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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Synthese von Ammoniak.
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Derzeit wird für die Ammoniaksynthese hauptsächlich Wasserstoff über die Dampfreformierung und eine Wassergas-Shift-Reaktion aus Erdgas erzeugt. Da Methan (CH4) 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.
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Aus der
EP 3 730 456 A1 ist die Verwendung von erneuerbarer Energie in der Ammoniaksynthese bekannt.
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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.
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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.
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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.
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Die Ammoniakanlage weist eine Wasserstoffzuführung auf. Die Wasserstoffzuführung kann beispielsweise an ein Wasserstoffversorgungsnetz angeschlossen sein. Ebenso kann die Wasserstoffzuführung an eine Wasserelektrolyse angeschlossen sein.
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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.
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Die Wasserstoffzuführung ist über einen zweiten Wärmetauscher mit dem Konverter verbunden. Durch den zweiten Wärmetauscher werden das Ammoniaksyntheseproduktgas auf die für die Reaktion notwendige Temperatur von etwa 350 °C bis 400 °C gebracht werden.
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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.
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Der erste Wärmetauscher kann auch kaskadiert aufgebaut sein, also beispielsweise aus einem ersten Wärmetauscher und einem zweiten ersten Wärmetauscher bestehen.
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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.
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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.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Dampfturbine mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Dampfturbine mit einem Kompressor verbunden.
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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.
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Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Ammoniakanlage anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- 1 Schematische Darstellung einer Ammoniakanlage
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In 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.
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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 40 wird aus dem Konverter 10 zunächst in einen ersten Wärmetauscher 20 geleitet 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.
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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.
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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. 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 benötigt wird.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Konverter
- 20
- erster Wärmetauscher
- 30
- Abtrennungsvorrichtung
- 40
- Produktgasstrom
- 50
- Eduktgasstrom
- 60
- Wasserstoffzuführung
- 70
- elektrische Heizer
- 80
- zweiter Wärmetauscher
- 90
- Dampfturbine
- 100
- Generator
- 110
- Luftzerlegung
- 120
- erstes Ventil
- 130
- zweites Ventil
- 140
- drittes Ventil
- 150
- viertes Ventil
- 160
- fünftes Ventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20040219088 A1 [0003]
- EP 3730456 A1 [0004]
- US 20020098129 A1 [0005]
- US 20020090329 A1 [0006]
