JP2024521560A - Ammonia decomposition for hydrogen production - Google Patents

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Abstract

アンモニアの接触分解を介して水素を合成するためのプロセスであって、前記プロセスは、アンモニア含有流(10)を、熱の存在下で接触分解工程(11)に供して、燃焼済ガスと、窒素、水素、並びに場合によっては残留アンモニア、及び任意選択で水を含有する熱分解流(14)とを得る工程を含み、前記プロセスはさらに、前記熱分解流を水素回収工程に供して、高純度水素流(22)を得る工程を含む。A process for the synthesis of hydrogen via catalytic cracking of ammonia, said process comprising subjecting an ammonia-containing stream (10) to a catalytic cracking step (11) in the presence of heat to obtain combustion gases and a pyrolysis stream (14) containing nitrogen, hydrogen and possibly residual ammonia and optionally water, said process further comprising subjecting said pyrolysis stream to a hydrogen recovery step to obtain a high purity hydrogen stream (22).

Description

本発明は、水素製造の分野に関するものであり、詳細には、アンモニア分解ユニットからの水素製造のためのプロセス及びプラントに関する。 The present invention relates to the field of hydrogen production, and in particular to a process and plant for hydrogen production from an ammonia cracking unit.

電力セクター及び輸送の両方における化石燃料の過剰な使用は、人の健康及び快適な生活に、さらには環境に対して有害な影響をもたらしてきた。現在、化石燃料に対する何らかの環境に優しく持続可能な代替品を見出すことが強く求められている。 The excessive use of fossil fuels in both the power sector and transportation has had detrimental effects on human health and well-being, as well as on the environment. There is now a strong need to find some environmentally friendly and sustainable alternatives to fossil fuels.

水素及びアンモニアは、カーボンフリーキャリアであり、化石燃料に対する理想的な代用品と見なされる。 Hydrogen and ammonia are carbon-free carriers and are considered ideal substitutes for fossil fuels.

小スケールでは、水素は、太陽光、風力、及び電気分解などの様々な自国内の資源から製造することができる。反対に、工業的スケールでは、水素は、ほとんどの場合、天然ガスの改質(水蒸気改質)又は石炭由来合成ガスの水性ガスシフトによる化石燃料の改質を介して得られる。 On a small scale, hydrogen can be produced from a variety of domestic sources such as solar, wind, and electrolysis. Conversely, on an industrial scale, hydrogen is most often obtained via the reforming of fossil fuels, either by reforming natural gas (steam reforming) or by the water-gas shift of coal-derived syngas.

水蒸気改質によって製造される水素は、天然ガスの生成から開始して、高温改質、高温及び低温での水性ガスシフト変換(water-gas shift conversions:WGS)、並びに精製という多段階プロセスを必要とする。 Hydrogen produced by steam reforming requires a multi-step process starting with the production of natural gas, followed by high-temperature reforming, water-gas shift conversions (WGS) at high and low temperatures, and purification.

残念なことに、前記改質プロセスの結果として、排出物であるCOが大量に大気中に排出される。 Unfortunately, the reforming process results in large amounts of emissions, CO2 , being emitted into the atmosphere.

本技術分野において、大気中に二酸化炭素をまったく排出することなくクリーンな水素を製造することができる工業的スケールの水素合成プロセスを見出すことが求められている。そのようなプロセスはまた、従来の方法に対して経済的に競争力を有するべきでもある。 There is a need in the art to find an industrial-scale hydrogen synthesis process that can produce clean hydrogen without emitting any carbon dioxide into the atmosphere. Such a process should also be economically competitive with conventional methods.

再生可能エネルギーから合成されたグリーンアンモニアは、グリーン水素の製造を含む数多くの潜在的なエネルギー用途を備えた水素のカーボンフリーの貯蔵ベクトル(storage vector)である。水素は、アンモニアから、接触分解として知られる熱分解プロセスを介して得ることができる。 Green ammonia synthesized from renewable energy is a carbon-free storage vector for hydrogen with numerous potential energy applications, including the production of green hydrogen. Hydrogen can be obtained from ammonia via a thermal cracking process known as catalytic cracking.

前記接触分解プロセスにおいて、アンモニアは、熱及び触媒(Ni又はRu又はPt)の存在下、以下の吸熱平衡に従って解離(decomposed)又は分解(cracked)されて、H及びNに戻される。
2NH←→3H+N
In the catalytic cracking process, ammonia is decomposed or cracked back to H2 and N2 in the presence of heat and a catalyst (Ni or Ru or Pt) according to the following endothermic equilibrium:
2NH3 ←→ 3H2 + N2

アンモニアから水素への熱力学的変換は、425℃という低い温度で可能である。しかし、実際には、変換率は用いられる触媒の種類に応じて異なる。典型的には、Niは、Ru(400℃)よりも高い温度(500~750℃)で活性であるが、後者の触媒はより高価である。 The thermodynamic conversion of ammonia to hydrogen is possible at temperatures as low as 425°C. In practice, however, the conversion rate varies depending on the type of catalyst used. Typically, Ni is active at higher temperatures (500-750°C) than Ru (400°C), but the latter catalyst is more expensive.

アンモニアの熱接触変換に要する熱は、典型的には、電気加熱式炉では電気加熱を介して、又は改質器の場合は燃料の燃焼を介して提供される。 The heat required for the thermal catalytic conversion of ammonia is typically provided via electrical heating in an electrically heated furnace, or via the combustion of fuel in a reformer.

残念なことに、上述したアンモニア分解技術は、いくつかの欠点を抱えている。第一に、前記アンモニア分解技術は、主として小スケール用途において、成熟しかつ商業的に利用可能ということである(すなわち、100kg H/時間未満の水素製造速度)。 Unfortunately, the above-mentioned ammonia decomposition technologies suffer from several drawbacks: First, they are mature and commercially available primarily for small-scale applications (i.e., hydrogen production rates below 100 kg H2 /hr).

この技術をスケールアップすることの主たる問題点は、十分にコンパクトな分解ユニットを、消費量に応じた速度でのアンモニアの分解が可能であるように設計することである。 The main challenge in scaling up this technology is to design a sufficiently compact decomposition unit to be able to decompose ammonia at a rate that is commensurate with consumption.

加えて、断熱分解ユニットを利用する計画で見られる典型的な課題は、アンモニアの変換率が比較的低い(すなわち、アンモニアスリップが高い)ことである。反対に、酸素吹き自己熱改質器を利用する分解プラントでは、高価な空気分離ユニット(Air Separation Unit)ASUを設置することが必要となる。 In addition, a typical challenge faced by projects utilizing adiabatic cracking units is the relatively low ammonia conversion (i.e., high ammonia slip). In contrast, cracking plants utilizing oxygen-blown autothermal reformers require the installation of expensive Air Separation Units (ASUs).

さらに、高い水素製造速度(>1000m/時間)のためには、天然ガスの改質が、依然として最も費用対効果の高いオプションである。 Furthermore, for high hydrogen production rates (>1000 m 3 /hr), natural gas reforming remains the most cost-effective option.

したがって、上記考慮事項の観点から、大スケールの水素製造に適する費用対効果の高い水素合成プロセス及びプラントを提供することが非常に望ましい。加えて、前記改善された水素合成プロセスは、環境に優しいものであるべきであり、したがって、大気中への二酸化炭素排出に寄与するべきではない。 Therefore, in view of the above considerations, it is highly desirable to provide a cost-effective hydrogen synthesis process and plant suitable for large-scale hydrogen production. In addition, the improved hydrogen synthesis process should be environmentally friendly and therefore should not contribute to carbon dioxide emissions into the atmosphere.

本発明の目的は、先行技術における上記欠点を克服することである。特に、本発明が対処する問題は、二酸化炭素の排出量及び前記プラントのコストをいかにして低減するか、並びに大スケールの製造に適するプロセス及びプラントをいかに提供するか、ということである。 The object of the present invention is to overcome the above-mentioned shortcomings in the prior art. In particular, the problem addressed by the present invention is how to reduce the carbon dioxide emissions and the costs of said plants, and how to provide a process and a plant suitable for large-scale production.

本発明は、アンモニアの分解を通して高純度の水素流が得られるプロセスに関する。 The present invention relates to a process for obtaining a high purity hydrogen stream through the decomposition of ammonia.

本発明の第一の態様は、請求項1に記載の水素の接触合成のためのカーボンフリーの水素製造プロセスである。 A first aspect of the present invention is a carbon-free hydrogen production process for catalytic synthesis of hydrogen as described in claim 1.

請求項1に記載のプロセスは、水が任意に(optionally)添加されたアンモニア流を予備加熱工程に供して、アンモニア含有流を得る工程、前記アンモニア含有流を、熱の存在下で接触アンモニア分解工程に供して、窒素、水素、並びに場合によっては残留アンモニア及び水を含有する熱分解流を得る工程、を含む。 The process of claim 1 includes subjecting an ammonia stream, optionally with added water, to a preheating step to obtain an ammonia-containing stream, and subjecting the ammonia-containing stream to a catalytic ammonia decomposition step in the presence of heat to obtain a pyrolysis stream containing nitrogen, hydrogen, and optionally residual ammonia and water.

請求項1に記載のプロセスは、さらに、前記熱分解流を水素回収工程に供して、高純度水素流及びテールガスを得る工程を、あるいは、前記熱分解流を、水の存在下でスクラビング工程に供して、精製ガス流を得て、さらに前記精製ガス流を水素回収工程に供して、高純度水素流及びテールガスを得る工程を含む。 The process of claim 1 further comprises subjecting the pyrolysis stream to a hydrogen recovery step to obtain a high purity hydrogen stream and a tail gas, or subjecting the pyrolysis stream to a scrubbing step in the presence of water to obtain a purified gas stream, and further subjecting the purified gas stream to a hydrogen recovery step to obtain a high purity hydrogen stream and a tail gas.

加えて、請求項1に記載のプロセスは、前記テールガスの少なくとも一部分を、前記接触分解工程に熱を提供するための燃料ガスとして再循環させる工程、及び前記高純度水素流を引き抜く工程を含む。 Additionally, the process of claim 1 includes recycling at least a portion of the tail gas as a fuel gas to provide heat to the catalytic cracking process, and withdrawing the high purity hydrogen stream.

本発明のさらなる態様は、請求項7に記載の水素の製造プロセスである。 A further aspect of the present invention is a process for producing hydrogen as described in claim 7.

請求項7に記載のプロセスは、アンモニア流を加熱ステージに供して、アンモニア含有流を得る工程、前記アンモニア含有流を、熱の存在下で接触アンモニア分解工程に供して、燃焼済ガスと、窒素、水素、及び残留アンモニアを含有する熱分解流とを得る工程、を含む。 The process of claim 7 includes subjecting an ammonia stream to a heating stage to obtain an ammonia-containing stream, and subjecting the ammonia-containing stream to a catalytic ammonia decomposition step in the presence of heat to obtain a combusted gas and a pyrolysis stream containing nitrogen, hydrogen, and residual ammonia.

請求項7に記載のプロセスは、さらに、所望に応じて前記熱分解流を水と混合して水が添加された熱分解流を得て、前記熱分解流又は前記水が添加された熱分解流を、冷却ステージに供給して、冷却流を得る工程、前記冷却流をフラッシュ分離工程に供して、アンモニア枯渇流及びアンモニア流又はアンモニア水溶液のいずれかを得る工程、並びにさらに前記アンモニア枯渇流を水素回収工程に供して、高純度水素流及びテールガスを得る工程、を含む。 The process of claim 7 further includes the steps of: optionally mixing the pyrolysis stream with water to obtain a pyrolysis stream to which water has been added; feeding the pyrolysis stream or the pyrolysis stream to which water has been added to a cooling stage to obtain a cooled stream; subjecting the cooled stream to a flash separation step to obtain an ammonia-depleted stream and either an ammonia stream or an aqueous ammonia solution; and further subjecting the ammonia-depleted stream to a hydrogen recovery step to obtain a high-purity hydrogen stream and a tail gas.

別の選択肢として、前記アンモニア枯渇ガス流は、水の存在下でスクラビング工程に供され、精製ガスが得られる。前記精製ガスは、さらに、水素回収工程に供されて、高純度水素流及びテールガスが得られる。 Alternatively, the ammonia-depleted gas stream is subjected to a scrubbing step in the presence of water to obtain a purified gas. The purified gas is further subjected to a hydrogen recovery step to obtain a high purity hydrogen stream and a tail gas.

加えて、請求項7に記載のプロセスは、前記テールガスの少なくとも一部分を、前記接触分解工程に熱を提供するための燃料として再循環させる工程、及び前記高純度水素流を引き抜く工程を含む。 Additionally, the process of claim 7 includes recycling at least a portion of the tail gas as fuel to provide heat to the catalytic cracking process and withdrawing the high purity hydrogen stream.

本発明のさらなる態様は、請求項に記載の水素の製造のためのプラントである。 A further aspect of the invention is a plant for the production of hydrogen as claimed.

請求項1に記載のプロセスを実施するように構成された前記水素製造プラントは、少なくとも、複数の外部加熱触媒管、アンモニア含有流を前記管に供給するように配置された投入ライン、及び前記管から熱分解流を回収するように配置された排出ラインを含む、アンモニアの分解に適する炉を備える。 The hydrogen production plant configured to carry out the process of claim 1 comprises at least a furnace suitable for decomposing ammonia, the furnace including a plurality of externally heated catalyst tubes, an input line arranged to supply an ammonia-containing stream to the tubes, and an output line arranged to recover a pyrolysis stream from the tubes.

請求項1に記載のプロセスを実施するように構成された前記プラントは、さらに、高純度水素流及びテールガスを回収するように構成された水素回収ユニット、前記水素回収ユニットから分離された前記テールガスの少なくとも一部分を、追加の燃料として用いるために前記炉へ再循環するように配置されたライン、及び前記水素回収ユニットから高純度水素流を引き抜くように配置されたライン、を備える。 The plant configured to carry out the process of claim 1 further comprises a hydrogen recovery unit configured to recover a high purity hydrogen stream and a tail gas, a line arranged to recycle at least a portion of the tail gas separated from the hydrogen recovery unit to the furnace for use as additional fuel, and a line arranged to withdraw a high purity hydrogen stream from the hydrogen recovery unit.

請求項7に記載のプロセスを実施するように構成された前記プラントは、複数の外部加熱触媒管、アンモニア含有流を前記管に供給するように配置された投入ライン、及び前記管から熱分解流を回収するように配置された排出ライン、及び所望に応じて、前記熱分解流に水を供給するように構成されたラインを含む、アンモニアの分解に適する炉を備える。 The plant configured to carry out the process of claim 7 comprises a furnace suitable for decomposing ammonia, including a plurality of externally heated catalyst tubes, an input line arranged to supply an ammonia-containing stream to the tubes, and an output line arranged to recover a pyrolysis stream from the tubes, and, optionally, a line configured to supply water to the pyrolysis stream.

請求項7に記載のプロセスを実施するように構成された前記プラントは、さらに、アンモニア枯渇ガス流からアンモニア流又はアンモニア水溶液を分離するように構成された、前記排出ラインと連通しているフラッシュセパレータユニット、前記フラッシュセパレータと流体連通し、高純度水素流及びテールガスを回収するように構成された水素回収ユニット、前記水素回収ユニットから分離された前記テールガスの少なくとも一部分を、追加の燃料として用いるために前記炉へ再循環するように配置されたライン、及び前記水素回収ユニットから高純度水素流を引き抜くように配置されたライン、を備える。 The plant configured to carry out the process of claim 7 further comprises a flash separator unit in communication with the discharge line and configured to separate an ammonia stream or an aqueous ammonia solution from the ammonia-depleted gas stream, a hydrogen recovery unit in fluid communication with the flash separator and configured to recover a high purity hydrogen stream and a tail gas, a line arranged to recycle at least a portion of the tail gas separated from the hydrogen recovery unit to the furnace for use as additional fuel, and a line arranged to withdraw a high purity hydrogen stream from the hydrogen recovery unit.

有利なことに、酸素の代わりに前記炉へ空気を供給することにより、空気分離ユニットが必要ではなくなる。さらにより有利なことに、燃料-空気比を調節することにより(すなわち、過剰の空気中での操作により)、前記炉から排出される燃焼済ガスのNOx含有量を最小限に抑えることができる。加えて、系に存在するNOxは、SCR選択触媒還元(Selective Catalytic Reduction)SCR又は非選択触媒還元除害装置(Non-Selective Catalytic Reduction abatement system)NSCRを設置することによって、完全に除去することができるか又は数ppmまで減少させることができる。 Advantageously, by feeding air to the furnace instead of oxygen, an air separation unit is not required. Even more advantageously, by adjusting the fuel-air ratio (i.e., by operating in excess air), the NOx content of the combusted gases exiting the furnace can be minimized. Additionally, the NOx present in the system can be completely eliminated or reduced to a few ppm by installing a Selective Catalytic Reduction (SCR) or Non-Selective Catalytic Reduction abatement system (NSCR).

さらにより有利なことに、燃料源として天然ガスを用いて行われる改質プロセスとは対照的に、本発明のプロセスでは、カーボンフリー源(例:アンモニア)が燃焼性ガスとして用いられるため、二酸化炭素排出物が大気中に放出されない。 Even more advantageously, in contrast to reforming processes carried out using natural gas as a fuel source, the process of the present invention uses a carbon-free source (e.g., ammonia) as the combustible gas, so no carbon dioxide emissions are released into the atmosphere.

有利なことに、電気分解ユニットが前記炉の前に配置される又は前記炉と一体化されるプロセス及びプラント構成では、水素合成における高い柔軟性が想定され得る。 Advantageously, in process and plant configurations where an electrolysis unit is placed before or integrated with the furnace, high flexibility in hydrogen synthesis can be envisaged.

好ましい実施形態
本発明の特に好ましい実施形態によると、アンモニアの吸熱分解を維持するのに必要とされる熱は、燃焼済ガスが得られる予備加熱空気の存在下での燃料ガスの燃焼反応を介して提供される。
Preferred embodiments According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the heat required to sustain the endothermic decomposition of ammonia is provided via the combustion reaction of a fuel gas in the presence of preheated air, from which combusted gas is obtained.

好ましくは、接触分解工程において燃焼性ガスとして用いられる前記燃料ガスは、アンモニア、又は窒素と水素との混合物、又はアンモニアと窒素と水素との混合物を含有する。有利なことに、大気中への二酸化炭素排出は起こらない。 Preferably, the fuel gas used as the combustible gas in the catalytic cracking process contains ammonia, or a mixture of nitrogen and hydrogen, or a mixture of ammonia, nitrogen and hydrogen. Advantageously, no carbon dioxide emissions to the atmosphere occur.

本発明の別の選択肢としての実施形態によると、残余分の天然ガスなどの化石燃料を前記燃料ガスに添加して燃焼を維持してもよい。用いられる天然ガスの量が少ないことにより、この別の選択肢としての実施形態では、前記プロセスの二酸化炭素排出量は、従来の水素合成プロセスで予想される排出量よりも依然として少ない。 According to an alternative embodiment of the invention, residual fossil fuel, such as natural gas, may be added to the fuel gas to maintain combustion. Due to the low amount of natural gas used, in this alternative embodiment, the carbon dioxide emissions of the process are still lower than would be expected from a conventional hydrogen synthesis process.

本発明の別の選択肢としての実施形態によると、前記プロセスは、さらに、アンモニアを保持する燃料ガスを、電気加熱の存在下で分解工程に供して、水素及び窒素及び場合によっては未変換のアンモニアを保持するガス混合物を得る工程、並びに前記ガス混合物を、予備加熱空気の存在下でさらに燃焼に供して、前記接触分解工程における改質熱を提供する工程、を含む。 According to an alternative embodiment of the invention, the process further comprises subjecting the ammonia-bearing fuel gas to a cracking step in the presence of electrical heating to obtain a gas mixture bearing hydrogen and nitrogen and optionally unconverted ammonia, and further subjecting the gas mixture to combustion in the presence of preheated air to provide reforming heat in the catalytic cracking step.

別の選択肢として、前記アンモニアを保持する燃料ガスは、接触分解工程に供されてもよく、その場合、前記分解反応を維持するために必要である熱は、前記燃焼済ガスから回収される。前記熱分解工程及び前記電気分解工程は、単一の炉で行われ得る。この特定の実施形態では、前記炉は、バーナー及び電気分解ユニットを備え得る。 Alternatively, the ammonia-bearing fuel gas may be subjected to a catalytic cracking process, in which case the heat required to sustain the cracking reaction is recovered from the combusted gas. The pyrolysis and electrolysis steps may be carried out in a single furnace. In this particular embodiment, the furnace may comprise a burner and an electrolysis unit.

好ましくは、前記バーナーは、アンモニア、又はアンモニアと水素リッチ流との混合物、又はアンモニアと水素リッチ流とテールガスとの混合物、又は水素リッチ流とテールガスとの混合物のいずれかを燃焼するように設計される。加えて、前記バーナーは、上述の流れの混合物に天然ガス又は化石燃料を添加したものと共に運転され得る。 Preferably, the burner is designed to burn either ammonia, or a mixture of ammonia and a hydrogen-rich stream, or a mixture of ammonia, a hydrogen-rich stream and tail gas, or a mixture of a hydrogen-rich stream and tail gas. In addition, the burner may be operated with the addition of natural gas or fossil fuels to the mixture of the above mentioned streams.

特に好ましい実施形態によると、前記分解工程に供される前又は前記炉での燃焼に供される前の前記燃料ガスは、さらに、熱が前記燃焼済ガスから前記燃料ガスへ間接的に移動される熱回収工程に供される。 According to a particularly preferred embodiment, the fuel gas before being subjected to the decomposition process or before being subjected to combustion in the furnace is further subjected to a heat recovery process in which heat is indirectly transferred from the combusted gas to the fuel gas.

前記アンモニア接触分解工程に必要とされる前記改質熱は、予備加熱空気の存在下での燃料ガスの燃焼を介して提供され得る。 The reforming heat required for the ammonia catalytic cracking process can be provided via combustion of fuel gas in the presence of preheated air.

別の選択肢としての実施形態によると、前記アンモニア水溶液は、水溶液からアンモニア流を分離するための蒸留工程に供されてもよく、前記アンモニア流の少なくとも一部分は、前記接触分解工程に熱を提供するための燃料として再循環され得る。 According to an alternative embodiment, the aqueous ammonia solution may be subjected to a distillation process to separate an ammonia stream from the aqueous solution, and at least a portion of the ammonia stream may be recycled as a fuel to provide heat to the catalytic cracking process.

加えて、前記アンモニア流の一部分は、前記加熱ステージへ再循環されて、前記主アンモニア流と共に、前記アンモニア接触分解工程に供され得る。 In addition, a portion of the ammonia stream may be recycled to the heating stage and subjected to the ammonia catalytic cracking step together with the main ammonia stream.

前記プロセスはさらに、前記水溶液の一部分を前記燃焼済ガスと間接的に接触させることによって、前記燃焼済ガスから熱を回収する工程、及び熱の回収後の前記水溶液の一部分を、前記蒸留工程に供給して、蒸留熱を提供する工程を含み得る。有利なことに、前記蒸留工程と前記アンモニア接触分解工程との間の熱的一体化を実現することができ、前記プロセスのエネルギー消費を低減することができる。 The process may further include recovering heat from the combusted gas by indirectly contacting a portion of the aqueous solution with the combusted gas, and feeding the portion of the aqueous solution after heat recovery to the distillation step to provide distillation heat. Advantageously, thermal integration between the distillation step and the ammonia catalytic cracking step may be achieved, reducing the energy consumption of the process.

前記プロセスはさらに、任意に(optionally)水補充流(water make-up stream)を添加した前記熱分解流に、蒸留から得られた前記水溶液の一部分を供給する工程を含み得る。 The process may further include feeding a portion of the aqueous solution obtained from distillation to the pyrolysis stream, optionally with the addition of a water make-up stream.

本発明の特に好ましい実施形態によると、前記水素精製工程は、圧力変動吸着ユニット又は深冷分離ユニット又は膜精製ユニットによって行われる。当業者であれば、前記熱分解流によって保持される水素の濃度に応じて、どのような場合に他ではなく1つのユニットを選択するかについて十分に理解している。 According to a particularly preferred embodiment of the invention, the hydrogen purification step is carried out by a pressure swing adsorption unit or a cryogenic separation unit or a membrane purification unit. A person skilled in the art will be well aware when to choose one unit over the other depending on the concentration of hydrogen retained by the pyrolysis stream.

好ましくは、前記水素精製工程後に得られる前記高純度水素は、95重量%超、好ましくは99重量%超、より好ましくは99.9重量%超の濃度を有する。 Preferably, the high purity hydrogen obtained after the hydrogen purification process has a concentration of more than 95% by weight, preferably more than 99% by weight, more preferably more than 99.9% by weight.

好ましくは、前記接触分解工程から排出される前記熱分解流の温度は、400~950℃、より好ましくは550~650℃である。 Preferably, the temperature of the pyrolysis stream discharged from the catalytic cracking step is 400 to 950°C, more preferably 550 to 650°C.

好ましくは、前記接触分解工程は、約5~65バール、より好ましくは15~30バールのゲージ圧で行われる。 Preferably, the catalytic cracking step is carried out at a gauge pressure of about 5 to 65 bar, more preferably 15 to 30 bar.

本発明の特に好ましい実施形態によると、前記接触分解工程から排出される前記燃焼済ガスは、大気中に排気される前にNOx除害工程に供される。別の選択肢として、前記NOx除害工程は、前記炉のセクションで実施されてもよい。 According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the combustion gases discharged from the catalytic cracking process are subjected to a NOx abatement process before being exhausted to the atmosphere. Alternatively, the NOx abatement process may be carried out in the furnace section.

本発明の実施形態によると、前記プラントは、さらに、前記熱分解流からアンモニアを回収して、精製ガス流及び再利用ガスを得るように構成された精製ユニット、並びに前記再利用ガスの少なくとも一部分を前記炉へ供給するように配置されたライン、を備え得る。 According to an embodiment of the invention, the plant may further comprise a purification unit configured to recover ammonia from the pyrolysis stream to obtain a purified gas stream and a recycle gas, and a line arranged to supply at least a portion of the recycle gas to the furnace.

加えて、前記プラントは、アンモニアを保持する燃料ガスを分解するように構成された電気分解ユニットを備え得る。別の選択肢として、前記プラントは、触媒で満たされ、前記炉の対流セクション(convective section)に配置されたコイルを備え得る。前記触媒で満たされた前記コイルは、前記対流セクションを横切る前記燃焼済ガスによって保持される熱を利用して前記燃料ガスを接触分解するように構成される。 Additionally, the plant may include an electrolysis unit configured to decompose ammonia-bearing fuel gas. Alternatively, the plant may include a coil filled with a catalyst and disposed in a convective section of the furnace. The catalyst-filled coil is configured to catalytically decompose the fuel gas using heat retained by the combusted gas traversing the convective section.

本発明の実施形態によると、前記燃料の前記接触分解は、組み合わされたプロセスで行われてよく、その場合、前記燃料は、前記炉の前記対流セクションに配置された前記コイル中で部分的に分解され、続いて前記コイルから排出される前記部分的に分解された燃料は、電気分解ユニットでさらに分解される。 According to an embodiment of the invention, the catalytic cracking of the fuel may be carried out in a combined process, where the fuel is partially cracked in the coil disposed in the convection section of the furnace, and the partially cracked fuel discharged from the coil is subsequently further cracked in an electrolysis unit.

前記電気分解ユニットは、前記炉の前に配置されてよく、ガスフローラインによって前記炉と連通していてよい。別の選択肢として、前記電気分解ユニットは、前記炉と一体化されていてよく、前記燃料ガスを燃焼前に分解するように利用されてよい。 The electrolysis unit may be located before the furnace and may be in communication with the furnace by a gas flow line. Alternatively, the electrolysis unit may be integrated with the furnace and may be used to decompose the fuel gas prior to combustion.

本発明の特に好ましい実施形態によると、前記プラントは、前記アンモニア水溶液中の水からアンモニアを分離するように構成された蒸留ユニット、前記フラッシュセパレータユニットを前記蒸留ユニットへ接続し、前記アンモニア水溶液を前記蒸留ユニットへ運ぶように構成されたライン、を備える。 According to a particularly preferred embodiment of the invention, the plant comprises a distillation unit configured to separate ammonia from water in the aqueous ammonia solution, a line connecting the flash separator unit to the distillation unit and configured to convey the aqueous ammonia solution to the distillation unit.

加えて、前記プラントは、さらに、前記蒸留ユニットを前記炉へ接続するガスフローライン、水流によって前記炉中の前記燃焼済ガスから熱を回収するように構成された熱交換セクション、前記蒸留ユニットを前記熱交換セクションへ接続し、前記炉と前記蒸留ユニットとの間での熱統合(thermal integration)の目的で利用するための前記水流を運ぶように構成されたライン、を備え得る。 Additionally, the plant may further comprise a gas flow line connecting the distillation unit to the furnace, a heat exchange section configured to recover heat from the combusted gas in the furnace by a water flow, and a line connecting the distillation unit to the heat exchange section and configured to convey the water flow for use in thermal integration between the furnace and the distillation unit.

本発明の実施形態によると、前記炉は、NOxを除去するのに適するユニット(脱NOxユニットとも称される)を、好ましくはSCRユニット又はSNCRユニット又は両方の組み合わせを含み得る。SCRを介して行われるNOx除去は、150~600℃の温度範囲で、又は好ましくは、350~600℃を含む温度範囲で実施され得る。対照的に、SNCRを介して行われるNOx除去は、850~1200℃の温度範囲で、又は好ましくは、900~1050℃を含む温度範囲で実施され得る。NOxという用語は、窒素酸化物を、ほとんどの場合NO及びNOを意味する。 According to an embodiment of the invention, said furnace may comprise a unit suitable for removing NOx (also called deNOx unit), preferably an SCR unit or an SNCR unit or a combination of both. NOx removal carried out via SCR may be carried out in a temperature range of 150-600°C, or preferably inclusive of 350-600°C. In contrast, NOx removal carried out via SNCR may be carried out in a temperature range of 850-1200°C, or preferably inclusive of 900-1050°C. The term NOx refers to oxides of nitrogen, most often NO and NO2 .

好ましくは、前記水素回収ユニットは、圧力変動吸着ユニット又は深冷分離ユニット又は膜分離ユニットである。 Preferably, the hydrogen recovery unit is a pressure swing adsorption unit or a cryogenic separation unit or a membrane separation unit.

本発明の実施形態によると、前記アンモニア接触分解工程は、放熱セクション及び対流セクションを備えた炉中で行われる。前記放熱セクションは、好ましくはニッケル系触媒又はルテニウム系触媒又はモリブデン系触媒又はモリブデン、コバルト、及びリチウムが場合によっては添加される白金系触媒を含有する管の束を保持する。 According to an embodiment of the invention, the ammonia catalytic cracking step is carried out in a furnace equipped with a heat release section and a convection section. The heat release section holds a bundle of tubes preferably containing a nickel-based catalyst or a ruthenium-based catalyst or a molybdenum-based catalyst or a platinum-based catalyst optionally doped with molybdenum, cobalt, and lithium.

本発明の特に興味深い実施形態では、前記炉の前記対流セクションは、前記炉の前記対流セクション中に配置された複数の熱交換器(コイルの列(coil banks))を備える。好ましくは、前記熱交換の少なくとも1つは、蒸気過熱器であり、加えて、廃熱ボイラーコイル及び水沸騰コイルも、炉に一体化され得る。前記炉の前記対流セクションで回収された熱は、前記プロセスにおける熱統合の目的で用いられてよく、又はエネルギー生成のために利用されてもよい。別の選択肢として、熱回収は、前記炉の下流側で達成されてもよい。 In a particularly interesting embodiment of the invention, the convection section of the furnace comprises a number of heat exchangers (coil banks) arranged in the convection section of the furnace. Preferably, at least one of the heat exchangers is a steam superheater, in addition, waste heat boiler coils and water boiling coils may also be integrated into the furnace. The heat recovered in the convection section of the furnace may be used for heat integration purposes in the process or may be utilized for energy generation. Alternatively, heat recovery may be achieved downstream of the furnace.

炉出口部は、水、アンモニア、又は気体の冷流が好ましい冷却媒体で直接急冷され得る。 The furnace outlet can be directly quenched with a cooling medium, preferably water, ammonia, or a cold stream of gas.

前記冷却プロセスの下流では、好ましくはフラッシュエバポレータで、気相からアンモニア水溶液が分離されてよく、この液体は、前記炉の前記対流セクションで入手可能な熱を用いて専用のカラムで蒸留されてよく、同じ蒸留カラムでアンモニアが回収され得る。 Downstream of the cooling process, the aqueous ammonia solution may be separated from the gas phase, preferably in a flash evaporator, and this liquid may be distilled in a dedicated column using the heat available in the convection section of the furnace, and ammonia may be recovered in the same distillation column.

図1は、本発明の実施形態による水素合成プロセスの模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a hydrogen synthesis process according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の別の実施形態による水素合成プロセスの模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a hydrogen synthesis process according to another embodiment of the present invention. 図3は、本発明の別の選択肢としての実施形態による水素合成プロセスの模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a hydrogen synthesis process according to an alternative embodiment of the present invention. 図4は、別の実施形態による水素合成プロセスの模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a hydrogen synthesis process according to another embodiment.

図1は、本発明の第一の実施形態による水素合成プロセスの模式図を示す。 Figure 1 shows a schematic diagram of a hydrogen synthesis process according to a first embodiment of the present invention.

液体アンモニア流2は、貯蔵フィードタンク1から引き抜かれ、ポンプ3を介して、第一の予備加熱ユニット6に供給され、それによって、気化された若しくは部分的に気化されたアンモニア流7、又は熱液体アンモニア7が得られる。 A liquid ammonia stream 2 is withdrawn from a storage feed tank 1 and fed via pump 3 to a first preheating unit 6, thereby obtaining a vaporized or partially vaporized ammonia stream 7, or hot liquid ammonia 7.

アンモニア流7は、水8と混合され、第二の予備加熱ユニット9で予備加熱されて水性アンモニア流の気化を完了させ、それによって、アンモニア含有流10が得られる。アンモニア含有流10は、続いて、熱の存在下で接触分解されるために接触分解ユニット11に供給されて、分解流14が得られる。 The ammonia stream 7 is mixed with water 8 and preheated in a second preheat unit 9 to complete the vaporization of the aqueous ammonia stream, thereby obtaining an ammonia-containing stream 10. The ammonia-containing stream 10 is subsequently fed to a catalytic cracking unit 11 for catalytic cracking in the presence of heat to obtain a cracked stream 14.

接触分解ユニット11は、典型的には、放熱セクション及び対流セクションを備えた炉を備える。前記放熱セクションは、典型的にはNi系触媒である分解触媒を保持する管の束を備える。 The catalytic cracking unit 11 typically comprises a furnace with a heat release section and a convection section. The heat release section comprises a bundle of tubes holding a cracking catalyst, typically a Ni-based catalyst.

吸熱アンモニア分解反応を維持するために必要とされる熱は、予備加熱空気28の存在下での燃料ガス12の燃焼を介して提供される。 The heat required to sustain the endothermic ammonia decomposition reaction is provided through the combustion of fuel gas 12 in the presence of preheated air 28.

燃焼補助剤(comburent)として前記接触分解炉に供給される予備加熱空気28は、前記炉の前記対流セクションにあるエアブロワ26から排出されるエアフロー27を予備加熱することによって得られる。前記対流セクションでは、加圧蒸気29も、燃焼済ガス60からの回収熱によって生成される。前記燃焼済ガスは、続いて、脱NOxステージ(図中に示さず)で処理されて、大気中に排気される前にNOxが除去される。 Preheated air 28, supplied to the catalytic cracking furnace as a combustor, is obtained by preheating the airflow 27 exiting the air blower 26 in the convection section of the furnace. In the convection section, pressurized steam 29 is also generated by recovering heat from the combusted gases 60. The combusted gases are subsequently treated in a de-NOx stage (not shown) to remove NOx before being exhausted to the atmosphere.

典型的には残留アンモニアを保持する熱分解流14は、水17の存在下でスクラビング工程20に供されて、精製ガス流51及び再利用ガス21が得られる。水17は、前記スクラビング工程において、アンモニアの水への高い溶解度を利用することで前記流れからアンモニアを除去するための吸収剤として用いられる。 The pyrolysis stream 14, which typically retains residual ammonia, is subjected to a scrubbing step 20 in the presence of water 17 to obtain a purified gas stream 51 and a recycle gas 21. Water 17 is used as an absorbent in the scrubbing step to remove ammonia from the stream by taking advantage of the high solubility of ammonia in water.

精製ガス流51は、続いて、水素回収工程19に供給されて、高純度水素流22及びテールガス23が得られる。水素流22は、前記水素回収工程から引き抜かれ、水素の需要に応じて貯蔵及び/又は利用される。 The purified gas stream 51 is then fed to the hydrogen recovery process 19 to obtain a high purity hydrogen stream 22 and a tail gas 23. The hydrogen stream 22 is withdrawn from the hydrogen recovery process for storage and/or utilization depending on the demand for hydrogen.

テールガス23及び再利用ガス21は、続いて、一緒に混合されて、混合流25が得られ、アンモニア分解工程/ユニット11へ戻されて再利用される。 The tail gas 23 and recycle gas 21 are then mixed together to obtain a mixed stream 25 which is returned to the ammonia decomposition process/unit 11 for reuse.

図2では、本発明の別の実施形態による水素合成プロセスが表される。 Figure 2 illustrates a hydrogen synthesis process according to another embodiment of the present invention.

図2に表されるプロセスは、熱分解流14によって保持されるアンモニアの含有量が、数ppmのオーダー、好ましくはppbのオーダーである場合に、水素を合成するために利用され得る。 The process depicted in FIG. 2 can be used to synthesize hydrogen when the ammonia content carried by the pyrolysis stream 14 is on the order of a few ppm, preferably on the order of ppb.

この特定の実施形態では、分解流14は、スクラビングステージを通すことなく、水素回収工程19に直接供給される。前記水素回収工程は、圧力変動吸着ユニットで行われる。 In this particular embodiment, the cracked stream 14 is fed directly to the hydrogen recovery process 19 without passing through a scrubbing stage. The hydrogen recovery process is carried out in a pressure swing adsorption unit.

別の選択肢として、水素は、一連の圧縮及び冷却ステージが実施されることで前記精製ガス流から窒素が除去される深冷ユニットで回収されてもよく、又は、特定の膜を通る水素の選択的透過性が利用される水素膜分離ユニットで回収されてもよい。 Alternatively, hydrogen may be recovered in a cryogenic unit where a series of compression and cooling stages are performed to remove nitrogen from the purified gas stream, or in a hydrogen membrane separation unit where the selective permeability of hydrogen through certain membranes is exploited.

図3では、前記水素合成プロセスの別の選択肢としての実施形態が示される。 Figure 3 shows another alternative embodiment of the hydrogen synthesis process.

アンモニア流7は、加熱ステージ6、51に供され、そこでは、炉11から排出される熱分解流14との熱交換が行われる。加えて、前記アンモニア流は、さらに、前記炉の対流セクションで加熱されて(9)、アンモニア含有流10が得られ、その後、前記炉のアンモニア接触分解工程に供給される。 The ammonia stream 7 is subjected to a heating stage 6, 51 where it is subjected to heat exchange with the pyrolysis stream 14 exiting the furnace 11. In addition, the ammonia stream is further heated (9) in the convection section of the furnace to obtain an ammonia-containing stream 10 which is then fed to the ammonia catalytic cracking step of the furnace.

前記炉から排出された後の窒素、水素、及び残留アンモニアを含有する熱分解流14は、水74と混合されて、水が添加された熱分解流75が得られ、それは、熱交換器51及び6でアンモニア流7と熱交換した後、タワー70でさらに空冷されて、冷却流79が得られる。 After exiting the furnace, pyrolysis stream 14 containing nitrogen, hydrogen, and residual ammonia is mixed with water 74 to obtain pyrolysis stream 75 with added water, which is further air-cooled in tower 70 after heat exchange with ammonia stream 7 in heat exchangers 51 and 6 to obtain cooling stream 79.

冷却流79は、続いて、フラッシュセパレータ80に送られ、そこでは、アンモニア枯渇ガス流81がアンモニア水溶液82から分離される。 The cooled stream 79 is then sent to a flash separator 80 where an ammonia-depleted gas stream 81 is separated from the aqueous ammonia solution 82.

アンモニア枯渇流81は、続いて、水素回収工程19に供されて、高純度水素流22及びテールガス23が得られる。 The ammonia-depleted stream 81 is then subjected to a hydrogen recovery process 19 to obtain a high purity hydrogen stream 22 and a tail gas 23.

水溶液74と熱交換した後(120)、テールガス23は、続いて、接触分解工程11に熱を提供するための燃料として供給される。 After heat exchange with the aqueous solution 74 (120), the tail gas 23 is then supplied as fuel to provide heat to the catalytic cracking process 11.

水素22は、水素回収工程19から引き抜かれ、必要に応じて貯蔵又は利用される。アンモニア水溶液82は、続いて、蒸留ユニット83に送られて、水溶液84からアンモニア流86が分離される。 Hydrogen 22 is withdrawn from hydrogen recovery process 19 and stored or utilized as needed. The aqueous ammonia solution 82 is then sent to a distillation unit 83 to separate an ammonia stream 86 from the aqueous solution 84.

アンモニア流86の第一の部分91は、接触分解工程11に熱を提供するために、前記炉に燃料として再循環され、一方前記アンモニア流の第二の部分92は、アンモニア流7と混合され、続いて、予備加熱後に、前記炉におけるアンモニア接触分解工程11に供給される。 A first portion 91 of the ammonia stream 86 is recycled as fuel to the furnace to provide heat to the catalytic cracking step 11, while a second portion 92 of the ammonia stream is mixed with the ammonia stream 7 and subsequently fed to the ammonia catalytic cracking step 11 in the furnace after preheating.

水溶液84の一部分87は、前記炉の前記対流セクション中の燃焼済ガス60との間接的な熱移動によって、燃焼済ガス60から熱を回収するために利用される。前記燃焼済ガスは、前記炉から引き抜かれる前に、NOx除去工程131に供される。 A portion 87 of the aqueous solution 84 is utilized to recover heat from the combusted gases 60 by indirect heat transfer with the combusted gases 60 in the convection section of the furnace. The combusted gases are subjected to a NOx removal step 131 before being withdrawn from the furnace.

蒸留ユニット83から得られる水溶液84の第二の部分88は、補充水流17と混合され、熱分解流14に供給される。 A second portion 88 of the aqueous solution 84 obtained from the distillation unit 83 is mixed with the make-up water stream 17 and fed to the pyrolysis stream 14.

図4では、本発明の別の選択肢としての実施形態による水素合成プロセスが示される。 Figure 4 shows a hydrogen synthesis process according to another alternative embodiment of the present invention.

図中、アンモニアを保持している燃料ガス12が、電気加熱の存在下で分解工程100に供されて、水素及び窒素及び任意に(optionally)未変換アンモニアを保持するガス混合物101が得られることは理解することができる。 In the figure, it can be seen that ammonia-carrying fuel gas 12 is subjected to a decomposition step 100 in the presence of electrical heating to obtain a gas mixture 101 carrying hydrogen and nitrogen and optionally unconverted ammonia.

ガス混合物101は、続いて、テールガス23と混合され、続いて、予備加熱空気28の存在下で燃焼に供されて、接触分解工程11における改質熱が提供される。 The gas mixture 101 is then mixed with the tail gas 23 and then subjected to combustion in the presence of preheated air 28 to provide reforming heat in the catalytic cracking step 11.

前記図に表されていない別の選択肢としての実施形態として、電気加熱の存在下で実施される前記分解工程は、前記炉の内部で行うこともできる。
As an alternative embodiment not shown in the figures, the decomposition step carried out in the presence of electrical heating can also take place inside the furnace.

Claims (23)

水素の接触合成プロセスであって、
a)(任意に(optionally)水(8)が添加された)アンモニア流(7)を、予備加熱工程(9)に供して、アンモニア含有流(10)を得る工程;
b)前記アンモニア含有流(10)を、熱の存在下での接触アンモニア分解工程(11)に供して、窒素及び水素を含有し、また残留アンモニアを含有し得、及び任意に(optionally)水を含有する熱分解流(14)を得る工程;
c)前記熱分解流(14)を、
c1)水素回収工程(19)に供して、高純度水素流(22)及びテールガス(23)を得る工程、
又は
c2)水(17)の存在下でのスクラビング工程(20)に供して、精製ガス流(51)を得て、さらに前記精製ガス流(51)を水素回収工程(19)に供して、高純度水素流(22)及びテールガス(23)を得る工程;
d)前記テールガス(23)の少なくとも一部分を、前記接触アンモニア分解工程(11)のための熱を提供するための燃料として再循環する工程;
e)前記高純度水素流(22)を引き抜く工程、
を含む、プロセス。
A process for catalytic synthesis of hydrogen, comprising the steps of:
a) subjecting an ammonia stream (7) (optionally with added water (8)) to a pre-heating step (9) to obtain an ammonia-containing stream (10);
b) subjecting said ammonia-containing stream (10) to a catalytic ammonia decomposition step (11) in the presence of heat to obtain a thermally decomposed stream (14) containing nitrogen and hydrogen, and may also contain residual ammonia, and optionally containing water;
c) subjecting said pyrolysis stream (14) to
c1) subjecting the resulting product to a hydrogen recovery process (19) to obtain a high purity hydrogen stream (22) and a tail gas (23);
or c2) a scrubbing step (20) in the presence of water (17) to obtain a purified gas stream (51), which is further subjected to a hydrogen recovery step (19) to obtain a high purity hydrogen stream (22) and a tail gas (23);
d) recycling at least a portion of said tail gas (23) as a fuel to provide heat for said catalytic ammonia cracking step (11);
e) withdrawing said high purity hydrogen stream (22);
The process includes:
燃料ガス(12)を、予備加熱空気(28)の存在下での燃焼に供して、前記接触アンモニア分解工程(11)に改質熱を提供し、燃焼済ガス(60)を得る工程をさらに含む、請求項1に記載のプロセス。 The process of claim 1 further comprising subjecting the fuel gas (12) to combustion in the presence of preheated air (28) to provide reforming heat for the catalytic ammonia cracking step (11) and to obtain a combusted gas (60). 前記燃料ガス(12)が、アンモニア、又は窒素と水素との混合物、又はアンモニアと窒素と水素との混合物を含む、請求項1又は請求項2に記載のプロセス。 The process of claim 1 or claim 2, wherein the fuel gas (12) comprises ammonia, or a mixture of nitrogen and hydrogen, or a mixture of ammonia, nitrogen and hydrogen. アンモニアを保持する燃料ガス(12)を、電気加熱の存在下での分解工程(100)に供して、水素及び窒素を保持しまた未変換のアンモニアを保持しうるガス混合物(101)を得る工程、並びに前記ガス混合物(101)をさらに、予備加熱空気(28)の存在下での燃焼に供して、前記接触分解工程(11)における前記改質熱を提供する工程、をさらに含む、請求項1に記載のプロセス。 The process of claim 1 further comprising subjecting the ammonia-bearing fuel gas (12) to a cracking step (100) in the presence of electrical heating to obtain a gas mixture (101) that bears hydrogen and nitrogen and may bear unconverted ammonia, and further subjecting the gas mixture (101) to combustion in the presence of preheated air (28) to provide the reforming heat in the catalytic cracking step (11). 前記分解工程(100)及び前記燃焼が、単一のユニットで行われる、請求項4に記載のプロセス。 The process of claim 4, wherein the decomposition step (100) and the combustion are performed in a single unit. 前記分解工程(100)に供される前又は燃焼に供される前の前記燃料ガス(12)が、さらに、前記燃焼済ガス(60)から前記燃料ガス(12)へと間接的に熱が移動される熱回収工程に供される、前記いずれかの請求項に記載のプロセス。 The process of any preceding claim, wherein the fuel gas (12) before being subjected to the decomposition step (100) or before being subjected to combustion is further subjected to a heat recovery step in which heat is indirectly transferred from the combusted gas (60) to the fuel gas (12). 水素の接触合成プロセスであって、
a)アンモニア流(7)を、加熱ステージ(6、51、9)に通して、アンモニア含有流(10)を得る工程;
b)前記アンモニア含有流(10)を、熱の存在下での接触アンモニア分解工程(11)に供して、燃焼済ガス(60)と、窒素、水素、及び残留アンモニアを含有する熱分解流(14)とを得る工程;
c)任意に(optionally)、前記熱分解流を水(74)と混合して、水が添加された熱分解流(75)を得る工程;
d)前記熱分解流(14)又は前記水が添加された熱分解流(75)を、冷却ステージ(51、6、70)に供給して、冷却流(79)を得る工程;
e)前記冷却流(79)を、フラッシュ分離工程(80)に供して、アンモニア枯渇流(81)と、アンモニア流又はアンモニア水溶液(82)とを得て、さらに、前記アンモニア枯渇流(81)を、
e1)水素回収工程(19)に供して、高純度水素流(22)及びテールガス(23)を得る工程、
又は
e2)水(17)の存在下でのスクラビング工程(20)に供して、精製ガス流(51)を得て、さらに前記精製ガス流(51)を水素回収工程(19)に供して、高純度水素流(22)及びテールガス(23)を得る工程;
f)前記テールガス(23)の少なくとも一部分を、前記接触分解工程(11)の熱を提供するための燃料として再循環する工程;
g)前記高純度水素流(22)を引き抜く工程、
を含む、プロセス。
A process for catalytic synthesis of hydrogen, comprising the steps of:
a) passing an ammonia stream (7) through a heating stage (6, 51, 9) to obtain an ammonia-containing stream (10);
b) subjecting said ammonia-containing stream (10) to a catalytic ammonia decomposition step (11) in the presence of heat to obtain a combustion gas (60) and a pyrolysis stream (14) containing nitrogen, hydrogen and residual ammonia;
c) optionally mixing said pyrolysis stream with water (74) to obtain an aqueous pyrolysis stream (75);
d) feeding the pyrolysis stream (14) or the pyrolysis stream (75) to which water has been added to a cooling stage (51, 6, 70) to obtain a cooled stream (79);
e) subjecting the cooled stream (79) to a flash separation step (80) to obtain an ammonia-depleted stream (81) and an ammonia stream or aqueous ammonia solution (82), and further subjecting the ammonia-depleted stream (81) to
e1) subjecting the resulting product to a hydrogen recovery process (19) to obtain a high purity hydrogen stream (22) and a tail gas (23);
or e2) a scrubbing step (20) in the presence of water (17) to obtain a purified gas stream (51), which is further subjected to a hydrogen recovery step (19) to obtain a high purity hydrogen stream (22) and a tail gas (23);
f) recycling at least a portion of said tail gas (23) as fuel to provide heat for said catalytic cracking step (11);
g) withdrawing said high purity hydrogen stream (22);
The process includes:
前記アンモニア接触分解工程のための改質熱が、予備加熱空気(28)の存在下での燃料ガス(12)の燃焼を介して提供される、請求項7に記載のプロセス。 The process of claim 7, wherein reforming heat for the ammonia catalytic cracking step is provided via combustion of fuel gas (12) in the presence of preheated air (28). アンモニアを保持する燃料ガス(12)を、電気加熱の存在下での分解工程(100)に供して、水素及び窒素及び任意に(optionally)未変換のアンモニアを保持するガス混合物(101)を得る工程、並びに前記ガス混合物(101)をさらに、予備加熱空気(28)の存在下での燃焼に供して、前記接触分解工程(11)における前記改質熱を提供する工程、をさらに含む、請求項7に記載のプロセス。 The process of claim 7, further comprising subjecting the ammonia-bearing fuel gas (12) to a cracking step (100) in the presence of electrical heating to obtain a gas mixture (101) bearing hydrogen and nitrogen and optionally unconverted ammonia, and further subjecting the gas mixture (101) to combustion in the presence of preheated air (28) to provide the reforming heat in the catalytic cracking step (11). 前記いずれかの請求項に記載のプロセスであって、
さらに、
h)前記アンモニア水溶液(82)を、蒸留工程(83)に供して、水溶液(84)からアンモニア流(86)を分離する工程;
i)前記アンモニア流(86)の少なくとも一部分を、前記接触分解工程(11)のための熱を提供するための燃料として再循環する工程;
j)任意に(optionally)、前記アンモニア流(86)の一部分を、工程(a)に再循環して、前記アンモニア流(7)の存在下での前記加熱ステージ(6、51、9)に供する工程;
k)前記水溶液(84)の一部分(87)を前記燃焼済ガス(60)と間接的に接触させることによって、前記燃焼済ガス(60)から熱を回収し、及び熱の回収後の前記水溶液の一部分を、前記蒸留工程(83)に供給して、蒸留熱を提供する工程、
を含む、プロセス。
A process according to any preceding claim,
moreover,
h) subjecting the aqueous ammonia solution (82) to a distillation step (83) to separate an ammonia stream (86) from the aqueous solution (84);
i) recycling at least a portion of said ammonia stream (86) as a fuel to provide heat for said catalytic cracking step (11);
j) optionally recycling a portion of said ammonia stream (86) to step (a) for subjecting it to said heating stage (6, 51, 9) in the presence of said ammonia stream (7);
k) recovering heat from the combustion gas (60) by indirectly contacting a portion (87) of the aqueous solution (84) with the combustion gas (60) and feeding the portion of the aqueous solution after heat recovery to the distillation step (83) to provide distillation heat;
The process includes:
前記蒸留工程(83)から得られた前記水溶液(84)の第二の部分(88)を、(任意に(optionally)水補充流(17)を添加して、)前記熱分解流(14)と混合する工程をさらに含む、請求項10に記載のプロセス。 The process of claim 10, further comprising mixing a second portion (88) of the aqueous solution (84) obtained from the distillation step (83) with the pyrolysis stream (14) (optionally with the addition of a water make-up stream (17)). 前記水素精製工程(19)が、圧力変動吸着ユニット又は深冷分離ユニット又は膜精製ユニットによって行われる、前記いずれかの請求項に記載のプロセス。 The process of any preceding claim, wherein the hydrogen purification step (19) is performed by a pressure swing adsorption unit or a cryogenic separation unit or a membrane purification unit. 前記高純度水素流(22)が、95重量%超、好ましくは99重量%超、より好ましくは99.9重量%超の濃度を有する、前記いずれかの請求項に記載のプロセス。 The process of any preceding claim, wherein the high purity hydrogen stream (22) has a concentration of greater than 95 wt%, preferably greater than 99 wt%, more preferably greater than 99.9 wt%. 前記接触分解工程(11)から排出される前記熱分解流(14)の温度が、400~950℃、好ましくは550~650℃である、前記いずれかの請求項に記載のプロセス。 The process according to any of the preceding claims, wherein the temperature of the pyrolysis stream (14) discharged from the catalytic cracking step (11) is between 400 and 950°C, preferably between 550 and 650°C. 前記接触分解工程(11)が、約5~65バール、好ましくは15バールと30バールとの間の圧力で行われる、前記いずれかの請求項に記載のプロセス。 The process of any preceding claim, wherein the catalytic cracking step (11) is carried out at a pressure of about 5 to 65 bar, preferably between 15 bar and 30 bar. 前記燃焼済ガス(60)が、窒素酸化物(NOx)除害工程に供される、前記いずれかの請求項に記載のプロセス。 The process of any preceding claim, wherein the combusted gas (60) is subjected to a nitrogen oxide (NOx) abatement step. 請求項1に記載のプロセスに従う水素の製造のためのプラントであって、少なくとも、
・複数の外部から加熱された触媒管、アンモニア含有流(10)を前記管に供給するように配置された投入ライン、及び前記管から熱分解流(14)を回収するように配置された排出ラインを含む、アンモニアの分解に適する炉(11);
・高純度水素流(22)及びテールガス(23)を回収するように構成された水素回収ユニット(19);
・前記水素回収ユニット(19)から分離された前記テールガス(23)の少なくとも一部分を、追加の燃料として用いるために前記炉(11)に再循環するように配置されたライン;
・前記水素回収ユニット(19)から高純度水素流(22)を引き抜くように配置されたライン、
を備えた、プラント。
A plant for the production of hydrogen according to the process of claim 1, comprising at least
a furnace (11) suitable for decomposition of ammonia, comprising a plurality of externally heated catalytic tubes, an input line arranged to feed an ammonia-containing stream (10) to said tubes, and an output line arranged to recover a pyrolysis stream (14) from said tubes;
A hydrogen recovery unit (19) configured to recover a high purity hydrogen stream (22) and a tail gas (23);
a line arranged to recycle at least a portion of the tail gas (23) separated from the hydrogen recovery unit (19) to the furnace (11) for use as additional fuel;
a line arranged to withdraw a high purity hydrogen stream (22) from said hydrogen recovery unit (19);
A plant equipped with
請求項17に記載のプラントであって、
さらに、
・前記熱分解流(14)からアンモニアを回収して、精製ガス流(51)及び再利用ガス(21)を得るように構成された精製ユニット(20);
・前記再利用ガス(21)の少なくとも一部分を前記炉(11)に供給するように配置されたライン、
を備えた、プラント。
18. The plant of claim 17,
moreover,
a purification unit (20) configured to recover ammonia from said pyrolysis stream (14) to obtain a purified gas stream (51) and a recycle gas (21);
a line arranged to feed at least a portion of said recycled gas (21) to said furnace (11);
A plant equipped with
アンモニアを保持する燃料ガスを分解するように構成された電気分解ユニット(100)をさらに備え、
前記電気分解ユニットは、前記炉の上に配置され、ガスフローラインによって前記炉と流体連通している、
又は
前記電気分解ユニットは、前記炉の内部に配置され、前記燃料ガスを燃焼前に分解するように構成されている、
請求項17又は請求項18に記載のプラント。
The method further comprises: providing an electrolysis unit (100) configured to decompose the ammonia-bearing fuel gas;
the electrolysis unit is disposed above the furnace and in fluid communication with the furnace by a gas flow line;
or the electrolysis unit is disposed within the furnace and configured to decompose the fuel gas prior to combustion.
19. A plant according to claim 17 or claim 18.
請求項7に記載のプロセスに従う水素の製造のためのプラントであって、少なくとも、
複数の外部から加熱された触媒管、アンモニア含有流(10)を前記管に供給するように配置された投入ライン、及び前記管から熱分解流(14)を回収するように配置された排出ラインを含む、アンモニアの分解に適する炉(11);
任意に(optionally)、前記熱分解流(14)を回収するように配置された前記排出ラインに水を供給するように構成されたライン;
前記排出ラインと連通し、アンモニア枯渇ガス流(81)からアンモニア流又はアンモニア水溶液(82)を分離するように構成されたフラッシュセパレータユニット(80);
前記フラッシュセパレータと流体連通し、高純度水素流(22)及びテールガス(23)を回収するように構成された水素回収ユニット(19);
前記水素回収ユニット(19)から分離された前記テールガス(23)の少なくとも一部分を、追加の燃料として用いるために前記炉(11)に再循環するように配置されたライン;
前記水素回収ユニット(19)から高純度水素流(22)を引き抜くように配置されたライン、
を備えた、プラント。
A plant for the production of hydrogen according to the process of claim 7, comprising at least
a furnace (11) suitable for decomposing ammonia, comprising a plurality of externally heated catalyst tubes, an input line arranged to feed an ammonia-containing stream (10) to said tubes, and an output line arranged to recover a pyrolysis stream (14) from said tubes;
Optionally, a line configured to supply water to the discharge line arranged to recover the pyrolysis stream (14);
a flash separator unit (80) in communication with said discharge line and configured to separate an ammonia stream or an aqueous ammonia solution (82) from the ammonia-depleted gas stream (81);
a hydrogen recovery unit (19) in fluid communication with the flash separator and configured to recover a high purity hydrogen stream (22) and a tail gas (23);
a line arranged to recycle at least a portion of the tail gas (23) separated from the hydrogen recovery unit (19) to the furnace (11) for use as additional fuel;
a line arranged to withdraw a high purity hydrogen stream (22) from said hydrogen recovery unit (19);
A plant equipped with
請求項20に記載のプラントであって、
さらに、
前記アンモニア水溶液中の水からアンモニアを分離するように構成された蒸留ユニット(83);
前記フラッシュセパレータユニット(80)を前記蒸留ユニット(83)へ接続し、前記アンモニア水溶液(82)を前記蒸留ユニット(83)へ運ぶように構成されたライン;
前記蒸留ユニット(83)を前記炉(11)へ接続するガスフローライン;
水流によって前記炉中の前記燃焼済ガスから熱を回収するように構成された熱交換セクション;
前記蒸留ユニットを前記熱交換セクションへ接続し、前記炉と前記蒸留ユニットとの間での熱統合の目的で利用するために前記水流を運ぶように構成されたライン、
を備えた、プラント。
21. The plant of claim 20,
moreover,
a distillation unit (83) configured to separate ammonia from water in said aqueous ammonia solution;
a line connecting the flash separator unit (80) to the distillation unit (83) and configured to convey the aqueous ammonia solution (82) to the distillation unit (83);
a gas flow line connecting said distillation unit (83) to said furnace (11);
a heat exchange section configured to recover heat from the combusted gas in the furnace by a flow of water;
a line connecting the distillation unit to the heat exchange section and configured to carry the water stream for use in heat integration between the furnace and the distillation unit;
A plant equipped with
前記炉が、窒素酸化物NOxを除去するためのユニットを、好ましくはSCRユニットをさらに含む、前記いずれかの請求項に記載のプラント。 A plant according to any preceding claim, wherein the furnace further comprises a unit for removing nitrogen oxides NOx, preferably an SCR unit. 前記水素回収ユニットが、圧力変動吸着ユニット、深冷分離ユニット、膜分離ユニットのうちの1つである、前記いずれかの請求項に記載のプラント。
10. The plant of any preceding claim, wherein the hydrogen recovery unit is one of a pressure swing adsorption unit, a cryogenic separation unit, a membrane separation unit.
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