DE102023118576A1 - Start-up of a plant for the catalytic decomposition of ammonia - 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. The invention relates to a plant for producing H 2 by catalytic decomposition of NH 3 . The plant according to the invention can be operated in a start-up mode in order to heat devices of the plant to an increased operating temperature using a heat transfer medium, eg after an interruption of continuous operation of the plant due to maintenance work. After heating to operating temperature, the plant according to the invention can be operated in a production mode for the continuous production of H 2 . The invention further relates to a method for starting up a plant for producing H 2 by catalytic decomposition of NH 3 .
Description
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von H2 durch katalytische Zersetzung von NH3 zu H2 und N2. 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.The invention relates to a plant for producing H 2 by catalytic decomposition of NH 3 to H 2 and N 2 . The plant according to the invention can be operated in a start-up mode in order to heat devices of the plant to an increased operating temperature using a heat transfer medium, eg after an interruption of continuous operation of the plant due to maintenance work. After heating to operating temperature, the plant according to the invention can be operated in a production mode for the continuous production of H 2 . The invention further relates to a method for starting up a plant for producing H 2 by catalytic decomposition of NH 3 .
H2 kann durch erneuerbare Energien aus H2O gewonnen und anschließend mit N2 in NH3 umgewandelt werden. NH3 lässt sich weitaus sicherer als H2 speichern und transportieren. Anschließend kann NH3 wieder zu H2 und N2 zersetzt werden. Nach Abtrennung von N2 findet H2 unterschiedlichste industrielle Anwendungen.H 2 can be obtained from H 2 O using renewable energy and then converted into NH 3 with N 2 . NH 3 can be stored and transported much more safely than H 2 . NH 3 can then be broken down into H 2 and N 2 . After N 2 has been separated, H 2 can be used in a wide variety of industrial applications.
Die Zersetzung von NH3 zu N2 und H2 ist eine endotherme Reaktion (ΔH° = 45,9 kJ·mol-1), bei der sich die Stoffmenge verdoppelt (2 NH3 → N2 + 3 H2), 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 NH3 in N2 und H2 bei hoher Temperatur und mittlerem Druck in der Gasphase statt.The decomposition of NH 3 to N 2 and H 2 is an endothermic reaction (ΔH° = 45.9 kJ mol -1 ) in which the amount of substance doubles (2 NH 3 → N 2 + 3 H 2 ), so that the reaction is generally favored by high temperatures and low pressures. The higher the pressure, the higher the temperature must be in order to achieve satisfactory reaction yields. On an industrial scale, the catalytic decomposition of NH 3 to N 2 and H 2 takes place at high temperatures and medium pressure in the gas phase.
Gelagertes NH3 liegt in gekühlten Tanks flüssig vor, bei Atmosphärendruck und -32,8°C. Mit einer Pumpe wird NH3 bei Anlagendruck in die Anlage eingespeist. Durch den erhöhten Anlagendruck steigt der Siedepunkt des NH3, z.B. bei 27,8 bar a auf etwa 62,2°C. Um NH3 in die Gasphase zu überführen, ist zur Verdampfung des NH3 die Zufuhr von Wärme notwendig. Anschließend wird das verdampfte NH3 weiter erwärmt, bis es eine ausreichend hohe Temperatur erreicht hat, bei der es an einem NH3-Zersetzungskatalysator zersetzt werden kann.Stored NH 3 is in liquid form in cooled tanks at atmospheric pressure and -32.8°C. NH 3 is fed into the system at system pressure using a pump. The increased system pressure causes the boiling point of NH 3 to rise, e.g. at 27.8 bar a to about 62.2°C. In order to convert NH 3 into the gas phase, heat must be added to evaporate the NH 3. The evaporated NH 3 is then heated further until it has reached a sufficiently high temperature at which it can be decomposed on an NH 3 decomposition catalyst.
Die bekannten Verfahren zur katalytischen Zersetzung von NH3 in N2 und H2 erfordern die Zufuhr erheblicher Wärmemengen. Einerseits wird Wärme benötigt, um das Prozessgas und den NH3-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.The known processes for the catalytic decomposition of NH 3 into N 2 and H 2 require the supply of considerable amounts of heat. On the one hand, heat is required to bring the process gas and the NH 3 decomposition catalyst to a sufficiently high temperature at which satisfactory conversions are achieved. On the other hand, heat is required to maintain the endothermic decomposition reaction.
Bei großtechnischen Prozessen wird diese Wärme üblicherweise durch die Verbrennung eines Energieträgers bereitgestellt (vgl. z.B.
Anlagen zur Herstellung von H2 aus NH3 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 Sicherheitsüberprüfungen durchzuführen, Katalysatormaterial auszutauschen oder andere Wartungsarbeiten vorzunehmen. Im Ruhezustand kühlen die Anlagen ab, je nach Dauer der Unterbrechung des Betriebs bis auf Umgebungstemperatur.Plants for producing H 2 from NH 3 are usually operated continuously for long periods without interruption, for example over several weeks or months. Nevertheless, it is occasionally necessary to shut down such plants into a standby mode, for example to carry out safety checks, replace catalyst material or carry out other maintenance work. In the standby mode, the plants cool down to ambient temperature, depending on the duration of the interruption in operation.
Um eine solche Anlage aus dem Ruhezustand erneut in den kontinuierlichen Betrieb zu überführen, muss sie zunächst auf Betriebstemperatur aufgewärmt werden; bei Raumtemperatur kann NH3 nicht zersetzt werden. Unterschiedliche Anlagenteile haben üblicherweise unterschiedliche Betriebstemperaturen und erfordern daher ein Aufwärmen in unterschiedlichem Maße. Das Aufwärmen kann grundsätzlich dadurch erreicht werden, indem ein Wärmeträgermedium durch die Prozessseite der Anlage geleitet wird, z.B. N2, Wasserdampf, Erdgas oder Gemische davon, und mit der Verbrennung des Energieträgers begonnen wird, um die Wärme für den Aufheizvorgang bereitzustellen. Das Wärmeträgermedium kann ja nach Beschaffenheit entweder im Kreislauf zirkuliert oder über eine Fackel abgeraucht werden.In order to bring such a system back into continuous operation from idle mode, it must first be warmed up to operating temperature; NH 3 cannot be decomposed at room temperature. Different parts of the system usually have different operating temperatures and therefore require warming up to different degrees. Warming up can basically be achieved by passing a heat transfer medium through the process side of the system, e.g. N 2 , steam, natural gas or mixtures thereof, and starting to burn the energy carrier to provide the heat for the heating process. Depending on its properties, the heat transfer medium can either be circulated in the circuit or burned off via a flare.
Um den Einsatz fossiler Energieträger zu reduzieren oder sogar vollständig zu vermeiden, wird beim Normalbetrieb der Anlage anstelle von fossilen Energieträgern einen Teil des NH3 verbrannt und die dabei entstehende Verbrennungswärme für den Aufheizvorgang genutzt. NH3 ist dann einerseits Edukt für den Zersetzungsprozess, andererseits Energieträger für die Erzeugung der notwendigen Wärme. Im Gemisch mit Luft verbrennt NH3 jedoch nur unvollständig, weshalb die alleinige Verbrennung von reinem NH3 zusammen mit Verbrennungsluft von Nachteil ist. Die Folge wären Emissionen von unverbranntem NH3, was inakzeptabel wäre. Um die Verbrennung von NH3 zusammen mit Verbrennungsluft zu verbessern, wird im Normalbetrieb der Anlage dem zu verbrennenden Anteil an NH3 eine gewisse Menge an erzeugtem H2 beigemischt.In order to reduce the use of fossil fuels or even to avoid them completely, part of the NH 3 is burned instead of fossil fuels during normal operation of the plant and the resulting combustion heat is used for the heating process. NH 3 is then both a reactant for the decomposition process and an energy source for generating the necessary heat. However, NH 3 only burns incompletely when mixed with air, which is why the sole combustion of pure NH 3 together with combustion air is disadvantageous. The result would be emissions of unburned NH 3 , which would be unacceptable. In order to avoid the combustion of NH 3 together with combustion In order to improve the quality of the combustion air, a certain amount of generated H 2 is added to the NH 3 to be burned during normal operation of the plant.
Beim Anfahren der Anlage besteht jedoch ein wesentliches Problem darin, dass noch gar kein H2 als Zersetzungsprodukt zur Verfügung steht.However, a major problem when starting up the plant is that no H 2 is yet available as a decomposition product.
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 H2 erforderlich, es würden jedoch CO2-Emission anfallen; oder
- (ii) Bereitstellung von H2 im Kleinmaßstab und anschließende Verbrennung des H2 im Gemisch mit NH3, z.B. durch
- - Erzeugung von H2 mit Hilfe einer elektrisch beheizten Vorrichtung zur katalytischen Zersetzung von NH3;
- - Erzeugung von H2 durch Elektrolyse von Wasser; oder
- - Nutzung von gespeichertem H2, welches aus früherer Herstellung zurückgehalten wurde.
- (i) generating heat by combustion of natural gas or propane; this would not require H 2 but would result in CO 2 emissions; or
- (ii) Provision of H 2 on a small scale and subsequent combustion of the H 2 in a mixture with NH 3 , e.g. by
- - Production of H 2 by means of an electrically heated device for the catalytic decomposition of NH 3 ;
- - Production of H 2 by electrolysis of water; or
- - Use of stored H 2 retained from previous production.
Diese Lösungsansätze haben jedoch verschiedene Nachteile.However, these solutions have several disadvantages.
Die alternative Verbrennung von Erdgas oder Propan würde nicht nur zu unerwünschten Emission von CO2 führen, sondern würde insbesondere auch einen dualen Betrieb bei der Verbrennung des Energieträgers erfordern. Da die Konfiguration der Brenner typischerweise an den Energieträger angepasst werden muss, müssten beim Wechsel von Erdgas/Propan zu NH3/H2 Änderungen an der Konfiguration vorgenommen werden, oder es müsste eine zweite, separate Verbrennungseinrichtung vorgehalten werden.The alternative combustion of natural gas or propane would not only lead to undesirable emissions of CO 2 , but would also require dual operation when burning the energy source. Since the configuration of the burners typically has to be adapted to the energy source, changes to the configuration would have to be made when switching from natural gas/propane to NH 3 /H 2 , or a second, separate combustion facility would have to be provided.
Die temporäre Erzeugung von H2 im Kleinmaßstab durch separate katalytische Zersetzungseinrichtungen oder Elektrolysezellen würde einen erheblichen zusätzlichen apparativen Aufwand erfordern. Dies gilt auch für die Speicherung von H2, welche zudem mit nicht unerheblichen Sicherheitsproblemen behaftet wäre.The temporary production of H 2 on a small scale using separate catalytic decomposition devices or electrolysis cells would require considerable additional equipment. This also applies to the storage of H 2 , which would also be associated with significant safety problems.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen und Verfahren zur Gewinnung von H2 aus NH3 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 verbesserten Anlagen und Verfahren, welche sich wirtschaftlich in großtechnischem Maßstab durchführen lassen.The state-of-the-art plants and processes for the extraction of H 2 from NH 3 are not satisfactory in every respect, particularly with regard to interruptions to normal operation and the subsequent start-up of the plants. There is therefore a need for improved plants and processes that can be carried out economically on a large-scale.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine vorteilhafte Anlage und ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung von H2 aus NH3 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.It is an object of the invention to provide an advantageous plant and an advantageous process for producing H 2 from NH 3 , which overcome the disadvantages mentioned above. The plant should be able to be started up without additional, costly measures and equipment, and should not rely on any fossil fuels. do not entail any additional safety risks and be economically viable and possible on a large technical scale.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche gelöst.This problem is solved by the subject matter of the patent claims.
Es wurde überraschend gefunden, dass bestimmte Vorrichtungen, welche beim Normalbetrieb der Anlagen anderen Zwecken dienen, für die Dauer des Anfahrens umfunktioniert und anders verschaltet werden können. Auf diese Weise gelingt es, bereits während des Anfahrens der Anlage H2 in ausreichender Menge aus NH3 durch Zersetzung zu gewinnen, so dass die Verbrennung von NH3 im Gemisch mit H2 gestartet und die Anlage langsam auf Betriebstemperatur aufgewärmt werden kann. Der zusätzliche apparative Aufwand für das Anfahren der Anlage wird somit minimiert.It was surprisingly discovered that certain devices that serve other purposes during normal plant operation can be converted and connected differently for the duration of the start-up. In this way, it is possible to obtain sufficient amounts of H 2 from NH 3 by decomposition during the start-up of the plant, so that the combustion of NH 3 in a mixture with H 2 can be started and the plant can be slowly warmed up to operating temperature. The additional equipment required for starting up the plant is thus minimized.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von H2 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 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 einer Vorrichtung auf die Betriebstemperatur umfasst:
- - ein Heizelement zum Erwärmen von NH3;
- - in Strömungsrichtung des NH3 stromabwärts des Heizelements eine erste NH3-Zersetzungseinrichtung (Vorreaktor) zum partiellen katalytischen Zersetzen des erwärmten NH3 unter Erzeugung eines Verbrennungsgases umfassend H2, N2 und restliches NH3;
- - optional, in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases stromabwärts der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung (Vorreaktor) eine Vorrichtung zum Zudosieren von Verbrennungsluft in das Verbrennungsgas;
- - in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases stromabwärts der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung eine Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen des Verbrennungsgases unter Erzeugung von Verbrennungswärme und Rauchgas;
- - einen Verdichter zum Verdichten eines Wärmeträgermediums; und
- - in Strömungsrichtung des Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung und in Strömungsrichtung 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 Verbindung steht.
wherein the plant is operable in a manufacturing mode (normal operation) at operating temperatures;
wherein the system is operable in a start-up mode (start-up operation) to heat at least one device of the system from an initial temperature to an operating temperature;
wherein the start-up mode system comprises at least the following means for heating the at least one device to the operating temperature:
- - a heating element for heating NH 3 ;
- - in the flow direction of the NH 3 downstream of the heating element, a first NH 3 decomposition device (pre-reactor) for partially catalytically decomposing the heated NH 3 to produce a combustion gas comprising H 2 , N 2 and residual NH 3 ;
- - optionally, in the flow direction of the combustion gas downstream of the first NH 3 decomposition device (pre-reactor), a device for metering combustion air into the combustion gas;
- - in the flow direction of the combustion gas downstream of the first NH 3 decomposition device, a combustion device for burning the combustion gas to produce combustion heat and flue gas;
- - a compressor for compressing a heat transfer medium; and
- - in the flow direction of the flue gas downstream of the combustion device and in the flow direction of the heat transfer medium downstream of the compressor
- - a first heat exchanger [preferably flue gas/heat transfer medium heat exchanger for start-up mode] and/or
- - a second heat exchanger [preferably flue gas/heat transfer medium heat exchanger for start-up mode]
- for heating the heat transfer medium by absorbing heat from the flue gas; and wherein the at least one device of the system is arranged in the flow direction of the heat transfer medium downstream of the first heat exchanger and/or the second heat exchanger and is in fluid communication with the heat transfer medium for absorbing heat from the heat transfer medium.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung von H2.A second aspect of the invention relates to the use of a plant according to the invention for the production of H 2 .
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren einer Anlage zur Herstellung von H2 aus NH3 umfassend die folgenden Schritte:
- (a) optional, Verdampfen von Wasser unter Erzeugung von Wasserdampf;
- (b) optional, Verdampfen von flüssigem NH3 durch Aufnahme von Wärme aus dem Wasserdampf;
- (c) Erwärmen von NH3;
- (d) partielles katalytisches Zersetzen des erwärmten NH3 in einer ersten NH3-Zersetzungseinrichtung unter Erzeugung eines Verbrennungsgases umfassend H2, N2 und restliches NH3;
- (e) optional, Zudosieren von Verbrennungsluft in das Verbrennungsgas;
- (f) Verbrennen des Verbrennungsgases in einer Verbrennungseinrichtung 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.
- (a) optionally, evaporating water to produce water vapor;
- (b) optionally, evaporation of liquid NH 3 by absorption of heat from the water vapor;
- (c) heating of NH 3 ;
- (d) partially catalytically decomposing the heated NH 3 in a first NH 3 decomposition device to produce a combustion gas comprising H 2 , N 2 and residual NH 3 ;
- (e) optionally, dosing of combustion air into the combustion gas;
- (f) burning the combustion gas in a combustion device to produce heat of combustion and flue gas;
- (g) compressing a heat transfer medium;
- (h) heating the heat transfer medium by absorbing heat from the flue gas; and
- (i) Heating at least one device of the system by absorbing heat from the heat transfer medium.
Schritte (a), (b) und (e) des erfindungsgemäßen Verfahrens sind unabhängig voneinander optional. Bevorzugt werden Schritte (a) bis (i), sofern verwirklicht, in alphabetischer Reihenfolge durchgeführt.Steps (a), (b) and (e) of the method according to the invention are optional, independently of one another. Preferably, steps (a) to (i), if implemented, are carried out in alphabetical order.
Erfindungsgemäß wird unterschieden zwischen dem Herstellmodus (Normalbetrieb) und dem Anfahrmodus (Anfahrbetrieb). Während auch bereits im Anfahrmodus in gewissem Umfang H2 aus NH3 hergestellt wird, unterscheiden sich Menge und Ausbeute des hergestellten H2 bevorzugt erheblich.According to the invention, a distinction is made between the production mode (normal operation) and the start-up mode (start-up operation). While H 2 is already produced from NH 3 to a certain extent in the start-up mode, the amount and yield of the H 2 produced preferably differ considerably.
Im Anfahrmodus sind sowohl die Menge als auch die Ausbeute an hergestelltem H2 bevorzugt vergleichsweise gering; es wird bevorzugt nur die erste NH3-Zersetzungseinrichtung zur partiellen katalytischen Zersetzung von NH3 eingesetzt und das hergestellte Zwischenproduktgas wird als Verbrennungsgas zur Erzeugung der benötigten Wärme verbrannt.In the start-up mode, both the amount and the yield of H 2 produced are preferably comparatively low; preferably only the first NH 3 decomposition device is used for the partial catalytic decomposition of NH 3 and the intermediate gas produced is burned as combustion gas to generate the required heat.
Im Herstellmodus sind sowohl die Menge als auch die Ausbeute an hergestelltem H2 bevorzugt vergleichsweise hoch; es werden bevorzugt sowohl die erste NH3-Zersetzungseinrichtung (Vorreaktor) als auch nachgeschaltet die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung (Hauptreaktor) zur möglichst vollständigen katalytischen Zersetzung von NH3 eingesetzt. Das in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung hergestellte Zwischenproduktgas wird nicht als Verbrennungsgas verbrannt, sondern bevorzugt nach Erwärmung der nachgeschalteten zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung zugeführt, wo eine möglichst vollständige Zersetzung des NH3 erfolgt. Aus dem in der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung erzeugten Produktgas wird anschließend H2 abgetrennt, bevorzugt durch Druckwechseladsorption, und das dabei anfallende restliche Gasgemisch wird zur Erzeugung der benötigten Wärme als Verbrennungsgas verbrannt. Da in der Praxis die Zersetzung des NH3 in der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung nicht absolut vollständig erfolgt (100,0%), verbleibt eine Restmenge an NH3 zurück, welche ggf. nach Zudosieren von zusätzlichem, frischen NH3 als Verbrennungsgas verbrannt wird.In the production mode, both the amount and the yield of H 2 produced are preferably comparatively high; preferably both the first NH 3 decomposition device (pre-reactor) and the downstream second NH 3 decomposition device (main reactor) are used for the most complete catalytic decomposition of NH 3. The intermediate product gas produced in the first NH 3 decomposition device is not burned as combustion gas, but is preferably fed after heating to the downstream second NH 3 decomposition device, where the most complete decomposition of the NH 3 takes place. H 2 is then separated from the product gas produced in the second NH 3 decomposition device, preferably by pressure swing adsorption, and the resulting residual gas mixture is burned as combustion gas to generate the required heat. Since in practice the decomposition of NH 3 in the second NH 3 decomposition device is not absolutely complete (100.0%), a residual amount of NH 3 remains, which is burned as combustion gas after addition of additional, fresh NH 3 .
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscher dienen der Übertragung von Wärme von einem Medium 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 NH3 abzugeben. Dazu ist der Rauchgas/NH3-Wärmetauscher entsprechend verschaltet, d.h. seine wärmere Seite wird von Rauchgas durchströmt, wohingegen seine kühlere Seite von NH3 durchströmt wird.The heat exchangers according to the invention serve to transfer heat from one medium to another medium without the media being mixed together. For the purpose of description, in relation to an "A/B heat exchanger", the medium A that releases the heat is mentioned first, followed by the medium B that absorbs the heat. Accordingly, for example, a "flue gas/NH 3 heat exchanger" serves to release heat contained in the flue gas to NH 3. The flue gas/NH 3 heat exchanger is connected accordingly for this purpose, ie flue gas flows through its warmer side, whereas NH 3 flows through its cooler side.
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 Gegenwart aller Wärmetauscher niedrigerer Nummerierung erfordert („erster Wärmetauscher“, „zweiter Wärmetauscher“, „dritter Wärmetauscher“). So ist es z.B. möglich, dass die erfindungsgemäße Anlage einen erfindungsgemäßen zweiten Wärmetauscher sowie einen erfindungsgemäßen vierten Wärmetauscher umfasst, jedoch weder einen erfindungsgemäßen ersten Wärmetauscher noch einen erfindungsgemäßen dritten Wärmetauscher.For the purpose of description, the heat exchangers are numbered. This numbering is merely for linguistic differentiation, but should not be understood to mean that the presence of a heat exchanger with a higher number, e.g. "fourth heat exchanger", always necessarily requires the presence of all heat exchangers with a lower number ("first heat exchanger", "second heat exchanger", "third heat exchanger"). It is thus possible, for example, for the system according to the invention to comprise a second heat exchanger according to the invention and a fourth heat exchanger according to the invention, but neither a first heat exchanger according to the invention nor a third heat exchanger according to the invention.
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 zwischen beiden Betriebsmodi und den jeweiligen bevorzugten Formen des Wärmeaustauschs unterschieden. So bedeutet z.B. „erster Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/NH3-Wärmetauscher für den Herstellmodus; Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus]“, dass der erste Wärmetauscher bevorzugt zwei unterschiedliche Funktionen übernimmt: Im Herstellmodus wird im ersten Wärmetauscher bevorzugt Wärme vom Rauchgas an NH3 abgegeben, im Anfahrmodus wird im ersten Wärmetauscher bevorzugt Wärme vom Rauchgas an Wärmeträgermedium abgegeben. Wenn im Anfahrmodus das Wärmeträgermedium NH3 ist, handelt es sich letztlich auch im Anfahrmodus um einen Rauchgas/NH3-Wärmetauscher. Sofern ein solcher Wärmetauscher im Kontext mit einem bestimmten Modus beschrieben wird (entweder Herstellmodus oder Anfahrmodus), wird ggf. in den nachgestellten eckigen Klammern nur auf die zugehörige bevorzugte Form des Wärmeaustauschs verwiesen.According to the invention, it is possible and also preferred that one and the same heat exchanger serves a different function in the production mode than in the start-up mode, in particular that other media flow through it at least in part or on one side (warm side vs. cold side). In such cases, for the purposes of description, a distinction is made in individual cases in square brackets between the two operating modes and the respective preferred forms of heat exchange. For example, “first heat exchanger [preferably flue gas/NH 3 heat exchanger for the production mode; flue gas/heat transfer medium heat exchanger for the start-up mode]” means that the first heat exchanger preferably takes on two different functions: in the production mode, heat from the flue gas is preferably transferred to NH 3 in the first heat exchanger, and in the start-up mode, heat from the flue gas is preferably transferred to the heat transfer medium in the first heat exchanger. If the heat transfer medium in the start-up mode is NH 3 , it is ultimately also a flue gas/NH 3 heat exchanger in the start-up mode. If such a heat exchanger is described in the context of a specific mode (either manufacturing mode or start-up mode), the square brackets following the description may only refer to the corresponding preferred form of heat exchange.
Zum Zwecke der Beschreibung wird der Begriff „Wasser“, sofern nicht ausdrücklich etwas Anderes 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“.For the purpose of description, unless expressly stated otherwise, the term "water" is used for all its states of aggregation, whereby, depending on temperature and pressure, this water can be liquid or gaseous or exist as a two-phase system, ie possibly also as water vapor. This also applies analogously to "NH 3 ".
Die erfindungsgemäße Anlage umfasst eine erste NH3-Zersetzungseinrichtung und eine zweite NH3-Zersetzungseinrichtung, welche beide NH3-Zersetzungskatalysator enthalten. Die erste NH3-Zersetzungseinrichtung ist bevorzugt ein Festbettreaktor. In der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung erfolgt die Zersetzung von NH3 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 H2, O2 und CO/CO2 aus H2O und CH4 eingesetzt wird.The plant according to the invention comprises a first NH 3 decomposition device and a second NH 3 decomposition device, both of which contain NH 3 decomposition catalyst. The first NH 3 decomposition device is preferably a fixed bed reactor. In the first NH 3 decomposition device, the decomposition of NH 3 preferably takes place adiabatically. The downstream second NH 3 decomposition device is preferably connected together with a The combustion device is designed analogously to a primary reformer, as used in conventional steam reforming to produce H 2 , O 2 and CO/CO 2 from H 2 O and CH 4 .
Im Herstellmodus erfolgt die katalytische Zersetzung des NH3 zweistufig in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung und der nachgeschalteten zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung. Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des NH3 stromabwärts der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung und bevorzugt stromaufwärts der nachgeschalteten zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung der zweite Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Zwischenproduktgas-Wärmetauscher für den Herstellmodus] angeordnet. Im Herstellmodus dient der zweite Wärmetauscher bevorzugt zum Erwärmen des Zwischenproduktgases nach dem Verlassen der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung und vor Eintritt in die nachgeschaltete zweite NH3-Zersetzungseinrichtung (Hauptreaktor, zusammen mit Verbrennungseinrichtung analog Primärreformer). Im Herstellmodus nimmt im zweiten Wärmetauscher Zwischenproduktgas bevorzugt Wärme aus Rauchgas auf (vgl.
Im Herstellmodus tritt vorgeheiztes NH3 in die erste NH3-Zersetzungseinrichtung ein, in der zu einem gewissen Ausmaß eine partielle katalytische Zersetzung von NH3 zu N2 und H2 erfolgt. Es wird ein Zwischenproduktgas gebildet, welches noch erhebliche Restmengen an nicht zersetztem NH3, aber auch bereits gebildetes N2 und H2 enthält. Infolge der endothermen Zersetzung von NH3 kühlt sich das Zwischenproduktgas bevorzugt ab. Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH3 in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung höchstens 25%, bevorzugter höchstens 20% des insgesamt erreichten Gesamtumsatzes. Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH3 in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung mindestens 5%, bevorzugter mindestens 10%, noch bevorzugter mindestens 15% des insgesamt erreichten Gesamtumsatzes. Nach Verlassen der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung wird das Zwischenproduktgas bevorzugt in dem zweiten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Zwischenproduktgas-Wärmetauscher für den Herstellmodus] erneut aufgeheizt, ehe es in die nachgeschaltete, zweite NH3-Zersetzungseinrichtung eintritt. In der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung erfolgt dann die restliche Zersetzung von NH3 bis zum insgesamt erreichten Gesamtumsatz.In production mode, preheated NH 3 enters the first NH 3 decomposition device, in which a partial catalytic decomposition of NH 3 to N 2 and H 2 takes place to a certain extent. An intermediate product gas is formed which still contains considerable residual amounts of non-decomposed NH 3 , but also already formed N 2 and H 2. As a result of the endothermic decomposition of NH 3 , the intermediate product gas preferably cools down. Preferably, the conversion of decomposed NH 3 in the first NH 3 decomposition device is at most 25%, more preferably at most 20% of the total conversion achieved overall. Preferably, the conversion of decomposed NH 3 in the first NH 3 decomposition device is at least 5%, more preferably at least 10%, even more preferably at least 15% of the total conversion achieved overall. After leaving the first NH 3 decomposition device, the intermediate product gas is preferably heated again in the second heat exchanger [preferably flue gas/intermediate product gas heat exchanger for the production mode] before it enters the downstream, second NH 3 decomposition device. The remaining decomposition of NH 3 then takes place in the second NH 3 decomposition device until the total conversion is achieved.
Im Unterschied dazu erfolgt im Anfahrmodus die katalytische Zersetzung des NH3 bevorzugt lediglich einstufig, und zwar nur in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung. Die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung trägt im Anfahrmodus, zumindest während früher Phasen des Anfahrmodus, bevorzugt noch nicht zur Zersetzung von NH3 bei.In contrast, in start-up mode, the catalytic decomposition of NH 3 preferably only takes place in one stage, and only in the first NH 3 decomposition device. In start-up mode, the second NH 3 decomposition device preferably does not yet contribute to the decomposition of NH 3 , at least during early phases of the start-up mode.
Im Anfahrmodus tritt vorgeheiztes NH3 in die erste NH3-Zersetzungseinrichtung ein, in der zu einem gewissen Ausmaß eine partielle katalytische Zersetzung von NH3 zu N2 und H2 erfolgt. Es wird ebenfalls ein Zwischenproduktgas gebildet, welches noch erhebliche Restmengen an nicht zersetztem NH3, aber auch bereits gebildetes N2 und H2 enthält. Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH3 in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung höchstens 25%, bevorzugter höchstens 20% bezogen auf die Menge an NH3. Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH3 in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung mindestens 5%, bevorzugter mindestens 10%, noch bevorzugter mindestens 15% bezogen auf die Menge an NH3.In start-up mode, preheated NH 3 enters the first NH 3 decomposition device, in which a partial catalytic decomposition of NH 3 to N 2 and H 2 takes place to a certain extent. An intermediate product gas is also formed which still contains considerable residual amounts of non-decomposed NH 3 , but also N 2 and H 2 which have already been formed. Preferably, the conversion of decomposed NH 3 in the first NH 3 decomposition device is at most 25%, more preferably at most 20%, based on the amount of NH 3. Preferably, the conversion of decomposed NH 3 in the first NH 3 decomposition device is at least 5%, more preferably at least 10%, even more preferably at least 15%, based on the amount of NH 3 .
Im Unterschied zum Herstellmodus wird im Anfahrmodus das in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung gebildete Zwischenproduktgas bevorzugt nicht in die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung geleitet, sondern stattdessen in die Verbrennungseinrichtung. Die im Zwischenproduktgas enthaltenen Menge an gebildetem H2 reicht für eine zufriedenstellende Verbrennung des NH3 aus, so dass durch die Verbrennung des Zwischenproduktgases genügend Verbrennungswärme erzeugt wird, um die Anlage nach und nach auf Betriebstemperatur aufzuwärmen.In contrast to the production mode, in the start-up mode the intermediate product gas formed in the first NH 3 decomposition device is preferably not fed into the second NH 3 decomposition device, but instead into the combustion device. The amount of H 2 formed in the intermediate product gas is sufficient for satisfactory combustion of the NH 3 , so that the combustion of the intermediate product gas generates sufficient combustion heat to gradually warm up the system to operating temperature.
In bevorzugten Ausführungsformen wird im Anfahrmodus der NH3-Storm in einen ersten NH3-Teilstrom und einen zweiten NH3-Teilstrom aufgeteilt. Nur der erste NH3-Teilstrom wird der ersten Zersetzungseinrichtung zugeführt. Der zweite NH3-Teilstrom durchströmt stattdessen die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung, wodurch die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung Wärme aus dem zweiten NH3-Teilstrom aufnimmt. Der zweite NH3-Teilstrom hat demnach zunächst nur die Funktion als Wärmeträgermedium. Nach und nach wird auf diese Weise die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung erwärmt, bis die Anspringtemperatur (Aktivierungstemperatur) für die katalytische Zersetzung von NH3 erreicht ist, so dass ab diesem Zeitpunkt zusätzlicher H2 in der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung durch katalytische Zersetzung von NH3 hergestellt wird (vgl.
In bevorzugten Ausführungsformen wird im Anfahrmodus die Menge an H2 im Verbrennungsgas im Vergleich zum Herstellmodus erhöht. Durch das größere Verhältnis von H2 zu NH3 wird die Verbrennung begünstigt, wodurch die Betriebstemperatur schneller erreicht werden kann.In preferred embodiments, the amount of H 2 in the combustion gas is increased in start-up mode compared to production mode. The larger ratio of H 2 to NH 3 promotes combustion, which allows the operating temperature to be reached more quickly.
Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass die erste NH3-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 NH3 für die Erzeugung des Produktgases. Die erfindungsgemäße Anlage umfasst bevorzugt keine weitere separate NH3-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.It is a significant advantage of the invention that the first NH 3 decomposition device can be used for two different purposes, namely in start-up mode for the production of the combustion gas and in production mode for the first stage a total of two-stage decomposition of NH 3 for the production of the product gas. The plant according to the invention preferably does not comprise any further separate NH 3 decomposition device, which is used exclusively in the start-up mode, but not in the production mode. Such separate NH 3 decomposition devices are commercially available, possibly already equipped with an electric heater, but such additional equipment expenditure can also be dispensed with according to the invention.
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 H2O-Dampferzeuger.
- - the preferably electrically operated heating element and
- - the preferably electrically operated H 2 O steam generator.
Damit das NH3 für die katalytische Zersetzung in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung eine ausreichend hohe Temperatur hat, weist die erfindungsgemäße Anlage für den Anfahrmodus ein Heizelement zum Erwärmen von NH3 auf. Bevorzugt ist das Heizelement elektrisch betrieben. Bevorzugt erfolgt das Erwärmen von NH3 in Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens also unter Einsatz von elektrischer Energie.In order that the NH 3 has a sufficiently high temperature for the catalytic decomposition in the first NH 3 decomposition device, the system according to the invention has a heating element for heating NH 3 in the start-up mode. The heating element is preferably electrically operated. The heating of NH 3 in step (c) of the method according to the invention is therefore preferably carried out using electrical energy.
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 NH3 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 gesamte Bypass einschließlich des Heizelements nicht mehr von NH3 durchströmt. Um eine solche Reaktionsführung zu ermöglichen, sind bevorzugt geeignete Ventile vorgesehen, welche die gezielte Strömung des NH3 durch den Bypass hindurch oder nicht durch den Bypass hindurch ermöglichen.Preferably, the heating element is only provided for the start-up mode and is switched off in the production mode. In preferred embodiments, the heating element is connected via a line system in a bypass so that the NH 3 can be passed through the heating element via the bypass in the start-up mode to be heated there. Once the production mode is reached, NH 3 preferably no longer flows through the entire bypass including the heating element. In order to enable such a reaction to be carried out, suitable valves are preferably provided which enable the targeted flow of the NH 3 through the bypass or not through the bypass.
Das NH3 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 Anfahrmodus. Erfindungsgemäß bevorzugt erfolgt die Verdampfung des NH3 durch Aufnahme von Wärme aus Wasserdampf.The NH 3 is typically provided in liquid form as a starting material and must therefore first be evaporated. This applies not only to the production mode, but also to the start-up mode. According to the invention, the evaporation of the NH 3 preferably takes place by absorbing heat from water vapor.
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 NH3 abgibt.In the production mode, the water vapor is preferably provided by process heat, whereby water as a heat transfer medium absorbs heat from the product gas and/or the flue gas and the thus heated water vapor releases heat to liquid NH 3 .
Im Anfahrmodus ist zunächst jedoch noch keine Prozesswärme vorhanden, so dass die erfindungsgemäße Anlage bevorzugt eine H2O-Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen von Wasser unter Erzeugung von Wasserdampf umfasst. Die H2O-Verdampfungseinrichtung ist bevorzugt in Strömungsrichtung des NH3 stromaufwärts des Heizelements angeordnet. Die H2O-Verdampfungseinrichtung 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 erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt unter Einsatz von elektrischer Energie erfolgt.In start-up mode, however, there is initially no process heat present, so that the system according to the invention preferably comprises an H 2 O evaporation device for evaporating water to generate water vapor. The H 2 O evaporation device is preferably arranged upstream of the heating element in the direction of flow of the NH 3. The H 2 O evaporation device is preferably heated electrically. The method according to the invention therefore preferably comprises the two optional steps (a) and (b), with the generation of water vapor in step (a) of the method according to the invention preferably taking place using electrical energy.
Bevorzugt ist die bevorzugt elektrisch beheizte H2O-Verdampfungseinrichtung nur für den Anfahrmodus vorgesehen und wird im Herstellmodus abgeschaltet. In bevorzugten Ausführungsformen ist die H2O-Verdampfungseinrichtung über ein Leitungssystem in einem Bypass verschaltet, so dass das Wasser im Anfahrmodus über den Bypass durch die H2O-Verdampfungseinrichtung hindurch geleitet werden kann, um dort erwärmt und verdampft zu werden. Ist der Herstellmodus erreicht, so wird bevorzugt der gesamte Bypass einschließlich der H2O-Verdampfungseinrichtung nicht mehr von Wasser durchströmt. Um eine solche Reaktionsführung zu ermöglichen, sind bevorzugt geeignete Ventile vorgesehen, welche die gezielte Strömung des Wassers durch den Bypass hindurch oder nicht durch den Bypass hindurch ermöglichen.Preferably, the preferably electrically heated H 2 O evaporation device is only intended for the start-up mode and is switched off in the production mode. In preferred embodiments, the H 2 O evaporation device is connected via a line system in a bypass, so that in the start-up mode the water can be passed through the bypass through the H 2 O evaporation device to be heated and evaporated there. Once the production mode is reached, preferably the entire bypass including the H 2 O evaporation device is no longer flowed through by water. In order to enable such a reaction to be carried out, suitable valves are preferably provided which enable the targeted flow of the water through the bypass or not through the bypass.
Darüber hinaus umfasst die die erfindungsgemäße Anlage bevorzugt eine NH3-Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen von flüssigem NH3 durch Aufnahme von Wärme aus dem Wasserdampf.Furthermore, the plant according to the invention preferably comprises an NH 3 evaporation device for evaporating liquid NH 3 by absorbing heat from the water vapor.
Auf diese Weise kann im Anfahrmodus das flüssige NH3 zunächst verdampft werden, indem es Wärme aus dem Wasserdampf aufnimmt, welcher seinerseits in der bevorzugt elektrisch beheizten H2O-Verdampfungseinrichtung erzeugt wird. Anschließend wird das verdampfte NH3 durch das bevorzugt elektrisch beheizte Heizelement geleitet und darin auf eine Temperatur erwärmt, welche für die anschließende partielle katalytische Zersetzung des NH3 in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung ausreicht. Das so erzeugte Zwischenproduktgas wird anschließend in der Verbrennungseinrichtung verbrannt und erzeugt dabei ein Rauchgas sowie Verbrennungswärme.In this way, in start-up mode, the liquid NH 3 can first be evaporated by absorbing heat from the water vapor, which in turn is generated in the preferably electrically heated H 2 O evaporation device. The evaporated NH 3 is then passed through the preferably electrically heated heating element and heated therein to a temperature which is sufficient for the subsequent partial catalytic decomposition of the NH 3 in the first NH 3 decomposition device. The intermediate product gas thus generated is then burned in the combustion device, generating a flue gas and combustion heat.
Die durch die Verbrennung der Verbrennungsgase erzeugte Wärme wird erfindungsgemäß nicht nur um Herstellmodus, sondern auch im Anfahrmodus genutzt. Die Verbrennungsgase können typischerweise unterschiedliche Herkunft und Zusammensetzung haben.According to the invention, the heat generated by the combustion of the combustion gases is used not only in the production mode, but also in the start-up mode. The combustion gases can typically have different origins and compositions.
Im Herstellmodus dient die Verbrennungswärme im Wesentlichen dazu, das NH3 auf die notwendige Reaktionstemperatur zu erwärmen, damit in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung und der nachgeschalteten, zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung die Reaktionswärme der endothermen Reaktion bereitgestellt wird und die Umsetzung über beide NH3-Zersetzungseinrichtungen mit hohem Umsatz erfolgt. Dazu wird insbesondere für die Verdampfung des NH3 bevorzugt Wasserdampf als Wärmeträgermedium eingesetzt.In production mode, the heat of combustion is essentially used to heat the NH 3 to the necessary reaction temperature so that the reaction heat of the endothermic reaction is provided in the first NH 3 decomposition device and the downstream second NH 3 decomposition device and the conversion takes place via both NH 3 decomposition devices with a high conversion. For this purpose, water vapor is preferably used as a heat transfer medium, especially for the evaporation of the NH 3 .
Im Anfahrmodus dient die Verbrennungswärme im Wesentlichen dazu, ein Wärmeträgermedium 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 Verbrennungswärme und/oder indirekt Wärme aus dem Rauchgas auf. Dazu ist bevorzugt in Strömungsrichtung des Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung und in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums stromabwärts des Verdichters
- - der erste Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] und/oder
- - der zweite Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus]
- - the first heat exchanger [preferably flue gas/heat transfer medium heat exchanger for start-up mode] and/or
- - the second heat exchanger [preferably flue gas/heat transfer medium heat exchanger for start-up mode]
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Wärmeträgermedium N2 oder besteht im Wesentlichen daraus. Dabei wird N2 bevorzugt solange durch wenigstens einen Teil der Anlage zirkuliert, bis die gewünschte Betriebstemperaturen der Teile der Anlage erreicht sind. Ist dieser Zustand erreicht, wird N2 bevorzugt aus der Anlage ausgeschleust und in den Herstellmodus gewechselt. Für diesen Wechsel wird dem N2 bevorzugt kontinuierlich NH3 beigemischt und das Gemisch aus N2 und NH3 ggf. über eine Fackel verbrannt. Ist der Gehalt an NH3 im Gemisch mit N2 groß genug, kann mit dem Herstellmodus begonnen werden.In preferred embodiments, the heat transfer medium comprises N 2 or consists essentially of it. N 2 is preferably circulated through at least part of the system until the desired operating temperatures of the parts of the system are reached. Once this state has been reached, N 2 is preferably discharged from the system and switched to production mode. For this change, NH 3 is preferably continuously mixed with the N 2 and the mixture of N 2 and NH 3 is optionally burned via a flare. If the content of NH 3 in the mixture with N 2 is large enough, production mode can be started.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Wärmeträgermedium NH3 oder besteht im Wesentlichen daraus. Dabei wird NH3 bevorzugt solange durch wenigstens einen Teil der Anlage zirkuliert, bis die gewünschte Betriebstemperaturen der Teile der Anlage erreicht sind. Ist dieser Zustand erreicht, wird mit dem Herstellmodus begonnen.In other preferred embodiments, the heat transfer medium comprises NH 3 or consists essentially thereof. NH 3 is preferably circulated through at least part of the system until the desired operating temperatures of the parts of the system are reached. Once this state is reached, the production mode is started.
In bevorzugten Ausführungsformen wird im Anfahrmodus der NH3-Storm in einen ersten NH3-Teilstrom und einen zweiten NH3-Teilstrom aufgeteilt. Nur der erste NH3-Teilstrom wird der ersten Zersetzungseinrichtung zugeführt. Der zweite NH3-Teilstrom durchströmt stattdessen die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung, wodurch die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung Wärme aus dem zweiten NH3-Teilstrom aufnimmt. Der zweite NH3-Teilstrom hat demnach zunächst nur die Funktion als Wärmeträgermedium. Nach und nach wird auf diese Weise die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung erwärmt, bis die Anspringtemperatur (Aktivierungstemperatur) für die katalytische Zersetzung von NH3 erreicht ist, so dass ab diesem Zeitpunkt zusätzlicher H2 in der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung durch katalytische Zersetzung von NH3 hergestellt wird.In preferred embodiments, in the start-up mode, the NH 3 stream is divided into a first NH 3 partial stream and a second NH 3 partial stream. Only the first NH 3 partial stream is fed to the first decomposition device. The second NH 3 partial stream flows through the second NH 3 decomposition device instead, whereby the second NH 3 decomposition device absorbs heat from the second NH 3 partial stream. The second NH 3 partial stream therefore initially only functions as a heat transfer medium. In this way, the second NH 3 decomposition device is gradually heated until the start-up temperature (activation temperature) for the catalytic decomposition of NH 3 is reached, so that from this point onwards additional H 2 is produced in the second NH 3 decomposition device by catalytic decomposition of NH 3 .
In bevorzugten Ausführungsformen wird im Anfahrmodus die Menge an H2 im Verbrennungsgas im Vergleich zum Herstellmodus erhöht. Durch das größere Verhältnis von H2 zu NH3 wird die Verbrennung begünstigt, wodurch die Betriebstemperatur schneller erreicht werden kann.In preferred embodiments, the amount of H 2 in the combustion gas is increased in start-up mode compared to production mode. The larger ratio of H 2 to NH 3 promotes combustion, which allows the operating temperature to be reached more quickly.
Im Anfahrmodus ist wenigstens eine Vorrichtung der Anlage in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums stromabwärts des ersten Wärmetauschers und/oder des zweiten Wärmetauschers angeordnet und steht mit dem Wärmeträgermedium zur Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium in fluider Verbindung. Diese wenigstens eine Vorrichtung der Anlage wird im Anfahrmodus durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium erwärmt.In start-up mode, at least one device of the system is arranged in the flow direction of the heat transfer medium downstream of the first heat exchanger and/or the second heat exchanger and is in fluid communication with the heat transfer medium for absorbing heat from the heat transfer medium. This at least one device of the system is heated in start-up mode by absorbing heat from the heat transfer medium.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmodus durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium erwärmt wird, die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung (vgl.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmodus durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium erwärmt wird, ein dritter Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] (vgl.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmodus durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium erwärmt wird, ein vierter Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] (vgl.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmodus durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium erwärmt wird, ein fünfter Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] (vgl.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmodus durch Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträgermedium erwärmt wird, ein sechster Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] (vgl.
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 Vorrichtung ist bevorzugt in Strömungsrichtung des Rauchgases stromabwärts des ersten Wärmetauschers und/oder des zweiten Wärmetauschers angeordnet.In addition, in start-up mode, the flue gas generated during combustion of the combustion gas can also release heat to at least one device in the system. This at least one device is typically arranged in the flue gas duct. This at least one device is preferably arranged downstream of the first heat exchanger and/or the second heat exchanger in the flow direction of the flue gas.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmodus durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas erwärmt wird, ein erster Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher (vgl.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmodus durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas erwärmt wird, eine Rauchgasentstickungseinheit (vgl.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmodus durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas erwärmt wird, ein Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher (vgl.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Vorrichtung, welche im Anfahrmodus durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas erwärmt wird, ein zweiter Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher (vgl.
Bevorzugt stehen die Verbrennungseinrichtung und die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung miteinander in Wärmeaustausch und sind für einen Wärmestrom von der Verbrennungseinrichtung in die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung konfiguriert. Dazu sind sie bevorzugt analog einem Primärreformer ausgebildet, wie er bei der herkömmlichen Dampfreformierung zur Erzeugung von H2, O2 und CO/CO2 aus H2O und CH4 eingesetzt wird.Preferably, the combustion device and the second NH 3 decomposition device are in heat exchange with one another and are configured for a heat flow from the combustion device into the second NH 3 decomposition device. For this purpose, they are preferably designed analogously to a primary reformer, as is used in conventional steam reforming to produce H 2 , O 2 and CO/CO 2 from H 2 O and CH 4 .
In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage ist die Anlage im Herstellmodus (d.h. bei Normalbetrieb) für einen Durchsatz bezogen auf H2 von mindestens 500 moŀh-1 ausgelegt, bevorzugt mindestens 1000 moŀh-1, bevorzugter mindestens 5000 moŀh-1, noch bevorzugter mindestens 10.000 moŀh-1, am bevorzugtesten mindestens 50.000 moŀh-1, und insbesondere mindestens 100.000 moŀh-1.In preferred embodiments of the plant according to the invention, the plant in production mode (ie during normal operation) is designed for a throughput based on H 2 of at least 500 moŀh -1 , preferably at least 1000 moŀh -1 , more preferably at least 5000 moŀh -1 , even more preferably at least 10,000 moŀh -1 , most preferably at least 50,000 moŀh -1 , and in particular at least 100,000 moŀh -1 .
In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage umfasst die Anlage einen Tank für flüssiges NH3, welcher ein Volumen von mindestens 50 m3 hat, bevorzugt mindestens 100 m3, bevorzugter mindestens 500 m3, noch bevorzugter mindestens 1000 m3, am bevorzugtesten mindestens 5000 m3, und insbesondere mindestens 10.000 m3.In preferred embodiments of the plant according to the invention, the plant comprises a tank for liquid NH 3 which has a volume of at least 50 m 3 , preferably at least 100 m 3 , more preferably at least 500 m 3 , even more preferably at least 1000 m 3 , most preferably at least 5000 m 3 , and in particular at least 10,000 m 3 .
In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage umfasst die Anlage neben der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung zusätzlich eine zweite NH3-Zersetzungseinrichtung mit mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, bevorzugter mindestens fünf, noch bevorzugter mindestens sechs, am bevorzugtesten mindestens sieben und insbesondere mindestens acht Katalysatorbetten, welche jeweils NH3-Zersetzungskatalysator umfassen; wobei jedes Katalysatorbett bevorzugt jeweils in einem Rohr vorliegt; wobei die Katalysatorbetten bevorzugt parallel geschaltet sind. Bevorzugt enthält jedes Katalysatorbett den gleichen NH3-Zersetzungskatalysator.In preferred embodiments of the plant according to the invention, the plant comprises, in addition to the first NH 3 decomposition device, a second NH 3 decomposition device with at least three, preferably at least four, more preferably at least five, even more preferably at least six, most preferably at least seven and in particular at least eight catalyst beds, each of which comprises NH 3 decomposition catalyst; each catalyst bed is preferably present in a tube; the catalyst beds are preferably connected in parallel. Each catalyst bed preferably contains the same NH 3 decomposition catalyst.
In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage umfasst die Anlage neben der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung zusätzlich eine zweite NH3-Zersetzungseinrichtung mit mindestens einem Katalysatorbett, welches NH3-Zersetzungskatalysator umfasst, wobei die Länge des Katalysatorbetts in Durchströmungsrichtung für NH3 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.In preferred embodiments of the plant according to the invention, the plant comprises, in addition to the first NH 3 decomposition device, a second NH 3 decomposition device with at least one catalyst bed which comprises NH 3 decomposition catalyst, wherein the length of the catalyst bed in the flow direction for NH 3 is at least 1.0 m, preferably at least 1.5 m, more preferably at least 2.0 m, even more preferably at least 2.5 m, most preferably at least 3.0 m and in particular at least 3.5 m; wherein the catalyst bed is preferably present in a tube.
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.In preferred embodiments of the plant according to the invention, the plant comprises a combustion device with at least three, preferably at least four, more preferably at least five, even more preferably at least six, most preferably at least seven and in particular at least eight burners for burning the combustion gas.
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.In preferred embodiments of the system according to the invention, the system comprises a first heat exchanger and/or a second heat exchanger, which are designed independently of one another as tube heat exchangers or tube bundle heat exchangers.
In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Herstellmodus (d.h. bei Normalbetrieb) ein Durchsatz bezogen auf H2 von mindestens 500 mol·h-1 erreicht, bevorzugt mindestens 1000 moŀh-1, bevorzugter mindestens 5000 moŀh-1, noch bevorzugter mindestens 10.000 moŀh-1, am bevorzugtesten mindestens 50.000 moŀh-1, und insbesondere mindestens 100.000 mol·h-1.In preferred embodiments of the process according to the invention, in the production mode (ie during normal operation) a throughput based on H 2 of at least 500 mol·h -1 is achieved, preferably at least 1000 moŀh -1 , more preferably at least 5000 moŀh -1 , even more preferably at least 10,000 moŀh -1 , most preferably at least 50,000 moŀh -1 , and in particular at least 100,000 mol·h -1 .
In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Herstellmodus (d.h. bei Normalbetrieb) das flüssige NH3 aus einem Tank mit einem Volumen von mindestens 50 m3 entnommen, bevorzugt mindestens 100 m3, bevorzugter mindestens 500 m3, noch bevorzugter mindestens 1000 m3, am bevorzugtesten mindestens 5000 m3, und insbesondere mindestens 10.000 m3.In preferred embodiments of the process according to the invention, in the production mode (ie during normal operation), the liquid NH 3 is taken from a tank having a volume of at least 50 m 3 , preferably at least 100 m 3 , more preferably at least 500 m 3 , even more preferably at least 1000 m 3 , most preferably at least 5000 m 3 , and in particular at least 10,000 m 3 .
In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Herstellmodus (d.h. bei Normalbetrieb) das katalytische Zersetzen von NH3 auf mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, bevorzugter mindestens fünf, noch bevorzugter mindestens sechs, am bevorzugtesten mindestens sieben und insbesondere mindestens acht Katalysatorbetten, welche jeweils NH3-Zersetzungskatalysator umfassen; wobei jedes Katalysatorbett bevorzugt jeweils in einem Rohr vorliegt; wobei die Katalysatorbetten bevorzugt parallel von NH3 durchströmt werden.In preferred embodiments of the process according to the invention, in the production mode (ie during normal operation), the catalytic decomposition of NH 3 takes place on at least three, preferably at least four, more preferably at least five, even more preferably at least six, most preferably at least seven and in particular at least eight catalyst beds, each of which comprises NH 3 decomposition catalyst; each catalyst bed is preferably present in a tube; the catalyst beds are preferably flowed through in parallel by NH 3 .
In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Herstellmodus (d.h. bei Normalbetrieb) das katalytische Zersetzen auf mindestens einem Katalysatorbett, welches NH3-Zersetzungskatalysator umfasst, wobei die Länge des Katalysatorbetts in Durchströmungsrichtung für NH3 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 vorliegtIn preferred embodiments of the process according to the invention, in the production mode (ie during normal operation), the catalytic decomposition takes place on at least one catalyst bed which comprises NH 3 decomposition catalyst, the length of the catalyst bed in the flow direction for NH 3 being at least 1.0 m, preferably at least 1.5 m, more preferably at least 2.0 m, even more preferably at least 2.5 m, most preferably at least 3.0 m and in particular at least 3.5 m; the catalyst bed is preferably present in a tube
In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Herstellmodus (d.h. bei Normalbetrieb) das Verbrennen des Verbrennungsgases mit Hilfe von mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, bevorzugter mindestens fünf, noch bevorzugter mindestens sechs, am bevorzugtesten mindestens sieben und insbesondere mindestens acht Brennern.In preferred embodiments of the process according to the invention, in the production mode (i.e. during normal operation), the combustion of the combustion gas takes place with the aid of at least three, preferably at least four, more preferably at least five, even more preferably at least six, most preferably at least seven and in particular at least eight burners.
Erfindungsgemäß bedeutet die katalytische Zersetzung von NH3 die Bildung von N2 und H2, im Stand der Technik gelegentlich auch als „Spaltung“ oder „Cracking“ von NH3 bezeichnet.According to the invention, the catalytic decomposition of NH 3 means the formation of N 2 and H 2 , in State of the art sometimes also referred to as “splitting” or “cracking” of NH 3 .
Die katalytische Zersetzung von NH3 erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt in Abwesenheit von O2.According to the invention, the catalytic decomposition of NH 3 preferably takes place in the absence of O 2 .
Vorzugsweise umfasst die Erfindung im Herstellmodus folgende Maßnahmen:
- (i) Verdampfung von NH3;
- (ii) katalytische Zersetzung von NH3 unter Zufuhr von Wärme unter Erhalt eines Produktgases umfassend N2, H2 und ggf. nicht zersetztes NH3;
- (iii) Rückgewinnung von Wärme;
- (iv) ggf. Rückgewinnung von nicht zersetztem NH3;
- (v) Reinigung von H2.
- (i) evaporation of NH 3 ;
- (ii) catalytic decomposition of NH 3 with the addition of heat to obtain a product gas comprising N 2 , H 2 and optionally undecomposed NH 3 ;
- (iii) heat recovery;
- (iv) recovery of non-decomposed NH 3 , if necessary;
- (v) Purification of H 2 .
H2O ist kein Produkt der Reaktion und kann in geringsten Mengen vorliegen, da H2O häufig im flüssigen NH3 vorhanden ist, in Konzentrationen von maximal 0.5 Gew.-%, typischerweise < 0.3 Gew.%. Durch die Verdampfung von NH3 ist es zu erwarten, dass H2O in geringeren Konzentration vorliegt.H 2 O is not a product of the reaction and can be present in very small amounts, since H 2 O is often present in liquid NH 3 , in concentrations of maximum 0.5 wt.%, typically < 0.3 wt.%. Due to the evaporation of NH 3, it is to be expected that H 2 O is present in lower concentrations.
NH3 - von der Lagerung bis vor die katalytische ZersetzungNH 3 - from storage to catalytic decomposition
Das NH3 wird erfindungsgemäß bevorzugt als Ausgangsmaterial gelagert.According to the invention, the NH 3 is preferably stored as starting material.
Bevorzugt liegt das gelagerte NH3 in einem gekühlten Tank flüssig vor, bei Atmosphärendruck und einer Temperatur unterhalb seiner Siedetemperatur von -33,5°C. Mit einer Pumpe wird NH3 bevorzugt bei Anlagendruck in die Anlage eingespeist.Preferably, the stored NH 3 is in liquid form in a cooled tank, at atmospheric pressure and a temperature below its boiling point of -33.5°C. NH 3 is fed into the system using a pump, preferably at system pressure.
Ehe das NH3 katalytisch zersetzt werden kann, wird es erfindungsgemäß bevorzugt nacheinander auf mehrere Temperaturniveaus erwärmt.Before the NH 3 can be catalytically decomposed, it is preferably heated successively to several temperature levels according to the invention.
Ausgehend von flüssigem NH3 erfolgt bevorzugt eine Erwärmung und anschließende Verdampfung von NH3 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 H2O-Verdampfungseinrichtung erzeugt.Starting from liquid NH 3, NH 3 is preferably heated and then evaporated to a medium temperature level (<300°C) by absorbing heat from water or water vapor. In production mode, the water vapor is preferably generated by absorbing heat from flue gas and/or product gas. In start-up mode, the water vapor is preferably generated by an electrically operated H 2 O evaporation device.
Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des NH3 stromabwärts des Tanks und stromaufwärts der NH3-Verdampfungseinrichtung ein Vorwärmer angeordnet, welcher bevorzugt zum Erwärmen des NH3 auf die gewünschte Temperatur am Eintritt in die NH3-Verdampfungseinrichtung dient und in welchem NH3 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 NH3-Verdampfungseinrichtung geleitet.Preferably, a preheater is arranged in the flow direction of the NH 3 downstream of the tank and upstream of the NH 3 evaporation device, which is preferably used to heat the NH 3 to the desired temperature at the inlet to the NH 3 evaporation device and in which NH 3 absorbs heat from water which in turn has previously left the NH 3 evaporation device as water vapor condensate. Preferably, water vapor and water vapor condensate are passed in countercurrent through the preheater and the NH 3 evaporation device.
Anschließend erfolgt bevorzugt eine weitergehende Erwärmung des NH3 auf ein hohes Temperaturniveau (>300°C).Subsequently, the NH 3 is preferably further heated to a high temperature level (>300°C).
Im Herstellmodus erfolgt die weitergehende Erwärmung von NH3 bevorzugt durch Aufnahme von Wärme direkt aus Rauchgas und/oder Produktgas, d.h. ohne Wasser als Wärmeträgermedium.In production mode, the further heating of NH 3 is preferably carried out by absorbing heat directly from flue gas and/or product gas, i.e. without water as a heat transfer medium.
Dazu sind für den Herstellmodus entsprechende Wärmetauscher vorgesehen:
- - bevorzugt ein vierter Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/NH3-Wärmetauscher für den Herstellmodus];
- - bevorzugt ein erster Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/NH3-Wärmetauscher für den Herstellmodus]; und/oder
- - bevorzugt ein zweiter Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Zwischenproduktgas-Wärmetauscher für den Herstellmodus].
- - preferably a fourth heat exchanger [preferably product gas/NH 3 heat exchanger for the production mode];
- - preferably a first heat exchanger [preferably flue gas/NH 3 heat exchanger for the production mode]; and/or
- - preferably a second heat exchanger [preferably flue gas/intermediate gas heat exchanger for the manufacturing mode].
Im Anfahrmodus erfolgt die weitergehende Erwärmung von NH3 bevorzugt durch Aufnahme von Wärme aus einem elektrischen Heizelement.In start-up mode, further heating of NH 3 occurs preferably by absorption of heat from an electrical heating element.
Damit im Anfahrmodus das verdampfte NH3 katalytisch zersetzt werden kann, muss es auf die Aktivierungstemperatur des NH3-Zersetzungskatalysators erwärmt werden.In order for the vaporized NH 3 to be catalytically decomposed in start-up mode, it must be heated to the activation temperature of the NH 3 decomposition catalyst.
In bevorzugten Ausführungsformen ist der NH3-Zersetzungskatalysator Nickel-basiert und die Erwärmung des verdampften NH3 erfolgt bis auf eine Temperatur im Bereich von bevorzugt 600 bis 650°C.In preferred embodiments, the NH 3 decomposition catalyst is nickel-based and the vaporized NH 3 is heated to a temperature in the range of preferably 600 to 650°C.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist der NH3-Zersetzungskatalysator Ruthenium-basiert und die Erwärmung des verdampften NH3 erfolgt bis auf eine Temperatur im Bereich von bevorzugt 350 bis 400°C.In other preferred embodiments, the NH 3 decomposition catalyst is ruthenium-based and the vaporized NH 3 is heated to a temperature in the range of preferably 350 to 400°C.
In allen diesen Ausführungsformen wird NH3 (ein Teil oder die gesamte Menge) durch das elektrische Heizelement geleitet und darin über die Aktivierungstemperatur des NH3-Zersetzungskatalysators in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung erwärmt. Anschließend strömt das erwärmte NH3 in die erste NH3-Zersetzungseinrichtung, wo das NH3 zumindest teilweise zersetzt wird. In der bevorzugt adiabatischen Reaktion kann so ein Umsatz von z.B. 18% erreicht werden, je nach Vorwärmtemperatur.In all of these embodiments, NH 3 (part or all of it) is passed through the electrical heating element and heated therein above the activation temperature of the NH 3 decomposition catalyst in the first NH 3 decomposition device. The heated NH 3 then flows into the first NH 3 decomposition device, where the NH 3 is at least partially decomposed. In the preferably adiabatic In this reaction, a conversion of 18% can be achieved, depending on the preheating temperature.
NH3 - katalytische ZersetzungNH 3 - catalytic decomposition
Die erfindungsgemäße katalytische Zersetzung von NH3 ist die eigentliche Reaktion zur Bildung des H2, welche grundsätzlich thermisch abläuft, jedoch durch den Einsatz eines NH3-Zersetzungskatalysators beschleunigt wird. Die katalytische Zersetzung von NH3 kann erfindungsgemäß bei verschiedenen Bedingungen unter Einsatz verschiedener NH3-Zersetzungskatalysatoren und mit verschiedenen Verschaltungen mit unterschiedlichen Reaktortypen durchgeführt werden.The catalytic decomposition of NH 3 according to the invention is the actual reaction for the formation of H 2 , which basically takes place thermally, but is accelerated by the use of an NH 3 decomposition catalyst. The catalytic decomposition of NH 3 can be carried out according to the invention under various conditions using various NH 3 decomposition catalysts and with various connections with different reactor types.
Erfindungsgemäß erfolgt die katalytische Zersetzung von NH3 bevorzugt durch Zufuhr von Wärme in Gegenwart eines NH3-Zersetzungskatalysators. Wichtige Parameter für die katalytische Zersetzung von NH3 sind die Art des NH3-Zersetzungskatalysators, die Reaktionstemperatur sowie die Reaktionsdruck.According to the invention, the catalytic decomposition of NH 3 is preferably carried out by supplying heat in the presence of an NH 3 decomposition catalyst. Important parameters for the catalytic decomposition of NH 3 are the type of NH 3 decomposition catalyst, the reaction temperature and the reaction pressure.
Als NH3-Zersetzungskatalysator kommen erfindungsgemäß verschiedene Materialien in Betracht. Die Reaktionstemperatur, bei der die katalytische Zersetzung von NH3 abläuft, ist insbesondere durch die Wahl des NH3-Zersetzungskatalysators vorgegeben.According to the invention, various materials can be used as NH 3 decomposition catalysts. The reaction temperature at which the catalytic decomposition of NH 3 takes place is determined in particular by the choice of the NH 3 decomposition catalyst.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Nickel-basierter NH3-Zersetzungskatalysator eingesetzt. Die Reaktionstemperatur und der Reaktionsdruck bestimmen den Gleichgewichtsumsatz. Bei 900°C und 20 bar Druck verläuft die Zersetzung von NH3 beinahe quantitativ. Bei 650°C beträgt der Umsatz an NH3 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 NH3-Zersetzungskatalysatoren sind trotz der vergleichsweise hohen Reaktionstemperatur vorteilhaft. Wegen des hohen Umsatzes ist der verbleidende Restgehalt an nicht zersetztem NH3 im Produktgas vergleichsweise gering, so dass bevorzugt auf eine separate Abscheidung von nicht zersetztem NH3 für dessen Rückgewinnung verzichtet wird. Stattdessen erfolgt dann die gemeinsame Abscheidung von N2 und nicht zersetztem NH3 aus dem Produktgas durch Druckwechseladsorption im Zuge der Aufreinigung von H2 zusammengefasst werden.In preferred embodiments of the invention, a nickel-based NH 3 decomposition catalyst is used. The reaction temperature and the reaction pressure determine the equilibrium conversion. At 900°C and 20 bar pressure, the decomposition of NH 3 is almost quantitative. At 650°C, the conversion of NH 3 is about 98.5%, at 500°C only about 95%. According to the invention, reaction temperatures are preferably set in the range from about 600°C to about 900°C, preferably about 600°C to about 700°C, so that a high conversion is achieved. With regard to energy balance and conversion, optimal reaction temperatures are in the range from about 630°C to 640°C. Nickel-based NH 3 decomposition catalysts are advantageous despite the comparatively high reaction temperature. Due to the high conversion, the remaining content of non-decomposed NH 3 in the product gas is comparatively low, so that separate separation of non-decomposed NH 3 for its recovery is preferably avoided. Instead, the joint separation of N 2 and non-decomposed NH 3 from the product gas by pressure swing adsorption is combined during the purification of H 2 .
Bevorzugt umfasst der NH3-Zersetzungskatalysator geträgertes Nickel. Bevorzugte Trägermaterialien sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al2O3, MgO, SiO2, mesoporöses SiO2 (z.B. MCF-17, MCM-41, SBA-15), Zeolith (z.B. HY, H-ZSM-5), BaMnO3, BaTiO3, BaZrO3, CaMnO3, Ca-TiO3, CaZrO3, CeO2, Gd2O3, GdAlO3, KNbO3, La2O3, LaAlO3, MnO2, NaNbO3, Nb2O5, Sm2O3, SmAlO3, SrMnO3, SrTiO3, SrZrO3, TiO2, Y2O3, ZrO2, Kohlenstoff (z.B. CNTs, SWCNTs, AX-21, MSC-30, MESO-C, GNP, Aktivkohle, Graphen, Graphenoxid), Attapulgit, Hydrocalumit, Sepiolit, und Mischungen daraus.Preferably, the NH 3 decomposition catalyst comprises supported nickel. Preferred carrier materials are selected from the group consisting of Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 , mesoporous SiO 2 (e.g. MCF-17, MCM-41, SBA-15), zeolite (e.g. HY, H-ZSM-5), BaMnO 3 , BaTiO 3 , BaZrO 3 , CaMnO 3 , Ca-TiO 3 , CaZrO 3 , CeO2 , Gd2O3 , GdAlO3 , KNbO3 , La2O3 , LaAlO3, MnO2 , NaNbO3, Nb2O5 , Sm2O3 , SmAlO3 , SrMnO3 , SrTiO3 , SrZrO3 , TiO2 , Y2 O 3 , ZrO 2 , carbon (e.g. CNTs, SWCNTs, AX-21, MSC-30, MESO-C, GNP, activated carbon, graphene, graphene oxide), attapulgite, hydrocalumite, sepiolite, and mixtures thereof.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Ruthenium-basierter NH3-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 NH3 im Produktgas größer ist.In other preferred embodiments of the invention, a ruthenium-based NH 3 decomposition catalyst is used. For this purpose, reaction temperatures in the range from about 450°C to about 500°C are preferably set according to the invention, although somewhat lower conversions of, for example, about 95% can be achieved, so that the remaining residual content of undecomposed NH 3 in the product gas is greater.
Alternativ können gegebenenfalls auch andere NH3-Zersetzungskatalysatoren bei noch niedrigeren Reaktionstemperaturen eingesetzt werden. Je niedriger die Reaktionstemperatur ist, desto niedriger ist der Umsatz und desto mehr nicht zersetztes NH3 muss aus dem Produktgas abgeschieden und zurückgeführt werden.Alternatively, other NH 3 decomposition catalysts can be used at even lower reaction temperatures. The lower the reaction temperature, the lower the conversion and the more non-decomposed NH 3 must be separated from the product gas and recycled.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erste NH3-Zersetzungseinrichtung zwei hintereinandergeschaltete Katalysatorbetten, von denen ein Katalysatorbett einen NH3-Zersetzungskatalysator mit einer vergleichsweise hohen Aktivierungstemperatur enthält (bevorzugt einen ersten Nickel-basierten NH3-Zersetzungskatalysator) und das andere Katalysatorbett einen NH3-Zersetzungskatalysator mit einer vergleichsweise niedrigen Aktivierungstemperatur enthält (bevorzugt einen zweiten Nickel-basierten NH3-Zersetzungskatalysator). NH3-Zersetzungskatalysatoren unterschiedlicher Aktivierungstemperatur sind einem Fachmann bekannt (vgl. z.B.
Im Anfahrmodus erfolgt dann bevorzugt die katalytische Zersetzung des NH3 insbesondere auf dem NH3-Zersetzungskatalysator mit der vergleichsweise niedrigen Aktivierungstemperatur (bevorzugt einem zweiten Nickel-basierten NH3-Zersetzungskatalysator). Im Herstellmodus erfolgt hingegen bevorzugt zunächst die katalytische Zersetzung des NH3 insbesondere auf dem NH3-Zersetzungskatalysator mit der vergleichsweise hohen Aktivierungstemperatur (bevorzugt einem ersten Nickel-basierten NH3-Zersetzungskatalysator), und ggf. zusätzlich bzw. anschließend auf dem NH3-Zersetzungskatalysator mit der vergleichsweise niedrigen Aktivierungstemperatur (bevorzugt einem zweiten Nickel-basierten NH3-Zersetzungskatalysator).In the start-up mode, the catalytic decomposition of the NH 3 preferably takes place, in particular on the NH 3 decomposition catalyst with the comparatively low activation temperature (preferably a second nickel-based NH 3 decomposition catalyst). In the production mode, however, the catalytic decomposition of the NH 3 preferably takes place first, in particular on the NH 3 decomposition catalyst with the comparatively high activation temperature (preferably a first nickel-based NH 3 - decomposition catalyst), and optionally additionally or subsequently on the NH 3 decomposition catalyst with the comparatively low activation temperature (preferably a second nickel-based NH 3 decomposition catalyst).
Der Reaktionsdruck beträgt erfindungsgemäß bevorzugt etwa 15 bar a bis etwa 25 bar a. Die Stöchiometrie der Reaktion (2 NH3 → N2 + 3 H2) erhöht das Volumen, weshalb sich ein erhöhter Reaktionsdruck grundsätzlich negativ auf den Umsatz auswirkt. Andererseits ist es sinnvoll, den Gesamtprozess bei höheren 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 Umsätze 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 Einbuße an Umsatz in Kauf genommen werden müssen.According to the invention, the reaction pressure is preferably about 15 bar a to about 25 bar a. The stoichiometry of the reaction (2 NH 3 → N 2 + 3 H 2 ) increases the volume, which is why an increased reaction pressure generally has a negative effect on the conversion. On the other hand, it is sensible to operate the entire process at higher pressures in order to limit the container volume and thus the investment costs. With a reaction pressure of just 1 bar, conversions of more than 99% could be achieved at reaction temperatures from 400°C. However, since a reaction pressure of 1 bar is only useful for very small systems, the system according to the invention is preferably operated at a higher reaction pressure, even if this means that a certain loss in conversion has to be accepted.
Der Reaktionsdruck ist insbesondere vorgegeben durch die Ausführung der Aufreinigung von H2. Die erfindungsgemäß bevorzugte Druckwechselabsorption (PSA) zur Aufreinigung von H2 kann erfindungsgemäß bevorzugt bei einem Druck im Bereich von etwa 15 bar bis etwa 25 bar effektiv betrieben werden. Bevorzugt liegt der Druck des Produktgases beim Verlassen der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung 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 zwischen den Anforderungen der Druckwechseladsorption einerseits und dem erzielten Umsatz andererseits.The reaction pressure is particularly predetermined by the way in which the H 2 is purified. The pressure swing absorption (PSA) preferred according to the invention for purifying H 2 can preferably be operated effectively at a pressure in the range from about 15 bar to about 25 bar. The pressure of the product gas when leaving the second NH 3 decomposition device is preferably in the range from about 15 to about 25 bar a, more preferably about 18 bar a to about 22 bar a, even more preferably about 19 bar a to about 21 bar a. In this way, a good balance is found between the requirements of pressure swing adsorption on the one hand and the conversion achieved on the other.
Die Zersetzung von NH3 kann grundsätzlich in unterschiedlichen Reaktortypen ablaufen.The decomposition of NH 3 can basically take place in different reactor types.
Bei adiabater Reaktionsführung wird die innere Wärme des Reaktionsgases als Energiequelle für die Reaktion verwendet. Geeignete Reaktoren dafür sind autotherme Reformer und Sekundärreformer, 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 Reaktoraustritt 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 NH3 löst sich dann im kondensierten Wasser und geht verloren, bzw. muss rezykliert werden. Außerdem führen die hohen Temperaturen zur Bildung erheblicher Mengen an Stickoxiden.In adiabatic reaction, the internal heat of the reaction gas is used as an energy source for the reaction. Suitable reactors for this are autothermal reformers and secondary reformers, which work with internal energy generation. Combustion air is added to the process gas and part of the reaction gas is burned to increase the temperature so that the desired temperature prevails at the reactor outlet. The disadvantage is the presence of water in the process gas that is produced during combustion and must be removed by condensation. Part of the non-decomposed NH 3 then dissolves in the condensed water and is lost or must be recycled. In addition, the high temperatures lead to the formation of significant amounts of nitrogen oxides.
Erfindungsgemäß werden diese Nachteile vermieden, indem das Produktgas physikalisch von dem Verbrennungsgas und dem daraus gebildeten Rauchgas getrennt ist.According to the invention, these disadvantages are avoided by physically separating the product gas from the combustion gas and the flue gas formed therefrom.
Im Herstellmodus erfolgt die erfindungsgemäße Zersetzung von NH3 bevorzugt zweistufig in zwei nacheinander durchströmten NH3-Zersetzungseinrichtungen. In der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung wird zunächst nur ein Teil des NH3 partiell zersetzt. Die restliche Zersetzung von NH3 bis zum maximal erreichten Umsatz erfolgt dann anschließend in der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung. Bevorzugt bildet dazu die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung zusammen mit der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung einen vorstehend näher beschriebenen, analog einem Primärreformer ausgeführten Reaktor.In the production mode, the decomposition of NH 3 according to the invention preferably takes place in two stages in two NH 3 decomposition devices through which the gas flows one after the other. In the first NH 3 decomposition device, only a portion of the NH 3 is initially partially decomposed. The remaining decomposition of NH 3 up to the maximum conversion achieved then takes place in the second NH 3 decomposition device. For this purpose, the second NH 3 decomposition device together with the combustion device according to the invention preferably forms a reactor as described in more detail above and designed analogously to a primary reformer.
Im Anfahrmodus erfolgt die erfindungsgemäße Zersetzung von NH3 bevorzugt einstufig, und zwar nur in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung, welche ggf. mehrere nacheinander geschaltete Katalysatorbetten umfassen kann.In the start-up mode, the decomposition of NH 3 according to the invention preferably takes place in one stage, namely only in the first NH 3 decomposition device, which may optionally comprise several catalyst beds connected in series.
In beiden Betriebsmodi tritt das vorgeheizte NH3 in die erste NH3-Zersetzungseinrichtung ein, welche NH3-Zersetzungskatalysator enthält und in dem zu einem gewissen Ausmaß eine partielle katalytische Zersetzung von NH3 zu N2 und H2 erfolgt. Es wird ein Zwischenproduktgas gebildet, welches noch erhebliche Restmengen an nicht zersetztem NH3, aber auch bereits gebildetes N2 und H2 enthält. Infolge der endothermen Zersetzung von NH3 kühlt sich das Zwischenproduktgas bevorzugt ab. Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH3 in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung höchstens 25%, bevorzugter höchstens 20% des insgesamt erreichten Gesamtumsatzes. Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH3 in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung mindestens 5%, bevorzugter mindestens 10%, noch bevorzugter mindestens 15% des insgesamt erreichten Gesamtumsatzes.In both operating modes, the preheated NH 3 enters the first NH 3 decomposition device, which contains NH 3 decomposition catalyst and in which a partial catalytic decomposition of NH 3 to N 2 and H 2 takes place to a certain extent. An intermediate product gas is formed which still contains considerable residual amounts of non-decomposed NH 3 , but also already formed N 2 and H 2. As a result of the endothermic decomposition of NH 3 , the intermediate product gas preferably cools down. Preferably, the conversion of decomposed NH 3 in the first NH 3 decomposition device is at most 25%, more preferably at most 20% of the total conversion achieved overall. Preferably, the conversion of decomposed NH 3 in the first NH 3 decomposition device is at least 5%, more preferably at least 10%, even more preferably at least 15% of the total conversion achieved overall.
Nach Verlassen der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung wird das Zwischenproduktgas je nach Betriebsmodus unterschiedlich verwendet.After leaving the first NH 3 decomposition device, the intermediate gas is used differently depending on the operating mode.
Im Anfahrmodus wird das Zwischenproduktgas ggf. mit NH3 gemischt und anschließend in der Verbrennungseinrichtung unter Zufuhr von Verbrennungsluft verbrannt.In start-up mode, the intermediate gas is mixed with NH 3 if necessary and then burned in the combustion device with the supply of combustion air.
Wie bereits erwähnt, wird in bevorzugten Ausführungsformen im Anfahrmodus der NH3-Storm in einen ersten NH3-Teilstrom und einen zweiten NH3-Teilstrom aufgeteilt. Nur der erste NH3-Teilstrom wird der ersten Zersetzungseinrichtung zugeführt. Der zweite NH3-Teilstrom durchströmt stattdessen die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung, wodurch die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung Wärme aus dem zweiten NH3-Teilstrom aufnimmt. Der zweite NH3-Teilstrom hat demnach zunächst nur die Funktion als Wärmeträgermedium. Nach und nach wird auf diese Weise die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung erwärmt, bis die Anspringtemperatur für die katalytische Zersetzung von NH3 erreicht ist, so dass ab diesem Zeitpunkt zusätzlicher H2 in der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung durch katalytische Zersetzung von NH3 hergestellt wird. Beispielsweise ist es möglich, dass der erste NH3-Teilstrom der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung zugeführt wird und das gesamte dabei erzeugte Zwischenproduktgas (z.B. bei 20% Umsatz: 20 Mol.-% H2 + N2 und 80 Mol.-% nicht zersetztes NH3) vollständig in der Verbrennungseinrichtung verbrannt wird. Der zweite NH3-Teilstrom wird weder der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung zugeführt noch verbrannt, sondern wird bevorzugt als Wärmeträgermedium eingesetzt, bevorzugt dazu im Kreis geführt, und dient bevorzugt u.a. dem Erwärmen der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung.As already mentioned, in preferred embodiments in the start-up mode the NH 3 stream is divided into a first NH 3 partial stream and a second NH 3 partial stream. Only the first NH 3 partial stream is fed to the first decomposition device. The second NH 3 partial stream flows instead through the second NH 3 decomposition device. whereby the second NH 3 decomposition device absorbs heat from the second NH 3 partial flow. The second NH 3 partial flow therefore initially only functions as a heat transfer medium. In this way, the second NH 3 decomposition device is gradually heated until the start-up temperature for the catalytic decomposition of NH 3 is reached, so that from this point on additional H 2 is produced in the second NH 3 decomposition device by catalytic decomposition of NH 3. For example, it is possible for the first NH 3 partial flow to be fed to the first NH 3 decomposition device and for all of the intermediate product gas produced thereby (e.g. at 20% conversion: 20 mol% H 2 + N 2 and 80 mol% undecomposed NH 3 ) to be completely burned in the combustion device. The second NH 3 partial stream is neither fed to the
Im Herstellmodus wird das Zwischenproduktgas bevorzugt erneut aufgeheizt, ehe es in die nachgeschaltete, zweite NH3-Zersetzungseinrichtung eintritt. In der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung erfolgt dann die restliche Zersetzung von NH3 bis zum insgesamt erreichten Gesamtumsatz.In the production mode, the intermediate product gas is preferably heated again before it enters the downstream, second NH 3 decomposition device. The remaining decomposition of NH 3 then takes place in the second NH 3 decomposition device until the total conversion is achieved.
Im Herstellmodus wird das Produktgas in der erfindungsgemäßen zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung durch Zersetzung von NH3 gebildet und verlässt die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung über einen eigenen Auslass. Das Verbrennungsgas wird zusammen mit Verbrennungsluft in der Verbrennungseinrichtung 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 Verbrennung des Verbrennungsgases gebildete Verbrennungswärme strömt als Wärmestrom in die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung und liefert so die erforderliche Wärme für die Aufrechterhaltung der endothermen Zersetzung von NH3.In production mode, the product gas is formed in the second NH 3 decomposition device according to the invention by decomposition of NH 3 and leaves the second NH 3 decomposition device via its own outlet. The combustion gas is burned together with combustion air in the combustion device and the flue gas formed in the process also leaves the combustion device via its own outlet, preferably into a flue gas channel. Product gas and flue gas are not mixed with one another, but remain physically separated from one another. Combustion heat formed during the combustion of the combustion gas flows as a heat flow into the second NH 3 decomposition device and thus supplies the heat required to maintain the endothermic decomposition of NH 3 .
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die katalytische Zersetzung von NH3 im Herstellmodus in der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung analog einem Primärreformer. Dazu umfasst der analoge Primärreformer sowohl die erfindungsgemäße zweite NH3-Zersetzungseinrichtung als auch die erfindungsgemäße Verbrennungseinrichtung. Der NH3-Zersetzungskatalysator ist dazu bevorzugt in der erfindungsgemäßen zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung mindestens in einem von NH3 durchströmten Rohr angeordnet, bevorzugter mindestens zwei Rohren, noch bevorzugter mindestens drei Rohren. Das mindestens eine Rohr enthält den NH3-Zersetzungskatalysator. Das mindestens eine Rohr wird bevorzugt von oben nach unten mit NH3 durchströmt. In einer physikalisch getrennten Brennkammer wird bevorzugt als Verbrennungsgas ein Gemisch aus NH3 und H2 zusammen mit Verbrennungsluft verbrannt (Verbrennungseinrichtung). Der bei der katalytischen Zersetzung von NH3 neben H2 gebildete N2 ist inert und dient als zusätzlicher Wärmeträger. Die durch den Verbrennungsprozess in der Brennkammer der Verbrennungseinrichtung erzeugte Verbrennungswärme wird zur Aufheizung der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung genutzt, bevorzugt des Rohrs bzw. der Rohre, durch die das zu zersetzende NH3 hindurchgeleitet wird. Dazu wird ein Wärmestrom von der Verbrennungseinrichtung in die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung geleitet.In preferred embodiments of the invention, the catalytic decomposition of NH 3 in the production mode in the second NH 3 decomposition device takes place analogously to a primary reformer. For this purpose, the analog primary reformer comprises both the second NH 3 decomposition device according to the invention and the combustion device according to the invention. For this purpose, the NH 3 decomposition catalyst is preferably arranged in the second NH 3 decomposition device according to the invention in at least one tube through which NH 3 flows, more preferably at least two tubes, even more preferably at least three tubes. The at least one tube contains the NH 3 decomposition catalyst. The at least one tube is preferably flowed through with NH 3 from top to bottom. In a physically separate combustion chamber, a mixture of NH 3 and H 2 is preferably burned together with combustion air as combustion gas (combustion device). The N 2 formed in addition to H 2 during the catalytic decomposition of NH 3 is inert and serves as an additional heat carrier. The combustion heat generated by the combustion process in the combustion chamber of the combustion device is used to heat the second NH 3 decomposition device, preferably the pipe or pipes through which the NH 3 to be decomposed is passed. For this purpose, a heat flow is passed from the combustion device into the second NH 3 decomposition device.
Der NH3-Zersetzungskatalysator in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung ist bevorzugt der gleiche wie in der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung. Sofern die erste NH3-Zersetzungseinrichtung mehrere nacheinander geschaltete Katalysatorbetten umfasst, enthält bevorzugt wenigstens eines dieser nacheinander geschalteten Katalysatorbetten den gleichen NH3-Zersetzungskatalysator wie die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung.The NH 3 decomposition catalyst in the first NH 3 decomposition device is preferably the same as in the second NH 3 decomposition device. If the first NH 3 decomposition device comprises several catalyst beds connected in series, preferably at least one of these catalyst beds connected in series contains the same NH 3 decomposition catalyst as the second NH 3 decomposition device.
Verbrennungsgascombustion gas
Erfindungsgemäß wird Wärme durch Verbrennung eines Verbrennungsgases in einer Verbrennungseinrichtung bereitgestellt. Die Verbrennungseinrichtung weist dafür bevorzugt einen oder mehrere Brenner auf, bevorzugt mindestens zwei Brenner, bevorzugter mindestens drei Brenner.According to the invention, heat is provided by combustion of a combustion gas in a combustion device. For this purpose, the combustion device preferably has one or more burners, preferably at least two burners, more preferably at least three burners.
Das Verbrennungsgas enthält bevorzugt NH3. Dies gilt insbesondere für den Anfahrmodus. Die erfindungsgemäße Verbrennungseinrichtung ist daher bevorzugt eine NH3-Verbrennungseinrichtung.The combustion gas preferably contains NH 3 . This applies in particular to the start-up mode. The combustion device according to the invention is therefore preferably an NH 3 combustion device.
Das Verbrennungsgas enthält bevorzugt eine Mischung aus H2 und NH3, da diese Mischung eine mittlere Flammtemperatur erzeugt und bessere Verbrennungseigenschaften als reines NH3 aufweist. Durch ein geeignetes Mischungsverhältnis von H2 und NH3 wird zudem weniger Stickoxid gebildet als in Abwesenheit von H2.The combustion gas preferably contains a mixture of H 2 and NH 3 , since this mixture produces a medium flame temperature and has better combustion properties than pure NH 3 . A suitable mixing ratio of H 2 and NH 3 also results in less nitrogen oxide being formed than in the absence of H 2 .
Im Herstellmodus wird als Verbrennungsgas bevorzugt das Restgasgemisch eingesetzt, welches nach der Abtrennung von H2 aus dem Produktgas, bevorzugt durch Druckwechseladsorption, übrigbleibt. Bevorzugt wird diesem Restgasgemisch frisches NH3 zudosiert. Da die Druckwechseladsorption typischerweise nicht die vollständige Menge des H2 aus dem Produktgas abtrennt, dient die verbleibende Restmenge an H2 im Restgasgemisch bevorzugt als Verbrennungsverbesserer für das NH3.In the production mode, the residual gas mixture that remains after the separation of H 2 from the product gas, preferably by pressure swing adsorption, is preferably used as the combustion gas. Fresh NH 3 is preferably added to this residual gas mixture. Since pressure swing adsorption typically does not separate the complete amount of H 2 from the product gas, the remaining amount of H 2 in the residual gas mixture preferably acts as a combustion improver for the NH 3 .
Das im Anfahrmodus in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung gebildete Zwischenproduktgas enthält H2 und wird ggf. mit weiterem NH3 gemischt und im Anfahrmodus in der Verbrennungseinrichtung zu Rauchgas verbrannt. Durch die zumindest teilweise erfolgte Zersetzung von NH3 steht eine ausreichende Menge an H2 zur Verfügung, um die Verbrennung des NH3 zu gewährleisten bzw. zu verbessern.The intermediate product gas formed in the first NH 3 decomposition device in the start-up mode contains H 2 and is mixed with additional NH 3 if necessary and burned in the combustion device in the start-up mode to form flue gas. Due to the at least partial decomposition of NH 3, a sufficient amount of H 2 is available to ensure or improve the combustion of the NH 3 .
Im Anfahrmodus benötigen die bevorzugt elektrisch betriebene H2O-Verdampfungseinrichtung sowie das elektrische Heizelement elektrische Energie zum Verdampfen und weiteren Erwärmen des NH3 für die katalytische Zersetzung; die anschließende Verbrennung von NH3 zusammen mit dem durch die katalytische Zersetzung gebildeten H2 liefert dann die Wärme zum Aufheizen des Wärmeträgermediums.In start-up mode, the preferably electrically operated H 2 O evaporation device and the electrical heating element require electrical energy to evaporate and further heat the NH 3 for the catalytic decomposition; the subsequent combustion of NH 3 together with the H 2 formed by the catalytic decomposition then provides the heat to heat the heat transfer medium.
Wie bereits erwähnt, wird in bevorzugten Ausführungsformen im Anfahrmodus die Menge an H2 im Verbrennungsgas im Vergleich zum Herstellmodus erhöht. Durch den höheren Anteil von H2 im Verbrennungsgas wird die Verbrennung des Gemisches aus NH3 und H2 begünstigt, wodurch die Betriebstemperatur schneller erreicht werden kann. Demzufolge wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt im Herstellmodus bei einem H2-Anteil A1 betrieben und im Anfahrmodus bei einem H2-Aanteil A2, wobei gilt A2 > A1. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die relative Differenz zwischen A2 und A1 mindestens 1 Vol.-%, bevorzugter mindestens 2 Vol.-%, noch bevorzugter mindestens 3 Vol.%, am bevorzugtesten mindestens 4 Vol.-%, und insbesondere mindestens 5 Vol.-%.As already mentioned, in preferred embodiments, the amount of H 2 in the combustion gas is increased in start-up mode compared to production mode. The higher proportion of H 2 in the combustion gas promotes the combustion of the mixture of NH 3 and H 2 , as a result of which the operating temperature can be reached more quickly. Accordingly, the process according to the invention is preferably operated in production mode with an H 2 proportion A 1 and in start-up mode with an H 2 proportion A 2 , where A 2 > A 1 . In preferred embodiments, the relative difference between A 2 and A 1 is at least 1 vol.%, more preferably at least 2 vol.%, even more preferably at least 3 vol.%, most preferably at least 4 vol.%, and in particular at least 5 vol.%.
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 für zumindest einen Teil der Gesamtdauer des Anfahrmodus der Anteil A2 im Vergleich zum Anteil A1 erhöht ist. Beispielsweise kann der Anfahrmodus zeitlich in einen ersten Abschnitt und einen unmittelbar daran anschließenden zweiten Abschnitt der Gesamtdauer unterteilt sein, wobei während des ersten Abschnitts A2 > A1 und während des zweiten Abschnitts A2 = A1 gilt.The person skilled in the art will recognize that the state during the start-up mode does not have to be statically constant, but can change dynamically, particularly in view of the continuous heating of the system or parts thereof. It is therefore preferred according to the invention that for at least part of the total duration of the start-up mode, the proportion A 2 is increased in comparison to the proportion A 1. For example, the start-up mode can be divided in time into a first section and an immediately subsequent second section of the total duration, with A 2 > A 1 during the first section and A 2 = A 1 during the second section.
Verbrennungsluftcombustion air
Bevorzugt wird der Verbrennungseinrichtung (Brennkammer des Reaktors) Verbrennungsluft zugeführt, welche bevorzugt zuvor in einem ersten Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher und/oder 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.Preferably, the combustion device (combustion chamber of the reactor) is supplied with combustion air, which is preferably preheated beforehand in a first flue gas/combustion air heat exchanger and/or a second flue gas/combustion air heat exchanger. Preferably, the first flue gas/combustion air heat exchanger and/or the second flue gas/combustion air heat exchanger are arranged in the flue gas channel, wherein the combustion air absorbs heat from the flue gas.
Bevorzugt wird die Verbrennungsluft vor der Einspeisung in die Anlage über einen Filter gereinigt, mit einem Verdichter auf den erforderlichen Druck verdichtet und anschließend über den ersten Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher und/oder den zweiten Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscher im Rauchgaskanal geleitet und erwärmt. Von dort strömt die erwärmte Verbrennungsluft in die Verbrennungseinrichtung. Kurz vor Eintritt in die Verbrennungseinrichtung oder innerhalb der Verbrennungseinrichtung wird die Verbrennungsluft mit dem Verbrennungsgas (bevorzugt NH3 im Gemisch mit H2) vermischt.Preferably, the combustion air is cleaned by a filter before being fed into the system, compressed to the required pressure using a compressor and then passed through the first flue gas/combustion air heat exchanger and/or the second flue gas/combustion air heat exchanger in the flue gas duct and heated. From there, the heated combustion air flows into the combustion device. Shortly before entering the combustion device or within the combustion device, the combustion air is mixed with the combustion gas (preferably NH 3 mixed with H 2 ).
Produktgas - nach der katalytischen Zersetzung bis vor Aufreinigung von H2 Product gas - after catalytic decomposition until purification of H 2
Im Herstellmodus verlässt Produktgas die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung bei hoher Temperatur. Um die in dem Produktgas enthaltene Wärme zu nutzen, ist in Strömungsrichtung des Produktgases stromabwärts der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung für den Herstellmodus bevorzugt mindestens ein Wärmetauscher vorgesehen, der vom Produktgas durchströmt wird, ehe das Produktgas einer Aufreinigung von H2 zugeführt wird:
- - bevorzugt ein dritter Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus];
- - bevorzugt ein vierter Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/NH3-Wärmetauscher für den Herstellmodus];
- - bevorzugt ein fünfter Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus]; und/oder
- - bevorzugt ein sechster Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus]).
- - preferably a third heat exchanger [preferably product gas/water heat exchanger for the manufacturing mode];
- - preferably a fourth heat exchanger [preferably product gas/NH 3 heat exchanger for the production mode];
- - preferably a fifth heat exchanger [preferably product gas/water heat exchanger for the manufacturing mode]; and/or
- - preferably a sixth heat exchanger [preferably product gas/water heat exchanger for the manufacturing mode]).
Produktgas - Restmengen an nicht zersetztem NH3 Product gas - residual amounts of non-decomposed NH 3
Im Herstellmodus dient die erfindungsgemäß bevorzugte Rückgewinnung von NH3 bevorzugt dazu, nicht zersetztes NH3 aus dem Produktgas auszuscheiden und zur weiteren Nutzung als Verbrennungsgas oder wiedergewonnenes Edukt zur Verfügung zu stellen. Bevorzugt wird auf eine separate Rückgewinnung von NH3 verzichtet. So erfolgt erfindungsgemäß im Herstellmodus bevorzugt die Aufreinigung von H2 aus dem Produktgas durch Druckwechseladsorption (PSA). Geringe Restmengen an nicht zersetztem NH3 können erfindungsgemäß bevorzugt bei der Druckwechseladsorption mit abgeschieden werden, wodurch die Rückgewinnung von NH3 und die Aufreinigung von H2 zu einem gemeinsamen Schritt kombiniert werden.In the production mode, the recovery of NH 3 preferred according to the invention preferably serves to separate non-decomposed NH 3 from the product gas and to make it available for further use as combustion gas or recovered reactant. A separate recovery of NH 3 is preferably dispensed with. Thus, according to the invention, in the production mode, the purification of H 2 from the product gas is preferably carried out by pressure swing adsorption (PSA). According to the invention, small residual amounts of non-decomposed NH 3 can preferably be separated during pressure swing adsorption, whereby the recovery of NH 3 and the purification of H 2 are combined into a single step.
Produktgas - Aufreinigung von H2 und Abtrennung RestgasgemischProduct gas - purification of H 2 and separation of residual gas mixture
Im Herstellmodus wird erfindungsgemäß besonders bevorzugt H2 durch Druckwechseladsorption (PSA) aufgereinigt. Eine adsorptive Trennung in einer Druckwechseladsorptionseinrichtung ist erfindungsgemäß bevorzugt, u.a. weil sie bei moderaten Drücken abläuft und zusätzlich auch hohe Reinheit an H2 erreicht, bei Bedarf ≥ 99,9%, mit einer Ausbeute an H2 im Bereich von z.B. ca. 80 bis 85%. Wie bereits erwähnt, kann die Druckwechseladsorption außerdem im gleichen Arbeitsschritt auch Restmengen an NH3 und ggf. H2O mit abscheiden. Dazu wird das Produktgas vor Eintritt in die Druckwechseladsorptionseinrichtung bevorzugt mit einem sechster Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] auf die gewünschte Temperatur abgekühlt. Die entsprechende Menge an Wärme wird bevorzugt in dem sechster Wärmetauscher vom Wasser aufgenommen. Das so erwärmte Kühlwasser wird erfindungsgemäß bevorzugt zum Vorwärmen von NH3 in einer Vorwärmeinrichtung eingesetzt, in der NH3 Wärme aus dem Wasser aufnimmt. Anschließend wird das abgekühlte Produktgas bevorzugt einer Druckwechseladsorptionseinrichtung zugeführt, wo eine Auftrennung des Gasgemisches unter Druck durch Adsorption erfolgt.In the production mode, H 2 is particularly preferably purified by pressure swing adsorption (PSA) according to the invention. An adsorptive separation in a pressure swing adsorption device is preferred according to the invention, among other things because it takes place at moderate pressures and also achieves high purity of H 2 , if required ≥ 99.9%, with a yield of H 2 in the range of e.g. approx. 80 to 85%. As already mentioned, pressure swing adsorption can also separate residual amounts of NH 3 and possibly H 2 O in the same work step. For this purpose, the product gas is preferably cooled to the desired temperature using a sixth heat exchanger [preferably product gas/water heat exchanger for the production mode] before entering the pressure swing adsorption device. The corresponding amount of heat is preferably absorbed by the water in the sixth heat exchanger. The cooling water heated in this way is preferably used according to the invention to preheat NH 3 in a preheating device in which NH 3 absorbs heat from the water. The cooled product gas is then preferably fed to a pressure swing adsorption device, where the gas mixture is separated under pressure by adsorption.
H2 - nach der Aufreinigung bis zur LagerungH 2 - after purification until storage
Im Herstellmodus verlässt der abgetrennte H2 bevorzugt die Druckwechseladsorptionseinrichtung und wird bevorzugt mit einem H2-Verdichter auf einen erhöhten Druck gebracht, beispielsweise auf ca. 200 bar. Eine Verdichtung des abgetrennten H2 auf erhöhten Druck ist jedoch nicht zwingend erforderlich und es sind erfindungsgemäß auch Drücke von deutlich weniger als 200 bar umfasst. Bevorzugt durchströmt der verdichtete H2 anschließend einen ersten H2-Wärmetauscher, in welchem Kühlwasser Wärme aus dem verdichteten H2 aufnimmt. In bevorzugten Ausführungsformen wird der abgetrennte H2 anschließend mit einem zweiten H2-Verdichter auf einen weiter erhöhten Druck gebracht. Bevorzugt durchströmt der weiter verdichtete H2 anschließend einen zweiten H2-Wärmetauscher, in welchem ebenfalls Kühlwasser Wärme aus dem verdichteten H2 aufnimmt. Anschließend wird der verdichtete H2 aus der Anlage bei einem Druck von beispielsweise etwa 70 bar abgeleitet und beispielsweise in einem geeigneten Druckgefäß gelagert oder direkt einer weiteren Verwendung zugeführt.In production mode, the separated H 2 preferably leaves the pressure swing adsorption device and is preferably brought to an increased pressure, for example to approximately 200 bar, using an H 2 compressor. However, compression of the separated H 2 to an increased pressure is not absolutely necessary and pressures of significantly less than 200 bar are also included according to the invention. The compressed H 2 then preferably flows through a first H 2 heat exchanger, in which cooling water absorbs heat from the compressed H 2. In preferred embodiments, the separated H 2 is then brought to a further increased pressure using a second H 2 compressor. The further compressed H 2 then preferably flows through a second H 2 heat exchanger, in which cooling water also absorbs heat from the compressed H 2. The compressed H 2 is then discharged from the system at a pressure of, for example, approximately 70 bar and, for example, stored in a suitable pressure vessel or fed directly for further use.
Restgasgemischresidual gas mixture
Im Herstellmodus enthält das nach der Aufreinigung/Abtrennung von H2, bevorzugt in der Druckwechseladsorptionseinrichtung, verbleibende Restgasgemisch typischerweise N2, H2O, restliches NH3 sowie H2. Bevorzugt wird das Restgasgemisch der Verbrennungseinrichtung zugeführt, so dass es für die Erzeugung von Verbrennungswärme genutzt werden kann.In production mode, the residual gas mixture remaining after the purification/separation of H 2 , preferably in the pressure swing adsorption device, typically contains N 2 , H 2 O, residual NH 3 and H 2 . Preferably, the residual gas mixture is fed to the combustion device so that it can be used to generate combustion heat.
Rauchgasflue gas
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 Strömungsrichtung des Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung bevorzugt Wärmetauscher vorgesehen, die vom Rauchgas durchströmt 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 Anfahrmodus];
- - bevorzugt ein erster Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/NH3-Wärmetauscher für den Herstellmodus; 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.
- - preferably a second heat exchanger [preferably flue gas/intermediate gas heat exchanger for the production mode; preferably flue gas/heat transfer medium heat exchanger for the start-up mode];
- - preferably a first heat exchanger [preferably flue gas/NH 3 heat exchanger for the production mode; flue gas/heat transfer medium heat exchanger for the start-up mode];
- - preferably a first flue gas/combustion air heat exchanger;
- - preferably a flue gas/water heat exchanger; and/or
- - preferably a second flue gas/combustion air heat exchanger.
Auch im Anfahrmodus durchströmt das bei der Verbrennung des Gemischs umfassend NH3 und H2 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 den Anfahrmodus], welche beide Wärme an das Wärmeträgermedium abgeben. Anschließend durchströmt 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.In start-up mode, the flue gas formed during the combustion of the mixture comprising NH 3 and H 2 also flows through the flue gas channel and thereby preferably heats the second heat exchanger [preferably flue gas/heat transfer medium heat exchanger for start-up mode] and then preferably the first heat exchanger [preferably flue gas/heat transfer medium heat exchanger for start-up mode], both of which release heat to the heat transfer medium. The flue gas then preferably flows through the first flue gas/combustion air heat exchanger, preferably the flue gas denitrification unit, preferably the flue gas/water heat exchanger and preferably the second flue gas/combustion air heat exchanger. In this way, Combustion air or water is heated by absorbing heat from the flue gas.
Wasser bzw. Wasserdampfwater or water vapor
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.Demineralized water is preferably fed into the system as the water for generating steam. Air and other gases dissolved in the water are preferably removed in a degasser.
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 Anfahrmodus wird der fünfte Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-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.The water is preferably preheated via a fifth heat exchanger. In the production mode, the fifth heat exchanger [preferably product gas/water heat exchanger for the production mode] is preferably flowed through by product gas, so that water absorbs heat from the product gas. In the start-up mode, the fifth heat exchanger [preferably heat transfer medium/water heat exchanger for the start-up mode] is preferably flowed through by heat transfer medium, so that water absorbs heat from the heat transfer medium. In the flow direction of the product gas/heat transfer medium, the fifth heat exchanger is preferably arranged downstream of the third heat exchanger.
Bevorzugt wird das Wasser anschließend durch einen Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher geleitet und erhitzt. Der Rauchgas/Wasser-Wärmetauscher kühlt die Rauchgase aus der Verbrennungseinrichtung im Rauchgaskanal ab, wobei im Rauchgas enthaltene Wärme zum Erwärmen des Wasserdampfs genutzt wird.Preferably, the water is then passed through a flue gas/water heat exchanger and heated. The flue gas/water heat exchanger cools the flue gases from the combustion device in the flue gas duct, whereby the heat contained in the flue gas is used to heat the water vapor.
Der Wasserdampf wird anschließend bevorzugt in eine Wasserdampftrommel geleitet.The steam is then preferably fed into a steam drum.
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/Wärmeträgermediums stromabwärts der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung angeordnet. Im Herstellmodus dient der dritte Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] bevorzugt zur Abkühlung des Produktgases nach dem Verlassen der zweite NH3-Zersetzungseinrichtung, wobei im Produktgas enthaltene Wärme ebenfalls zum Erwärmen des Wasserdampfs genutzt wird. Im Anfahrmodus dient der dritte Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] bevorzugt zur Abgabe von Wärme aus dem Wärmeträgermedium an Wasser. Im Anfahrmodus wird zudem heißer Wasserdampf in einer H2O-Verdampfungseinrichtung erzeugt und ggf. zusammen mit dem Wasserdampf aus der Wasserdampftrommel der NH3-Verdampfungseinrichtung zugeführt.From the steam drum, the water is preferably passed through a third heat exchanger and thereby absorbs further heat, in order to then preferably be returned to the steam drum. The third heat exchanger is arranged downstream of the second NH 3 decomposition device in the flow direction of the product gas/heat transfer medium. In production mode, the third heat exchanger [preferably product gas/water heat exchanger for production mode] is preferably used to cool the product gas after it leaves the second NH 3 decomposition device, with heat contained in the product gas also being used to heat the water vapor. In start-up mode, the third heat exchanger [preferably heat transfer medium/water heat exchanger for start-up mode] is preferably used to transfer heat from the heat transfer medium to water. In start-up mode, hot water vapor is also generated in an H 2 O evaporation device and, if necessary, fed to the NH 3 evaporation device together with the water vapor from the steam drum.
Durch die Kondensation des Wasserdampfes in der NH3-Verdampfungseinrichtung wird Wärme gewonnen, um das vorgeheizte NH3 zu verdampfen. Nach dem Durchströmen der NH3-Verdampfungseinrichtung wird das Dampfkondensat bevorzugt dem Vorwärmer zugeführt, der dazu dient, das NH3 vorzuwärmen, so dass die im Wasserdampf enthaltene Wärme in zwei Stufen für die Erwärmung des NH3 genutzt wird. Nach dem Durchströmen des Vorwärmers kann das Dampfkondensat aus der Anlage abgeleitet werden.By condensing the water vapor in the NH 3 evaporator, heat is generated to evaporate the preheated NH 3. After flowing through the NH 3 evaporator, the steam condensate is preferably fed to the preheater, which serves to preheat the NH 3 so that the heat contained in the water vapor is used in two stages to heat the NH 3. After flowing through the preheater, the steam condensate can be discharged from the system.
Solange im Anfahrmodus noch keine ausreichende Wärme für die Erzeugung von Wasserdampf zur Verfügung steht, stellt die bevorzugt elektrisch betriebene H2O-Verdampfungseinrichtung Wasserdampf zur Verfügung. Das aus dem Tank in die Anlage geführte NH3 wird mit Hilfe des elektrisch erzeugten Wasserdampfs in Analogie zum Herstellmodus bevorzugt im Vorwärmer vorgewärmt und anschließend in der NH3-Verdampfungseinrichtung verdampft.As long as there is not enough heat available in the start-up mode to generate water vapor, the preferably electrically operated H 2 O evaporation device provides water vapor. The NH 3 fed from the tank into the system is preferably preheated in the preheater using the electrically generated water vapor, analogous to the production mode, and then evaporated in the NH 3 evaporation device.
Wärmeträgermediumheat transfer medium
Im Anfahrmodus wird ein Wärmeträgermedium, bevorzugt N2 oder NH3, 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 Wärmeträgermedium 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 Anfahrmodus den Hauptprozessweg an mehreren Stellen zu schließen und die Zirkulation des Wärmeträgermediums zu ermöglichen.In start-up mode, a heat transfer medium, preferably N 2 or NH 3 , is passed through at least part of the system in order to absorb combustion heat or heat from the flue gas and to heat one or more devices in the system to operating temperature. The heat transfer medium is preferably circulated and brought to the necessary pressure using a compressor. The system according to the invention preferably comprises several valves at suitable locations in order to close the main process path at several locations in start-up mode and to enable the circulation of the heat transfer medium.
Bevorzugt zirkuliert das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus vom Verdichter zu einem vierten Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus], wo es Wärme aus im Kreuzstrom geführtem Wärmeträgermedium aufnimmt.Preferably, in start-up mode, the heat transfer medium circulates from the compressor to a fourth heat exchanger [preferably heat transfer medium/heat transfer medium heat exchanger for start-up mode], where it absorbs heat from cross-flow heat transfer medium.
Von dort strömt das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt zu einem ersten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus], wo es Wärme aus dem Rauchgas aufnimmt.From there, the heat transfer medium flows preferentially to a first heat exchanger in start-up mode [preferably flue gas/heat transfer medium heat exchanger for start-up mode], where it absorbs heat from the flue gas.
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.Subsequently, in start-up mode, the heat transfer medium flows preferentially to a second heat exchanger [preferably flue gas/heat transfer medium heat exchanger for start-up mode], where it also absorbs heat from the flue gas.
Von dort durchströmt das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung, wo es Verbrennungswärme aufnimmt, welche als Wärmestrom von der Verbrennungseinrichtung in die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung strömt.From there, the heat transfer medium flows preferentially through the second NH 3 -zero decomposition device, where it absorbs combustion heat, which flows as a heat flow from the combustion device into the second NH 3 decomposition device.
Danach erreicht das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt einen dritten Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus], wo es Wärme an Wasser abgibt.Afterwards, in start-up mode, the heat transfer medium preferably reaches a third heat exchanger [preferably heat transfer medium/water heat exchanger for start-up mode], where it transfers heat to water.
Anschließend durchströmt das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt erneut den vierten Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] (d.h. Kreuzstrom), wo es Wärme an im Kreuzstrom geführtes Wärmeträgermedium abgibt.Subsequently, in start-up mode, the heat transfer medium preferably flows again through the fourth heat exchanger [preferably heat transfer medium/heat transfer medium heat exchanger for start-up mode] (i.e. cross-flow), where it transfers heat to the heat transfer medium flowing in cross-flow.
Danach durchströmt das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt einen fünften Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus], wo es Wärme an Wasser abgibt.Afterwards, in start-up mode, the heat transfer medium preferably flows through a fifth heat exchanger [preferably heat transfer medium/water heat exchanger for start-up mode], where it transfers heat to water.
Anschließend durchströmt das Wärmeträgermedium im Anfahrmodus bevorzugt einen sechsten Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus], wo es ebenfalls Wärme an Wasser abgibt.Subsequently, in start-up mode, the heat transfer medium preferably flows through a sixth heat exchanger [preferably heat transfer medium/water heat exchanger for start-up mode], where it also transfers heat to water.
Schließlich wird das Wärmeträgermedium zum Verdichter zurückgeführt.Finally, the heat transfer medium is returned to the compressor.
Beschreibung der AbbildungenDescription of the figures
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen näher erläutert.
In
Sollte die in der verbleibenden Mischung enthaltene Menge an nicht abgetrenntem H2 für eine zufriedenstellende Verbrennung von NH3 nicht ausreichen, kann ggf. H2 aus dem Produkt H2 abgezweigt und ebenfalls der Verbrennung zugeführt werden (Rückführung (D)). Dies ist allerdings nicht bevorzugt. So wird durch Druckwechseladsorption typischerweise bereits eine ausgezeichnete Reinheit vom H2 erreicht, und das in der Druckwechseladsorptionseinrichtung nach Abtrennung des H2 verbleibende Restgasgemisch enthält neben N2 und restlichem NH3 eine ausreichende Menge an H2, was aus prozesstechnischen Gründen kaum vermieden werden kann. Durch Rückführung dieses H2-haltigen Restgasgemischs zur Verbrennungseinrichtung kann die im Restgasgemisch enthaltene Energie für die Erzeugung von Verbrennungswärme genutzt werden. Eine zusätzliche Anreicherung des Restgasgemisches mit H2 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 NH3 zu generieren, wird erfindungsgemäß bevorzugt ggf. die Menge an NH3 im Verbrennungsgas erhöht, nicht jedoch die Menge an H2 aus dem gereinigten wertvollen Produkt.If the amount of unseparated H 2 contained in the remaining mixture is insufficient for satisfactory combustion of NH 3 , H 2 can be diverted from the product H 2 and also fed to the combustion (recirculation (D)). However, this is not preferred. Pressure swing adsorption typically already achieves an excellent purity of H 2 , and the residual gas mixture remaining in the pressure swing adsorption device after separation of the H 2 contains a sufficient amount of H 2 in addition to N 2 and residual NH 3 , which can hardly be avoided for process-related reasons. By returning this H 2 -containing residual gas mixture to the combustion device, the energy contained in the residual gas mixture can be used to generate combustion heat. Additional enrichment of the residual gas mixture with H 2 for combustion does not make economic sense, at least not in production mode, and is therefore not preferred. If the total amount of the residual gas mixture is not sufficient to generate the required amount of heat for the catalyzed decomposition of NH 3 , according to the invention the amount of NH 3 in the combustion gas is preferably increased, but not the amount of H 2 from the purified valuable product.
Anlage/Verfahren gemäß Abbildung 2 im Herstellmodus:Plant/process according to Figure 2 in manufacturing mode:
Im Herstellmodus wird flüssiges NH3, welches bei tiefer Temperatur und erhöhtem Druck vorliegt, aus Tank 10 über Leitung 11 mittels Pumpe 12 durch Vorwärmer 13 geleitet und erwärmt. In NH3-Verdampfungseinrichtung 14 wird das NH3 verdampft und strömt anschließend über Leitung 15 zu Abzweigung 16, wo eine Aufteilung des NH3-Stroms in zwei Teilströme erfolgt. Von Abzweigung 16 ausgehend wird ein erster Teilstrom des NH3 entspannt und über Leitung 17 Verbrennungseinrichtung 18 zugeführt. Ein zweiter Teilstrom des NH3 wird ausgehend von Abzweigung 16 über Leitung 19 durch den vierten Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/NH3-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 20 geleitet und strömt danach über Leitung 21 durch den ersten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/NH3-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 22, wo das NH3 weiter erwärmt wird. Das vorgewärmte NH3 wird der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung 65 zugeführt, wo eine partielle katalytische Zersetzung erfolgt, bevorzugt adiabatisch. Das die erste NH3-Zersetzungseinrichtung 65 verlassende Zwischenproduktgas 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 Zwischenproduktgas aufgewärmt und danach über Leitung 23 in zweite NH3-Zersetzungseinrichtung 24 eingeleitet. Die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung 24 wird bevorzugt von oben nach unten durchströmt. Die für die Aufrechterhaltung der Reaktion erforderliche Wärme wird erzeugt, indem die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung 24 durch Verbrennung von H2 und NH3 in der Verbrennungseinrichtung 18 aufgeheizt wird.In the production mode, liquid NH 3 , which is present at a low temperature and increased pressure, is led from
Im Herstellmodus durchströmt nach der Zersetzung von NH3 das gebildete Produktgas (umfassend N2, H2 und ggf. restliches NH3) den dritten Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 26, danach den vierten Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/NH3-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 20, anschließend Leitung 27 und zur weiteren Abkühlung einen fünften Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 28, welcher bevorzugt mit Wasser betrieben wird. Schließlich wird das Produktgas mittels eines sechsten Wärmetauschers [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 29 weiter abgekühlt und anschließend über Leitung 30 einer Druckwechseladsorptionseinrichtung 31 zugeführt, wo eine Auftrennung des Gasgemisches unter Druck durch Adsorption erfolgt. Der dabei abgetrennte H2 verlässt die Druckwechseladsorptionseinrichtung 31 über Leitung 32, wird über einen ersten H2-Verdichter 33 auf einen erhöhten Druck gebracht, durchströmt einen ersten H2-Wärmetauscher 34, einen zweiten H2-Verdichter 35 zur weiteren Druckerhöhung, einen zweiten H2-Wärmetauscher 36 und wird aus der Anlage bei einem Druck von beispielsweise etwa 70 bar über die Leitung 37 abgeleitet.In the production mode, after the decomposition of NH 3, the product gas formed (comprising N 2 , H 2 and possibly remaining NH 3 ) flows through the third heat exchanger [preferably product gas/water heat exchanger for the production mode] 26, then the fourth heat exchanger [preferably product gas/NH 3 heat exchanger for the production mode] 20, then
Das in der Druckwechseladsorptionseinrichtung 31 nach Abtrennung des H2 verbleibende Restgasgemisch enthält N2, restliches NH3 sowie H2 und wird über Rückführleitung 38 zurückgeführt und über abzweigende Leitung 39 der Verbrennungseinrichtung 18 zugeführt, so dass in dem Restgasgemisch enthaltene Energie für die Erzeugung von Verbrennungswärme genutzt werden kann.The residual gas mixture remaining in the pressure
Im Herstellmodus wird Verbrennungsluft für den Verbrennungsprozess in der Verbrennungseinrichtung 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 Zweigleitungen 47 und 48 in Verbrennungseinrichtung 18, wo die Verbrennungsluft dem über Leitung 17 zugeführten Teilstrom des NH3 zugeführt wird, um dieses zu verbrennen und so Verbrennungswärme zu erzeugen.In production mode, combustion air for the combustion process in the
Im Herstellmodus wird das heiße Rauchgas aus der Verbrennung in Verbrennungseinrichtung 18 zunächst über den zweiten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Zwischenproduktgas-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 67 abgekühlt, wodurch Wärme für die Aufheizung des der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung 24 zugeführten Zwischenproduktgases nach dem Verlassen der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung 65 gewonnen wird. Anschließend wird das Rauchgas über den ersten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/NH3-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 22 weiter abgekühlt, wodurch Wärme für die Aufheizung des der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung 65 zugeführten NH3 gewonnen wird. Das Rauchgas wird dann weiter durch Rauchgaskanal 49 über den ersten Rauchgas/Verbrennungsluft-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 Verbrennungsluft dient. Das Rauchgas wird dann im Endbereich des Rauchgaskanals 49 mittels des Rauchgasverdichters 53 verdichtet und verlässt die Anlage über Kamin 54.In the production mode, the hot flue gas from the combustion in the
Im Herstellmodus wird Wasser für die Erzeugung von Wasserdampf über Leitung 55 eingespeist, über den fünften Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 28 geleitet und dann mit erhöhter Temperatur in Entgaser 56 geleitet, in dem Luft und andere 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 Wasserdampftrommel 60 geleitet wird. Aus Wasserdampftrommel 60 kann über Leitung 61 Wasser durch den dritten Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus] 26 geleitet werden 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 NH3-Zersetzungseinrichtung 24 angeordnet und dient zur Abkühlung des Produktgases nach dem Verlassen der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung 24. Die dabei gewonnene Wärme kann somit zur Erzeugung von weiterem Wasserdampf genutzt werden.In the production mode, water for the production of steam is fed in via
Im Herstellmodus wird der in Wasserdampftrommel 60 erzeugte heiße Wasserdampf über Leitung 63 in den im oberen Bereich der NH3-Verdampfungseinrichtung 14 eingeleitet. Durch die Kondensation des Wasserdampfes wird die Wärme gewonnen, um das vorgeheizte NH3 zu verdampfen. Nach dem Durchströmen der NH3-Verdampfungseinrichtung 14 wird das Dampfkondensat über Leitung 64 dem Vorwärmer 13 zugeführt, der dazu dient, das NH3 vorzuwärmen, so dass die im Wasserdampf enthaltene Wärme in zwei Stufen für die Erwärmung des NH3 genutzt wird. Nach dem Durchströmen des Vorwärmers 13 kann das Dampfkondensat aus der Anlage abgeleitet werden.In production mode, the hot steam generated in the
Anlage/Verfahren gemäß Abbildung 2 im AnfahrmodusSystem/process according to Figure 2 in start-up mode
Im erfindungsgemäßen Anlagenkonzept wird im Anfahrmodus ein Wärmeträgermedium, bevorzugt N2 oder NH3, durch zumindest einen Teil der Anlage geleitet, um Wärme aus der Verbrennungseinrichtung bzw. dem Rauchgas aufzunehmen und Vorrichtungen der Anlage auf Betriebstemperatur aufzuwärmen. Das kalte Wärmeträgermedium wird dabei bevorzugt zirkuliert und durch einen Verdichter 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 Zirkulation des Wärmeträgermediums zu ermöglichen. Dabei wird die erste NH3-Zersetzungseinrichtung 65 aus der Zirkulation ausgenommen.In the system concept according to the invention, in start-up mode a heat transfer medium, preferably N 2 or NH 3 , is passed through at least part of the system in order to absorb heat from the combustion device or the flue gas and to heat the system's devices to operating temperature. The cold heat transfer medium is preferably circulated and passed through a
Solange beim Anfahren noch keine ausreichende Wärme für die Erzeugung von Wasserdampf zur Verfügung steht, stellt die bevorzugt elektrisch betriebene H2O-Verdampfungseinrichtung 84 Wasserdampf zur Verfügung. Das aus dem Tank 10 in die Anlage geführte NH3 wird mit Hilfe des elektrisch erzeugten Wasserdampfs in Analogie zum Herstellmodus in Vorwärmer 13 vorgewärmt und anschließend in der NH3-Verdampfungseinrichtung 14 verdampft. Damit das verdampfte NH3 katalytisch zersetzt werden kann, muss es auf die Aktivierungstemperatur des NH3-Zersetzungskatalysators erwärmt werden, im Falle eines Nickel-basierten NH3-Zersetzungskatalysators bevorzugt auf 600 bis 650°C, im Falle eines Ruthenium-basierten NH3-Zersetzungskatalysators bevorzugt auf 350 bis 400°C.As long as there is not enough heat available to generate water vapor during start-up, the preferably electrically operated H 2
Im Anfahrmodus wird dazu NH3 (ein Teil oder die gesamte Menge) durch das elektrische Heizelement 74 geleitet und darin über die Aktivierungstemperatur des NH3-Zersetzungskatalysators in der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung 65 erwärmt. Anschließend strömt das erwärmte NH3 über Leitung 73 in die erste NH3-Zersetzungseinrichtung 65, wo das NH3 zumindest teilweise zersetzt wird. In der bevorzugt adiabatischen Reaktion kann so ein Umsatz von z.B. 18% erreicht werden, je nach Vorwärmtemperatur.In the start-up mode, NH 3 (part or all of it) is passed through the
Im Anfahrmodus enthält das so gebildete Zwischenproduktgas H2 und wird ggf. mit weiterem NH3 gemischt und in der Verbrennungseinrichtung 18 zu Rauchgas verbrannt. Durch die teilweise erfolgte partielle Zersetzung von NH3 steht eine ausreichende Menge an H2 zur Verfügung, um die Verbrennung des NH3 zu gewährleisten bzw. zu verbessern. Die bevorzugt elektrisch betriebene H2O-Verdampfungseinrichtung 84 sowie das elektrische Heizelement 74 benötigen elektrische Energie zum Verdampfen und weiteren Erwärmen des NH3 für die katalytische Zersetzung; die anschließende Verbrennung von NH3 zusammen mit dem durch die katalytische Zersetzung gebildeten H2 liefert dann die Wärme zum Aufheizen des Wärmeträgermediums.In start-up mode, the intermediate product gas thus formed contains H 2 and is optionally mixed with further NH 3 and burned in the
Das Wärmeträgermedium zirkuliert im Anfahrmodus vom Verdichter 77 zum vierten Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 20 auf der kalten Seite, von dort über Leitung 21 zum ersten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 22, und anschließend über Leitung 80 zum zweiten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 67. Von dort durchströmt das Wärmeträgermedium die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung 24 und erreicht über Leitung 25 den dritten Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 26 sowie anschließend den vierten Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 20 auf der heißen Seite. Von dort durchströmt das Wärmeträgermedium den fünften Wärmetauscher [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 28 und anschließend den sechsten Wärmetauscher [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/NH3-Verdichter sein, welcher eine Doppelfunktion erfüllt, d.h. zum Verdichten sowohl des N2 als auch des NH3 eingesetzt wird.In start-up mode, the heat transfer medium circulates from the
In bevorzugten Ausführungsformen wird im Anfahrmodus der NH3-Storm in einen ersten NH3-Teilstrom und einen zweiten NH3-Teilstrom aufgeteilt. Nur der erste NH3-Teilstrom wird der ersten Zersetzungseinrichtung 65 zugeführt. Der zweite NH3-Teilstrom wird nach Durchströmen des ersten Wärmetauschers [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 22 über Leitung 80 abgetrennt, durchströmt bevorzugt den zweiten Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 67 und anschließend die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung 24, wodurch die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung 24 Wärme aus dem zweiten NH3-Teilstrom aufnimmt. Der zweite NH3-Teilstrom hat demnach zunächst nur die Funktion als Wärmeträgermedium. Nach und nach wird auf diese Weise die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung 24 erwärmt, bis die Anspringtemperatur (Aktivierungstemperatur) für die katalytische Zersetzung von NH3 erreicht ist, so dass ab diesem Zeitpunkt zusätzlicher H2 in der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung 24 durch katalytische Zersetzung von NH3 hergestellt wird.In preferred embodiments, in the start-up mode, the NH 3 stream is divided into a first NH 3 partial stream and a second NH 3 partial stream. Only the first NH 3 partial stream is fed to the
Erwärmt wird das Wärmeträgermedium dabei im Anfahrmodus beim Durchströmen der kalten Seite des vierten Wärmetauschers [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 20, wo es Wärme aus im Kreuzstrom geführtem Wärmeträgermedium aufnimmt. Außerdem wird das Wärmeträgermedium erwärmt beim Durchströmen des ersten Wärmetauschers [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 22 und des zweiten Wärmetauschers [bevorzugt Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 67, wo es Wärme aus dem Rauchgas aufnimmt. Darüber hinaus wird das Wärmeträgermedium erwärmt beim Durchströmen der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung 24, wo es Verbrennungswärme aufnimmt, welche als Wärmestrom von der Verbrennungseinrichtung 18 in die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung 24 strömt.The heat transfer medium is heated in the start-up mode when it flows through the cold side of the fourth heat exchanger [preferably heat transfer medium/heat transfer medium heat exchanger for the start-up mode] 20, where it absorbs heat from the heat transfer medium guided in cross-flow. In addition, the heat transfer medium is heated when it flows through the first heat exchanger [preferably flue gas/heat transfer medium heat exchanger for the start-up mode] 22 and the second heat exchanger [preferably flue gas/heat transfer medium heat exchanger for the start-up mode] 67, where it absorbs heat from the flue gas. In addition, the heat transfer medium is heated when it flows through the second NH 3 decomposition device 24, where it absorbs combustion heat which flows as a heat flow from the
Abgekühlt wird das Wärmeträgermedium dabei im Anfahrmodus beim Durchströmen des dritten Wärmetauschers [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 26, wo es Wärme an Wasser abgibt, sowie beim Durchströmen der warmen Seite des vierten Wärmetauschers [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 20, wo es Wärme an im Kreuzstrom geführtes Wärmeträgermedium abgibt. Außerdem wird das Wärmeträgermedium abgekühlt beim Durchströmen des fünften Wärmetauschers [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 28 und anschließend des sechsten Wärmetauschers [bevorzugt Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus] 29, wo es jeweils Wärme an Wasser abgibt.The heat transfer medium is cooled in the start-up mode when it flows through the third heat exchanger [preferably heat transfer medium/water heat exchanger for the start-up mode] 26, where it gives off heat to water, and when it flows through the warm side of the fourth heat exchanger [preferably heat transfer medium/heat transfer medium heat exchanger for the start-up mode] 20, where it gives off heat to the heat transfer medium guided in cross-flow. The heat transfer medium is also cooled when it flows through the fifth heat exchanger [preferably heat transfer medium/water heat exchanger for the start-up mode] 28 and then the sixth heat exchanger [preferably heat transfer medium/water heat exchanger for the start-up mode] 29, where it gives off heat to water.
Das bei der Verbrennung des Gemischs umfassend NH3 und H2 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 ersten 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. Auf diese Weise werden Verbrennungsluft bzw. Wasser durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas erwärmt.The flue gas formed during the combustion of the mixture comprising NH 3 and H 2 flows through the
Wenn die Anlage soweit aufgewärmt ist, dass vom Anfahrmodus in den Herstellmodus gewechselt werden kann, wird die Zirkulation des Wärmeträgermediums mit Hilfe der Ventile 68, 75, 79, 81, 82, 83 beendet.When the system has warmed up sufficiently to switch from start-up mode to production mode, the circulation of the heat transfer medium is stopped by means of
Wird als Wärmeträgermedium NH3 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 NH3 vorhanden ist (≤ 0.5 Gew.-%), und/oder NH3 umfassen, welches im Anfahrmodus nicht in der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung 24 umgesetzt wurde.If NH 3 or another combustible gas is used as the heat transfer medium, it can be discharged via
Wird als Wärmeträgermedium N2 eingesetzt, so kann kontinuierlich NH3 zudosiert werden.If N 2 is used as the heat transfer medium, NH 3 can be added continuously.
Anlage/Verfahren gemäß Abbildung 3 im AnfahrmodusSystem/process according to Figure 3 in start-up mode
Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ist für den Anfahrmodus das elektrische Heizelement 74 in Strömungsrichtung des NH3 stromabwärts des Ventils 82 und stromaufwärts der ersten NH3-Zersetzungseinrichtung 65 angeordnet. Über das Ventil 82 wird geregelt, welcher Anteil an NH3 in die erste NH3-Zersetzungseinrichtung 65 zur partiellen katalytischen Zersetzung und welcher Anteil an NH3 über Leitung 80 in die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung 24 als Wärmeträgermedium geleitet wird.According to this preferred embodiment, for the start-up mode, the
Über Ventil 75, welches in Strömungsrichtung des NH3 stromabwärts direkt nach Abzweigung 16 installiert ist, wird vorübergehend die Zuleitung von Fuel-NH3 in die Verbrennungseinrichtung 18 gesperrt bzw. geregelt; diese Funktion übernehmen die erste NH3-Zersetzungseinrichtung 65 und das Ventil 82.The supply of fuel NH 3 to the
Die Zirkulation des NH3 als Wärmeträgermedium erfolgt dann erfindungsgemäß folgendermaßen: Das NH3 wird bei gesperrtem Ventil 75 an Abzweigung 16 vorbei zum vierter Wärmetauscher 20 (in
Der erste NH3-Teilstrom wird über Ventil 82 in die erste NH3-Zersetzungseinrichtung 65 geleitet. Ventil 81 wird geschlossen, so dass das die erste NH3-Zersetzungseinrichtung verlassende Zwischenproduktgas über abzweigende Leitung 39 der Verbrennungseinrichtung 18 zugeführt und darin verbrannt wird.The first NH 3 partial stream is fed via
Der zweite NH3-Teilstrom wird über Leitung 80 bei geschlossenem Ventil 81 über den zweiten Wärmetauscher 67 der zweiten NH3-Zersetzungseinrichtung 24 zugeführt, wo es zunächst als Wärmeträgermedium dient (sofern die Aktivierungstemperatur des NH3-Zersetzungskatalysators in der zweiten NH3-Zersetzungsvorrichtung noch nicht erreicht wurde). Der die zweite NH3-Zersetzungseinrichtung 24 verlassende zweite NH3-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
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
- 1010
- Tanktank
- 1111
- LeitungLine
- 1212
- Pumpepump
- 1313
- Vorwärmerpreheater
- 1414
- NH3-VerdampfungseinrichtungNH 3 evaporation device
- 1515
- LeitungLine
- 1616
- Abzweigungjunction
- 1717
- LeitungLine
- 1818
- Verbrennungseinrichtungincineration facility
- 1919
- LeitungLine
- 2020
- vierter Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/NH3-Wärmetauscher für den Herstellmodus; Wärmeträgermedium/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus]fourth heat exchanger [preferably product gas/NH 3 heat exchanger for production mode; heat transfer medium/heat transfer medium heat exchanger for start-up mode]
- 2121
- LeitungLine
- 2222
- erster Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/NH3-Wärmetauscher für den Herstellmodus; Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus]first heat exchanger [preferably flue gas/NH 3 heat exchanger for the production mode; flue gas/heat transfer medium heat exchanger for the start-up mode]
- 2323
- LeitungLine
- 2424
- zweite NH3-Zersetzungseinrichtungsecond NH 3 decomposition device
- 2525
- Austrittsleitungoutlet line
- 2626
- dritter Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus; Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus]third heat exchanger [preferably product gas/water heat exchanger for production mode; heat transfer medium/water heat exchanger for start-up mode]
- 2727
- LeitungLine
- 2828
- fünfter Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus; Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus]fifth heat exchanger [preferably product gas/water heat exchanger for production mode; heat transfer medium/water heat exchanger for start-up mode]
- 2929
- sechster Wärmetauscher [bevorzugt Produktgas/Wasser-Wärmetauscher für den Herstellmodus; Wärmeträgermedium/Wasser-Wärmetauscher für den Anfahrmodus]sixth heat exchanger [preferably product gas/water heat exchanger for production mode; heat transfer medium/water heat exchanger for start-up mode]
- 3030
- LeitungLine
- 3131
- Druckwechseladsorptionseinrichtungpressure swing adsorption device
- 3232
- LeitungLine
- 3333
- H2-VerdichterH 2 compressor
- 3434
- erster H2-Wärmetauscherfirst H 2 heat exchanger
- 3535
- H2-VerdichterH 2 compressor
- 3636
- zweiter H2-Wärmetauschersecond H 2 heat exchanger
- 3737
- Ausgangsleitung für Wasserstoffhydrogen outlet line
- 3838
- Rückführleitungreturn line
- 3939
- abzweigende Leitungbranching line
- 4040
- Filter für Verbrennungsluftfilter for combustion air
- 4141
- Verdichtercompressor
- 4242
- LeitungLine
- 4343
- zweiter Rauchgas/VerbrennungsluftWärmetauschersecond flue gas/combustion air heat exchanger
- 4444
- LeitungLine
- 4545
- erster Rauchgas/Verbrennungsluft-Wärmetauscherfirst flue gas/combustion air heat exchanger
- 4646
- LeitungLine
- 4747
- Zweigleitungbranch management
- 4848
- Zweigleitungbranch management
- 4949
- Rauchgaskanalflue gas duct
- 5050
- Rauchgasentstickungseinheitflue gas denitrification unit
- 5151
- LeitungLine
- 5252
- Rauchgas/Wasser-Wärmetauscherflue gas/water heat exchanger
- 5353
- Rauchgasverdichterflue gas compressor
- 5454
- KaminChimney
- 5555
- Leitung für die Einspeisung von Wasserpipe for the supply of water
- 5656
- Entgaserdegasser
- 5757
- Pumpepump
- 5858
- LeitungLine
- 5959
- LeitungLine
- 6060
- Wasserdampftrommelsteam drum
- 6161
- LeitungLine
- 6262
- LeitungLine
- 6363
- LeitungLine
- 6464
- LeitungLine
- 6565
- erste NH3-Zersetzungseinrichtungfirst NH 3 decomposition device
- 6666
- LeitungLine
- 6767
- zweiter Wärmetauscher [bevorzugt Rauchgas/Zwischenproduktgas-Wärmetauscher für den Herstellmodus; Rauchgas/Wärmeträgermedium-Wärmetauscher für den Anfahrmodus]second heat exchanger [preferably flue gas/intermediate product gas heat exchanger for production mode; flue gas/heat transfer medium heat exchanger for start-up mode]
- 6868
- Ventilvalve
- 6969
- LeitungLine
- 7070
- Fackelturmtorch tower
- 7171
- Abtrennvorrichtung für Kondensatcondensate separator
- 7272
- Pumpepump
- 7373
- LeitungLine
- 7474
- elektrisches Heizelementelectric heating element
- 7575
- Ventilvalve
- 7676
- LeitungLine
- 7777
- Verdichtercompressor
- 7878
- weiterer Tankadditional tank
- 7979
- Ventilvalve
- 8080
- LeitungLine
- 8181
- Ventilvalve
- 8282
- Ventilvalve
- 8383
- Ventilvalve
- 8484
- H2O-Verdampfungseinrichtung.H 2 O evaporation device.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 4 704 267 A [0006]US 4 704 267 A [0006]
-
FR 1 469 045 A [0006]
FR 1 469 045 A [0006] - CN 111 957 270 A [0006]CN 111 957 270 A [0006]
- CN 113 896 168 A [0006]CN 113 896 168 A [0006]
- WO 2001/087770 A1 [0006]WO 2001/087770 A1 [0006]
- WO 2011/107279 A1 [0006]WO 2011/107279 A1 [0006]
- WO 2017/160154 A1 [0006]WO 2017/160154 A1 [0006]
- WO 2019/038251 A1 [0006]WO 2019/038251 A1 [0006]
- WO 2012/039183 A1 [0006]WO 2012/039183 A1 [0006]
- WO 2012/090739 A1 [0006]WO 2012/090739 A1 [0006]
- WO 2020/095467 A [0006]WO 2020/095467 A [0006]
- WO 2021/257944 A1 [0006]WO 2021/257944 A1 [0006]
- WO 2022/096529 A1 [0006]WO 2022/096529 A1 [0006]
- WO 2022/243410 A1 [0006]WO 2022/243410 A1 [0006]
- WO 2022/265647 A1 [0006]WO 2022/265647 A1 [0006]
- WO 2022/265648 A1 [0006]WO 2022/265648 A1 [0006]
- WO 2022/265650 A1 [0006]WO 2022/265650 A1 [0006]
- WO 2022/265651 A1 [0006]WO 2022/265651 A1 [0006]
- WO 2011/150370 A2 [0015]WO 2011/150370 A2 [0015]
- WO 2013/119281 A1 [0016]WO 2013/119281 A1 [0016]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- I. Lucentini et al., Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 51, 18560-18611 [0104]I. Lucentini et al., Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 51, 18560-18611 [0104]
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Citations (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1469045A (en) | 1965-12-16 | 1967-02-10 | Azote Office Nat Ind | Hydrogen generator |
| US4704267A (en) | 1986-05-21 | 1987-11-03 | Air Products And Chemicals, Inc. | Production of hydrogen from ammonia |
| WO2001087770A1 (en) | 2000-05-12 | 2001-11-22 | Gradient Technology | Production of hydrogen by autothermic decomposition of ammonia |
| WO2011107279A1 (en) | 2010-03-02 | 2011-09-09 | Amminex A/S | Apparatus for generating hydrogen from ammonia stored in solid materials and integration thereof into low temperature fuel cells |
| WO2011150370A2 (en) | 2010-05-27 | 2011-12-01 | Grannell, Shawn | Ammonia flame cracker system, method and apparatus |
| WO2012039183A1 (en) | 2010-09-21 | 2012-03-29 | 日立造船株式会社 | Method for producing hydrogen from ammonia |
| WO2012090739A1 (en) | 2010-12-30 | 2012-07-05 | 株式会社豊田中央研究所 | Hydrogen generator and internal combustion engine provided with hydrogen generator |
| WO2013119281A1 (en) | 2012-02-10 | 2013-08-15 | Shawn Grannell | Ammonia flame cracker system, method and apparatus |
| WO2017160154A1 (en) | 2016-03-14 | 2017-09-21 | Statoil Petroleum As | Ammonia cracking |
| WO2019038251A1 (en) | 2017-08-24 | 2019-02-28 | Haldor Topsøe A/S | Autothermal ammonia cracking process |
| WO2020095467A1 (en) | 2018-11-09 | 2020-05-14 | 好朗 岩井 | Hydrogen gas production device |
| CN111957270A (en) | 2020-09-03 | 2020-11-20 | 福州大学化肥催化剂国家工程研究中心 | Ammonia decomposition hydrogen production system and hydrogen station system |
| WO2021257944A1 (en) | 2020-06-18 | 2021-12-23 | Air Products And Chemicals, Inc. | Ammonia cracking for green hydrogen |
| CN113896168A (en) | 2021-10-14 | 2022-01-07 | 西南化工研究设计院有限公司 | Method for preparing hydrogen or reducing gas by two-stage ammonia cracking |
| WO2022096529A1 (en) | 2020-11-04 | 2022-05-12 | Haldor Topsøe A/S | Method for cracking ammonia |
| WO2022243410A1 (en) | 2021-05-21 | 2022-11-24 | Casale Sa | Ammonia cracking for hydrogen production |
| WO2022265651A1 (en) | 2021-06-18 | 2022-12-22 | Air Products And Chemicals, Inc. | Ammonia cracking for green hydrogen |
| WO2022265647A1 (en) | 2021-06-18 | 2022-12-22 | Air Products And Chemicals, Inc. | Recovery of a renewable hydrogen product from an ammonia cracking process |
| WO2022265650A1 (en) | 2021-06-18 | 2022-12-22 | Air Products And Chemicals, Inc. | Ammonia cracking process |
| WO2022265648A1 (en) | 2021-06-18 | 2022-12-22 | Air Products And Chemicals, Inc. | Ammonia cracking for green hydrogen with nox removal |
-
2023
- 2023-07-13 DE DE102023118576.4A patent/DE102023118576A1/en active Pending
Patent Citations (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1469045A (en) | 1965-12-16 | 1967-02-10 | Azote Office Nat Ind | Hydrogen generator |
| US4704267A (en) | 1986-05-21 | 1987-11-03 | Air Products And Chemicals, Inc. | Production of hydrogen from ammonia |
| WO2001087770A1 (en) | 2000-05-12 | 2001-11-22 | Gradient Technology | Production of hydrogen by autothermic decomposition of ammonia |
| WO2011107279A1 (en) | 2010-03-02 | 2011-09-09 | Amminex A/S | Apparatus for generating hydrogen from ammonia stored in solid materials and integration thereof into low temperature fuel cells |
| WO2011150370A2 (en) | 2010-05-27 | 2011-12-01 | Grannell, Shawn | Ammonia flame cracker system, method and apparatus |
| WO2012039183A1 (en) | 2010-09-21 | 2012-03-29 | 日立造船株式会社 | Method for producing hydrogen from ammonia |
| WO2012090739A1 (en) | 2010-12-30 | 2012-07-05 | 株式会社豊田中央研究所 | Hydrogen generator and internal combustion engine provided with hydrogen generator |
| WO2013119281A1 (en) | 2012-02-10 | 2013-08-15 | Shawn Grannell | Ammonia flame cracker system, method and apparatus |
| WO2017160154A1 (en) | 2016-03-14 | 2017-09-21 | Statoil Petroleum As | Ammonia cracking |
| WO2019038251A1 (en) | 2017-08-24 | 2019-02-28 | Haldor Topsøe A/S | Autothermal ammonia cracking process |
| WO2020095467A1 (en) | 2018-11-09 | 2020-05-14 | 好朗 岩井 | Hydrogen gas production device |
| WO2021257944A1 (en) | 2020-06-18 | 2021-12-23 | Air Products And Chemicals, Inc. | Ammonia cracking for green hydrogen |
| CN111957270A (en) | 2020-09-03 | 2020-11-20 | 福州大学化肥催化剂国家工程研究中心 | Ammonia decomposition hydrogen production system and hydrogen station system |
| WO2022096529A1 (en) | 2020-11-04 | 2022-05-12 | Haldor Topsøe A/S | Method for cracking ammonia |
| WO2022243410A1 (en) | 2021-05-21 | 2022-11-24 | Casale Sa | Ammonia cracking for hydrogen production |
| WO2022265651A1 (en) | 2021-06-18 | 2022-12-22 | Air Products And Chemicals, Inc. | Ammonia cracking for green hydrogen |
| WO2022265647A1 (en) | 2021-06-18 | 2022-12-22 | Air Products And Chemicals, Inc. | Recovery of a renewable hydrogen product from an ammonia cracking process |
| WO2022265650A1 (en) | 2021-06-18 | 2022-12-22 | Air Products And Chemicals, Inc. | Ammonia cracking process |
| WO2022265648A1 (en) | 2021-06-18 | 2022-12-22 | Air Products And Chemicals, Inc. | Ammonia cracking for green hydrogen with nox removal |
| CN113896168A (en) | 2021-10-14 | 2022-01-07 | 西南化工研究设计院有限公司 | Method for preparing hydrogen or reducing gas by two-stage ammonia cracking |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| I. Lucentini et al., Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 51, 18560-18611 |
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