BE1029758B1

BE1029758B1 - Ammoniak-Synthese-Vorrichtung

Info

Publication number: BE1029758B1
Application number: BE20215727A
Authority: BE
Inventors: Bernd Mielke; Evgeni Gorval
Original assignee: Thyssenkrupp Ind Solutions Ag; Thyssenkrupp Ag
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2023-04-11
Also published as: BE1029758A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ammoniakanlage, wobei die Ammoniakanlage einen Konverter 10, einen ersten Wärmetauscher 20 und eine Abtrennungsvorrichtung 30 aufweist, wobei der Konverter 10 und der erste Wärmetauscher 20 derart über eine Produktgasverbindung 40 miteinander verbunden sind, dass das Ammoniaksyntheseproduktgas aus dem Konverter 10 über den ersten Wärmetauscher 20 zur Abtrennungsvorrichtung 30 geführt wird, wobei die Abtrennungsvorrichtung 30 und der Konverter 10 derart über eine Eduktgasverbindung 50 miteinander verbunden sind, dass das Kreislaufgas von der Abtrennungsvorrichtung 30 zum Konverter 10 geführt wird, wobei die Ammoniakanlage eine Wasserstoffzuführung 60 aufweist, wobei die Wasserstoffzuführung 60 über einen zweiten Wärmetauscher 80 mit dem Konverter 10 verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakanlage einen ersten elektrischen Heizer 70 aufweist, wobei die Ammoniakanlage eine Dampfturbine 90 aufweist, wobei der erste elektrische Heizer 70 mit dem Konverter 10 oder der Dampfturbine 90 verbindbar ist.

Description

. BE2021/5727

Ammoniak-Synthese-Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Synthese von Ammoniak.

Derzeit wird für die Ammoniaksynthese hauptsächlich Wasserstoff über die

Dampfreformierung und eine Wassergas-Shift-Reaktion aus Erdgas erzeugt. Da

Methan (CHa) zu Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) umgesetzt wird, führt dieses zu einer nennenswerten Kohlendioxid-Emission. Um diese zu reduzieren, wird zunehmend auf Wasserstoff aus anderen Quellen zurückgegriffen, beispielsweise auf die Elektrolyse von Wasser mittels regenerativ erzeugtem Strom. Dieses führt jedoch zu weiteren Veränderungen im Gesamtprozess, da nun zum einen Erdgas als

Brenngasquelle sowie die vergleichsweise hohen Brenntemperaturen im

Gesamtprozess nicht mehr zur Verfügung zu stehen. Dieses gilt beispielsweise und insbesondere für das Anfahren der Vorrichtung, wobei die Eduktgase erst auf eine für die Ammoniaksynthese notwendige Temperatur gebracht werden müssen, bevor der

Gesamtprozess durch die exotherm ablaufende Reaktion aufrechterhalten werden kann.

Aus der US 2004/0219088 A1 ist eine Ammoniakkleinanlage bekannt.

Aus der EP 3 730 456 A1 ist die Verwendung von erneuerbarer Energie in der

Ammoniaksynthese bekannt.

Aus der US 2002/0098129 A1 ist eine Vorrichtung zum Heizen eines Katalysators bekannt.

Aus der US 2002/0090329 A1 ist eine Wasserstoff-erzeugende Vorrichtung bekannt.

Ein weiterer Punkt ist, dass im Rahmen der Abkühlung des Produktgasstromes nach der Ammoniaksynthese Wassersattdampf anfällt, beispielsweise mit 330 °C bei etwa 130 bar, welcher aber nur bedingt nutzbar ist. Bisher wird dieser Sattdampf mit Hilfe der Verbrennung von Erdgas, beispielsweise bei der Abwärmenutzung der

Dampfreformierung auf etwa 535 °C überhitzt und kann dann beispielsweise zur

Stromerzeugung oder zum Turbinenantrieb der Kompressoren genutzt werden.

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Aufgabe der Erfindung ist es, die durch den Wegfall der Dampfreformierung entstehenden technischen Herausforderungen zu lösen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ammoniakanlage mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den

Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.

Die erfindungsgemäße Ammoniakanlage weist einen Konverter, einen ersten

Wärmetauscher und eine Abtrennungsvorrichtung auf. Im Konverter werden

Wasserstoff und Stickstoff zu Ammoniak umgesetzt. Da es sich aber um eine

Gleichgewichtsreaktion handelt, befinden sich im Ammoniaksyntheseproduktgas neben dem Produkt Ammoniak auch die Edukte Wasserstoff und Stickstoff. Der

Konverter und der erste Wärmetauscher sind derart über eine Produktgasverbindung miteinander verbunden, dass das Ammoniaksyntheseproduktgas aus dem Konverter über den ersten Wärmetauscher zur Abtrennungsvorrichtung geführt wird. In der

Abtrennvorrichtung wird das Produkt Ammoniak aus dem

Ammoniaksyntheseproduktgas wenigstens teilweise abgetrennt, zurück bleiben nicht umgesetzte Edukte und gegebenenfalls nicht abgetrenntes Produkt, also ein

Wasserstoff-Stickstoff-Ammoniak-Gemisch, welches als Kreislaufgas bezeichnet wird.

Die Abtrennungsvorrichtung und der Konverter sind derart über eine

Eduktgasverbindung miteinander verbunden, dass das Kreislaufgas von der

Abtrennungsvorrichtung zum Konverter geführt wird. Dieser Aufbau entspricht dem klassischen Kreislauf innerhalb des Haber-Bosch-Verfahrens.

Die Ammoniakanlage weist eine Wasserstoffzuführung auf. Die Wasserstoffzuführung kann beispielsweise an ein Wasserstoffversorgungsnetz angeschlossen sein. Ebenso kann die Wasserstoffzuführung an eine Wasserelektrolyse angeschlossen sein.

Wenn die Wasserstoffquelle nur Wasserstoff zur Verfügung stellt, beispielsweise bei einer Wasserelektrolyse und nicht ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch, wie beispielsweise bei der Dampfreformierung, so weist die Ammoniakanlage bevorzugt noch eine Luftzerlegung auf, wobei der Stickstoff aus der Luftzerlegung mit dem

Wasserstoff aus der Wasserstoffzuführung vermischt wird, bevor das Gasgemisch komprimiert, erwärmt und letztendlich im Konverter zu Ammoniak umgesetzt wird.

Die Wasserstoffzuführung ist über einen zweiten Wärmetauscher mit dem Konverter 5 verbunden. Durch den zweiten Wärmetauscher werden das

Ammoniaksyntheseproduktgas auf die für die Reaktion notwendige Temperatur von etwa 350 °C bis 400 °C gebracht werden.

Erfindungsgemäß weist die Ammoniakanlage einen ersten elektrischen Heizer auf. Die

Ammoniakanlage weist weiter eine Dampfturbine, beispielsweise zur Stromerzeugung oder zum Antrieb der Kompressoren, auf. Der erste elektrische Heizer ist mit dem

Konverter oder der Dampfturbine verbindbar. Dieses bedeutet, dass während des

Anfahrens der erste elektrische Heizer mit dem Konverter verbunden und im kontinuierlichen Regelbetrieb ist der erste elektrische Heizer mit der Dampfturbine verbunden. Verbindbar ist somit bevorzugt durch Ventile realisiert, sodass das durch den elektrischen Heizer wahlweise während des Anfahrens ein Wasserstoff-Stickstoff-

Gemisch, mit steigendem Ammoniakanteil während des Anfahrens, aus dem zweiten

Wärmetauscher 80 zugeführt, dort erwärmt und dem Konverter 10 zugeführt wird, oder während des Regelbetriebs Dampf von dem ersten Wärmetauscher 20 dort überhitzt und an die Dampfturbine geleitet werden kann.

Der erste Wärmetauscher kann auch kaskadiert aufgebaut sein, also beispielsweise aus einem ersten Wärmetauscher und einem zweiten ersten Wärmetauscher bestehen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Wärmetauscher derart mit dem ersten elektrischen Heizer verbindbar, dass der im ersten Wärmetauscher erzeugte Wasserdampf in den ersten elektrischen Heizer geführt wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Wärmetauscher derart mit dem Konverter verbunden, dass der Eduktgasstrom von dem zweiten

Wärmetauscher schaltbar direkt oder über den ersten elektrischen Heizer in den

Konverter geführt wird.

‘ BE2021/5727

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Dampfturbine mit einem

Generator zur Stromerzeugung verbunden.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Dampfturbine mit einem Kompressor verbunden.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Anfahren und

Betreiben einer erfindungsgemäßen Ammoniakanlage. Während des Anfahrens versorgt der erste elektrische Heizer den dem Konverter zufließenden Eduktstrom.

Nach dem Anfahren im Regelbetrieb überhitzt der erste elektrische Heizer Dampf aus dem ersten Wärmetauscher und der überhitze Wasserdampf wird zur Dampfturbine geleitet.

Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Ammoniakanlage anhand eines in der

Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 Schematische Darstellung einer Ammoniakanlage

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Ammoniakanlage schematisch dargestellt. Aus einer Wasserstoffzuführung 60 wird Wasserstoff zugeführt, beispielsweise kann die

Wasserstoffzuführung aus einem Wasserstoffnetz gespeist werden oder aus einer

Wasserelektrolyse. Als zweites Edukt wird Stickstoff benötigt, welcher mittels einer

Luftzerlegung 110 bereitgestellt wird. Diese Edukte werden gemeinsam in einen zweiten Wärmetauscher geführt und dort durch den aus dem Konverter 10 kommenden Produktgasstrom erwärmt. Ab diesem Punkt unterscheidet sich die

Führung zwischen dem Anfahren und dem Regelbetrieb.

Im Regelbetrieb ist das erste Ventil 120 geschlossen und das zweite Ventil 130 geöffnet. Dadurch wird der durch den zweiten Wärmetauscher 80 auf

Reaktionstemperatur erwärmte Eduktgasstrom 50 direkt dem Konverter 10 zugeführt.

Dazu passiert der Eduktgasstrom 50 das geöffnete zweite Ventil 130, das erste Ventil 120 ist geschlossen. Im Konverter 10 erfolgt die Umsetzung von Wasserstoff und

Stickstoff zu Ammoniak, wobei sich das Gasgemisch erwärmt. Der Produktgasstrom wird aus dem Konverter 10 zunächst in einen ersten Wärmetauscher 20 geleitet

) BE2021/5727 und gibt hier die bei der Reaktion entstandene Wärme ab. Anschließend wird der

Produktgasstrom 40 von dem ersten Wärmetauscher 20 in den zweiten

Wärmetauscher 80 geleitet, wo dieser weitere Wärme an den Eduktgasstrom 50 abgibt. Abgekühlt wird der Produktgasstrom 40 dann in die Abtrennungsvorrichtung 30 geleitet, wo das Produkt Ammoniak abgeschieden wird. Vor der Abtrennvorrichtung 30 können weitere Wärmetauscher angeordnet sein, um das Gasgemisch zur besseren

Abtrennung weiter zu kühlen. Von der Abtrennvorrichtung 30 wird das Gasgemisch, welches hauptsächlich Wasserstoff und Stickstoff und gegebenenfalls Ammoniak aufweist, zurück in den Kreislauf gebracht, wozu die Abtrennvorrichtung 30 mit dem zweiten Wärmetauscher 80 verbunden ist. Die Gasströme aus der Abtrennvorrichtung werden vor dem zweiten Wärmetauscher 80 mit dem Wasserstoff aus der

Wasserstoffzuführung 60 und dem Stickstoff aus der Luftzerlegung 110 vereint.

Hierbei können diese beiden Gasströme bevorzugt vor ihrer Vereinigung jeweils einzeln durch zwei Kompressoren verdichtet werden, um die für den Haber-Bosch-

Prozess notwendigen Druck zu erreichen. Eine gemeinsame Verdichtung ist weniger bevorzugt, da die beiden Gasströme sehr unterschiedliche Eingangsdrücke aufweisen. Die Edukte, der Wasserstoff aus der Wasserstoffzuführung 60 und der

Stickstoff aus der Luftzerlegung 110, können zum Vereinen mit dem Produktstrom 40 direkt zu beziehungsweise unmittelbar vor der Abtrennvorrichtung 30 geleitet werden.

Dies ist besonders dann bevorzugt, wenn die Eduktströme das Restwasser haben und dieses in der Abtrennvorrichtung 30 zusammen mit dem abgetrennten Ammoniak ausgewaschen wird.

Neben diesem Kreislauf zur Synthese des Ammoniaks wird der in dem ersten

Wärmetauscher 20 erzeugte Dampf (Sattdampf mit beispielsweise 330 °C und etwa 130 bar) durch das geöffnete dritte Ventil 140 in den elektrischen Heizer geleitet, dort von beispielsweise etwa 330 °C auf beispielsweise 500 °C bis 550 °C erhitzt. Bei geschlossenem vierten Ventil 150 wird der Dampf über das geöffnete fünfte Ventil 160 zur Dampfturbine 90 geführt, die im gezeigten Beispiel einen Generator 100 antreibt.

Von diesem Regelbetrieb unterscheidet sich das Anfahren der Ammoniakanlage deutlich. Das dritte Ventil 140 und das fünfte Ventil 160 sind geschlossen, es wird kein

Dampf auf die Dampfturbine 90 geleitet. Weiter ist auch das zweite Ventil 130 geschlossen und dafür sind das ersten Ventil 120 und das vierte Ventil 150 geöffnet.

° BE2021/5727

Hierdurch werden die Edukte von der Wasserstoffzuführung 60 und der Luftzerlegung 100 über den zweiten Wärmetauscher 80 nun zunächst in den elektrischen Heizer geleitet, dort aufgeheizt und von dort in den Konverter 10. Dieser Vorgang wird solange so geführt, bis der Konverter 10 ausreichend heiß ist, sodass die Reaktion in ausreichendem Umfange läuft und selber ausreichen Energie erzeugt. Dann wird das zweite Ventil 130 geöffnet und das erste Ventil 120 und das vierte Ventil 150 geschlossen. Wenn die Reaktion sich darüber hinaus weiter beschleunigt, wird das dritte Ventil 140 und das fünfte Ventil 160 geöffnet, Wasser oder Wasserdampf in den ersten Wärmetauscher 20 geleitet, dort auf beispielsweise 330 °C erwärmt, dann in den elektrischen Heizer 70 geleitet, dort beispielsweise auf 525 °C erhitzt und von dort auf die Dampfturbine 90 geleitet, die mit der Energie wiederrum den Generator 100 antreibt und Strom erzeugt, welcher teilweise für den elektrischen Heizer 70 benôtigt wird.

Da der elektrische Heizer 70 somit zwei verschiedenen Medien ausgesetzt ist, kann zwischen den beiden Betriebszuständen, die bisher gezeigt wurden, ein Spülvorgang vorgesehen sein. Beispielsweise kann das erste Ventil 120 und/oder das dritte Ventil 140 als Drei-Wege-Ventil ausgeführt sein, wobei der dritte Anschluss beispielsweise mit der Luftzerlegung 110 verbunden werden kann, um Stickstoff als Spülfluid einzuleiten. Ebenso, zusätzlich oder alternativ, kann das vierte Ventil 150 und/oder das fünfte Ventil 160 ebenfalls als Drei-Wege-Ventil ausgeführt sein, wobei der dritte

Anschluss beispielsweise mit einer Pumpe verbunden ist, um das in dem elektrischen

Heizer 70 befindliche Gasvolumen schnell zu entfernen.

Bezugszeichen 10 Konverter 20 erster Wärmetauscher

Abtrennungsvorrichtung

Produktgasstrom 30 50 Eduktgasstrom 60 Wasserstoffzuführung 70 elektrische Heizer 80 zweiter Wärmetauscher 90 Dampfturbine

' BE2021/5727 100 Generator 110 Luftzerlegung 120 erstes Ventil 130 zweites Ventil 140 drittes Ventil 150 viertes Ventil 160 fünftes Ventil

Claims

Patentansprüche

1. Ammoniakanlage, wobei die Ammoniakanlage einen Konverter (10), einen ersten Wärmetauscher (20) und eine Abtrennungsvorrichtung (30) aufweist, wobei der 5 Konverter (10) und der erste Wärmetauscher (20) derart über eine Produktgasverbindung (40) miteinander verbunden sind, dass das Ammoniaksyntheseproduktgas aus dem Konverter (10) über den ersten Wärmetauscher (20) zur Abtrennungsvorrichtung (30) geführt wird, wobei die Abtrennungsvorrichtung (30) und der Konverter (10) derart über eine Eduktgasverbindung (50) miteinander verbunden sind, dass das Kreislaufgas von der Abtrennungsvorrichtung (30) zum Konverter (10) geführt wird, wobei die Ammoniakanlage eine \Wasserstoffzuführung (60) aufweist, wobei die Wasserstoffzuführung (60) über einen zweiten Wärmetauscher (80) mit dem Konverter (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakanlage einen ersten elektrischen Heizer (70) aufweist, wobei die Ammoniakanlage eine Dampfturbine (90) aufweist, wobei der erste elektrische Heizer (70) mit dem Konverter (10) oder der Dampfturbine (90) verbindbar ist.

2. Ammoniakanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (20) derart mit dem ersten elektrischen Heizer (70) verbindbar ist, dass der im ersten Wärmetauscher (20) erzeugte Wasserdampf in den ersten elektrischen Heizer (70) geführt wird.

3. Ammoniakanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (80) derart mit dem Konverter (10) verbunden ist, dass der Eduktgasstrom (50) von dem zweiten Wärmetauscher (80) schaltbar direkt oder über den ersten elektrischen Heizer (70) in den Konverter (10) geführt wird.

4. Ammoniakanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfturbine (90) mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden ist.

5. Ammoniakanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfturbine (90) mit einem Kompressor verbunden ist.

) BE2021/5727

6. Verfahren zum Anfahren und Betreiben einer Ammoniakanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Anfahrens der erste elektrische Heizer (70) den dem Konverter (10) zufließenden Eduktstrom (50) erwärmt, wobei nach dem Anfahren im Regelbetrieb der erste elektrische Heizer (70) Dampf aus dem ersten Wärmetauscher (20) überhitzt und der überhitze Wasserdampf zur Dampfturbine (90) geleitet wird.