LU103170B1 - Anfahren einer Anlage zur katalytischen Zersetzung von Ammoniak - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von H2 durch katalytische Zersetzung von NH3. Die erfindungsgemäße Anlage kann in einem Anfahrmodus betrieben werden, um Vorrichtungen der Anlage unter Einsatz eines Wärmeträgermediums auf erhöhte Betriebstemperatur zu erwärmen, z.B. nach einer Unterbrechung eines kontinuierlichen Betriebs der Anlage wegen Wartungsarbeiten. Nach Erwärmen auf Betriebstemperatur kann die erfindungsgemäße Anlage in einem Herstellmodus zur kontinuierlichen Herstellung von H2 betrieben werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Anfahren einer Anlage zur Herstellung von H2 durch katalytische Zersetzung von NH3.
Description
230085P00LU 12.07.2023
Anfahren einer Anlage zur katalytischen Zersetzung von Ammoniak LU103170
[0001] Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Hz durch katalytische Zersetzung von
NHz zu Hz und Na. Die erfindungsgemäße Anlage kann in einem Anfahrmodus betrieben werden, um
Vorrichtungen der Anlage unter Einsatz eines Wärmeträgermediums auf erhöhte Betriebstemperatur zu erwärmen, z.B. nach einer Unterbrechung eines kontinuierlichen Betriebs der Anlage wegen Wartungs- arbeiten. Nach Erwärmen auf Betriebstemperatur kann die erfindungsgemäße Anlage in einem Herstell- modus zur kontinuierlichen Herstellung von H> betrieben werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein
Verfahren zum Anfahren einer Anlage zur Herstellung von H> durch katalytische Zersetzung von NHa.
[0002] Hz kann durch erneuerbare Energien aus H.O gewonnen und anschließend mit N2 in NH; um- gewandelt werden. NH; lässt sich weitaus sicherer als Hz speichern und transportieren. Anschließend kann NH; wieder zu Hz und N> zersetzt werden. Nach Abtrennung von N; findet H> unterschiedlichste industrielle Anwendungen.
[0003] Die Zersetzung von NH; zu N> und H; ist eine endotherme Reaktion (AH° = 45,9 kJ-mol), bei der sich die Stoffmenge verdoppelt (2 NH; — Na + 3 Hz), so dass die Reaktion grundsätzlich durch hohe
Temperaturen sowie niedrige Drücke begünstigt wird. Je höher der Druck ist, desto höher muss die
Temperatur sein, um noch zufriedenstellende Reaktionsausbeuten zu erreichen. Im großtechnischen
Maßstab findet die katalytische Zersetzung von NH; in N; und Hz bei hoher Temperatur und mittlerem
Druck in der Gasphase statt.
[0004] Gelagertes NH; liegt in gekühlten Tanks flüssig vor, bei Atmosphärendruck und -32,8°C. Mit einer Pumpe wird NH; bei Anlagendruck in die Anlage eingespeist. Durch den erhöhten Anlagendruck steigt der Siedepunkt des NHz, z.B. bei 27,8 bar a auf etwa 62,2°C. Um NH; in die Gasphase zu über- führen, ist zur Verdampfung des NH; die Zufuhr von Wärme notwendig. Anschließend wird das ver- dampfte NH; weiter erwärmt, bis es eine ausreichend hohe Temperatur erreicht hat, bei der es an einem
NHz-Zersetzungskatalysator zersetzt werden kann.
[0005] Die bekannten Verfahren zur katalytischen Zersetzung von NH; in N; und Hz erfordern die Zu- fuhr erheblicher Wärmemengen. Einerseits wird Wärme benötigt, um das Prozessgas und den NHz-
Zersetzungskatalysator auf eine ausreichend hohe Temperatur zu bringen, bei der zufriedenstellende
Umsätze erreicht werden. Andererseits wird Wärme benötigt, um die endotherme Zersetzungsreaktion aufrecht zu erhalten.
[0006] Bei grofitechnischen Prozessen wird diese Wärme üblicherweise durch die Verbrennung eines
Energieträgers bereitgestellt (vgl. z.B. US 4 704 267 A; FR 1 469 045 A; CN 111 957 270 A; CN 113 896 168 A; WO 2001/087770 A1; WO 2011/107279 A1; WO 2017/160154 A1; WO 2019/038251 A1;
WO 2012/039183 Al; WO 2012/090739 Al; WO 2020/095467 A; WO 2021/257944 A1; WO 2022/096529 Al; WO 2022/243410 Al; WO 2022/265647 Al; WO 2022/265648 Al; WO 1
230085P00LU 12.07.2023 2022/265649 A1; WO 2022/265650 A1; WO 2022/265651 A1). Es kommen grundsätzlich alle Ener- LU103170 gieträger in Betracht, z.B. Erdgas oder Gemische aus NH; und Ho.
[0007] Anlagen zur Herstellung von Ha aus NH; werden üblicherweise kontinuierlich über längere
Zeiträume ohne Unterbrechung betrieben, beispielsweise über mehrere Wochen oder Monate. Dennoch ist es gelegentlich erforderlich, solche Anlagen in einen Ruhezustand herunterzufahren, etwa um Si- cherheitsüberprüfungen durchzuführen, Katalysatormaterial auszutauschen oder andere Wartungsarbei- ten vorzunehmen. Im Ruhezustand kühlen die Anlagen ab, je nach Dauer der Unterbrechung des Be- triebs bis auf Umgebungstemperatur.
[0008] Um eine solche Anlage aus dem Ruhezustand erneut in den kontinuierlichen Betrieb zu über- führen, muss sie zunächst auf Betriebstemperatur aufgewärmt werden; bei Raumtemperatur kann NH; nicht zersetzt werden. Unterschiedliche Anlagenteile haben üblicherweise unterschiedliche Betriebs- temperaturen und erfordern daher ein Aufwärmen in unterschiedlichem Maße. Das Aufwärmen kann grundsätzlich dadurch erreicht werden, indem ein Wärmeträgermedium durch die Prozessseite der An- lage geleitet wird, z.B. Na, Wasserdampf, Erdgas oder Gemische davon, und mit der Verbrennung des
Energieträgers begonnen wird, um die Wärme für den Aufheizvorgang bereitzustellen. Das Wärmeträ- germedium kann ja nach Beschaffenheit entweder im Kreislauf zirkuliert oder über eine Fackel abge- raucht werden.
[0009] Um den Einsatz fossiler Energieträger zu reduzieren oder sogar vollständig zu vermeiden, wird beim Normalbetrieb der Anlage anstelle von fossilen Energieträgern einen Teil des NH; verbrannt und die dabei entstehende Verbrennungswärme für den Aufheizvorgang genutzt. NH; ist dann einerseits
Edukt für den Zersetzungsprozess, andererseits Energieträger für die Erzeugung der notwendigen
Wärme. Im Gemisch mit Luft verbrennt NH; jedoch nur unvollständig, weshalb die alleinige Verbren- nung von reinem NH; zusammen mit Verbrennungsluft von Nachteil ist. Die Folge wären Emissionen von unverbranntem NHs, was inakzeptabel wäre. Um die Verbrennung von NH; zusammen mit Ver- brennungsluft zu verbessern, wird im Normalbetrieb der Anlage dem zu verbrennenden Anteil an NH; eine gewisse Menge an erzeugtem H> beigemischt.
[0010] Beim Anfahren der Anlage besteht jedoch ein wesentliches Problem darin, dass noch gar kein
Hz als Zersetzungsprodukt zur Verfügung steht.
[0011] Dieses Problem könnte für die Dauer des Anfahrens der Anlage grundsätzlich durch temporäre
Maßnahmen gelöst werden, welche beendet werden, sobald der Normalbetrieb erreicht ist: (i) Erzeugung der Wärme durch Verbrennung von Erdgas oder Propan; dazu wäre kein H» erforderlich, es würden jedoch CO»-Emission anfallen; oder (ii) Bereitstellung von Hz im Kleinmaßstab und anschließende Verbrennung des H> im Gemisch mit
NHz, z.B. durch 2
230085P00LU 12.07.2023 - Erzeugung von H> mit Hilfe einer elektrisch beheizten Vorrichtung zur katalytischen Zersetzung LU103170 von NH3; - Erzeugung von H> durch Elektrolyse von Wasser; oder - Nutzung von gespeichertem Hz, welches aus früherer Herstellung zurückgehalten wurde.
[0012] Diese Losungsansitze haben jedoch verschiedene Nachteile.
[0013] Die alternative Verbrennung von Erdgas oder Propan wiirde nicht nur zu unerwiinschten Emis- sion von CO» führen, sondern würde insbesondere auch einen dualen Betrieb bei der Verbrennung des
Energieträgers erfordern. Da die Konfiguration der Brenner typischerweise an den Energieträger ange- passt werden muss, müssten beim Wechsel von Erdgas/Propan zu NHs/H> Änderungen an der Konfigu- ration vorgenommen werden, oder es müsste eine zweite, separate Verbrennungseinrichtung vorgehal- ten werden.
[0014] Die temporäre Erzeugung von Hz im Kleinmafistab durch separate katalytische Zersetzungsein- richtungen oder Elektrolysezellen würde einen erheblichen zusätzlichen apparativen Aufwand erfor- dern. Dies gilt auch fiir die Speicherung von Hz, welche zudem mit nicht unerheblichen Sicherheits- problemen behaftet wire.
[0015] WO 2011/150370 A2 betrifft die Zersetzung von NH; in ein H.-Gasgemisch, wobei ein NH;- reiches Gasgemisch aus NH; und Luft in eine Leitung gelangt, in der die Verbrennung und Zersetzung eines Teils des Gemischs eingeleitet wird, wodurch Wärme und Hz freigesetzt werden. Hz vermischt sich mit dem Hauptteil des Gasgemischs, und die freigesetzte Wärme treibt die Verbrennungsreaktion an. Beim Starten des NH+-Flammenspalters kann der Katalysator elektrisch, induktiv, durch kurzzeitige
Verbrennung von Chemikalien auf dem Katalysator und/oder der umgebenden Struktur, oder durch ei- nen elektrischen Lichtbogen beheizt werden. Die Erhitzung des Katalysators kann verwendet werden, um die Verbrennungs- und Zersetzungsreaktionen des NH; in Gang zu setzen und den brennenden Ga- sen bei Bedarf Nachwärme zuzuführen, bis der NHs-Flammenspalter vollständig aufgewärmt ist. Nach dem Starten des NHs-Flammenspalters kann die Stromzufuhr abgeschaltet oder heruntergeregelt wer- den, so dass die zur Zersetzung des NH; erforderliche Energie im Wesentlichen durch die Verbrennung eines Teils des NH; bereitgestellt wird und die Verbrennung von NH; im Wesentlichen ausreicht, um den Katalysator heiß zu halten.
[0016] WO 2013/119281 A1 betrifft die Zersetzung von NH; in ein H»-haltiges Gasgemisch, wobei ein
NHz-reiches Gasgemisch aus NH; und Luft in einen Wärmetauscher gelangt. Ein Teil des NH; wird verbrannt, der Rest wird zersetzt, wodurch das H»-haltige Gasgemisch entsteht. Dabei können NHz-
Flammenspalter durch Verbrennung eines Startgemischs und anschließendes Durchströmen des ver- brannten Startgemischs durch die NHs-Flammenspalter auf Betriebstemperatur gebracht werden, so dass das verbrannte Startgemisch die Wärmetauscher und/oder Brenner der NH;-Flammenspalter während einer Startphase thermisch kontaktiert. Da die Oberflächentemperaturen während der Aufwärmphase 3
230085P00LU 12.07.2023 ansteigen, können eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen ergriffen werden: Erhöhung des Ge- LU103170 samtdurchflusses des Startgemischs, Verringerung des Sauerstoffanteils der Oxidationsmittelkompo- nente, oder Erhöhung des Gesamtgehalts des Startgemischs. Dadurch können die NHs-Flammenspalter auch mit einem vergleichsweise geringen Strom an gereinigtem Sauerstoff schnell gestartet werden. Der
Strom an gereinigtem Sauerstoff wird am oder gegen Ende der Startphase abgestellt.
[0017] Die aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen und Verfahren zur Gewinnung von H; aus
NHz sind nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend, insbesondere im Hinblick auf Unterbrechungen des
Normalbetriebs und das anschließende Anfahren der Anlagen. Es besteht daher ein Bedarf an verbes- serten Anlagen und Verfahren, welche sich wirtschaftlich in großtechnischem Maßstab durchführen las- sen.
[0018] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine vorteilhafte Anlage und ein vorteilhaftes Verfahren zur
Herstellung von Hz aus NH; bereitzustellen, welche die vorstehend genannten Nachteile überwinden.
Das Anfahren der Anlage sollte ohne zusätzliche, kostenaufwändige Maßnahmen und Gerätschaften gelingen, auf keinen fossilen Energieträgern beruhen, keine zusätzlichen Sicherheitsrisiken mit sich bringen und wirtschaftlich sowie in großtechnischem Maßstab möglich sein.
[0019] Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche gelöst.
[0020] Es wurde überraschend gefunden, dass bestimmte Vorrichtungen, welche beim Normalbetrieb der Anlagen anderen Zwecken dienen, für die Dauer des Anfahrens umfunktioniert und anders verschal- tet werden können. Auf diese Weise gelingt es, bereits während des Anfahrens der Anlage Hz in ausrei- chender Menge aus NH; durch Zersetzung zu gewinnen, so dass die Verbrennung von NH; im Gemisch mit Hz gestartet und die Anlage langsam auf Betriebstemperatur aufgewärmt werden kann. Der zusätz- liche apparative Aufwand für das Anfahren der Anlage wird somit minimiert.
[0021] Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Hz aus NH3; wobei die Anlage in einem Herstellmodus (Normalbetrieb) bei Betriebstemperaturen betreibbar ist; wobei die Anlage in einem Anfahrmodus (Anfahrbetrieb) betreibbar ist, um wenigstens eine Vorrich- tung der Anlage von einer Ausgangstemperatur auf eine Betriebstemperatur zu erwärmen; wobei die Anlage für den Anfahrmodus wenigstens die folgenden Einrichtungen zum Erwärmen der wenigstens einer Vorrichtung auf die Betriebstemperatur umfasst: - ein Heizelement zum Erwärmen von NHs; - in Strömungsrichtung des NH; stromabwärts des Heizelements eine erste NH3:-Zersetzungseinrich- tung (Vorreaktor) zum partiellen katalytischen Zersetzen des erwärmten NH; unter Erzeugung eines
Verbrennungsgases umfassend Hz, N; und restliches NH3; 4
230085P00LU 12.07.2023 - optional, in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases stromabwärts der ersten NHz-Zersetzungs- LU103170 einrichtung (Vorreaktor) eine Vorrichtung zum Zudosieren von Verbrennungsluft in das Verbren- nungsgas; - in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases stromabwärts der ersten NHs-Zersetzungseinrichtung eine Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen des Verbrennungsgases unter Erzeugung von Ver- brennungswärme und Rauchgas; - einen Verdichter zum Verdichten eines Wärmeträgermediums; und - in Strömungsrichtung des Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung und in Strö- mungsrichtung des Wärmeträgermediums stromabwärts des Verdichters - einen ersten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium- Wärmetauscher für den
Anfahrmodus] und/oder - einen zweiten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] zum Erwärmen des Wärmeträgermediums durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas; und wobei die wenigstens eine Vorrichtung der Anlage in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums stromabwärts des ersten Wärmetauschers und/oder des zweiten Wärmetauschers angeordnet ist und mit dem Wärmeträgermedium zur Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium in fluider Verbin- dung steht.
[0022] Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer erfindungsgemäßen Anlage zur
Herstellung von Ho.
[0023] Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren einer Anlage zur Herstel- lung von Hz aus NH; umfassend die folgenden Schritte: (a) optional, Verdampfen von Wasser unter Erzeugung von Wasserdampf; (b) optional, Verdampfen von flüssigem NH; durch Aufnahme von Wärme aus dem Wasserdampf; (c) Erwärmen von NH3; (d) partielles katalytisches Zersetzen des erwärmten NH; in einer ersten NH3-Zersetzungseinrichtung unter Erzeugung eines Verbrennungsgases umfassend Hz, N; und restliches NH3; (e) optional, Zudosieren von Verbrennungsluft in das Verbrennungsgas; (f) Verbrennen des Verbrennungsgases in einer Verbrennungseinrichtung unter Erzeugung von Ver- brennungswärme und Rauchgas; (g) Verdichten eines Wärmeträgermediums; (h) Erwärmen des Wärmeträgermediums durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas; und
230085P00LU 12.07.2023 (i) Erwärmen wenigstens einer Vorrichtung der Anlage durch Aufnahme von Wärme aus dem Wär- LU103170 meträgermedium.
[0024] Schritte (a), (b) und (e) des erfindungsgemäßen Verfahrens sind unabhängig voneinander opti- onal. Bevorzugt werden Schritte (a) bis (i), sofern verwirklicht, in alphabetischer Reihenfolge durchge- führt.
[0025] Erfindungsgemäß wird unterschieden zwischen dem Herstellmodus (Normalbetrieb) und dem
Anfahrmodus (Anfahrbetrieb). Während auch bereits im Anfahrmodus in gewissem Umfang Hz aus NH; hergestellt wird, unterscheiden sich Menge und Ausbeute des hergestellten Hz bevorzugt erheblich.
[0026] Im Anfahrmodus sind sowohl die Menge als auch die Ausbeute an hergestelltem H» bevorzugt vergleichsweise gering; es wird bevorzugt nur die erste NHs-Zersetzungseinrichtung zur partiellen ka- talytischen Zersetzung von NH; eingesetzt und das hergestellte Zwischenproduktgas wird als Verbren- nungsgas zur Erzeugung der benötigten Wärme verbrannt.
[0027] Im Herstellmodus sind sowohl die Menge als auch die Ausbeute an hergestelltem Hz bevorzugt vergleichsweise hoch; es werden bevorzugt sowohl die erste NH3-Zersetzungseinrichtung (Vorreaktor) als auch nachgeschaltet die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung (Hauptreaktor) zur möglichst vollstän- digen katalytischen Zersetzung von NH; eingesetzt. Das in der ersten NHs-Zersetzungseinrichtung her- gestellte Zwischenproduktgas wird nicht als Verbrennungsgas verbrannt, sondern bevorzugt nach Er- wärmung der nachgeschalteten zweiten NH:-Zersetzungseinrichtung zugeführt, wo eine möglichst voll- ständige Zersetzung des NH; erfolgt. Aus dem in der zweiten NHz-Zersetzungseinrichtung erzeugten
Produktgas wird anschließend Hz abgetrennt, bevorzugt durch Druckwechseladsorption, und das dabei anfallende restliche Gasgemisch wird zur Erzeugung der benötigten Wärme als Verbrennungsgas ver- brannt. Da in der Praxis die Zersetzung des NH; in der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung nicht ab- solut vollständig erfolgt (100,0%), verbleibt eine Restmenge an NH; zurück, welche ggf. nach Zudosie- ren von zusätzlichem, frischen NH; als Verbrennungsgas verbrannt wird.
[0028] Die erfindungsgemäßen Wärmetauscher dienen der Übertragung von Wärme von einem Me- dium auf ein anderes Medium, ohne dass die Medien dabei miteinander vermischt werden. Zum Zwecke der Beschreibung wird in Bezug auf einen "A/B-Wärmetauscher" das die Wärme abgebende Medium A zuerst genannt, gefolgt von dem die Wärme aufnehmenden Medium B. Demzufolge dient beispielsweise ein "Rauchgas/NH3-Wärmetauscher" dazu, im Rauchgas enthaltene Wärme an NH; abzugeben. Dazu ist der Rauchgas/NH:-Wärmetauscher entsprechend verschaltet, d.h. seine wärmere Seite wird von
Rauchgas durchströmt, wohingegen seine kühlere Seite von NH: durchströmt wird.
[0029] Zum Zwecke der Beschreibung sind die Wärmetauscher nummeriert. Diese Nummerierung dient lediglich der sprachlichen Unterscheidung, ist jedoch nicht so zu verstehen, dass die Gegenwart eines Wärmetauschers höherer Nummerierung, z.B. "vierter Wärmetauscher" immer auch zwingend die 6
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Gegenwart aller Wärmetauscher niedrigerer Nummerierung erfordert ("erster Wärmetauscher", "zwei- LU103170 ter Wärmetauscher", "dritter Wärmetauscher"). So ist es z.B. möglich, dass die erfindungsgemäße An- lage einen erfindungsgemäßen zweiten Wärmetauscher sowie einen erfindungsgemäßen vierten Wär- metauscher umfasst, jedoch weder einen erfindungsgemäßen ersten Wärmetauscher noch einen erfin- dungsgemäßen dritten Wärmetauscher.
[0030] Es ist erfindungsgemäß möglich und auch bevorzugt, dass ein und derselbe Wärmetauscher im
Herstellmodus ggf. einer anderen Funktion dient als im Anfahrmodus, insbesondere wenigstens zum
Teil bzw. auf einer Seite (warme Seite vs. kalte Seite) von anderen Medien durchströmt wird. In solchen
Fällen wird zum Zwecke der Beschreibung in Einzelfällen in nachgestellten eckigen Klammern zwi- schen beiden Betriebsmodi und den jeweiligen bevorzugten Formen des Wärmeaustauschs unterschie- den. So bedeutet z.B. "erster Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/NH3:-Wärmetauscher für den Her- stellmodus; Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus]", dass der erste
Wärmetauscher bevorzugt zwei unterschiedliche Funktionen übernimmt: Im Herstellmodus wird im ers- ten Wärmetauscher bevorzugt Wärme vom Rauchgas an NH; abgegeben, im Anfahrmodus wird im ersten Wärmetauscher bevorzugt Wärme vom Rauchgas an Wärmeträgermedium abgegeben. Wenn im
Anfahrmodus das Wärmeträgermedium NH; ist, handelt es sich letztlich auch im Anfahrmodus um ei- nen Rauchgas/NH3-Wärmetauscher. Sofern ein solcher Wärmetauscher im Kontext mit einem bestimm- ten Modus beschrieben wird (entweder Herstellmodus oder Anfahrmodus), wird ggf. in den nachgestell- ten eckigen Klammern nur auf die zugehörige bevorzugte Form des Wärmeaustauschs verwiesen.
[0031] Zum Zwecke der Beschreibung wird der Begriff "Wasser", sofern nicht ausdrücklich etwas An- deres angegeben ist, für alle seine Aggregatzustände verwendet, wobei je nach Temperatur und Druck dieses Wasser flüssig oder gasförmig oder als Zweiphasensystem vorliegen kann, d.h. ggf. auch als
Wasserdampf. Dies gilt analog ebenso für "NH3".
[0032] Die erfindungsgemäße Anlage umfasst eine erste NHz-Zersetzungseinrichtung und eine zweite
NHz-Zersetzungseinrichtung, welche beide NH3-Zersetzungskatalysator enthalten. Die erste NH3-Zer- setzungseinrichtung ist bevorzugt ein Festbettreaktor. In der ersten NHs-Zersetzungseinrichtung erfolgt die Zersetzung von NH; bevorzugt adiabatisch. Die nachgeschaltete zweite NH3;-Zersetzungseinrichtung ist bevorzugt zusammen mit einer Verbrennungseinrichtung analog einem Primärreformer ausgebildet, wie er bei der herkömmlichen Dampfreformierung zur Erzeugung von Hz, Oz und CO/CO» aus HO und
CH, eingesetzt wird.
[0033] Im Herstellmodus erfolgt die katalytische Zersetzung des NH; zweistufig in der ersten NHz-
Zersetzungseinrichtung und der nachgeschalteten zweiten NHz-Zersetzungseinrichtung. Bevorzugt ist in Strômungsrichtung des NH; stromabwärts der ersten NHa-Zersetzungseinrichtung und bevorzugt stromaufwärts der nachgeschalteten zweiten NHz-Zersetzungseinrichtung der zweite Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Zwischenproduktgas-Wärmetauscher für den Herstellmodus] angeordnet. Im Her- stellmodus dient der zweite Wärmetauscher bevorzugt zum Erwärmen des Zwischenproduktgases nach 7
230085P00LU 12.07.2023 dem Verlassen der ersten NHz-Zersetzungseinrichtung und vor Eintritt in die nachgeschaltete zweite LU103170
NHz-Zersetzungseinrichtung (Hauptreaktor, zusammen mit Verbrennungseinrichtung analog Primärre- former). Im Herstellmodus nimmt im zweiten Wärmetauscher Zwischenproduktgas bevorzugt Wärme aus Rauchgas auf (vgl. Abbildung 2, zweiter Wärmetauscher 67).
[0034] Im Herstellmodus tritt vorgeheiztes NH; in die erste NH3;-Zersetzungseinrichtung ein, in der zu einem gewissen Ausmaß eine partielle katalytische Zersetzung von NH; zu N; und Hz erfolgt. Es wird ein Zwischenproduktgas gebildet, welches noch erhebliche Restmengen an nicht zersetztem NHz3, aber auch bereits gebildetes N> und Hz enthält. Infolge der endothermen Zersetzung von NH; kühlt sich das
Zwischenproduktgas bevorzugt ab. Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH; in der ersten
NHz-Zersetzungseinrichtung höchstens 25%, bevorzugter höchstens 20% des insgesamt erreichten Ge- samtumsatzes. Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH; in der ersten NHs-Zersetzungsein- richtung mindestens 5%, bevorzugter mindestens 10%, noch bevorzugter mindestens 15% des insgesamt erreichten Gesamtumsatzes. Nach Verlassen der ersten NHz-Zersetzungseinrichtung wird das Zwi- schenproduktgas bevorzugt in dem zweiten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Zwischenproduktgas-
Wärmetauscher für den Herstellmodus] erneut aufgeheizt, ehe es in die nachgeschaltete, zweite NHz-
Zersetzungseinrichtung eintritt. In der zweiten NHz-Zersetzungseinrichtung erfolgt dann die restliche
Zersetzung von NH; bis zum insgesamt erreichten Gesamtumsatz.
[0035] Im Unterschied dazu erfolgt im Anfahrmodus die katalytische Zersetzung des NH; bevorzugt lediglich einstufig, und zwar nur in der ersten NHz-Zersetzungseinrichtung. Die zweite NHz-Zerset- zungseinrichtung trägt im Anfahrmodus, zumindest während früher Phasen des Anfahrmodus, bevor- zugt noch nicht zur Zersetzung von NH; bei.
[0036] Im Anfahrmodus tritt vorgeheiztes NH; in die erste NHs-Zersetzungseinrichtung ein, in der zu einem gewissen Ausmaß eine partielle katalytische Zersetzung von NH; zu N; und Hz erfolgt. Es wird ebenfalls ein Zwischenproduktgas gebildet, welches noch erhebliche Restmengen an nicht zersetztem
NH3, aber auch bereits gebildetes N, und Hz enthält. Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH; in der ersten NHs-Zersetzungseinrichtung höchstens 25%, bevorzugter höchstens 20% bezogen auf die
Menge an NHz. Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH; in der ersten NH3-Zersetzungsein- richtung mindestens 5%, bevorzugter mindestens 10%, noch bevorzugter mindestens 15% bezogen auf die Menge an NHa.
[0037] Im Unterschied zum Herstellmodus wird im Anfahrmodus das in der ersten NHs-Zersetzungs- einrichtung gebildete Zwischenproduktgas bevorzugt nicht in die zweite NHz-Zersetzungseinrichtung geleitet, sondern stattdessen in die Verbrennungseinrichtung. Die im Zwischenproduktgas enthaltenen
Menge an gebildetem H> reicht für eine zufriedenstellende Verbrennung des NH; aus, so dass durch die
Verbrennung des Zwischenproduktgases genügend Verbrennungswärme erzeugt wird, um die Anlage nach und nach auf Betriebstemperatur aufzuwärmen. 8
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[0038] In bevorzugten Ausführungsformen wird im Anfahrmodus der NH;-Storm in einen ersten NH3- LU103170
Teilstrom und einen zweiten NHz-Teilstrom aufgeteilt. Nur der erste NHz-Teilstrom wird der ersten
Zersetzungseinrichtung zugeführt. Der zweite NHz-Teilstrom durchstrômt stattdessen die zweite NHs-
Zersetzungseinrichtung, wodurch die zweite NHz-Zersetzungseinrichtung Wärme aus dem zweiten
NHz-Teilstrom aufnimmt. Der zweite NH3-Teilstrom hat demnach zunächst nur die Funktion als Wär- meträgermedium. Nach und nach wird auf diese Weise die zweite NH3;-Zersetzungseinrichtung erwärmt, bis die Anspringtemperatur (Aktivierungstemperatur) für die katalytische Zersetzung von NH; erreicht ist, so dass ab diesem Zeitpunkt zusätzlicher H> in der zweiten NHs-Zersetzungseinrichtung durch kata- lytische Zersetzung von NH; hergestellt wird (vgl. Abbildung 3).
[0039] In bevorzugten Ausführungsformen wird im Anfahrmodus die Menge an Hz im Verbrennungs- gas im Vergleich zum Herstellmodus erhöht. Durch das größere Verhältnis von Hz zu NH; wird die
Verbrennung begünstigt, wodurch die Betriebstemperatur schneller erreicht werden kann.
[0040] Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass die erste NHs-Zersetzungseinrichtung für zwei unterschiedliche Zwecke genutzt werden kann, nämlich im Anfahrmodus für die Erzeugung des
Verbrennungsgases und im Herstellmodus für die erste Stufe einer insgesamt zweistufigen Zersetzung von NH; für die Erzeugung des Produktgases. Die erfindungsgemäße Anlage umfasst bevorzugt keine weitere separate NHz-Zersetzungseinrichtung, welche ausschließlich im Anfahrmodus genutzt wird, nicht jedoch im Herstellmodus. Solche separate NH3-Zersetzungseinrichtungen sind zwar kommerziell verfügbar, ggf. auch bereits mit einer elektrischen Heizung ausgerüstet, auch einen solchen zusätzlichen apparativen Aufwand kann erfindungsgemäß jedoch verzichtet werden.
[0041] Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Anlage im Wesentlichen nur zwei Vorrichtungen, welche ausschließlich im Anfahrmodus genutzt wird, nicht jedoch im Herstellmodus, und zwar - das bevorzugt elektrisch betriebene Heizelement und - den bevorzugt elektrisch betriebenen H>O-Dampferzeuger.
[0042] Damit das NH; für die katalytische Zersetzung in der ersten NHs-Zersetzungseinrichtung eine ausreichend hohe Temperatur hat, weist die erfindungsgemäße Anlage für den Anfahrmodus ein Heiz- element zum Erwärmen von NH; auf. Bevorzugt ist das Heizelement elektrisch betrieben. Bevorzugt erfolgt das Erwärmen von NH; in Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens also unter Einsatz von elektrischer Energie.
[0043] Bevorzugt ist das Heizelement nur für den Anfahrmodus vorgesehen und wird im Herstellmodus abgeschaltet. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Heizelement über ein Leitungssystem in einem
Bypass verschaltet, so dass das NH; im Anfahrmodus über den Bypass durch das Heizelement hindurch geleitet werden kann, um dort erwärmt zu werden. Ist der Herstellmodus erreicht, so wird bevorzugt der 9
230085P00LU 12.07.2023 gesamte Bypass einschließlich des Heizelements nicht mehr von NH; durchströmt. Um eine solche Re- LU103170 aktionsführung zu ermöglichen, sind bevorzugt geeignete Ventile vorgesehen, welche die gezielte Strö- mung des NH; durch den Bypass hindurch oder nicht durch den Bypass hindurch ermöglichen.
[0044] Das NH; wird typischerweise in flüssiger Form als Ausgangsmaterial bereitgestellt und muss daher zunächst verdampft werden. Dies gilt nicht nur für den Herstellmodus, sondern auch für den An- fahrmodus. Erfindungsgemäß bevorzugt erfolgt die Verdampfung des NH; durch Aufnahme von Wärme aus Wasserdampf.
[0045] Im Herstellmodus wird der Wasserdampf bevorzugt durch Prozesswärme bereitgestellt, indem
Wasser als Wärmeträgermedium Wärme aus dem Produktgas und/oder dem Rauchgas aufnimmt und der so erwärmte Wasserdampf Wärme an flüssiges NH; abgibt.
[0046] Im Anfahrmodus ist zunächst jedoch noch keine Prozesswärme vorhanden, so dass die erfin- dungsgemäße Anlage bevorzugt eine H:O0-Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen von Wasser un- ter Erzeugung von Wasserdampf umfasst. Die H:0-Verdampfungseinrichtung ist bevorzugt in Strö- mungsrichtung des NH; stromaufwärts des Heizelements angeordnet. Die H>O-Verdampfungseinrich- tung ist bevorzugt elektrisch beheizt. Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren daher die beiden optionalen Schritte (a) und (b), wobei die Erzeugung von Wasserdampf in Schritt (a) des erfin- dungsgemäßen Verfahrens bevorzugt unter Einsatz von elektrischer Energie erfolgt.
[0047] Bevorzugt ist die bevorzugt elektrisch beheizte H,O-Verdampfungseinrichtung nur für den An- fahrmodus vorgesehen und wird im Herstellmodus abgeschaltet. In bevorzugten Ausführungsformen ist die H:0-Verdampfungseinrichtung über ein Leitungssystem in einem Bypass verschaltet, so dass das
Wasser im Anfahrmodus über den Bypass durch die H>O-Verdampfungseinrichtung hindurch geleitet werden kann, um dort erwärmt und verdampft zu werden. Ist der Herstellmodus erreicht, so wird bevor- zugt der gesamte Bypass einschließlich der H:O-Verdampfungseinrichtung nicht mehr von Wasser durchströmt. Um eine solche Reaktionsführung zu ermöglichen, sind bevorzugt geeignete Ventile vor- gesehen, welche die gezielte Strömung des Wassers durch den Bypass hindurch oder nicht durch den
Bypass hindurch ermöglichen.
[0048] Darüber hinaus umfasst die die erfindungsgemäße Anlage bevorzugt eine NHa-Verdampfungs- einrichtung zum Verdampfen von flüssigem NH; durch Aufnahme von Wärme aus dem Wasserdampf.
[0049] Auf diese Weise kann im Anfahrmodus das flüssige NH; zunächst verdampft werden, indem es
Wärme aus dem Wasserdampf aufnimmt, welcher seinerseits in der bevorzugt elektrisch beheizten H:O-
Verdampfungseinrichtung erzeugt wird. Anschließend wird das verdampfte NH; durch das bevorzugt elektrisch beheizte Heizelement geleitet und darin auf eine Temperatur erwärmt, welche für die an- schließende partielle katalytische Zersetzung des NH; in der ersten NHz-Zersetzungseinrichtung aus- reicht. Das so erzeugte Zwischenproduktgas wird anschließend in der Verbrennungseinrichtung ver- brannt und erzeugt dabei ein Rauchgas sowie Verbrennungswärme.
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[0050] Die durch die Verbrennung der Verbrennungsgase erzeugte Wärme wird erfindungsgemäß nicht LU103170 nur um Herstellmodus, sondern auch im Anfahrmodus genutzt. Die Verbrennungsgase können typi- scherweise unterschiedliche Herkunft und Zusammensetzung haben.
[0051] Im Herstellmodus dient die Verbrennungswärme im Wesentlichen dazu, das NH; auf die not- wendige Reaktionstemperatur zu erwärmen, damit in der ersten NHz-Zersetzungseinrichtung und der nachgeschalteten, zweiten NHa-Zersetzungseinrichtung die Reaktionswärme der endothermen Reaktion bereitgestellt wird und die Umsetzung über beide NHz-Zersetzungseinrichtungen mit hohem Umsatz erfolgt. Dazu wird insbesondere für die Verdampfung des NH; bevorzugt Wasserdampf als Wärmeträ- germedium eingesetzt.
[0052] Im Anfahrmodus dient die Verbrennungswärme im Wesentlichen dazu, ein Wärmeträgerme- dium zu erwärmen, welches bevorzugt in einem Verdichter verdichtet und anschließend durch Teile der
Anlage geleitet wird. Dazu nimmt das Wärmeträgermedium bevorzugt direkt Wärme aus der Verbren- nungswärme und/oder indirekt Wärme aus dem Rauchgas auf. Dazu ist bevorzugt in Strömungsrichtung des Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung und in Strömungsrichtung des Wärmeträ- germediums stromabwärts des Verdichters - der erste Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den An- fahrmodus] und/oder - der zweite Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium- Wärmetauscher für den An- fahrmodus] angeordnet zum Erwärmen des Wärmeträgermediums durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas.
[0053] In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Wärmeträgermedium Na oder besteht im We- sentlichen daraus. Dabei wird Na bevorzugt solange durch wenigstens einen Teil der Anlage zirkuliert, bis die gewünschte Betriebstemperaturen der Teile der Anlage erreicht sind. Ist dieser Zustand erreicht, wird N; bevorzugt aus der Anlage ausgeschleust und in den Herstellmodus gewechselt. Für diesen
Wechsel wird dem N; bevorzugt kontinuierlich NH; beigemischt und das Gemisch aus N; und NH; ggf. über eine Fackel verbrannt. Ist der Gehalt an NH; im Gemisch mit N; groß genug, kann mit dem Her- stellmodus begonnen werden.
[0054] In anderen bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Wärmeträgermedium NH; oder be- steht im Wesentlichen daraus. Dabei wird NH; bevorzugt solange durch wenigstens einen Teil der An- lage zirkuliert, bis die gewünschte Betriebstemperaturen der Teile der Anlage erreicht sind. Ist dieser
Zustand erreicht, wird mit dem Herstellmodus begonnen.
[0055] In bevorzugten Ausführungsformen wird im Anfahrmodus der NH3-Storm in einen ersten NHs-
Teilstrom und einen zweiten NHz-Teilstrom aufgeteilt. Nur der erste NHz-Teilstrom wird der ersten
Zersetzungseinrichtung zugeführt. Der zweite NHz-Teilstrom durchstrômt stattdessen die zweite NHs-
Zersetzungseinrichtung, wodurch die zweite NHz-Zersetzungseinrichtung Wärme aus dem zweiten 11
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NHz-Teilstrom aufnimmt. Der zweite NH3-Teilstrom hat demnach zunächst nur die Funktion als Wär- LU103170 meträgermedium. Nach und nach wird auf diese Weise die zweite NH3;-Zersetzungseinrichtung erwärmt, bis die Anspringtemperatur (Aktivierungstemperatur) für die katalytische Zersetzung von NH; erreicht ist, so dass ab diesem Zeitpunkt zusätzlicher H> in der zweiten NHs-Zersetzungseinrichtung durch kata- lytische Zersetzung von NH; hergestellt wird.
[0056] In bevorzugten Ausführungsformen wird im Anfahrmodus die Menge an Hz im Verbrennungs- gas im Vergleich zum Herstellmodus erhöht. Durch das größere Verhältnis von Hz zu NH; wird die
Verbrennung begünstigt, wodurch die Betriebstemperatur schneller erreicht werden kann.
[0057] Im Anfahrmodus ist wenigstens eine Vorrichtung der Anlage in Strömungsrichtung des Wär- meträgermediums stromabwärts des ersten Wärmetauschers und/oder des zweiten Wärmetauschers an- geordnet und steht mit dem Wärmeträgermedium zur Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgerme- dium in fluider Verbindung. Diese wenigstens eine Vorrichtung der Anlage wird im Anfahrmodus durch
Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium erwärmt.
[0058] In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmo- dus durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium erwärmt wird, die zweite NHz-Zerset- zungseinrichtung (vgl. Abbildung 2, zweite NH3-Zersetzungseinrichtung 24). Im Herstellmodus ist die zweite NHz-Zersetzungseinrichtung bevorzugt der ersten NHz-Zersetzungseinrichtung nachgeschaltet und dient bevorzugt der katalytischen Zersetzung von verdampftem NH; unter Erzeugung eines Pro- duktgases umfassend Hz und Na. Für den Wechsel vom Anfahrmodus zum Herstellmodus umfasst die erfindungsgemäße Anlage bevorzugt entsprechende Leitungen und Ventile, welche eine veränderte Ver- schaltung ermöglichen (vgl. Abbildung 2).
[0059] In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmo- dus durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium erwärmt wird, ein dritter Wärmetau- scher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] (vgl. Abbildung 2, dritter Wärmetauscher 26). Im Herstellmodus dient der dritte Wärmetauscher [bevorzugt Produkt- gas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] bevorzugt zum Erwärmen von Wasser, bevorzugt zum Erwärmen oder Erzeugen von Wasserdampf, durch Aufnahme von Wärme aus dem Produktgas.
Für den Wechsel vom Anfahrmodus zum Herstellmodus umfasst die erfindungsgemäße Anlage bevor- zugt entsprechende Leitungen und Ventile, welche eine veränderte Verschaltung ermöglichen (vgl. Ab- bildung 2).
[0060] In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmo- dus durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium erwärmt wird, ein vierter Wärmetau- scher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] (vgl. Abbildung 2, vierter Wärmetauscher 20). Im Herstellmodus dient der vierte Wärmetaucher [bevor- zugt Produktgas/NH:-Wärmetauscher für den Herstellmodus] zum Erwärmen von NH; durch Aufnahme 12
230085P00LU 12.07.2023 von Wärme aus dem Produktgas. Für den Wechsel vom Anfahrmodus zum Herstellmodus umfasst die LU103170 erfindungsgemäße Anlage bevorzugt entsprechende Leitungen und Ventile, welche eine veränderte Ver- schaltung ermöglichen (vgl. Abbildung 2).
[0061] In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmo- dus durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium erwärmt wird, ein fünfter Wärmetau- scher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] (vgl. Abbildung 2, fünfter Wärmetauscher 28). Im Herstellmodus dient der fünfte Wärmetauscher [bevorzugt Produkt- gas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] bevorzugt zum Erwärmen von Wasser durch Auf- nahme von Wärme aus dem Produktgas. Für den Wechsel vom Anfahrmodus zum Herstellmodus um- fasst die erfindungsgemäße Anlage bevorzugt entsprechende Leitungen und Ventile, welche eine ver- änderte Verschaltung ermöglichen (vgl. Abbildung 2).
[0062] In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmo- dus durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium erwärmt wird, ein sechster Wärmetau- scher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] (vgl. Abbildung 2, sechster Wärmetauscher 29). Im Herstellmodus dient der sechste Wärmetauscher [bevorzugt Produkt- gas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] bevorzugt zum Erwärmen von Wasser durch Auf- nahme von Wärme aus dem Produktgas. Für den Wechsel vom Anfahrmodus zum Herstellmodus um- fasst die erfindungsgemäße Anlage bevorzugt entsprechende Leitungen und Ventile, welche eine ver- änderte Verschaltung ermöglichen (vgl. Abbildung 2).
[0063] Darüber hinaus kann im Anfahrmodus auch das Rauchgas, welches bei der Verbrennung des
Verbrennungsgases erzeugt wird, Wärme an wenigstens eine Vorrichtung der Anlage abgeben. Diese wenigstens eine Vorrichtung ist typischerweise im Raugaskanal angeordnet. Diese wenigstens eine Vor- richtung ist bevorzugt in Strömungsrichtung des Rauchgases stromabwärts des ersten Wärmetauschers und/oder des zweiten Wärmetauschers angeordnet.
[0064] In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmo- dus durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas erwärmt wird, ein erster Rauchgas/Verbrennungs- luft-Wärmetauscher (vgl. Abbildung 2, erster Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher 45), welcher bevorzugt im Anfahrmodus und/oder im Herstellmodus zum Erwärmen von Verbrennungsluft durch
Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas dient.
[0065] In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmo- dus durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas erwärmt wird, eine Rauchgasentstickungseinheit (vgl. Abbildung 2, Rauchgasentstickungseinheit 50), welche bevorzugt im Anfahrmodus und/oder im
Herstellmodus zum Reinigen des Rauchgases von Stickoxiden (NOx) dient. 13
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[0066] In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmo- LU103170 dus durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas erwärmt wird, ein Rauchgas/Wasser-Wärmetau- scher (vgl. Abbildung 2, Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher 52), welcher bevorzugt im Anfahrmodus und/oder im Herstellmodus zum Erwärmen von Wasser, bevorzugt zum Erwärmen oder Erzeugen von
Wasserdampf, durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas dient.
[0067] In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmo- dus durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas erwärmt wird, ein zweiter Rauchgas/Verbren- nungsluft-Wärmetauscher (vgl. Abbildung 2, zweiter Rauchgas/Verbrennungsluft- Wärmetauscher 43), welcher bevorzugt im Anfahrmodus und/oder im Herstellmodus zum Erwärmen von Verbrennungsluft durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas dient.
[0068] Bevorzugt stehen die Verbrennungseinrichtung und die zweite NHs-Zersetzungseinrichtung miteinander in Wärmeaustausch und sind für einen Wärmestrom von der Verbrennungseinrichtung in die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung konfiguriert. Dazu sind sie bevorzugt analog einem Primärre- former ausgebildet, wie er bei der herkömmlichen Dampfreformierung zur Erzeugung von Hz, O> und
CO/CO- aus H:0 und CH, eingesetzt wird.
[0069] In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage ist die Anlage im Herstell- modus (d.h. bei Normalbetrieb) für einen Durchsatz bezogen auf H> von mindestens 500 mol-h! ausge- legt, bevorzugt mindestens 1000 mol-h!, bevorzugter mindestens 5000 mol-h“, noch bevorzugter min- destens 10.000 mol-h!, am bevorzugtesten mindestens 50.000 mol-h!, und insbesondere mindestens 100.000 mol-h".
[0070] In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäBen Anlage umfasst die Anlage einen
Tank für flüssiges NH3, welcher ein Volumen von mindestens 50 m° hat, bevorzugt mindestens 100 m’, bevorzugter mindestens 500 m?, noch bevorzugter mindestens 1000 m?, am bevorzugtesten mindestens 5000 m?, und insbesondere mindestens 10.000 m’.
[0071] In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage umfasst die Anlage neben der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung zusätzlich eine zweite NHs-Zersetzungseinrichtung mit mindes- tens drei, bevorzugt mindestens vier, bevorzugter mindestens fünf, noch bevorzugter mindestens sechs, am bevorzugtesten mindestens sieben und insbesondere mindestens acht Katalysatorbetten, welche je- weils NHs-Zersetzungskatalysator umfassen; wobei jedes Katalysatorbett bevorzugt jeweils in einem
Rohr vorliegt; wobei die Katalysatorbetten bevorzugt parallel geschaltet sind. Bevorzugt enthält jedes
Katalysatorbett den gleichen NHz-Zersetzungskatalysator.
[0072] In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage umfasst die Anlage neben der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung zusätzlich eine zweite NHs-Zersetzungseinrichtung mit mindes- tens einem Katalysatorbett, welches NH3;-Zersetzungskatalysator umfasst, wobei die Länge des Kataly- satorbetts in Durchströmungsrichtung für NH; mindestens 1,0 m beträgt, bevorzugt mindestens 1,5 m, 14
230085P00LU 12.07.2023 bevorzugter mindestens 2,0 m, noch bevorzugter mindestens 2,5 m, am bevorzugtesten mindestens 3,0 LU103170 m und insbesondere mindestens 3,5 m; wobei das Katalysatorbett bevorzugt in einem Rohr vorliegt.
[0073] In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage umfasst die Anlage eine
Verbrennungseinrichtung mit mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, bevorzugter mindestens fünf, noch bevorzugter mindestens sechs, am bevorzugtesten mindestens sieben und insbesondere mindestens acht Brennern zur Verbrennung des Verbrennungsgases.
[0074] In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage umfasst die Anlage einen ersten Wärmetauscher und/oder einen zweiten Wärmetauscher, welche unabhängig voneinander als
Rohrwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet sind.
[0075] In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Herstellmodus (d.h. bei Normalbetrieb) ein Durchsatz bezogen auf H> von mindestens 500 mol-h“ erreicht, bevorzugt mindestens 1000 mol-h!, bevorzugter mindestens 5000 mol-h!, noch bevorzugter mindestens 10.000 mol-h"!, am bevorzugtesten mindestens 50.000 mol-h!, und insbesondere mindestens 100.000 mol-h!.
[0076] In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Herstellmodus (d.h. bei Normalbetrieb) das flüssige NH; aus einem Tank mit einem Volumen von mindestens 50 m? entnommen, bevorzugt mindestens 100 m?, bevorzugter mindestens 500 m?, noch bevorzugter mindes- tens 1000 m?, am bevorzugtesten mindestens 5000 m?, und insbesondere mindestens 10.000 m°.
[0077] In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Herstellmo- dus (d.h. bei Normalbetrieb) das katalytische Zersetzen von NH; auf mindestens drei, bevorzugt min- destens vier, bevorzugter mindestens fünf, noch bevorzugter mindestens sechs, am bevorzugtesten min- destens sieben und insbesondere mindestens acht Katalysatorbetten, welche jeweils NHs-Zersetzungs- katalysator umfassen; wobei jedes Katalysatorbett bevorzugt jeweils in einem Rohr vorliegt; wobei die
Katalysatorbetten bevorzugt parallel von NH; durchströmt werden.
[0078] In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Herstellmo- dus (d.h. bei Normalbetrieb) das katalytische Zersetzen auf mindestens einem Katalysatorbett, welches
NHz-Zersetzungskatalysator umfasst, wobei die Länge des Katalysatorbetts in Durchströmungsrichtung für NH; mindestens 1,0 m beträgt, bevorzugt mindestens 1,5 m, bevorzugter mindestens 2,0 m, noch bevorzugter mindestens 2,5 m, am bevorzugtesten mindestens 3,0 m und insbesondere mindestens 3,5 m; wobei das Katalysatorbett bevorzugt in einem Rohr vorliegt
[0079] In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Herstellmo- dus (d.h. bei Normalbetrieb) das Verbrennen des Verbrennungsgases mit Hilfe von mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, bevorzugter mindestens fünf, noch bevorzugter mindestens sechs, am be- vorzugtesten mindestens sieben und insbesondere mindestens acht Brennern.
[0080] Erfindungsgemäß bedeutet die katalytische Zersetzung von NH; die Bildung von N; und Ha, im
Stand der Technik gelegentlich auch als "Spaltung" oder "Cracking" von NH; bezeichnet.
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[0081] Die katalytische Zersetzung von NH; erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt in Abwesenheit von LU103170
Os.
[0082] Vorzugsweise umfasst die Erfindung im Herstellmodus folgende Maßnahmen: (i) Verdampfung von NH3; (ii) katalytische Zersetzung von NH; unter Zufuhr von Wärme unter Erhalt eines Produktgases umfas- send N», H> und ggf. nicht zersetztes NHs; (iii) Rückgewinnung von Wärme; (iv) ggf. Rückgewinnung von nicht zersetztem NHs; (v) Reinigung von Ha.
[0083] HO ist kein Produkt der Reaktion und kann in geringsten Mengen vorliegen, da H:O häufig im flüssigen NH3 vorhanden ist, in Konzentrationen von maximal 0.5 Gew.-%, typischerweise < 0.3 Gew.- %. Durch die Verdampfung von NH; ist es zu erwarten, dass H>O in geringeren Konzentration vorliegt.
NH; - von der Lagerung bis vor die katalytische Zersetzung
[0084] Das NH; wird erfindungsgemäß bevorzugt als Ausgangsmaterial gelagert.
[0085] Bevorzugt liegt das gelagerte NH; in einem gekühlten Tank flüssig vor, bei Atmosphärendruck und einer Temperatur unterhalb seiner Siedetemperatur von -33,5°C. Mit einer Pumpe wird NH; bevor- zugt bei Anlagendruck in die Anlage eingespeist.
[0086] Ehe das NH; katalytisch zersetzt werden kann, wird es erfindungsgemäß bevorzugt nacheinan- der auf mehrere Temperaturniveaus erwärmt.
[0087] Ausgehend von flüssigem NH; erfolgt bevorzugt eine Erwärmung und anschließende Verdamp- fung von NH; auf ein mittleres Temperaturniveau (<300°C) durch Aufnahme von Wärme aus Wasser bzw. Wasserdampf. Im Herstellmodus wird der Wasserdampf bevorzugt durch Aufnahme von Wärme aus Rauchgas und/oder Produktgas erzeugt. Im Anfahrmodus wird der Wasserdampf bevorzugt durch eine elektrisch betriebene H>O-Verdampfungseinrichtung erzeugt.
[0088] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des NH; stromabwärts des Tanks und stromaufwärts der
NHz-Verdampfungseinrichtung ein Vorwärmer angeordnet, welcher bevorzugt zum Erwärmen des NH; auf die gewünschte Temperatur am Eintritt in die NHa-Verdampfungseinrichtung dient und in welchem
NH; Wärme aus Wasser aufnimmt, welches seinerseits zuvor die NH3-Verdampfungseinrichtung als
Wasserdampfkondensat verlassen hat. Bevorzugt werden Wasserdampf und Wasserdampfkondensat im
Gegenstrom durch den Vorwärmer und die NH:-Verdampfungseinrichtung geleitet.
[0089] Anschließend erfolgt bevorzugt eine weitergehende Erwärmung des NH; auf ein hohes Tempe- raturniveau (>300°C). 16
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[0090] Im Herstellmodus erfolgt die weitergehende Erwärmung von NH; bevorzugt durch Aufnahme LU103170 von Wärme direkt aus Rauchgas und/oder Produktgas, d.h. ohne Wasser als Wärmeträgermedium.
[0091] Dazu sind für den Herstellmodus entsprechende Wärmetauscher vorgesehen: - bevorzugt ein vierter Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/NH:-Wärmetauscher für den Herstell- modus]; - bevorzugt ein erster Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/NH:-Wärmetauscher für den Herstellmo- dus]; und/oder - bevorzugt ein zweiter Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Zwischenproduktgas-Wärmetauscher für den Herstellmodus].
[0092] Im Anfahrmodus erfolgt die weitergehende Erwärmung von NH; bevorzugt durch Aufnahme von Wärme aus einem elektrischen Heizelement.
[0093] Damit im Anfahrmodus das verdampfte NH; katalytisch zersetzt werden kann, muss es auf die
Aktivierungstemperatur des NHs-Zersetzungskatalysators erwärmt werden.
[0094] In bevorzugten Ausführungsformen ist der NH3;-Zersetzungskatalysator Nickel-basiert und die
Erwärmung des verdampften NH; erfolgt bis auf eine Temperatur im Bereich von bevorzugt 600 bis 650°C.
[0095] In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist der NH3:-Zersetzungskatalysator Ruthenium-ba- siert und die Erwärmung des verdampften NH; erfolgt bis auf eine Temperatur im Bereich von bevor- zugt 350 bis 400°C.
[0096] In allen diesen Ausführungsformen wird NH; (ein Teil oder die gesamte Menge) durch das elektrische Heizelement geleitet und darin über die Aktivierungstemperatur des NHz-Zersetzungskata- lysators in der ersten NHz-Zersetzungseinrichtung erwärmt. Anschließend strömt das erwärmte NH; in die erste NHs-Zersetzungseinrichtung, wo das NH; zumindest teilweise zersetzt wird. In der bevorzugt adiabatischen Reaktion kann so ein Umsatz von z.B. 18% erreicht werden, je nach Vorwärmtemperatur.
NH; - katalytische Zersetzung
[0097] Die erfindungsgemäße katalytische Zersetzung von NH; ist die eigentliche Reaktion zur Bil- dung des Ha, welche grundsätzlich thermisch abläuft, jedoch durch den Einsatz eines NH3;-Zersetzungs- katalysators beschleunigt wird. Die katalytische Zersetzung von NH; kann erfindungsgemäß bei ver- schiedenen Bedingungen unter Einsatz verschiedener NHs-Zersetzungskatalysatoren und mit verschie- denen Verschaltungen mit unterschiedlichen Reaktortypen durchgeführt werden. 17
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[0098] Erfindungsgemäß erfolgt die katalytische Zersetzung von NH; bevorzugt durch Zufuhr von LU103170
Wärme in Gegenwart eines NHs-Zersetzungskatalysators. Wichtige Parameter für die katalytische Zer- setzung von NH; sind die Art des NHz-Zersetzungskatalysators, die Reaktionstemperatur sowie die Re- aktionsdruck.
[0099] Als NHz-Zersetzungskatalysator kommen erfindungsgemäß verschiedene Materialien in Be- tracht. Die Reaktionstemperatur, bei der die katalytische Zersetzung von NH; abläuft, ist insbesondere durch die Wahl des NHs-Zersetzungskatalysators vorgegeben.
[0100] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Nickel-basierter NHs-Zersetzungs- katalysator eingesetzt. Die Reaktionstemperatur und der Reaktionsdruck bestimmen den Gleichge- wichtsumsatz. Bei 900°C und 20 bar Druck verläuft die Zersetzung von NH; beinahe quantitativ. Bei 650°C beträgt der Umsatz an NH; etwa 98,5%, bei 500°C nur noch etwa 95%. Erfindungsgemäß werden bevorzugt Reaktionstemperaturen im Bereich von etwa 600°C bis etwa 900°C, bevorzugt etwa 600°C bis etwa 700°C eingestellt, so dass ein hoher Umsatz erreicht wird. Im Hinblick auf Energiebilanz und
Umsatz liegen optimale Reaktionstemperaturen im Bereich von etwa 630°C bis 640°C. Nickel-basierte
NHz-Zersetzungskatalysatoren sind trotz der vergleichsweise hohen Reaktionstemperatur vorteilhaft.
Wegen des hohen Umsatzes ist der verbleidende Restgehalt an nicht zersetztem NH; im Produktgas vergleichsweise gering, so dass bevorzugt auf eine separate Abscheidung von nicht zersetztem NH; für dessen Rückgewinnung verzichtet wird. Stattdessen erfolgt dann die gemeinsame Abscheidung von Na und nicht zersetztem NH; aus dem Produktgas durch Druckwechseladsorption im Zuge der Aufreini- gung von H; zusammengefasst werden.
[0101] Bevorzugt umfasst der NHz-Zersetzungskatalysator geträgertes Nickel. Bevorzugte Trägerma- terialien sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al,Os, MgO, SiO,, mesoporöses SiO: (z.B.
MCF-17, MCM-41, SBA-15), Zeolith (z.B. HY, H-ZSM-5), BaMnOs3, BaTiOs, BaZrO3, CaMnOs, Ca-
TiO3, CaZrO3, CeOz, Gd:O3, GdA103;, KNbO3, La:O3, LaAIO3;, MnO», NaNbO;, Nb,Os, Sm2Os,
SMAIO3, SrMnO3, SrTiOs, SrZrO3, TiO», Y2O3, ZrO», Kohlenstoff (z.B. CNTs, SWCNTs, AX-21,
MSC-30, MESO-C, GNP, Aktivkohle, Graphen, Graphenoxid), Attapulgit, Hydrocalumit, Sepiolit, und
Mischungen daraus.
[0102] In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Ruthenium-basierter NHs-
Zersetzungskatalysator eingesetzt. Dafür werden erfindungsgemäß bevorzugt Reaktionstemperaturen im Bereich von etwa 450°C bis etwa 500°C eingestellt, wobei allerdings etwas geringere Umsätze von beispielsweise etwa 95% erzielbar sind, so dass der verbleidende Restgehalt an nicht zersetztem NH; im Produktgas größer ist. 18
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[0103] Alternativ können gegebenenfalls auch andere NH3-Zersetzungskatalysatoren bei noch niedri- LU103170 geren Reaktionstemperaturen eingesetzt werden. Je niedriger die Reaktionstemperatur ist, desto niedri- ger ist der Umsatz und desto mehr nicht zersetztes NH; muss aus dem Produktgas abgeschieden und zurückgeführt werden.
[0104] In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erste NHs-Zersetzungseinrichtung zwei hinter- einandergeschaltete Katalysatorbetten, von denen ein Katalysatorbett einen NHz-Zersetzungskatalysator mit einer vergleichsweise hohen Aktivierungstemperatur enthält (bevorzugt einen ersten Nickel-basier- ten NHs-Zersetzungskatalysator) und das andere Katalysatorbett einen NH:-Zersetzungskatalysator mit einer vergleichsweise niedrigen Aktivierungstemperatur enthält (bevorzugt einen zweiten Nickel-ba- sierten NHz-Zersetzungskatalysator). NHa-Zersetzungskatalysatoren unterschiedlicher Aktivierungs- temperatur sind einem Fachmann bekannt (vgl. z.B. I. Lucentini et al., Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 51, 18560-18611). Erfindungsgemäß bevorzugt werden NHz-Zersetzungskatalysatoren verwendet auf
Basis von Eisen, Ruthenium, Nickel, Cer, Cobalt, Chrom, Iridium, Kupfer, Platin, Molybdän, Palladium,
Zirkonium, Wolfram und/oder Vanadium; bevorzugter auf Basis von Nickel, Eisen, und/oder Cer.
[0105] Im Anfahrmodus erfolgt dann bevorzugt die katalytische Zersetzung des NH; insbesondere auf dem NHz3-Zersetzungskatalysator mit der vergleichsweise niedrigen Aktivierungstemperatur (bevorzugt einem zweiten Nickel-basierten NHz-Zersetzungskatalysator). Im Herstellmodus erfolgt hingegen be- vorzugt zunächst die katalytische Zersetzung des NH; insbesondere auf dem NHz-Zersetzungskatalysa- tor mit der vergleichsweise hohen Aktivierungstemperatur (bevorzugt einem ersten Nickel-basierten
NHz-Zersetzungskatalysator), und ggf. zusätzlich bzw. anschließend auf dem NHz-Zersetzungskataly- sator mit der vergleichsweise niedrigen Aktivierungstemperatur (bevorzugt einem zweiten Nickel-ba- sierten NHz-Zersetzungskatalysator).
[0106] Der Reaktionsdruck beträgt erfindungsgemäß bevorzugt etwa 15 bar a bis etwa 25 bar a. Die
Stôchiometrie der Reaktion (2 NH; — N; + 3 Hy) erhöht das Volumen, weshalb sich ein erhöhter Reak- tionsdruck grundsätzlich negativ auf den Umsatz auswirkt. Andererseits ist es sinnvoll, den Gesamtpro- zess bei hôheren Drücken zu betreiben, um das Behältervolumen und damit die Investitionskosten zu begrenzen. Bei einem Reaktionsdruck von nur 1 bar könnten bei Reaktionstemperaturen ab 400°C Um- sätze von mehr als 99% erreicht werden. Da ein Reaktionsdruck von 1 bar jedoch nur für Kleinstanlagen sinnvoll ist, wird die erfindungsgemäße Anlage bevorzugt bei höherem Reaktionsdruck betrieben, auch wenn dadurch eine gewisse Einbufe an Umsatz in Kauf genommen werden müssen.
[0107] Der Reaktionsdruck ist insbesondere vorgegeben durch die Ausführung der Aufreinigung von
Ha. Die erfindungsgemäß bevorzugte Druckwechselabsorption (PSA) zur Aufreinigung von Hz kann erfindungsgemäß bevorzugt bei einem Druck im Bereich von etwa 15 bar bis etwa 25 bar effektiv be- trieben werden. Bevorzugt liegt der Druck des Produktgases beim Verlassen der zweiten NHz-Zerset- zungseinrichtung im Bereich von etwa 15 bis etwa 25 bar a, bevorzugter etwa 18 bar a bis etwa 22 bar a, noch bevorzugter etwa 19 bar a bis etwa 21 bar a. Auf diese Weise wird ein guter Ausgleich gefunden 19
230085P00LU 12.07.2023 zwischen den Anforderungen der Druckwechseladsorption einerseits und dem erzielten Umsatz ande- LU103170 rerseits.
[0108] Die Zersetzung von NH; kann grundsätzlich in unterschiedlichen Reaktortypen ablaufen.
[0109] Bei adiabater Reaktionsführung wird die innere Wärme des Reaktionsgases als Energiequelle für die Reaktion verwendet. Geeignete Reaktoren dafür sind autotherme Reformer und Sekundärrefor- mer, welche mit interner Energieerzeugung arbeiten. Dem Prozessgas wird Verbrennungsluft zugefügt und ein Teil des Reaktionsgases wird verbrannt, um die Temperatur so zu erhöhen, dass am Reaktor- austritt die gewünschte Temperatur herrscht. Nachteilig ist die Anwesenheit des bei der Verbrennung entstehenden Wassers im Prozessgas, das durch Kondensation entfernt werden muss. Ein Teil des nicht zersetzten NH; löst sich dann im kondensierten Wasser und geht verloren, bzw. muss rezykliert werden.
Außerdem führen die hohen Temperaturen zur Bildung erheblicher Mengen an Stickoxiden.
[0110] Erfindungsgemäß werden diese Nachteile vermieden, indem das Produktgas physikalisch von dem Verbrennungsgas und dem daraus gebildeten Rauchgas getrennt ist.
[0111] Im Herstellmodus erfolgt die erfindungsgemäße Zersetzung von NH; bevorzugt zweistufig in zwei nacheinander durchströmten NHs-Zersetzungseinrichtungen. In der ersten NH3-Zersetzungsein- richtung wird zunächst nur ein Teil des NH; partiell zersetzt. Die restliche Zersetzung von NH; bis zum maximal erreichten Umsatz erfolgt dann anschließend in der zweiten NHa-Zersetzungseinrichtung. Be- vorzugt bildet dazu die zweite NHs-Zersetzungseinrichtung zusammen mit der erfindungsgemäßen Ver- brennungseinrichtung einen vorstehend näher beschriebenen, analog einem Primärreformer ausgeführ- ten Reaktor.
[0112] Im Anfahrmodus erfolgt die erfindungsgemäße Zersetzung von NH; bevorzugt einstufig, und zwar nur in der ersten NHs-Zersetzungseinrichtung, welche ggf. mehrere nacheinander geschaltete Ka- talysatorbetten umfassen kann.
[0113] In beiden Betriebsmodi tritt das vorgeheizte NH; in die erste NH3-Zersetzungseinrichtung ein, welche NHs-Zersetzungskatalysator enthält und in dem zu einem gewissen Ausmaß eine partielle kata- lytische Zersetzung von NH; zu N; und Hz erfolgt. Es wird ein Zwischenproduktgas gebildet, welches noch erhebliche Restmengen an nicht zersetztem NHz, aber auch bereits gebildetes Na und H> enthält.
Infolge der endothermen Zersetzung von NH; kühlt sich das Zwischenproduktgas bevorzugt ab. Bevor- zugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH; in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung höchstens 25%, bevorzugter höchstens 20% des insgesamt erreichten Gesamtumsatzes. Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH; in der ersten NHz-Zersetzungseinrichtung mindestens 5%, bevorzugter mindestens 10%, noch bevorzugter mindestens 15% des insgesamt erreichten Gesamtumsatzes.
[0114] Nach Verlassen der ersten NHz-Zersetzungseinrichtung wird das Zwischenproduktgas je nach
Betriebsmodus unterschiedlich verwendet.
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[0115] Im Anfahrmodus wird das Zwischenproduktgas ggf. mit NH; gemischt und anschließend in der LU103170
Verbrennungseinrichtung unter Zufuhr von Verbrennungsluft verbrannt.
[0116] Wie bereits erwähnt, wird in bevorzugten Ausführungsformen im Anfahrmodus der NHs-Storm in einen ersten NH3-Teilstrom und einen zweiten NHa-Teilstrom aufgeteilt. Nur der erste NHs-Teilstrom wird der ersten Zersetzungseinrichtung zugeführt. Der zweite NHz-Teilstrom durchströmt stattdessen die zweite NHz-Zersetzungseinrichtung, wodurch die zweite NHs-Zersetzungseinrichtung Wärme aus dem zweiten NHz-Teilstrom aufnimmt. Der zweite NHs-Teilstrom hat demnach zunächst nur die Funk- tion als Wärmeträgermedium. Nach und nach wird auf diese Weise die zweite NH3-Zersetzungseinrich- tung erwärmt, bis die Anspringtemperatur für die katalytische Zersetzung von NH; erreicht ist, so dass ab diesem Zeitpunkt zusätzlicher Hz in der zweiten NHs-Zersetzungseinrichtung durch katalytische Zer- setzung von NH; hergestellt wird. Beispielsweise ist es möglich, dass der erste NH3-Teilstrom der ersten
NHz-Zersetzungseinrichtung zugeführt wird und das gesamte dabei erzeugte Zwischenproduktgas (z.B. bei 20% Umsatz: 20 Mol.-% Hz + N; und 80 Mol.-% nicht zersetztes NH3) vollständig in der Verbren- nungseinrichtung verbrannt wird. Der zweite NHs-Teilstrom wird weder der ersten NH3-Zersetzungs- einrichtung zugeführt noch verbrannt, sondern wird bevorzugt als Wärmeträgermedium eingesetzt, be- vorzugt dazu im Kreis geführt, und dient bevorzugt u.a. dem Erwärmen der zweiten NHz-Zersetzungs- einrichtung.
[0117] Im Herstellmodus wird das Zwischenproduktgas bevorzugt erneut aufgeheizt, ehe es in die nachgeschaltete, zweite NHz-Zersetzungseinrichtung eintritt. In der zweiten NH3-Zersetzungseinrich- tung erfolgt dann die restliche Zersetzung von NH; bis zum insgesamt erreichten Gesamtumsatz.
[0118] Im Herstellmodus wird das Produktgas in der erfindungsgemäßen zweiten NH3-Zersetzungsein- richtung durch Zersetzung von NH; gebildet und verlässt die zweite NHs-Zersetzungseinrichtung über einen eigenen Auslass. Das Verbrennungsgas wird zusammen mit Verbrennungsluft in der Verbren- nungseinrichtung verbrannt und das dabei gebildete Rauchgas verlässt die Verbrennungseinrichtung ebenfalls über einen eigenen Auslass, vorzugsweise in einen Rauchgaskanal. Produktgas und Rauchgas werden nicht miteinander vermischt, sondern bleiben physikalisch voneinander getrennt. Bei der Ver- brennung des Verbrennungsgases gebildete Verbrennungswärme strömt als Wärmestrom in die zweite
NHz-Zersetzungseinrichtung und liefert so die erforderliche Wärme für die Aufrechterhaltung der en- dothermen Zersetzung von NHa.
[0119] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die katalytische Zersetzung von NH; im Herstellmodus in der zweiten NHa-Zersetzungseinrichtung analog einem Primärreformer. Dazu um- fasst der analoge Primärreformer sowohl die erfindungsgemäße zweite NHz-Zersetzungseinrichtung als auch die erfindungsgemäße Verbrennungseinrichtung. Der NHa-Zersetzungskatalysator ist dazu bevor- zugt in der erfindungsgemäben zweiten NHz-Zersetzungseinrichtung mindestens in einem von NH; durchstrômten Rohr angeordnet, bevorzugter mindestens zwei Rohren, noch bevorzugter mindestens drei Rohren. Das mindestens eine Rohr enthält den NHz-Zersetzungskatalysator. Das mindestens eine 21
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Rohr wird bevorzugt von oben nach unten mit NH; durchströmt. In einer physikalisch getrennten Brenn- LU103170 kammer wird bevorzugt als Verbrennungsgas ein Gemisch aus NH; und Hz zusammen mit Verbren- nungsluft verbrannt (Verbrennungseinrichtung). Der bei der katalytischen Zersetzung von NH; neben
Hz gebildete N> ist inert und dient als zusätzlicher Wärmeträger. Die durch den Verbrennungsprozess in der Brennkammer der Verbrennungseinrichtung erzeugte Verbrennungswärme wird zur Aufheizung der zweiten NHs-Zersetzungseinrichtung genutzt, bevorzugt des Rohrs bzw. der Rohre, durch die das zu zersetzende NH; hindurchgeleitet wird. Dazu wird ein Wärmestrom von der Verbrennungseinrichtung in die zweite NHs-Zersetzungseinrichtung geleitet.
[0120] Der NHz-Zersetzungskatalysator in der ersten NHz-Zersetzungseinrichtung ist bevorzugt der gleiche wie in der zweiten NHz-Zersetzungseinrichtung. Sofern die erste NH3;-Zersetzungseinrichtung mehrere nacheinander geschaltete Katalysatorbetten umfasst, enthält bevorzugt wenigstens eines dieser nacheinander geschalteten Katalysatorbetten den gleichen NHs-Zersetzungskatalysator wie die zweite
NHz-Zersetzungseinrichtung.
Verbrennungsgas
[0121] Erfindungsgemäß wird Wärme durch Verbrennung eines Verbrennungsgases in einer Verbren- nungseinrichtung bereitgestellt. Die Verbrennungseinrichtung weist dafür bevorzugt einen oder mehrere
Brenner auf, bevorzugt mindestens zwei Brenner, bevorzugter mindestens drei Brenner.
[0122] Das Verbrennungsgas enthält bevorzugt NHa. Dies gilt insbesondere für den Anfahrmodus. Die erfindungsgemäße Verbrennungseinrichtung ist daher bevorzugt eine NH3-Verbrennungseinrichtung.
[0123] Das Verbrennungsgas enthält bevorzugt eine Mischung aus H> und NHz, da diese Mischung eine mittlere Flammtemperatur erzeugt und bessere Verbrennungseigenschaften als reines NH; auf- weist. Durch ein geeignetes Mischungsverhältnis von Hz und NH; wird zudem weniger Stickoxid gebil- det als in Abwesenheit von Ha.
[0124] Im Herstellmodus wird als Verbrennungsgas bevorzugt das Restgasgemisch eingesetzt, welches nach der Abtrennung von Hz aus dem Produktgas, bevorzugt durch Druckwechseladsorption, übrig- bleibt. Bevorzugt wird diesem Restgasgemisch frisches NH; zudosiert. Da die Druckwechseladsorption typischerweise nicht die vollständige Menge des Hz aus dem Produktgas abtrennt, dient die verbleibende
Restmenge an Hz im Restgasgemisch bevorzugt als Verbrennungsverbesserer für das NHs.
[0125] Das im Anfahrmodus in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung gebildete Zwischenproduktgas enthält H> und wird ggf. mit weiterem NH; gemischt und im Anfahrmodus in der Verbrennungseinrich- tung zu Rauchgas verbrannt. Durch die zumindest teilweise erfolgte Zersetzung von NHz steht eine ausreichende Menge an H» zur Verfügung, um die Verbrennung des NH; zu gewährleisten bzw. zu verbessern. 22
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[0126] Im Anfahrmodus benötigen die bevorzugt elektrisch betriebene H2O-Verdampfungseinrichtung LU103170 sowie das elektrische Heizelement elektrische Energie zum Verdampfen und weiteren Erwärmen des
NHz für die katalytische Zersetzung; die anschließende Verbrennung von NH; zusammen mit dem durch die katalytische Zersetzung gebildeten Hz liefert dann die Wärme zum Aufheizen des Wärmeträgerme- diums.
[0127] Wie bereits erwähnt, wird in bevorzugten Ausführungsformen im Anfahrmodus die Menge an
Hz im Verbrennungsgas im Vergleich zum Herstellmodus erhöht. Durch den höheren Anteil von Hz im
Verbrennungsgas wird die Verbrennung des Gemisches aus NH; und H> begünstigt, wodurch die Be- triebstemperatur schneller erreicht werden kann. Demzufolge wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt im Herstellmodus bei einem Ha-Anteil A; betrieben und im Anfahrmodus bei einem Hz-Aan- teil A», wobei gilt A» > Ay. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die relative Differenz zwischen
Az und A; mindestens 1 Vol.-%, bevorzugter mindestens 2 Vol.-%, noch bevorzugter mindestens 3 Vol.- %, am bevorzugtesten mindestens 4 Vol.-%, und insbesondere mindestens 5 Vol.-%.
[0128] Der Fachmann erkennt, dass der Zustand während des Anfahrmodus nicht statisch konstant sein muss, sondern sich insbesondere in Anbetracht der kontinuierlichen Erwärmung der Anlage oder Teilen davon dynamisch verändern kann. Somit ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass fiir zumindest einen
Teil der Gesamtdauer des Anfahrmodus der Anteil Az im Vergleich zum Anteil A; erhöht ist. Beispiels- weise kann der Anfahrmodus zeitlich in einen ersten Abschnitt und einen unmittelbar daran anschlie-
Benden zweiten Abschnitt der Gesamtdauer unterteilt sein, wobei während des ersten Abschnitts A» >
A, und während des zweiten Abschnitts A> = A; gilt.
Verbrennungsluft
[0129] Bevorzugt wird der Verbrennungseinrichtung (Brennkammer des Reaktors) Verbrennungsluft zugeführt, welche bevorzugt zuvor in einem ersten Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher und/o- der einem zweiten Rauchgas/Verbrennungsluft- Wärmetauscher vorgewärmt wird. Bevorzugt sind der erste Rauchgas/Verbrennungsluft- Wärmetauscher und/oder der zweite Rauchgas/Verbrennungsluft-
Wärmetauscher im Rauchgaskanal angeordnet, wobei die Verbrennungsluft Wärme aus dem Rauchgas aufnimmt.
[0130] Bevorzugt wird die Verbrennungsluft vor der Einspeisung in die Anlage über einen Filter gerei- nigt, mit einem Verdichter auf den erforderlichen Druck verdichtet und anschließend über den ersten
Rauchgas/Verbrennungsluft- Wärmetauscher und/oder den zweiten Rauchgas/Verbrennungsluft-Wär- metauscher im Rauchgaskanal geleitet und erwärmt. Von dort strömt die erwärmte Verbrennungsluft in die Verbrennungseinrichtung. Kurz vor Eintritt in die Verbrennungseinrichtung oder innerhalb der Ver- brennungseinrichtung wird die Verbrennungsluft mit dem Verbrennungsgas (bevorzugt NH; im Ge- misch mit H») vermischt.
Produktgas - nach der katalytischen Zersetzung bis vor Aufreinigung von H> 23
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[0131] Im Herstellmodus verlässt Produktgas die zweite NHs-Zersetzungseinrichtung bei hoher Tem- LU103170 peratur. Um die in dem Produktgas enthaltene Wärme zu nutzen, ist in Strömungsrichtung des Produkt- gases stromabwärts der zweiten NHs-Zersetzungseinrichtung für den Herstellmodus bevorzugt mindes- tens ein Wärmetauscher vorgesehen, der vom Produktgas durchströmt wird, ehe das Produktgas einer
Aufreinigung von Hz zugeführt wird: - bevorzugt ein dritter Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Her- stellmodus]; - bevorzugt ein vierter Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/NH:-Wärmetauscher für den Herstell- modus]; - bevorzugt ein fünfter Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Her- stellmodus]; und/oder - bevorzugt ein sechster Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Her- stellmodus]).
Produktgas - Restmengen an nicht zersetztem NH;
[0132] Im Herstellmodus dient die erfindungsgemäß bevorzugte Rückgewinnung von NH; bevorzugt dazu, nicht zersetztes NH: aus dem Produktgas auszuscheiden und zur weiteren Nutzung als Verbren- nungsgas oder wiedergewonnenes Edukt zur Verfügung zu stellen. Bevorzugt wird auf eine separate
Rückgewinnung von NH; verzichtet. So erfolgt erfindungsgemäß im Herstellmodus bevorzugt die Auf- reinigung von Hz aus dem Produktgas durch Druckwechseladsorption (PSA). Geringe Restmengen an nicht zersetztem NH; können erfindungsgemäß bevorzugt bei der Druckwechseladsorption mit abge- schieden werden, wodurch die Rückgewinnung von NH; und die Aufreinigung von Hz zu einem ge- meinsamen Schritt kombiniert werden.
Produktgas - Aufreinigung von H> und Abtrennung Restgasgemisch
[0133] Im Herstellmodus wird erfindungsgemäß besonders bevorzugt Hz durch Druckwechseladsorp- tion (PSA) aufgereinigt. Eine adsorptive Trennung in einer Druckwechseladsorptionseinrichtung ist er- findungsgemäß bevorzugt, u.a. weil sie bei moderaten Drücken abläuft und zusätzlich auch hohe Rein- heit an Hz erreicht, bei Bedarf > 99,9%, mit einer Ausbeute an H> im Bereich von z.B. ca. 80 bis 85%.
Wie bereits erwähnt, kann die Druckwechseladsorption außerdem im gleichen Arbeitsschritt auch Rest- mengen an NH; und ggf. HO mit abscheiden. Dazu wird das Produktgas vor Eintritt in die Druckwech- seladsorptionseinrichtung bevorzugt mit einem sechster Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Was- ser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] auf die gewünschte Temperatur abgekühlt. Die entspre- chende Menge an Wärme wird bevorzugt in dem sechster Wärmetauscher vom Wasser aufgenommen.
Das so erwärmte Kühlwasser wird erfindungsgemäß bevorzugt zum Vorwärmen von NH; in einer Vor- wärmeinrichtung eingesetzt, in der NH; Wärme aus dem Wasser aufnimmt. Anschließend wird das ab- gekiihlte Produktgas bevorzugt einer Druckwechseladsorptionseinrichtung zugefiihrt, wo eine Auftren- nung des Gasgemisches unter Druck durch Adsorption erfolgt. 24
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Hz - nach der Aufreinigung bis zur Lagerung LU103170
[0134] Im Herstellmodus verlässt der abgetrennte H> bevorzugt die Druckwechseladsorptionseinrich- tung und wird bevorzugt mit einem H>-Verdichter auf einen erhöhten Druck gebracht, beispielsweise auf ca. 200 bar. Eine Verdichtung des abgetrennten H> auf erhöhten Druck ist jedoch nicht zwingend erforderlich und es sind erfindungsgemäß auch Drücke von deutlich weniger als 200 bar umfasst. Be- vorzugt durchstrômt der verdichtete H> anschließend einen ersten H>-Wärmetauscher, in welchem Kühl- wasser Wärme aus dem verdichteten Hz aufnimmt. In bevorzugten Ausführungsformen wird der abge- trennte Hz anschließend mit einem zweiten H-Verdichter auf einen weiter erhöhten Druck gebracht.
Bevorzugt durchströmt der weiter verdichtete H> anschließend einen zweiten H2:-Wärmetauscher, in welchem ebenfalls Kühlwasser Wärme aus dem verdichteten Hz aufnimmt. Anschließend wird der ver- dichtete H> aus der Anlage bei einem Druck von beispielsweise etwa 70 bar abgeleitet und beispiels- weise in einem geeigneten Druckgefäß gelagert oder direkt einer weiteren Verwendung zugeführt.
Restgasgemisch
[0135] Im Herstellmodus enthält das nach der Aufreinigung/Abtrennung von Hz, bevorzugt in der
Druckwechseladsorptionseinrichtung, verbleibende Restgasgemisch typischerweise N, H2O, restliches
NH; sowie Ho. Bevorzugt wird das Restgasgemisch der Verbrennungseinrichtung zugeführt, so dass es für die Erzeugung von Verbrennungswärme genutzt werden kann.
Rauchgas
[0136] Das Rauchgas verlässt die Verbrennungseinrichtung bei hoher Temperatur und tritt bevorzugt in einen Rauchgaskanal ein. Um die in dem Rauchgas enthaltene Wärme zu nutzen, sind in Strômungs- richtung des Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung bevorzugt Wärmetauscher vorge- sehen, die vom Rauchgas durchstrômt werden, ehe das Rauchgas an die Umgebung abgegeben wird, z.B. über einen Kamin: - bevorzugt ein zweiter Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Zwischenproduktgas-Wärmetauscher für den Herstellmodus; bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium- Wärmetauscher für den Anfahr- modus]; - bevorzugt ein erster Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/NH:-Wärmetauscher für den Herstellmo- dus; Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus]; - bevorzugt ein erster Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher; - bevorzugt ein Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher; und/oder - bevorzugt ein zweiter Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher.
[0137] Auch im Anfahrmodus durchströmt das bei der Verbrennung des Gemischs umfassend NH; und
Hz gebildete Rauchgas den Rauchgaskanal und erwärmt dabei bevorzugt den zweiten Wärmetaucher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] sowie anschließend bevorzugt den ersten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für
230085P00LU 12.07.2023 den Anfahrmodus], welche beide Wärme an das Wärmeträgermedium abgeben. Anschließend durch- LU103170 strömt das Rauchgas bevorzugt den ersten Rauchgas/Verbrennungsluft- Wärmetauscher, bevorzugt die
Rauchgasentstickungseinheit, bevorzugt den Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher sowie bevorzugt den zweiten Rauchgas/Verbrennungsluft- Wärmetauscher. Auf diese Weise werden Verbrennungsluft bzw.
Wasser durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas erwärmt.
Wasser bzw. Wasserdampf
[0138] Als Wasser für die Erzeugung von Wasserdampf wird bevorzugt demineralisiertes Wasser in die Anlage eingespeist. Bevorzugt werden Luft und andere im Wasser gelöste Gase in einem Entgaser entfernt.
[0139] Bevorzugt wird das Wasser über einen fünften Wärmetauscher vorgewärmt. Im Herstellmodus wird der fünfte Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] bevorzugt von Produktgas durchströmt, so dass Wasser Wärme aus dem Produktgas aufnimmt. Im An- fahrmodus wird der fünfte Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/W asser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] bevorzugt von Wärmeträgermedium durchströmt, so dass Wasser Wärme aus dem Wärmeträgermedium aufnimmt. In Strömungsrichtung des Produktgases/Wärmeträgermediums ist der fünfte Wärmetauscher bevorzugt stromabwärts des dritter Wärmetauschers angeordnet.
[0140] Bevorzugt wird das Wasser anschließend durch einen Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher gelei- tet und erhitzt. Der Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher kühlt die Rauchgase aus der Verbrennungsein- richtung im Rauchgaskanal ab, wobei im Rauchgas enthaltene Wärme zum Erwärmen des Wasser- dampfs genutzt wird.
[0141] Der Wasserdampf wird anschließend bevorzugt in eine Wasserdampftrommel geleitet.
[0142] Aus der Wasserdampftrommel wird das Wasser bevorzugt durch einen dritten Wärmetauscher geleitet und nimmt dadurch weitere Wärme auf, um anschließend bevorzugt zur Wasserdampftrommel zurückgeführt zu werden. Der dritter Wärmetauscher ist in Strömungsrichtung des Produktgases/Wär- meträgermediums stromabwärts der zweiten NHz-Zersetzungseinrichtung angeordnet. Im Herstellmo- dus dient der dritte Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmo- dus] bevorzugt zur Abkühlung des Produktgases nach dem Verlassen der zweite NHs-Zersetzungsein- richtung, wobei im Produktgas enthaltene Wärme ebenfalls zum Erwärmen des Wasserdampfs genutzt wird. Im Anfahrmodus dient der dritte Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wär- metauscher für den Anfahrmodus] bevorzugt zur Abgabe von Wärme aus dem Wärmeträgermedium an
Wasser. Im Anfahrmodus wird zudem heißer Wasserdampf in einer H,O0-Verdampfungseinrichtung er- zeugt und ggf. zusammen mit dem Wasserdampf aus der Wasserdampftrommel der NH3;-Verdamp- fungseinrichtung zugeführt. 26
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[0143] Durch die Kondensation des Wasserdampfes in der NHi-Verdampfungseinrichtung wird LU103170
Wärme gewonnen, um das vorgeheizte NH; zu verdampfen. Nach dem Durchströmen der NHz-Ver- dampfungseinrichtung wird das Dampfkondensat bevorzugt dem Vorwärmer zugeführt, der dazu dient, das NH; vorzuwärmen, so dass die im Wasserdampf enthaltene Wärme in zwei Stufen für die Erwär- mung des NH; genutzt wird. Nach dem Durchströmen des Vorwärmers kann das Dampfkondensat aus der Anlage abgeleitet werden.
[0144] Solange im Anfahrmodus noch keine ausreichende Wärme für die Erzeugung von Wasserdampf zur Verfügung steht, stellt die bevorzugt elektrisch betriebene H20-Verdampfungseinrichtung Wasser- dampf zur Verfügung. Das aus dem Tank in die Anlage geführte NH; wird mit Hilfe des elektrisch erzeugten Wasserdampfs in Analogie zum Herstellmodus bevorzugt im Vorwärmer vorgewärmt und anschließend in der NHs-Verdampfungseinrichtung verdampft.
Wärmeträgermedium
[0145] Im Anfahrmodus wird ein Wärmeträgermedium, bevorzugt N; oder NH3s, durch zumindest einen
Teil der Anlage geleitet, um Verbrennungswärme bzw. Wärme aus dem Rauchgas aufzunehmen und eine oder mehrere Vorrichtungen der Anlage auf Betriebstemperatur aufzuwärmen. Das Wärmeträger- medium wird dabei bevorzugt zirkuliert und mit einem Verdichter auf den notwendigen Druck gebracht.
Die erfindungsgemäße Anlage umfasst bevorzugt mehrere Ventile an geeigneten Stellen, um im An- fahrmodus den Hauptprozessweg an mehreren Stellen zu schließen und die Zirkulation des Wärmeträ- germediums zu ermöglichen.
[0146] Bevorzugt zirkuliert das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus vom Verdichter zu einem vier- ten Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den An- fahrmodus], wo es Wärme aus im Kreuzstrom geführtem Wärmeträgermedium aufnimmt.
[0147] Von dort strömt das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt zu einem ersten Wärme- tauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus], wo es
Wärme aus dem Rauchgas aufnimmt.
[0148] Anschließend strömt das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt zu einem zweiten
Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus], wo es ebenfalls Wärme aus dem Rauchgas aufnimmt.
[0149] Von dort durchströmt das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt die zweite NHz-
Zersetzungseinrichtung, wo es Verbrennungswärme aufnimmt, welche als Wärmestrom von der Ver- brennungseinrichtung in die zweite NHs-Zersetzungseinrichtung strömt.
[0150] Danach erreicht das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt einen dritten Wärmetau- scher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus], wo es Wärme an Wasser abgibt. 27
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[0151] Anschließend durchströmt das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt erneut den LU103170 vierten Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den
Anfahrmodus] (d.h. Kreuzstrom), wo es Wärme an im Kreuzstrom geführtes Wärmeträgermedium ab- gibt.
[0152] Danach durchströmt das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt einen fünften Wär- metauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus], wo es
Wärme an Wasser abgibt.
[0153] Anschließend durchströmt das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt einen sechsten
Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus], wo es ebenfalls Wärme an Wasser abgibt.
[0154] Schließlich wird das Wärmeträgermedium zum Verdichter zurückgeführt.
Beschreibung der Abbildungen
[0155] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezug- nahme auf die Abbildungen näher erläutert. Abbildungen 1, 2 und 3 zeigen jeweils anhand von Fließ- schemata bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Anlagen, auf denen bevorzugte Ausfüh- rungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden können. Dabei ist die Ausfüh- rungsform gemäß Abbildung 3 eine Variante der Ausführungsform gemäß Abbildung 2 und nur als
Ausschnitt dargestellt. die nicht im Ausschnitt von Abbildung 3 gezeigten Details entsprechen bevorzugt denen von Abbildung 2.
[0156] In Abbildung 1 ist eine solche Verfahrensführung schematisch veranschaulicht. Ein Teil des insgesamt eingesetzten NH; wird im Gemisch mit H> und Oz verbrannt (Reaktion (A)). Durch die Ver- brennung wird Verbrennungswärme A freigesetzt. Der andere Teil des NH; wird unter Zufuhr von Ver- brennungswärme katalytisch zu H> und N; zersetzt, wobei das gebildete Gemisch neben Hz und N; noch eine restliche Menge an nicht zersetztem NH; enthält (Reaktion (B)). Reaktionen A und B werden be- vorzugt getrennt voneinander in einem gemeinsamen Reaktor durchgeführt, welcher analog einem Pri- märreformer ausgebildet ist. Aus dem bei der Zersetzung von NH; gebildeten Gemisch wird der Großteil des H> als Produkt abgetrennt, typischerweise durch Druckwechseladsorption (PSA)), und die verblei- bende Mischung aus nicht abgetrenntem H», Na und nicht zersetztem NH; wird der Verbrennung zuge- führt (Rückführung (C)).
[0157] Sollte die in der verbleibenden Mischung enthaltene Menge an nicht abgetrenntem Hz für eine zufriedenstellende Verbrennung von NH; nicht ausreichen, kann ggf. Hz aus dem Produkt Hz abgezweigt und ebenfalls der Verbrennung zugeführt werden (Rückführung (D)). Dies ist allerdings nicht bevor- zugt. So wird durch Druckwechseladsorption typischerweise bereits eine ausgezeichnete Reinheit vom
Hz erreicht, und das in der Druckwechseladsorptionseinrichtung nach Abtrennung des H» verbleibende 28
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Restgasgemisch enthält neben N> und restlichem NH; eine ausreichende Menge an Ha, was aus prozess- LU103170 technischen Gründen kaum vermieden werden kann. Durch Rückführung dieses Hz-haltigen Restgasge- mischs zur Verbrennungseinrichtung kann die im Restgasgemisch enthaltene Energie für die Erzeugung von Verbrennungswärme genutzt werden. Eine zusätzliche Anreicherung des Restgasgemisches mit H» für die Verbrennung ist ökonomisch nicht sinnvoll, zumindest nicht im Herstellmodus, und daher nicht bevorzugt. Sofern die Menge des Restgasgemischs insgesamt nicht ausreichen sollte, um die benötigte
Wärmemenge für die katalysierte Zersetzung von NH; zu generieren, wird erfindungsgemäß bevorzugt ggf. die Menge an NH; im Verbrennungsgas erhöht, nicht jedoch die Menge an Hz aus dem gereinigten wertvollen Produkt.
[0158] Abbildung 2 illustriert eine erfindungsgemäß bevorzugte Anlage. Zweckmäßigerweise werden nachfolgend Herstellmodus und Anfahrmodus nacheinander erläutert.
[0159] Anlage/Verfahren gemäß Abbildung 2 im Herstellmodus:
[0160] Im Herstellmodus wird flüssiges NH3, welches bei tiefer Temperatur und erhöhtem Druck vor- liegt, aus Tank 10 über Leitung 11 mittels Pumpe 12 durch Vorwärmer 13 geleitet und erwärmt. In NH3-
Verdampfungseinrichtung 14 wird das NH; verdampft und strömt anschließend über Leitung 15 zu Ab- zweigung 16, wo eine Aufteilung des NHz-Stroms in zwei Teilstrôme erfolgt. Von Abzweigung 16 aus- gehend wird ein erster Teilstrom des NH; entspannt und über Leitung 17 Verbrennungseinrichtung 18 zugeführt. Ein zweiter Teilstrom des NH; wird ausgehend von Abzweigung 16 über Leitung 19 durch den vierten Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/NH:-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 20 ge- leitet und strömt danach über Leitung 21 durch den ersten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/NHz-
Wärmetauscher für den Herstellmodus] 22, wo das NH; weiter erwärmt wird. Das vorgewärmte NH; wird der ersten NHz-Zersetzungseinrichtung 65 zugeführt, wo eine partielle katalytische Zersetzung er- folgt, bevorzugt adiabatisch. Das die erste NHs-Zersetzungseinrichtung 65 verlassende Zwischenpro- duktgas wird über Leitung 66 dem zweiten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Zwischenproduktgas-
Wärmetauscher für den Herstellmodus] 67 geführt, welcher im Rauchgaskanal 49 in Strömungsrichtung des Rauchgases stromaufwärts zum ersten Wärmetauscher 22 angeordnet ist. Dort wird das Zwischen- produktgas aufgewärmt und danach über Leitung 23 in zweite NH3-Zersetzungseinrichtung 24 eingelei- tet. Die zweite NHs-Zersetzungseinrichtung 24 wird bevorzugt von oben nach unten durchströmt. Die für die Aufrechterhaltung der Reaktion erforderliche Wärme wird erzeugt, indem die zweite NHs-Zer- setzungseinrichtung 24 durch Verbrennung von H> und NH; in der Verbrennungseinrichtung 18 aufge- heizt wird.
[0161] Im Herstellmodus durchströmt nach der Zersetzung von NH; das gebildete Produktgas (umfas- send N», Hz und ggf. restliches NH3) den dritten Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wär- metauscher für den Herstellmodus] 26, danach den vierten Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/NHs-
Wärmetauscher für den Herstellmodus] 20, anschließend Leitung 27 und zur weiteren Abkühlung einen 29
230085P00LU 12.07.2023 fünften Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 28, wel- LU103170 cher bevorzugt mit Wasser betrieben wird. Schließlich wird das Produktgas mittels eines sechsten Wär- metauschers [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 29 weiter abge- kühlt und anschließend über Leitung 30 einer Druckwechseladsorptionseinrichtung 31 zugeführt, wo eine Auftrennung des Gasgemisches unter Druck durch Adsorption erfolgt. Der dabei abgetrennte H» verlässt die Druckwechseladsorptionseinrichtung 31 über Leitung 32, wird über einen ersten H;-Ver- dichter 33 auf einen erhöhten Druck gebracht, durchströmt einen ersten H.-Wärmetauscher 34, einen zweiten H»-Verdichter 35 zur weiteren Druckerhöhung, einen zweiten H,-Wärmetauscher 36 und wird aus der Anlage bei einem Druck von beispielsweise etwa 70 bar über die Leitung 37 abgeleitet.
[0162] Das in der Druckwechseladsorptionseinrichtung 31 nach Abtrennung des H> verbleibende Rest- gasgemisch enthält Na, restliches NH; sowie Hz und wird über Rückführleitung 38 zurückgeführt und über abzweigende Leitung 39 der Verbrennungseinrichtung 18 zugeführt, so dass in dem Restgasge- misch enthaltene Energie für die Erzeugung von Verbrennungswärme genutzt werden kann.
[0163] Im Herstellmodus wird Verbrennungsluft für den Verbrennungsprozess in der Verbrennungs- einrichtung 18 über Filter 40 gereinigt, mittels Verdichters 41 verdichtet, über Leitung 42 durch den zweiten Rauchgas/Verbrennungsluft- Wärmetauscher 43 geleitet und erwärmt. Anschließend strömt die
Verbrennungsluft über Leitung 44 und durch den ersten Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher 45, wird dort weiter erhitzt und strömt dann über Leitung 46 und die beiden abzweigenden Zweigleitun- gen 47 und 48 in Verbrennungseinrichtung 18, wo die Verbrennungsluft dem über Leitung 17 zugeführ- ten Teilstrom des NH; zugeführt wird, um dieses zu verbrennen und so Verbrennungswärme zu erzeu- gen.
[0164] Im Herstellmodus wird das heiße Rauchgas aus der Verbrennung in Verbrennungseinrichtung 18 zunächst über den zweiten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Zwischenproduktgas-Wärmetau- scher für den Herstellmodus] 67 abgekühlt, wodurch Wärme für die Aufheizung des der zweiten NHz-
Zersetzungseinrichtung 24 zugeführten Zwischenproduktgases nach dem Verlassen der ersten NHs-Zer- setzungseinrichtung 65 gewonnen wird. Anschließend wird das Rauchgas über den ersten Wärmetau- scher [bevorzugt Rauchgas/NH:-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 22 weiter abgekühlt, wodurch
Wärme für die Aufheizung des der ersten NHz-Zersetzungseinrichtung 65 zugeführten NH; gewonnen wird. Das Rauchgas wird dann weiter durch Rauchgaskanal 49 über den ersten Rauchgas/Verbrennungs- luft-Wärmetauscher 45 geleitet, mittels dessen die Verbrennungsluft vorgeheizt wird, und durchströmt dann Rauchgasentstickungseinheit 50, mittels derer das Rauchgas von Stickoxiden (NOx) gereinigt wird. Anschließend durchströmt das Rauchgas über Leitung 51 Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher 52, wodurch Wärme zur Erhitzung von Wasser gewonnen wird, und durchströmt danach den zweiten
Rauchgas/Verbrennungsluft- Wärmetauscher 43, welcher ebenfalls zur Aufwärmung der Verbrennungs- luft dient. Das Rauchgas wird dann im Endbereich des Rauchgaskanals 49 mittels des Rauchgasverdich- ters 53 verdichtet und verlässt die Anlage über Kamin 54.
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[0165] Im Herstellmodus wird Wasser für die Erzeugung von Wasserdampf über Leitung 55 einge- LU103170 speist, über den fünften Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Her- stellmodus] 28 geleitet und dann mit erhöhter Temperatur in Entgaser 56 geleitet, in dem Luft und an- dere im Wasser gelöste Gase entfernt werden. Mittels Pumpe 57 wird das Wasser über Leitung 58 durch
Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher 52 geleitet und erhitzt. Der Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher 52 dient dazu, die Rauchgase aus der Verbrennungseinrichtung 18 im Rauchgaskanal 49 abzukühlen, wobei die im Rauchgas enthaltene Wärmeenergie zum Erwärmen des Wasserdampfs genutzt wird, welcher dann nach dem Passieren des Rauchgas/Wasser-Wärmetauschers 52 über Leitung 59 in Wasserdampf- trommel 60 geleitet wird. Aus Wasserdampftrommel 60 kann über Leitung 61 Wasser durch den dritten
Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 26 geleitet wer- den und dadurch weitere Wärmeenergie aufnehmen, um dann über Leitung 62 zur Wasserdampftrommel zurückgeführt zu werden. Der dritte Wärmetauscher 26 ist in Austrittsleitung 25 in Strömungsrichtung des Produktgases stromabwärts der zweiten NHa-Zersetzungseinrichtung 24 angeordnet und dient zur
Abkühlung des Produktgases nach dem Verlassen der zweiten NHz-Zersetzungseinrichtung 24. Die da- bei gewonnene Wärme kann somit zur Erzeugung von weiterem Wasserdampf genutzt werden.
[0166] Im Herstellmodus wird der in Wasserdampftrommel 60 erzeugte heiße Wasserdampf über Lei- tung 63 in den im oberen Bereich der NH+-Verdampfungseinrichtung 14 eingeleitet. Durch die Konden- sation des Wasserdampfes wird die Wärme gewonnen, um das vorgeheizte NH; zu verdampfen. Nach dem Durchströmen der NH+-Verdampfungseinrichtung 14 wird das Dampfkondensat über Leitung 64 dem Vorwärmer 13 zugeführt, der dazu dient, das NH; vorzuwärmen, so dass die im Wasserdampf enthaltene Wärme in zwei Stufen für die Erwärmung des NH; genutzt wird. Nach dem Durchströmen des Vorwärmers 13 kann das Dampfkondensat aus der Anlage abgeleitet werden.
[0167] Anlage/Verfahren gemäß Abbildung 2 im Anfahrmodus
[0168] Im erfindungsgemäßen Anlagenkonzept wird im Anfahrmodus ein Wärmeträgermedium, be- vorzugt N; oder NHz, durch zumindest einen Teil der Anlage geleitet, um Wärme aus der Verbrennungs- einrichtung bzw. dem Rauchgas aufzunehmen und Vorrichtungen der Anlage auf Betriebstemperatur aufzuwärmen. Das kalte Wärmeträgermedium wird dabei bevorzugt zirkuliert und durch einen Verdich- ter 77 geleitet, um den notwendigen Druck aufzubauen. Im Anfahrmodus wird der Hauptprozessweg an mehreren Stellen mit zumindest einigen der Ventile 68, 75, 79, 81, 82, 83 geschlossen, um die Zirkula- tion des Wärmeträgermediums zu ermöglichen. Dabei wird die erste NHs-Zersetzungseinrichtung 65 aus der Zirkulation ausgenommen.
[0169] Solange beim Anfahren noch keine ausreichende Wärme für die Erzeugung von Wasserdampf zur Verfügung steht, stellt die bevorzugt elektrisch betriebene H:O-Verdampfungseinrichtung 84 Was- serdampf zur Verfügung. Das aus dem Tank 10 in die Anlage geführte NH; wird mit Hilfe des elektrisch erzeugten Wasserdampfs in Analogie zum Herstellmodus in Vorwärmer 13 vorgewärmt und anschlie- 31
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Bend in der NH3-Verdampfungseinrichtung 14 verdampft. Damit das verdampfte NH; katalytisch zer- LU103170 setzt werden kann, muss es auf die Aktivierungstemperatur des NHs-Zersetzungskatalysators erwärmt werden, im Falle eines Nickel-basierten NHz-Zersetzungskatalysators bevorzugt auf 600 bis 650°C, im
Falle eines Ruthenium-basierten NHs-Zersetzungskatalysators bevorzugt auf 350 bis 400°C.
[0170] Im Anfahrmodus wird dazu NH; (ein Teil oder die gesamte Menge) durch das elektrische Heiz- element 74 geleitet und darin über die Aktivierungstemperatur des NHs-Zersetzungskatalysators in der ersten NHs-Zersetzungseinrichtung 65 erwärmt. Anschließend strömt das erwärmte NH; über Leitung 73 in die erste NHs-Zersetzungseinrichtung 65, wo das NH; zumindest teilweise zersetzt wird. In der bevorzugt adiabatischen Reaktion kann so ein Umsatz von z.B. 18% erreicht werden, je nach Vorwärm- temperatur.
[0171] Im Anfahrmodus enthält das so gebildete Zwischenproduktgas Hz und wird ggf. mit weiterem
NH; gemischt und in der Verbrennungseinrichtung 18 zu Rauchgas verbrannt. Durch die teilweise er- folgte partielle Zersetzung von NH; steht eine ausreichende Menge an Hs zur Verfügung, um die Ver- brennung des NH; zu gewährleisten bzw. zu verbessern. Die bevorzugt elektrisch betriebene H:O-Ver- dampfungseinrichtung 84 sowie das elektrische Heizelement 74 benötigen elektrische Energie zum Ver- dampfen und weiteren Erwärmen des NH; für die katalytische Zersetzung; die anschließende Verbren- nung von NH; zusammen mit dem durch die katalytische Zersetzung gebildeten H> liefert dann die
Wärme zum Aufheizen des Wärmeträgermediums.
[0172] Das Wärmeträgermedium zirkuliert im Anfahrmodus vom Verdichter 77 zum vierten Wärme- tauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] auf der kalten Seite, von dort über Leitung 21 zum ersten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wär- meträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 22, und anschließend über Leitung 80 zum zweiten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmo- dus] 67. Von dort durchstrômt das Wärmeträgermedium die zweite NHs-Zersetzungseinrichtung 24 und erreicht über Leitung 25 den dritten Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärme- tauscher für den Anfahrmodus] 26 sowie anschlieBend den vierten Wärmetauscher [bevorzugt Wärme- trägermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 20 auf der heißen Seite.
Von dort durchstrômt das Wärmeträgermedium den fünften Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträger- medium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 28 und anschließend den sechsten Wärmetau- scher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 29, welcher für eine gleichbleibende Eintrittstemperatur in den nachgeschalteten Stickstoffverdichter sorgt, welcher den
Druckverlust über die Anlage ausgleicht. Alternativ kann der nachgeschaltete Verdichter auch ein
N2/NHz-Verdichter sein, welcher eine Doppelfunktion erfüllt, d.h. zum Verdichten sowohl des N> als auch des NH; eingesetzt wird.
[0173] In bevorzugten Ausführungsformen wird im Anfahrmodus der NH3-Storm in einen ersten NHs-
Teilstrom und einen zweiten NHz-Teilstrom aufgeteilt. Nur der erste NHz-Teilstrom wird der ersten 32
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Zersetzungseinrichtung 65 zugeführt. Der zweite NHz-Teilstrom wird nach Durchströmen des ersten LU103170
Wärmetauschers [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium- Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 22 über Leitung 80 abgetrennt, durchströmt bevorzugt den zweiten Wärmetauscher [bevorzugt Rauch- gas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 67 und anschließend die zweite NHs-
Zersetzungseinrichtung 24, wodurch die zweite NHs-Zersetzungseinrichtung 24 Wärme aus dem zwei- ten NHz-Teilstrom aufnimmt. Der zweite NHs-Teilstrom hat demnach zunächst nur die Funktion als
Wärmeträgermedium. Nach und nach wird auf diese Weise die zweite NHz-Zersetzungseinrichtung 24 erwärmt, bis die Anspringtemperatur (Aktivierungstemperatur) für die katalytische Zersetzung von NH; erreicht ist, so dass ab diesem Zeitpunkt zusätzlicher Hz in der zweiten NHz-Zersetzungseinrichtung 24 durch katalytische Zersetzung von NH; hergestellt wird.
[0174] Erwärmt wird das Wärmeträgermedium dabei im Anfahrmodus beim Durchströmen der kalten
Seite des vierten Wärmetauschers [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetau- scher für den Anfahrmodus] 20, wo es Wärme aus im Kreuzstrom geführtem Wärmeträgermedium auf- nimmt. Außerdem wird das Wärmeträgermedium erwärmt beim Durchströmen des ersten Wärmetau- schers [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 22 und des zweiten Wärmetauschers [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahr- modus] 67, wo es Wärme aus dem Rauchgas aufnimmt. Darüber hinaus wird das Wärmeträgermedium erwärmt beim Durchstrômen der zweiten NHz-Zersetzungseinrichtung 24, wo es Verbrennungswärme aufnimmt, welche als Wärmestrom von der Verbrennungseinrichtung 18 in die zweite NH3-Zersetzungs- einrichtung 24 strömt.
[0175] Abgekühlt wird das Wärmeträgermedium dabei im Anfahrmodus beim Durchströmen des drit- ten Wärmetauschers [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 26, wo es Wärme an Wasser abgibt, sowie beim Durchströmen der warmen Seite des vierten Wärme- tauschers [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmo- dus] 20, wo es Wärme an im Kreuzstrom geführtes Wärmeträgermedium abgibt. Außerdem wird das
Wärmeträgermedium abgekühlt beim Durchströmen des fünften Wärmetauschers [bevorzugt Wärme- trägermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 28 und anschließend des sechsten Wär- metauschers [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 29, wo es jeweils Wärme an Wasser abgibt.
[0176] Das bei der Verbrennung des Gemischs umfassend NH; und H> gebildete Rauchgas durchströmt im Anfahrmodus den Rauchgaskanal 49 und erwärmt dabei den zweiten Wärmetaucher [bevorzugt
Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 67 sowie anschließend den ers- ten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 22, welche beide Wärme an das Wärmeträgermedium abgeben. Anschließend durchströmt das Rauchgas den ersten Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher 45, die Rauchgasentstickungseinheit 50, den
Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher 52 sowie den zweiten Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher. 33
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Auf diese Weise werden Verbrennungsluft bzw. Wasser durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauch- LU103170 gas erwärmt.
[0177] Wenn die Anlage soweit aufgewärmt ist, dass vom Anfahrmodus in den Herstellmodus gewech- selt werden kann, wird die Zirkulation des Wärmeträgermediums mit Hilfe der Ventile 68, 75, 79, 81, 82, 83 beendet.
[0178] Wird als Wärmeträgermedium NH; oder ein anderes brennbares Gas eingesetzt, so kann dieses über Leitung 76 und Ventil 68 ausgeschleust und anschließend am Fackelturm 70 verbrannt werden.
Bevorzugt wird zuvor in Abtrennvorrichtung 71 Kondensat abgetrennt. Dieses Kondensat kann Wasser umfassen, welches in geringen Mengen im NH; vorhanden ist (< 0.5 Gew.-%), und/oder NH; umfassen, welches im Anfahrmodus nicht in der zweiten NHa-Zersetzungseinrichtung 24 umgesetzt wurde.
[0179] Abbildung 3 illustriert eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Anlage gemäß Abbil- dung 2. Da der Herstellmodus gemäß der Variante von Abbildung 3 weitgehend dem gemäß Abbildung 2 entspricht, wird zweckmäßigerweise nachfolgend nur Anfahrmodus erläutert.
[0180] Wird als Wärmeträgermedium Na eingesetzt, so kann kontinuierlich NH; zudosiert werden.
[0181] Anlage/Verfahren gemäß Abbildung 3 im Anfahrmodus
[0182] Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ist für den Anfahrmodus das elektrische Heizele- ment 74 in Strömungsrichtung des NH; stromabwärts des Ventils 82 und stromaufwärts der ersten NH3-
Zersetzungseinrichtung 65 angeordnet. Uber das Ventil 82 wird geregelt, welcher Anteil an NH; in die erste NH:-Zersetzungseinrichtung 65 zur partiellen katalytischen Zersetzung und welcher Anteil an NH; über Leitung 80 in die zweite NHz-Zersetzungseinrichtung 24 als Wärmeträgermedium geleitet wird.
[0183] Über Ventil 75, welches in Strömungsrichtung des NH; stromabwärts direkt nach Abzweigung 16 installiert ist, wird vorübergehend die Zuleitung von Fuel-NHz in die Verbrennungseinrichtung 18 gesperrt bzw. geregelt; diese Funktion übernehmen die erste NHz-Zersetzungseinrichtung 65 und das
Ventil 82.
[0184] Die Zirkulation des NH3 als Wärmeträgermedium erfolgt dann erfindungsgemäß folgenderma- ßen: Das NH; wird bei gesperrtem Ventil 75 an Abzweigung 16 vorbei zum vierter Wärmetauscher 20 (in Abbildung 3 nicht erneut gezeigt) und anschließend zum erster Wärmetauscher 22 geleitet. Von dort aus erfolgt eine Aufteilung in einen ersten NHs-Teilstrom und einen zweiten NHs-Teilstrom.
[0185] Der erste NH;-Teilstrom wird über Ventil 82 in die erste NH3-Zersetzungseinrichtung 65 gelei- tet. Ventil 81 wird geschlossen, so dass das die erste NHz-Zersetzungseinrichtung verlassende Zwi- schenproduktgas über abzweigende Leitung 39 der Verbrennungseinrichtung 18 zugeführt und darin verbrannt wird. 34
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[0186] Der zweite NHz-Teilstrom wird über Leitung 80 bei geschlossenem Ventil 81 über den zweiten LU103170
Wärmetauscher 67 der zweiten NHz-Zersetzungseinrichtung 24 zugeführt, wo es zunächst als Wärme- trägermedium dient (sofern die Aktivierungstemperatur des NH3;-Zersetzungskatalysators in der zweiten
NHz-Zersetzungsvorrichtung noch nicht erreicht wurde). Der die zweite NHz-Zersetzungseinrichtung 24 verlassende zweite NHz-Teilstrom wird über Leitungen 25 und 27 zum vierten Wärmetauscher 20, anschließend zum fünften Wärmetauscher 28 und schließlich zum sechsten Wärmetauscher 29 geleitet (allesamt in Abbildung 3 nicht erneut gezeigt). Ventil 83 und Ventil 68 sind verschlossen, so dass der zweite NHz-Teilstrom über Leitung 76 zum Verdichter 77 geleitet wird (allesamt in Abbildung 3 nicht erneut gezeigt). Ein Teil des NH; wird auf diese Weise verbraucht und über Leitung 19 wird z.B. Zwi- schenproduktgas geführt.
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Bezugszeichenliste: LU103170
Tank 29 sechster Wärmetauscher [bevorzugt Pro- 11 Leitung duktgas/Wasser-Wärmetauscher für den 12 Pumpe Herstellmodus; Wärmeträgerme- 13 Vorwirmer dium/Wasser-Wärmetauscher für den 14 NH;-Verdampfungseinrichtung Anfahrmodus]
Leitung 30 Leitung 16 Abzweigung 31 Druckwechseladsorptionseinrichtung 17 Leitung 32 Leitung 18 Verbrennungseinrichtung 33 Hz-Verdichter 19 Leitung 34 erster H>-Wirmetauscher vierter Wärmetauscher [bevorzugt Pro- 35 Hz-Verdichter duktgas/NH:-Wärmetauscher für den 36 zweiter H,-Wärmetauscher
Herstellmodus; Wärmeträgerme- 37 Ausgangsleitung für Wasserstoff dium/Wärmeträgermedium-Wärmetau- 38 Rückführleitung scher für den Anfahrmodus] 39 abzweigende Leitung 21 Leitung 40 Filter fiir Verbrennungsluft 22 erster Wärmetauscher [bevorzugt 41 Verdichter
Rauchgas/NH;-Wärmetauscher für den 42 Leitung
Herstellmodus; Rauchgas/Wärmeträger- 43 zweiter Rauchgas/Verbrennungsluft- medium-Wärmetauscher für den Anfahr- Wärmetauscher modus] 44 Leitung 23 Leitung 45 erster Rauchgas/Verbrennungsluft-Wär- 24 zweite NHs-Zersetzungseinrichtung metauscher
Austrittsleitung 46 Leitung 26 dritter Wärmetauscher [bevorzugt Pro- 47 Zweigleitung duktgas/Wasser-Wärmetauscher für den 48 Zweigleitung
Herstellmodus; Wärmeträgerme- 49 Rauchgaskanal dium/Wasser-Wärmetauscher für den 50 Rauchgasentstickungseinheit
Anfahrmodus] 51 Leitung 27 Leitung 52 Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher 28 fünfter Wärmetauscher [bevorzugt Pro- 53 Rauchgasverdichter duktgas/Wasser-Wärmetauscher für den 54 Kamin
Herstellmodus; Wärmeträgerme- 55 Leitung für die Einspeisung von Wasser dium/Wasser-Wärmetauscher für den 56 Entgaser
Anfahrmodus] 57 Pumpe 58 Leitung 36
230085P00LU 12.07.2023 59 Leitung 71 Abtrennvorrichtung für Kondensat LU103170 60 Wasserdampftrommel 72 Pumpe 61 Leitung 73 Leitung 62 Leitung 74 elektrisches Heizelement 63 Leitung 75 Ventil 64 Leitung 76 Leitung 65 erste NHz-Zersetzungseinrichtung 77 Verdichter 66 Leitung 78 weiterer Tank 67 zweiter Wärmetauscher [bevorzugt 79 Ventil
Rauchgas/Zwischenproduktgas-Wärme- 80 Leitung tauscher für den Herstellmodus; Rauch- 81 Ventil gas/Wärmeträgermedium-Wärmetau- 82 Ventil scher für den Anfahrmodus] 83 Ventil 68 Ventil 84 H:0-Verdampfungseinrichtung. 69 Leitung 70 Fackelturm 37
Claims (1)
- 230085P00LU12.07.2023 Patentansprüche: LU1031701. Eine Anlage zur Herstellung von H> aus NH3; wobei die Anlage in einem Herstellmodus bei Betriebstemperaturen betreibbar ist; wobei die Anlage in einem Anfahrmodus betreibbar ist, um wenigstens eine Vorrichtung der Anlage von einer Ausgangstemperatur auf eine Betriebstemperatur zu erwärmen; wobei die Anlage für den Anfahrmodus wenigstens die folgenden Einrichtungen zum Erwärmen der wenigstens einen Vorrichtung auf die Betriebstemperatur umfasst: - ein Heizelement (74) zum Erwärmen von NH3; - in Strômungsrichtung des NH; stromabwärts des Heizelements (74) eine erste NHz- Zersetzungseinrichtung (65) zum partiellen katalytischen Zersetzen des erwärmten NH; unter Erzeugung eines Verbrennungsgases umfassend Ha, N; und restliches NHs; - optional, in Strômungsrichtung des Verbrennungsgases stromabwärts der ersten NHz- Zersetzungseinrichtung (65) eine Vorrichtung zum Zudosieren von Verbrennungsluft in das Verbrennungsgas; - in Strômungsrichtung des Verbrennungsgases stromabwärts der ersten NHs- Zersetzungseinrichtung (65) eine Verbrennungseinrichtung (18) zum Verbrennen des Verbrennungsgases unter Erzeugung von Verbrennungswärme und Rauchgas; - einen Verdichter (77) zum Verdichten eines Wärmeträgermediums; und - in Strômungsrichtung des Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung (18) und in Strômungsrichtung des Wärmeträgermediums stromabwärts des Verdichters (77) einen ersten Wärmetauscher (22) und/oder einen zweiten Wärmetauscher (67) zum Erwärmen des Wärmeträgermediums durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas; und wobei die wenigstens eine Vorrichtung der Anlage in Stromungsrichtung des Wärmeträgermediums stromabwärts des ersten Wärmetauschers (22) und/oder des zweiten Wärmetauschers (67) angeordnet ist und mit dem Wärmeträgermedium zur Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium in fluider Verbindung steht.2. Die Anlage nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Vorrichtung ausgewählt ist aus: - einer zweiten NHz-Zersetzungseinrichtung (24); bevorzugt im Herstellmodus zur katalytischen Zersetzung von verdampftem NH; unter Erzeugung eines Produktgases umfassend H» und N°; 1230085P00LU12.07.2023 - einem dritten Wärmetauscher (26); bevorzugt im Herstellmodus zum Erwärmen von Wasser, LU103170 bevorzugt zum Erwärmen oder Erzeugen von Wasserdampf, durch Aufnahme von Wärme aus dem Produktgas; - einem vierten Wärmetauscher (20); bevorzugt im Herstellmodus zum Erwärmen von NH; durch Aufnahme von Wärme aus dem Produktgas; - einem fünften Wärmetauscher (28); bevorzugt im Herstellmodus zum Erwärmen von Wasser durch Aufnahme von Wärme aus dem Produktgas; und - einem sechsten Wärmetauscher (29); bevorzugt im Herstellmodus zum Erwärmen von Wasser durch Aufnahme von Wärme aus dem Produktgas.3. Die Anlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anlage in Strômungsrichtung des Rauchgases stromabwärts des ersten Wärmetauschers (22) und/oder des zweiten Wärmetauschers (67) wenigstens eine Vorrichtung umfasst ausgewählt aus: - einem ersten Rauchgas/Verbrennungsluft- Wärmetauscher (45); bevorzugt im Anfahrmodus und/oder im Herstellmodus zum Erwärmen von Verbrennungsluft durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas; - einer Rauchgasentstickungseinheit (50); bevorzugt im Anfahrmodus und/oder im Herstellmodus zum Reinigen des Rauchgases von Stickoxiden (NOx); - einem Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher (52); bevorzugt im Anfahrmodus und/oder im Herstellmodus zum Erwärmen von Wasser, bevorzugt zum Erwärmen oder Erzeugen von Wasserdampf, durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas; - einem zweiten Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher (43); bevorzugt im Anfahrmodus und/oder im Herstellmodus zum Erwärmen von Verbrennungsluft durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas.4. Die Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (74) elektrisch beheizt ist.5. Die Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend in Strömungsrichtung des NH; stromaufwärts des Heizelements (74) - eine H:O-Verdampfungseinrichtung (84) zum Verdampfen von Wasser unter Erzeugung von Wasserdampf; und - eine NHs-Verdampfungseinrichtung (14) zum Verdampfen von flüssigem NH; durch Aufnahme von Wärme aus dem Wasserdampf. 2230085P00LU12.07.2023 LU1031706. Die Anlage nach Anspruch 5, wobei die H:0-Verdampfungseinrichtung (84) elektrisch beheizt ist.7. Die Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verbrennungseinrichtung (18) und die zweite NHs-Zersetzungseinrichtung (24) miteinander in Wärmeaustausch stehen und für einen Wärmestrom von der Verbrennungseinrichtung (18) in die zweite NHs- Zersetzungseinrichtung (24) konfiguriert sind.8. Ein Verfahren zum Anfahren einer Anlage zur Herstellung von Hz aus NH; umfassend die folgenden Schritte: (c) Erwärmen von NH3; (d) partielles katalytisches Zersetzen des erwärmten NH; in einer ersten NHs- Zersetzungseinrichtung (65) unter Erzeugung eines Verbrennungsgases umfassend Hs, N» und restliches NH3; (e) optional, Zudosieren von Verbrennungsluft in das Verbrennungsgas; (f) Verbrennen des Verbrennungsgases in einer Verbrennungseinrichtung (18) unter Erzeugung von Verbrennungswärme und Rauchgas; (g) Verdichten eines Wärmeträgermediums; (h) Erwärmen des Wärmeträgermediums durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas; und (i) Erwärmen wenigstens einer Vorrichtung der Anlage durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium.9. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die wenigstens eine Vorrichtung ausgewählt ist aus: - einer zweiten NH;-Zersetzungseinrichtung (24); bevorzugt nach dem Anfahren der Anlage zur katalytischen Zersetzung von verdampftem NH; unter Erzeugung eines Produktgases umfassend H, und N°; - einem dritten Wärmetauscher (26); bevorzugt nach dem Anfahren der Anlage zum Erwärmen von Wasser, bevorzugt zum Erwärmen oder Erzeugen von Wasserdampf, durch Aufnahme von Wärme aus dem Produktgas; - einem vierten Wärmetauscher (20); bevorzugt nach dem Anfahren der Anlage zum Erwärmen von NH; durch Aufnahme von Wärme aus dem Produktgas; - einem fünften Wärmetauscher (28); bevorzugt nach dem Anfahren der Anlage zum Erwärmen von Wasser durch Aufnahme von Wärme aus dem Produktgas; und 3230085P00LU12.07.2023 - einem sechsten Wärmetauscher (29); bevorzugt nach dem Anfahren der Anlage zum LU103170 Erwärmen von Wasser durch Aufnahme von Wärme aus dem Produktgas.10. Das Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Erwärmen von NH; in Schritt (c) unter Einsatz von elektrischer Energie erfolgt.11. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, welches die zusätzlichen Schritte umfasst (a) Verdampfen von Wasser unter Erzeugung von Wasserdampf; und (b) Verdampfen von flüssigem NH; durch Aufnahme von Wärme aus dem Wasserdampf.12. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei in die Erzeugung von Wasserdampf in Schritt (a) unter Einsatz von elektrischer Energie erfolgt.13. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Wärmeträgermedium durch wenigstens einen Teil der Anlage zirkuliert wird.14. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wärmeträgermedium N» umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht.15. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wärmeträgermedium NH; umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht. 4
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