WO2024062060A1 - Anlage und verfahren zur erzeugung von grünem harnstoff - Google Patents

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WO2024062060A1
WO2024062060A1 PCT/EP2023/076128 EP2023076128W WO2024062060A1 WO 2024062060 A1 WO2024062060 A1 WO 2024062060A1 EP 2023076128 W EP2023076128 W EP 2023076128W WO 2024062060 A1 WO2024062060 A1 WO 2024062060A1
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Ivo Müller
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Thyssenkrupp Uhde Gmbh
Thyssenkrupp Ag
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    • B01J2219/00042—Features relating to reactants and process fluids
    • B01J2219/00045—Green chemistry

Definitions

  • the invention relates to the production of green urea.
  • the invention relates to a device for synthesizing urea with the features of claim 1.
  • Green refers to chemicals that have been produced sustainably (and therefore climate-neutrally and environmentally friendly), so that no additional carbon dioxide is released into the atmosphere, especially during their production.
  • these can be chemicals that are produced in processes whose energy requirements for production are covered by renewable/regenerative energies (for example by means of electrical energy that is obtained from renewable energies, for example in a photovoltaic system, a wind turbine, a geothermal power plant or a tidal power plant) and in which the educts used for production are not obtained from fossil raw materials.
  • renewable/regenerative energies for example by means of electrical energy that is obtained from renewable energies, for example in a photovoltaic system, a wind turbine, a geothermal power plant or a tidal power plant
  • the production of green ammonia is clearly a focus here, as natural gas is currently used almost exclusively to produce ammonia.
  • carbon dioxide CO2
  • urea plants can use this carbon dioxide together with the ammonia to convert it into urea, which is primarily used as fertilizer.
  • the use of both product streams from the ammonia plant in the urea plant is one reason why these two plants are often firmly connected to each other.
  • This system network also has the advantage that, for example, steam can be exchanged as an energy source between the two systems.
  • the carbon dioxide bound during urea production is ultimately released again when it is used in the field. Since this carbon dioxide comes from the natural gas from ammonia production, the urea produced in this way is not green.
  • An energy storage system for the production of hydrogen and urea is known from CN 111378980 A.
  • the first step in green synthesis is usually the production of hydrogen by electrolysis from renewable energy.
  • ammonia can also be produced directly using electrochemical methods. This means that no more CO2 is produced as a byproduct, which is required as a feedstock for urea synthesis.
  • regions where renewable energies are readily available are (for example, sunny desert regions).
  • ammonia is comparatively easy to liquefy (unlike hydrogen, for example) in order to obtain a liquid energy carrier with a high energy density.
  • the object of the invention is to provide a plant for producing green urea from green ammonia, in which the urea synthesis from the previous plant network is combined with a gray ammonia synthesis (i.e. an ammonia synthesis, the educts of which are provided using carbon-based fuels, in particular using fossil fuels such as Petroleum, natural gas, coal or components of the aforementioned, the starting materials being obtained, for example, in a steam reforming or in an electrolysis with electricity which is generated using these fuels).
  • a gray ammonia synthesis i.e. an ammonia synthesis, the educts of which are provided using carbon-based fuels, in particular using fossil fuels such as Petroleum, natural gas, coal or components of the aforementioned, the starting materials being obtained, for example, in a steam reforming or in an electrolysis with electricity which is generated using these fuels.
  • the device according to the invention is used to synthesize urea.
  • the device has an ammonia source and a urea synthesis unit.
  • the urea synthesis unit is a common urea synthesis unit known to those skilled in the art for producing urea.
  • the urea synthesis unit usually consists of several process steps and apparatus, including a urea reactor.
  • ammonia source is to be understood broadly in the sense of the invention.
  • the ammonia source may be an ammonia synthesis device.
  • the ammonia source can also be, for example, a storage tank or a connection to an ammonia pipeline. The only important thing is that the ammonia source no longer provides any or only insufficient steam and CO2 for the urea synthesis unit.
  • the ammonia source is connected via an educt line to the urea synthesis unit, in particular to one or more apparatuses of the urea synthesis unit.
  • the device has an ammonia gas turbine.
  • the ammonia source is connected to the ammonia gas turbine via a fuel line.
  • the ammonia gas turbine is connected to the urea synthesis unit via a steam line.
  • An ammonia gas turbine is a gas turbine that works with ammonia as a fuel gas (fuel). In the ammonia gas turbine, ammonia is burned, producing nitrogen and water and releasing them into the environment. Such an ammonia gas turbine can provide both thermal energy and mechanical energy, which can be used in different ways for the urea synthesis unit.
  • the ammonia gas turbine differs structurally and functionally from turbines in which an existing hot gas flow is used to drive additional units such as compressors (such a turbine is known from WO 2020/212926 A1, where in a urea synthesis a turbocharger is used to feed in Carbamate is used, which - driven by liquid ammonia - enables a coupled feed of ammonia and carbamate).
  • the Ammonia gas turbine can be used to generate a hot gas flow, the kinetic energy of which can be used to drive a compressor and / or a generator, for example to compress a process gas or to generate electrical energy. Therefore, ammonia gas turbines are currently being built for industrial use to enable electricity generation from the green energy source ammonia. For example, from WO 2015/192877 A1 the use of an ammonia gas turbine for generating electricity is known, in which green ammonia is used as fuel gas. The ammonia gas turbine thus provides the energy necessary for the urea process, which no longer comes from gray ammonia synthesis.
  • ammonia is used as fuel gas in the ammonia gas turbine. Therefore, the ammonia source is not only connected to the urea synthesis unit via an educt line, but also to the ammonia gas turbine via a fuel line.
  • the ammonia gas turbine is further connected to the urea synthesis unit via a steam line; This can in particular be implemented in such a way that the waste heat generated in the ammonia gas turbine is used to produce steam in a downstream heat exchanger (the steam can of course also come from a heat exchanger downstream of the actual combustion process), which can be fed to the urea synthesis unit via a steam line, to use the thermal energy of the steam in the urea synthesis unit, for example to heat the reaction mixture to the required temperature.
  • green ammonia as an energy supplier has the advantage that no renewable energy production has to be available at the location of the device, or does not have to be reliably available. Since the combustion of green ammonia generates CCh-free energy, green energy can be provided for urea synthesis in a simple manner. This combustion of gaseous ammonia can be carried out efficiently in gas turbines, although the space required is much smaller than for other renewable energy suppliers such as a wind farm and/or a photovoltaic system. Due to the use of green produced ammonia both as a feedstock for urea synthesis and for the production of green energy, for example electricity or steam, in combination with the use of carbon dioxide from other sources, the urea produced in this way can be described as green in the sense of CO2-neutral.
  • the ammonia gas turbine is connected via a further steam line to a Haber-Bosch reactor for ammonia synthesis.
  • the steam generated in the Haber-Bosch process is superheated in the ammonia gas turbine and then fed to the urea reactor.
  • the ammonia gas turbine preferably has a heat exchanger in which the water vapor is further heated with the combustion exhaust gases, in particular from the ammonia combustion.
  • the steam can be used in the urea synthesis unit as a heat transfer medium, for example in just one or more heat exchangers of the urea reactor. The steam therefore only serves as a heat transfer medium.
  • the ammonia gas turbine is designed to directly drive a CO2 compressor.
  • CO2 is produced in exhaust gas purification or in biogas plants at approximately ambient pressure.
  • the CO2 must be compressed to 150 bar.
  • the direct coupling achieves dual use of the ammonia gas turbine, the waste heat is used directly in the process and the mechanical power is used to compress the CO2.
  • the ammonia gas turbine is connected to a generator in a force-locking manner.
  • the ammonia gas turbine drives the generator so that electricity can be generated by the combustion of ammonia.
  • the generator is electrically connected to the urea synthesis unit. This combination has the advantage that it represents a power source that is independent of the rest of the infrastructure. This is especially true when using green ammonia to produce green electricity, as other renewable energy sources such as solar and electricity can be subject to fluctuations.
  • the generator is electrically connected to the CCh compressor.
  • the power can be transmitted between the two machines via a gearbox.
  • the ammonia gas turbine is non-positively connected to the CO2 compressor.
  • the ammonia gas turbine and the CO2 compressor can be arranged on the same shaft, which may contain a gearbox.
  • the ammonia gas turbine drives the CO2 compressor directly mechanically, so that energy losses, for example during electricity generation and electrical operation of the CO2 compressor, can be avoided.
  • a further embodiment of the invention has a thermal splitting device.
  • the thermal splitting device is designed to split ammonia into hydrogen and nitrogen.
  • the thermal cracking device is connected to the ammonia source. As a result, ammonia is supplied to the splitting device.
  • the thermal cracking device is connected to the ammonia gas turbine. Since the combustion process of ammonia itself can be subject to fluctuations, in some variants hydrogen is added to the ammonia gas turbine for more stable combustion. It is helpful for this splitting that there is an equilibrium between nitrogen and hydrogen as well as ammonia, which can be shifted to the elements at low pressure.
  • the device has a hydrogen source.
  • a hydrogen source within the meaning of the invention can be, for example, a hydrogen electrolysis device, a hydrogen tank or the connection to a hydrogen network.
  • the hydrogen source is connected to the ammonia gas turbine via a hydrogen line. This allows a certain amount of hydrogen to be added to the ammonia so that more stable combustion is possible.
  • the ammonia gas turbine is connected to the thermal splitting device via a heat line.
  • the waste heat from the ammonia gas turbine is therefore used to at least partially break down ammonia back into hydrogen and nitrogen.
  • the device is preferably located near a suitable CO2 source 80.
  • the CCh source 80 can be, for example, a waste incineration plant, a biogas plant or a direct air capture process. Since the ammonia produced for the production of green urea is not produced from natural gas, an ammonia synthesis device is not the CCh source, as was previously the case.
  • the device also has an ammonia source 10.
  • the ammonia source 10 can theoretically be an ammonia synthesis device. However, the latter only makes sense if there is enough renewable energy at this location to produce green ammonia as well as a suitable CCh source 80 for urea production.
  • ammonia source 10 can also be a storage tank or a connection to an ammonia pipeline.
  • Ammonia is supplied from the ammonia source 10 via an educt line 30 to the urea synthesis unit 20.
  • the carbon dioxide from the CO2 source 80 is fed to an apparatus in the urea synthesis unit 20 via a CCh compressor 70, in which the carbon dioxide is brought to the pressure required for urea synthesis.
  • carbon dioxide and ammonia are converted into urea.
  • the urea leaves the urea synthesis unit 20 as a product and is fed, for example, to a granulation device, optionally previously mixed with other components.
  • the device has an ammonia gas turbine 40.
  • the ammonia gas turbine 40 is connected to the ammonia source 10 via a fuel line 50. If green produced ammonia is converted in the ammonia gas turbine 40, the energy thus generated is also free of CCh emissions. When ammonia is burned, only nitrogen and water are produced and released into the environment.
  • the ammonia gas turbine 40 is non-positively connected to the CCh compressor 70, in particular both are arranged on the same shaft, which optionally contains a gear. As a result, the ammonia gas turbine 40 drives the CO2 compressor 70 directly.
  • the waste heat generated in the ammonia gas turbine 40 is used to produce steam in a downstream heat exchanger, which is fed to the urea synthesis unit 20 via a steam line 60.
  • the steam can also originate in a heat exchanger downstream of the actual combustion process.
  • the ammonia gas turbine 40 can also be connected in a force-locking manner to a generator 90.
  • the electrical energy generated there can be made available to the urea synthesis unit 20 via an electrical connection 100.
  • Fig. 2 shows a second embodiment which, in addition to the first embodiment, has a thermal cracking device 110.
  • the thermal cracking device 110 is fed with the waste heat of the ammonia gas turbine 40 via a heat line 120. Part of the ammonia from the ammonia source 10 is fed to the thermal cracking device 110 and the mixture of ammonia, hydrogen and nitrogen produced is fed to the ammonia gas turbine 40.
  • the additional hydrogen leads to more stable combustion in the ammonia gas turbine 40.
  • FIG. 3 shows a third embodiment which differs from the first embodiment shown in Fig. 1 in that the ammonia gas turbine 40 is only non-positively connected to the generator 90, in particular is arranged on the same shaft.
  • the generator 90 is connected via an electrical connection to the CO2 compressor 70, which is accordingly operated purely electrically.
  • the advantage of this embodiment is the optimal operation of the ammonia gas turbine 40 for the generator 90, so that it is easier to react to a fluctuating power requirement, for example in the urea synthesis unit 20 and independently of the CO2 gas stream to be compressed.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff, wobei die Vorrichtung eine Ammoniakquelle 10 und eine Harnstoffsyntheseeinheit 20 aufweist, wobei die Ammoniakquelle 10 über eine Eduktleitung 30 mit der Harnstoffsyntheseeinheit 20 verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Ammoniakgasturbine 40 aufweist, wobei die Ammoniakquelle 10 über eine Brennstoffleitung 50 mit der Ammoniakgasturbine 40 verbunden ist, wobei die Ammoniakgasturbine 40 über eine Dampfleitung 60 mit der Harnstoffsyntheseeinheit 20 verbunden ist.

Description

Anlage und Verfahren zur Erzeugung von grünem Harnstoff
Die Erfindung betrifft die Herstellung von grünem Harnstoff. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .
Die Produktion grüner Chemikalien wird zunehmend wichtig. Als „grün“ werden dabei solche Chemikalien bezeichnet, welche nachhaltig (und damit klimaneutral und umweltfreundlich) hergestellt wurden, sodass insbesondere für deren Herstellung kein zusätzliches Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt wird. Beispielsweise kann es sich dabei um Chemikalien handeln, die in Verfahren hergestellt werden, deren Energiebedarf für die Herstellung aus erneuerbaren/regenerativen Energien gedeckt wird (beispielsweise mittels elektrischer Energie, die aus regenerativen Energien gewonnen wird, etwa in einer Photovoltaikanlage, einer Windkraftanlage, einem geothermischen Kraftwerk oder einem Gezeitenkraftwerk) sowie in denen die zur Herstellung eingesetzten Edukte nicht aus fossilen Rohstoffen gewonnen werden. Die Produktion von grünem Ammoniak steht hierbei klar in einem Fokus, da für die Herstellung von Ammoniak derzeit fast ausschließlich Erdgas verwendet wird. Bei dieser Herstellung fällt Kohlendioxid (CO2) als Nebenprodukt an. Sofern dieses Kohlendioxid nicht weiterverwendet wird, wird dieses in die Umgebung abgegeben. Harnstoffanlagen können jedoch dieses Kohlendioxid zusammen mit dem Ammoniak zur Umsetzung zu Harnstoff nutzen, welcher vor allem als Düngemittel Verwendung findet. Die Verwendung beider Produktströme der Ammoniakanlage in der Harnstoffanlage ist ein Grund, weshalb diese beiden Anlagen oftmals miteinander fest verbunden werden. Dieser Anlagenverbund hat weiter den Vorteil, dass beispielsweise Dampf als Energieträger zwischen beiden Anlagen ausgetauscht werden kann. Das bei der Harnstoffproduktion gebundene Kohlendioxid wird bei dessen Einsatz auf dem Feld letztendlich wieder freigesetzt. Da dieses Kohlendioxid aus dem Erdgas der Ammoniakproduktion stammt, ist der so hergestellte Harnstoff nicht grün.
Die Herstellung von Harnstoff aus Ammoniak und CO2 findet weltweit in Großanlagen- Maßstab statt und ist dem Fachmann bekannt. Ein Verfahren wird in US 2018 / 0208551 A1 beschrieben. Aus der EP 3 725 401 A1 ist die Verwendung von erneuerbaren Energie zur Herstellung von Chemikalien bekannt, indem anstelle von meist mit fossilen Energieträgern erzeugten Dampf nun verstärkt Strom zum Einsatz kommt.
Aus der CN 111378980 A ist ein Energiespeichersystem für die Herstellung von Wasserstoff und Harnstoff bekannt.
Aus der US 2019 / 0152901 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak und daraus Harnstoff bekannt, bei dem eine konventionelle Gasturbine basierend auf Erdgas als Brennstoff zum Einsatz kommt.
Bisher stellten die Herstellung von Ammoniak und die weitere Umsetzung zu Harnstoff üblicherweise eine Verbundanlage dar. Die Herstellung von Ammoniak erfolgt heutzutage fast ausschließlich im Haber-Bosch-Verfahren. Dabei wird zunächst aus Erdgas Wasserstoff und CO2 hergestellt, wobei die benötigte Wärmeenergie meist ebenfalls mittels Erdgas erzeugt wird. Im weiteren Verlauf wird dieser Wasserstoff mit Stickstoff aus der Luft zu Ammoniak umgesetzt. Im Haber-Bosch-Verfahren entsteht als Prozessabwärme Dampf, der sowohl für die Ammoniakproduktion selbst aber auch sehr gut für andere Prozesse, wie zum Beispiel einen nachfolgenden Harnstoffprozess, nutzbar ist. Der hohe Dampfbedarf für den Harnstoffprozess ergibt sich zu einem aus der häufig eingesetzten Dampfturbine des benötigten CCh-Kompressors und zum anderen aus der Notwendigkeit, in der Synthese mehrere thermische Trennverfahren durchzuführen.
Durch die Umstellung der Ammoniaksynthese auf eine grüne Syntheseroute verändert sich deren Prozesscharakteristik grundlegend. Der erste Schritt der grünen Synthese ist üblicherweise die Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse aus regenerativ erzeugter Energie. Alternativ kann Ammoniak auch direkt auf elektrochemischem Weg erzeugt werden. Dadurch entsteht als Nebenprodukt kein CO2 mehr, welches aber als Einsatzstoff für die Harnstoffsynthese benötigt wird. Durch die Unabhängigkeit vom bisherigen Rohrstoff Erdgas wird es außerdem möglich, die Ammoniaksynthese bevorzugt in Regionen zu verlegen, in welchen regenerative Energien einfach verfügbar sind (zum Beispiel sonnenreiche Wüstenregionen). In diesem Zusammenhang wird ebenfalls diskutiert, das so erzeugte Ammoniak als leicht zu transportierendes Speichermedium von erneuerbaren Energien auch über längere Strecken zu nutzen. Dabei macht man sich die Tatsache zunutze, dass Ammoniak vergleichsweise einfach zu verflüssigen ist (anders als zum Beispiel Wasserstoff), um einen flüssigen Energieträger mit hoher Energiedichte zu erhalten.
Im Unterschied zu Ammoniak lässt sich CO2 nicht so leicht über größere Distanzen transportieren. Daher ist es realistisch, anzunehmen, dass neue Harnstoffsynthesen zukünftig in der Nähe von bislang kaum oder nicht genutzten CCh-Quellen, beispielsweise einer Müllverbrennungsanlage oder einer Zementproduktion, angeordnet werden. Diese Standorte können jedoch örtlich weit getrennt von Ammoniaksynthesen sein. Hieraus ergibt sich nun die Herausforderung, dass der üblicherweise aus der Ammoniaksynthese bereitgestellte Dampf (Energie) für die Harnstoffproduktion fehlt.
Aber selbst, wenn eine grüne Ammoniaksynthese mit einer Harnstoffsynthese im unmittelbaren Verbund betrieben wird, so reicht die geringere Dampfproduktion dieser Ammoniaksynthese nicht mehr aus, den Energiebedarf der Harnstoffsynthese zu decken.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage zur Erzeugung von grünem Harnstoff aus grünem Ammoniak bereitzustellen, bei der die Harnstoffsynthese vom bisherigen Anlagenverbund mit einer grauen Ammoniaksynthese (also etwa einer Ammoniaksynthese, deren Edukte unter Einsatz kohlenstoffbasierter Brennstoffe bereitgestellt werden, insbesondere unter Einsatz fossiler Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas, Kohle oder Bestandteilen der vorgenannten, wobei die Edukte beispielsweise in einer Dampfreformierung erhalten werden oder in einer Elektrolyse mit Strom, welcher unter Einsatz dieser Brennstoffe erzeugt wird) entkoppelt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Synthese von Harnstoff. Die Vorrichtung weist eine Ammoniakquelle und eine Harnstoffsyntheseeinheit auf. Die Harnstoffsyntheseeinheit ist eine übliche, dem Fachmann bekannte Harnstoffsyntheseeinheit zur Herstellung von Harnstoff. Die Harnstoffsyntheseeinheit besteht üblicherweise aus mehreren Prozessschritten und Apparaten, unter anderem einem Harnstoffreaktor. Ziel der Erfindung ist gerade, nicht in den eigentlichen Prozess (und damit die Anlage) der Synthese des Harnstoffs einzugreifen, sondern die Anbindung an die Umgebung so zu gestalten, dass der Herstellungsprozess nach aktuellem Stand auch ohne die Verbindung mit einer insbesondere Erdgas-betriebenen Ammoniak- Synthese-Vorrichtung funktioniert. Ammoniakquelle ist im Sinne der Erfindung weit zu verstehen. Die Ammoniakquelle kann eine Ammoniaksynthesevorrichtung sein. Ebenso kann die Ammoniakquelle aber auch beispielsweise ein Lagertank oder ein Anschluss an eine Ammoniakpipeline sein. Wesentlich ist lediglich, dass die Ammoniakquelle keinen oder nur noch unzureichend Dampf und kein CO2 mehr für die Harnstoffsyntheseeinheit bereitstellt. Die Ammoniakquelle ist über eine Eduktleitung mit der Harnstoffsyntheseeinheit, insbesondere mit einem oder mehreren Apparaten der Harnstoffsyntheseeinheit, verbunden. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine Ammoniakgasturbine auf. Die Ammoniakquelle ist über eine Brennstoffleitung mit der Ammoniakgasturbine verbunden. Die Ammoniakgasturbine ist über eine Dampfleitung mit der Harnstoffsyntheseeinheit verbunden.
Eine Ammoniakgasturbine ist eine Gasturbine, welche mit Ammoniak als Brenngas (Brennstoff, Treibstoff) arbeitet. In der Ammoniakgasturbine wird Ammoniak verbrannt, wobei Stickstoff und Wasser erzeugt und an die Umgebung abgegeben werden. Eine solche Ammoniakgasturbine kann sowohl thermische Energie als auch mechanische Energie bereitstellen, die auf unterschiedliche Art und Weise für die Harnstoffsyntheseeinheit genutzt werden können. Als Gasturbine unterscheidet sich die Ammoniakgasturbine konstruktiv und funktional von Turbinen, in denen eine bereits existierende Heißgasströmung zum Antrieb weiterer Aggregate wie beispielsweise Verdichtern eingesetzt wird (eine solche Turbine ist etwa aus WO 2020/212926 A1 bekannt, wo in einer Harnstoffsynthese ein Turbolader zum Einspeisen von Carbamat verwendet wird, welcher - von flüssigem Ammoniak angetrieben - eine gekoppelte Einspeisung von Ammoniak und Carbamat ermöglicht). Insbesondere kann die Ammoniakgasturbine eingesetzt werden, um eine Heißgasströmung zu erzeugen, deren kinetische Energie als Antrieb eines Kompressors und/oder eines Generators genutzt werden kann, etwa um ein Prozessgas zu verdichten beziehungsweise um elektrische Energie zu erzeugen. Daher werden derzeit Ammoniakgasturbinen für den industriellen Einsatz gebaut, um eine Verstromung des grün hergestellten Energieträgers Ammoniak zu ermöglichen. So ist beispielsweise aus WO 2015/192877 A1 die Verwendung einer Ammoniakgasturbine zur Stromerzeugung bekannt, in welcher grüner Ammoniak als Brenngas eingesetzt wird. Damit stellt die Ammoniakgasturbine die für den Harnstoffprozess notwendige Energie zur Verfügung, die somit nicht mehr aus einer grauen Ammoniaksynthese kommt.
Im vorliegenden Fall kommt Ammoniak in der Ammoniakgasturbine als Brenngas zum Einsatz. Daher ist die Ammoniakquelle nicht nur über eine Eduktleitung mit der Harnstoffsyntheseeinheit verbunden, sondern darüber hinaus auch über eine Brennstoffleitung mit der Ammoniakgasturbine. Die Ammoniakgasturbine ist ferner über eine Dampfleitung mit der Harnstoffsyntheseeinheit verbunden; dies kann insbesondere derart realisiert sein, dass die in der Ammoniakgasturbine erzeugte Abwärme genutzt wird, um in einem nachgeschalteten Wärmetauscher Dampf zu produzieren (der Dampf kann natürlich auch einem dem eigentlichen Verbrennungsprozess nachgelagerten Wärmetauscher entstammen), welcher über eine Dampfleitung der Harnstoffsyntheseeinheit zugeführt werden kann, um die Wärmeenergie des Dampfes in der Harnstoffsyntheseeinheit zu nutzen, etwa zum Erwärmen der Reaktionsmischung auf die benötigte Temperatur.
Die Verwendung von grünem Ammoniak als Energielieferant hat den Vorteil, dass an dem Standort der Vorrichtung keine regenerative Energieproduktion zur Verfügung stehen muss, beziehungsweise nicht zuverlässig vorhanden sein muss. Da die Verbrennung von grünem Ammoniak CCh-freie Energie erzeugt, kann somit eine grüne Energiebereitstellung für die Harnstoffsynthese in einfacher Weise erfolgen. Diese Verbrennung von gasförmigem Ammoniak kann in Gasturbinen effizient erfolgen, wobei der dafür benötigte Platz sehr viel kleiner ist als für andere regenerative Energielieferanten wie zum Beispiel für einen Windpark und/oder eine Photovoltaikanlage. Aufgrund der Nutzung von grün produzierten Ammoniak sowohl als Einsatzstoff für die Harnstoffsynthese als auch zur Produktion von grüner Energie, zum Beispiel von Strom oder Dampf, in Kombination mit der Verwendung von aus anderen Quellen stammenden Kohlendioxids, kann der so produzierte Harnstoff als grün im Sinne von CO2-neutral bezeichnet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Ammoniakgasturbine über eine weitere Dampfleitung mit einem Haber-Bosch-Reaktor zu Ammoniaksynthese verbunden. Insbesondere wird der im Haber-Bosch-Prozess erzeugte Dampf in der Ammoniakgasturbine überhitzt und dann dem Harnstoffreaktor zugeführt. Hierzu weist die Ammoniakgasturbine bevorzugt einen Wärmetauscher auf, in dem der Wasserdampf mit den Verbrennungsabgasen, insbesondere aus der Ammoniakverbrennung, weiter erhitzt wird. Der Dampf kann in der Harnstoffsyntheseeinheit als Wärmeträger, also beispielsweise auch in nur einem oder mehreren Wärmetauschern des Harnstoffreaktors eingesetzt werden. Der Dampf dient somit nur als Wärmeträger.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Ammoniakgasturbine zum direkten Antrieb eines CO2-Kompressors ausgebildet. CO2 fällt beispielsweise in der Abgasreinigung oder bei Biogasanlagen ungefähr bei Umgebungsdruck an. Für die Harnstoffsynthese muss das CO2 beispielsweise auf 150 bar komprimiert werden. Durch die direkte Kopplung wird eine doppelte Nutzung der Ammoniakgasturbine erzielt, die Abwärme wird direkt im Prozess genutzt und die mechanische Leistung wird für die Kompression des CO2 genutzt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Ammoniakgasturbine kraftschlüssig mit einem Generator verbunden. Die Ammoniakgasturbine treibt also den Generator an, sodass durch die Verbrennung von Ammoniak Strom erzeugt werden kann. Der Generator ist elektrisch mit der Harnstoffsyntheseeinheit verbunden. Diese Kombination hat den Vorteil, dass es eine von der übrigen Infrastruktur sichere Stromquelle darstellt. Dies gilt insbesondere bei Verwendung von grünen Ammoniak zur Produktion von grünen Strom, da andere regenerative Energiequellen wie Sonne und Strom Schwankungen ausgesetzt sein können. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Generator elektrisch mit dem CCh-Kompressor verbunden.
Bei unterschiedlichen Drehzahlen von Gasturbine und Kompressor beziehungsweise Generator kann die Kraftübertragung zwischen beiden Maschinen über ein Getriebe erfolgen.
Bei der Verbrennung von Ammoniak können sich abhängig vom Betriebszustand Stickoxide in der Gasturbine bilden, welche in einer sich anschließenden Abgasbehandlung entfernt werden müssen. Hierfür sind dem Fachmann bereits geläufige Verfahren wie zum Beispiel die selektive katalytische Reduktion bekannt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Ammoniakgasturbine kraftschlüssig mit dem CO2-Kompressor verbunden. Insbesondere können Ammoniakgasturbine und CO2-Kompressor auf der gleichen Welle angeordnet sein, die gegebenenfalls ein Getriebe beinhaltet. Die Ammoniakgasturbine treibt in dieser Ausführungsform direkt mechanisch den CO2-Kom pressor an, sodass Energieverluste, beispielweise bei Verstromung und elektrischem Betrieb des CO2-Kompressors vermieden werden können.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung weist eine thermische Spaltvorrichtung auf. Die thermische Spaltvorrichtung ist zur Spaltung von Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff ausgebildet. Die thermische Spaltvorrichtung ist mit der Ammoniakquelle verbunden. Hierdurch wird Ammoniak der Spaltvorrichtung zugeführt. Die thermische Spaltvorrichtung ist mit der Ammoniakgasturbine verbunden. Da der Verbrennungsprozess von Ammoniak selber Schwankungen unterliegen kann, wird in einigen Varianten der Ammoniakgasturbine zur stabileren Verbrennung Wasserstoff zugemischt. Für diese Spaltung ist hilfreich, dass zwischen Stickstoff und Wasserstoff sowie Ammoniak ein Gleichgewicht besteht, welches bei niedrigem Druck zu den Elementen verschoben werden kann. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Wasserstoffquelle auf. Eine Wasserstoffquelle im Sinne der Erfindung kann beispielsweise eine Wasserstoffelektrolysevorrichtung, ein Wasserstofftank oder der Anschluss an ein Wasserstoffnetz sein. Die Wasserstoffquelle ist über eine Wasserstoffleitung mit der Ammoniakgasturbine verbunden. Dadurch kann eine gewisse Wasserstoffmenge dem Ammoniak zudosiert werden, sodass eine stabilere Verbrennung möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Ammoniakgasturbine über eine Wärmeleitung mit der thermischen Spaltvorrichtung verbunden. Es wird somit die Abwärme der Ammoniakgasturbine genutzt, um Ammoniak wenigstens anteilig zurück in Wasserstoff und Stickstoff zu zerlegen.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 erste Ausführungsform
Fig. 2 zweite Ausführungsform
Fig. 3 dritte Ausführungsform
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, gezeigt. Die Vorrichtung befindet sich bevorzugt in der Nähe einer geeigneten CO2- Quelle 80. Die CCh-Quelle 80 kann beispielsweise eine Müllverbrennungsanlage, eine Biogasanlage oder ein Direct Air Capture Verfahren sein. Da der für die Herstellung von grünem Harnstoff hergestellte Ammoniak gerade nicht aus Erdgas hergestellt wird, ist eben nicht wie bisher eine Ammoniaksynthesevorrichtung die CCh-Quelle. Die Vorrichtung weist weiter eine Ammoniakquelle 10 auf. Die Ammoniakquelle 10 kann theoretisch eine Ammoniaksynthesevorrichtung sein. Letzteres macht aber nur dann Sinn, wenn es an diesem Standort sowohl genügend regenerative Energie zur Erzeugung des grünen Ammoniaks als auch eine geeignete CCh-Quelle 80 für die Harnstofferzeugung gibt. Davon ist jedoch nicht in allen Fällen auszugehen, vielmehr kann erwartet werden, dass dieses nicht der Fall ist. Damit wird Ammoniak von der Ammoniaksynthesevorrichtung zu den Verbrauchern, beispielsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung transportiert. Daher kann es sich bei der Ammoniakquelle 10 auch um einen Lagertank oder um einen Anschluss an eine Ammoniakpipeline handeln.
Ammoniak wird aus der Ammoniakquelle 10 über eine Eduktleitung 30 der Harnstoffsyntheseeinheit 20 zugeführt. Ebenso wird das Kohlendioxid aus der CO2- Quelle 80 über einen CCh-Kom pressor 70, in dem das Kohlendioxid auf den für die Harnstoffsynthese benötigten Druck gebracht wird, einem Apparat der Harnstoffsyntheseeinheit 20 zugeführt. In der Harnstoffsyntheseeinheit 20 erfolgt die Umsetzung von Kohlendioxid und Ammoniak zu Harnstoff. Der Harnstoff verlässt der Harnstoffsyntheseeinheit 20 als Produkt und wird beispielsweise einer Granulationsvorrichtung zugeführt, optional vorher mit weiteren Komponenten vermischt.
Um nun die notwendige Energie zur Verfügung zu stellen, weist die Vorrichtung eine Ammoniakgasturbine 40 auf. Die Ammoniakgasturbine 40 ist über eine Brennstoffleitung 50 mit der Ammoniakquelle 10 verbunden. Wenn in der Ammoniakgasturbine 40 grün hergestelltes Ammoniak umgesetzt wird, ist die somit erzeugte Energie ebenfalls frei von CCh-Emissionen. Bei der Verbrennung von Ammoniak werden nur Stickstoff und Wasser erzeugt und an die Umgebung abgegeben.
Die Ammoniakgasturbine 40 ist kraftschlüssig mit dem CCh-Kompressor 70 verbunden, insbesondere sind beide auf der gleichen Welle angeordnet, die gegebenenfalls ein Getriebe beinhaltet. Dadurch treibt die Ammoniakgasturbine 40 den CO2-Kompressor 70 direkt an. Gleichzeitig wird die in der Ammoniakgasturbine 40 erzeugte Abwärme genutzt um in einem nachgeschalteten Wärmetauscher Dampf zu produzieren, weicher über eine Dampfleitung 60 der Harnstoffsyntheseeinheit 20 zugeführt. Hierbei kann der Dampf auch in einem dem eigentlichen Verbrennungsprozess nachgelagerten Wärmetauscher entstammen.
Optional zusätzlich kann, wie hier gezeigt, die Ammoniakgasturbine 40 auch kraftschlüssig mit einem Generator 90 verbunden sein. Die dort erzeugte elektrische Energie kann über eine elektrische Verbindung 100 der Harnstoffsyntheseeinheit 20 zur Verfügung gestellt werden. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, die zusätzlich zur ersten Ausführungsform eine thermische Spaltvorrichtung 110 aufweist. Die thermische Spaltvorrichtung 110 wird über eine Wärmeleitung 120 mit der Abwärme der Ammoniakgasturbine 40 gespeist. Ein Teil des Ammoniaks aus der Ammoniakquelle 10 wird der thermischen Spaltvorrichtung 110 zugeführt und das erzeugte Gemisch aus Ammoniak, Wasserstoff und Stickstoff wird der Ammoniakgasturbine 40 zugeführt. Durch den zusätzlichen Wasserstoff kommt es zu einer stabileren Verbrennung in der Ammoniakgasturbine 40. In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform gezeigt, die sich von der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Ammoniakgasturbine 40 nur kraftschlüssig mit dem Generator 90 verbunden ist, insbesondere auf der gleichen Welle angeordnet ist. Der Generator 90 ist über eine elektrische Verbindung mit dem CO2- Kompressor 70 verbunden, der entsprechend rein elektrisch betrieben wird. Vorteil dieser Ausführungsform ist die optimale Fahrweise der Ammoniakgasturbine 40 für den Generator 90, so dass leichter auf einen schwankenden Strombedarf, beispielsweise in der Harnstoffsyntheseeinheit 20 und unabhängig vom zu verdichtenden CO2-Gasstrom reagiert werden kann.
Bezugszeichen
10 Ammoniakquelle
20 Harnstoffsyntheseeinheit 30 Eduktleitung
40 Ammoniakgasturbine
50 Brennstoffleitung
60 Dampfleitung
70 CCh-Kompressor 80 CCh-Quelle
90 Generator
100 elektrische Verbindung
110 thermische Spaltvorrichtung
120 Wärmeleitung 130 Produktauslass
140 Abgas

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Synthese von Harnstoff, wobei die Vorrichtung eine Ammoniakquelle (10) und eine Harnstoffsyntheseeinheit (20) aufweist, wobei die Ammoniakquelle (10) über eine Eduktleitung (30) mit der Harnstoffsyntheseeinheit (20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Ammoniakgasturbine (40) aufweist, wobei die Ammoniakquelle (10) über eine Brennstoffleitung (50) mit der Ammoniakgasturbine (40) verbunden ist, wobei die Ammoniakgasturbine (40) über eine Dampfleitung (60) mit der Harnstoffsyntheseeinheit (20) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakgasturbine (40) zum Antreiben eines CCh-Kompressors (70) ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakgasturbine (40) kraftschlüssig mit einem Generator (90) verbunden ist, wobei der Generator (90) elektrisch mit der Harnstoffsyntheseeinheit (20) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (90) elektrisch mit dem CO2-Kompressor (70) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakgasturbine (40) kraftschlüssig mit dem CO2-Kompressor (70) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Spaltvorrichtung (110) aufweist, wobei die thermische Spaltvorrichtung (110) zur Umwandlung von Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff ausgebildet ist, wobei die thermische Spaltvorrichtung (110) mit der Ammoniakquelle (10) verbunden ist, wobei die thermische Spaltvorrichtung (110) mit der Ammoniakgasturbine (40) verbunden ist. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakgasturbine (40) über eine Wärmeleitung (120) mit der thermischen Spaltvorrichtung (110) verbunden ist.
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