FI90967C

FI90967C - Menetelmä ammoniakin valmistamiseksi

Info

Publication number: FI90967C
Application number: FI906439A
Authority: FI
Inventors: Haldor Frederik Axel Topsoe
Original assignee: Topsoe Haldor As
Priority date: 1988-07-01
Filing date: 1990-12-28
Publication date: 1994-04-25
Also published as: NO905597D0; FI906439A0; NO304421B1; BR8907517A; DK159963B; EP0423177A1; DK159963C; WO1990000153A1; EP0423177B1; DK365988D0; NO905597L; KR900701657A; CN1020236C; DK365988A; CN1039002A; US5169717A; JPH04500948A; JP2674850B2; FI90967B

Description

90967 i

Menetelmå ammoniakin valmistamiseksi

Keksinndn laajuus

Esillé oleva keksintO koskee parannettua menetelmaa 5 ammoniakin valmistamiseksi liitt&m&llå Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) tai Integral Reforming Molten Carbonate Cell (IRMCFC) tavanomaiseen ammoniakin tuotantolaitokseen.

Ammoniakin teollisessa valmistuksessa annetaan il-man typen reagoida vetyl&hteen, esimerkiksi hiilivedyn tai 10 kaasuuntuneen hiilen, vedyn kanssa. Ammoniakin synteti-sointiprosessi vaatii huomattavan maar&n mekaanista ener-giaa valmistuskaasun muodostamiseksi ja uudelleenkierrM-tys-, prosessi-ilma- ja jaahdytyskompressoreille.

Prosessilaitokset ammoniakin valmistamiseksi ovat 15 hyvin tunnetut. Ne k&sitt&v&t periaatteessa kaksi paaosaa, i.e. etuosan sopivan synteesikaasun valmistamiseksi ja synteesikierron.

Etuosassa on yksi tai useampi uudelleenmuodostusyk-sikkO, jossa vesihOyry ja edullisesti mybs ilma lisatSSn 20 ja suoritetaan hiilivetyjen muuttaminen runsasvetyisiksi kaasuksi; muunnosyksikkO reformointiyksikOn sivutuotteen hiilimonoksidin muuntamiseksi vedyksi ja hiilidioksidiksi; hiilidioksidin poistoyksikkO ja metanisointiyksikkb, joka muuntaa hiilioksidien jaanteet metaaniksi. Hiilidioksidi 25 poistetaan valmistuskaasusta ja usein johdetaan ilmakehS&n jos laitosta ei ole suunniteltu muuttamaan ammoniakki-tuotetta ureaksi.

Nyt on havaittu mahdolliseksi parantaa ammoniakki-prosessin energiatasetta lisS&maiia tiettyja polttokenno-30 ja, erityisesti Molten Carbonate-tyyppisifi, tavanomaiseen ammoniakkiprosessilaitokseen, jolloin tarjoutuu mahdolli-suus kayttaa hyvin tehokkaalla tavalla puhdistuskaasua, jossa on vetya ja hiilidioksidipoisto(off)kaasua.

2

Keksinndn tausta

Polttokennot ja erityisemmin Molten Carbonate Fuel Cell:it ovat tunnettuja (J. R. Selman, T. D. Claar: "Proceedings of the Symposium on Molten Carbonate Fuell Cell 5 Technology" julkaisunumero 84 13, The Electrochemical

Society Inc.). Polttokennossa kemiallinen energia muunne-taan suoraan såhkttenergiaksi. Polttokennossa on katodi- ja anodielektrodit. Elektrodit toimivat katalyyttisinå reak-tiopaikkoina, joissa polttoaine ja hapettimet muunnetaan 10 elektrokemiallisesti sShkOksi, vedeksi tai hiilidioksidik-si ja lammOksi. Tasavirtana tuotettu såhkO voidaan helpos-ti muunntaa vaihtovirraksi ennen kayttfiS, esimerkiksi prosessilaitoksen tarpeen (tai osatarpeen) tayttSmiseksi.

SynteesimenetelmSn vetypitoisen puhdistuskaasun 15 kayttoa on edelleen kuvattu FR-patenttihakemuksessa 2 374 752 (Pinto). Kuvatussa menetelmassa puhdistuskaasu, esimerkiksi ammoniakkisynteesista ja jossa oli vain vetyS, typpeå, jalokaasuja ja metaania, hapetetaan polttokennossa sfihkttn tuottamiseksi. Polttokennon jSSnnOskaasu kierrSte-20 taan uudelleen polttoaineena tai prosessin syOttOaineena.

Anodilla polttoaine hapetetaan elektrokemiallisesti elektronien luovuttamiseksi, jotka siirretaan ulkopuolisen kieron kautta katodille, missa elektronit liittyvat hapet-timeen. Kierto sulkeutuu ioneilla, jotka siirretaan elekt-25 rolyytin kautta elektrodilta toiselle.

Molten Carbonate Fuel Cell:it tunnetaan pS&asialli-sesti kahdessa muodossa, i.e. yksinkertaiset Molten Carbonate Fuel Cell:it (MCFC) ja Internal Reforming Molten Carbonate Fuel Cell: it (IRMCFC). Naiden kahden Molten Car-30 bonate Fuel Cell:ien paaominaisuudet on esitetty taulukos-sa 1: ii 3 90967 i « <D a) co oo + + o o

N N

x x : ^ N om «μ vJ o O r-1 5 + + ^ "

Q . Tl* P* X

0) ιχ ιχ Ν - £3 + Ο Ο Λ -Γ* «0 „ U U 1 + * ^ tji in

N Ο I M

- e u a a ® 9 a o ? ? «ο u n \ ^ « « D) 1 . . + * O « r. ,* θ'" '« ΓΜ ‘ U X Ο O (0 O o O o <m

J* ^ - U Ο -H C- «3 X U U NO

rj oc r^wn .. n^j· n U ^ *i P 0 + tt 'ί in ω + h-'ozc i -oo + + + +

Uo-H C (0 o CO - x « T

Σ n < - Ο E Ο N O * o , *

OS « -Η -H SHOP v Ή X X X UXX

HXJZH-H vovi—»vldU^S· U P1 U O

<N

T o H u ~ 0 <° <N f *

*3 ix SO

*3 E + CO · o H <S* A 0« © N x" "Jo „ X U p + * 3 O 8 I 5 & 5 ·- ♦ β o £

J 2 + £.2inwo~ *· O

in>0 + , ft^g!JUi Jf Ο Z rj 1 x oo X w + U o H U (0 O CO + + fco<'-EOCS Ο -Η τ n ix m

U « τΙ τ| ix Η Ο 1"H V U ix « Ο η S

Σ X .J Z X Η vO v i—i v XX U X £ (0 0

P

"» P

•Η H

^ X 0 p x a

(OP P

η P H Q) >x to >i m e p

P >χ Μ *H -P

C H C WO)

(0 10 CO Q) -P

x p a) ρ o >1 co c >β) ή e

P C X P C U H 0 Ρ X

P -H w © -r| · 0)00 -H X

P p OP P P H —> P <0 SO

s,s,pp© h w p h x a) co

>ι >ι Ρ Ρ Oi CO C Ο X X COPCO

HiHOHCOH C <0 CO X 0) ¢0 -H

0 O 0 O .C P SO P 0) P Ρ Ρ X

PPPftPP n .C P CD p CO P

P P P P Ό O 0) 03PE Ό C CD

X X X Ό Ο Λ C CQiOP Ο 0 E

0) 0) 0) o p E p c so ο ω ρ x p η η h c: co so co q) a c ω co ο co ω ω ω < x j a x ω < w xxu 4 MCFC k&yttaa polttoaineena vetya ja/tai hiilimonok-sidia ja vaatii hapettimen kasittaen hapen (ilman) ja hii-lidioksidin kuten taulukossa 1 on esitetty.

sahkdn valmistaminen aiheuttaa karbonaatti-ionien 5 migraation katodilta anodille, seka hiilidioksidia val-mistetaan anodilla ja kulutetaan katodilla. Taman vuoksi vaaditaan jatkuva hiilidioksidin siirto anodilta takaisin katodille "carbon dioxide sweeping". Hiilidioksidipyyh-kaisy suoritetaan tavallisesti anodin poistokaasujen jai-10 kipoltolla. Tama jalkipoltto aiheuttaa huomattavan vahen- nyksen muunnettaessa polttoainetta sahkOksi.

Kuten taulukossa 1 on esitetty voi IRMCFC kayttaa metaania (luonnon kaasu), vetya ja/tai hiilimonoksidia polttoaineena ja vaatii hapettimen, jossa on happea (il-15 maa) ja hiilidioksidia.

Anodilla syntyy hiilidioksidia. Kemian prosessilai-toksesta eristetty IRMCFC vaatii "hiilidioksidipyyhkaisya" samaan tapaan kuin MCFC.

Termi "polttokenno" kaytettyna jaijesså tarkoittaa 20 polttokennoryhmia. Normaalisesti polttokennoja kaytetaan sarjassa, ryhmissa riittavan jannitteen saamiseksi.

Kemiallisten ja polttokennoprosessiyksikkdjen yh-distaminen tai integraatio on periaatteessa tunnettu.

J. H. Altseimer et al (Fuel Cell Seminar, lokakuun 25 26 - 29, 1986 Sheraton El Conquistador Tucson, Arizona) mainitsevat polttokennosovellutuksen 61jynj alostusteolli-suudessa taydentavdna energiaiahteena olemassaoleville voimaa ja h6yrya kehittaville systeemeille. Kuitenkaan ei tarkempaa kuvausta polttokennojen integroimisesta jalos-30 tusprosessiin ole esitetty.

Edelleen on esitetty integroida lammOnvaihdinreformeri , kuten on kuvattu EP-patenttihakemuksessa 195 688, ja polttokenno (fosforihappopolttokenno). Taman periaatteen mukaan polttoaine luonnon kaasun muodossa reformoidaan 35 reaktiossa hOyryn kanssa vedyksi, joka kaytetaan poltto- l! 90967 5 kennossa såhkiJvoiman tuott ami seen. Anodin poistokaasu kSy-tetåån polttoaineena refonnerissa ja polttokennon hukka-lammdlia tuotettu httyry k&ytetåån reformointimenetelmåsså.

EP-patenttihakemuksessa A2-0-170277 kuvataan voima-5 laitos, joka kåsittåå sulakarbonaattipolttokennon, refor- merin polttoaineen reformoimiseksi reaktlokaasuksl kennon anodille ja polttimen anodin poistokaasun polttamiseksi ja poltetun poistokaasun viemisen katodille.

US-patenttihakemuksessa 4 522 894 (Hwang et al) 10 kuvataan polttokennovoimalaitos, jossa kaytetaan autoter-mista reformointimenetelmaa runsaasti vetypitoisen polttoaineen saamiseksi, joka viedaan polttokennon anodille. Katodin tuuletuskaasu viedaan autotermiseen reaktoriin ja anodin tuuletuskaasu johdetaan katalyyttiseen polttimeen 15 reformerin sisaanmenevan virran esiianunittamiseksi US-patenttihakemuksessa 3 488 226 (Baker et al) kuvataan menetelma vedyn saamiseksi hiilivedyista matala-painahOyryreformoinnilla ja sen kayttoa Molten Carbonate Fuel Cell:eissa. Reformointireaktio suoritetaan lanunOn-20 vaihtosuhteessa polttokennon kanssa, jolloin polttokennon lampO yliapitaa endotermista reformointireaktiota. Refor- mointireaktiovaihe suoritetaan katalyytilia polttokennon anodikammiossa. Anodin kaytetty polttoaine poltetaan tuot-tamaan lisaa lampoa endotermiselle reformointireaktiolle.

25 GB-patenttihakemuksessa 1 309 517 (Fischer et al.) kuvataan polttokenno hiilivetyjen polttoentalpian muutta-miseksi sahkbenergiaksi. Osa syntyneista poistokaasuista yhdessa moduleissa kulumattoman polttoilman kanssa kulkee låpi huokoisen katalyytin, jossa ne poltetaan polttokenno-30 modulien anodien endotermisen reformointireaktion vaatiman låmpOtarpeen tåyttåmiseksi.

US-patenttihakemuksessa 4 524 113 (Lesieur) kuvataan sulakarbonaattipolttokennon toimintaa saattamalla poltokennon katalyyttiå sisåltSvå anodi kosketuksiin me-35 tanolin kanssa veden låsnåollessa. Tåten metanoli hbyrys- 6 tyy polttokennon sisSlia muodostaen hiilimonoksidia, hii-lidioksidia ja vetya, jota kaytetaan anodin polttoaineena.

JP-patenttihakemuksessa 60-59672 (vertaa JP-patent-tihakemus 60-59672, osa 9, numero 193, julkalstu 85-04-5 06) kuvataan menetelma, jonka tarkoituksena on tehokkaasti kayttaa ammoniakin synteesiteollisuudessa syntyvaa kennon puhdlstuskaasua, joka paaosln kasittaa vetyå, typpea ja argonla. Nain ammoniakin valmistusmenetelmassa syntyva puhdistuskaasu, jossa on vetya, typpea ja argonia eika 10 kaytannOllisesti siIna ole CO:ta tal C02:ta, viedaan alka-lipolttokennoon vetylahteenå. Puhdistuskaasun kåyttO polttokennossa on hyvin tehokasta verrattuna kattilaan. Koska C0:n ja C02:n pitoisuus puhdistuskaasussa on merki-tyksetOn verrattuna pitolsuuteen, joka on vetysåiliOsså 15 olevalla vedylia, on Na2C03:n muodostuminen vahaista ja kennon ika lisaantyy kun puhdlstuskaasua kaytetaan vety-lahteena alkalipolttokennossa.

Tama tunnettu menetelma siis kayttaa alkalipoltto-kennoja, kun taas esilia olevan keksinnOn mukainen mene-20 telma kayttaa Molten Carbonate Fuel Cell:eja tal Internal Reforming Molten Carbonate Fuel Cell:eja.

Kuten ymmarrettavissa on tarjoaa esilia oleva kek-sintO parannetun menetelman ammoniakin valmistamiseksi integroimalla prosessilaitos, joka perustuu tahan tarkoi-25 tukseen sinansa tunnettuun prosessiteknologiaan, seka Molten Carbonate Fuel Cell tai Internal Reforming Molten Carbonate Fuel Cell.

Esilia olevan keksinnOn mukaisen menetelman paa-piirteet ovat: 30 la) Ammoniakin valmistusmenetelman aikana saatu hiilidioksidivirta johdetaan polttokennon katodikaasukier-toon j a lb) prosessilaitoksen puhdistuskaasuvirta, jossa on yksi tai useampi polttokennossa kaytettavissa oleva polt-35 toaine, johdetaan polttokennon anodikammioon ja 90967 7 2) johdetaan polttoaineena kayttOkelpoinen poisto-kaasu polttokennon anodikanuniosta prosessilaitoksen etu-osaan.

Esilia olevan keksinnOn edullisen suoritusmuodon 5 mukaan hiilidioksidia sisaitava virta on hiilidioksidin talteenottoyksikOn poistokaasuvirta. Yleensa taiiainen runsaasti hiilidioksidipitoinen virta johdetaan ilmake- haan.

Monet prosessilaitokset tarvitsevat korkeapainehOy-10 ryS, esimerkiksi osana reformerisydttoa. Samaten monet prosessilaitokset voivat kayttaa korkeapainehttyrya kayttO-voimana.

Vieia edullisemman esilia olevan keksinnOn suori-tusmuodon mukaan polttokennossa syntynyt ylijaamaiampO 15 kaytetaan korkeapainehOyryn tuottamiseen, mita edelleen voidaan kayttaa prosessilaitoksessa.

Lyhyt kuvioiden kuvaus

KeksintO selitetaan jaijessa viitaten kuvioihin, joissa 20 kuviossa 1 on MCFC-polttokennonj SrjestelmSn pro- sessin kulkukaavio, kuviossa 2 on IRMCFC-polttokennojarjestelman pro-sessin kulkukaavio, kuviossa 3 on MCFC:n ja anunoniakkilaitoksen integ-25 roitu prosessin kulkukaavio, kuviossa 4 on IRMCFC:n ja anunoniakkilaitoksen in- tegroitu prosessin kulkukaavio ja kuviossa 5 on prosessin kulkukaavio tavanomaiselle ammoniakkilaitokselle, joka kayttaa luonnon kaasua raaka-30 aineena.

Kuvioissa nuolet osoittavat virran kulkusuuntaa. Katkoviivat osoittavat valinnaisia yhteyksia ja/tai kul-kusuuntia.

Kuviot on yksinkertaistettu, eika kaikkkia yksit-35 taisia yksikOita, lammOnvaihtimia tai pumppuja jne. ole 8 esitetty. MyOskaan kaikkia hyttdyllisia asennuksia tai yh-teyksia ei ole esitetty. Polttokennoon liityvia sahkOyh-teyksia ja asennuksia el ole esitetty.

KeksinnOn yksityiskohtainen kuvaus 5 Kuviossa 1 esitetaan MCFC-polttokennojarjestelman prosessin kulkukaavio. Tassa kulkukaavlossa 1 on polttokenno kasittaen anodin 1A, katodin 1C ja elektrolyytin, 2 on raaka-aineena kaytetyn luonnonkaasun tulolin-10 ja, 2a on prosesslkaasun sisaantulo ja 2b on polttoaineen sisaantulo, 3 on hOyryreformeriyksikkO, 4 on on reformerilta polttokennoon esivalmistetun syiJtiin siirtolinja, 15 5 on anodipoistokaasun siirtolinja jaikipolttoon,

6 on jaikipolttoyksikkO

7 on ilmansytttttt 8 on jaikipolton poisto(o£f)kaasullnja 9 on syOttOkaasulinja katodille puhaltiinella 20 10 on katodin poistokaasulinja, 11 on puhdlstuslinja, 12 on katodin poistokaasun uudelleenkierratyslinja, 13 on hukkaianundn talteenottokattila, ja 14 on tuuletusaukko.

25 Reformeri 3:ssa osa luonnon kaasusta, joka tuodaan prosesslkaasun sisaantulolinjalta 2a, muutetaan hOyryre-formoinnilla seuraavien reaktioiden mukaisesti CH4 + H20 -> CO + 3H2 CO + H20 ^ C02 + H2 30 Tuloksena saadaan polttokennolle sopiva syOttG.

Tyypillinen koostumus on (kaikki tilavuusprosenttiluvut viittaavat kuiva-ainepohjaan): 76.0 % H2

15.1 % CO

35 7,7 % C02 li 90967 9 1,2 % CH4 TSmS syOttO on tapahtuu siirtolinja 4:lta poltto-kennon 1 anodille 1A. Tassa polttokennossa sytttttt muute-taan kuten taulukossa 1 edelia on kuvattu, mutta muutos ei 5 ole taydellinen, olien tavalllsestl noin 90 %. Poistokaa-sulla oli tyypillisesti seuraava koostumus (samoin tila-vuusprosentteja kuiva-ainepohj asta): 5,4 % H2 3,6 % CO 10 89,9 % C02 1,1 * CH4 ja siirto tapahtuu siirtolinjalla 5 jaikipolttoon, jossa kaikki polttoaineet muutetaan C02:ksi ja H20:ksi reaktiolla linjalta 7 tulevan ilman kanssa.

15 Syntyva poistokaasu, ilmaylimaara ja osa uudelleen- kierratyslinjalta 12 johdetusta katodin poistokaasusta pu-halletaan polttokennon 1 katodin kammioon 1C katodin sydt-tOkaasulinjalta 9.

Syntynyt nettopoistokaasu otetaan puhdistuslinjan 20 11 kautta hukkaiammdn talteenottokattilaan 13 ja sielta johdetaan ilmakehaan linjan 14 kautta.

Hieman enemman kuin 50 % vedyn anodikammiossa rea-goineesta alhaisemmasta polttoarvosta muutetaan sahkdksi. Loppu on hukkaiampda.

25 Polttokennojarjestelman hyOtysyhde, eli tuotettu sahkO jaettuna sydtetyn luonnonkaasun (i.e. virta 2) alem-malla polttoarvolla, on 40 - 45 %. Polttoaineiden maara jaikipoltossa vastaaa noin 15 % luonnon kaasun kulutukses-ta.

30 Kuviossa 2 kuvataan prosessin kulkukaavio IRMCFC:lle. Tassa kulkukaaviossa numerot 1-14 tarkoitta-vat samaa kuin kuviossa 1.

15 on lammdnvaihdin siirtaen lampOa raaka-aine-kaasun ja anodin poistokaasun vaiilia, 35 16 on siirtolinja, 10 17 on polttoalneen puhdistusyksikkd 18 on puhtaan syOtiin siirtolinja, 19 on puhaltlmella varustettu uudelleenkierråtys-linja, ja 5 20 on anodin nettopoistokaasun siirtolinja.

Prosessikaasun syttttfilinj'aa 2a pitkin tuleva luon-non kaasu esikuumennetaan lammOnvaihdin 15:ssa ja johde-taan polttoalneen puhdistusyksikkOOn 17, jossa mahdollinen rikkipitoisuus alennetaan sen hyvin alhaisen rajan alapuo-10 lelle, joka on tarpeen polttokennon toleranssirajojen nou-dattamiseksi. Puhdas sydttO johdetaan polttokenno l:n ano-dikammioon 1A siirtolinjan 18 kautta yhdessa uudelleen kierratetyn linja 19 poistokaasun kanssa. Anodin poisto-kaasu 5 osittain uudelleenkierrAtetaan uudelleenkierratys-15 linjan 19 kautta ja nettomaara siirretaan jaikipolttoyk-sikkOOn 6 lånunOnvaihtimen 15 kautta. Polttoaineet poisto-kaasussa ja lima muutetaan yksikOssa 6 C02:ksi ja H20:ksi. Syntynyt kaasu johdetaan kaasulinjaa 8 pitkin, ja ilma-ylimaaran ja osan uudelleenkierråtyslinjan 12 kautta kul*> 20 jetettun katodin poistokaasun kanssa puhalletaan polttokennon 1 katodikammioon 1C katodin syOttfikaasulinjaa 9 pitkin.

Katodin poistokaasu jaetaan osaan, joka uudelleen-kierratetaan linjaa 12 pitkin ja nettopoistokaasuun, joka 25 johdetaan hukkaiammOn talteenottokattilaan 13 puhdistus-linjan 11 kautta ja sielta johdetaan ilmakehaan linjan 14 kautta.

Verrattuna kuviossa 1 kuvattuun MCFC-tyyppiseen polttokennoinstallaatioon on ulkopuolinen reformeri 3 ja-30 tetty pois. Luonnon kaasu muutetaan vedyksi anodikammion sisaiia sopivalla katalyytilia. Korvaamalla ulkopuolinen reformeri sisaiselia reformerilla voidaan hydtysuhdetta -kuten edelia on maaritelty (kuvio 1) - lisata noin 40 -45 %:sta hiukan yli 60 %:iin. Kuitenkin kuten MCFCilia

It 90967 11 merkittava osa luonnon kaasusta, 12 - 14 %, muutetaan lam-mdksi hiilidioksidipyyhkaisyn yhteydessa.

Kuviossa 3 esitetaan prosessin kulkukaavlo MCFC:n ja anunonlakkllaltoksen valiselle integraatiolle. Ammoniak-5 kilaitos on esitetty esimerkinomaisesti tavanomaisella lay-outilla kayttaen luonnonkaasua seka sydtettavana raa-ka-aineena etta polttoaineena. Tassa kulkukaaviossa 20 on raaka-aineen tulolinja, 21 on ilman sisaantulo, 10 22 on polttoaineen tulolinja, 23 on yhteinen linja ulkopuoliselle polttoaineelle ja uudelleenkierratetylle anodin poistokaasulle, 24 on ammoniakkilaitoksen etuosa, 25 on synteesikompressori 15 26 on ammoniakin synteesikierto, 27 on tuotetun ammoniakin ulosottolinja, 28 on on kierron puhdistuslinja, 29 on polttokenno, jossa on anodi 29A ja katodi 29C, 20 30 on tuuletus katodin nettopoistokaasulle 31 on uudelleen kierratetyn katodin poistokaasun lin ja 32 on kierratin, 33 on hukkaiammdn kattila, 25 34 on ilman sisaanotto, 35 on hiilidioksidivirta etuosasta, ja 36 on anodin poistokaasun linja 29:sta etuosaan 24. Ammoniakin syntetisointilaitoksen lay-out on ta- vanomainen, i.e. luonnon kaasuvirta 20 sydtetaan etuosaan 30 24 kasittaen mm. rikinpoiston, primaarireformoinnin, se- kundaarireformoinnin, hiilimonoksidivaiheet, hiilidioksi-din poiston ja lopuksi metanoinnin kaasun puhdistamiseksi jaanndshiilioksideista. Syntyva synteesikaasu puristetaan kompressorissa 25 ja johdetaan tavanomaiseen ammoniakin 35 synteesikiertoon 26. Ammoniakin tuotevirta 27 otetaan 12 klerrosta 26. Puhdistusvirta, jossa on vetyd, typpefi ja inertteja kaasuja, kuten metaania ja argonia, otetaan puh-distuslinjalta 28, jotta inerttien maara kierrossa on hy-vaksyttavana tasolla. Puhdistusvirta syOtetaan MCFC 29:n 5 anodille 29A polttoaineena ja syntyva anodin poistokaasu lisataan linjan 36 kautta linjah 22 polttoaineeseen etu-osaa 24 vårten. Etuosan virta 35 hiilidioksidin poistoyk-sikdlta yhdistetaan ilmavirtaan 34 ja syOtetaan MCFC:n katodikaasun uudelleenkierratykseen 31, 32 ja 33 hapetti-10 mena. Katodin poistokaasusta suurin osa kierratetaan uu-delleen kierrossa 31 kayttaen uudelleenkierratyspumppua 32. Katodin poistokaasujaannOs 30 johdetaan ilmakehåån. MCFC:ssa syntynyt lampO kaytetaan hukkaldmpOkattilassa 33 hdyryn tuottamiseksi, jota kaytetaan laitoksessa proses-15 sihOyryna tai kompressorien, turbiinien jne. kayttamiseen.

Kuviossa 4 kuvataan IRMCFC:n ja ammoniakkilaitok-sen vaiinen integraatio.

Tåsså kulkukaaviossa numeroilla 20 - 36 on sama merkitys kuin kuviossa 3.

20 28a on vetypuhdistuskaasun siirtolinja kierrosta anodin syOttOlinjaan, 28b on vetypuhdistuskaasun siirtolinja kierrosta etuosaan polttoaineena, 37 on desulfuroidun luonnon kaasun siirtolinja ano- 25 dikiertoon, 38 on anodikammion kokonaissyOttOlinja, 39 on anodin poistokaasun uudelleenkierr&tyslinja, 40 on uudelleenkierrdtetyn anodikaasun ja desulfuroidun luonnon kaasun yhteislinja, 30 41 on anodin poistokaasulinja, 42 on uudelleenkierråtett&v&n anodin poistokaasun linja, ja 43 on uudelleenkierratin.

Konfiguraatio on sama kuin kuviossa 3 lukuunotta-35 matta polttokennon polttoaineen lShdetta. IRMCFCrllå on 90967 13 mahdollista korvata runsaastl vetypitoinen virta 28 koko-naan tal oslttain luonnon kaasulla, virtalinja 37. Edulli-simmin virta johdetaan anunoniakkilaitoksen etuosan syiittiJ-kaasulinjasta rikinpoiston j&lkeen. MyOskin sisSisen re-5 formoinnin suorittamiseksi anodikanuniossa on tarpeellista sSilyttaa anodikierto kuten kuviossa 2, i.e. linjat 42 ja 39 uudelleenkierrattimellS 43.

Kuviossa 5 esiteta&n tavanomaisen luonnon kaasua raaka-aineena kéytt&v&n anunoniakkilaitoksen prosessin kul-10 kukaavio. TfissS kulkukaaviossa 44 on raaka-aineen tulolinja, 45 on ilman sisfifinotto, 46 on polttoaineen syOttOlinja 46a on yhteinen linja ulkopuoliselle polttoaineelle 15 ja uudelleen kierratetylle puhdistuskaasulle, 47 on anunoniakkilaitoksen etuosa, 48 on synteesikaasukompressori, 49 on ammoniakkikierto, 50 on tuotetun anunoniakin ulosottolinj a, 20 51 on kierron puhdistuslinja, ja 52 on etuosan poistokaasulinja (C02).

Anunoniakin synteesilaitoksen lay-out on tavanomai-nen, i.e. luonnon kaasuvirta johdetaan sydttdlinjaa 44 pitkin etuosaan 47 k&sitttten mm. rikinpoiston, primaari-25 reformoinnin, sekundaarireformoinnin, hiilimonoksidisiir- ron, hiilidioksidin poiston ja lopuksi metanoinnin. Synty-nyt synteesikaasu puristetaan kompressorilla 48 ja syiJte-taan tavanomaiseen anunoniakkisynteesikiertoon 49. Kierros-ta anunoniakin tuotevirta otetaan ulosottolinja 50:n kaut-30 ta. Vetya, typpea ja inertteja kaasuja, kuten metaania ja argonia, sisSltavS puhdistuskaasu johdetaan linjan 51 kautta inerttien maaran minimoimiseksi kierrossa. Puhdis-tusvirta syOtetaan etuosaan 47 polttoaineena. Etuosasta C02-poistoyksik0sta C02-virta lahtee poistokaasuna linjaa 35 52 pitkin.

14

Synteesikompressori 48 kuluttaa melkoisesti tehoa. Se on usein turbi inikayttiiinen kSyttSen korkeapainehbyryS kSyttOvoimana.

Esimerkit 5 Keksintoa ja silia saavutettuja etuja havainnollis- tetaan edelleen seuraavilla esimerkeilia.

Esimerkki 1 MCFC:n liittåminen ammoniakkilaitokseen Viitataan kuvioon 3, joka kuvaa tata keksinnttn suo-10 ritusmuotoa.

Ammoniakkilaitoksen tavanomainen (kuvio 5) ja erillisen MCFC-voiraalaitoksen (kuvio 1) lay-outit ovat liitetyt - laskemalla puhdistusvirta linja 28 kautta synteesikier-15 rosta 26 ja johtamalla tama puhdistusvirta polttoaineena MCFC 29:n anodille 29A, - laskemalla anodin poistokaasuvirta linjan 36 kautta MCFC 29:sta ja kayttaen tata virtaa polttoaineena ammoniakki-laitoksen etuosassa 24, 20 - laskemalla ammoniakkilaitoksen etuosasta 24 hiilidioksi- divirta C02-poistoyksik0sta ja johtamalla tama virta 35 yhdessa ilman 34 kanssa MCFC 29 :n katodin uudelleenkierrå-tyskiertoon, - syOttamaiia MCFC-installaation hukkaiammOn talteenotto- 25 kattilassa 33 tuotettu hOyry ammoniakkilaitoksen kor- keapainehOyryjarjestelmaan (taman hukkaiampfikattilassa 33 tuotetun hOyryn syOttamista ammoniakkilaitoksen hOyryjar-jestelmaan ei ole kuvattu), ja - jattamana pois erillinen MCFC:n syOtbn kasittelykokoon- 30 pano.

Kuviossa 3 esitetylia integraatiolla on seuraavat edut verrattuna vastaavan ammoniakin tuotantokapasiteetin omaavaan tavanomaiseen ammoniakkilaitokseen ja erilliseen MCFC:hen, jolla on sama sShkOn tuotanto kuin integroidun 35 jarjestelman MCFC:lia: li 90967 15

Synteesikierron puhdistuskaasuvirran sisaitSmastå vedysta suurempl osa kaytetaan tehokkaammln MCFC:ss3 kuln muuten olisl mahdollista. Jaanndsvety ja metaani, l.e. anodln poistokaasu, kaytetaan polttoalneena samalla hyO-5 tysuhteella kuln tavanomalsessa jarjestelmassa.

- vaitetaan polttoalneiden havikki, joka johtuu tavanomai-sesta C02-pyyhkaisysta erllllsessa MCFC-jarjestelmassa. Tarpeellinen hiilidioksidimaara MCFC:n katodllle otetaan ammoniakkilaitoksen C02-poistoyksik0n poistokaasuvirrasta, 10 joka muutoin tuhlattaisiin.

- Ammoniakkilaitoksessa voidaan kayttaa hyvin tehokkaasti MCFC:ssa tuotettu hukkaiampd.

- Erillisen MCFC:n polttoalneen kasittelykokoonpanon, eri-tyisestl erillisen rikinpoistoyksikOn ja erillisen hOyryn 15 reformerin, poisjattO on yksinkertaistus, mika vahentaa melkoisesti kokonaispaaomakustannuksia ja parantaa kokona ishydtysuhdetta.

- Tarkasteltuna voimalaitoksena integroidun mallin hyO- tysuhde - tuotettu sdhkd jaettuna kulutetun polttokaasun 20 alemmalla polttoarvolla - parantuu noin 40 - 45 %:sta hiu- kan yli 50 %:iin.

Esimerkki 2 IRMCFCrn integraatio ammoniakkilaitokseen Viitataan kuvioon 4, joka kuvaa tata keksinnOn suo-25 ritusmuotoa.

Tavanomaisen ammoniakkilaitoksen (kuvio 5) ja erillisen IRMCFC:n (kuvio 2) lay-outit ovat integroidut: - laskemalla IRMCFC 29:n anodin poistokaasuvirta linjan 36 kautta ja kayttamaiia tata virtaa polttoaineena ammoniak- 30 kilaitoksen etuosassa 24, - laskemalla ammoniakkilaitoksen etuosan 24 C02-poistoyksi-kdsta hiilidioksidivirta linjan 35 kautta ja johtamalla tama virta yhdessa ilman 34 kanssa IRMCFC 29 :n katodin uudelleenkierratyskiertoon, 16 - liittamana IRMCFC-asennuksen hukkaiammdn talteenotto-kattilassa 33 tuotettu hOyry ammoniakkilaitoksen kor-keapainehttyryjarjestelmaan (ei esitetty), jattamana pois erillinen rikin puhdistusyksikkO 5 IRMCFC:n polttoaineen kasittelemiseksi, ja - haluttaessa kayttamailS ainakln osa linjan 28a puhdis-tuskaasusta polttokennon anodin syOttOna.

Integraatiolla saavutetaan seuraavat edut: - vaitetaan C02-pyyhkaisyn aiheuttama polttoaineen havikki. 10 Katodin tarvitsema hiilidioksidi tuodaan ammoniakkilaitok- sesta, jossa se on anunoniakin valmistuksen sivutuote, joka usein johdetaan ilmakehaan. Anodin poistokaasu korvaa luonnon kaasun ammoniakkilaitoksen polttoaineena.

- Polttokennossa tuotettu hukkaiamp6 voidaan kayttaa hyvin 15 tehokkaasti ammoniakkilaitoksessa.

Kokonaisedut ovat melkoiset. Integroidun laitoksen hyiJtysuhde tarkasteltuna voimalaitoksena verrattuna sahkOn tuottamiseen erillisessa IRMCFC:ssa parantuu hiukan yli 60 %:sta hieman yli 70 %:iin.

20 Keksinn6n teollinen kåyttft

Integroimalla tavanomainen ammoniakkilaitos MCFC:n tai viela edullisemmin IRMCFC:n kanssa paranee sahkdn tuo-tanto kennoissa merkittavSsti seka lisaksi jatekaasut, kuten C02, voidaan kayttaa. Taten keksintO vahentaa kasvi-25 huoneilmittta maailmanlaajuisesta perspektiivista.

Uskotaan, etta pian maailman laajuisesti ammonia-kintuotanto tapahtuu esilia olevan keksinnOn periaatteiden mukaisesti.

li

Claims

90967

1. Menetelmå ammoniakin valmistamiseksi ammoniakkilaitok-sessa, jossa on synteesikaasun valmistusosa ja ammoniakin 5 synteesikierto, johon on integroitu sulakarbonaattipoltto- kenno, kSsittSen yhden tai useamman polttokennossa poltto-aineena kåyttOkelpoisen ammoniakkilaitoksen puhdistuskaa-suvirran komponentin joht amisen polttokennon anodikam-mioon, seka polttokennon anodikammion poistokaasun, joka 10 on kdyttOkelpoinen kaasunvalmistusosassa polttoaineena, johtamisen ammoniakkilaitoksen kaasunvalmistusosaan, tunnettu siita, etta ammoniakin valmistusproses-sin aikana saatu hiilidioksidipitoinen virta johdetaan polttokennon katodin kaasukiertoon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmå, tunnettu siita, etta hiilidioksidipitoinen virta on prosessilaitoksen hiilidioksidin poistoyksikdsta saatu poistokaasuvirta.

3. Patenttivaatimuksien 1 tai 2 mukainen menetelmå, 20 tunnettu siita, etta osa polttokennossa saatavas- ta energiasta on ylijaamaiammdn muodossa.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmå, tunnettu siita, etta ylijaamaiampO kaytetaan kor-keapainehOyryn kehittSmiseen prosessilaitoksessa kaytetta- 25 vdksi.

5. Edelia olevien patenttivaatimuksien mukainen menetelmå, tunnettu siita, etta sulakarbonaatti-polttokenno on sisaisesti reformoiva sulakarbonaattipolt-tokenno.