phát thải VOC là 45,17 mg/Nm³. SHRAM và cộng sự. đã thiết kế một thiết bị thu hồi hơi nước ở nhiệt độ thấp{44}}bao gồm một hộp buồng đôi có vách ngăn bên trong, cho phép cung cấp hỗn hợp hơi nước{49}}không khí luân phiên cho các bộ phận khác nhau của thiết bị, có thể giảm hơn 80% lượng khí thải dầu khí, giảm tác động đến môi trường đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế. GAO và cộng sự. đã phát triển một hệ thống thu hồi VOC ở nhiệt độ thấp mới{51}}tích hợp công nghệ làm lạnh giãn nở tuabin và công nghệ lưu trữ năng lượng lạnh. Đối với lượng phát thải dầu và khí không liên tục, các phân tích mô phỏng động và trạng thái{53}ổn định của hệ thống mới đã được tiến hành bằng phần mềm HYSYS. Kết quả cho thấy nồng độ khối lượng phát thải tổng thể hydrocarbon không chứa metan sau xử lý là 57,54 mg/Nm³ và tỷ lệ thu hồi toàn diện dầu khí đạt 99,99%, đáp ứng các tiêu chuẩn phát thải hiện hành.
Sự ngưng tụ cơ học bị hạn chế bởi cơ chế làm lạnh, dẫn đến nhiệt độ làm lạnh cao hơn. Ngược lại, quá trình ngưng tụ nitơ lỏng có thể đạt được nhiệt độ làm lạnh thấp tới -120°C hoặc thậm chí -180°C, đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt hơn. So với quá trình ngưng tụ cơ học, quá trình ngưng tụ nitơ lỏng mang lại những ưu điểm như khởi động nhanh, nhiệt độ lạnh-sâu thấp hơn, tốc độ thu hồi cao hơn và chi phí bảo trì thiết bị thấp hơn. Xu Hao trong quá trình nghiên cứu và phân tích quy trình và thiết bị của hệ thống thu hồi VOC ngưng tụ nitơ lỏng ba giai đoạn cho thấy tỷ lệ hiệu quả chi phí của hệ thống không liên quan đáng kể đến khối lượng khí được xử lý nhưng liên quan chặt chẽ đến nồng độ khối lượng và loại khí thải. Khi nồng độ thể tích khí thải tăng từ 3,8% lên 19,0% thì tỷ lệ lợi ích kinh tế tăng từ 0,38 lên 0,59. Xing Chuan Sheng đề cập rằng việc sử dụng hệ thống làm mát bằng nitơ lỏng có thể cải thiện hiệu quả thu hồi dầu khí và giảm chi phí tiêu thụ năng lượng với nhiệt độ làm mát đạt từ -180°C đến -160°C. Chen Song và cộng sự. so sánh ứng dụng làm lạnh cơ học và làm lạnh bằng nitơ lỏng trong thu hồi hơi xăng. Làm lạnh cơ học làm mát hơi từ 30°C đến -75°C, với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với làm lạnh bằng nitơ lỏng, nhưng cần có các cơ sở xử lý bổ sung để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải. Làm lạnh bằng nitơ lỏng có thể làm mát trực tiếp nhiệt độ hơi đến -120°C, đáp ứng tiêu chuẩn khí thải. Quá trình ngưng tụ kết hợp giữa làm lạnh cơ học và làm lạnh bằng nitơ lỏng giúp cải thiện hiệu suất thu hồi đồng thời tăng lợi ích kinh tế lên hơn 10% so với chỉ làm lạnh bằng nitơ lỏng.
