LNG (Liquefied Natural Gas) là khí thiên nhiên được hóa lỏng khi làm lạnh sâu đến âm 162oC sau khi đã loại bỏ các tạp chất. LNG có thành phần chủ yếu là metan(CH4).
LNG được chuyên chở bằng xe bồn, tàu hỏa, tàu ven biển có dung tích từ 2500- 12000 m3 đến những hộ tiêu thụ ở xa đường ống dẫn khí, các thị trường khu vực ven biển, các đảo ngoài khơi. Hiện nay, LNG được mua bán rất phổ biến trên thị trường quốc tế và trở thành nguồn năng lượng quan trọng của nhiều quốc gia trên thế giới như: Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc, các nước châu Âu và bắc Mỹ… Các nước xuất khẩu LNG nhiều nhất thế giới thuộc khu vực Trung Đông, Australia, Nga.
Hiện nay, ở nhiều nước trên thế giới LNG còn được sử dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông vận tải: tàu biển, tàu hỏa và xe vận tải nặng để giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
2.2 Khí thiên nhiên
CNG (Compressed Natural Gas) là khí thiên nhiên với thành phần chủ yếu là metan (CH4), được xử lý và nén ở áp suất cao (200 bar) để tồn trữ và vận chuyển
CNG có tính năng tương tự khí thiên nhiên sạch, chỉ chiếm khoảng 1/200 thể tích so với khí thiên nhiên ở trạng thái bình thường, dễ chuyên chở đi xa và có chỉ số Octane cao nên được sử dụng rộng rãi trên thế giới làm nhiên liệu động cơ thay thế xăng, dầu…Vì không giải phóng nhiều khí độc như NO, CO, SO2 khi cháy và hầu như không phát sinh bụi. Các động cơ sử dụng CNG có thể làm giảm đến 93% lượng CO2, 33%
lượng NO và đến 50% lượng hydrocacbon thải ra khi so sánh với động cơ xăng. Giá thành CNG rẻ hơn xăng khoảng 10% đến 30% và có tính ổn định trong thời gian dài so với giá các sản phẩm dầu mỏ. Do khí cháy hoàn toàn không gây đóng cặn trong thiết bị đốt và tại bộ chế hòa khí của các phương tiện nên CNG giúp nâng cao hiệu suất, kéo dài được chu kỳ bảo dưỡng và tuổi thọ máy móc thiết bị
Theo số liệu của Hiệp hội các phương tiện giao thông sử dụng khí thiên nhiên châu Á Thái Bình Dương, hiện nay riêng khu vực châu Á Thái Bình Dương đã có khoảng 5 triệu phương tiện sử dụng khí CNG. Trong đó, Pakistan có hơn 2 triệu ôtô, Argentina và Brazil mỗi nước hơn 1 triệu chiếc… Tại Việt Nam công nghệ khí nén thiên nhiên CNG lần đầu tiên xuất hiện bằng sự ra đời của nhà máy khí thiên nhiên CNG tại Khu Công nghiệp Phú Mỹ I, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu vào tháng 8/2008.
3 TẦM QUAN TRỌNG CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN
Công nghiệp khí – một trong những ngành kinh tế quan trọng của nước ta, có ảnh hưởng đến nhịp độ phát triển cao giúp tăng trưởng nhanh chóng nhu cầu tài nguyên điện năng trong đó khí thiên nhiên đóng vai trò quan trọng. Ngành công nghiệp khí – một ngành kinh tế tương đối còn trẻ của nước ta, sự gia tăng sản lượng khai thác và sử dụng khí thiên nhiên có liên quan tới sự phát triển của nền công nghiệp dầu mỏ. Sự gia tăng khai thác dầu mỏ sẽ làm tăng tiềm năng khí dầu (đồng hành) khí thiên nhiên, bản thân nó có thể được xem như một loại khí gas rất bình thường không màu, không hình dạng và không mùi ở dạng nguyên chất. Tuy nhiên không giống các nhiên liệu hoá thạch khác, khí thiên nhiên rất sạch khi đốt cháy và cho ra các sản phẩm thứ cấp ít khả năng gây ô nhiễm hơn vào trong không khí. Chúng ta cần năng lượng ổn định để sưởi ấm những ngôi nhà, để nấu nướng và để sản xuất ra điện năng. Chính nhu cầu sử dụng năng lượng này đã đưa khí thiên nhiên lên một vị trí rất quan trọng trong xã hội và đời sống của chúng ta.
Tính nguy hiểm của khí thiên nhiên:
Đặc điểm gây nguy hiểm của khí hydrocacbon là độc tính nó, phụ thuộc vào thành phần khí và khả năng tạo hỗn hợp gây nổ với không khí, dễ bốc cháy do ngọn lửa điện và các nguồn gây cháy khác.
Khối lượng nguyên tử của hydrocacbon giới hạn tăng lên thì độc tính của nó tăng lên. Nồng độ giới hạn cho phép đối với metan (CH4) là 10 mg/L còn đối với heptan(C7H16) chỉ là 2 mg/L.Tiêu chuẩn vệ sinh khi thiết kế các xí nghiệp công nghiệp
trong các phân xưởng làm việc của công nhân, thì nồng độ giới hạn cho phép hydrocacbon (hơi xăng) là 0,3 mg/L.[16]
Trong các thành phần của khí thiên nhiên và khí đồng hành thì H2S rất độc, đó là chất khí không màu. Mật độ so với không khí 1,19. Con người đã có thể có cảm nhận khí H2S khi chỉ với hàm lượng trong không khí 0,0014-0,0023 mg/L .
Khí cacbonic – không màu và hoàn toàn không mùi. Đặc tính gây hại của nó tới con người là gây ngạt khi hít thở phải ở nồng độ cao (nguy hiểm do nó gắn liền với rủi ro ngạt thở) và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng.
4 PHÂN LỌAI VÀ KHAI THÁC
Khí thiên nhiên là một loại khí không màu sắc và được phân loại tùy theo thành phần của nó. Khí khô có chứa tỷ lệ metan cao còn khí ướt có chứa đáng kể khối lượng hydrocacbon có phân tử lượng cao hơn thuộc nhóm ankan, bao gồm êtan (C2H6) , propan (C3H8), và butan (C4H10).Phần cặn lắng của khí là phần còn lại sau khi các ankan đã được rút khỏi khí ướt. Khí chua là khí chứa nồng độ hyđrô sulfite (H2S) cao (đây là một chất khí không màu, độc có mùi trứng thối). Khí ngọt là khí có chứa ít chất hyđrô sulfite (H2S).
Các chất không phải là hyđrô cacbon trong khí thiên nhiên được xem là các chất làm loãng và chất gây ô nhiễm. Các chất làm loãng bao gồm các loại khí và hơi như: nitơ, dioxit cacbon(CO2) và hơi nước, các chất gây ô nhiễm bao gồm các hyđrôsulfit (H2S) và các hợp chất lưu huỳnh khác, các chất gây ô nhiễm có thể phá hoại các thiết bị sản xuất và vận chuyển. Nếu đốt các chất gây ô nhiễm có thể gây ra các vấn đề như ô nhiễm không khí và mưa axít. Mưa axít được tạo thành khi các hợp chất lưu huỳnh trong khí thiên nhiên và các loại nhiên liệu hóa thạch khác như than đá bị đốt và phản ứng với hơi ẩm trong không khí để tạo nên axít sulphuric (H2SO4). Hỗn hợp hơi ẩm axít này rơi xuống đất khi trời mưa gây hư hại cho mùa màng và rừng, hồ, suối, sông.
Để định vị được các mỏ khí, các nhà địa chất học thăm dò những khu vực có chứa những thành phần cần thiết cho việc tạo ra khí thiên nhiên: đá nguồn giàu hữu cơ, các điều kiện chôn vùi đủ cao để tạo ra khí tự nhiên từ các chất hữu cơ, các kiến tạo đá có thể
"bẫy" các hydrocacbon.
Khi các kiến tạo địa chất có thể chứa khí tự nhiên được xác định, thông thường chứ không phải luôn ở bể trầm tích, người ta tiến hành khoan các giếng các kiến tạo đá.
Nếu giếng khoan đi vào lớp đá xốp có chứa trữ lượng đáng kể khí thiên nhiên, áp lực bên trong lớp đá xốp có thể ép khí thiên nhiên lên bề mặt. Nhìn chung, áp lực khí thường giảm sút dần sau một thời gian khai thác và người ta phải dùng bơm hút khi lên bề mặt.
Tên thành phần Ký hiệu hóa học Tỉ lệ
METAN CH4 70÷92%
Etan C2H6
Propan C3H8 0÷20%
Butan C4H10
Khí cacbonic CO2 0÷80%
Oxi O2 0÷0.2%
Nitơ N2 0÷5%
Đihidro sunfua H2S 0÷5%
Khí hiếm Ar, He, Ne, Xe rất nhỏ
Bảng 5: Các thành phần cơ bản của khí thiên nhiên[17]
Khí thiên nhiên đã được phát hiện trên khắp các châu lục, ngoại trừ châu Nam Cực. Trữ lượng khí thiên nhiên thế giới tổng cộng vào khoảng 150 tỷ m³ (150 × 1018).
Trữ lượng khí thiên nhiên lớn nhất, tổng cộng 48 tỷ m³ đang nằm ở Nga, trữ lượng lớn thứ nhì thế giới, 50 tỷ m³ nằm ở Trung Đông. Các mỏ có trữ lượng khác nằm ở các nơi khác ở châu Á, châu Phivà Úc.
Trữ lượng khí thiên nhiên ở Hoa Kỳ tổng cộng 5 tỷ m³. Theo xếp hạng trữ lượng khí thiên nhiên theo từng bang từ cao xuống thấp, các mỏ khí thiên nhiên lớn đã được phát hiện ở: Texas, Vịnh Mexico ngoài khơi Louisiana, ở Oklahoma, ở New Mexico, ở Wyoming và ở Vịnh Prudhoe của Bắc Slope ở bang Alaska. Ở Canada, tổng trữ lượng khí tự nhiên là 1,7 tỷ tỷ m³. Phần lớn trữ lượng khí tự nhiên ở Canada nằm ở Alberta.
Hình 8: Khai thác khí thiên nhiên[18]
5 XỬ LÝ KHÍ ĐỐT
Thực tế tất cả khí thiên nhiên khai thác từ các mỏ khí, mỏ khí-condensat, mỏ dầu đều có chứa khí cacbonic. Trong một số mỏ còn có chứa lưu huỳnh. Khí cacbonic là balat làm giảm nhiệt, còn lưu huỳnh – thành phần gây tác hại ăn mòn cao, vì vậy khí thiên nhiên cần phải làm sạch các tạp chất này trước khí bơm vào đường ống dẫn khí. Thật ra quy trình xử lý khí thiên nhiên về nhiều mặt ít phức tạp hơn so với quy trình xử lý và lọc dầu thô.
Quá trình xử lý khí thiên nhiên bao gồm việc tách tất cả các dạng hydrocacbon và các chất lưu ra khỏi khí thiên nhiên để tạo ra một sản phẩm gọi là khí thiên nhiên khô và được vận chuyển bằng đường ống dẫn. Khí thiên nhiên được vận chuyển đi các nơi khác phải được làm sạch tinh chế. Mặc dù yêu cầu phải tách C2H6, C3H8, C4H10, và C5H11 ra khỏi khí thiên nhiên, nhưng chúng đều không phải là chất thải mà được sử dụng vào các mục đích khác.
5.1 Tách khí thiên nhiên lỏng:
Khí thiên nhiên khai thác trực tiếp từ một giếng khoan có chứa rất nhiều khí thiên nhiên lỏng (NGL) và thường phải được tách chiết. Trong hầu hết các trường hợp thì NGL có giá trị cao hơn khi ở dạng sản phẩm đã được tách lọc và vì thế khi tách chúng ra khỏi
dòng chất khí sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao. Sự tách các NGL thường diễn ra tại một thiết bị xử lý gần trung tâm và sử dụng các kỹ thuật tương tự như đã sử dụng để khử nước hoá khí thiên nhiên. Có hai bước cơ bản để xử lý khí thiên nhiên lỏng.
Bước đầu tiên là chiết xuất các chất lỏng ra khỏi khí thiên nhiên.
Bước thứ hai là các khí thiên nhiên lỏng phải được tách riêng biệt ra và được đưa về dạng nguyên chất.
5.2 Chiết xuất khí thiên nhiên lỏng:
Có hai kỹ thuật cơ bản để tách khí thiên nhiên lỏng ra khỏi dòng khí thiên nhiên đó là: phương pháp hấp thụ và quá trình giãn nở nhờ làm lạnh và hai quá trình trên chiếm khoảng 90% tổng sản phẩm khí lỏng.
5.3 Phương pháp hấp thụ:
Phương pháp hấp thụ được sử dụng để chiết xuất khí thiên nhiên lỏng cũng tương tự như phương pháp hấp thụ trong quá trình khử nước. Điểm khác biệt chính là ở chỗ, trong hấp thụ dầu được hấp thụ được sử dụng như một chất đối nghịch với glycol. Dầu hấp thụ này có áp lực với khí thiên nhiên lỏng cũng theo cơ chế tương tự như glycol có áp lực với nước. Khi khí thiên nhiên được đưa qua một tháp hấp thụ nó tạo liên kết với dầu hấp thụ, dầu này thấm một lượng lớn khí thiên nhiên lỏng. Dầu hấp thụ vào lúc này đã có chứa khí thiên nhiên lỏng đi qua hấp thụ rồi xuống đáy. Lúc này nó là một hỗn hợp dầu hấp thụ, propan, butan và pentan và các hydrocacbon khác nặng hơn, hỗn hợp này được làm nóng tới nhiệt độ trên điểm sôi của khí thiên nhiên lỏng và dưới nhiệt độ sôi của dầu. Quá trình này giúp thu hồi được khoảng 75% butan, 80 – 90% pentan và các phần tử nặng hơn từ dòng khí thiên nhiên/ khí mỏ.
Quá trình xử lý bằng hấp thụ cơ bản có thể được điều chỉnh để làm tăng hiệu quả sử dụng hoặc để hướng tới những mục đích chiết xuất nhất định. Trong phương pháp ngưng tụ dầu nhờ làm lạnh, dầu gầy được làm mát nhờ thiết bị làm lạnh, propan thu được có thể lên tới 90% và khoảng 40% etan có thể được chiết xuất từ dòng khí thiên nhiên.
Việc chiết xuất các thành phần còn lại, khí thiên nhiên lỏng nặng hơn có thể đạt gần 100% khi sử dụng quá trình này.
5.4 Quá trình giãn nở nhờ làm lạnh:
Các quá trình làm lạnh cũng được sử dụng để chiết xuất khí thiên nhiên lỏng từ khí thiên nhiên. Trong khi các phương pháp hấp thụ có thể chiết xuất được gần như tất cả khí thiên nhiên lỏng thì các hydrocacbon nhẹ hơn như etan thường khó tách ra khỏi dòng khí thiên nhiên. Trong những trường hợp cụ thể, nếu để lại khí thiên nhiên lỏng nhẹ trong dòng khí thiên nhiên sẽ là kinh tế hơn. Tuy nhiên nếu việc chiết xuất etan và các hydrocacbon nhẹ khác đảm bảo tính kinh tế thì phải sử dụng các quy trình làm lạnh để
tạo ra được tốc độ thu hồi cao. Về cơ bản các quá trình làm lạnh là sự giảm nhiệt độ của dòng khí tới khoảng 1200F
Có nhiều cách khác nhau để làm lạnh chất khí tới khoảng nhiệt độ này, một trong những cách hiệu quả nhất được biết đến là xử lý bằng tuabin giãn nở. Trong phương pháp xử lý này các tác nhân làm lạnh từ bên ngoài được sử dụng để làm mát dòng khí thiên nhiên. Sau đó tuabin giãn nở được sử dụng để làm giãn nở nhanh chất khí đã được làm lạnh, khiến cho nhiệt độ giảm xuống một cách đáng kể. Sự giảm nhiệt độ đột ngột làm ngưng tụ khí etan và các hydrocacbon khác trong dòng sản phẩm khí, trong khi đó metan vẫn được giữ ở dạng khí. Quá trình này cho phép thu hồi được khoảng 90 tới 95% etan có nguồn gốc từ dòng chất khí. Ngoài ra tuabin giãn nở cũng cho phép chuyển một phần năng lượng giải phóng khi khí thiên nhiên giãn nở vào trong nén ép metan dạng khí đi ra ngoài, vì thế mà việc tiết kiệm năng lượng liên quan tới việc chiết xuất etan.
Hình 9: Khí gas[19]
6 VẬN CHUYỂN VÀ TÀNG TRỮ KHÍ ĐỐT
Sau khi được chế biến, khí thiên nhiên được vận chuyển bằng các đường ống dẫn khí đến các hộ tiêu thụ là các khu dân cư hay các khu công nghiệp. Khi khí di chuyển trong lòng ống sự ma sát của khí lên thành ống làm giảm lưu lượng khí. Do đó các trạm nén được lắp đặt dọc theo tuyến ống để bổ sung áp lực cần thiết đủ giữ cho khí di chuyển đến nơi yêu cầu.
Một khi khí đã đến nơi tiêu thụ các công ty khí đốt thường chứa vào các bồn bể để cung cấp cho thị trường vào giờ cao điểm. Ví dụ khi thời tiết lạnh thì nhu cầu tiêu thụ khí tự nhiên thường vượt quá số lượng đường ống có thể vận chuyển từ các nhà máy chế biến khí thiên nhiên. Do đó các công ty kinh doanh khí đốt thường chứa khí thiên nhiên vào các bể chứa lớn chịu áp lực cao hoặc chứa vào các tầng đá xốp. Trong nhiều trường hợp,
các khu vực tàng trữ khí thiên nhiên được sử dụng là các mỏ than hoặc các giếng dầu đã bị bỏ hoang. Khi cần người ta lại bơm lên mặt đất.
Khí thiên nhiên có thể được chở bằng tàu và tàng trữ dưới dạng khí hóa lỏng (LPG). Khí thiên nhiên được hóa lỏng ở nhiệt độ -160°C (-256°F). Khí thiên nhiên chiếm thể tích lớn hơn 600 lần lớn hơn so với dạng lỏng của nó. Khí hóa lỏng được vận chuyển bằng tàu bồn và xe bồn.