LU103279B1 - Anlage und Verfahren zur gemeinsamen Verdichtung von Wasserstoff und Erdgas - Google Patents
Anlage und Verfahren zur gemeinsamen Verdichtung von Wasserstoff und ErdgasInfo
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Abstract
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur gemeinsamen Verdichtung von "grünem" Wasserstoff zusammen mit Erdgas in einem Erdgaskompressor bei der Zugabe von "grünem" Wasserstoff in eine konventionelle NH 3-Anlage bzw. einen NH 3-Harnstoff-Komplex.
Description
Anlage und Verfahren zur gemeinsamen Verdichtung von Wasserstoff und Erdgas
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur (Teil) Verdichtung von "grünem" Wasserstoff zusammen mit Erdgas in einem Erdgaskompressor bei der Zugabe von "grünem" Wasserstoff in eine konventionelle NH,-Anlage bzw. einen NH,-Harnstoff-Komplex.
Stand der Technik
Im Hinblick auf das weltweite Bevölkerungswachstum kommt der Entwicklung von flexiblen und effizienten Düngern eine große und wachsende Bedeutung zu. Ein sehr großer Anteil an der weltweiten Düngerproduktion entfällt auf harnstoffhaltige Dünger. Diese wasserlöslichen Dünger zerfallen im Boden zu Ammoniumsalzen bzw. Nitraten und stellen einen wichtigen Basisdünger dar. Diese harnstoffhaltigen Dünger können mit weiteren Elementen wie Kalium, Mangan,
Phosphaten, Schwefel, Schwefelverbindungen, Selen, Kalzium kombiniert werden.
Harnstoff kann gemäß den vereinfachten Gleichungen [1] und [2] hergestellt werden: 2 NH; + CO» = H,N-COONH4 [1]
H.N-COONH, = (NH,).CO + H.O [2]
Die beiden Ausgangsstoffe Ammoniak und Kohlendioxid können dabei in der Ammoniaksynthese basierend auf dem Haber-Bosch Verfahren bereitgestellt werden. Ammoniak ist dabei die weltweit zweitmeist produzierte synthetische Chemikalie (Ullmannn’s Encyclopedia of Industrial
Chemistry, 2012, Wiley-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim,
DOI:10.1002/14356007.002_011, im folgenden ,Ullmann’s“).
Die Herstellung von Ammoniak erfolgt dabei im Wesentlichen aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff unter Anwesenheit eines Eisenkatalysators. Die Temperaturen bewegen sich häufig im Bereich zwischen 400 °C und 500 °C bei einem Druck iiber 100 bar. Der wesentliche Faktor fiir die Prozesskosten liegt dabei in der Bereitstellung von Wasserstoff aus der Synthesegas
Herstellung (Ullmann’s, Seite 139). 230762P00LU
Eine Erzeugung von Ammoniak erfolgt dementsprechend bevorzugt im Grundsatz wie beispielsweise bei Holleman, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102 Auflage, 2007,
Seiten 662-665 (ISBN 978-3-11-017770-1) beschrieben, basierend auf dem „Haber-Bosch-
Verfahren“ aus den Elementen gemäß Gleichung [3]: 3H, + N, = 2 NH, + 92.28 kJ [3]
Das Edukt Stickstoff (N.) kann beispielsweise durch Tieftemperaturluftzerlegung oder durch
Reduktion von Sauerstoff in der Luft durch Verbrennung gewonnen werden. Der Wasserstoff wird bevorzugt über den ,Steam-Reforming-Prozess“ gemäß Gleichung [4] erhalten:
CnH,m + nH,0 = (n+m) H, + nCO [4]
In der anschließenden ,Kohlendioxid-Konvertierung® erfolgt eine weitere Umsetzung gemäß
Gleichung (5):
CO + H,0 = CO, + H, [5]
Das gemäß Gleichung [5] entstehende Kohlendioxid (CO.) dient bevorzugt als
Kohlendioxidquelle zur Harnstoffsynthese gemäß den Gleichungen [1] und [2].
Gemäß Gleichung [4] dienen fossile Energieträger, in der Regel Methan aus Erdgas, als Edukt fiir die Wasserstoffherstellung. Aufgrund begrenzter Ressourcen und der vielfältigen Folgeprobleme des Klimawandels wird weltweit eine Reduktion des Verbrauchs fossiler Energieträger, wie
Erdgas, angestrebt.
Ein Ansatz mit Hinblick auf die Ammoniak- und Harnstoffsynthese ist der Aufbau von reinen „grünen“ Ammoniakanlagen (,gNH,-Anlagen“), die mit „grünem“ Wasserstoff (,gH.“) aus regenerativen Quellen betrieben werden. Diese reinen gNH,-Anlagen sind zwar erwünscht und für die Zukunft relevant, ihre hohen Betriebskosten vermeiden aber bisher einen kompletten
Umstieg auf solche gNH,-Anlagen. 230762P00LU
Ein alternativer Ansatz ist es, bestehende, konventionelle, sogenannte „graue“ NH;-Anlagen auf die Nutzung von gH. umzurüsten. Die für diese Umrüstung bestehenden Konzepte sind allerdings ebenso zu teuer und oft in ihrer Anwendbarkeit stark begrenzt.
Eine wirtschaftliche Alternative zu reinen neuen oder umgerüsteten gNH,-Anlagen ist jedoch die (partielle) Einspeisung von gH. in eine bestehende „graue“ NH3-Anlage.
Diese Einspeisung soll zur Verminderung des Erdgasverbrauchs und der CO.-Emissionen dienen. gH, kommt dabei zum Beispiel aus der Elektrolyse (betrieben mit erneuerbarer Energie) und wird nach der Verdichtung und der Entfernung vom Restsauerstoff in einem De-Oxo-Reaktor in der
Regel vor dem Synthesegas-Kompressor mit dem restlichen Make-Up Gas vermischt.
Nachteilig ist, dass die eigentliche Frontend-Entlastung durch die Einspeisung von gH, zu deutlichen Abweichungen von dem auf einen reinen Betrieb mit Erdgas ausgerichteten
Auslegungsfall der Anlage führt, von denen u.a. folgende Punkte besonders zu beachten sind: - Der Dampfbedarf bleibt zwar fast unverändert, aber die Dampfmenge sinkt aufgrund verringerter Rauchgas- und Prozessgas-Mengen. - Die gH,-Einspeisung bedeutet geringere Leistung des Primärreformers und folglich weniger nutzbare Abwärme und evtl. Verringerung der k-
Werte/Wärmedurchgangszahlen der Wärmeübertrager. Die Austrittstemperaturen der
Ströme sollten allerdings möglichst unverändert zum Normalfall, d.h. zum Auslegungsfall bei reinem Erdgasbetrieb, bleiben. - Des Weiteren handelt es sich bei den verbauten H,-Kompressoren gewöhnlich um einen
Kolbenverdichter, denn erst ab einer Anlagenkapazität von etwa 600 tato NH. liegt eine
Höhe des einzuspeisenden H.-Bedarfs vor, die einen wirtschaftlichen Betrieb eines
Zentrifugalkompressors ermöglicht. Bei der gH,-Einspeisung in eine bestehende NHs-
Anlage werden gH.-Mengen anfallen, zumindest in der näheren Zukunft, die deutlich unter diesem Wert liegen. Verglichen mit einem Zentrifugalkompressor ist ein
Kolbenverdichter oft technisch mit großen Nachteilen verbunden (z.B. hoher
Wartungsaufwand) und sein Betrieb ist insgesamt weniger wirtschaftlich. 230762P00LU
WO 2021/151 453 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, bei dem in einem nichtelektrolytischen Prozess ein kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff zu nichtelektrolytisch hergestelltem Wasserstoff und einem oder mehreren weiteren nichtelektrolytisch hergestellten
Produkten umgesetzt wird, wobei unter Verwendung des nichtelektrolytischen Prozesses ferner
Überschussdampf bereitgestellt wird, indem wenigstens zeitweise zumindest ein Teil des
Überschussdampfs zur Bereitstellung von Einsatzdampf verwendet wird, wobei der Einsatzdampf durch Dampfelektrolyse zu Elektrolysewasserstoff und Elektrolysesauerstoff umgesetzt wird.
WO 2019/020 377 A1 betrifft ein Verfahren zur Ammoniaksynthese, indem Wasserstoff mittels
Elektrolyse bereitgestellt wird und entweder an der Methanisierungseinheit oder am
Synthesegaskompressor eingespeist wird. Bei diesem Verfahren kommen die vorstehend genannten Nachteile, insbesondere in Bezug auf die Verringerung der Dampfmenge und die geringere Menge an nutzbarer Abwärme zum Tragen. Außerdem besteht die Notwendigkeit des
Einsatzes von wirtschaftlich weniger günstigen Kolbenverdichtern, wenn ein gH2-Mengenstrom zu verdichten ist, der für den Einsatz eines (gegenüber Kolbenverdichtern deutlich wirtschaftlicher betreibbaren) Zentrifugalverdichters zu gering ist, und mit diesen
Kolbenverdichtern muss das gH> auf ein relativ hohes Druckniveau verdichtet werden.
WO 2022/157 223 A1 betrifft ein Verfahren zur Ammoniak- oder Methanolsynthese, indem
Wasserstoff mittels Elektrolyse bereitgestellt wird und entweder nach dem Primärreformer oder später in den Prozess eingespeist wird. Auch bei diesem Verfahren kommen die vorstehend genannten Nachteile, insbesondere in Bezug auf die Verringerung der Dampfmenge und die geringere Menge an nutzbarer Abwärme zum Tragen. Außerdem besteht die Notwendigkeit des
Einsatzes von wirtschaftlich weniger günstigen Kolbenverdichtern, wenn ein gH2-Mengenstrom zu verdichten ist, der für den Einsatz eines (gegenüber Kolbenverdichtern deutlich wirtschaftlicher betreibbaren) Zentrifugalverdichters zu gering ist, und mit diesen
Kolbenverdichtern muss das gH> auf ein relativ hohes Druckniveau verdichtet werden.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, verbesserte Anlagen und Verfahren zur Ammoniak-
Synthese bereitzustellen, welche die partielle Verwendung von gH, ermöglichen und so den
Verbrauch fossiler Erdgasressourcen senken. Insbesondere sollen die verbesserten Anlagen einen geringeren CAPEX-Bedarf aufweisen. Das verbesserte Verfahren soll zu geringeren
Betriebskosten führen und somit einen geringeren OPEX-Bedarf aufweisen.
Erfindungsgemäße Lösung 230762P00LU
Die Aufgabe der Erfindung wird überraschenderweise durch eine Anlage zur Ammoniak-Synthese gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Ammoniak-Synthese gemäß Anspruch 7.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung der erfindungsgemäßen Anlage zur
Ammoniak-Synthese zur Herstellung von Ammoniak und oder Harnstoff sowie die Reduktion des
Verbrauchs von Erdgas.
Es wurde überraschend gefunden, dass die (Teil)Verdichtung des gH. bereits im Erdgas-
Kompressor mehrere Vorteile aufweist: - Der H.-Kolbenkompressor kann kleiner gebaut werden, weil das gH2 nur auf den vergleichsweise geringen, in der Erdgaszuleitung zum Erdgaskompressor vorliegenden
Druck verdichtet werden muss. Falls gH, aus einem H,-Netz mit dem gleichen Druck wie das Erdgas (bzw. mit höherem Druck) bereitgestellt werden kann, kann der H--
Kompressor komplett entfallen. - Der De-Oxo-Reaktor entfällt, da spätestens im Sekundärreformer alle O,-Reste wegreagieren. - Die Rückführung des Make-Up Gases von einer Zwischenstufe des Synthesegas-
Kompressors zur Entschwefelung entfällt ebenso. - Ferner sinkt wünschenswerterweise die benötigte Leistung des Primärreformers, da die
Reformierungsleistung zum Sekundärreformer verschoben wird. - Die Rauchgasmenge wird erhöht, was ebenfalls gewünscht ist, um die Wärmetauscher mit ausreichender Wärmemenge zu versorgen. 230762P00LU
- Insgesamt wird der Massenstrom nach dem Sekundärreformer größer, was vorteilhaft für die Dampfproduktion ist. Trotz Einspeisung von gH, kann somit eine ausreichend große
Dampfproduktion sichergestellt werden.
Erfindungsgemäß ist wegen der Einleitung des gH. vor dem Erdgaskompressor oder in den
Erdgaskompressor lediglich die Verdichtung des gH, auf 10 bis 20 bar erforderlich, während bei der aus dem Stand der Technik bekannten späteren Einspeisung des gH, (zum Beispiel vor dem
Synthesegaskompressor) dieses gH, auf 20 - 25 bar zu verdichten ist. Dadurch kann der H2-
Kompressor, der z.B. als Kolbenkompressor ausgebildet sein kann, kleiner gebaut werden (Verringerung des CAPEX-Bedarfs) bzw. mit geringerer Leistung betrieben werden (Verringerung des OPEX-Bedarfs), als bei den aus dem Stand der Technik bekannten
Anlagenkonfigurationen, in denen eine im Prozessverlauf deutlich spätere Einspeisung des gH, vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Anlage zur Ammoniak-Synthese umfasst mindestens die nachfolgend beschriebenen Komponenten.
Als Erdgaskompressor können herkömmliche Erdgaskompressoren verwendet werden, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Der Erdgaskompressor verdichtet das Erdgas und den gH, vorzugsweise von 10 bis 20 bar auf 35 bis 45 bar.
Die Entschwefelung kann eine aus dem Stand der Technik bekannte Entschwefelungseinheit sein.
Die Entschwefelungseinheit kann nach herkömmlichen Maßstäben ohne Einschränkungen ausgelegt werden.
Zur Bereitstellung von Wasserstoff aus Erdgas (zusätzlich zu dem eingespeisten gH.) dient ein
Reformer, bevorzugt ein Primär- und ein Sekundärreformer und/oder ein autothermer Reformer (ATR). Die Bildung von Wasserstoff erfolgt dabei bevorzugt im Grundsatz nach obiger Gleichung
CnH.m + nH,0 = (n+m) Hz + nCO [4]
Eine Darstellung zur Funktionsweise des Reformers findet sich in Ullmann’s, Kapitel 6.1.1 Seiten 174 bis 179. Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Anlage bevorzugt einen Kohlenmonoxid (CO)-Konverter (nicht gezeigt) umfassen. In diesem wird das in Gleichung [4] gebildete und fiir 230762P00LU die eigentliche Ammoniaksynthese nicht benötigte Kohlenmonoxid (CO) unter weiterer
Wasserstoffbildung in Kohlendioxid bevorzugt gemäß Gleichung [5] umgesetzt.
CO + H,0 = CO, + H, [5]
Eine Beschreibung zur Funktionsweise und Aufbau von möglichen Kohlenmonoxid (CO)-
Konvertern („Carbon Monoxide Shift Conversion) findet sich unter Ullmann’s, Kapitel 6.1.2,
Seiten 179 bis 182. An den Kohlenmonoxid (CO)-Konverter kann sich bevorzugt eine
Kohlendioxid (CO.)-Waschereinheit mit Regeneration (nicht gezeigt) anschließen. Der Ausdruck „-einheit“ umfasst im Sinne der Erfindung dem Fachmann für den genannten Zweck bekannte
Vorrichtungen und Apparate, in diesem Fall typischerweise/beispielsweise einen Absorber, einen
Desorber, eine oder mehrere Zirkulationspumpen sowie Wärmeüberträger zum
Aufwärmen/Abkühlen des Lösungsmittels. Eine Kohlendioxid (CO.)-Wischereinheit mit
Regeneration kann beispielsweise als bekannte Vorrichtung/Anordnung ausgeführt sein, bei der
Kohlendioxid in einem Absorber unter Druck in einem geeigneten Lösungsmittel — beispielsweise
Kaliumkarbonat oder Amine - gelöst wird und anschließend getrennt vom übrigen Synthesegas (das in der Kohlendioxid (CO,)-Wäschereinheit mit Regeneration an Kohlendioxid abgereicherte bzw. von Kohlendioxid befreite Synthesegas) entspannt („flash“) wird. Das Lösungsmittel kann anschließend wieder erwärmt und in einer Stripping Säule (Desorber) regeneriert werden. Eine detaillierte Beschreibung findet sich beispielsweise unter Ullmann’s, Kapitel 6.1.3, Seiten 182 bis 184. Eine Kohlendioxid (CO.)-Waschereinheit mit Regeneration unterscheidet sich von einem
Adsorptionsverfahren (beispielsweise Druckwechseladsorption PSA) dadurch, dass erstgenannte die für die nachfolgende Ammoniaksynthese essentielle Komponente Stickstoff (N,) nicht aus dem Synthesegasstrom entfernt und insgesamt über eine dem Verwendungszweck entsprechende
Selektivität bei der Entfernung von Gaskomponenten verfügt.
Eine Methanisierungseinheit ermöglicht die weitere Reduzierung von Kohlenstoffoxiden (COX).
Dies erfolgt beispielsweise gemäß den Gleichungen [6] und [7]:
CO +3 H. = CH, + HO [6]
CO» + 4 H. = CH, + 2 H,0 [7]
Die Methanisierungseinheit umfasst bevorzugt im Sinne der Erfindung noch weitere
Anlagenelemente zur Aufreinigung, beispielsweise über den Selectoxo-Prozess, Methanolation, 230762P00LU
Trockner, Cryogene Verfahren, Waschen mit fliissigem Stickstoff und/oder
Druckwechseladsorption. Der Ausdruck „-einheit“ umfasst im Sinne der Erfindung dem
Fachmann für den genannten Zweck bekannte Vorrichtungen und Apparate. Eine detaillierte
Beschreibung findet sich unter Ullmann’s, Kapitel 6.1.3, Seiten 184 bis 186. Prozessbedingungen für die Gleichungen [6] und [7] sind beispielsweise 25 bar bis 35 bar und 250 °C bis 350 °C über einem Nickelkatalysator.
Die erfindungsgemäße Anlage umfasst des Weiteren eine Ammoniaksyntheseeinheit (nicht gezeigt). Der Ausdruck „-einheit“ umfasst im Sinne der Erfindung dem Fachmann für den genannten Zweck bekannte Vorrichtungen und Apparate. Die Ammoniaksyntheseeinheit umfasst den eigentlichen Ammoniaksynthesereaktor zur Umsetzung von Wasserstoff und Stickstoff gemäß Gleichung [3]. Die Bereitstellung von Stickstoff kann bevorzugt in einer angeschlossenen
Luftzerlegungsanlage erfolgen oder aus der im Sekundärreformer verarbeiteten (=“verbrannten“)
Prozessluft. Beispiele für geeignete Reaktoren finden sich auch in der EP 0 345 504 A1 und der
DE 35 22 308 A1, Beispiele 1 bis 7 und der Beschreibung. Bevorzugt ist die
Ammoniaksyntheseeinheit mit Vorrichtungen zur Aufreinigung, Komprimierung und/oder
Verflüssigung verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anlage ferner einen H.-Kompressor in
Verbindung mit der H,-Zuleitung.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der H,-Druck in der H,-Zuleitung gleich oder größer als der Erdgasdruck in der Erdgaszuleitung.
Besonders bevorzugt beträgt der H,-Druck in der H.-Zuleitung 10 bis 20 bar.
Besonders bevorzugt beträgt der Erdgasdruck in der Erdgaszuleitung 10 bis 20 bar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Wasserstoff durch erneuerbare
Quellen, vorzugsweise mittels durch erneuerbare Energie betriebener Wasserelektrolyse, bereitgestellt. Besonders bevorzugt wird der Wasserstoff durch eine alkalische
Wasserelektrolysevorrichtung (AWE) bereitgestellt, die mit Strom aus Windenergie und/oder
Solarenergie und/oder anderen sogenannten erneuerbaren Energien betrieben wird.
Grundsätzlich sind auch andere Wasserelektrolyse-Technologien einsetzbar. 230762P00LU
Die Kombination von bevorzugten Ausführungsformen ist besonders bevorzugt.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Ammoniak-Synthese mindestens umfassend die folgenden Schritte. a) Verdichten von Erdgas und Wasserstoff in einem Erdgaskompressor (10); b) Entschwefelung, Reformierung und Methanisierung, um ein Synthesegas zu erhalten; c) Verdichten des Synthesegases, um es der Ammoniak-Synthese zuzuleiten, wobei der Wasserstoff stromaufwärts des Erdgaskompressors (10) in die Erdgaszuleitung (11) oder in den Erdgaskompressor (10) eingeleitet wird und mit dem Erdgas zusammen verdichtet wird.
Vorzugsweise wird ein alkanhaltiges (insbesondere Methan enthaltenes) Gas zusammen mit gH, in einem Erdgaskompressor verdichtet, anschließend entschwefelt und in einen oder mehrere
Reformer eingeleitet, um wie voranstehend gemäß Gleichung [4] beschrieben ein erstes
Synthesegasgemisch mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zu erhalten.
Anschließend kann das erste Synthesegasgemisch in einen Kohlenmonoxid (CO)-Konverter überführt werden. In dem Kohlenmonoxid (CO)-Konverter kann das in Gleichung [4] gebildete und für die eigentliche Ammoniaksynthese nicht benötigte und für viele Katalysatoren problematische Kohlenmonoxid (CO) unter weiterer Wasserstoffbildung in Kohlendioxid gemäß
Gleichung (5) umgesetzt werden, um ein zweites Synthesegasgemisch zu erhalten. Das zweite
Synthesegasgemisches kann anschließend in eine Kohlendioxid (CO2)-Wäschereinheit mit
Regeneration eingeleitet und überführt werden. Die Wäschereinheit kann beispielsweise als
Vorrichtung/Anordnung ausgeführt sein, bei der Kohlendioxid in einem Absorber unter Druck in einem geeigneten Lösungsmittel — beispielsweise Kaliumkarbonat oder Amine - gelöst wird und anschließend getrennt vom übrigen (nahezu kohlendioxidfreien) Synthesegas entspannt („flash“) wird. Das Lösungsmittel kann beispielsweise anschließend wieder erwärmt und in einer Stripping
Säule (Desorber) regeneriert werden. Anschließend werden ein drittes (nahezu kohlendioxidfreies oder kohlendioxid-abgereichertes) Synthesegasgemisch und ein kohlendioxid (CO2)-haltiges Abgas erhalten. Das dritte Synthesegasgemisch kann in eine
Methanisierungseinheit überführt werden. Die Methanisierungseinheit ermöglicht, beispielsweise gemäß den Gleichungen [6] und [7], die weitere Reduzierung von 230762P00LU
Kohlenstoffoxiden (COX). Anschließend wird ein viertes Synthesegasgemisch erhalten und das vierte Synthesegasgemisch kann in eine Ammoniaksyntheseeinheit eingeleitet werden. Die
Ammoniaksyntheseeinheit umfasst den eigentlichen Ammoniaksynthesereaktor zur Umsetzung von Wasserstoff und Stickstoff bevorzugt gemäß Gleichung [3]. In der Ammoniaksyntheseeinheit wird Ammoniak erhalten. Dieser wird anschließend bevorzugt durch eine oder mehrere Druck- und Temperaturabsenkungen aufbereitet, komprimiert und/oder verflüssigt.
Bevorzugt werden das erhaltene Ammoniak und ein Großteil des Kohlendioxid (CO.)-haltigen
Abgases in einer Harnstoffanlage, vorzugsweise einer mit einer Ammoniakerzeugungsanlage verbundenen Harnstoffanlage, zu Harnstoff umgesetzt. Die Weiternutzung ermöglicht eine effektive Nutzung des Ammoniaks und insbesondere des bevorzugt zur Erzeugung des
Synthesegases verwendeten Erdgases.
Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung der erfindungsgemäßen Anlage zur
Ammoniak-Synthese zur Herstellung von Ammoniak und gleichzeitiger Reduktion des
Verbrauchs fossiler Ressourcen.
Des Weiteren wird die Erfindung anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren beschränken dabei nicht den Schutzumfang der Erfindung, sondern dienen nur der beispielhaften
Erläuterung. Die Figuren zeigen schematische Anlagenfließbilder.
Es zeigen:
Figur 1 ein schematisches Fließbild einer herkömmlichen Anlage zur Ammoniaksynthese mit
Einspeisung von gH..
Figur 2 ein schematisches Fließbild einer erfindungsgemäßen Anlage zur Ammoniaksynthese mit
Einspeisung von gH, gemäß einer Ausführungsform.
Figur 3 ein schematisches Fließbild einer erfindungsgemäßen Anlage zur Ammoniaksynthese mit
Einspeisung von gH, gemäß einer weiteren Ausführungsform. 230762P00LU
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Anlage und der Durchführung eines herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung von Ammoniak bzw. zur Herstellung von
Synthesegas zur weiteren Umsetzung zu Ammoniak mit Einspeisung von gH>.
Erdgas aus einer Erdgaszuleitung 11 wird in einem Erdgaskompressor 10 verdichtet und den weiteren Einheiten der Synthesegasherstellung, wie zum Beispiel der Entschwefelungseinheit 20, dem Primärreformer 30 und der Methanisierungseinheit 40 zugeführt. Zwischen der
Methanisierungseinheit 40 und dem Synthesegaskompressor 50 wird Wasserstoff über eine Hs-
Zuleitung 61 eingespeist, bevor das mit Wasserstoff angereicherte Synthesegas im
Synthesegaskompressor 50 weiter verdichtet wird und zur eigentlichen
Ammoniaksyntheseeinheit (nicht gezeigt) über die Zuleitung zur Ammoniaksynthese 53 weitergeleitet wird. Der eingespeiste Wasserstoff wird hier in einer alkalischen
Wasserstoffelektrolyseeinheit 70 gewonnen, in einem H.-Kompressor 80 verdichtet, über die H>-
Zuleitung 81 in einen De-Oxo-Reaktor 60 überführt und in dem De-Oxo-Reaktor 60 von
Sauerstoff befreit, bevor er über die H.-Zuleitung 61 eingespeist wird. Der H2-Kompressor 80 muss den gH2-Gasstrom auf ein relativ hohes Druckniveau zwischen 25 — 30 Bar verdichten, weil das gH2-Gas in dem De-Oxo-Reaktor an Druck verliert und bei einem Druck von 20 — 25 bar vor dem Synthesegaskopressor 50 eingespeist werden muss. Der H2-Kompressor 80 muss daher für diese Verdichtung ausgelegt sein.
Ausgehend von dem Synthesegaskompressor 50 wird ferner ein Teil des mit Wasserstoff angereicherten Synthesegases über die H,-Riickfiihrungsleitung 51 zurück zur
Entschwefelungseinheit 20 geführt, um den für die Entschwefelung notwendigen
Wasserstoffanteil zu gewährleisten.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage und der
Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Ammoniak bzw. zur
Herstellung von Synthesegas zur weiteren Umsetzung zu Ammoniak mit Einspeisung von gH>.
Der „grüne“ Wasserstoff wird im dargestellten Ausführungsbeispiel in einer mit Strom aus erneuerbaren Energien betriebenen alkalischen Wasserstoffelektrolyseeinheit 70 gewonnen, in einem H.-Kompressor 80 verdichtet und über die H»-Zuleitung 81 zum Erdgas in der
Erdgaszuleitung 11 hinzugegeben, bevor das Gemisch aus gH. und Erdgas in einem
Erdgaskompressor 10 verdichtet und den weiteren Einheiten der Synthesegasherstellung, wie zum Beispiel der Entschwefelungseinheit 20, dem Primärreformer 30 und der 230762P00LU
Methanisierungseinheit 40 zugeführt wird. Das erhaltene Synthesegas wird im
Synthesegaskompressor 50 weiter verdichtet und zur eigentlichen Ammoniaksyntheseeinheit (nicht gezeigt) über die Zuleitung zur Ammoniaksynthese 53 weitergeleitet. Im Vergleich zu Fig. 1 kann der De-Oxo-Reaktor 60 entfallen. Vorteilhaft ist ferner, dass der H2-Kompressor 80 deutlich kleiner ausgelegt werden kann als bei der Anlagenkonfiguration gemäß Fig. ı (Reduktion des CAPEX-Bedarfs). Der Grund dafür ist, dass der H2-Kompressor 80 bei der
Anlagenkonfiguration gemäß Fig. 2 den gH2-Gasstrom lediglich auf ein deutlich geringeres
Druckniveau von 10 — 20 bar 8 verdichten muss, während bei der Anlagenkonfiguration gemäß
Fig. 1 auch wegen des in dem De-Oxo-Reaktors auftretenden Druckverlustes die Verdichtung des gH2 auf ein Druckniveau von 25 — 30 bar erfolgen muss.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Anlage und der
Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Ammoniak bzw. zur
Herstellung von Synthesegas zur weiteren Umsetzung zu Ammoniak mit Einspeisung von gH>.
Der „grüne“ Wasserstoff wird hier entweder aus einer Elektrolyse (z.B. PEM-Elektrolyse), die gH2 bei einem erhöhten Druck liefert, oder direkt aus einem H2-Netz mit dem gleichen Druck wie das
Erdgas bereitgestellt und über die H.-Zuleitung 81 zum Erdgas in der Erdgaszuleitung 11 hinzugegeben, bevor das Gemisch aus gH. und Erdgas in einem Erdgaskompressor 10 verdichtet und den weiteren Einheiten der Synthesegasherstellung, wie zum Beispiel der
Entschwefelungseinheit 20, dem Primärreformer 30 und der Methanisierungseinheit 40 zugeführt wird. Das erhaltene Synthesegas wird im Synthesegaskompressor 50 weiter verdichtet und zur eigentlichen Ammoniaksyntheseeinheit (nicht gezeigt) über die Zuleitung zur
Ammoniaksynthese 53 weitergeleitet. Im Vergleich zu Fig. ı können der De-Oxo-Reaktor 60 und der H.-Kompressor 80 entfallen (Reduktion des CAPEX-Bedarfs). 230762P00LU
Bezugszeichenliste
Erdgaskompressor 11 Erdgaszuleitung
Entschwefelungseinheit
Primärreformer
Methanisierungseinheit
Synthesegaskompressor 51 H,;-Rückführungsleitung 53 Zuleitung zur Ammoniaksynthese 60 De-Oxo-Reaktor 61 H,-Zuleitung von De-Oxo-Reaktor 70 Alkalische Wasserelektrolyse (AWE) 80 Wasserstoffkompressor 81 H,-Zuleitung 230762P00LU
Claims (10)
1. Anlage zur Ammoniak-Synthese mindestens umfassend: a) einen Erdgaskompressor (10) b) eine Erdgaszuleitung (11) zur Zuleitung von Erdgas zum Erdgaskompressor (10) c) eine Entschwefelungseinheit (20) d) einen Primärreformer (30) e) eine Methanisierungseinheit (40) f) einen Synthesegaskompressor (50), dadurch gekennzeichnet, dass eine H,-Zuleitung (81) stromaufwärts des Erdgaskompressors (10) mit der Erdgaszuleitung (11) oder mit dem Erdgaskompressor (10) verbunden ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage ferner einen Hz- Kompressor (80) in Verbindung mit der H,-Zuleitung (81) umfasst.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der H.-Druck in der H,-Zuleitung (81) gleich oder größer als der Erdgasdruck in der Erdgaszuleitung (11) ist.
4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der H--Druck in der H»-Zuleitung (81) 10 bis 20 bar beträgt.
5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff durch erneuerbare Quellen, vorzugsweise durch mittels Strom aus erneuerbaren Energien betriebener Wasserelektrolyse, bereitgestellt wird. 230762P00LU
6. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff durch eine alkalische Wasserelektrolysevorrichtung (AWE) bereitgestellt wird.
7. Verfahren zur Ammoniak-Synthese, mindestens umfassend: a) Verdichten von Erdgas und Wasserstoff in einem Erdgaskompressor (10); b) Entschwefelung, Reformierung und Methanisierung, um ein Synthesegas zu erhalten; c) Verdichten des Synthesegases, um es der Ammoniak-Synthese zu zuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff stromaufwirts des Erdgaskompressors (10) in die Erdgaszuleitung (11) oder in den Erdgaskompressor (10) eingeleitet wird und mit dem Erdgas zusammen verdichtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff und das Erdgas im Erdgaskompressor von 10 bis 20 bar auf 35 bis 45 bar verdichtet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff durch erneuerbare Quellen, vorzugsweise durch mittels Strom aus erneuerbaren Energien betriebener alkalischer Wasserelektrolyse bereitgestellt wird.
10. Verwendung der Anlage gemäß Anspruch 1 bis 6 zur Ammoniak-Synthese zur Herstellung von Ammoniak und/oder Harnstoff. 230762P00LU
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
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| LU103279A LU103279B1 (de) | 2024-04-18 | 2024-04-18 | Anlage und Verfahren zur gemeinsamen Verdichtung von Wasserstoff und Erdgas |
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