EP4384473A1 - Ammoniak-cracker in keramischer auskleidung und verfahren - Google Patents

Ammoniak-cracker in keramischer auskleidung und verfahren

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EP4384473A1
EP4384473A1 EP22789165.2A EP22789165A EP4384473A1 EP 4384473 A1 EP4384473 A1 EP 4384473A1 EP 22789165 A EP22789165 A EP 22789165A EP 4384473 A1 EP4384473 A1 EP 4384473A1
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ammonia
cracker
ceramic
heat exchanger
reaction chamber
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Claus Krusch
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen
    • C01B3/04—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by decomposition of inorganic compounds
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J2219/0281—Metal oxides

Definitions

  • the invention relates to a ceramic-lined ammonia cracker and a method.
  • Ammonia is a promising energy source to store and transport hydrogen (H 2 ) and solve a number of problems related to carbon-free power generation and distribution.
  • a metallic reactor structure is corrosively attacked both by the ammonia and by the reaction products, in particular by the hydrogen, and by the gas mixture of hydrogen and ammonia at high temperatures.
  • the object is achieved by a ceramic-lined ammonia cracker according to claim 1 and a method according to claim 9 .
  • a ceramic-lined, heat-flow-reduced ammonia cracker with an integrated heat exchanger represents a heat-flow-optimized and heat-loss-reduced system with which the efficiency can be significantly increased.
  • the metallic reactor structure With a ceramic lining of the combustion chamber, the metallic reactor structure can be protected from the influence of the corrosive ammonia, hydrogen and ammonia-hydrogen atmosphere.
  • Liquid ammonia can be broken down again into its components hydrogen and nitrogen at temperatures of around 1193K with the help of a cracker.
  • the cracker has a reactor, a burner, a heat exchanger and thermal insulation.
  • the ceramic lining protects a metal structure of the reactor from the corrosive attack of the ammonia and the reaction products.
  • a number of ceramic materials are suitable for thermal insulation due to their thermal conductivity properties. Ceramics also often have high chemical resistance and high corrosion resistance.
  • a ceramic suitable for lining the ammonia cracker is, for example, the refractory ceramic used in annular combustion chambers of stationary gas turbines. One of the main advantages of this ceramic is that it is very inexpensive and has a long service life under combustor applications. It has low thermal conductivity, high heat capacity and high corrosion resistance.
  • the integration of the reactor, (H 2 -operated) burner and heat exchanger in a thermally insulated system optimized for the heat flow enables a high level of efficiency.
  • the service life of such a system is extended by a ceramic reactor lining which avoids corrosive attack on the metal structure.
  • High-efficiency ammonia crackers complement hydrogen technology for applications that require large amounts of hydrogen to be made available locally.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an ammonia cracker.
  • the ammonia cracker 1 has a reaction chamber 10 into which ammonia is fed via an ammonia feed line 7 from a tank 4 for ammonia.
  • the geometry of the reaction chamber 10 should preferably be designed in such a way that the thermal energy required for the reaction can be supplied effectively.
  • the ammonia is not routed directly into the reaction space 10 via the shortest route, but instead passes through a heat exchanger 13 on the way to the reaction space 10 in order to transfer the thermal energy of the reaction gases to the inflowing ammonia.
  • the heat exchanger 13 can be arranged around the reaction space 10 , for example.
  • the ammonia flows past the reaction chamber 10 to an inlet point 33 and is preferably coupled to a heat exchanger 13 in the feed line 7 .
  • the reaction chamber 10 has a ceramic lining or has an all-ceramic 16 which directly and in particular completely delimits the reaction chamber 10 .
  • a heater 25 is arranged in the reaction space 10 or outside of the reaction space 10 . This is only a schematic representation of thermal energy input for cracking represent . Other options, also in combination, such as e.g. B. a burner, are also possible.
  • the heat exchanger 13 is arranged around the inner ceramic lining 16 .
  • the ammonia from the ammonia feed line 7 is deliberately routed around the reaction chamber 10 and fed in at the inlet point 33 .
  • the end products from the reaction chamber 10 are discharged via the outlet line 36 at the outlet point 30 opposite the inlet point 33 .
  • the "cold” ammonia from tank 4 is preheated by the hot cracked end products.
  • Inlet point 33 and outlet point 30 are therefore preferably arranged on the front sides of the elongated reaction space 10 .
  • the outlet line 36 is also routed around the reaction space 10 and is coupled to the heat exchanger 13 .
  • the warm end products can warm up the cold starting product. This takes place by means of the heat exchanger 13 .
  • the lines 7 , 36 and heat exchangers 13 can be routed radially downwards around the circumference of the reaction chamber 10 or they run in a meandering manner around the reaction chamber 10 in order to enable heat exchange for as long as possible.
  • Hydrogen and nitrogen can be removed as a mixture at another point 22 and separated.
  • Location 22 is therefore preferably opposite outlet location 30 .
  • All-ceramic is also used for the outer insulation 19 around the heat exchanger 13 .
  • Aluminum oxide preferably with a proportion of up to 15% spinel, is preferably used as the material for the ceramic lining or the all-ceramic.
  • Aluminum oxide and/or silicon oxide and/or zirconium oxide is also conceivable.
  • the principle can be applied to any cracker.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Cracker (1) für Ammoniak, der einen Reaktionsraum (10) aufweist, in dem Ammoniak zu Stickstoff und Wasserstoff umgewandelt wird, wobei der Reaktionsraum (10) eine keramische Auskleidung (16) aufweist oder eine Vollkeramik (16) aufweist.

Description

Beschreibung
Ammoniak-Cracker in keramischer Auskleidung und Verfahren
Die Erfindung betri f ft einen Ammoniak-Cracker in keramischer Auskleidung und ein Verfahren .
Ammoniak ist eine vielversprechende Energiequelle , um Wasserstof f (H2 ) ZU speichern und zu transportieren und eine Reihe von Problemen im Zusammenhang mit der kohlenstof f freien Energieerzeugung und -Verteilung zu lösen .
Der thermische Wirkungsgrad derzeit verfügbarer Ammoniak- Cracker-Konzepte , die insbesondere als Wasserstof f lief erant in der Metallverarbeitung eingesetzt werden, bietet erhebliches Verbesserungspotenzial , da die Spaltung von Ammoniak in Wasserstof f und Stickstof f ein Hochtemperaturprozess ist .
Verfügbare Anlagenkonzepte weisen konstruktionsbedingt hohe Wärmeverluste und damit einen geringen Wirkungsgrad auf .
Darüber hinaus wird eine metallische Reaktorstruktur sowohl durch das Ammoniak als auch durch die Reaktionsprodukte , insbesondere durch den Wasserstof f , und durch das Gasgemisch aus Wasserstof f und Ammoniak bei hohen Temperaturen korrosiv angegri f fen .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, oben genannte Probleme zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Ammoniak-Cracker mit keramischer Auskleidung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 .
Ein keramisch ausgekleideter, wärmeflussreduzierter Ammoniak- Cracker mit integriertem Wärmetauscher stellt ein wärmestromoptimiertes und verlustwärmereduziertes System dar, mit dem der Wirkungsgrad erheblich gesteigert werden kann . Mit einer keramischen Auskleidung des Brennraums kann die metallische Reaktorstruktur vor dem Einfluss der korrosiven Ammoniak- , Wasserstof f- und Ammoniak-Wasserstof f-Atmosphäre geschützt werden .
Flüssiges Ammoniak kann bei Temperaturen von etwa 1193K mit Hil fe eines Crackers wieder in seine Bestandteile Wasserstof f und Stickstof f zerlegt werden .
Der Cracker weist einen Reaktor, einen Brenner, einen Wärmetauscher und eine thermische I solierung auf .
Da es sich beim „Cracking" um einen Hochtemperaturprozess handelt , hängt der Wirkungsgrad von den internen Stof fströmen und dem Wärmemanagement ab . Daher wird ein keramisch isoliertes System mit geringem Wärmestrom und integriertem Wärmetauscher vorgeschlagen .
Durch die keramische Auskleidung wird eine metallische Struktur des Reaktors vor dem korrosiven Angri f f des Ammoniaks und der Reaktionsprodukte geschützt .
Eine Reihe von keramischen Werkstof fen sind aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeitseigenschaften für die thermische I solation geeignet . Keramiken besitzen auch häufig eine hohe chemische Beständigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit . Eine für die Auskleidung des Ammoniak-Crackers geeignete Keramik stellt beispielsweise die in Ringbrennkammern stationärer Gasturbinen verwendete Feuerf estkeramik dar . Einer der Hauptvorteile dieser Keramik ist , dass sie sehr kostengünstig ist und eine lange Lebensdauer unter Brennkammeranwendungen hat . Sie besitzt eine niedrige Wärmeleitfähigkeit , eine hohe Wärmekapazität und weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf .
Die Integration von Reaktor, (H2-betriebenem) Brenner und Wärmetauscher in ein thermisch isoliertes und für den Wärmestrom optimiertes System ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad . Die Lebensdauer eines solchen Systems wird durch eine den korrosiven Angri f f der Metallstruktur vermeidende keramische Reaktorauskleidung verlängert .
Ammoniak-Cracker mit hohem Wirkungsgrad ergänzen die Wasserstof f technologie im Hinblick auf Anwendungen, für die große Mengen Wasserstof f lokal verfügbar gemacht werden müssen .
Es zeigt die Figur 1 schematisch die Darstellung eines Ammoniak-Crackers .
Der Ammoniak-Cracker 1 weist einen Reaktionsraum 10 auf , in den über eine Ammoniak-Zuleitung 7 aus einem Tank 4 für Ammoniak Ammoniak zugeleitet wird .
Die Geometrie des Reaktionsraums 10 ist vorzugsweise so auszuführen, dass die für die Reaktion erforderliche Wärmeenergie ef fektiv zugeführt werden kann .
Das Ammoniak wird nicht direkt auf dem kürzesten Weg in den Reaktionsraum 10 geleitet , sondern durchläuft auf dem Weg zum Reaktionsraum 10 einen Wärmetauscher 13 , um die Wärmeenergie der Reaktionsgase auf das einströmende Ammoniak zu übertragen .
Der Wärmetauscher 13 kann beispielsweise um den Reaktionsraum 10 herum angeordnet werden . Das Ammoniak strömt an dem Reaktionsraum 10 vorbei bis zu einer Einlassstelle 33 und ist in der Zuleitung 7 vorzugsweise gekoppelt mit einem Wärmetauscher 13 .
Der Reaktionsraum 10 weist eine keramische Auskleidung auf oder weist eine Vollkeramik 16 auf , die direkt und insbesondere vollständig den Reaktionsraum 10 begrenzt .
In dem Reaktionsraum 10 oder außerhalb des Reaktionsraums 10 ist ein Hei zer 25 angeordnet . Dies stellt nur eine schematische Darstellung für Zufuhr thermischer Energie zum Cracken dar . Andere Möglichkeiten, auch in Kombination, wie z . B . ein Brenner, sind ebenfalls möglich .
Um die innere keramische Auskleidung 16 ist der Wärmetauscher 13 angeordnet .
Das Ammoniak aus der Ammoniak-Zuleitung 7 wird bewusst um den Reaktionsraum 10 geleitet und an der Einlassstelle 33 zugeführt . Die Endprodukte aus dem Reaktionsraum 10 werden an zur Einlassstelle 33 entgegengesetzter Auslassstelle 30 via Auslassleitung 36 ausgeleitet .
Das „kalte" Ammoniak aus dem Tank 4 wird von den heißen ge- crackten Endprodukten vorgewärmt .
Einlassstelle 33 und Auslassstelle 30 sind daher vorzugsweise an den Stirnseiten des länglichen Reaktionsraums 10 angeordnet .
Die Auslassleitung 36 wird ebenso um den Reaktionsraum 10 geführt und ist dabei mit dem Wärmetauscher 13 gekoppelt . Dadurch können die warmen Endprodukte das kalte Ausgangsprodukt erwärmen . Dies geschieht mittels dem Wärmetauscher 13 .
Dabei können die Leitungen 7 , 36 sowie Wärmetauscher 13 radial abwärts um den Umfang des Reaktionsraums 10 geführt werden oder sie verlaufen mäanderf örmig um den Reaktionsraum 10 , um möglichst lange einen Wärmetausch zu ermöglichen .
Wasserstof f und Stickstof f können als Gemisch an anderer Stelle 22 entnommen und getrennt werden .
Die Stelle 22 liegt daher vorzugsweise der Auslassstelle 30 gegenüber .
Zur äußeren I solierung 19 um den Wärmetauscher 13 herum wird ebenfalls eine Vollkeramik verwendet . Als Material für die keramische Auskleidung oder die Vollkeramik wird vorzugsweise Aluminiumoxid vorzugsweise mit einem Anteil von bis zu 15% Spinell verwendet .
Ebenso ist Aluminiumoxid und/oder Sili ziumoxid und/oder Zir- konoxid denkbar .
Das Prinzip kann für j eden Cracker angewendet werden .

Claims

6 Patentansprüche
1. Cracker (1) für Ammoniak, der einen Reaktionsraum (10) aufweist, in dem Ammoniak zu Stickstoff und Wasserstoff umgewandelt wird, wobei der Reaktionsraum (10) eine keramische Auskleidung (16) aufweist oder eine Vollkeramik (16) aufweist.
2. Cracker nach Anspruch 1, bei dem ein Wärmetauscher (13) vorhanden ist, insbesondere um den Reaktionsraum (10) herum, durch den Ammoniak aus einem Tank (4) in der Zuleitung (7) vorgewärmt werden kann.
3. Cracker nach Anspruch 2, bei dem um den Wärmetauscher (13) eine äußere keramische Auskleidung (19) vorhanden ist.
4. Cracker nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem die Keramik für die Auskleidung (13, 16) Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Zirkonoxid, insbesondere mit maximal 15% Spinell, aufweist .
5. Cracker nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem in dem Reaktionsraum (10) oder außerhalb des Brennraums (10) ein Heizer (25) vorhanden ist .
6. Cracker nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 2, 3, 4 oder 5, bei dem ein Wärmetauscher (13) die Zuleitung (7) von Ammoniak und die Auslassleitung (36) 7 der Produkte des Crackers (1) umfasst. Cracker nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem die Einlassstelle (33) für Ammoniak der Auslassstelle (30) des Reaktionsraums (10) gegenüber liegt, so dass die Zuleitung (7) von Ammoniak und die Auslassleitung (36) der Produkte des Crackers (1) möglichst lang parallel zueinander verlaufen. Cracker nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem die Zuleitung (7) , die Auslassleitung (36) und der Wärmetauscher (13) zusammen um den Reaktionsraum (10) parallel verlaufen. Verfahren zur Generierung von Wasserstoff, bei dem ein Cracker (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 verwendet wird. . Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die warmen Produkte aus dem Reaktionsraum (10) mittels Wärmetauscher (13) das Ausgangprodukt Ammoniak in der Zuleitung (7) vorwärmen.
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