DE102009024223A1 - Anlage zur Wiederverwendung von Ammoniak - Google Patents

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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bzw. ein nach dem Verfahren arbeitendes System (1) vorgestellt, mit dem ammoniakhaltige Medien aufgefangen werden und weiteren Verfahrensschritten zur Aufspaltung von Ammoniak in Stickstoff und Wasserstoff in einem Spaltgerät (2) unterzogen werden. Danach wird das Gasgemisch einer Gastrennvorrichtung (4) zugeführt, die das Gasgemisch in seine wesentlichen Bestandteile, Stickstoff und Wasserstoff, trennt und geeigneten Speichereinrichtungen (7, 8, 9) zuführt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Anlage zur Wiederverwendung von Ammoniak, welches als Prozessmedium in Anlagen verschiedener Industriebereiche als Abfallprodukt auftritt und i. d. R. verbrannt wird, insbesondere beim Härten von Stählen und in der Halbleiterindustrie, wobei Stickoxide (NOx) in höherer Konzentration entstehen und die Umwelt belasten.
  • Derartige Anlagen sind im Stand der Technik aus der DE 36 18 346 C2 bekannt. Diese Druckschrift offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entsorgung von aus Industrieöfen stammenden und mit Nitrieren oder Nitrocarborieren verwendeten Nitrieratmosphärengasen. Dabei werden die überflüssigen Atmosphärengase abgefackelt. Bei diesem Prozess werden die Atmosphärengase vor dem Abfackeln zum thermischen Vorspalten der Gasgemische auf eine Temperatur zwischen 450°C und 600°C aufgeheizt. Als nachteilig an diesem Verfahren wird es empfunden, dass durch das Abfackeln weitere Stickoxide entstehen, die in die Atmosphäre geblasen werden und damit die Umwelt belasten.
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage die nach einem bestimmten Verfahren arbeitet, bereitzustellen, die ammoniakhaltige Gase in seine Bestandteile aufspaltet und die daraus gewonnenen Gase mindestens einer Wiederverwendung zuführt.
  • Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Hauptansprüche gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Rückgewinnung und Aufspaltung von Ammoniak aus Medien, die mit Ammoniak beaufschlagt sind, mit mindestens einer Ammoniak-Spalteinrichtung und mindestens einem Reinigungsfilter und mindestens einer Gastrenneinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das mit Ammoniak beaufschlagte Medium mindestens eine Filtereinrichtung durchströmt und das mit Ammoniak beaufschlagte Medium der Ammoniak-Spalteinrichtung zugeführt wird und nach der Aufspaltung anschließend einer Gastrenneinrichtung zugeführt wird. Das System bzw. die Anlage, die nach diesem Verfahren arbeitet, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Spaltgerät und den Speichereinrichtungen eine Gastrenneinrichtung angeordnet ist.
  • Vorteilhaft ist es ferner, dass das flüssige Ammoniak einem Verdampfer zugeführt wird, in dem das flüssige Ammoniak in den gasförmigen Aggregatzustand überführt wird und anschließend der Spaltvorrichtung zugeführt wird.
  • Vorteilhaft ist es bei dem Verfahren, dass das aufgespaltene Gasgemisch in einer Gasspalteinrichtung in seine Hauptbestandteile Stickstoff und Wasserstoff aufgetrennt wird, die jeweils den dafür vorgesehenen Behältnissen zugeführt und gespeichert werden.
  • Ferner ist es vorteilhaft, dass das Spaltgerät bei einer Temperatur zwischen 800°C und 1.150°C betrieben wird, vorzugsweise jedoch zwischen 950°C und 1.000°C.
  • Vorteilhaft ist es auch, dass das aufzuspaltende Gas einem Spaltrohr zugeführt wird, dessen Materialien hitze- und säurebeständig sind.
  • Vorteilhaft ist es ferner, dass das ammoniakhaltige Mischgas in dem Spaltrohr einem nickelhaltigen handelsüblichen Katalysator bei einer Prozesstemperatur zwischen 950°C und 1.000°C zugeführt wird.
  • Vorteilhaft ist es ferner, dass mindestens vor dem Spaltgerät und/oder vor der Gastrenneinrichtung eine Filteranlage mit mindestens einem Filter zur Reinigung des Gases geschaltet ist.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Spaltgase (N2/H2) nach dem Spaltvorgang im Spaltgerät auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend gereinigt werden. Das Gas hat dann idealerweise einen Taupunk- Messwert von –30°C bis –33°C.
  • Vorteilhaft ist es auch, dass die Qualität des Gases mittels mindestens eines Taupunktsensors und mindestens einer Sauerstoffmesssonde überwacht wird.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Gastrenneinrichtung, hinter die Partikelfiltereinrichtung geschaltet wird.
  • Ferner ist es vorteilhaft, dass die Gasströme mittels einer regelbaren Drosselklappe gesteuert werden.
  • Vorteilhaft ist es auch, dass an vorbestimmten Stellen im Leitungssystem mindestens ein Gasdrucksensor zur Überwachung der Druckverhältnisse in den Gasleitungen angeordnet ist.
  • Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Im nun Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung im Detail erläutert. Es zeigt
  • 1: ein System (1) zum Aufspalten und Recyceln von Ammoniak.
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anlage bzw. eines Systems 1 zur Rückgewinnung und Wiederverwendung von ammoniakhaltigen Medien, die in Anlagen verschiedener Industriebetriebe entstehen. Die mit 6, 6' bezeichneten Einrichtungen stellen diese Anlagen dar. Der Aggregatzustand der ammoniakhaltigen Medien kann entweder flüssig oder gasförmig sein. Zur Weiterverwendung der ammoniakhaltigen Medien ist es für den vorliegenden Verfahrensprozess notwendig, dass das ammoniakhaltige Medium im gasförmigen Zustand vorliegt. Für den Fall, dass das ammoniakhaltige Medium bereits gasförmig in der Auffangvorrichtung 6, 6' vorliegt, wird das gasförmige Medium über die Leitung 19 direkt dem Spaltgerät 2 zugeführt. Bei Bedarf kann zwischen der Anlage 6 und dem Spaltgerät 2 mindestens ein Filter 3, 3' geschaltet sein, der feste Bestandteile, die im Gasgemisch des ammoniakhaltigen Mediums enthalten sind, herausfiltert. Für den Fall, dass das ammoniakhaltige Medium in flüssiger Form vorliegt, wird die Flüssigkeit aus der Anlage 6' einem Ammoniakverdampfer 14 zugeführt, wobei nach dem Ammoniakverdampfer ein Partikelfilter 3' geschaltet sein kann. Der Trockenverdampfer 14 wird elektrisch oder anderweitig beheizt und überführt das flüssige Medium in den gasförmigen Aggregatzustand vor der weiteren Verarbeitung.
  • Das so erzeugte gasförmige und gereinigte Medium wird dann einem Spaltgerät 2 zugeführt, das bei einer Temperatur zwischen 800°C und 1.100°C betrieben wird. Das Spaltgerät 2 besteht aus einem Isoliergehäuse 2', in dem eine Heizung, die hier nicht gezeigt ist, eingebaut ist. Dabei kann es sich um eine elektrische oder um eine Gasbrenneinrichtung handeln, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Die Isolierung im Isoliergehäuse 2' ist mehrschichtig aufgebaut und besteht aus keramischer Fasermatte und einer mikroporösen Isolierplatte mir sehr hohem Isolierwert. Des weiteren ist das Heizelement in eine Isolierung eingebettet. Stirnseitig des Heizelementes sind Formteile aus keramischem Fasermaterial angeordnet. Des weiteren ist das Spaltrohr 12 eingelegt und kann demontiert werden, wenn das Gehäuseoberteil, sowie die obere Halbschale der Heizung abgenommen wird.
  • Der Kern des Spaltgerätes 2 ist das sogenannte Spaltrohr 12, welches aus einem hitze- und säurebeständigen Material hergestellt wird und den aggressiven Einflüssen des Ammoniakgases standhält. Im Spaltrohr befindet sich ein nickelhaltiger handelsüblicher Katalysator, welcher in Verbindung mit der Temperatur zwischen 950°C und 1.000°C den Spaltprozess des Ammoniakgases bzw. Ammoniak-Mischgases beschleunigt.
  • Die Beheizung des Spaltgerätes 2 läuft nach einem vorbestimmten Schema ab, wobei die Temperatur mit einem Thermoelement Pt-Rh-Pt (26) gemessen wird und an einem Temperaturregler angezeigt. Das Thermoelement ist direkt angeschlossen. um eventuelle Messfehler bei einer Steckverbindung zu verhindern.
  • Erst bei Erreichen einer Temperatur von 750 C° (Sicherheitstemperatur) ist es möglich die Begasung zu starten, d. h. wenn vor Erreichen von 750°C der Schalter „Begasung ein” betätigt wird, kann die Begasung nicht starten. Nach Erreichen der 750°C kann die Begasung am Schalter „Begasung ein” gestartet werden.
  • Die Heizung ist mit einer Übertemperatursicherung ausgestattet, welche im Normalfall auf 970 C° eingestellt wird. Wird die eingestellte Übertemperatur überschritten, wird die Stromversorgung für das Heizelement unterbrochen. Diese Störung wird optisch und akustisch signalisiert. Die Aufheizgeschwindigkeit für das Spaltrohr soll etwa 100 C° pro Stunde betragen. Des weiteren ist die Heizung so ausgestattet, dass bei einem Spannungsabfall ein Signal gegeben wird: (akustisch sowie optisch).
  • Bei Erreichen der Betriebstemperatur ist, beim ersten Aufheizvorgang, zu empfehlen, den Ammoniakspalter 24 Stunden auf Betriebstemperatur zu halten, damit die ganze Restfeuchtigkeit ausdampfen kann.
  • Für den reibungslosen Betrieb der Anlage ist es notwendig, dass in dem Leitungssystem 1 keine Sauerstoffrückstände vorhanden sind. Aus diesem Grunde werden Stickstoffspülungen durchgeführt, bei denen beim Einleiten der Stickstoffspülung der Sauerstoff verdrängte wird und über ein Magnetventil ins Freie abgeleitet. Dadurch wird sichergestellt dass nach Beendigung der Spülung kein Luftsauerstoff im Rohrsystem vorhanden ist. Die Spülmenge beträgt etwa das 5-fache Volumen des gesamten Systems. Durch ein Zeitrelais wird über eine fest eingestellte Zeit (ca. 10 min) die am Durchflussmessgerät eingestellte Gasmenge eingegeben. Nach Beendigung der Spülzeit werden die Magnetventile für Ammoniak geöffnet und Ammoniak wird über das Spaltrohr 12 und einen Durchflussmesser zum Verbraucher geführt.
  • Im Spaltrohr wird das Ammoniak in 2/3 Wasserstoff und 1/3 Stickstoff aufgespaltet. Beim Austritt des aufgespaltenen Gases in Stickstoff und Wasserstoff wird das Gas auf Raumtemperatur abgekühlt. Unmittelbar nach der Einrichtung zum Abkühlen 21 des Gases bzw. Gasgemisches ist in der Gasleitung 19' mindestens ein Taupunktsensor 15 und mindestens eine Sauerstoffsonde 16 angeordnet. Der Sauerstoffgehalt und der Taupunkt des Gasgemisches geben Auskunft über den Zustand des Gases, das heißt ob das Gas qualitativ den Ansprüchen zur Aufspaltung ammoniakhaltigen Gasgemischs entspricht. Nach dem Spaltgerät 2 bzw. der Kühleinrichtung zur Abkühlung des Gasgemisches ist mindestens ein Partikelfilter 5 geschaltet, der als Doppelfilter ausgebildet sein kann. Die Filtereinrichtungen 3 und 3' bestehen aus einem Metallbehälter, in welchem sich ein entsprechendes Granulat befindet, das die störenden Verunreinigungen aus dem Gas herausfiltert. Das Granulat besteht aus einer Mischung verschiedener Adsorbens, zum Beispiel Zinkoxid, Aluminiumoxid, Molsieb oder Aktivkohle usw. In den Filteranlagen 3 und 3' werden verschiedene Nitriergase von unterschiedlichen Verunreinigungen gereinigt. Die Reinigung der Nitriergase ist essenziell für die Lebensdauer des Spaltgerät-Katalysators. Bei einem Nitrierprozess ist der Wasserstoffgehalt höher, da ein Teil des Stickstoffs in das zu behandelnde Material eindringt. Das sogenannte Spaltgas wird heruntergekühlt und anschließend gereinigt, sodass mitgeführte Verunreinigungen herausgefiltert werden. Die gereinigten Nitriergase werden anschließend dem Gastrenngerät 4 zugeführt, welches das Gasgemisch in die Hauptbestandteile Stickstoff und Wasserstoff aufteilt. Bevor das Gasgemisch in der Leitung 19' der Gastrennvorrichtung 4 zugeführt wird, wird mithilfe eines Drei-Wege-Magnetventils 17 entschieden, ob das Gas direkt in die Gastrennvorrichtung 4 oder zu anderen Zwecken verwendet wird.
  • Andere Verwendungszwecke können zum Beispiel Einrichtungen zur Erzeugung eines Flammenschleiers 9 oder eines Gasbrenners 10 oder einer Zündbrennanlage zum einfachen Abfackeln des Gases sein. Mit der Drosselklappe 17 wird der Gasstrom in die entsprechenden Leitungen 19', 19'' gelenkt.
  • Für den Fall einer Spülung der Anlage 6, 6' mit Luft oder einem inerten Gas wird die Drosselklappe 22 geöffnet und die Drosselklappe 23 geschlossen, so dass das Spülgas bzw. das entsprechende Medium ins Freie geleitet werden kann. Bei Beendigung der Spülung werden die Drosselklappen in die Ausgangsposition gesetzt.
  • Im Spaltrohr 12 wird das Ammoniakgas vollständig in Wasserstoff und Stickstoff aufgespalten. Bei einem reinen Ammoniakgas liegen 75% Wasserstoff und 25% Stickstoff vor. Für den Fall, dass Gasmessungen in der Anlage ergeben, dass in dem Abgas Bestandteile enthalten sind, die den Katalysator im Spaltrohr 12 angreifen können, wird ein Filter 3 vor das Spaltgerät 2 geschaltet. Ein wesentlicher Bestandteil der Anlage sind die Messsonden zur Überwachung des Taupunkts und des Sauerstoffgehalts. Diese Überwachung dient primär dazu, um Störungen im System festzustellen und zu beseitigen.
  • Es besteht ferner die Möglichkeit, mit dem Ammoniakspalter den Spaltprozess zu beenden und das Gas, wenn es in geringen Mengen anfällt, ins Freie zu leiten, und bei größer anfallenden Mengen abzufackeln. Der dafür benötigte Zündbrenner 11 kann durch das Spaltgas selbst gespeist werden. Ferner besteht die Möglichkeit, das Mischgas oder die Einzelgase einem den Anforderungen entsprechenden Zwischenspeicher zuzuführen und bei Bedarf als Schutz- oder Prozessgas zu verwenden. Zum Beispiel kann herausgefilterter Stickstoff als Spül- oder Prozessgas verwendet werden. Ganz allgemein stehen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Gase folgende Möglichkeiten zur Verfügung:
    • 1. Verwendung zur Speisung von Brennstoffzellen;
    • 2. Verwendung zur Versorgung von Heizquellen mit bestimmten Gasbrennern.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 3618346 C2 [0002]

Claims (15)

  1. Verfahren zur Rückgewinnung und Aufspaltung von Ammoniak aus Medien, die mit Ammoniak beaufschlagt sind, mit mindestens einer Ammoniak-Spalteinrichtung (2) und mindestens einem Reinigungsfilter (3, 3') und mindestens einer Gastrenneinrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass das mit Ammoniak beaufschlagte Medium mindestens eine Filtereinrichtung (3, 3') durchströmt und das mit Ammoniak beaufschlagte Medium der Ammoniak-Spalteinrichtung (2) zugeführt wird und nach der Aufspaltung einer Gastrenneinrichtung (4) zugeführt wird, wobei die einzelnen Gasarten getrennt und anschließend geeigneten Speichermedien (7, 8, 9, 10, 11) zugeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgespaltene Gasgemisch in seine Hauptbestandteile Stickstoff und Wasserstoff in der Gastrenneinrichtung (4) getrennt wird und den jeweils dafür vorgesehenen Behältnissen (7, 8, 9) zugeführt und gespeichert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltgerät (2) bei einer Temperatur zwischen 800°C und 1.150°C betrieben wird, vorzugsweise zwischen 950°C und 1.000°C.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgefangene und aufbereitete Gas einem Spaltrohr (12) zugeführt wird, dessen Materialien hitze- und säurebeständig sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ammoniakhaltige Mischgas in dem Spaltrohr (12) einem nickelhaltigen Katalysator (13) bei einer Prozesstemperatur zwischen 950°C und 1.000°C zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssiges Ammoniak einem Verdampfer (14) zugeführt wird, der das flüssige Ammoniak in den gasförmigen Aggregatzustand überführt.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spaltgerät (2) mindestens eine Filteranlage (3, 3') vor- und/oder nachgeschaltet ist, die das Gasgemisch von festgestellten und aufgenommenen Verunreinigungen reinigt.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Spaltgerät (2) und dem mindestens einen Filter (3, 3') mindestens ein Taupunktsensor (15) und mindestens ein Sauerstoffsensor (16) angeordnet und geschaltet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltgase (N2/H2) nach dem Spaltvorgang im Spaltgerät (2) abgekühlt und anschließend gereinigt werden.
  10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität des Gases mittels mindestens eines Taupunktsensors (15) und mindestens einer Sauerstoffmesssonde (16) überwacht wird.
  11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Gastrenneinrichtung (4), die hinter der Partikelfiltereinrichtung (3, 3') angeordnet und geschaltet wird.
  12. System (1) zur Rückgewinnung und Aufspaltung von Ammoniak aus Medien, die mit Ammoniak beaufschlagt sind, mit mindestens einer Ammoniak-Spalteinrichtung (2) und mindestens einem Reinigungsfilter (3, 3') und mindestens einer Gastrenneinrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Spaltgerät (2) und den Speichereinrichtungen (7, 8, 9) mindestens eine Gastrenneinrichtung (4) angeordnet ist.
  13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Filtereinrichtung (3, 3') ein Granulat enthält, bestehend aus einer Mischung verschiedener Adsorbens, zum Beispiel Zinkoxid, Aluminiumoxid, Molsieb oder Aktivkohle.
  14. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine gesteuerte Drosselklappe (17), welche die Gasströme entsprechend ihrer Verwendung lenkt.
  15. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitungen (19, 19', 19'') durch mindestens einen Gasdrucksensor (18) überwacht werden.
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