BE1029714B1 - Ammoniaksynthese mit CO2-neutralem Wasserstoff - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur CO2–neutralen Wasserstoffherstellung und anschließenden Weiterverarbeitung zu Ammoniak.
Description
Ammoniaksynthese mit CO2-neutralem Wasserstoff
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur COz—neutralen
Wasserstoffherstellung und anschließenden Weiterverarbeitung zu Ammoniak.
Heute wird der größte Teil des Wasserstoffs für die Ammoniaksynthese aus Methan mittels Dampfreformierung erzeugt. Aufgrund der großen Menge an hergestelltem
Ammoniak hat dieses einen großen Einfluss auf die weltweiten CO2-Emissionen.
Es ist daher wünschenswert, die CO2 Emissionen zu reduzieren. Eine diskutierte
Möglichkeit ist die Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen, beispielsweise aus Solarstrom. Aufgrund des hohen
Energiebedarfs für die elektrochemische Wasserspaltung ist dieses Verfahren jedoch energetisch ungünstig und daher vergleichsweise teuer. Es hat jedoch eine hohe
Berechtigung bei der Umwandlung beispielsweise von Solarstrom beispielsweise in
Ammoniak als eine leicht zu lagernde, leicht zu transportierende und leicht wieder zugänglich zu machende Energiespeicherform.
Um jedoch den hohen Bedarf insbesondere in der Düngemittelindustrie kostensensitiv bedienen zu können, ist die Suche nach Alternativen sinnvoll.
Aus der US 7 094 384 B1 ist die thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen und die Synthese von Ammoniak bekannt.
Aus der WO 2002 038 499 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Ammoniak aus einem
Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch aus Erdgas bekannt.
Aus der US 2019 0144768 A1 ist die Synthese von Ammoniak bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige aber CO2-freie Wasserstoffquelle für die großtechnische Ammoniaksynthese bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen.
° BE2021/5673
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden
Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Ammoniaksynthesevorrichtung dient zur Erzeugung von
Wasserstoff und zur Umsetzung des Wasserstoffs in Ammoniak. Die
Ammoniaksynthesevorrichtung weist einen Konverter zur Umsetzung von Stickstoff und
Wasserstoff zu Ammoniak auf. Entsprechende Konverter sind dem Fachmann bekannt und laufen üblicher Weise nach dem Haber-Bosch-Verfahren, also bei erhöhter
Temperatur und hohem Druck an einem entsprechenden Katalysator. Weiter weist die
Ammoniaksynthesevorrichtung eine Abtrennungsvorrichtung zur Abtrennung des
Ammoniaks aus dem Gasstrom auf. Auch dieses ist aus dem klassischen Haber-Bosch-
Verfahren bekannt. Die Ammoniaksynthesevorrichtung weist einen Edukteingang und einen Produktausgang auf, die Abtrennungsvorrichtung weist einen Gasgemischeingang und einen Eduktgasausgang auf. Der Produktausgang der
Ammoniaksynthesevorrichtung ist mit dem Gasgemischeingang der
Abtrennungsvorrichtung verbunden und der Eduktgasausgang der
Abtrennungsvorrichtung ist mit dem Edukteingang der Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden. Hierdurch wird nicht umgesetztes Gasgemisch aus Wasserstoff und
Stickstoff in einem Kreis gefahren, wie auch dieses aus dem klassischen Haber-Bosch-
Verfahren bekannt ist. Der Produktausgang der Ammoniaksynthesevorrichtung ist über einen ersten Wärmetauscher mit dem Gasgemischeingang der Abtrennungsvorrichtung verbunden. Hierdurch kann die bei der Ammoniaksynthese entstehende Wärme des exothermen Prozesses abgeführt werden.
Erfindungsgemäß weist die Ammoniaksynthesevorrichtung einen Pyrolysereaktor zur
Umsetzung von Kohlenwasserstoff in Kohlenstoff und Wasserstoff auf. Der
Pyrolysereaktor weist einen Kohlenwasserstoffeingang und einen Wasserstoffausgang auf. Der Wasserstoffausgang des Pyrolysereaktors ist mit dem Edukteingang der
Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden. Weiter ist der Eduktgasausgang der
Abtrennungsvorrichtung mit dem Kohlenwasserstoffeingang des Pyrolysereaktors verbunden. In einem Pyrolysereaktor wird ein Kohlenwasserstoff in Kohlenstoff (fest) und
Wasserstoff (gasförmig) aufgetrennt. Hierdurch entsteht im Gegensatz zum derzeit üblichem Verfahren der Dampfreformierung und einer anschließenden Wassergas-Shift-
Reaktion kein CO2, sondern Kohlenstoff in fester Form. Dieser kann vergleichsweise sicher gelagert werden, um so COz-Emissionen sicher zu vermeiden. Ebenso kann der
Kohlenstoff auch in einer nicht CO2-Emissionen verursachenden Weise weiterverwendet werden. 5 Da die Pyrolyse nicht vollständig abläuft, kann ein gewisser Rest an Kohlenwasserstoffen im Wasserstoffstrom verbleiben. Da anschlieBend in der Ammoniaksynthese ein
Kreislauf zwischen dem Konverter und der Abtrennungsvorrichtung besteht, würden diese Kohlenwasserstoffe sich mit der Zeit anreichern. Um dieses Problem zu lösen wird ein Teilstrom zwischen der Abtrennungsvorrichtung und dem Konverter abgetrennt und zurück in den Pyrolysereaktor gebracht, wo die Kohlenwasserstoffe pyrolysiert werden können. Dadurch stellt sich ein geringes aber stabiles Niveau an Kohlenwasserstoffen im
Ammoniaksynthesekreislauf ein.
Ein weiterer Effekt ist, dass durch die Pyrolyse im Gegensatz zur Dampfreformierung kein
Kohlenmonoxid entstehen kann. Es kann daher auf eine Vorrichtung zur Umwandlung von Kohlenmonoxid in Methan zwischen dem Dampfreformer und dem eigentlichen
Haber-Bosch-Prozess verzichtet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist nach dem Pyrolysereaktor und vor dem Konverter ein Methanisator angeordnet. Beispielsweise bei reinem Methan als Edukt wäre dieser nach einer Dampfreformierung üblicherweise notwendige Schritt entbehrlich, da ohne Sauerstoff kein Kohlenmonoxid als Katalysatorgift entstehen kann. Es gibt jedoch Erdgasvorkommen, die einen Anteil an Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid aufweisen. Bei der Verwendung eines solchen Ausgangsstoffes wäre die Verwendung eines Methanisators zur Umsetzung von gegebenenfalls vorhandenem Kohlenmonoxid mit Wasserstoff zu Methan und Kohlendioxid sinnvoll, um den Katalysator im Konverter zu schützen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der die Abtrennvorrichtung verlassende Ammoniaksyntheseeduktgasstrom mittels eines regelbaren Ventils in einen ersten Teilstrom zum Konverter und einen zweiten Teilstrom zum Pyrolysereaktor geteilt.
Besonders bevorzugt ist das regelbare Ventil mit einer Steuervorrichtung verbunden, wobei die Steuervorrichtung mit einer Analysevorrichtung verbunden ist, wobei die
Analysevorrichtung innerhalb des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes zwischen der
* BE2021/5673
Abtrennvorrichtung und dem Konverter einschließlich des ersten Teilstromes oder innerhalb des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes zwischen dem Konverter und der
Abtrennvorrichtung angeordnet ist. Die Analysevorrichtung ist zur quantitativen
Erfassung von Kohlenwasserstoffen ausgebildet. Hierbei umfasst zur quantitativen
Erfassung von Kohlenwasserstoffen sowohl eine direkte Erfassung der Konzentration der
Kohlenwasserstoffe als auch die Erfassung einer Größe, die mit der Konzentration der
Kohlenwasserstoffe korreliert ist, beispielsweise die Wärmekapazität. Je höher die
Konzentration an Kohlenwasserstoff innerhalb des Haber-Bosch-Kreislaufes ist, umso größer wird der Anteil des zweiten Teilstroms im Verhältnis zum ersten Teilstrom gewählt, indem die Steuervorrichtung das regelbare Ventil entsprechend steuert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die
Ammoniaksynthesevorrichtung eine Luftzerlegungsvorrichtung auf. Die
Luftzerlegungsvorrichtung weist einen Stickstoffauslass auf, wobei der Stickstoffauslass der Luftzerlegungsvorrichtung mit dem Edukteingang der Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden ist. Bevorzugt ist der Stickstoffauslass der Luftzerlegungsvorrichtung Über einen Stickstoffkompressor mit dem Edukteingang der Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden ist. Die Luftzerlegungsvorrichtung weist weiter einen Sauerstoffauslass auf.
Der Sauerstoff kann entweder in anderen Prozessen genutzt oder einfach an die
Umgebungsluft abgegeben werden. Bevorzugt weist die Luftzerlegungsvorrichtung eine
Membran zur Luftzerlegung auf, da diese energieeffizienter als eine Luftzerlegung nach dem Linde-Verfahren ist. Alternativ könnte beispielsweise Stickstoff auch aus der
Verdampfung von flüssigem Stickstoff gewonnen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Stickstoffauslass der
Luftzerlegungsvorrichtung Über eine Sauerstofffiltervorrichtung mit dem Edukteingang der Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden. Da nach einem Pyrolyseprozess nicht sichergestellt ist, dass der Wasserstoffstrom keine Kohlenwasserstoffe enthält, wäre es kritisch, wenn Sauerstoff auch in geringer Konzentration eingebracht wird, da hierdurch
Kohlenmonoxid entstehen könnte, welches wiederum als Katalysatorgift zu vermeiden ist. Eine Sauerstofffiltervorrichtung kann beispielsweise in eine große Oberfläche eines leicht korrodierenden Materials, beispielsweise eines unedlen Metalls, aufweisen.
Hierdurch wird möglicher Sauerstoff chemisch an der Oberfläche gebunden. Die Wirkung
) BE2021/5673 kann durch ein Magnetfeld gesteigert werden, da Sauerstoff paramagnetisch und
Stickstoff diamagnetisch ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Stickstoffauslass der
Luftzerlegungsvorrichtung über den ersten Wärmetauscher mit dem Edukteingang der
Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden. Auf diese Weise ist es vergleichsweise einfach möglich, den Stickstoffstrom auf die Temperatur zu bringen, die dieser bei der
Zuführung zum Konverter aufweisen sollte.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Wärmetauscher mit einem
Wärmetauschfluidsystem verbunden. Der Stickstoffauslass der
Luftzerlegungsvorrichtung ist über den zweiten Wärmetauscher mit dem Edukteingang der Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden. Weiter ist der Kohlenwasserstoffeingang des Pyrolysereaktors mit einer Kohlenwasserstoffquelle verbunden, wobei der
Kohlenwasserstoffeingang des Pyrolysereaktors über einen dritten Wärmetauscher mit einer Kohlenwasserstoffquelle verbunden ist. Der zweite Wärmetauscher und der dritte
Wärmetauscher sind mit dem Wärmetauschfluidsystem verbunden. Hierdurch ist es möglich, die am ersten Wärmetauscher über ein Wärmetauscherfluid an den zweiten
Wärmetauscher und an den dritten Wärmetauscher zu geben und so beide Eduktströme zu erwärmen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kohlenwasserstoffeingang des
Pyrolysereaktors mit einer Kohlenwasserstoffquelle verbunden, wobei der
Kohlenwasserstoffeingang des Pyrolysereaktors über den ersten Wärmetauscher mit einer Kohlenwasserstoffquelle verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Wasserstoffausgang des
Pyrolysereaktors über einen ersten Kompressor mit dem Edukteingang der
Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden. Weiter ist der Eduktgasausgang der
Abtrennungsvorrichtung über eine Entspannungsvorrichtung mit dem
Kohlenwasserstoffeingang des Pyrolysereaktors verbunden. Der erste Kompressor ist mit der Entspannungsvorrichtung gekoppelt. Üblicherweise läuft der Haber-Bosch-
Prozess unter sehr hohen Drücken, um das Gleichgewicht zum Produkt Ammoniak zu verschieben. Die Pyrolyse wird hingegen oft bei geringeren Drücken durchgeführt. Um
° BE2021/5673 die Energie zu nutzen, welche das in den Pyrolysereaktor zurückgeführte Gas abgibt, wenn es von hohem Druck auf ein niedrigeres Druckniveau des Pyrolysereaktors gebracht wird, koppelt man den ersten Kompressor mit der Entspannungsvorrichtung, beispielsweise über nur eine gemeinsame Achse.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Pyrolysereaktor für einen Druck von 1 bar bis 20 bar und eine Temperatur von 600 °C bis 1500 °C ausgelegt. Besonders bevorzugt ist der Pyrolysereaktor für einen Druck von 2 bar bis 10 bar ausgelegt.
Hinsichtlich der Temperatur gibt es verschiedene optimale Temperaturbereiche, welche auf unterschiedliche Arten der Pyrolyse zurückzuführen sind. Der Pyrolysereaktor weist bevorzugt eine Metallschmelze, ein Wanderbett oder ein Plasma auf. Diese Technologien der Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen als technologisch reif für den großtechnischen
Einsatz herausgestellt. Daher kann der Pyrolysereaktor beispielsweise für einen
Temperaturbereich von 600 °C bis 900 °C ausgelegt sein. Dieses ist beispielsweise für einen Metallschmelze-Pyrolysereaktor optimal. Alternativ kann der Pyrolysereaktor auf einen Temperaturbereich von 900 °C bis 1500 °C, bevorzugt von 1200 °C bis 1500 °C, ausgelegt sein.
Besonders bevorzugt kann der Pyrolysereaktor gemäß der WO 2019/145279 A1 _ ausgeführt sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Pyrolysereaktor eine elektrische Heizung auf. Hierdurch ist es möglich, unter Verwendung von Strom aus regenerativen Energiequellen CO2-Emissionen für die Aufbringung der für die Pyrolyse benötigten Energie zu vermeiden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Synthese von Ammoniak aus einem Kohlenwasserstoff, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Zuführen eines Kohlenwasserstoffes in einen Pyrolysereaktor, b) Pyrolysieren des Kohlenwasserstoffs zu Kohlenstoff und Wasserstoff im
Pyrolysereaktor, c) Leiten des Wasserstoffs aus dem Pyrolysereaktor in einen Konverter, d) Zuführen von Stickstoff zum Konverter, e) Umsetzen des Wasserstoffs und des Stickstoffs zu Ammoniak in den Konverter,
' BE2021/5673 f) Abkühlen des Ammoniaksyntheseproduktgasstromes in einem ersten
Wärmetauscher, g) Abtrennen des Ammoniaks aus dem Ammoniaksyntheseproduktgasstrom in einer
Abtrennvorrichtung und Erhalt eines Ammoniaksyntheseeduktgasstromes,
Dh) Teilen des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom, ) Leiten des ersten Teilstromes in den Konverter,
Î) Leiten des zweiten Teilstromes in den Pyrolysereaktor.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren auf einer erfindungsgemäBen
Vorrichtung durchgeführt.
Durch die Verfahrensschritte h) und j) wird ein Teil des
Ammoniaksyntheseeduktgasstromes zurückgeführt, um darin enthaltene
Kohlenwasserstoffe zu zersetzen und so eine Anreicherung zu verhindern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Pyrolyse in Schritt b) nicht katalytisch. Es erfolgt also bevorzugt eine rein thermische Pyrolyse.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt b) Methan pyrolysiert.
Zum einen ist die Pyrolyse von Methan an sich vorteilhaft, zum anderen wird in der heute für die Ammoniaksynthese eingesetzten Dampfreformierung ebenfalls hauptsächlich
Methan eingesetzt, sodass eine Umstellung auf das erfindungsgemäße Verfahren vergleichsweise einfach möglich ist und bei Verwendung der bestehenden
Versorgungsinfrastruktur die CO2-Emissionen deutlich zu senken vermag.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird beim Zuführen des
Kohlenwasserstoffs in Schritt a) dieser mittels der im ersten Wärmetauscher dem
Ammoniaksyntheseproduktgasstrom entzogenen Energie erwärmt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei Zuführen des Stickstoffs in
Schritt d) dieser mittels der im ersten Wärmetauscher dem
Ammoniaksyntheseproduktgasstrom entzogenen Energie erwärmt.
° BE2021/5673
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Wasserstoffstrom beim Leiten aus dem Pyrolysereaktor in den Konverter in Schritt c) verdichtet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Teilstrom entspannt, wobei die durch das entspannen gewonnene Energie zum Verdichten des
Wasserstoffstroms genutzt wird. Dieses kann bevorzugt dadurch erfolgen, dass der erste
Kompressor und die Entspannungsvorrichtung beispielsweise über eine gemeinsame
Welle gekoppelt sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden der Pyrolysereaktor und der
Konverter beim gleichen Druck betrieben. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt, da auf diese Weise Energieverluste durch Kompression und Dekompression vermieden werden. Auf der anderen Seite stellt diese Ausführungsform sehr hohe
Anforderungen an den Pyrolysereaktor, um eine RuBbildung in der Gasphase zu vermeiden, da durch den vergleichsweise hohen Druck und den damit geringeren mittleren Abstand der Moleküle in der Gasphase die Gefahr der Bildung von
Kohlenstoffpartikeln in der Gasphase vergleichsweise hoch ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Teilen des
Ammoniaksyntheseeduktgasstromes in Schritt h) in Abhängigkeit des
Kohlenwasserstoffanteils des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes. Insbesondere wird der Kohlenwasserstoffanteil im Ammoniaksyntheseeduktgasstrom oder auch im
Ammoniaksyntheseproduktgasstrom direkt oder indirekt erfasst. Eine direkte Erfassung wäre beispielsweise mittels IR möglich, eine indirekte Erfassung wäre beispielsweise mittels Wärmeleitfähigkeitsmessung möglich. Je höher der erfasste
Kohlenwasserstoffanteil ist, umso höher wird der Anteil des zweiten Teilstroms eingestellt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Pyrolysereaktor elektrisch beheizt. Dadurch ist die Verwendung von Energie aus einer regenerativen Energiequelle und somit ohne CO2-Emissionen besonders einfach möglich. Besonders bevorzugt weist die Ammoniaksynthesevorrichtung hierzu eine Windkraftanlage, eine Solaranlage und einen Energiespeicher auf. Durch diesen Energiemix und die Zwischenspeicherung ist
) BE2021/5673 ein kontinuierlicher Betrieb vergleichswiese zuverlässig möglich. Im Bedarfsfall kann elektrische Energie aus einem Öffentlichen Versorgernetz hinzugezogen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Kohlenstoff, welcher im Schritt b) erzeugt wird, deponiert, also endgelagert. Hierdurch wird ein Eintrag des Kohlenstoffs in Form von CO: in die Atmosphäre langfristig und sicher vermieden.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 erstes Ausführungsbeispiel
Fig. 2 zweites Ausführungsbeispiel
Fig. 3 drittes Ausführungsbeispiel
Fig. 4 viertes Ausführungsbeispiel
Fig. 5 fünftes Ausführungsbeispiel
Fig. 6 sechstes Ausführungsbeispiel
Gleiche Bauteile sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen jeweils mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
Das erste Ausführungsbeispiel wird im Folgenden ausführlicher beschrieben, bei den weiteren Ausführungsbeispielen wird auf die Unterschiede eingegangen.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäBen
Ammoniaksynthesevorrichtung 10 gezeigt. Die Ammoniaksynthesevorrichtung 10 weist eine Kohlenwasserstoffquelle 150 auf, beispielsweise einen Anschluss an ein
Methangasnetz. Der Kohlenwasserstoff wird über einen Kohlenwasserstoffeingang 100 in einen Pyrolysereaktor 90 geleitet und dort thermisch, beispielsweise bei 1200 °C bis 1500 °C, zu Kohlenstoff und Wasserstoff umgesetzt. Beispielsweise ist der
Pyrolysereaktor als Wanderbettreaktor aufgebaut, wobei kalter Kohlenwasserstoff unten eingeleitet wird. Dieser steigt auf, während der Kohlenwasserstoff von im Gegenstrom kommenden Kohlenstoff erwärmt wird, wobei der Kohlenstoff sich wiederrum abkühlt. In der Mitte des Pyrolysereaktors 90 erfolgt eine elektrische Heizung der Kohlenstoffpartikel, die zu einer Pyrolyse des Kohlenwasserstoffs und damit zu einem Aufwachsen des
Kohlenstoffs führt. Beim weiteren Aufsteigen erwärmt der Wasserstoff den entgegenkommenden Kohlenstoff, wobei der Wasserstoff vorzugsweise in die Größe der
Temperatur des Haber-Bosch-Verfahrens abgekühlt wird. Der Wasserstoff verlässt den
Pyrolysereaktor 90 durch den Wasserstoffausgang 110. Der Wasserstoffstrom 190 wird mit dem ersten Kompressor 160 verdichtet und dem Edukteingang 40 des Konverters 20 zugeführt. Da der Wasserstoffstrom 190 im Gegensatz zur Dampfreformierung keinen
Stickstoff aufweist, wird der Stickstoff getrennt zugeführt. Dazu weist die
Ammoniaksynthesevorrichtung 10 eine Luftzerlegungsvorrichtung 120 auf. Der Stickstoff verlässt die Luftzerlegungsvorrichtung 120 über den Stickstoffauslass 130. Der
Stickstoffstrom wird im gezeigten Beispiel über eine optionale Sauerstofffiltervorrichtung 140 zum Edukteingang 40 des Konverters 20 geführt. Im Konverter 20 erfolgt die
Umsetzung von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak. Über den Produktausgang 50 verlässt der Ammoniaksyntheseproduktgasstrom 210 den Konverter 20 und wird über der ersten Wärmetauscher 80 in die Abtrennungsvorrichtung 30 über den
Gasgemischeingang 60 der Abtrennungsvorrichtung 30 zugeführt. Hier wird das Produkt
Ammoniak abgetrennt und über den Ammoniakausgang 230 beispielsweise einer
Harnstoffsynthese zugeführt. Übrig bleibt eine Mischung aus nicht umgesetzten
Wasserstoff und nicht umgesetzten Stickstoff, welche gegebenenfalls
Kohlenwasserstoffe aufweisen kann, welche im Pyrolysereaktor nicht oder nicht vollständig umgesetzt wurden. Diese Mischung verlässt als Ammoniaksynthese- eduktgasstrom 200 die Abtrennungsvorrichtung 30 über den Eduktausgang 70. Der größte Teil des Ammoniaksyntheseeduktgasstrom 200 wird als erster Teilstrom 240 direkt dem Edukteingang 40 des Konverters 20 wieder zugeführt. Ein anderer Teil des
Ammoniaksyntheseeduktgasstromes 220 wird als zweiter Teilstrom 250 am Ventil 270 abgetrennt und als zweiter Teilstrom 250 dem Kohlenwasserstoffeingang 100 des
Pyrolysereaktors 90 wieder zugeführt. Da die Ammoniaksynthese üblicherweise unter sehr viel höheren Drücken erfolgt, ist im zweiten Teilstrom 250 eine
Entspannungsvorrichtung 170 angeordnet, welche über eine Kopplung zur Nutzung der freigewordenen Energie mit dem ersten Kompressor 160 verbunden ist. Um den
Kohlenstoff aus dem Pyrolysereaktor 90 auszutragen weist dieser einen
Kohlenstoffausgang 260 auf.
Wie bereits beschrieben wird im Folgenden nur noch auf die Unterscheide zum ersten
Ausführungsbeispiel eingegangen.
Das in Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich um ersten
Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Stickstoffstrom direkt durch den ersten
Wärmetauscher 80 geführt wird, und so direkt durch die Prozesswärme der
Ammoniaksynthese erwärmt wird.
In Fig. 3 ist das dritte Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Kohlenwasserstoff aus der Kohlenwasserstoffquelle 150 direkt durch den ersten Wärmetauscher 80 geführt und so erwärmt wird. Hierdurch kann insbesondere der aus dem Kohlenstoffausgang 260 austretende Kohlenstoff vergleichsweise wärmer sein, weshalb dieser zur Erwärmung des Stickstoffstroms 200 genutzt werden könnte, was hier zur Vereinfachung jedoch nicht dargestellt ist.
Das in Fig. 4 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel weist zusätzlich zum ersten
Ausführungsbeispiel einen zweiten Wärmetauscher 280 im Stickstoffstrom 200 und einen dritten Wärmetauscher 290 zur Erwärmung des Kohlenwasserstoffs zwischen der
Kohlenwasserstoffquelle 150 und dem Pyrolysereaktor 90 auf. Der erste Wärmetauscher 80, der zweite Wärmetauscher 280 und der dritte Wärmetauscher 290 sind über ein
Wärmetauschfluidsystem miteinander verbunden, welches hier zur Vereinfachung weggelassen ist. Somit kann die entstandene Prozesswärme an beide Eduktströme abgegeben werden.
Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel, bei dem der Pyrolysereaktor 90 auf dem gleichen Druckniveau wie der Konverter 20 arbeitet. Hierzu wurde der erste Kompressor aus dem Wasserstoffstrom 190 verschoben und ist nun zwischen der
Kohlenwasserstoffquelle 150 und dem Pyrolysereaktor 90 angeordnet, die
Entspannungsvorrichtung 170 und damit auch die Kopplung 180 entfallen. Zusätzlich ist im Stickstoffstrom 200 ein zweiter Kompressor 300 angeordnet, welcher vorzugsweise auch in den anderen Ausführungsbeispielen vorhanden ist.
Das sechste Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 gezeigt und unterscheidet sich zum ersten
Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Stickstoffstrom nicht in den Wasserstoffstrom 190 und damit in den Edukteingang 40 des Konverters 20 mündet, sondern in den
Kohlenwasserstoffeingang 100 des Pyrolysereaktors 90. Der Vorteil dieser
Ausführungsform ist, dass dadurch die StoBwahrscheinlichkeit zwischen
Kohlenwasserstoffmolekülen und dadurch die Rußbildung reduziert werden kann.
Nachteilig ist dafür, dass der Stickstoff ebenfalls mit auf die Pyrolysetemperatur erhitzt werden muss. Diese Energie kann aber am Ende des Pyrolysereaktors 90 wieder zurückgewonnen werden.
Bezugszeichen
Ammoniaksynthesevorrichtung 20 Konverter 10 30 —Abtrennungsvorrichtung 40 Edukteingang 50 Produktausgang 60 Gasgemischeingang 70 Eduktgasausgang 80 erste Wärmetauscher 90 Pyrolysereaktor 100 Kohlenwasserstoffeingang 110 Wasserstoffausgang 120 Luftzerlegungsvorrichtung 130 Stickstoffauslass 140 Sauerstofffiltervorrichtung 150 Kohlenwasserstoffquelle 160 erster Kompressor 170 Entspannungsvorrichtung 180 Kopplung 190 Wasserstoffstrom 200 Stickstoffstrom 210 Ammoniaksyntheseproduktgasstrom 220 Ammoniaksyntheseeduktgasstrom 230 Ammoniakausgang 240 erster Teilstrom 250 zweiter Teilstrom 260 Kohlenstoffausgang 270 Ventil
280 zweiter Wärmetauscher 290 dritter Wärmetauscher, 300 zweiter Kompressor
Claims (15)
1. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) zur Erzeugung von Wasserstoff und zur Umsetzung des Wasserstoffs in Ammoniak, wobei die Ammoniaksynthesevorrichtung (10) einen Konverter (20) zur Umsetzung von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak aufweist, wobei die Ammoniaksynthesevorrichtung (10) eine Abtrennungsvorrichtung (30) zur Abtrennung des Ammoniaks aus dem Gasstrom aufweist, wobei die Ammoniaksynthesevorrichtung (10) einen Edukteingang (40) und einen Produktausgang (50) aufweist, wobei die Abtrennungsvorrichtung (30) einen Gasgemischeingang (60) und einen Eduktgasausgang (70) aufweist, wobei der Produktausgang (50) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) mit dem Gasgemischeingang (60) der Abtrennungsvorrichtung (30) verbunden ist, wobei der Eduktgasausgang (70) der Abtrennungsvorrichtung (30) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden ist, wobei der Produktausgang (50) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) über einen ersten Wärmetauscher (80) mit dem Gasgemischeingang (60) der Abtrennungsvorrichtung (30) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniaksynthesevorrichtung (10) einen Pyrolysereaktor (90) zur Umsetzung von Kohlenwasserstoff in Kohlenstoff und Wasserstoff aufweist, wobei der Pyrolysereaktor (90) einen Kohlenwasserstoffeingang (100) und einen Wasserstoffausgang (110) aufweist, wobei der Wasserstoffausgang (110) des Pyrolysereaktors (90) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) verbunden ist, wobei der Eduktgasausgang (70) der Abtrennungsvorrichtung (30) mit dem Kohlenwasserstoffeingang (100) des Pyrolysereaktors (90) verbunden ist.
2. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniaksynthesevorrichtung (10) eine Luftzerlegungsvorrichtung (120) aufweist, wobei die Luftzerlegungsvorrichtung (120) einen Stickstoffauslass (130) aufweist, wobei der Stickstoffauslass (130) der Luftzerlegungsvorrichtung (120) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) verbunden ist.
3. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffauslass (130) der Luftzerlegungsvorrichtung (120) über eine Sauerstofffiltervorrichtung (140) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) verbunden ist.
4. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffauslass (130) der Luftzerlegungsvorrichtung (120) über den ersten Wärmetauscher (80) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) verbunden ist.
5. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (80) mit einem Wärmetauschfluidsystem verbunden ist, wobei der Stickstoffauslass (130) der Luftzerlegungsvorrichtung (120) über den zweiten Wärmetauscher (280) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) verbunden ist, wobei der Kohlenwasserstoffeingang (100) des Pyrolysereaktors (90) mit einer Kohlenwasserstoffquelle (150) verbunden ist, wobei der Kohlenwasserstoffeingang (100) des Pyrolysereaktors (90) über einen dritten Wärmetauscher (290) mit einer Kohlenwasserstoffquelle (150) verbunden ist, wobei der zweite Wärmetauscher (280) und der dritte Wärmetauscher (290) mit dem Wärmetauschfluidsystem verbunden sind.
6. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoffeingang (100) des Pyrolysereaktors (90) mit einer Kohlenwasserstoffquelle (150) verbunden ist, wobei der Kohlenwasserstoffeingang (100) des Pyrolysereaktors (90) über den ersten Wärmetauscher (80) mit einer Kohlenwasserstoffquelle (150) verbunden ist.
7. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffausgang (110) des Pyrolysereaktors (90) über einen ersten Kompressor (160) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) verbunden ist, wobei der Eduktgasausgang (70) der Abtrennungsvorrichtung (30) über eine Entspannungsvorrichtung (170) mit dem Kohlenwasserstoffeingang (100) des
Pyrolysereaktors (90) verbunden ist, wobei der erste Kompressor (160) mit der Entspannungsvorrichtung (170) gekoppelt ist.
8. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolysereaktor (90) für einen Druck von 1 bar bis 20 bar und eine Temperatur von 600 °C bis 1500 °C ausgelegt ist.
9. Verfahren zur Synthese von Ammoniak aus einem Kohlenwasserstoff, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Zuführen eines Kohlenwasserstoffes in einen Pyrolysereaktor (90), b) Pyrolysieren des Kohlenwasserstoffs zu Kohlenstoff und Wasserstoff im Pyrolysereaktor (90), c) Leiten des Wasserstoffs aus dem Pyrolysereaktor (90) in einen Konverter (20), d) Zuführen von Stickstoff zum Konverter (20), e) Umsetzen des Wasserstoffs und des Stickstoffs zu Ammoniak in dem Konverter (20), f) Abkühlen des Ammoniaksyntheseproduktgasstromes (210) in einem ersten Wärmetauscher (80), g) Abtrennen des Ammoniaks aus dem Ammoniaksyntheseproduktgasstrom (210) in einer Abtrennvorrichtung und Erhalt eines Ammoniaksyntheseeduktgasstromes (220), h) Teilen des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes (220) in einen ersten Teilstrom (240) und einen zweiten Teilstrom (250), 1) Leiten des ersten Teilstromes (240) in den Konverter (20), j) Leiten des zweiten Teilstromes (250) in den Pyrolysereaktor (90).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zuführen des Kohlenwasserstoffs in Schritt a) dieser mittels der im ersten Wärmetauscher (80) dem Ammoniaksyntheseproduktgasstrom (210) entzogenen Energie erwärmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Zuführen des Stickstoffs in Schritt d) dieser mittels der im ersten
Wärmetauscher (80) dem Ammoniaksyntheseproduktgasstrom (210) entzogenen Energie erwärmt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffstrom (190) beim Leiten aus dem Pyrolysereaktor (90) in einen Konverter (20) in Schritt c) verdichtet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilstrom (250) entspannt wird, wobei die durch das entspannen gewonnene Energie zum Verdichten des Wasserstoffstroms (190) genutzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolysereaktor (90) und der Konverter (20) beim gleichen Druck betrieben werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilen des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes (220) in Schritt h) in Abhängigkeit des Kohlenwasserstoffanteils des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes (220) erfolgt.
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