ارزيابي اقتصادي هيدرات گاز طبيعي

ارزيابي اقتصادي هيدرات گاز طبيعي براي انتقال گاز طبيعي

گاز طبيعي يكي از مهم ترين منابع انرژي و همچنين يكي از مهم ترين منابع خوراك مي باشد . مصرف جهاني گاز طبيعي به سرعت در حال افزايش مي باشد . با اين وجود، بازارهاي گاز معمولاً دور از مخازن گاز است. تكنولوژ يهاي متعددي براي انتقال گاز طبيعي از محل توليد به مشتري وجود دارد . گزينه هاي متعدد براي انتقال گاز طبيعي عبارتند از انتقال با خطوط لوله ، گاز طبيعي مايع، گاز طبيعي فشرده، هيدرات گاز طبيعي، GTL (gas to liquids )، GTC (gas to commodity)، GTW (gas to wire ) . ذخيره گاز طبيعي به صورت هيدرات براي انتقال گاز طبيعي در مقياس بزرگ به مسافت هاي دور بسيار مورد توجه مي باشد . هيدراتهاي گازي تركيبات غيراستوكيومتريك شبيه يخ هستند و زماني تشكيل مي شوند كه گازهاي سبك مانند: متان، اتان در تماس با آب در فشار بالا و دماي پايين قرار مي گيرند . معمولاً سه ساختار اصلي كريستالوگرافي: I(sI) ، II(sII) و H(sH) دارند كه از نظر سايز و شكل حفرات متفاوت هستند . هيدرات هاي گازي ظرفيت ذخيره بالا دارند براي نمونه هر يك مترمكعب هيدرات متان داراي 180 مترمكعب گاز متان مي باشد . هيدرات گاز طبيعي در

20 – و فشار اتمسفريك نگهداري مي شود . در اين فصل، براساس فرآيند توليد NGH، سرمايه گذاري كلي، هزينه هاي عمليات و نگهداري و قيمت كل توليد NGH محاسبه شده اند . پارامترهاي اقتصادي براي حمل دريايي NGH از عسلويه در جنوب ايران به بازارهاي گازي مختلف به عنوان يك مطالعه موردي ارائه شده است .

مقدمه

روش هاي مختلفي براي انتقال انرژي گاز طبيعي از مناطق نفتي و گازي به بازار يا مناطق مصرف وجود دارند :

- لوله كشي (piping)

- گاز مايع شده (LNG)

- فشرده كردن گاز طبيعي ((CNG

- تبديل گاز به جامد (GtS) به طور مثال هيدرا تها .

- تبديل گاز به جريان الكتريسته (GtW)

- تبديل گاز به مايع (GtL) كه اين روش شامل محدوده وسيعي از توليدات مانند سوخت هاي تميز ، پلاستيك و متانول مي باشد .

- تبديل گاز به كالا (GtC) مانند آلومينيوم، شيشه، سيمان و آهن .

شكل 1- روش هاي مختلف انتقال گاز طبيعي

شكل 2- ساختارهاي كريستال

كريستال هاي هيدرات (Clathrate Hydrates) يا هيدرات گازي (Gas Hydrates)، محلول هاي جامد (Solid Solution) هستند كه در ساختمان آنها مولكول هاي آب با هم پيوند هيدروژني تشكيل داده و موجب پيدايش فضاهايي خالي (Gavities) مي شوند .در دما و فشار خاص مولكول هاي مختلف و با اندازه مناسب مي توانند در اين فضاها جاي گيرند و كريستال هيدرات را توليد كنند . در اين نوع كريستالها هيچ نوع پيوند شيميايي بين مولكولهاي آب (ميزبان) و مولكول هاي گاز محبوس شده (مهمان) به وجود نمي آيد و پايداري كريستال هيدرات تحت تاثير پيوند هيدروژني بين مولكول هاي ميزبان و نيروهاي واندروالسي كه بين مولكول هاي ميزبان - ميهمان به وجود مي آيد، است . عموماً هيدروكربن ها درمحيط آبي به وجود مي آيند . در مخازن هيدروكربني، آب و هيدروكربن به حال تعادل وجود دارند. اساساً آب و هيدروكربن ها، غيرقابل امتزاج تلقي مي گردند . اما همين مقدار ناچيزانحلال هيدروكربن در آب مي تواند در شرايط مناسب موجب پيدايش كريستال هيدرات گردد .

با توجه به نحوه قرار گرفتن مولكول هاي آب و ايجاد حفره هايي با اندازه هاي مختلف سه نوع ساختار اصلي I(sI)، II(sII) و H(sH) ايجاد مي شود . نمايي از سه ساختار در شكل 2 و ويژگيها شبكه هاي مختلف كريستالي هيدرات در جدول 2 آورده شده است . با توجه به جدول 1 مولكولهايي كه قادر به تشكيل هر كدام از ساختار ها هستند آورده شده است .

عوامل مؤثر بر افزايش سرعت تشكيل هيدرات

تشكيل هيدرات گازي به طور معمول به دو مرحله متوالي تقسيم مي شود . اولين مرحله شامل تشكيل هسته و مرحله دوم رشد هسته است. تشكيل هسته و رشد آن تحت تأثير شرايط فشار و دماي سيستم مي باشد . از جمله روش هاي افزايش سرعت تشكيل هيدرات اضافه كردن افزودني ها مي باشد . افزودني هاي متداول عبارتند از :

آلكيل پلي گلوكزيد (alkylpolyglucosid) (APG)،

سديم دودسيل بنزن سولفنات (sodium dodecyl benzene s ulfonate) (SDBS)،

و پتاسيم اگزالات مونو هيدرات (potassium oxalate monohydrate) (POM).

APG و SDBS سورفكتنت (surfactant) هستند. مقايسه ذخيره سازي هيدرات در حضور افزودنيهاي مختلف در غلظت معين در شكل 3 آمده است . سرعت تشكيل هيدرات در حضور غلظت هاي بالاي APG و POM و در غلظت پايين SDBS افزايش مي يابد .

جدول 1- هيدروكربنهاي تشكيل دهنده هيدرات و ساختارهايي كه ميتوانند ايجاد كنند

جدول 2- ويژگي ها و مشخصات شبكه هاي مختلف كريستالي هيدرات

فرآيند توليد NGH

فرآيند توليد هيدرات گاز طبيعي در شكل 4 ارائه شده است . آب خالص و جريان گاز طبيعي خروجي از خشك كن به عنوان خوراك وارد راكتور مي گردند . خشك كن به عنوان پيش خنك كن جريان گازطبيعي عمل مي كند . همچنين در خشك كن آب اضافي هيدرات گازي كه از جداكننده خارج مي گردد كاهش مي يابد . جريان خوراك گازطبيعي و هيدرات در خش ككن به صورت ناهمسو مي باشند . در راكتور در حين تشكيل هيدرات گرما آزاد مي گردد . به همين دليل ازسيكل خنك كننده پروپان استفاده مي شود . كمپرسور سيكل تبريد داراي بازده آيزونتروپيك %80 مي باشد . براي افزايش سرعت تشكيل هيدرات دماي راكتور بايد °C 2 پايينتر از دماي تعادلي واكنش باشد . سپس مخلوط هيدرات گاز طبيعي و آب خالص همراه آن از راكتور وارد جداكننده ميشوند . آب خالص اضافي پس ازجداسازي در جداكننده به راكتور باز مي گردد . رطوبت آزاد هيدرات گازي خروجي از جداكننده تقريبا w% 12 است. رطوبت آزاد هيدرات خروجي از خشك كن w% 10 است. براي انتقال هيدرات گاز طبيعي در فشار اتمسفريك دماي هيدرات و آب بايد تا °C 15 - پايين آورده شو د. به بيان ديگر لازم نيست هيدرات تا دماي پايين تر از دماي تعادل در فشار اتمسفريك سرد شود .

شكل 3- منحني ذخيره NG(STP) در هيدرات در حضور افزودني ها ( 1000 ± 1 ppm )

شكل 4- تجهيزات موردنياز براي فرآيند توليد هيدرات

ارزيابي اقتصادي NGH

شرايط عملياتي فرآيند در جدول 3 ارائه شده است.

جدول 3- شرايط عملياتي و ديگر متغيرهاي طراحي واحد

ويژگي تجهيزات كه با توجه به موازنه جرم و انرژي محاسبه شده در جدول 4 ارائه شده است . هزينه نصب هر واحد فرآيند واحد NGH عسلويه براي ظرفيت انتقال std m3/day 106 گاز طبيعي به صورت زير محاسبه شده است .

هزينه نصب كمپرسور:

هزينه نصب كندانسور و مبدل حرلرتي :

هزينه نصب جداكننده :

زمان اقامت هيدرات جامد درجداكننده min 10 است. درصد فضاي خالي آن %80 مي باشد . حجم و در نتيجه قطر و ارتفاع تخمين زده شده است .هزينه نصب تانك تحت فشار مي تواند براي تخمين هزينه جداكننده مورد استفاده قرارگيرد .

هزينه نصب خشك كن :

خشك كن از نوع چرخشي مي باشد . هزينه نصب خشك كن توسط تابع هزينه زير محاسبه گرديده .

هزينه نصب راكتور:

گرماي آزادشده در حين تشكيل هيدرات در راكتور بايد خارج شود . بنابراين به عنوان يك مبدل حرارتي عمل م يكند . معادله 2 مي تواند به عنوان تابع هزينه راكتور مورد استفاده قرارگيرد .

تانك ذخيره هيدرات :

اگر زمان ۷ روز را براي رسيدن كشت يهابه بندر درنظر بگيريم، بايدتانك هاي ذخيره برا ي ۷ روز كاري در نظرگرفت . ظرفيت هر تانك 40000 و تعداد كل تانك ها نيز تخمين زده شده است . كمترين دماي ذخيره هيدرات تقريباً °c 15 - است . براي كم كردن سطح خارجي وانتقال حرارت با محيط نسبت ارتفاع به قطر هرتانك برابر با ۲ ميگيرند كه درمعادله 3 مي توان استفاده نمود .

هزينه كل سرمايه گذاري :

هزينه كل سرمايه گذاري براي توليد هيدرات، شامل مجموع كل هزينه نصب تجهيزات مختلف واحد است.

هزينه هاي عملياتي و نگهداري (O&M)

در اين معادله هزينه موادخام، قيمت گاز طبيعي است كه برابر {0 .5 $/MMBtu } 0.00047 $/MJ است . ميزان متوسط محتوي انرژي گازطبيعي 39.98 {1056 Btu/scf} تخمين زده شده است. هزينه هاي الكتريسته در 0.06 $/k wh , mid-2003 تخمين زده شد هاست . هزينه هاي نصب تجهيزات در محل (onsite) در قسم تهاي قبل توضيح داده شده است .

هزينه كارگر به ازاي هر روز كاري به ازاي هر شخص 18 $ در نظرگرفته شده است . ميزان ساعت نيروي انساني به ازاي هرروز كاري فرآيند توسط معادله زير قابل محاسبه است .

در اين معادله، capacity ميزان تن گاز طبيعي كه به عنوان خوراك راكتور به ازاي هر روز مورداستفاده قرار مي گيرد .

در اين مورد ۶ مرحله فرآيند براي رسيدن به نتيجه نهايي كه در شكل 3 نشان داده شده است، درنظر گرفته شده است . چهار شيفت كاري به ازاي هر روز و ۸ ساعت كار در هر روزبراي هر شيفت . از تقسيم معادله 7 بر ۶ ، بهره تعداد افراد مور دنياز به ازاي هر روز به دست مي آيد.

دراين فرآيند درآمد حاصل از گازطبيعي 0 .00284 $/MJ در نظر گرفته شد هاست . با جايگزيني پارامترها در معادله و با استفاده از فاكتور هاي تبديل مناسب هزينه O&M به ازاي هر روز محاسبه مي شو د .لازم به ذكراست كه هزينه هاي نصب تجهيزات درمحل كه در قسمت هاي قبل توضيح داده شده و بايد به عمر مفيد واحد تقسيم شود و بعد در معادله جايگزين گردد .

هزينه كل استهلاك :

اگر عمر مفيد واحد ر ا ۲۰ سال در نظر گرفته و ميزان كاهش نرخ توليد به طور متوسط %8 باشد در اين صورت ميزان هزينه كل استهلاك به صورت زيرمحاسبه مي گردد .

هزينه استهلاك O&M :

همانطور كه در بالا توضيح داده شد هزينه O&M در قسمت قبل به ازاي هرروز محاسبه مي شود.

بنابراين هزينه استهلاك O&M به ازاي هر تن توسط معادله زيرقابل محاسبه م يباشد

پارامترهاي فوق مي تواند $ به ازاي و يا $ به ازاي MJ گاز طبيعي در نظر گرفته شود .

هزينه انتقال دريايي گازطبيعي:

هزينه انتقال NGH توسط كشتي به ظرفيت توليد هر واحد و همچنين به مسافت بين منابع توليد گاز و بازارهاي مصرف گازبستگي دارد . كشتي هاي NGH مي توانند طوري ساخته شوند كه 250000 هيدرات را حمل كنند. بنابراين 1 هيدرات جامد متان با خلوص %100 مي تواند

170 گاز متان آزاد كند. بنابراين ميزان كشت يهاي موردنياز براي انتقال گاز طبيعي به راحتي محاسبه مي شود . هزينه كل كشتي هاي انتقال NGH، 80 $ ميليون به ازاي هر كشتي مي باشد .

هزينه استهلاك O&M انتقال هيدرات 12$ ميليون به ازاي هرسال به ازاي هر كشتي و فضاي خالي مخزن هيدرات %16 در نظر گرفته شده است . آخرين پارامتر براي محاسبه تعداد كشتي مورد نياز براي انتقال هيدرات توليدي مورد استفاده قرار م يگيرد (فضاي خالي %16). سرعت متوسط براي حمل NGH، knots 15/4 (knots 1 برابر ۱ مايل دريايي به ازاي هرساعت مي باشد .هرمايل دريايي برابر km 852/1 مي باشد). .اين اطلاعات مي تواند براي تعيين مدت زمان يك رفت و برگشت براي يك مسافت معين بين محل توليد NGH تابازار مصرف مورد استفاده قرارگيرد . در اين روش با توجه به اينكه ظرفيت توليد را مشخص است تعداد كشتي هاي مورد نياز محاسبه مي گردد .

هزينه نصب تجهيزات مختلف و هزينه توليد NGH در جدول ۵ آمده است . ظرفيت هر train، 4160 مي باشد .

هزينه انتقال NGH براي بازارهاي مختلف:

براساس مدت زمان 12 روزي براي بارگذاري، تخليه و مدت توقف هر كشتي براي هررفت وبرگشت درنظر گرفته شده و تعداد كشتي هاي موردنياز براي هر سال براي بازارهاي مختلف در جدول 6 محاسبه شده است . بر اساس ميزان NGH حمل شده (

250000) و تعداد كل رفت و برگشت در سال براي هر كشتي، تعداد كشتي هاي موردنياز براي جابه جايي هيدرات توليدشده محاسبه مي شود . هزينه استهلاك O&M براي انتقال هيدرات 12 $ ميليون به ازاء هرسال به ازاي هركشتي مي باشد .ظرفيت كلي واحد (10 واحد موازي) 7.08 * 106 std m3/day مي باشد . تعداد كل كشتي ها و هزينه استهلاك در جدول 7 محاسبه شده است . هزينه توليد براي بازارهاي گازي مختلف در جدول 8 آمده است . هزينه كلي براي بازارهاي نزديكتر ارزانتر مي باشد . براي رسيدن به نتايج جدول 7و 8 ميزان تخلخل فاز هيدرات تقريباً %16 درنظر گرفته ميشود.

جدول 4- ويژگي هاي تجهيزات فرآيند NGH

جدول 5- هزينه نصب تجهيزات فرآيند NGH

جدو ل 6- مسافت بين بعضي از بازارهاي مصرف و منطقه عسلويه و تعداد رفت و برگشتها در سال

جدول 7- تعداد كلي كشتي هاي موردنياز و پارامترهاي اقتصادي براي بازارهاي مختلف گاز

جدول 8- هزينه كلي توليد NGH براي بازارهاي مصرف مختلف

نتايج

- گزينه هاي متعدد براي انتقال گاز طبيعي عبارتند از : GTW ، GTC ، GTL ، NGH ، CNG ، LNG ، PNG.

- ذخيره گاز طبيعي به صورت هيدرات براي انتقال گاز طبيعي در مقياس بزرگ به مسافتهاي دور بسيار مورد توجه مي باشد.

- انتقال گاز به صورت LNG و روش خطوط لوله نيازمند منابع گازي با ظرفيت بالا مي باشند.

- از ميان ساير رو شهاي ارائه شده روش GtC نيازمند هزينه سرمايه گذاري بسيار بالا مي باشد .

- علاوه بر افزودني هاي مناسب، شرايط تشكيل هيدرات (دما وفشار) بر روي ساختار هيدرات و ميزان ذخير هسازي آن مؤثر است .

- در روش NGH دماي آب دريا و دماي هيدرات ذخيره شده دو عامل مؤثر روي پارامترهاي اقتصادي هستند.

- كاربردهاي صنعتي فرآيندهاي ذخيره سازي با هيدرات با مشكلاتي نظير سرعت هاي كُند تشكيل هيدرات، آب درون شبكه اي واكنش نكرده به عنوان درصد بزرگي از جرم هيدرات، قابليت اطمينان (اعتبار) ظرفيت ذخيره سازي هيدرات و اقتصاد فرايند افزايش مقياس مواجه شده است.

- براي از بين بردن موانع و مشكلات فوق، اثر سورفكتانت ها و هيدروكربنهاي مايع بر تشكيل هيدرات خصوصاً بررسي افزايش سرعت تشكيل هيدرات گازي و بهبود ظرفيت ذخيره هيدرات از تحقيقات جديد هستند.

- به منظور اصلاح ساخت ار كريستال و افزايش ظرفيت ذخيره سازي از افزودني هاي مناسب، نظير POM , APG , SDBS استفاده مي شود. SDBS در غلظت هاي كم و APG در غلظت هاي بالا در تشكيل هيدرات مؤثر مي باشند.