DE102021210549A1 - Verfahren zur Ammoniaksynthese und Anlage zur Herstellung von Ammoniak - Google Patents

Verfahren zur Ammoniaksynthese und Anlage zur Herstellung von Ammoniak Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, wobei ein Kohlenwasserstoffgemisch und Wasserdampf einem Primärreformer (1) zugeführt werden, wobei das Kohlenwasserstoffgemisch und der Wasserdampf im Primärreformer (1) zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt werden, wobei das Gasgemisch aus dem Primärreformer (1) in einen Sekundärreformer (2) geleitet wird, wobei dem Sekundärreformer (2) Prozessluft, mindestens umfassend Sauerstoff und Stickstoff, zugeführt wird, sodass nicht umgesetztes Kohlenwasserstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt wird,Bei einem Verfahren, bei dem die Feuerungsleistung des Primärreformers erhöht wird, ist vorgesehen, dass der Sauerstoffgehalt der Prozessluft verringert wird, bevor die Prozessluft in den Sekundärreformer (2) geleitet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, wobei ein Kohlenwasserstoffgemisch und Wasserdampf einem Primärreformer zugeführt werden, wobei das Kohlenwasserstoffgemisch und der Wasserdampf im Primärreformer zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt werden, wobei das Gasgemisch aus dem Primärreformer in einen Sekundärreformer geleitet wird, wobei dem Sekundärreformer Prozessluft, mindestens umfassend Sauerstoff und Stickstoff, zugeführt wird, sodass nicht umgesetztes Kohlenwasserstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt wird.
  • Daneben betrifft die Erfindung eine Anlage zur Herstellung von Ammoniak, mit mindestens einem Primärreformer zur Umsetzung eines Kohlenwasserstoffgemisches und Wasserdampf zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff, mit einem Sekundärreformer zur Umsetzung von nicht umgesetzten Kohlenwasserstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff, wobei der Sekundärreformer strömungstechnisch mit dem Primärreformer verbunden ist, wobei der Sekundärreformer strömungstechnisch mit einer Zuführung von Prozessluft verbunden ist, wobei die Prozessluft mindestens Sauerstoff und Stickstoff umfasst.
  • Ammoniak ist einer der wichtigsten Grundstoffe. Die Weltjahresproduktion beträgt derzeit etwa 170 Millionen Tonnen. Der größte Teil des Ammoniaks wird zur Herstellung von Düngemitteln verwendet. Die großtechnische Herstellung verwendet heute weitgehend die von Haber und Bosch zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelte Hochdrucksynthese in Festbettreaktoren mit Eisen als katalytisch aktiver Hauptkomponente, basierend auf einem stöchiometrisch zusammengesetzten Synthesegas mit den Hauptkomponenten Wasserstoff und Stickstoff. Die Erzeugung des Synthesegases erfolgt vorwiegend über die Erdgasroute. Nachteilig sind hierbei die großen Mengen an anfallendem Kohlendioxid.
  • Durch den exothermen Charakter der Ammoniak-Bildungsreaktion entstehen im Prozessverlauf verhältnismäßig große Wärmemengen. Für einen guten spezifischen Energieverbrauch des Gesamtprozesses müssen sie möglichst effizient genutzt werden. Generell ist die Abwärmenutzung mit thermodynamisch unvermeidbaren Verlusten verbunden. Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, Alternativen zum Haber-Bosch-Verfahren zu entwickeln, die ohne die hohen Temperaturen und Drücke arbeiten. Im Haber-Bosch-Verfahren wird die fundamentale Schwierigkeit der Aktivierung des sehr reaktionsträgen Stickstoff-Moleküls durch den Einsatz spezifisch sehr aktiver Katalysatoren in Kombination mit verhältnismäßig hohen Temperaturen überwunden. Eine Alternative für die Bereitstellung der erforderlichen Aktivierungsenergie ist der Einsatz elektrischer Energie.
  • Zur Einsparung von Kohlendioxid gibt es Überlegungen, die Rohstoffe, insbesondere Wasserstoff, nicht bzw. nicht komplett über die Erdgasroute zu erhalten. Die EP 2 589 426 A1 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, bei dem Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser gewonnen wird. Stickstoff kann beispielsweise aus einer kryogenen Luftzerlegungsanlage gewonnen werden. Die Stoffe werden miteinander vermischt und auf einen Druck im Bereich von 80 bis 300 bar verdichtet.
  • Die Erfindung behandelt den Prozess, in dem ein Teils des Wasserstoffs über die Erdgasroute und ein anderer Teil aus einer externen Quelle erhalten wird. Das Problem dabei ist, dass die zu erzeugende Wasserstoffmenge bei der Erzeugung von Synthesegas im sogenannten Frontend einer Ammoniakanlage zwar abnimmt, die zuzugebende Menge an Stickstoff durch Prozessluft, die mindestens Stickstoff und Sauerstoff enthält, in den Sekundärreformer jedoch in erster Näherung konstant bleiben muss. Damit wird aber dem Sekundärreformer aber zu viel Sauerstoff zugeführt, was zur unerwünschten Verbrennung vom frischgewonnenen Wasserstoff führt. Um dem entgegenzusetzen, muss der Anteil am unreformierten Methan im Sekundärreformer erhöht werden, indem man die die Feuerungsleistung des Primärreformers stark reduziert. Dadurch wird der Reformierungsvorgang stark vom Primärreformer in den Sekundärreformer verschoben. Mit der nun zur Verfügung stehenden Wärmemenge und beim resultierenden Temperaturniveau ist es allerdings nicht mehr möglich, alle Ströme in einem Rauchgaskanal im Frontend bestimmungsgemäß zu erwärmen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak sowie eine Ammoniakanlage anzugeben, bei denen die Feuerungsleistung des Primärreformers auch bei der Reduktion der im Frontend zu produzierenden Wasserstoffmenge nahezu unvermindert bleibt.
  • Diese Aufgabe ist zunächst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Sauerstoffgehalt der Prozessluft verringert wird, bevor die Prozessluft in den Sekundärreformer geleitet wird. Durch Abreicherung von Sauerstoff in der Prozessluft wird die freiwerdende Wärmemenge im Sekundärreformer reduziert. Bei konstanter Austrittstemperatur des Sekundärreformers ist es somit möglich, die Austrittstemperatur des Primärreformers zu steigern, zum einen durch die größere Feuerungsleistung, aber auch durch die zur Verfügung stehende Wärmemenge und das Temperaturniveau im vorgenannten Rauchgaskanal. Der Sauerstoffgehalt des Prozessluftstroms kann beispielsweise durch eine Stickstoff-Druckwechseladsorption verringert werden.
  • Bei einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Gasgemisch aus dem Sekundärreformer nach weiterer Aufbereitung einem Reaktor zugeführt wird, dass in dem Reaktor Stickstoff und Wasserstoff zumindest teilweise zu Ammoniak umgesetzt werden und dass zusätzlich externer Wasserstoff in den Reaktor zugeführt wird. Der externe Wasserstoff muss nicht direkt in den Reaktor eingeleitet werden. Denkbar ist auch, dass das Gasgemisch aus dem Sekundärreformer nach der weiteren Aufreinigung mit dem externen Wasserstoff zusammengeführt wird und das Gesamtgemisch dann in den Reaktor eingeleitet wird. Dazu kann eine weitere Mischeinheit vorgesehen sein, die stromaufwärts vor dem Reaktor angeordnet ist. Diese ist aber nicht zwingend erforderlich.
  • Vorteilhafterweise ist bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass der externe Wasserstoff mittels Elektrolyse hergestellt wird. Der durch Elektrolyse hergestellte Wasserstoff kann zu einer Verbesserung der Umweltbilanz des Verfahrens beziehungsweise des Betreibens einer Ammoniakanlage beitragen, sofern zur Nutzung der Elektrolyse grüner und günstiger Strom zur Verfügung steht. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass eine gewisse Hybridfahrweise einer Ammoniakanlage möglich ist. Sofern sauberer Strom zur Verfügung steht, kann der Wasserstoff durch Elektrolyse beispielsweise direkt in der Nähe einer Ammoniakanlage produziert werden. Entsprechend kann die Abreicherung des Sauerstoffgehaltes der Prozessluft an den aus der Elektrolyse zur Verfügung stehenden Wasserstoffanteil beziehungsweise an den im Frontend der Ammoniakanlage reduzierten Wasserstoffanteil angepasst werden.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Prozessluft stromaufwärts vor dem Sekundärreformer in mindestens einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird, dass der Sauerstoffgehalt des ersten Teilstroms reduziert wird und dass der erste Teilstrom und der zweite Teilstrom stromaufwärts vor dem Sekundärreformer zusammengeführt werden. Auf diese Weise kann der Sauerstoffgehalt des Prozessluftstroms ideal eingestellt werden. Für bestehende Anlagen kann der zweite Teilstrom dem ursprünglichen Strömungspfad folgen, während lediglich eine Abzweigung in das bestehende Rohrleitungssystem eingebaut werden muss, um den ersten Teilstrom zu behandeln.
  • Um das Verfahren möglichst vorteilhaft zu betreiben, ist bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Anteil von Stickstoff im ersten Teilstrom in Bezug auf die Gesamtmenge an Stickstoff im Reaktor mindestens 43% des Anteils von externem Wasserstoff in Bezug auf die Gesamtmenge an Wasserstoff im Reaktor entspricht. Um eine ausreichende Feuerung der Primärreformers zu gewährleisten, ist empfehlenswert, dass die Kapazität der des Stickstoffanteils im ersten Teilstrom am Gesamtstickstoffbedarf, im Make-Up Strom zum Synthesegaskompressor, mindestens die Hälfte des Anteils an externem (grünen) Wasserstoff betragen muss. Wird also als Beispiel 30 % des Wasserstoffs aus dem Frontend mit externem Wasserstoff ersetzt, liegt die Kapazität des Stickstoffanteils des ersten Teilstroms bei mindestens 13,3 % des Gesamtstickstoffes.
  • Zusätzlich ist bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass eine mehrstufige Verdichtung der Prozessluft vorgesehen ist und dass die Prozessluft zwischen zwei Verdichtungsstufen in mindestens den ersten Teilstrom und den zweiten Teilstrom aufgeteilt wird. Der erste Teilstrom wird folglich nach einer bezüglich des Druckniveaus geeigneten Stufe des Prozessluftverdichters abgezweigt, um eine Abreicherung von Sauerstoff zu realisieren.
  • Zwischen den Verdichtungsstufen ist vorzugsweise bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Prozessluft bei einem Druckbereich von 5 bis 15 bara in mindestens den ersten Teilstrom und den zweiten Teilstrom aufgeteilt wird.
  • Weiter kann bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen sein, dass der erste Teilstrom und der zweite Teilstrom vor der letzten Verdichtungsstufe wieder zusammengeführt werden. Nach der letzten Verdichtungsstufe wird die mit Stickstoff angereicherte Luft dem Sekundärreformer zugeführt.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der erste Teilstrom einer Stickstoff-Druckwechseladsorption zugeführt wird. Bei dem physikalischen Trennverfahren der Druckwechseladsorption (PSA) werden einzelne Gase aus einem Gasgemisch isoliert. Dabei beruht das Prinzip darauf, dass sich Gasmoleküle an Festkörpern anlagern können. Dieser Festkörper, auch Adsorbens genannt, ist entsprechend für die jeweilige Anwendung ausgelegt, damit nur die jeweils in der Anwendung wichtige Komponente adsorbiert wird, oder das Adsorbens durchdringen kann. Bei der Stickstoff Druckwechseladsorption von Prozessluft, die beispielsweise Umgebungsluft sein kann und mindestens Stickstoff und Sauerstoff enthält, kann das größere Stickstoffmolekül den Adsorbens durchdringen, während das kleinere Sauerstoffmolekül in den Poren die Poren des Adsorbens eindringt. Für diesen Fall kann als Adsorbens vorzugsweise ein Kohlenstoffmolekularsieb verwendet werden.
  • Die Druckwechseladsorption lässt sich in vier Schritte aufteilen, die zyklisch ablaufen. Zunächst wird das Rohgas unter Druck in eine Adsorptionsmittelschüttung geleitet. Sauerstoff lagert sich an der Oberfläche des Adsorbens an beziehungsweise dringt in die Poren ein. Stickstoff kann die Schüttung passieren. Diese Anlagerung kann bis zum Erreichen eines Gleichgewichts erfolgen. Anschließend daran wird der Druck abgesenkt, wodurch eine Regeneration des Adsorbens eingeleitet wird. Durch die Druckabsenkung kann sich der adsorbierte Sauerstoff lösen und ausgeleitet werden. Dazu erfolgt in einem weiteren Schritt eine Spülung des Adsorbens mit dem Produktgas. Im Anschluss erfolgt ein erneuter Druckaufbau, bis die nötigen Voraussetzungen für die Adsorption wieder erfüllt sind.
  • Vorteilhafterweise ist bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass der erste Teilstrom nach der Stickstoff-Druckwechseladsorption einen Massenanteil von Stickstoff im Bereich von 0,9 bis 1,0, vorzugsweise von 0,95 bis 0,99 aufweist.
  • Die vorgenannte Aufgabe wird außerdem gelöst von einer Anlage zur Herstellung von Ammoniak, mit mindestens einem Primärreformer zur Umsetzung eines Kohlenwasserstoffgemisches und Wasserdampf zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff, mit einem Sekundärreformer zur Umsetzung von nicht umgesetzten Kohlenwasserstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff, wobei der Sekundärreformer strömungstechnisch mit dem Primärreformer verbunden ist, wobei der Sekundärreformer strömungstechnisch mit einer Zuführung von Prozessluft verbunden ist, wobei die Prozessluft mindestens Sauerstoff und Stickstoff umfasst. Darüber hinaus ist der Sekundärreformer strömungstechnisch mit einer Einrichtung zur Abreicherung von Sauerstoff aus der Prozessluft verbunden.
  • Der Sekundärreformer muss nicht unmittelbar strömungstechnisch mit der Einrichtung zur Abreicherung von Sauerstoff aus der Prozessluft verbunden sein. Denkbar ist, dass auch weitere Einrichtungen im Strömungspfad zwischen der Einrichtung zur Abreicherung von Sauerstoff aus der Prozessluft und dem Sekundärreformer angeordnet sind.
  • Mit der erfindungsgemäßen Anlage ist es möglich, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen. Die obigen Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten analog entsprechend auch für die erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung von Ammoniak.
  • Die Anlage kann entsprechend zusätzlich einen Reaktor zum Umsetzen von Stickstoff und Wasserstoff zumindest teilweise zu Ammoniak aufweisen. Daneben kann der Anlage über einen entsprechenden Strömungspfad externer Wasserstoff zugeführt werden. Der externe Wasserstoff muss nicht direkt in den Reaktor eingeleitet werden. Denkbar ist auch, dass das Gasgemisch aus dem Sekundärreformer nach einer weiteren Aufarbeitung mit dem externen Wasserstoff zusammengeführt wird und das Gesamtgemisch dann in den Reaktor eingeleitet wird. Dazu kann eine weitere Mischeinheit vorgesehen sein, die stromaufwärts vor dem Reaktor angeordnet ist. Diese ist aber nicht zwingend erforderlich.
  • Bei einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Abreicherung von Sauerstoff aus der Prozessluft mindestens eine Stickstoff Druckwechseladsorption umfasst. Somit kann die Abreicherung von Sauerstoff aus der Prozessluft vorteilhaft durchgeführt werden.
  • Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anlage auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die den Patentansprüchen 1 und 11 nachgeordneten Patentansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
    • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Ammoniak beziehungsweise von Synthesegas und
    • 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung von Ammoniak.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung der Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung von Ammoniak, beziehungsweise zur Herstellung von Synthesegas zur weiteren Umsetzung zu Ammoniak. Dargestellt sind ein Primärreformer 1 und ein Sekundärreformer 2 im sogenannten Frontend einer Ammoniakanlage. Das Synthesegas kann später einem in 1 nicht dargestellten Reaktor 3 zugeführt werden.
  • Der Primärreformer 1 wird, insbesondere bei der Herstellung von Ammoniak, zunächst dazu verwendet, Wasserstoff zu erzeugen. Dazu werden in der Regel ein Kohlenwasserstoffgemisch, häufig Methan, sowie Wasserdampf als Grundstoffe genutzt. Bei der Nutzung von Erdgas, dessen Hauptbestandteil Methan ist, sind auch andere Kohlenwasserstoffe enthalten. Das Erdgas wird vorher entschwefelt und in den Primärreformer geleitet. Bei Temperaturen zwischen 700 bis 850°C wird Methan mit Wasser unter Druck an einem Nickel-Katalysator zur Reaktion gebracht, sodass Kohlenmonoxid und Wasserstoff entstehen. Das Kohlenmonoxid reagiert zusätzlich mit Wasserdampf weiter zu Kohlendioxid. Im Primärreformer 1 entsteht somit ein Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, nicht umgesetzte Kohlenwasserstoffe und Wasserdampf.
  • Der Sekundärreformer 2 wird dazu verwendet, Stickstoff für die Ammoniaksynthese bereitzustellen. Das Gasgemisch des Primärreformers wird im Sekundärreformer 2 mit verdichteter Prozessluft vermischt. Bei der Prozessluft handelt es sich vorzugsweise um Umgebungsluft, die in erster Linie Stickstoff und Sauerstoff enthält, Der Sauerstoffanteil der Luft reagiert mit dem Gasgemisch, das dem Sekundärreformer 2 zugeführt wird, wodurch das nicht umgesetzte Methan beziehungsweise das Kohlenwasserstoffgemisch umgesetzt wird.
  • Der in der Prozessluft enthaltene Stickstoff reagiert nicht mit den übrigen Stoffen und verbleibt im Gasgemisch. Durch Steuerung der eingeleiteten Luftmenge kann ein gewünschtes Verhältnis zwischen Wasserstoff und Stickstoff bereits im Sekundärreformer 2 eingestellt werden.
  • Wenn für spätere Reaktionen, insbesondere der Umsetzung von Wasserstoff und Stickstoff zu Ammoniak, zusätzlicher Wasserstoff, beispielsweise grüner Wasserstoff, verwendet werden, ist die benötigte Menge an Wasserstoff aus dem Primärreformer 1 beziehungsweise dem Sekundärreformer 2 geringer. Die Stickstoffmenge aus der Prozessluft bleibt aber in etwa konstant. Bleibt die Sauerstoffmenge in der dem Sekundärreformer zugeführten Luft ebenfalls unverändert, mussder Reformierungsvorgang stark vom Primärreformer 1 in den Sekundärreformer 2 verschoben werden. Dafür muss die Feuerungsleistung des Primärreformers 1 stark abnehmen. Mit der nun zur Verfügung stehende Wärmemenge ist es nicht möglich, alle benötigten weiteren Ströme ausreichend zu erwärmen.
  • Daher ist bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Prozessluft in einen ersten Teilstrom 4 und einen zweiten Teilstrom 5 aufgeteilt wird, bevor sie in den Sekundärreformer 2 über eine Zuführung 6 geleitet wird. Der erste Teilstrom 4 wird dabei einer Einrichtung 7 zur Abreicherung von Sauerstoff zugeführt. Auf diese Weise wird die Feuerungsleistung des Primärreformers 1 erhöht. Der erste Teilstrom 4 und der zweite Teilstrom 5 werden vor Eintritt in den Sekundärreformer 2 wieder zusammengeführt.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung von Ammoniak. Dabei ist neben dem Primärreformer 1 und dem Sekundärreformer 2 ebenfalls eine Einrichtung 7 zur Abreicherung von Sauerstoff aus der Prozessluft vorgesehen. Die Prozessluft wird über eine mehrstufige Verdichtung auf den für den Sekundärreformer 2 erforderlichen Druck verdichtet. Zwischen einer ersten Verdichtungsstufe 8 und einer zweiten Verdichtungsstufe 9 wird der erste Teilstrom 4 von dem zweiten Teilstrom 5 abgezweigt und der Einrichtung 7 zur Abreicherung von Sauerstoff aus der Prozessluft zugeführt. Bei der zweiten Verdichtungsstufe 9 handelt es sich um die letzte Verdichtungsstufe im gezeigten Prozess.
  • Bei der Einrichtung 7 zur Abreicherung von Sauerstoff aus der Prozessluft handelt es sich bei diesem Ausführungsbeispiel um eine Stickstoff-Druckwechseladsorption. Bei einer Stickstoff-Druckwechseladsorption (PSA) werden einzelne Gase aus einem Gasgemisch isoliert. Dabei beruht das Prinzip darauf, dass sich Gasmoleküle an Festkörpern anlagern können. Dieser Festkörper, auch Adsorbens genannt, ist entsprechend für die jeweilige Anwendung ausgelegt, damit nur die jeweils in der Anwendung wichtige Komponente adsorbiert wird, oder das Adsorbens durchdringen kann. Bei der Stickstoff Druckwechseladsorption von Prozessluft, in diesem Ausführungsbeispiel Umgebungsluft, kann das größere Stickstoffmolekül den Adsorbens durchdringen, während das kleinere Sauerstoffmolekül in den Poren die Poren des Adsorbens eindringt. Für diesen Fall wird als Adsorbens ein Kohlenstoffmolekularsieb verwendet.
  • Da der Stickstoff den Adsorbens durchströmen kann, wird bei der Stickstoff-Druckwechseladsorption ein aufgereinigter Stickstoffstrom erhalten. In diesem Ausführungsbeispiel liegt die Reinheit des die Stickstoff-Druckwechseladsorption verlassenen Stickstoffs bei 95% bis 100%. Durch Einstellen der Volumenströme des ersten Teilstroms 4 und des zweiten Teilstroms 5 kann somit der Gesamtstickstoffanteil entsprechend angepasst werden.
  • Das so im Sekundärreformer 2 entstehende Synthesegas wird zunächst noch aufbereitet, bevor die Ammoniaksynthese durchgeführt werden kann. Dazu wird in dem mit Bezugszeichen 10 benannten Block eine Konvertierung der Kohlenoxide durchgeführt, die ansonsten als Katalysatorgifte wirken und die Katalysatoren bei der Synthese unbrauchbar machen. Das übrige Kohlenmonoxid wird zu Kohlendioxid mittels Wasserdampf konvertiert. Das Kohlendioxid wird anschließend aus dem Rohgas abgetrennt, z.B. durch eine Wäsche oder eine Absorption. Anschließend werden alle sauerstoffhaltigen Bestandteile (Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasser), die als schädlich für Katalysator in der Ammoniaksynthese gelten, auf ein dafür vorgesehenes Minimum reduziert und das sog. Make-Up Gas wird auf den Synthese-Druck verdichtet.
  • Bei der anschließenden Ammoniaksynthese im Reaktor 3, werden Wasserstoff und Stickstoff zu Ammoniak umgesetzt. Neben dem Wasserstoff aus der Reformierung, also dem Primärreformer 1 und dem Sekundärreformer 2, wird zusätzlicher Wasserstoff aus einer externen Quelle in den Reaktor 3 geleitet. Bei dem zusätzlichen Wasserstoff handelt es sich bei diesem Ausführungsbeispiel um aus einer Elektrolyse 11 von Wasser erzeugten Wasserstoff. Die Elektrolyse 11 kann genutzt werden, wenn kostengünstiger Strom zur Verfügung steht, damit die Ammoniakanlage wirtschaftlich genutzt werden kann.
  • Um das Verfahren möglichst vorteilhaft zu betreiben, entspricht der Anteil von Stickstoff im ersten Teilstrom 4 in Bezug auf die Gesamtmenge an Stickstoff im Reaktor 3 mindestens 43% des Anteils von externem Wasserstoff in Bezug auf die Gesamtmenge an Wasserstoff im Reaktor 3. Um eine ausreichende Feuerung der Primärreformers zu gewährleisten, ist empfehlenswert, dass die Kapazität der des Stickstoffanteils im ersten Teilstrom 4 am Gesamtstickstoffbedarf, mindestens 43% des Anteils an externem (grünen) Wasserstoff betragen muss. Wird also als Beispiel 30 % des Wasserstoffs aus dem Frontend mit externem Wasserstoff der Elektrolyse 11 ersetzt, liegt die Kapazität des Stickstoffanteils des ersten Teilstroms bei mindestens 13.3 % des Gesamtstickstoffes.
  • Bezugszeichenliste
    • (1)
    Primärreformer
    (2)
    Sekundärreformer
    (3)
    Reaktor
    (4)
    Erster Teilstrom
    (5)
    Zweiter Teilstrom
    (6)
    Zuführung
    (7)
    Einrichtung zur Abreicherung von Sauerstoff
    (8)
    Erste Verdichtungsstufe
    (9)
    Zweite Verdichtungsstufe
    (10)
    Aufbereitung
    (11)
    Elektrolyse
  • 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
    • EP 2589426 A1 [0005]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, wobei ein Kohlenwasserstoffgemisch und Wasserdampf einem Primärreformer (1) zugeführt werden, wobei das Kohlenwasserstoffgemisch und der Wasserdampf im Primärreformer (1) zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt werden, wobei das Gasgemisch aus dem Primärreformer (1) in einen Sekundärreformer (2) geleitet wird, wobei dem Sekundärreformer (2) Prozessluft, mindestens umfassend Sauerstoff und Stickstoff, zugeführt wird, sodass nicht umgesetztes Kohlenwasserstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt der Prozessluft verringert wird, bevor die Prozessluft in den Sekundärreformer (2) geleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch aus dem Sekundärreformer (2) nach weiterer Aufbereitung mit externem Wasserstoff vermischt und einem Reaktor (3) zugeführt wird, in dem Stickstoff und Wasserstoff zumindest teilweise zu Ammoniak umgesetzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Wasserstoff mittels Elektrolyse hergestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessluft stromaufwärts vor dem Sekundärreformer (2) in mindestens einen ersten Teilstrom (4) und einen zweiten Teilstrom (5) aufgeteilt wird, dass der Sauerstoffgehalt des ersten Teilstroms (4) reduziert wird und dass der erste Teilstrom (4) und der zweite Teilstrom (5) stromaufwärts vor dem Sekundärreformer (2) zusammengeführt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von Stickstoff im ersten Teilstrom (4) in Bezug auf die Gesamtmenge an Stickstoff im Reaktor (3) mindestens 43% des Anteils von externem Wasserstoff in Bezug auf die Gesamtmenge an Wasserstoff im Reaktor (3) entspricht.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrstufige Verdichtung der Prozessluft vorgesehen ist und dass die Prozessluft zwischen zwei Verdichtungsstufen in mindestens den ersten Teilstrom (4) und den zweiten Teilstrom (5) aufgeteilt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessluft bei einem Druckbereich von 5 bis 15 bara in mindestens den ersten Teilstrom (4) und den zweiten Teilstrom (5) aufgeteilt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom (4) und der zweite Teilstrom (5) vor der letzten Verdichtungsstufe wieder zusammengeführt werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom (4) einer Stickstoff Druckwechseladsorption zugeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom (4) nach der Stickstoff-Druckwechseladsorption einen Massenanteil von Stickstoff im Bereich von 0,9 bis 1,0 aufweist, bevorzugt 0,95 bis 0,99.
  11. Anlage zur Herstellung von Ammoniak, mit mindestens einem Primärreformer (1) zur Umsetzung eines Kohlenwasserstoffgemisches und Wasserdampf zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff, mit einem Sekundärreformer (2) zur Umsetzung von nicht umgesetzten Kohlenwasserstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff, wobei der Sekundärreformer (2) strömungstechnisch mit dem Primärreformer (1) verbunden ist, wobei der Sekundärreformer (2) strömungstechnisch mit einer Zuführung (6) von Prozessluft verbunden ist, wobei die Prozessluft mindestens Sauerstoff und Stickstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärreformer (2) strömungstechnisch mit einer Einrichtung (7) zur Abreicherung von Sauerstoff aus der Prozessluft verbunden ist.
  12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (7) zur Abreicherung von Sauerstoff aus der Prozessluft mindestens eine Stickstoff Druckwechseladsorption umfasst.
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