LU103144B1 - Catalytic decomposition of ammonia using water vapor as a heat transfer medium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Herstellung von H2 durch katalytische Zerset- zung von NH3. Wasser dient dabei als Wärmeträgermedium zur Rückgewinnung von Prozesswärme. Die Prozesswärme wird von Wasser bzw. Wasserdampf aufgenommen und anschließend an NH3 abge- geben, wodurch NH3 erwärmt und verdampft wird. Der Einsatz von Wasser bzw. Wasserdampf als Wär- meträgermedium hat Vorteile, u.a. im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Sicherheit.The invention relates to a system and a method for producing H2 by catalytic decomposition of NH3. Water serves as a heat transfer medium for recovering process heat. The process heat is absorbed by water or steam and then transferred to NH3, whereby NH3 is heated and evaporated. The use of water or steam as a heat transfer medium has advantages, including in terms of cost-effectiveness and safety.
Description
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LU103144LU103144
Katalytische Zersetzung von Ammoniak mit Wasserdampf als WärmeträgermediumCatalytic decomposition of ammonia using water vapor as a heat transfer medium
[0001] Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Herstellung von H, durch katalytische[0001] The invention relates to a plant and a process for the production of H, by catalytic
Zersetzung von NH;. Wasser dient dabei als Wärmeträgermedium zur Rückgewinnung von Prozess- wärme. Die Prozesswärme wird von Wasser bzw. Wasserdampf aufgenommen und anschließend anDecomposition of NH;. Water serves as a heat transfer medium for the recovery of process heat. The process heat is absorbed by water or steam and then transferred to
NH; abgegeben, wodurch NH; erwärmt und verdampft wird. Der Einsatz von Wasser bzw. Wasser- dampf als Wärmeträgermedium hat Vorteile, u.a. im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Sicherheit.NH; is released, whereby NH; is heated and evaporated. The use of water or steam as a heat transfer medium has advantages, including in terms of cost-effectiveness and safety.
[0002] H, kann durch erneuerbare Energien aus H,O gewonnen und anschließend mit N, in NH; um- gewandelt werden. NH; lässt sich weitaus sicherer als H, speichern und transportieren. Anschließend kann NH; wieder in H, und N, zersetzt werden. Nach Abtrennung von N, findet H, unterschiedlichste industrielle Anwendungen.[0002] H, can be obtained from H,O using renewable energy and then converted into NH; with N,. NH; can be stored and transported much more safely than H,. NH; can then be broken down into H, and N,. After separating from N,, H, finds a wide variety of industrial applications.
[0003] Die Zersetzung von NH; zu N, und H, ist eine endotherme Reaktion (AH® = 45,9 kJ-mol-'), bei der sich die Stoffmenge verdoppelt (2 NH; — N; + 3 Hz), so dass die Reaktion grundsätzlich durch hohe[0003] The decomposition of NH; to N, and H, is an endothermic reaction (AH® = 45.9 kJ-mol-'), in which the amount of substance doubles (2 NH; - N; + 3 Hz), so that the reaction is basically characterized by high
Temperaturen sowie niedrige Drücke begünstigt wird. Je höher der Druck ist, desto höher muss dieTemperatures and low pressures are favoured. The higher the pressure, the higher the
Temperatur sein, um noch zufriedenstellende Reaktionsausbeuten zu erreichen. Als Katalysatoren für die Zersetzung von NH; wurde eine Vielzahl von Materialien vorgeschlagen, welche bei unterschiedli- chen Temperaturen aktiv sind (vgl. z.B. Il. Lucentini et al., Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 18560- 18611).temperature in order to achieve satisfactory reaction yields. A variety of materials that are active at different temperatures have been proposed as catalysts for the decomposition of NH; (see, for example, Il. Lucentini et al., Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 18560- 18611).
[0004] Bei der katalytischen Zersetzung von NH; wird ein Produktgas erhalten, welches H, im Gemisch mit N, und ggf. weiteren gasförmigen Bestandteilen enthält, z.B. nicht zersetztes NH;. Viele industrielle[0004] During the catalytic decomposition of NH; a product gas is obtained which contains H, mixed with N, and possibly other gaseous components, e.g. undecomposed NH;. Many industrial
Anwendungen erfordern jedoch H, in hoher Reinheit, so dass eine Reinigung des Produktgases erfor- derlich ist, ehe H, den industriellen Anwendungen zugeführt werden kann. Während die Reinigung vonHowever, applications require H, in high purity, so that purification of the product gas is necessary before H, can be supplied to industrial applications. While the purification of
H, grundsätzlich über verschiedene Verfahren möglich ist, z.B. kryogene Verfahren oder Membranver- fahren, ist in großtechnischem Maßstab eine Reinigung durch Druckwechseladsorption besonders wirt- schaftlich.H, is basically possible via various processes, e.g. cryogenic processes or membrane processes, on a large scale, purification by pressure swing adsorption is particularly economical.
[0005] Die katalytische Zersetzung von NH; in N, und H, findet bei hoher Temperatur und mittlerem[0005] The catalytic decomposition of NH; into N, and H, takes place at high temperature and medium
Druck in der Gasphase statt. Gelagertes NH; liegt in gekühlten Tanks flüssig vor, bei Atmosphärendruck und -32,8°C. Mit einer Pumpe wird NH; bei Anlagendruck in die Anlage eingespeist. Durch den erhöh- ten Anlagendruck steigt der Siedepunkt des NH, z.B. bei 27,8 bar a auf etwa 62,2°C. Um NH; in diePressure in the gas phase. Stored NH; is liquid in cooled tanks, at atmospheric pressure and -32.8°C. NH; is fed into the system at system pressure using a pump. Due to the increased system pressure, the boiling point of the NH rises, e.g. at 27.8 bar a to about 62.2°C. In order to feed NH; into the
Gasphase zu überführen, ist zur Verdampfung des NH; die Zufuhr von Wärme notwendig.To convert the NH into a gas phase, the addition of heat is necessary for the evaporation of the NH;
[0006] Herkömmliche Prozesse zur katalytischen Zersetzung von NH; erzeugen erhebliche Mengen an[0006] Conventional processes for the catalytic decomposition of NH3 produce significant amounts of
Wärme, welche zum Verdampfen von NH; genutzt werden kann.Heat which can be used to evaporate NH;
’ 230088P00LU’ 230088P00LU
[0007] US 4 704 267 A betrifft die Herstellung von hochreinem H, aus flüssigem, wasserfreiem NHz. LU103144[0007] US 4 704 267 A relates to the production of high-purity H 2 from liquid, anhydrous N 2 H 2 . LU103144
NH; wird verdampft und anschließend in seine Bestandteile aufsespalten. Der resultierende dissoziierteNH; is evaporated and then split into its components. The resulting dissociated
Gasstrom wird einer adiabatischen Metallhydrid-Reinigungseinheit zugeführt, um den im Strom vor- handenen H, zu absorbieren. Der adsorbierte H, wird dann als hochreines Produkt zurückgewonnen.Gas stream is fed to an adiabatic metal hydride purification unit to absorb the H, present in the stream. The adsorbed H, is then recovered as a high purity product.
[0008] FR 1 469 045 A betrifft einen Apparat aus einem mit NH; gespeisten Vorwärmer, einem Rohr- bündel, das einen Katalysator zur Spaltung von NH; umschließt, und gegebenenfalls einer Zelle zur[0008] FR 1 469 045 A relates to an apparatus comprising a preheater fed with NH;, a tube bundle enclosing a catalyst for splitting NH; and optionally a cell for
Reinigung von H, durch Diffusion, die miteinander verbunden sind und sich in einem einzigen Gehäuse befinden, welches Heizmittel enthält.Purification of H, by diffusion, which are interconnected and located in a single housing containing heating medium.
[0009] CN 111 957 270 A betrifft eine NH;-Zersetzungsvorrichtung, welche eine NH;-Zersetzungsein- heit und eine Verbrennungseinheit umfasst, welche auf die NH;-Zersetzungseinheit einwirkt. NH; tritt in die NH;-Zersetzungseinheit über einen ersten Einlass für gereinigtes Gas ein, um eine Zersetzungs- reaktion des NH; durchzuführen. Erzeugtes Mischgas wird über einen zweiten Auslass für gereinigtes[0009] CN 111 957 270 A relates to an NH; decomposition apparatus comprising an NH; decomposition unit and a combustion unit acting on the NH; decomposition unit. NH; enters the NH; decomposition unit via a first purified gas inlet to carry out a decomposition reaction of the NH;. Mixed gas produced is discharged via a second purified gas outlet.
Gas abgeleitet und tritt dann in die Verbrennungseinheit über einen zweiten Einlass für gereinigtes Gas ein. Das Mischgas umfasst N,, H, und nicht zersetztes NH;. Das Mischgas tritt in die Verbrennungsein- heit ein, um Wärme für die Zersetzungsreaktion des NH; der NH;-Zersetzungseinheit bereitzustellen, so dass die Selbstversorgung mit Wärme in dem NHz-Zersetzungs-H,-Produktionssystem realisiert wird. Es wird kein zusätzlicher Brennstoff für die Energieversorgung benötigt und die Kosten des NHz-Gas is discharged and then enters the combustion unit via a second purified gas inlet. The mixed gas comprises N,, H, and undecomposed NH;. The mixed gas enters the combustion unit to provide heat for the decomposition reaction of the NH; of the NH; decomposition unit, so that the self-sufficiency of heat is realized in the NH2 decomposition-H, production system. No additional fuel is required for energy supply and the cost of the NH2
Zersetzungs-H,-Produktionssystems werden reduziert.decomposition H, production system are reduced.
[0010] CN 113 896 168 A betrifft ein Verfahren zur Herstellung von H, oder reduzierendem Gas durch[0010] CN 113 896 168 A relates to a process for producing H, or reducing gas by
Spaltung von NH; mit einem zweistufigen Verfahren, das die folgenden Schritte umfasst: Das flüssigeDecomposition of NH; using a two-stage process comprising the following steps: The liquid
NH; des Rohmaterials wird vollständig vergast und durch ein Wärmeaustausch-Vergasungssystem er- hitzt und tritt dann in ein Warmeaustausch-NH;-Crack-Reaktionssystem der ersten Stufe ein, um eine partielle NHz-Crack-Reaktion zu erzeugen. Das Reaktionsgas aus dem Wärmeaustausch-NHz;-Crack-NH; of the raw material is fully gasified and heated by a heat exchange gasification system and then enters a first-stage heat exchange NH; cracking reaction system to produce a partial NHz cracking reaction. The reaction gas from the heat exchange NHz; cracking system
Reaktionssystem der ersten Stufe tritt in ein Hochtemperatur-NH;-Crack-Reaktionssystem der zweitenThe first stage reaction system enters a high temperature NH; cracking reaction system of the second
Stufe ein, um eine Rest-NH;-Crack-Reaktion durchzuführen. Das Hochtemperatur-NH;-Crack-Reakti- onsgas der zweiten Stufe tritt nacheinander in das Wärmeaustausch-NHz-Crack-Reaktionssystem der ersten Stufe und das Wärmeaustausch-Vergasungssystem ein, um allmählich Wärme zurückzugewin- nen, so dass das Reduktionsgas erhalten wird.stage to carry out residual NH; cracking reaction. The high-temperature NH; cracking reaction gas of the second stage enters the heat exchange NH2 cracking reaction system of the first stage and the heat exchange gasification system in sequence to gradually recover heat, so that the reducing gas is obtained.
[0011] WO 2001/087770 A1 betrifft die autotherme Zersetzung von NH; zur Herstellung von hochrei- nem H,.[0011] WO 2001/087770 A1 relates to the autothermal decomposition of NH 3 for the production of high-purity H 2 .
[0012] WO 2011/107279 A1 betrifft einen auf NH; basierenden H,-Erzeugungsreaktor umfassend eine[0012] WO 2011/107279 A1 relates to an NH3-based H2 production reactor comprising a
NH;-Spaltkammer mit einem NHz-Spaltkatalysator, eine innere Verbrennungskammer mit einem Ver- brennungs- oder Oxidationskatalysator, der in thermischem Kontakt mit der NH;-Spaltkammer steht, eine NH;-Gas-Vorheizkammer und einen äußeren Mantelring zur Wärmerückgewinnung aus den aus der Verbrennungskammer austretenden Verbrennungsprodukten, wobei die Spaltkammer, die innereNH; cracking chamber with an NH3 cracking catalyst, an inner combustion chamber with a combustion or oxidation catalyst which is in thermal contact with the NH; cracking chamber, an NH; gas preheating chamber and an outer jacket ring for heat recovery from the combustion products emerging from the combustion chamber, wherein the cracking chamber, the inner
’ 230088P00LU’ 230088P00LU
Verbrennungskammer, die Vorheizkammer und der Wärmerückgewinnungs-Mantelring konzentrisch LU103144 angeordnet sind.Combustion chamber, preheating chamber and heat recovery jacket ring are arranged concentrically LU103144.
[0013] WO 2017/160154 A1 betrifft ein Verfahren zur Energieerzeugung mit einer Gasturbine, das die folgenden Schritte umfasst: (i) Verdampfen und Vorwärmen von flüssigem NH;, um vorgewärmtes[0013] WO 2017/160154 A1 relates to a method for generating energy with a gas turbine, comprising the following steps: (i) evaporating and preheating liquid NH; to produce preheated
NH;-Gas zu erzeugen; (ii) Einführen des vorgewärmten NH;-Gases in eine NH;-Spaltvorrichtung, die zur Umwandlung von NH;-Gas in ein Gemisch aus H, und N, geeignet ist; (iii) Umwandeln des vorge- wärmten NH;-Gases in ein Gemisch aus H, und N, in der Vorrichtung; (iv) Abkühlen des Gemischs ausNH; gas; (ii) introducing the preheated NH; gas into an NH; cracking device suitable for converting NH; gas into a mixture of H, and N,; (iii) converting the preheated NH; gas into a mixture of H, and N, in the device; (iv) cooling the mixture of
H; und N,, um ein gekühltes H,- und N,-Gemisch zu erhalten; (v) Einleiten des gekühlten H,- und N,-H; and N, to obtain a cooled H,- and N,-mixture; (v) introducing the cooled H,- and N,-
Gemischs in eine Gasturbine; und (vi) Verbrennen des gekühlten H,- und N,-Gemischs in der Gastur- bine zur Energieerzeugung.mixture into a gas turbine; and (vi) combusting the cooled H, and N, mixture in the gas turbine to generate power.
[0014] WO 2019/038251 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines N, und H, enthaltenden Pro- duktgases aus NHz, umfassend die Schritte der nicht-katalytischen partiellen Oxidation von NH; mit einem O--haltigen Gas zu einem Prozessgas, das N,, Wasser, Mengen von Stickoxiden und Restmengen von NH; enthält; Cracken von mindestens einem Teil der Restmengen an NH; zu H, und N, in dem[0014] WO 2019/038251 A1 relates to a process for producing a product gas containing N, and H, from NH3, comprising the steps of non-catalytic partial oxidation of NH3 with an O--containing gas to give a process gas containing N,, water, amounts of nitrogen oxides and residual amounts of NH3; cracking at least part of the residual amounts of NH3 to give H3 and N3, in which
Prozessgas durch Kontakt mit einem nickelhaltigen Katalysator und gleichzeitiges Reduzieren der Men- gen an Stickoxiden zu N, und Wasser durch Reaktion mit einem Teil des H,, der während des Crackens des Prozessgases durch Kontakt des Prozessgases mit dem nickelhaltigen Katalysator gebildet wird; undprocess gas by contact with a nickel-containing catalyst and simultaneously reducing the amounts of nitrogen oxides to N, and water by reaction with a portion of the H, formed during cracking of the process gas by contact of the process gas with the nickel-containing catalyst; and
Abziehen des H, und N, enthaltenden Produktgases.Removal of the product gas containing H, and N,.
[0015] WO 2012/039183 A1 betrifft eine NHz-Zersetzungsvorrichtung, die H, als Verbrennungsver- besserer erzeugt, und eine NH;-Oxidationsvorrichtung, die einen Teil des eingeleiteten NH; mit O, unter[0015] WO 2012/039183 A1 relates to an NH 2 decomposition device which produces H 2 as a combustion improver and an NH 3 oxidation device which reacts a portion of the introduced NH 3 with O 2 under
Verwendung eines Oxidationskatalysators umsetzt, was eine Verbrennung bewirkt, um die für eine NHz-Using an oxidation catalyst, which causes combustion to achieve the required NHz
Zersetzungsreaktion erforderliche Wärme zu liefem.to provide the heat required for the decomposition reaction.
[0016] WO 2012/090739 A1 betrifft einen H,-Generator umfassend eine Zersetzungsvorrichtung, die eine Verbindung, die ein H-Atom und ein N-Atom enthält, zersetzt und H, erzeugt; einer Verbindungs- zufuhrvorrichtung, die die Verbindung der Zersetzungsvorrichtung zuführt; und einer O,-Zufuhrvor- richtung, die der Zersetzungsvorrichtung O, zuführt.[0016] WO 2012/090739 A1 relates to an H 2 generator comprising a decomposition device that decomposes a compound containing an H atom and an N atom and generates H 2 ; a compound supply device that supplies the compound to the decomposition device; and an O 2 supply device that supplies O 2 to the decomposition device.
[0017] WO 2020/095467 A betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von H,-Gas umfassend: eine NHz-[0017] WO 2020/095467 A relates to a device for generating H, gas comprising: a NHz
Verdampfungseinrichtung, die flüssiges NH; erhitzt, um NHz-Gas zu erzeugen; eine Hauptvorrichtung zur thermischen Zersetzung, welche die Verbrennung eines Brenngases bewirkt, wodurch das von derEvaporation device which heats liquid NH; to produce NH2 gas; a main thermal decomposition device which causes combustion of a fuel gas, thereby producing the
NH;-Verdampfungseinrichtung erzeugte NH;-Gas erhitzt und in N,-Gas und H,-Gas zersetzt wird; einenNH;-gas produced by the NH;-evaporator is heated and decomposed into N,-gas and H,-gas; a
Kühler, der ein durch die Zersetzung erzeugtes Gas kühlt, welches das N,-Gas und das durch die Zer- setzung durch die Hauptvorrichtung zur thermischen Zersetzung erzeugte H,-Gas enthält; und einenA cooler which cools a gas produced by the decomposition which contains the N, gas and the H, gas produced by the decomposition by the main thermal decomposition device; and a
Abscheider, der das H,-Gas von dem gekühlten, durch die Zersetzung erzeugten Gas trennt.Separator that separates the H, gas from the cooled gas produced by the decomposition.
* 230088P00LU* 230088P00LU
[0018] WO 2021/257944 A1 betrifft die Rückgewinnung von H, aus einem NH;-Spaltverfahren, bei LU103144 dem das Spaltgas in einer PSA-Vornchtung gereinigt wird. Durch die Verwendung eines Membranse- parators für das PSA-Abgas wird die Riickgewinnung verbessert.[0018] WO 2021/257944 A1 relates to the recovery of H, from an NH; cracking process in which the cracking gas is purified in a PSA device. The use of a membrane separator for the PSA exhaust gas improves the recovery.
[0019] WO 2022/096529 A1 betrifft ein Verfahren zum Cracken von NHz, zum Erzeugen von H, und zum Erzeugen von elektrischem Strom, umfassend Elektrolyse von Wasser in zugeführtem NHz, Ver- dampfen, Vorwärmen und Cracken von NH; unter Verwendung von NH;-Synthese-Katalysatoren bei niedrigen Temperaturen.[0019] WO 2022/096529 A1 relates to a process for cracking NH 3 , producing H 3 and generating electric current, comprising electrolysis of water in supplied NH 3 , evaporation, preheating and cracking of NH 3 using NH 3 synthesis catalysts at low temperatures.
[0020] WO 2022/243410 A1 betrifft ein Verfahren zur Synthese von H, über das katalytische Cracken von NHz; wobei ein NH;-haltiger Strom einem katalytischen Crackschritt in Gegenwart von Wärme unterzogen wird, um ein verbranntes Gas und einen thermisch gecrackten Strom zu erhalten, der N,, H, und möglicherweise restliches NH; und gegebenenfalls Wasser enthält; wobei der thermisch gecrackte[0020] WO 2022/243410 A1 relates to a process for the synthesis of H, via the catalytic cracking of NH3; wherein an NH3-containing stream is subjected to a catalytic cracking step in the presence of heat to obtain a combusted gas and a thermally cracked stream containing N3, H3 and possibly residual NH3 and optionally water; wherein the thermally cracked
Strom einem H,-Gewinnungsschritt unterzogen wird, um einen hochreinen H,-Strom zu erhalten.stream is subjected to a H, recovery step to obtain a high purity H, stream.
[0021] WO 2022/265647 Al betrifft die Rückgewinnung eines erneuerbaren H,-Produkts aus einem[0021] WO 2022/265647 A1 relates to the recovery of a renewable H, product from a
NH;-Crackverfahren, bei dem das gecrackte Gas in einer ersten PSA-Vorrichtung gereinigt wird und mindestens ein Teil des ersten PSA-Endgases als Brennstoff zurückgeführt wird, um die Kohlenstoffin- tensität des erneuerbaren H--Produkts zu verringern.NH; cracking process in which the cracked gas is purified in a first PSA device and at least a portion of the first PSA tail gas is recycled as fuel to reduce the carbon intensity of the renewable H- product.
[0022] WO 2022/265648 A1 betrifft die Entfernung von NOx-Verunreinigungen durch selektive kata-[0022] WO 2022/265648 A1 relates to the removal of NOx pollutants by selective catalytic
Iytische Reduktion (SCR) aus einem Rauchgas, das in einem NH;-Crackverfahren erzeugt wird, wobei eine wässrige NH--Lôsung verwendet wird, die durch Kühlen des komprimierten Abgases aus einer H--Analytical reduction (SCR) of a flue gas produced in an NH3 cracking process using an aqueous NH3 solution obtained by cooling the compressed exhaust gas from a H3 reactor.
PSA-Vorrichtung zur Reinigung des gecrackten Gases erzeugt wird.PSA device is used to clean the cracked gas.
[0023] WO 2022/265649 A1 betrifft die Verringerung des Wassergehalts des in einem NH;-Spaltver- fahren verwendeten NHz, wodurch der Einsatz wasserunvertriglicher Spaltkatalysatoren ermöglicht wird. Der Prozess der Wasserentfernung kann auch zur Rückgewinnung und Rückführung von NH; aus dem Spaltgas genutzt werden.[0023] WO 2022/265649 A1 relates to the reduction of the water content of the NH 3 used in an NH 3 cracking process, thereby enabling the use of water-incompatible cracking catalysts. The water removal process can also be used to recover and recycle NH 3 from the cracking gas.
[0024] WO 2022/265650 A1 betrifft ein NH;-Spaltverfahren, bei dem Spaltgas in einem PSA-System gereinigt wird. Restliches NH; in einem ersten Spaltgas wird in weiteren H, und N, umgewandelt, indem[0024] WO 2022/265650 A1 relates to an NH; cracking process in which cracking gas is purified in a PSA system. Residual NH; in a first cracking gas is converted into further H, and N, by
PSA-Restgas oder ein davon abgeleitetes Gas einem sekundären Spaltreaktor zugeführt und ein zweitesPSA residual gas or a gas derived from it is fed to a secondary fission reactor and a second
Spaltgas weiterverarbeitet wird.fission gas is further processed.
[0025] WO 2022/265651 A1 betrifft ein Verfahren, bei dem restliches NH; in einem H,-PSA-System mit einem nicht-zeolithischen Adsorptionsmittel wie Aktivkohle, Aktivtonerde oder Kieselgel aus NHz-[0025] WO 2022/265651 A1 relates to a process in which residual NH; in a H,-PSA system with a non-zeolitic adsorbent such as activated carbon, activated alumina or silica gel from NH2-
Spaltgas entfernt wird.fission gas is removed.
[0026] Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Gewinnung von H, aus NH; sind nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend und es besteht ein Bedarf an verbesserten Verfahren, welche sich wirtschaftlich in großtechnischem Maßstab durchführen lassen.[0026] The processes known from the prior art for the production of H, from NH; are not satisfactory in all respects and there is a need for improved processes which can be carried out economically on an industrial scale.
° 230088P00LU° 230088P00LU
[0027] So haben die Verfahren gemäß dem Stand der Technik sicherheitstechnische Nachteile. Als LU103144[0027] The methods according to the state of the art have safety-related disadvantages. As LU103144
Wärmeträgermedien dient für die Vorwärmung und Verdampfung von NH; das Prozessgas im Haupt- prozessstrang oder das Rauchgas. Bei diesen Verfahren gemäß dem Stand der Technik nimmt NH; in geeignet verschalteten Wärmetauscherm Wärme direkt aus dem Prozessgas oder dem Rauchgas auf. In beiden Fällen weist der Wärmetauscher auf der Seite des flüssigen oder verdampfenden NH; den hôhe- ren Druck auf. Sollte bei einer solchen Verfahrensführung ein Wärmetauscher beschädigt werden, z.B. einen Rohrreiber erleiden, was in der Praxis groBindustrieller Anlagen durchaus vorkommen kann, dann würde NH; infolge des Druckgefälles ggf. ın erheblicher Menge entweder in den Hauptprozessstrang oder ins Rauchgas strömen.Heat transfer media are used for the preheating and evaporation of NH; the process gas in the main process line or the flue gas. In these state-of-the-art processes, NH; absorbs heat directly from the process gas or the flue gas in suitably connected heat exchangers. In both cases, the heat exchanger on the side of the liquid or evaporating NH; has the higher pressure. If a heat exchanger is damaged during such a process, e.g. if a pipe breaks, which can certainly happen in practice in large industrial plants, then NH; could flow in significant quantities either into the main process line or into the flue gas as a result of the pressure drop.
[0028] Würde NH; in erheblicher Menge in den Hauptprozessstrang strömen, so würde das gasförmige[0028] If NH; were to flow into the main process line in significant quantities, the gaseous
NH; von dort in die Anlage zur Abtrennung von H, gelangen, z.B. in eine Druckwechseladsorptions- einrichtung. Zwar können Druckwechseladsorptionseinrichtungen zur Abscheidung polarer Substanzen wie NH; konfiguriert werden, bei einer erheblichen Steigerung der beaufschlagten Menge kann es je- doch zu einem Durchschlag kommen, wodurch NH; direkt in den Produktstrom gelangen würde.NH; from there into the system for separating H,, e.g. into a pressure swing adsorption device. Although pressure swing adsorption devices can be configured to separate polar substances such as NH;, a significant increase in the amount of adsorption can lead to a breakdown, whereby NH; would enter the product stream directly.
[0029] Würde NH; in erheblicher Menge in das Rauchgas strömen, so würde das NH; durch den[0029] If NH; were to flow into the flue gas in significant quantities, the NH; would be
Schornstein in die Umwelt emittiert.chimney emitted into the environment.
[0030] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine vorteilhafte Anlage und ein vorteilhaftes Verfahren zur[0030] It is an object of the invention to provide an advantageous system and an advantageous method for
Herstellung von H, durch katalytische Zersetzung von NH; bereitzustellen. Die Herstellung von H, sollte sicher, wirtschaftlich und in großtechnischem Maßstab möglich sein.Production of H, by catalytic decomposition of NH;. The production of H, should be safe, economical and possible on an industrial scale.
[0031] Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche gelöst.[0031] This object is solved by the subject matter of the patent claims.
[0032] Es wurde überraschend gefunden, dass Wasser bevorzugt als Wärmeträgermedium eingesetzt werden kann, um gekühltes flüssiges NH; (Edukt) zu erwärmen und zu verdampfen.[0032] It was surprisingly found that water can be preferably used as a heat transfer medium to heat and evaporate cooled liquid NH3 (reactant).
[0033] Erfindungsgemäß nimmt NH; in geeignet verschalteten Wärmetauschern Wärme aus erwärm- tem Wasser bzw. Wasserdampf auf und geht so in die Gasphase über. Sollte bei der erfindungsgemäßen[0033] According to the invention, NH; absorbs heat from heated water or steam in suitably connected heat exchangers and thus passes into the gas phase. If, in the case of the inventive
Verfahrensführung ein Wärmetauscher beschädigt werden, dann würde NH; mit der wässrigen Phase gemischt und ggf. darin gelöst (in einem Liter Wasser lösen sich bei 0°C ca. 1200 Liter NHz, bei 23°C ca. 500 Liter NH;). Fin eventuelles Durchschlagen in das Produktgas oder in das Rauchgas wird auf diese Weise erfindungsgemäß effizient verhindert und dadurch die Sicherheit der Prozessführung ver- bessert.If a heat exchanger were to be damaged during the process, NH; would be mixed with the aqueous phase and possibly dissolved therein (approx. 1200 liters of NH; dissolve in one liter of water at 0°C, and approx. 500 liters of NH; at 23°C). Any breakthrough into the product gas or flue gas is efficiently prevented in this way according to the invention, thereby improving the safety of the process.
[0034] NH; wird bevorzugt kalt gelagert, z.B. in einem Tank, und tritt bevorzugt bei -33°C in die er- findungsgemäße Anlage ein. NH; muss zur Durchführung der katalytischen Zersetzungsreaktion aufge- wärmt und verdampft werden. Zur Vorwärmung des NH; bis zu dessen Siedepunkt und anschließender[0034] NH; is preferably stored cold, e.g. in a tank, and preferably enters the inventive system at -33°C. NH; must be heated and evaporated to carry out the catalytic decomposition reaction. To preheat the NH; to its boiling point and then
Verdampfung wird erfindungsgemäß bevorzugt Mitteldruckwasserdampf eingesetzt, bzw. sein Konden- sat, welche bevorzugt im Gegenstrom zum NH; geführt werden. Diese Verfahrensführung ist vorteilhaftAccording to the invention, medium-pressure steam or its condensate is preferably used for evaporation, which is preferably fed in countercurrent to the NH;. This process is advantageous
° 230088P00LU in Hinblick auf die Sicherheit der Anlage, da sie im Fall einer Beschädigung des beteiligten Wärmetau- LU103144 schers (z.B. durch einen RohrreiBer) NH;-Immission ins Rauchgas oder Prozessgas verhindert.° 230088P00LU with regard to the safety of the system, since it prevents NH; emissions into the flue gas or process gas in the event of damage to the heat exchanger involved (e.g. due to a pipe burst).
[0035] Erfindungsgemäß dient Wasser als Wärmeträgermedium zum Erwärmen und Verdampfen von[0035] According to the invention, water serves as a heat transfer medium for heating and evaporating
NHz. Unter Berücksichtigung der Druckverhältnisse können dabei sowohl Wasser als auch NH; jeweils unabhängig voneinander flüssig oder gasfôrmig (Wasserdampf, NH;-Dampf) vorliegen. Im Hinblick auf Wasser als Wärmeträgermedium, welches Wärme an NH; abgibt, ist es zweckmäßig, folgende Un- terscheidung zu treffen: (a) Wasserdampf, bevorzugt Mitteldruckwasserdampf, bevorzugt mit einem Druck im Bereich von 10 bis 40 bar und mit einer Temperatur im Bereich von ca. 180°C bis ca. 250°C; (b) flüssiges warmes Wasser, bevorzugt mit einer Temperatur im Bereich von > 44°C bis 90°C; (c) flüssiges erwärmtes Kühlwasser höherer Temperatur, bevorzugt mit einer Temperatur im Bereich von > 32°C bis 44°C; und (d) flüssiges erwärmtes Kühlwasser niedrigerer Temperatur, bevorzugt mit einer Temperatur im Be- reich von 20°C bis 32°C.NHz. Taking the pressure conditions into account, both water and NH; can be present independently of one another in liquid or gaseous form (water vapor, NH; vapor). With regard to water as a heat transfer medium which gives off heat to NH;, it is expedient to make the following distinction: (a) water vapor, preferably medium-pressure water vapor, preferably with a pressure in the range from 10 to 40 bar and with a temperature in the range from approx. 180°C to approx. 250°C; (b) liquid warm water, preferably with a temperature in the range from > 44°C to 90°C; (c) liquid heated cooling water at a higher temperature, preferably with a temperature in the range from > 32°C to 44°C; and (d) liquid heated cooling water at a lower temperature, preferably with a temperature in the range from 20°C to 32°C.
[0036] Es wurde gefunden, dass Maßnahmen zur Einsparung an Wasserdampf für die Vorwärmung und Verdampfung von NH; in einer Steigerung der Ausbeute an H, führen, sofern die dadurch weniger benötigte (freiwerdende) Energiemenge anderweitig in den Gesamtprozess zurückintegriert wird. Eine solche Einsparung an Wasserdampf wird erfindungsgemäß bevorzugt dadurch erreicht, dass die Ener- giemenge zur Vorwärmung des NH; durch andere Wasserströme bereitgestellt wird, insbesondere durch erwärmtes Kühlwasser, welches flüssig, d.h. nicht als Wasserdampf vorliegt. Das durch Aufnahme von[0036] It has been found that measures to save water vapor for the preheating and evaporation of NH; lead to an increase in the yield of H, provided that the less required (released) amount of energy is otherwise integrated back into the overall process. Such a saving in water vapor is preferably achieved according to the invention by providing the amount of energy for preheating the NH; by other water streams, in particular by heated cooling water which is liquid, i.e. not in the form of water vapor. The amount of energy released by the absorption of
Wärme aus diesen Wasserströmen vorgewärmte und unter den gegebenen Druckverhältnissen entweder noch flüssige oder bereits verdampfte NH; kann dann anschließend durch Aufnahme von Wärme ausHeat from these water streams preheats NH 3 which is either still liquid or already vaporized under the given pressure conditions; can then be subsequently converted into
Wasserdampf, bevorzugt aus Mitteldruckwasserdampf, weiter erwärmt werden.Steam, preferably medium-pressure steam, can be further heated.
[0037] So ist das in die Anlage eintretenden NH; kalt genug, um das in der Anlage anfallende Kühl- wasser als Wärmequelle zu nutzen.[0037] Thus, the NH3 entering the plant is cold enough to use the cooling water produced in the plant as a heat source.
[0038] In bevorzugten Ausführungsformen wird dazu hinter einer erfindungsgemäßen NH;-Verdamp- fungseinrichtung, in welcher Wasserdampf Wärme an NH; abgibt und dabei kondensiert, dem anfallen- den kondensiertem Wasserdampf (i) das Blowdown hinzugefügt, welches bei der Erzeugung von Wasserdampf in einer erfindungsge- mäßen H,0-Verdampfungseinrichtung anfällt; und/oder (ii) überschüssiges erwärmtes Kesselspeisewasser hinzugefügt, welches durch Aufnahme von Wärme aus Produktgas und/oder Rauchgas vorgewärmt wird, wobei sich die überschüssige Menge daraus ergibt, dass mehr Kesselspeisewasser erwärmt wird, als zur Erzeugung von Wasserdampf in einer erfindungsgemäßen H,O-Verdampfungseinrichtung benötigt wird.[0038] In preferred embodiments, for this purpose, downstream of an NH evaporation device according to the invention in which water vapor releases heat to NH evaporation and condenses in the process, (i) the blowdown which arises when water vapor is generated in an H 0 evaporation device according to the invention is added to the resulting condensed water vapor; and/or (ii) excess heated boiler feed water which is preheated by absorbing heat from product gas and/or flue gas is added, the excess amount resulting from the fact that more boiler feed water is heated than is required to generate water vapor in an H 0 evaporation device according to the invention.
230088P00LU230088P00LU
[0039] Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von H, durch katalytische Zersetzung von LU103144[0039] The invention relates to a plant for the production of H, by catalytic decomposition of LU103144
NH; umfassend - eine Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung eines Verbrennungsgases unter Erzeugung von Ver- brennungswärme und Rauchgas; - eine NH;-Verdampfungseinrichtung zur Verdampfung von flüssigem NH; durch Aufnahme vonNH; comprising - a combustion device for burning a combustion gas to produce combustion heat and flue gas; - an NH; evaporation device for evaporating liquid NH; by absorbing
Wärme aus erwärmtem Wasser, bevorzugt Wasserdampf; - in Stromungsrichtung des NH; stromabwärts der NHz-Verdampfungseinrichtung eine NHz-Zerset- zungseinrichtung zur katalytischen Zersetzung von verdampftem NH; unter Aufnahme von in derHeat from heated water, preferably water vapor; - in the flow direction of the NH; downstream of the NH evaporation device, an NH decomposition device for the catalytic decomposition of evaporated NH; taking up in the
Verbrennungseinrichtung erzeugter Verbrennungswärme und unter Erzeugung eines Produktgases umfassend H; und Ny; - in Strômungsrichtung des Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung einen Rauchgas-Combustion device and producing a product gas comprising H; and Ny; - in the flow direction of the flue gas downstream of the combustion device a flue gas
Wärmetauscher zum Erwärmen von Wasser, bevorzugt zur Erwärmen oder Erzeugen von Wasser- dampf, durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas; und/oder in Stromungsrichtung des Pro- duktgases stromabwärts der NH;-Zersetzungseinrichtung einen Produktgas-Wärmetauscher zum Er- wärmen von Wasser, bevorzugt zur Erwärmen oder Erzeugen von Wasserdampf, durch Aufnahme von Wärme aus dem Produktgas; und - eine Leitung für das erwärmte Wasser vom Rauchgas-Wärmetauscher und/oder vom Produktgas-Heat exchanger for heating water, preferably for heating or generating water vapor, by absorbing heat from the flue gas; and/or in the flow direction of the product gas downstream of the NH; decomposition device, a product gas heat exchanger for heating water, preferably for heating or generating water vapor, by absorbing heat from the product gas; and - a line for the heated water from the flue gas heat exchanger and/or from the product gas
Wärmetauscher zur NH;-Verdampfungseinrichtung.Heat exchanger to the NH3 evaporator.
[0040] In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage ist die Anlage für einen[0040] In preferred embodiments of the system according to the invention, the system is designed for a
Durchsatz bezogen auf H, von mindestens 500 mol-h-! ausgelegt, bevorzugt mindestens 1000 mol-h"!, bevorzugter mindestens 5000 mol-h-!, noch bevorzugter mindestens 10.000 mol-h!, am bevorzugtesten mindestens 50.000 mol-h’!, und insbesondere mindestens 100.000 mol-h!.Throughput based on H, of at least 500 mol-h-!, preferably at least 1000 mol-h"!, more preferably at least 5000 mol-h-!, even more preferably at least 10,000 mol-h!, most preferably at least 50,000 mol-h’!, and in particular at least 100,000 mol-h!.
[0041] In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäBen Anlage umfasst die Anlage einen[0041] In preferred embodiments of the system according to the invention, the system comprises a
Tank für flüssiges NH;, welcher ein Volumen von mindestens 50 m° hat, bevorzugt mindestens 100 m°, bevorzugter mindestens 500 m3, noch bevorzugter mindestens 1000 m°, am bevorzugtesten mindestens 5000 m°, und insbesondere mindestens 10.000 m°.Tank for liquid NH3, which has a volume of at least 50 m3, preferably at least 100 m3, more preferably at least 500 m3, even more preferably at least 1000 m3, most preferably at least 5000 m3, and in particular at least 10,000 m3.
[0042] In bevorzugten Ausfithrungsformen der erfindungsgemäben Anlage umfasst die NH;-Zerset- zungseinrichtung mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, bevorzugter mindestens fünf, noch be- vorzugter mindestens sechs, am bevorzugtesten mindestens sieben und insbesondere mindestens acht[0042] In preferred embodiments of the plant according to the invention, the NH3 decomposition device comprises 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
Katalysatorbetten, welche jeweils NH;-Zersetzungskatalysator umfassen; wobei jedes Katalysatorbett bevorzugt jeweils in einem Rohr vorliegt; wobei die Katalysatorbetten bevorzugt parallel geschaltet sind.Catalyst beds, each comprising NH3 decomposition catalyst; wherein each catalyst bed is preferably present in a tube; wherein the catalyst beds are preferably connected in parallel.
[0043] In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage umfasst die NH;-Zerset- zungseinrichtung mindestens ein Katalysatorbett, welches NH;-Zersetzungskatalysator umfasst, wobei die Länge des Katalysatorbetts in Durchströmungsrichtung für NH; mindestens 1,0 m beträgt, bevorzugt[0043] In preferred embodiments of the plant according to the invention, the NH; decomposition device comprises at least one catalyst bed which comprises NH; decomposition catalyst, wherein the length of the catalyst bed in the flow direction for NH; is at least 1.0 m, preferably
230088P00LU mindestens 1,5 m, bevorzugter mindestens 2,0 m, noch bevorzugter mindestens 2,5 m, am bevorzugtes- LU103144 ten mindestens 3,0 m und insbesondere mindestens 3,5 m; wobei das Katalysatorbett bevorzugt in einem230088P00LU at least 1.5 m, more preferably at least 2.0 m, even more preferably at least 2.5 m, most preferably LU103144 at least 3.0 m and especially at least 3.5 m; wherein the catalyst bed is preferably in a
Rohr vorliegt.pipe is present.
[0044] In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage umfasst die Verbrennungs- einrichtung mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, bevorzugter mindestens fünf, noch bevorzugter mindestens sechs, am bevorzugtesten mindestens sieben und insbesondere mindestens acht Brenner zur[0044] In preferred embodiments of the plant according to the invention, the combustion device comprises 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
Verbrennung des Verbrennungsgases.Combustion of the combustion gas.
[0045] In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage ist der Rauchgas-Wärme- tauscher und/oder der Produktgas-Wärmetauscher ein Rohrwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetau- scher.[0045] In preferred embodiments of the plant according to the invention, the flue gas heat exchanger and/or the product gas heat exchanger is a tube heat exchanger or tube bundle heat exchanger.
[0046] Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer erfindungsgemäßen Anlage zur Herstel- lung von H-.[0046] The invention also relates to the use of a plant according to the invention for the production of H-.
[0047] Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung von H, durch katalytische[0047] The invention further relates to a process for the production of H, by catalytic
Zersetzung von NH; umfassend die Schritte: (a) Verbrennen eines Verbrennungsgases unter Erzeugung von Verbrennungswärme und Rauchgas; (b) optional, Vorwärmen von NH; durch Aufnahme von Wärme aus erwärmtem Kühlwasser; bevor- zugt wobei das erwärmte Kühlwasser zuvor Wärme aufgenommen hat aus dem Produktgas vorDecomposition of NH; comprising the steps of: (a) burning a combustion gas to produce combustion heat and flue gas; (b) optionally, preheating NH; by absorbing heat from heated cooling water; preferably wherein the heated cooling water has previously absorbed heat from the product gas before
Durchführung einer Druckwechseladsorption und/oder aus H, nach dessen Verdichtung; (c) optional, Vorwärmen von NH; durch Aufnahme von Wärme aus Wasser; und Erwärmen des so erhaltenen Wassers durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas; bevorzugt wobei das Wasser zirkuliert wird. (d) optional, Erwärmen von NH; durch Aufnahme von Wärme aus Wasser, welches durch Schritt (e) erhalten wird; (e) Verdampfen von flüssigem NH; durch Aufnahme von Wärme aus erwärmtem Wasser, bevorzugtCarrying out a pressure swing adsorption and/or from H, after its compression; (c) optionally, preheating NH; by absorbing heat from water; and heating the water thus obtained by absorbing heat from the flue gas; preferably wherein the water is circulated. (d) optionally, heating NH; by absorbing heat from water obtained by step (e); (e) evaporating liquid NH; by absorbing heat from heated water, preferably
Wasserdampf; (f) katalytisches Zersetzen von in Schritt (e) verdampftem NH; unter Aufnahme von in Schritt (a) erzeugter Verbrennungswärme und Erzeugen eines Produktgases umfassend H, und N,; und (g) Erwärmen von Wasser, bevorzugt Erwärmen oder Erzeugen von Wasserdampf, durch Aufnahme von Wärme aus dem in Schritt (a) erzeugten Rauchgas und/oder aus dem in Schritt (f) erzeugtenWater vapor; (f) catalytic decomposition of NH vaporized in step (e); taking up combustion heat generated in step (a) and generating a product gas comprising H, and N,; and (g) heating water, preferably heating or generating water vapor, by taking up heat from the flue gas generated in step (a) and/or from the gas generated in step (f).
Produktgas; und Einsetzen des erwärmten Wassers bzw. des erwärmten oder erzeugten Wasser- dampfs in Schritt (e).product gas; and introducing the heated water or the heated or generated water vapor into step (e).
’ 230088P00LU’ 230088P00LU
[0048] Schritte (b), (c) und (d) des erfindungsgemäBen Verfahrens sind unabhängig voneinander op- LU103144 tional. Bevorzugt werden Schritte (a) bis (g), sofern verwirklicht, in alphabetischer Reihenfolge durch- geführt.[0048] Steps (b), (c) and (d) of the method according to the invention are optionally independent of one another. Preferably, steps (a) to (g), if implemented, are carried out in alphabetical order.
[0049] In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäben Verfahrens wird in Schritt (f) ein[0049] In preferred embodiments of the process according to the invention, in step (f) a
Durchsatz bezogen auf H, von mindestens 500 mol-h* erreicht, bevorzugt mindestens 1000 mol-h!, bevorzugter mindestens 5000 mol-h-!, noch bevorzugter mindestens 10.000 mol-h!, am bevorzugtesten mindestens 50.000 mol:h!, und insbesondere mindestens 100.000 mol-h!.Throughput based on H, of at least 500 mol-h* is achieved, preferably at least 1000 mol-h!, more preferably at least 5000 mol-h-!, even more preferably at least 10,000 mol-h!, most preferably at least 50,000 mol:h!, and in particular at least 100,000 mol-h!.
[0050] In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäben Verfahrens wird in Schritt (e) das flüssige NH; aus einem Tank mit einem Volumen von mindestens 50 m* entnommen, bevorzugt min- destens 100 m°, bevorzugter mindestens 500 m3, noch bevorzugter mindestens 1000 m3, am bevorzug- testen mindestens 5000 m°, und insbesondere mindestens 10.000 m°.[0050] In preferred embodiments of the process according to the invention, in step (e) the liquid NH3 is taken from a tank having a volume of at least 50 m3, preferably at least 100 m3, more preferably at least 500 m3, even more preferably at least 1000 m3, most preferably at least 5000 m3, and in particular at least 10,000 m3.
[0051] In bevorzugten Ausführungsformen des erfmdungsgemäBen Verfahrens erfolgt in Schritt (f) das katalytische Zersetzen von NH; auf mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, bevorzugter mindestens fünf, noch bevorzugter mindestens sechs, am bevorzugtesten mindestens sieben und insbesondere min- destens acht Katalysatorbetten, welche jeweils NH;-Zersetzungskatalysator umfassen; wobei jedes Ka- talysatorbett bevorzugt jeweils in einem Rohr vorliegt; wobei die Katalysatorbetten bevorzugt parallel von NH; durchströmt werden.[0051] In preferred embodiments of the process according to the invention, in step (f) the catalytic decomposition of NH; 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; decomposition catalyst; each catalyst bed is preferably present in a tube; the catalyst beds are preferably flowed through in parallel by NH;.
[0052] In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in Schritt (f) das katalytische Zersetzen auf mindestens einem Katalysatorbett, welches NH;-Zersetzungskatalysator um- fasst, wobei die Länge des Katalysatorbetts in Durchströmungsrichtung für NH; mindestens 1,0 m be- trägt, 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[0052] In preferred embodiments of the process according to the invention, in step (f) the catalytic decomposition takes place on at least one catalyst bed which comprises NH; decomposition catalyst, wherein the length of the catalyst bed in the flow direction for NH; 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.
[0053] In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in Schritt (a) das[0053] In preferred embodiments of the process according to the invention, in step (a) the
Verbrennen des Verbrennungsgases mit Hilfe von mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, bevor- zugter mindestens fünf, noch bevorzugter mindestens sechs, am bevorzugtesten mindestens sieben und insbesondere mindestens acht Brenner.Combustion of the combustion gas by means 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.
[0054] In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Erwärmen in Schritt (g) in einem Wärmetauscher ausgewählt aus Rohrwärmetauschern und Rohrbündelwärmetau- schem.[0054] In preferred embodiments of the process according to the invention, the heating in step (g) takes place in a heat exchanger selected from tube heat exchangers and tube bundle heat exchangers.
[0055] Erfindungsgemäß bedeutet die katalytische Zersetzung von NH; die Bildung von N, und Hs, im[0055] According to the invention, the catalytic decomposition of NH; the formation of N, and Hs, in
Stand der Technik gelegentlich auch als "Spaltung" oder "Cracking" von NH; bezeichnet. Die katalyti- sche Zersetzung von NH; erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt in Abwesenheit von O,.In the prior art, this is occasionally referred to as "cleavage" or "cracking" of NH;. According to the invention, the catalytic decomposition of NH; preferably takes place in the absence of O,.
[0056] Vorzugsweise umfasst die Erfindung folgende Maßnahmen: (i) Verdampfung von NHz;[0056] Preferably, the invention comprises the following measures: (i) evaporation of NHz;
230088P00LU (ii) katalytische Zersetzung von NH; unter Zufuhr von Wärme unter Erhalt eines Produktgases umfas- LU103144 send N,, H, und ggf. nicht zersetztes NH; sowie H,O; (iii) Rückgewinnung von Wärme; (iv) ggf. Rückgewinnung von nicht zersetztem NHz; (v) Reinigung von H,.230088P00LU (ii) catalytic decomposition of NH; with supply of heat to obtain a product gas comprising N,, H, and possibly undecomposed NH; and H,O; (iii) recovery of heat; (iv) possible recovery of undecomposed NH2; (v) purification of H,.
Rückgewinnung von Wärme zur Verdampfung von NH; mit Wasser als WärmeträgermediumRecovery of heat for evaporation of NH; with water as heat transfer medium
[0057] Die erfindungsgemäße Rückgewinnung von Wärme ist ein wesentlicher Aspekt der Erfindung, weil die katalytische Zersetzung von NH; bei erhöhter Temperatur in der Gasphase stattfindet und die anfallende Restwärme aus ökonomischen und ökologischen Gründen möglichst effizient genutzt werden sollte.[0057] The recovery of heat according to the invention is an essential aspect of the invention because the catalytic decomposition of NH3 takes place at elevated temperature in the gas phase and the resulting residual heat should be used as efficiently as possible for economic and ecological reasons.
[0058] Erfindungsgemäß wird Wärme durch Verbrennung eines Verbrennungsgases in einer Verbren- nungseinrichtung bereitgestellt. Ein erster Teil der bei der Verbrennung gebildeten Wärme strömt be- vorzugt in eine NH;-Zersetzungseinrichtung, in welcher der NHz-Zersetzungskatalysator vorliegt, bei- spielsweise in Form von einem oder mehreren Katalysatorbetten. Dort erfolgt die endotherme katalyti- sche Zersetzung von NHz. Ein zweiter Teil der bei der Verbrennung gebildeten Wärme verlässt bevor- zugt mit dem Rauchgas die Verbrennungseinrichtung und tritt in einen Rauchgaskanal ein.[0058] According to the invention, heat is provided by combustion of a combustion gas in a combustion device. A first part of the heat formed during combustion preferably flows into an NH3 decomposition device in which the NH3 decomposition catalyst is present, for example in the form of one or more catalyst beds. The endothermic catalytic decomposition of NH3 takes place there. A second part of the heat formed during combustion preferably leaves the combustion device with the flue gas and enters a flue gas channel.
[0059] Als Quelle für die Rückgewinnung von Wärme stehen erfindungsgemäß demnach zur Verfü- gung: - das heiße Produktgas, welches die NH;-Zersetzungseinrichtung verlässt, sowie - das heiße Rauchgas, welches die Verbrennungseinrichtung verlässt.[0059] According to the invention, the following are available as a source for the recovery of heat: - the hot product gas which leaves the NH3 decomposition device, and - the hot flue gas which leaves the combustion device.
[0060] Das heiße Produktgas macht typischerweise einen größeren Massestrom als das heiße Rauchgas aus, die Temperatur des Produktgases ist typischerweise aber geringer als die Temperatur des Rauchga- ses. Durch eine effiziente Wärmeintegration kann dem Produktgas einerseits und dem Rauchgas ande- rerseits in geeignetem Umfang Wärme entnommen werden, wodurch die Gesamtausbeute gesteigert wird.[0060] The hot product gas typically represents a larger mass flow than the hot flue gas, but the temperature of the product gas is typically lower than the temperature of the flue gas. Through efficient heat integration, heat can be extracted to a suitable extent from the product gas on the one hand and the flue gas on the other, thereby increasing the overall yield.
[0061] Als Wärmeträgermedium für die Übertragung von Wärme aus Produktgas oder Rauchgas auf[0061] As a heat transfer medium for the transfer of heat from product gas or flue gas to
NH; zum Zwecke von dessen Erwärmung und Verdampfung dient erfindungsgemäß erwärmtes Wasser, vorzugsweise Wasserdampf.NH; according to the invention, heated water, preferably water vapor, is used for the purpose of heating and evaporating it.
[0062] Der Wasserdampf wird bevorzugt in einer H,O-Verdampfungseinrichtung erzeugt, welche be- vorzugt eine Wasserdampftrommel und einen Wärmetauscher umfasst, welche miteinander in Wirkver- bindung stehen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die H,O-Verdampfungseinrichtung ne- ben der Wasserdampftrommel den Produktgas-Wärmetauscher, in dem Wasser Wärme aus dem Pro- duktgas aufnimmt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die H,0-Verdampfungsein- richtung neben der Wasserdampftrommel den Rauchgas-Wärmetauscher, in dem Wasser Wärme aus[0062] The water vapor is preferably generated in a H,O evaporation device, which preferably comprises a water vapor drum and a heat exchanger, which are operatively connected to one another. In a preferred embodiment, the H,O evaporation device comprises, in addition to the water vapor drum, the product gas heat exchanger in which water absorbs heat from the product gas. In another preferred embodiment, the H,O evaporation device comprises, in addition to the water vapor drum, the flue gas heat exchanger in which water absorbs heat from
230088P00LU dem Rauchgas aufnimmt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die H,0-Verdamp- LU103144 fungseinrichtung neben der Wasserdampftrommel sowohl den Produktgas-Wärmetauscher, in dem230088P00LU the flue gas. In a further preferred embodiment, the H,0 evaporation device comprises, in addition to the steam drum, both the product gas heat exchanger, in which
Wasser Wärme aus dem Produktgas entnimmt, als auch den Rauchgas-Wärmetauscher, in dem WasserWater extracts heat from the product gas, as well as the flue gas heat exchanger, in which water
Wärme aus dem Rauchgas aufnimmt.absorbs heat from the flue gas.
[0063] Zur Erzeugung von Wasserdampf wird der Wasserdampftrommel Kesselspeisewasser zuge- führt. Wird mehr Kesselspeisewasser zugeführt als Wasserdampf abgeführt wird, so ergibt sich ein[0063] To generate steam, boiler feed water is fed to the steam drum. If more boiler feed water is fed in than steam is removed, the result is a
Überschuss an erwärmtem Kesselspeisewasser, welches vom Wasserdampf abgetrennt und wie auch anderes erwärmtes Kühlwasser genutzt werden kann, insbesondere zum Erwärmen von NHz.Surplus of heated boiler feed water, which can be separated from the steam and used like other heated cooling water, in particular for heating NHz.
[0064] Dabei wird bevorzugt Wärme, welche in dem heißen Produktgas und/oder Rauchgas enthalten ist, vom Wasser aufgenommen, wodurch Wasserdampf erhitzt bzw. erzeugt wird. Der Wasserdampf wird über ein Leitungssystem in die NH;-Verdampfungseinrichtung eingespeist, wo NH; Wärme aus dem Wasserdampf aufnimmt, erwärmt wird und schließlich selber verdampft.[0064] Preferably, heat contained in the hot product gas and/or flue gas is absorbed by the water, whereby water vapor is heated or generated. The water vapor is fed via a pipe system into the NH3 evaporation device, where NH3 absorbs heat from the water vapor, is heated and finally evaporates itself.
[0065] In einer bevorzugten Ausführungsform wird Kesselspeisewasser im Rauchgaskanal vorge- wärmt, dann davon ein Bypass-Strom abgezweigt und der verbleibende Rest des vorgewärmten Kessel- speisewassers in die Wasserdampftrommel geleitet.[0065] In a preferred embodiment, boiler feed water is preheated in the flue gas duct, then a bypass stream is branched off from it and the remaining remainder of the preheated boiler feed water is fed into the steam drum.
[0066] In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird kein Bypass-Strom abgezweigt, sondern die gesamte Menge an vorgewärmtem Kesselspeisewasser ın die Wasserdampftrommel geleitet. Bevor- zugt wird dann ein Überschuss aus der Wasserdampftrommel flüssig siedend abgeführt. Auf diese Weise kann ggf. mehr Wärme aus dem Prozessgas (Rauchgas bzw. Produktgas) entnommen werden, was von[0066] In another preferred embodiment, no bypass flow is diverted, but the entire amount of preheated boiler feed water is fed into the steam drum. Preferably, a surplus is then discharged from the steam drum in liquid boiling form. In this way, more heat can be extracted from the process gas (flue gas or product gas), which is
Vorteil sein kann, sofern dort überschüssige Wärme verfügbar ist.can be advantageous if excess heat is available there.
[0067] Nach dem Verlassen der NH;-Verdampfungseinrichtung wird das erwärmte und verdampfte[0067] After leaving the NH; evaporation device, the heated and evaporated
NH; anschließend auf ein noch höheres Temperaturniveau erwärmt, wie es für die katalytischen Zerset- zung von NH; wünschenswert bzw. erforderlich ist, und schließlich der NH;-Zersetzungseinrichtung zugeführt.NH; is then heated to an even higher temperature level, as is desirable or necessary for the catalytic decomposition of NH;, and finally fed to the NH; decomposition device.
[0068] Bei wirtschaftlicher Prozessführung sind mit Wasserdampf nur mittlere Temperaturniveaus für das erwärmte NH; erreichbar (<300°C). Daher wird ausgehend von einem mit Hilfe von Wasserdampf erreichten mittleren Temperaturniveau für die weitergehende Erwärmung von NH; bis auf ein hohes[0068] In an economical process, only medium temperature levels for the heated NH; can be achieved with steam (<300°C). Therefore, starting from a medium temperature level achieved with the help of steam, the further heating of NH; up to a high
Temperaturniveau (>300°C) erfindungsgemäß anschließend bevorzugt mindestens ein Wärmetauscher, bevorzugt mindestens zwei Wärmetauscher eingesetzt, bei denen das NH; Wärme aus dem heißen Pro- duktgas und/oder dem heißen Rauchgas aufnimmt.Temperature level (>300°C) according to the invention, preferably at least one heat exchanger, preferably at least two heat exchangers, are then used, in which the NH; absorbs heat from the hot product gas and/or the hot flue gas.
[0069] Zusätzliche Wärme, welche zum Erreichen der gewünschten Zersetzungstemperatur bzw. zur[0069] Additional heat required to reach the desired decomposition temperature or
Aufrechterhaltung der endothermen katalytischen Zersetzung erforderlich ist, wird erfindungsgemäß be- vorzugt direkt durch einen Wärmefluss geliefert, welcher von der Verbrennungseinrichtung in die NH;-Maintaining the endothermic catalytic decomposition is preferably provided according to the invention directly by a heat flow which flows from the combustion device into the NH;-
Zersetzungseinrichtung strömt. Dazu bilden die NHz-Zersetzungseinrichtung und die Verbrennungsein- richtung bevorzugt gemeinsam einen Reaktor, welcher analog einem Primärreformer ausgebildet ist.decomposition device. For this purpose, the NH4 decomposition device and the combustion device preferably together form a reactor which is designed analogously to a primary reformer.
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[0070] Die erfindungsgemäße Rückgewinnung von Wärme kann bevorzugt z.B. folgende Aufgaben LU103144 erfüllen: - Vorwärmung von Wasser (z.B. Kesselspeisewasser); - Vorwärmung von NH;; - Erzeugung von Wasserdampf; - Verdampfung von NHz; und - Vorwärmuns von Verbrennungsluft.[0070] The recovery of heat according to the invention can preferably fulfill, for example, the following tasks LU103144: - preheating of water (e.g. boiler feed water); - preheating of NH3; - generation of water vapor; - evaporation of NH3; and - preheating of combustion air.
[0071] Für die Anordnung der Anlagenteile zur Rückgewinnung von Wärme stehen erfindungsgemäß verschiedene Kombinationsmôglichkeiten zur Verfügung.[0071] According to the invention, various combination options are available for the arrangement of the plant components for heat recovery.
[0072] Vorzugsweise wird im Rauchgasstrom der Verbrennungseinrichtung enthaltene Wärme und/oder im Produktgasstrom der NHz-Zersetzungseinrichtung enthaltene Wärme in wenigstens drei, vorzugsweise in wenigstens vier, besonders bevorzugt in wenigstens fünf in Strômungsrichtung des[0072] Preferably, heat contained in the flue gas stream of the combustion device and/or heat contained in the product gas stream of the NH 2 decomposition device is converted into at least three, preferably at least four, particularly preferably at least five in the flow direction of the
Rauchgasstroms bzw. Produktgasstroms hintereinander angeordneten Wärmetauschern genutzt, vor- zugsweise für verschiedene Teilprozesse des Verfahrens.flue gas stream or product gas stream are used in heat exchangers arranged one behind the other, preferably for different sub-processes of the process.
[0073] Nachfolgend wird die Verdampfung von NH; mit der erfindungsgemäßen NH;-Verdampfungs- einrichtung und einem bevorzugten Vorwärmer näher erläutert.[0073] The evaporation of NH3 using the NH3 evaporation device according to the invention and a preferred preheater is explained in more detail below.
[0074] In der NH;-Verdampfungseinrichtung nimmt NH; Wärme aus Wasser, bevorzugt Wasserdampf auf und geht in die Gasphase über. Bevorzugt liegt die Temperatur des NH; beim Eintritt in die NHz-[0074] In the NH; evaporation device, NH; absorbs heat from water, preferably water vapor, and passes into the gas phase. Preferably, the temperature of the NH; when entering the NH2-
Verdampfungseinrichtung im Bereich von etwa 60+30°C, bevorzugter etwa 60+15°C. Bevorzugt liegt die Temperatur des NH; beim Austritt aus der NH;-Verdampfungseinrichtung im Bereich von etwa 60+30°C, bevorzugter etwa 60+15°C.Evaporation device in the range of about 60+30°C, more preferably about 60+15°C. Preferably, the temperature of the NH; at the outlet from the NH; evaporation device is in the range of about 60+30°C, more preferably about 60+15°C.
[0075] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des NH; stromabwärts der NH;-Verdampfungseinrichtung mindestens ein Wärmetauscher angeordnet, bei dem es sich entweder um den Produktgas-Wärmetau- scher oder den Rauchgas-Wärmetauscher handelt. Bevorzugt sind in Strömungsrichtung des NH; strom- abwärts der NH;-Verdampfungseinrichtung mindestens zwei Wärmetauscher angeordnet, bei denen es sich um den Produktgas-Wärmetauscher und den Rauchgas-Wärmetauscher handelt. Das für den Be- trieb der NH;-Verdampfungseinrichtung als Wärmequelle zugeführte erwärmte Wasser, bevorzugt[0075] Preferably, at least one heat exchanger is arranged downstream of the NH evaporation device in the flow direction of the NH ;, which is either the product gas heat exchanger or the flue gas heat exchanger. Preferably, at least two heat exchangers are arranged downstream of the NH ;, which are the product gas heat exchanger and the flue gas heat exchanger. The heated water supplied as a heat source for the operation of the NH ; evaporation device, preferably
Wasserdampf, wird im Produktgas-Wärmetauscher durch Aufnahme von Wärme aus dem Produktgas und/oder im Rauchgas-Wärmetauscher durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas erzeugt. DieWater vapor is generated in the product gas heat exchanger by absorbing heat from the product gas and/or in the flue gas heat exchanger by absorbing heat from the flue gas. The
Wärme im Produktgas und/oder Rauchgas wird zum Erwärmen bzw. Erzeugung von Wasserdampf in einer H,0-Verdampfungseinrichtung genutzt und dieser Wasserdampf wird der NH;-Verdampfungsein- richtung zugeführt.Heat in the product gas and/or flue gas is used to heat or generate water vapor in a H,0 evaporator and this water vapor is fed to the NH; evaporator.
[0076] Bevorzugt wird der Wasserdampf ggf. in Form von Wasserdampfkondensat nach dem Austritt aus der NH;-Verdampfungseinrichtung wiederum genutzt, und zwar als Wärmemedium in einer NHz-[0076] Preferably, the water vapor, optionally in the form of water vapor condensate, is used again after exiting the NH evaporation device, namely as a heat medium in an NH 2
Vorwärmung und NH;-Verdampfung.Preheating and NH; evaporation.
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[0077] Dies geschieht bevorzugt in einem mindestens zweistufigen Prozess, in dem NH; und Wasser- LU103144 dampf, beziehungsweise sein Wasserdampfkondensat, im Gegenstrom geführt werden. Aufgrund des[0077] This is preferably done in at least a two-stage process in which NH3 and water vapor, or its water vapor condensate, are conducted in countercurrent. Due to the
Verhältnisses zwischen Kondensationsenthalpie des Wasserdampfes und freier Enthalpie seines Was- serdampfkondensates reicht die Kondensation des Wasserdampfes allein ggf. nicht aus, um das NH; zu verdampfen, wenn das Wasserdampfkondensat mit einer akzeptablen Temperatur von z.B. 40°C abge- geben werden soll. Daher wird erfindungsgemäß bevorzugt ein Vorwärmer eingesetzt, in dem ggf. auch schon teilweise mit der Verdampfung des NH; begonnen wird.Due to the ratio between the condensation enthalpy of the water vapor and the free enthalpy of its water vapor condensate, the condensation of the water vapor alone may not be sufficient to evaporate the NH; if the water vapor condensate is to be released at an acceptable temperature of e.g. 40°C. Therefore, according to the invention, a preheater is preferably used in which the evaporation of the NH; may already have partially begun.
[0078] Bevorzugt ist der Vorwärmer in Strömungsrichtung des NH; stromaufwärts der NH;-Verdamp- fungseinrichtung angeordnet, um NH; vorzuwärmen. Im Vorwärmer nimmt NH; Wärme aus Wasser, bevorzugt Wasserdampfkondensat auf. Bevorzugt liegt die Temperatur des NH; beim Eintritt in den[0078] Preferably, the preheater is arranged in the flow direction of the NH; upstream of the NH; evaporation device in order to preheat NH;. In the preheater, NH; absorbs heat from water, preferably water vapor condensate. Preferably, the temperature of the NH; when entering the
Vorwärmer im Bereich von etwa -35+10°C, bevorzugter etwa -35+5°C. Bevorzugt liegt die Temperatur des NH; beim Austritt aus dem Vorwärmer im Bereich von etwa 60+30°C, bevorzugter etwa 60+15°C.Preheater in the range of about -35+10°C, more preferably about -35+5°C. Preferably, the temperature of the NH; at the outlet from the preheater is in the range of about 60+30°C, more preferably about 60+15°C.
[0079] Der Wasserdampfstrom ist bevorzugt so eingestellt, dass die NH;-Verdampfungseinrichtung im[0079] The water vapor flow is preferably adjusted so that the NH; evaporation device in the
Wesentlichen nur Wasserdampfkondensat verlässt. Diesem Wasserdampfkondensat kann in bevorzug- ten Ausfithrungsformen "Blowdown" und/oder Kesselspeisewasser, z.B. aus einem Bypass, zugemischt werden (siehe unten).Essentially only steam condensate leaves. In preferred designs, "blowdown" and/or boiler feed water, e.g. from a bypass, can be mixed into this steam condensate (see below).
[0080] Bevorzugt werden erzeugter Wasserdampf und erzeugtes Wasserdampfkondensat im Gegen- strom durch den Vorwärmer und die NH;-Verdampfungseinrichtung geleitet.[0080] Preferably, generated water vapor and generated water vapor condensate are passed in countercurrent through the preheater and the NH 3 evaporation device.
[0081] Das NH; passiert den Vorwärmer, in dem NH; im Gegenstrom aus Wasserdampfkondensat[0081] The NH; passes through the preheater, in which NH; in countercurrent from steam condensate
Wärme aufnimmt. Der Energieeintrag ist hoch genug, um das NH; bis zum Siedepunkt zu erwärmen, und schon teilweise zu verdampfen. Bevorzugt erfolgt im Vorwärmer bereits eine Verdampfung von mindestens 5%, bevorzugter mindestens 10%, noch bevorzugter mindestens 15%, am bevorzugtesten mindestens 20% und insbesondere mindestens 25% des Gesamtstroms an NH;. Beispielsweise kann derabsorbs heat. The energy input is high enough to heat the NH; to the boiling point and to partially evaporate it. Preferably, an evaporation of at least 5%, more preferably at least 10%, even more preferably at least 15%, most preferably at least 20% and in particular at least 25% of the total flow of NH; takes place in the preheater. For example, the
Dampfanteil des NH; bis zu 35% betragen.Vapor content of NH; up to 35%.
[0082] Der Vorwärmer enthält bevorzugt eine Vorrichtung zur Abtrennung der beiden NH;-Phasen, so dass der noch nicht verdampfte Rest des NH; bei Siedetemperatur in die NH;-Verdampfungseinrichtung eintritt, und das gasförmige NH; in einer separaten Rohrleitung transportiert wird.[0082] The preheater preferably contains a device for separating the two NH; phases, so that the not yet evaporated remainder of the NH; enters the NH; evaporation device at boiling temperature, and the gaseous NH; is transported in a separate pipeline.
[0083] Alternativ können beide Phasen des NH; auch in einer gemeinsamen Rohrleitung in die NH;-[0083] Alternatively, both phases of the NH; can also be fed into the NH;-
Verdampfungseinrichtung eintreten.evaporation device.
[0084] In der NH;-Verdampfungseinrichtung dient Wasserdampf als Wärmemedium, beispielsweise gesättigter Wasserdampf bei 33.5 bar a und einer Temperatur von 239,8°C. Der Wasserdampf sorgt für die vollständige Verdampfung des NHz, bevorzugt ebenfalls wieder über eine in den Wärmetauscher integrierte Vorrichtung zur Abscheidung der beiden Phasen. Beide gasförmigen NHz-Strôme werden bevorzugt zusammengeführt und weiter in den Prozess geleitet.[0084] In the NH 3 evaporation device, steam serves as the heat medium, for example saturated steam at 33.5 bar a and a temperature of 239.8°C. The steam ensures the complete evaporation of the NH 3 , preferably again via a device integrated into the heat exchanger for separating the two phases. Both gaseous NH 3 streams are preferably combined and fed further into the process.
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[0085] Für die vorstehend beschriebene NH;-Verdampfungseinrichtung und den ggf. vorhandenen LU103144[0085] For the NH evaporation device described above and the possibly present LU103144
Vorwärmer wird Wasser bzw. Wasserdampf eingesetzt, welches zuvor Wärme aus dem Rauchgas und/oder Produktgas aufgenommen hat.Water or steam is used as a preheater, which has previously absorbed heat from the flue gas and/or product gas.
[0086] Erfindungsgemäß bevorzugt wird zusätzlich zum Erwärmen von NH; Wärme aus erwärmtem[0086] According to the invention, in addition to heating NH; heat from heated
Kühlwasser genutzt.Cooling water is used.
[0087] Erwärmtes Kühlwasser, welches erfindungsgemäß bevorzugt zum Erwärmen von NH; genutzt wird, fällt bevorzugt an bei - der Abkühlung des Produktgases mit Hilfe eines Prozesskühlers in Strömungsrichtung des Produkt- gases stromaufwärts einer Druckwechseladsorptionseinrichtung; - der Abkühlung des Wasserdampfkondensats mit Hilfe eines Wasserdampfkondensat-Wärmetau- schers in Stromungsrichtung des Wasserdampfkondensats stromabwärts der NH;-Verdampfungsein- richtung und bevorzugt stromabwärts des ggf. vorhandenen Vorwärmers; - der Abkühlung des H,-Produkts mit Hilfe eines Wärmetauschers in Stromungsrichtung des H,-Pro- dukts stromabwärts eines H,-Verdichters, ggf. stromaufwirts eines zweiten H,-Verdichters; und/oder - der Abkühlung des Rauchgases mit Hilfe eines Rauchgas-Wärmetauschers im Rauchgaskanal.[0087] Heated cooling water, which is preferably used according to the invention for heating NH, is preferably obtained during - cooling of the product gas with the aid of a process cooler in the flow direction of the product gas upstream of a pressure swing adsorption device; - cooling of the water vapor condensate with the aid of a water vapor condensate heat exchanger in the flow direction of the water vapor condensate downstream of the NH evaporation device and preferably downstream of any preheater present; - cooling of the H product with the aid of a heat exchanger in the flow direction of the H product downstream of an H compressor, possibly upstream of a second H compressor; and/or - cooling of the flue gas with the aid of a flue gas heat exchanger in the flue gas duct.
[0088] In bevorzugten Ausfithrungsformen der Erfindung wird die Ausbeute an H, gesteigert, indem die erzeugte Menge an Wasserdampf relativ verringert wird und die deswegen weniger benötigte Wärme im Prozess verbleibt, wodurch weniger Verbrennungsgas benötigt wird. Die hinsichtlich der Vorwär- mung und Verdampfung von NH; entstehende energetische Lücke, welche sich aus der relativ geringe- ren Menge an bereitgestelltem Wasserdampf ergibt, wird bevorzugt durch Vorwärmung von NH; mit dem erwärmten Kühlwasser geschlossen.[0088] In preferred embodiments of the invention, the yield of H , is increased by relatively reducing the amount of water vapor produced and the resulting less heat remains in the process, whereby less combustion gas is required. The energy gap arising with regard to the preheating and evaporation of NH ;, which results from the relatively smaller amount of water vapor provided, is preferably closed by preheating NH ; with the heated cooling water.
[0089] Bevorzugt ist dazu in Strömungsrichtung des NH; stromabwärts des Tanks und stromaufwärts der NH;-Verdampfungseinrichtung, bevorzugt auch in Strömungsrichtung des NH; stromaufwärts des ggf. vorhandenen Vorwärmers, eine Vorwärmeeinrichtung angeordnet, welche bevorzugt zum Vorwär- men des NH; dient und in welcher NH; Wärme aus Wasser aufnimmt, welches seinerseits zuvor an anderer Stelle als erwärmtes Kühlwasser angefallen ist.[0089] For this purpose, a preheating device is preferably arranged in the flow direction of the NH; downstream of the tank and upstream of the NH; evaporation device, preferably also in the flow direction of the NH; upstream of the preheater, if present, which preferably serves to preheat the NH; and in which NH; absorbs heat from water, which in turn has previously accrued elsewhere as heated cooling water.
[0090] Bevorzugt wird das erwärmte Kühlwasser aus einem Prozesskühler in Strömungsrichtung des[0090] Preferably, the heated cooling water from a process cooler is supplied in the flow direction of the
Produktgases stromaufwärts einer Druckwechseladsorptionseinrichtung entnommen, wo es zuvorProduct gas is taken upstream of a pressure swing adsorption device, where it was previously
Wärme aus dem Produktgas aufgenommen hat. Bevorzugt wird das erwärmte Kühlwasser zusätzlich oder alternativ aus einem Wärmetauscher eines eventuellen H,-Verdichters entnommen, wo es zuvorHeat has been absorbed from the product gas. Preferably, the heated cooling water is additionally or alternatively taken from a heat exchanger of a possible H, compressor, where it was previously
Wärme aus verdichtetem H, aufgenommen hat. Bevorzugt wird das erwärmte Kühlwasser zusätzlich oder alternativ aus einem Wasserdampfkondensat-Wärmetauscher entnommen, welcher der NHz-Ver- dampfungseinrichtung nachgeschaltet ist.Heat from compressed H. Preferably, the heated cooling water is additionally or alternatively taken from a water vapor condensate heat exchanger which is connected downstream of the NHz evaporation device.
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[0091] Bevorzugt wird zusätzlich noch Wärme aus dem kondensierten Wasserdampf genutzt, d.h. das LU103144[0091] Preferably, heat from the condensed water vapor is also used, i.e. the LU103144
Wasserdampfkondensat wird abgekühlt, bevor es zur Aufbereitung zurückgeführt wird. Dazu ist bevor- zugt stromabwärts der NH;-Verdapfungseinrichtung in Strömungsrichtung des Wasserdampfkondensats ein Wasserdampfkondensat-Wärmetauscher angeordnet.Steam condensate is cooled before it is returned for processing. For this purpose, a steam condensate heat exchanger is preferably arranged downstream of the NH evaporation device in the flow direction of the steam condensate.
[0092] Ist der NH;-Verdapfungseinrichtung ein Vorwärmer vorgeschaltet, so ist der Wasserdampfkon- densat-Wärmetauscher in Strömungsrichtung des Wasserdampfkondensats bevorzugt stromabwärts des[0092] If a preheater is connected upstream of the NH evaporation device, the steam condensate heat exchanger is preferably located downstream of the
Vorwärmers angeordnet. Das Wasserdampfkondensat verlässt dann bevorzugt zunächst die NH;-Ver- dampfungseinrichtung und wird in den Vorwärmer zurückgeführt, in dem NH; Wärme aus dem Was- serdampfkondensat aufnimmt und dadurch vorgewärmt wird. Anschließend tritt das Wasserdampfkon- densat in den Wasserdampfkondensat-Wärmetauscher ein, in dem Kühlwasser Wärme aus dem Was- serdampfkondensat aufnimmt. Das so erwärmte Kühlwasser kann an anderer Stelle genutzt werden, beispielsweise zum Vorwärmen von flüssigem NH;.preheater. The steam condensate then preferably leaves the NH; evaporation device first and is returned to the preheater, in which NH; absorbs heat from the steam condensate and is thus preheated. The steam condensate then enters the steam condensate heat exchanger, in which cooling water absorbs heat from the steam condensate. The cooling water heated in this way can be used elsewhere, for example to preheat liquid NH;.
[0093] Außerdem kann auch das Rauchgas mit Kühlwasser abgekühlt werden. Dies kann z.B. sinnvoll sein, wenn es keinen H--Verdichter gibt und damit nicht genug erwärmtes Kühlwasser zur Verfügung steht, um die erforderliche Wärmemenge für das Vorwärmen und Verdampfen des NH; aufzubringen.[0093] In addition, the flue gas can also be cooled with cooling water. This can be useful, for example, if there is no H compressor and therefore not enough heated cooling water is available to provide the required amount of heat for preheating and evaporating the NH;.
[0094] Die erfindungsgemäß bevorzugten Quellen für erwärmtes Kühlwasser werden in Abbildung 11 verdeutlicht, wobei es erfindungsgemäß möglich ist, dass nur eine einzige dieser Quellen, dass mehrere dieser Quellen, oder dass alle diese Quellen genutzt werden zum Vorwärmen und ggf. Verdampfen von[0094] The sources for heated cooling water preferred according to the invention are illustrated in Figure 11, whereby it is possible according to the invention that only one of these sources, several of these sources, or all of these sources are used for preheating and, if necessary, evaporating
NH;.NH;.
[0095] Die Vortemperatur, mit der frisches, d.h. noch nicht erwärmtes Kühlwasser üblicherweise zu- geführt wird, hängt vom Klima des Standortes ab. Das Kühlwasser entfernt Prozesswärme durch seine[0095] The initial temperature at which fresh, i.e. not yet heated, cooling water is usually supplied depends on the climate of the location. The cooling water removes process heat through its
Erwärmung um eine Temperaturdifferenz von typischerweise etwa 8°C bis etwa 15°C. Die von Kiihl- wasser aufgenommene Wärme wird dann bevorzugt zum Vorwärmen von flüssigem NH; genutzt (vgl.Heating by a temperature difference of typically about 8°C to about 15°C. The heat absorbed by cooling water is then preferably used to preheat liquid NH; (cf.
Abbildung 7).Figure 7).
[0096] Die Temperatur des Kühlwassers bzw. erwärmten Kühlwassers liegt somit bevorzugt deutlich unterhalb der Temperatur des Wassers bzw. Wasserdampfs, welches in der erfindungsgemäßen NH;-[0096] The temperature of the cooling water or heated cooling water is thus preferably significantly below the temperature of the water or water vapor which is present in the NH;-
Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen von NH; eingesetzt wird. Bevorzugt beträgt die Tempera- tur des erwärmten Kühlwassers höchstens 100°C, bevorzugter höchstens 80°C, noch bevorzugter höchs- tens 60°C. Beispielsweise kann auf der Arabischen Halbinsel mit einer Kühlwasserrücklauftemperatur von ca. 50°C gerechnet werden, in Mitteleuropa eher mit ca. 30°C.Evaporation device for evaporating NH; is used. The temperature of the heated cooling water is preferably at most 100°C, more preferably at most 80°C, even more preferably at most 60°C. For example, on the Arabian Peninsula a cooling water return temperature of approx. 50°C can be expected, in Central Europe it is more likely to be approx. 30°C.
[0097] Wie bereits erwähnt, wird erfindungsgemäß unterschieden zwischen flüssigem erwärmtem[0097] As already mentioned, according to the invention a distinction is made between liquid heated
Kühlwasser höherer Temperatur (bevorzugt > 32°C bis 44°C) einerseits, und flüssigem erwärmtemCooling water of higher temperature (preferably > 32°C to 44°C) on the one hand, and liquid heated
Kühlwasser niedrigerer Temperatur (bevorzugt 20°C bis 32°C) andererseits.Cooling water of lower temperature (preferably 20°C to 32°C) on the other hand.
[0098] Wird flüssiges erwärmtes Kühlwasser niedrigerer Temperatur zum Erwärmen von NH; einge- setzt, so ist es erfindungsgemäß bevorzugt, zur Erzeugung dieses flüssigen erwärmten Kühlwassers[0098] If liquid heated cooling water of a lower temperature is used to heat NH;, it is preferred according to the invention to produce this liquid heated cooling water
230088P00LU niedrigerer Temperatur im Rauchgaskanal einen Wärmetauscher einzusetzen (Abbildungen 10, 14 und LU103144 16, weiterer Wärmetauscher 71) und damit das NH; bis zu dessen Siedepunkt vorzuwärmen. Die an- schließende Verdampfung des so erwärmten NH; wird dann bevorzugt nur durch Wärme aus dem Was- serdampfkondensat erreicht.230088P00LU lower temperature in the flue gas duct to install a heat exchanger (Figures 10, 14 and LU103144 16, additional heat exchanger 71) and thus preheat the NH; to its boiling point. The subsequent evaporation of the NH; heated in this way is then preferably achieved only by heat from the water vapor condensate.
[0099] Wird flüssiges erwärmtes Kühlwasser höherer Temperatur zum Erwärmen von NH; eingesetzt, so kann damit das NH; auf deutlich höhere Temperaturen vorgewärmt werden. In diesem Fall kann im[0099] If liquid heated cooling water of higher temperature is used to heat NH;, the NH; can be preheated to significantly higher temperatures. In this case, in the
Rauchgaskanal ein Wärmetauscher vorgesehen werden zur Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas.A heat exchanger must be provided in the flue gas duct to absorb heat from the flue gas.
Dies 1st insbesondere dann sinnvoll, wenn kein H,-Verdichter vorhanden ist, so dass auch ein dem H,-This is particularly useful if there is no H, compressor, so that a H,
Verdichter nachgeschalteter Wärmetauscher fehlt, in welchem ansonsten erwärmtes Kühlwasser höhe- rer Temperatur anfallen würde. Alternativ ist ein solcher H2-Verdichter vorhanden. In diesem Fall stellt ein dem H,-Verdichter nachgeschalteter oder mehreren H,-Verdichtern zwischengeschalteter Wärme- tauscher bevorzugt eine ausreichende Menge an erwärmtem Kühlwasser höherer Temperatur zur Ver- fügung.There is no heat exchanger downstream of the compressor, in which heated cooling water at a higher temperature would otherwise be produced. Alternatively, such an H2 compressor is available. In this case, a heat exchanger downstream of the H2 compressor or between several H2 compressors preferably provides a sufficient amount of heated cooling water at a higher temperature.
[0100] Ist beispielsweise zum Vorwärmen und Verdampfung von NH; eine Leistung von insgesamt 709 kW erforderlich, so können ohne Einsatz von erwärmtem Kühlwasser z.B. 409 kW durch die Kon- densation von Wasserdampf und die restlichen 300 kW durch Wärmeübergang aus Wasserdampfkon- densat aufgebracht werden. Mit einer genügend großen Menge Kühlwasser (z.B. von 25°C auf 35°C aufgewärmt) kann eine Vorwärmung von NH; mit einer Leistung von 115 kW erreicht werden, die das[0100] For example, if a total power of 709 kW is required for preheating and evaporating NH;, then without using heated cooling water, e.g. 409 kW can be generated by condensing water vapor and the remaining 300 kW by heat transfer from water vapor condensate. With a sufficiently large amount of cooling water (e.g. heated from 25°C to 35°C), preheating of NH; can be achieved with a power of 115 kW, which
NH; auf eine Temperatur von 12°C bringt. Für die Vorwärmung muss anschließend nur noch eine Leis- tung von 252 kW und für die Verdampfung eine Leistung von 342 kW aufgebracht werden. Durch geeignete Integration der so freigewordenen Wärme im Prozessgas kann eine Ausbeutesteigerung derNH; to a temperature of 12°C. For preheating, only 252 kW of power is required and for evaporation, 342 kW of power is required. By appropriately integrating the heat released in the process gas, the yield of the
Anlage um beispielsweise 0.4 bıs 0.5% erreicht werden.Investment by, for example, 0.4 to 0.5% can be achieved.
[0101] Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bevorzugt zusätzlich zum Erwärmen von NH; Wärme aus Wasser genutzt, welches Wärme aus dem Rauchgas aufnimmt, diese Wärme dann zum Vorwärmen an NH; abgibt, anschließend erneut Wärme aus dem Rauchgas aufnimmt, usw. Bevorzugt wird das Was- ser dazu also im Kreis zirkuliert.[0101] Furthermore, according to the invention, in addition to heating NH;, heat from water is preferably used, which absorbs heat from the flue gas, then releases this heat to NH; for preheating, then absorbs heat from the flue gas again, etc. The water is therefore preferably circulated in a circle for this purpose.
[0102] Warmes Wasser (>44-90°C) oder erwärmtes Kühlwasser dienen bevorzugt nicht zum Verdamp- fen des NH;, sonder nur zur dessen Vorwärmung bis zum Siedepunkt. Bei einer Vorwärmung kann eine minimal höhere Temperatur des Wärmeträgermediums von relativ nur 10 K immer noch zu einer wirtschaftlichen Auslegung eines Wärmetauschers führen. Im Unterschied dazu sollte bei einer Ver- dampfung das Wärmeübertragungsmedium relativ mindestens 40 K heißer sein an seiner kältesten[0102] Warm water (>44-90°C) or heated cooling water are preferably not used to evaporate the NH;, but only to preheat it to the boiling point. In the case of preheating, a minimally higher temperature of the heat transfer medium of only 10 K can still lead to an economical design of a heat exchanger. In contrast, in the case of evaporation, the heat transfer medium should be at least 40 K hotter at its coldest point.
Stelle. Dazu müsste das warme Wasser bzw. das erwärmte Kühlwasser eine deutlich höhere Temperatur aufweisen, d.h. es müsste zu seiner Erzeugung Wärme aus dem Rauchgas und/oder Produktgas bei hö- herer Temperatur entnommen werden. Erfindungsgemäß bevorzugt werden zur Erzeugung von erwärm- tem Kühlwasser jedoch gerade die niedrigen Temperaturniveaus genutzt, insbesondere die niedrigenFor this to happen, the warm water or the heated cooling water would have to have a significantly higher temperature, i.e. heat would have to be extracted from the flue gas and/or product gas at a higher temperature to generate it. According to the invention, however, the low temperature levels are preferably used to generate heated cooling water, in particular the low
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Temperatumiveaus des Rauchgases, und deswegen erfolgt damit bevorzugt lediglich eine Vorwärmung LU103144 von NHz, nicht jedoch zusätzlich auch eine Verdampfung.Temperature levels of the flue gas, and therefore preferably only a preheating LU103144 of NHz takes place, but not additional evaporation.
[0103] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist dazu in Strömungsrichtung des NH; stromabwärts des Tanks und stromaufwärts der NHz-Verdampfungseinrichtung, bevorzugt in Strô- mungsrichtung des NH; stromabwärts der ggf. vorhandenen Vorwärmeinrichtung, bevorzugt in Strö- mungsrichtung des NH; stromaufwärts des ggf. vorhandenen Vorwärmers, ein zusätzlicher Wärmetau- scher vorhanden, welcher bevorzugt zum Vorwärmen des NH; dient und in welchem NH; Wärme aus[0103] In preferred embodiments of the invention, an additional heat exchanger is provided in the flow direction of the NH; downstream of the tank and upstream of the NH evaporation device, preferably in the flow direction of the NH; downstream of the possibly present preheating device, preferably in the flow direction of the NH; upstream of the possibly present preheater, which preferably serves to preheat the NH; and in which NH; heat from
Wasser aufnimmt, welches bevorzugt im Kreis zirkuliert wird und welches zuvor Wärme aus demWater, which is preferably circulated in a circle and which has previously absorbed heat from the
Rauchgas aufgenommen hat.has absorbed smoke gas.
[0104] Dazu steht der zusätzlicher Wärmetausche bevorzugt mit einem weitere Wärmetauscher in[0104] For this purpose, the additional heat exchanger is preferably connected to another heat exchanger in
Wirkverbindung. Der weitere Wärmetauscher ist bevorzugt in Strömungsrichtung des Rauchgases stromabwärts des Rauchgas-Wärmetauschers angeordnet und dient zum Erwärmen des Wassers durchActive connection. The further heat exchanger is preferably arranged in the flow direction of the flue gas downstream of the flue gas heat exchanger and serves to heat the water by
Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas. Bevorzugt sind der zusätzliche Wärmetauscher und der wei- tere Wärmetauscher über eine Ringleitung miteinander verbunden, durch die das Wasser zirkuliert wird, bevorzugt mit einer Pumpe.Absorption of heat from the flue gas. Preferably, the additional heat exchanger and the further heat exchanger are connected to each other via a ring line through which the water is circulated, preferably with a pump.
[0105] Die Temperatur dieses Wassers bzw. erwärmten Wassers liegt somit bevorzugt deutlich unter- halb der Temperatur des Wassers bzw. Wasserdampfs, welches in der erfindungsgemäßen NH;-Ver- dampfungseinrichtung zum Verdampfen von NH; eingesetzt wird. Bevorzugt beträgt die Temperatur des erwärmten Wassers (d.h. nach Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas) höchstens 110°C, bevor- zugter höchstens 100°C, noch bevorzugter höchstens 90°C.[0105] The temperature of this water or heated water is therefore preferably significantly below the temperature of the water or water vapor which is used in the NH evaporation device according to the invention for evaporating NH . The temperature of the heated water (i.e. after absorption of heat from the flue gas) is preferably at most 110°C, more preferably at most 100°C, even more preferably at most 90°C.
[0106] Das Rauchgas hat auch noch nach Durchlaufen mehrerer Wärmetauscher, in denen es Wärme an Wasser oder NH; als Wärmeträgermedium abgegeben hat und dadurch abgekühlt wurde, typischer- weise immer noch eine vergleichsweise hohe Temperatur von z.B. etwa 150°C. Unterschreitet das[0106] Even after passing through several heat exchangers in which it has given off heat to water or NH; as a heat transfer medium and has been cooled as a result, the flue gas typically still has a comparatively high temperature of, for example, about 150°C. If the
Rauchgas nämlich eine Temperatur etwa 120°C, so wäre die Vorwärmung der Verbrennungsluft in ei- nem im Rauchgaskanal angeordneten Wärmetauscher durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas nicht mehr zufriedenstellend, da dazu eine relativ hohe Temperaturdifferenz erforderlich ist (vgl. Ab- bildungen 8 und 9, Wärmetauscher 43). Die im Rauchgas enthaltene Restwärme kann deshalb nicht inIf the flue gas has a temperature of around 120°C, preheating the combustion air in a heat exchanger arranged in the flue gas duct by absorbing heat from the flue gas would no longer be satisfactory, as this requires a relatively high temperature difference (see Figures 8 and 9, heat exchanger 43). The residual heat contained in the flue gas cannot therefore be converted into
Prozessströme integriert werden.process streams are integrated.
[0107] Das Rauchgas enthält zudem einen hohen Gehalt an N-: Ein Anteil an N, wird bei der Verbren- nung von NH; freigesetzt. Ein Anteil an N, ist in der Verbrennungsluft enthalten. Ein Anteil an N, wird bei der katalytischen Zersetzung von NH; erzeugt und ggf. aus einer Druckwechselabsorptionseinrich- tung in die Verbrennungseinrichtung zurückgeführt. Wegen des hohen Gehalts an N, liegt der Taupunkt des Rauchgases unter den herrschenden Druckverhältnissen sehr niedrig, z.B. bei etwa 60°C. Um eine[0107] The flue gas also contains a high content of N-: A proportion of N, is released during the combustion of NH;. A proportion of N, is contained in the combustion air. A proportion of N, is generated during the catalytic decomposition of NH; and is possibly returned to the combustion device from a pressure swing absorption device. Due to the high content of N, the dew point of the flue gas is very low under the prevailing pressure conditions, e.g. at around 60°C. In order to achieve a
Kondensation zu vermeiden, welche zur Beschädigung der im Rauchgaskanal montierten Wärmetau-To avoid condensation, which can damage the heat exchangers mounted in the flue gas duct.
230088P00LU scher führen könnte, wird erfindungsgemäß bevorzugt eine Temperaturdifferenz von 25°C als Sicher- LU103144 heitsabstand zum Taupunkt eingehalten werden.230088P00LU , according to the invention a temperature difference of 25°C is preferably maintained as a safety distance from the dew point.
[0108] Bevorzugt wird diese restliche Wärme im Rauchgas (Temperaturspanne von etwa 85°C bis etwa 120°C) genutzt, indem sie von dem im Kreis zirkulierten Wasser aufgenommen wird. Dafür ist im[0108] Preferably, this residual heat in the flue gas (temperature range from about 85°C to about 120°C) is used by being absorbed by the water circulating in the circuit. For this purpose,
Rauchgaskanal bevorzugt der zusätzlicher Wärmetauscher vorgesehen, durch den, bevorzugt angetrie- ben von einer Pumpe, Wasser als Wärmeträgermedium zirkuliert (vgl. Abbildung 10).The flue gas duct is preferably provided with an additional heat exchanger through which water circulates as a heat transfer medium, preferably driven by a pump (see Figure 10).
[0109] Das Wasser wird in diesem zusätzlichen Wärmetauscher beispielsweise von etwa 40°C auf etwa 90°C aufgewärmt und kann dann wiederum als Wärmequelle dienen für NHz, das vorteilhaft zuvor be- reits vom Kühlwasser vorgewärmt wurde.[0109] The water is heated in this additional heat exchanger, for example from about 40°C to about 90°C and can then in turn serve as a heat source for NHz, which has advantageously already been preheated by the cooling water.
[0110] Beispielsweise kann bei einer Austrittstemperatur des Rauchgases von 90°C (vgl. Abbildung 16), die das Abstandskriterium zum Taupunkt einhält, eine Leistung von 101 kW aufgenommen und zum Erwärmen von NH; genutzt werden, bis der Siedepunkt des NH; erreicht ist. Der in Strömungs- richtung des NH; stromabwärts angeordnete Vorwärmer erhöht den Anteil des verdampften NH; auf etwa 34%. Die in der vierten Stufe eingesetzte NH;-Verdampfungseinrichtung ist dann nur noch eine[0110] For example, at a flue gas outlet temperature of 90°C (see Figure 16), which complies with the distance criterion to the dew point, a power of 101 kW can be absorbed and used to heat NH; until the boiling point of the NH; is reached. The preheater arranged downstream in the flow direction of the NH; increases the proportion of evaporated NH; to about 34%. The NH; evaporation device used in the fourth stage is then only a
Leistung von z.B. 320 kW aufzubringen. Verglichen mit einer nur zweistufigen Erwärmung und Ver- dampfung von NH; kann auf diese Weise die Wärmemenge, die zur Erzeugung des Wasserdampfes erforderlich ist, fast halbiert werden. So kann die Ausbeute im Bezug auf die erzeugte Menge an H, um z.B. etwa 0.3% erhöht werden.Output of e.g. 320 kW. Compared to a two-stage heating and evaporation of NH, the amount of heat required to produce the steam can be almost halved. The yield in relation to the amount of H produced can be increased by e.g. about 0.3%.
[0111] Die Verwendung von Wasser bzw. Wasserdampf für die Vorwärmung, Erwärmung und Ver- dampfung des zunächst flüssig vorliegenden NH; ist wirtschaftlich und sicherheitstechnisch vorteilhaft im Vergleich zu der sonst grundsätzlich ebenfalls möglichen direkten Verwendung von Rauchgas oder[0111] The use of water or steam for the preheating, heating and evaporation of the initially liquid NH; is economically and safety-wise advantageous compared to the otherwise basically also possible direct use of flue gas or
Prozessgas als Wärmequelle für die Verdampfung von NHz. Durch eine Beschädigung eines Rohres könnte NH; ins Abgas und damit in die Atmosphäre strömen, oder in den Prozessstrom gelangen. Eine elektrische Verdampfung von Wasser zur Erzeugung von Wasserdampf würde zu einem hohen Ener- gieverbrauch und entsprechenden Kosten führen.Process gas as a heat source for the evaporation of NH3. If a pipe is damaged, NH3 could flow into the exhaust gas and thus into the atmosphere, or enter the process stream. Electrical evaporation of water to generate steam would lead to high energy consumption and corresponding costs.
[0112] Sicherheitstechnisch und wirtschaftlich ist daher Wasser als Wärmeträgermedium vorteilhaft.[0112] From a safety and economic point of view, water is therefore advantageous as a heat transfer medium.
[0113] Erfindungsgemäß hat der Wasserdampf bevorzugt etwas höheren Druck als das NHz, so dass im[0113] According to the invention, the water vapor preferably has a slightly higher pressure than the NHz, so that in
Falle einer Beschädigung eines Wärmetauschers (z.B. durch Rohrreißer) Wasserdampf ggf. in das NH; strömen würde. Durch die vergleichsweise geringe Druckdifferenz wäre ein Wasserzustrom aber gering.In the event of damage to a heat exchanger (e.g. due to a burst pipe), water vapor might flow into the NH3. However, due to the comparatively low pressure difference, the inflow of water would be minimal.
[0114] In der NH;-Verdampfungseinrichtung würde es wegen der geringen Dichte des Wasserdampfes zu einem vergleichsweise nur geringen Massenzufluss kommen, aber durch die vergleichsweise hohe[0114] In the NH; evaporation device, there would be a comparatively low mass inflow due to the low density of the water vapor, but due to the comparatively high
Temperatur des Wasserdampfes auch zu einem deutlichen Zufluss an Energie. Als Folge würde es zu einer verstärkten Verdampfung von NH; kommen. Da die NH;-Verdampfungseinrichtung und der darin integrierte Wärmetauscher aber dazu vorgesehen und ausgelegt sind, NH; zu verdampfen, wäre eine solche ggf. verstärkte Verdampfung von NH; weniger kritisch.Temperature of the water vapor also leads to a significant inflow of energy. This would result in increased evaporation of NH;. However, since the NH; evaporation device and the heat exchanger integrated therein are intended and designed to evaporate NH;, such increased evaporation of NH; would be less critical.
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[0115] Im ggf. vorhandenen Vorwärmer wäre wegen der höheren Dichte der Massenzufluss aus dem LU103144[0115] In the preheater, if present, the mass flow from the LU103144 would be due to the higher density
Wasser höher, dafür aber der Energiezufluss geringer.Water is higher, but the energy flow is lower.
[0116] Erfindungsgemäß bevorzugte NH;-Verdampfungseinrichtungen und erfindungsgemäß bevor- zugte Vorwärmer sind unabhängig voneinander so ausgerüstet, dass sie im NH; ggf. enthaltenes Wasser (Schwersieder) als "Blowdown" abziehen, so dass in einem solchen Fall ggf. gar kein Wasserdurch- schlag in den Prozess passieren würde.[0116] NH evaporation devices preferred according to the invention and preheaters preferred according to the invention are equipped independently of one another in such a way that they remove any water (high boilers) contained in the NH as a "blowdown", so that in such a case no water breakthrough would possibly occur in the process.
[0117] Sofern Wasserdampf in den Prozess eintreten sollte, wäre das Wasser in der Zersetzung von[0117] If water vapor were to enter the process, the water would be in the decomposition of
NH; inert und würde ebenso wie NH; in höheren Konzentrationen durch die Vorrichtung zur Aufreini- gung von H, (bevorzugt Druckwechseladsorptionseinrichtung) schlagen. Die Anwesenheit von Wasser im H,-Produkt ist weniger gefährlich für Endabnehmer.NH; is inert and, like NH; in higher concentrations, would pass through the H, purification device (preferably pressure swing adsorption device). The presence of water in the H, product is less dangerous for end users.
[0118] Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Einsatz von Wasser als Wärmeträgermedium hätte bei der herkömmlichen Verwendung von Prozesswärme direkt aus dem Produktgas oder dem Rauchgas zur[0118] In contrast to the use of water as a heat transfer medium according to the invention, the conventional use of process heat directly from the product gas or the flue gas would have
Verdampfung von NH; stattdessen das NH; den höheren Druck. Gegenüber dem Produktgas oderEvaporation of NH; instead the NH; the higher pressure. Compared to the product gas or
Rauchgas läge eine deutliche Druckdifferenz vor, so dass es im Falle einer Beschädigung eines Wärme- tauschers (z.B. durch Rohrreißer) infolge der hohen Druckdifferenz und der hohen Dichte des flüssigenThere would be a significant pressure difference in the flue gas, so that in the event of damage to a heat exchanger (e.g. due to a pipe burst) due to the high pressure difference and the high density of the liquid
NH; zu einem hohen Massenzufluss käme. Ein Durchschlag von NH; ins Rauchgas würde zur Emission durch den "Stack" führen und zu einer erheblichen Umweltbelastung. Ein Durchschlag von NH; insNH; would result in a high mass inflow. A breakthrough of NH; into the flue gas would lead to emissions through the "stack" and to a significant environmental impact. A breakthrough of NH; into the
Produktgas würde das NH; in das H,-Produkt durchleiten, was durchaus gefährlich für Endabnehmer sein könnte.Product gas would pass the NH; into the H, product, which could be dangerous for end users.
[0119] Bevorzugt werden zur Verdampfung von NH; mindestens zwei Wärmetauscher eingesetzt, in denen NH; erst bis zum Siedepunkt vorgewärmt und dann verdampft wird.[0119] Preferably, at least two heat exchangers are used for the evaporation of NH;, in which NH; is first preheated to the boiling point and then evaporated.
[0120] Zur Verbesserung der Sicherheit ist erfindungsgemäß die Vorwärmung, Erwärmung und Ver- dampfung des NH; vom der Zersetzung des NH; und dem weiteren Prozessweg entkoppelt.[0120] To improve safety, according to the invention the preheating, heating and evaporation of the NH; are decoupled from the decomposition of the NH; and the further process path.
Strömecurrents
[0121] Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der verschiedenen[0121] In the following, preferred embodiments of the invention are described with reference to the various
Ströme erläutert, welche bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. bei Be- trieb/Verwendung der erfindungsgemäßen Anlage bevorzugt eingesetzt oder gebildet werden. Dazu werden nachfolgend zweckmäßigerweise folgende Ströme unterschieden: e NH;: o von der Lagerung bis vor die katalytische Zersetzung; o katalytische Zersetzung; e Verbrennungsgas; e Verbrennungsluft; e Produktgas:Streams are explained which are preferably used or formed when carrying out the process according to the invention or when operating/using the plant according to the invention. For this purpose, the following streams are conveniently distinguished below: e NH;: o from storage up to catalytic decomposition; o catalytic decomposition; e combustion gas; e combustion air; e product gas:
230088P00LU o nach der katalytischen Zersetzung bis vor Aufreinigung von H,; LU103144 o Abtrennung von Restmengen an nicht zersetztem NHz; o Aufreinigung von H, und Abtrennung Restgasgemisch; e H, -nach der Aufreinigung bis zur Lagerung; e Restgasgemisch: e Rauchgas; und e Wasser bzw. Wasserdampf.230088P00LU o after catalytic decomposition until purification of H,; LU103144 o separation of residual amounts of non-decomposed NH3; o purification of H, and separation of residual gas mixture; e H, -after purification until storage; e residual gas mixture: e flue gas; and e water or water vapor.
[0122] Die nachfolgenden Erläuterungen gelten gleichermaßen für die erfindungsgemäße Anlage, die erfindungsgemäße Verwendung der Anlage sowie das erfindungsgemäße Verfahren. Dabei wird teil- weise auf die Abbildungen Bezug genommen, um eine erfindungsgemäß mögliche und ggf. bevorzugte[0122] The following explanations apply equally to the system according to the invention, the use of the system according to the invention and the method according to the invention. Reference is made in part to the figures in order to illustrate a possible and possibly preferred embodiment according to the invention.
Integration einzelner Bauteile bzw. Schritte in die erfindungsgemäße Anlage bzw. das erfindungsge- mäße Verfahren zu veranschaulichen. Dies bedeutet aber nicht, dass auch alle übrigen, in den jeweiligenIntegration of individual components or steps into the system or method according to the invention. However, this does not mean that all other components or steps described in the respective
Abbildungen gezeigten Bauteile bzw. damit in Verbindung stehenden Schritte zwangsläufig gleichzeitig verwirklicht sein müssen. Die Bezugnahmen auf die Abbildungen sind nicht einschränkend auszulegen, sondern dienen lediglich der Veranschaulichung isolierter bevorzugter Ausführungsformen der Erfin- dung.The components shown in the figures or the steps associated therewith must necessarily be implemented simultaneously. The references to the figures are not to be interpreted as limiting, but serve merely to illustrate isolated preferred embodiments of the invention.
NH; - von der Lagerung bis vor die katalytische ZersetzungNH; - from storage to catalytic decomposition
[0123] Das NH; wird erfindungsgemäß bevorzugt als Ausgangsmaterial gelagert.[0123] According to the invention, the NH; is preferably stored as starting material.
[0124] Bevorzugt liegt das gelagerte NH; in einem gekühlten Tank flüssig vor, bei Atmosphärendruck und einer Temperatur unterhalb seiner Siedetemperatur von -33,5°C. Mit einer Pumpe wird NH; bevor- zugt bei Anlagendruck in die Anlage eingespeist. Durch den erhöhten Anlagendruck steigt der Siede- punkt des NH;. Um NH; in die Gasphase zu überführen, ist zur Verdampfung des NH; die Zufuhr von[0124] Preferably, the stored NH; is in liquid form in a cooled tank, at atmospheric pressure and at a temperature below its boiling point of -33.5°C. NH; is fed into the system using a pump, preferably at system pressure. The boiling point of the NH; rises due to the increased system pressure. In order to convert NH; into the gas phase, the supply of
Wärme notwendig. Die Verdampfung von NH; erfordert erhebliche Mengen an Wärme. Bei einemHeat is necessary. The evaporation of NH; requires considerable amounts of heat.
Druck von z.B. 30 bar können pro Megawatt Energieeintrag etwa 2,4 t/h NH; vorgewärmt und ver- dampft werden.At a pressure of e.g. 30 bar, approximately 2.4 t/h NH3 can be preheated and evaporated per megawatt of energy input.
[0125] Ehe das NH; katalytisch zersetzt werden kann, wird es erfindungsgemäß bevorzugt nacheinan- der auf mehrere Temperatumiveaus erwärmt.[0125] Before the NH3 can be catalytically decomposed, it is preferably heated successively to several temperature levels according to the invention.
[0126] Ausgehend von flüssigem NH; erfolgt bevorzugt eine Erwärmung und anschließende Verdamp- fung von NH; auf ein mittleres Temperaturniveau (<300°C) durch Aufnahme von Wärme aus Wasser bzw. Wasserdampf.[0126] Starting from liquid NH;, heating and subsequent evaporation of NH; to a medium temperature level (<300°C) preferably takes place by absorbing heat from water or water vapor.
[0127] Anschließend erfolgt bevorzugt eine weitergehende Erwärmung von NH; auf ein hohes Tempe- raturniveau (>300°C) durch Aufnahme von Wärme direkt aus Rauchgas und/oder Produktgas, d.h. ohne[0127] This is followed by a further heating of NH; to a high temperature level (>300°C) by absorbing heat directly from flue gas and/or product gas, i.e. without
Wasser als Wärmeträgermedium. Bei diesen anschließenden Maßnahmen zur weitergehenden Erwär- mung auf ein hohes Temperaturniveau (>300°C) sind die Druckdifferenzen sowie die Dichte des NH;Water as a heat transfer medium. In these subsequent measures for further heating to a high temperature level (>300°C), the pressure differences and the density of the NH;
230088P00LU in den Wärmetauscher deutlich geringer als bei den vorherigen Maßnahmen zur Erwärmung und Ver- LU103144 dampfung von NH; auf ein mittleres Temperatumiveau (<300°C). Eventuelle Beschädigungen der Wär- metauscher (z.B. Rohrreißer) würden daher bei den anschließenden Maßnahmen (Temperaturniveau >300°C) weit weniger drastische Sicherheitsprobleme mit sich bringen als bei den vorherigen Maßnah- men (Temperaturniveau <300°C).230088P00LU in the heat exchanger is significantly lower than with the previous measures for heating and evaporating NH; to a medium temperature level (<300°C). Any damage to the heat exchanger (e.g. pipe bursting) would therefore cause far less drastic safety problems with the subsequent measures (temperature level >300°C) than with the previous measures (temperature level <300°C).
[0128] Die Energieintegration bringt NH; bevorzugt auf die gewünschte Temperatur am Eintritt in die[0128] The energy integration brings NH; preferentially to the desired temperature at the inlet into the
NH;-Zersetzungseinrichtung. Zudem wird bevorzugt auch die Verbrennungsluft vorgewärmt. Dabei es von Vorteil, Wasser oder Kesselspeisewasser vorzuwärmen und zu verdampfen. Da die Prozesswärme in zwei Strängen vorliegt, im Produktgas einerseits und im Rauchgas andererseits, können die Wärme- tauscher erfindungsgemäß in verschiedenen Varianten angeordnet werden.NH; decomposition device. In addition, the combustion air is preferably preheated. It is advantageous to preheat and evaporate water or boiler feed water. Since the process heat is present in two strands, in the product gas on the one hand and in the flue gas on the other, the heat exchangers can be arranged in different variants according to the invention.
[0129] Erfindungsgemäß bevorzugt wird flüssiges NH; verdampft durch Aufnahme von Wärme aus heißem Wasserdampf. Dieser heiße Wasserdampf wird seinerseits aus Wasser oder kühlerem Wasser- dampf erzeugt.[0129] According to the invention, liquid NH is preferably vaporized by absorbing heat from hot steam. This hot steam is in turn generated from water or cooler steam.
[0130] Zum Zwecke der Beschreibung wird der Begriff "Wasser", sofern nicht ausdrücklich etwas an- deres angegeben ist, für alle seine Aggregatzustände verwendet, wobei je nach Temperatur und Druck dieses Wasser flüssig oder gasförmig oder als Zweiphasensystem vorliegen kann, d.h. ggf. auch als[0130] For the purpose of description, the term "water", unless expressly stated otherwise, is used for all its states of aggregation, whereby, depending on temperature and pressure, this water can be liquid or gaseous or as a two-phase system, i.e. possibly also as
Wasserdampf. Dies gilt analog ebenso für "NH".Water vapor. This also applies to "NH".
[0131] Bevorzugt nimmt das Wasser in Strömungsrichtung des Rauchgases stromabwärts der Verbren- nungseinrichtung Wärme aus Rauchgas und/oder in Strömungsrichtung des Produktgases stromabwärts der NH;-Zersetzungseinrichtung Wärme aus Produktgas auf. Dazu werden in der erfindungsgemäßen[0131] Preferably, the water absorbs heat from the flue gas downstream of the combustion device in the flow direction of the flue gas and/or heat from the product gas downstream of the NH; decomposition device in the flow direction of the product gas. For this purpose, in the inventive
Anlage bevorzugt geeignete Wärmetauscher vorgesehen und verschaltet.Preferably, suitable heat exchangers are provided and connected.
[0132] Je nach Reaktionstemperatur kann die im Produktgas enthaltene Wärmemenge geringer sein als die im Verbrennungsgas enthaltene Wärme. Dies kann Einfluss haben auf die Wärmerückgewinnung.[0132] Depending on the reaction temperature, the amount of heat contained in the product gas may be less than the heat contained in the combustion gas. This may influence the heat recovery.
So ist bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen am Austritt der NH;-Zersetzungseinrichtung (z.B. etwa 500°C) die Wärmemenge im Produktgas deutlich geringer als im Rauchgas. In einem solchen Fall wird erfindungsgemäß bevorzugt die Wasserdampferzeugung zum großen Teil oder vollständig mitThus, at comparatively low temperatures at the outlet of the NH; decomposition device (e.g. about 500°C), the amount of heat in the product gas is significantly lower than in the flue gas. In such a case, according to the invention, the steam generation is preferably carried out largely or completely with
Wärme aus dem Rauchgas aus der Verbrennungseinrichtung durchgeführt. Diese Variante der Verschal- tung der Komponenten für die Wärmerückgewinnung hat zwar den Nachteil eines niedrigeren Tempe- raturgefilles zwischen Rauchgas und eingespeistem Wasser, kann ggf. aber durch eine größere NHz-Heat from the flue gas from the combustion device is carried out. This variant of the connection of the components for heat recovery does have the disadvantage of a lower temperature gradient between the flue gas and the fed-in water, but can be compensated for by a larger NHz
Verdampfungseinrichtung oder eine Verringerung des Druckniveaus kompensiert werden.evaporation device or a reduction in the pressure level.
[0133] Es kann erfindungsgemäß auch bevorzugt sein, zwei NH;-Verdampfungseinrichtungen vorzu- sehen, welche parallel geschaltet sein können. Das NH; wird dann bevorzugt ggf. zunächst in einem[0133] It may also be preferred according to the invention to provide two NH; evaporation devices, which can be connected in parallel. The NH; is then preferably initially evaporated in a
Vorwärmer aufgewärmt und danach über zwei zueinander parallele Leitungen jeweils in eine erste NH;-preheater and then fed via two parallel lines into a first NH;-
Verdampfungseinrichtung und eine zweite NH;-Verdampfungseinrichtung geleitet. Bevorzugt kann die zweite NH;-Verdampfungseinrichtung mit Dampf gespeist werden, während der ersten NH;-Verdamp-evaporation device and a second NH; evaporation device. Preferably, the second NH; evaporation device can be fed with steam, while the first NH; evaporation
230088P00LU fungseinrichtung Wasserdampfkondensat zugeführt wird. Nach dem Durchströmen der ersten Verdamp- LU103144 fungseinrichtung gelangt das Wasserdampfkondensat bevorzugt zum Vorwärmer und durchströmt die- sen ebenfalls unter Wärmeabgabe.230088P00LU evaporation device is fed with water vapor condensate. After flowing through the first evaporation device, the water vapor condensate preferably reaches the preheater and flows through it, also giving off heat.
[0134] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung nimmt Wasser in Strömungsrichtung des[0134] In preferred embodiments of the invention, water in the flow direction of the
Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung in mindestens einem ersten Wärmetauscher und mindestens einem zweiten Wärmetauscher Wärme aus dem Rauchgas auf, wobei das Rauchgas beimFlue gas downstream of the combustion device in at least one first heat exchanger and at least one second heat exchanger, whereby the flue gas during
Durchströmen des ersten Wärmetauschers eine höhere Temperatur aufweist als beim Durchströmen des zweiten Wärmetauschers (vgl. Abbildung 10, erster Wärmetauscher: Rauchgas-Wärmetauscher 52; zweiter Wärmetauscher: weiterer Wärmetauscher 71).Flowing through the first heat exchanger has a higher temperature than flowing through the second heat exchanger (see Figure 10, first heat exchanger: flue gas heat exchanger 52; second heat exchanger: further heat exchanger 71).
[0135] Erfindungsgemäß bevorzugte Stationen, die das NH; auf dem Weg vom Tank bis zur NH;-Zer- setzungseinrichtung bevorzugt durchläuft, werden nachfolgend erläutert.[0135] Stations preferred according to the invention, through which the NH; preferably passes on the way from the tank to the NH; decomposition device, are explained below.
[0136] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verlässt flüssiges NH; einen Tank und wird mit einer Pumpe bei Anlagendruck in die Anlage eingespeist. Um das NH; zu verdampfen, ist in Strö- mungsrichtung des NH; stromabwärts des Tanks die NH;-Verdampfungseinrichtung angeordnet, in wel- cher NH; Wärme aus Wasserdampf aufnimmt, welcher seinerseits zuvor Wärme aus Produktgas und/oder Rauchgas aufgenommen hat (vgl. Abbildungen 1-10, NH;-Verdampfungseinrichtung 14).[0136] In preferred embodiments of the invention, liquid NH; leaves a tank and is fed into the system with a pump at system pressure. In order to evaporate the NH;, the NH; evaporation device is arranged in the flow direction of the NH; downstream of the tank, in which NH; absorbs heat from water vapor, which in turn has previously absorbed heat from product gas and/or flue gas (cf. Figures 1-10, NH; evaporation device 14).
[0137] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des NH; stromabwärts des Tanks und stromaufwärts der[0137] Preferably, in the flow direction of the NH; downstream of the tank and upstream of the
NH;-Verdampfungseinrichtung ein Vorwärmer angeordnet, welcher bevorzugt zum Erwärmen des NH; auf die gewünschte Temperatur am Eintritt in die NH;-Verdampfungseinrichtung dient und in welchemNH; evaporation device, a preheater is arranged, which preferably serves to heat the NH; to the desired temperature at the inlet to the NH; evaporation device and in which
NH; Wärme aus Wasser aufnimmt, welches seinerseits zuvor die NH;-Verdampfungseinrichtung alsNH; absorbs heat from water, which in turn previously passed the NH; evaporation device as
Wasserdampfkondensat verlassen hat. Bevorzugt werden Wasserdampf und Wasserdampfkondensat imWater vapor condensate has left. Water vapor and water vapor condensate are preferred in the
Gegenstrom durch den Vorwärmer und die NH;-Verdampfungseinrichtung geleitet (vgl. Abbildungen 4-10, Vorwärmer 13).Countercurrent through the preheater and the NH; evaporator (see Figures 4-10, preheater 13).
[0138] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des NH; stromabwärts der NH;-Verdampfungseinrichtung ein erster Wärmetauscher angeordnet, welcher bevorzugt zur weiteren Erwärmung des NH; dient und in welchem NH; bevorzugt Wärme aus Produktgas aufnimmt (vgl. Abbildungen 8 und 9, Wärmetau- scher 20).[0138] Preferably, a first heat exchanger is arranged in the flow direction of the NH; downstream of the NH; evaporation device, which preferably serves to further heat the NH; and in which NH; preferably absorbs heat from product gas (cf. Figures 8 and 9, heat exchanger 20).
[0139] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des NH; stromabwärts des ersten Wärmetauschers ein zwei- ter Wärmetauscher angeordnet, welcher bevorzugt zur weiteren Erwärmung des NH; dient und in wel- chem NH; bevorzugt Wärme aus Rauchgas aufnimmt (vgl. Abbildungen 8 und 9, Wärmetauscher 22).[0139] Preferably, a second heat exchanger is arranged in the flow direction of the NH; downstream of the first heat exchanger, which preferably serves to further heat the NH; and in which NH; preferably absorbs heat from flue gas (cf. Figures 8 and 9, heat exchanger 22).
[0140] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wenn die katalytische Zersetzung des NH; zweistufig in einer ersten NH;-Zersetzungseinrichtung (Vorreaktor) und einer zweiten NH;-Zerset- zungseinrichtung erfolgt, ist bevorzugt in Strömungsrichtung des NH; stromabwärts ersten NH;-Zerset- zungseinrichtung (Vorreaktor) und bevorzugt stromaufwärts zweiten NH;-Zersetzungseinrichtung ein weiterer Wärmetauscher angeordnet, welcher bevorzugt zum Erwärmen des Zwischenproduktgases[0140] In preferred embodiments of the invention, when the catalytic decomposition of the NH; takes place in two stages in a first NH; decomposition device (pre-reactor) and a second NH; decomposition device, a further heat exchanger is preferably arranged in the flow direction of the NH; downstream of the first NH; decomposition device (pre-reactor) and preferably upstream of the second NH; decomposition device, which is preferably used to heat the intermediate product gas
230088P00LU nach dem Verlassen der ersten NH;-Zersetzungseinrichtung (Vorreaktor) und vor Eintritt in die zweite LU103144230088P00LU after leaving the first NH; decomposition facility (pre-reactor) and before entering the second LU103144
NH;-Zersetzungseinrichtung (zusammen mit Verbrennungseinrichtung analog Primärreformer) dient und in welchem NH; bevorzugt Wärme aus Rauchgas aufnimmt (vgl. Abbildung 9, weiterer Wärmetau- scher 67).NH; decomposition device (together with combustion device analogous to primary reformer) and in which NH; preferentially absorbs heat from flue gas (see Figure 9, further heat exchanger 67).
[0141] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist in Strömungsrichtung des NH; stromab- wärts des Tanks und stromaufwärts der NH;-Verdampfungseinrichtung, bevorzugt auch in Strömungs- richtung des NH; stromaufwärts des ggf. vorhandenen Vorwärmers, eine Vorwärmeeinrichtung ange- ordnet, welche bevorzugt zum Vorwärmen des NH; dient und in welcher NH; Wärme aus Wasser auf- nimmt, welches seinerseits zuvor an anderer Stelle als Kühlwasser angefallen ist, bevorzugt in einem[0141] In preferred embodiments of the invention, a preheating device is arranged in the flow direction of the NH; downstream of the tank and upstream of the NH; evaporation device, preferably also in the flow direction of the NH; upstream of the preheater, if present, which preferably serves to preheat the NH; and in which NH; absorbs heat from water, which in turn has previously accrued elsewhere as cooling water, preferably in a
Prozesskühler in Strömungsrichtung des Produktgases stromaufwärts einer Druckwechseladsorptions- einrichtung oder in einem Wärmetauscher eines H,-Verdichters (vgl. Abbildungen 7 und 10, Vorwär- meeinrichtung 70).Process cooler in the flow direction of the product gas upstream of a pressure swing adsorption device or in a heat exchanger of an H, compressor (see Figures 7 and 10, preheating device 70).
[0142] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist in Strömungsrichtung des NH; stromab- wärts des Tanks und stromaufwärts der NH;-Verdampfungseinrichtung, bevorzugt in Strömungsrich- tung des NH; stromabwärts der ggf. vorhandenen Vorwärmeinrichtung, bevorzugt in Strömungsrich- tung des NH; stromaufwärts des ggf. vorhandenen Vorwärmers, ein zusätzlicher Wärmetauscher vor- handen, welcher bevorzugt zum Vorwärmen des NH; dient und in welchem NH; Wärme aus Wasser aufnimmt, welches bevorzugt im Kreis zirkuliert wird und welches zuvor Wärme aus dem Rauchgas aufgenommen hat (vgl. Abbildung 10, zusätzlicher Wärmetauscher 73).[0142] In preferred embodiments of the invention, an additional heat exchanger is present in the flow direction of the NH; downstream of the tank and upstream of the NH; evaporation device, preferably in the flow direction of the NH; downstream of the possibly present preheating device, preferably in the flow direction of the NH; upstream of the possibly present preheater, which preferably serves to preheat the NH; and in which NH; absorbs heat from water, which is preferably circulated in a circuit and which has previously absorbed heat from the flue gas (cf. Figure 10, additional heat exchanger 73).
[0143] Erfindungsgemäß bevorzugt wird flüssiges NH; in mindestens einer Stufe, bevorzugter in min- destens zwei Stufen, noch bevorzugter in mindestens drei Stufen, besonders bevorzugt in mindestens vier Stufen erwärmt und von der flüssigen Phase in die Gasphase überführt, d.h. verdampft. Dabei er- reicht das NH; jeweils bevorzugt ein mittleres Temperaturniveau (<300°C).[0143] According to the invention, liquid NH; is preferably heated in at least one stage, more preferably in at least two stages, even more preferably in at least three stages, particularly preferably in at least four stages and converted from the liquid phase into the gas phase, i.e. evaporated. In this case, the NH; preferably reaches a medium temperature level (<300°C).
[0144] Bei einstufiger Erwärmung und Verdampfung wird das flüssige NH; bevorzugt in einer einzel- nen Stufe erwärmt und dabei auch sofort verdampft (vgl. Abbildungen 1 bis 3). In bevorzugten Ausfüh- rungsformen der Erfindung wird dazu mindestens ein Wärmetauscher vorgesehen und verschaltet (vgl.[0144] In the case of single-stage heating and evaporation, the liquid NH; is preferably heated in a single stage and also evaporated immediately (see Figures 1 to 3). In preferred embodiments of the invention, at least one heat exchanger is provided and connected for this purpose (see
Abbildung 1, Rauchgas-Wärmetauscher 52; Abbildung 2, Produktgas-Wärmetauscher 26). In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden dazu mindestens zwei Wärmetauscher vorgese- hen und verschaltet (vgl. Abbildung 3, Produktgas-Wärmetauscher 26 und Rauchgas-Wärmetauscher 52).Figure 1, flue gas heat exchanger 52; Figure 2, product gas heat exchanger 26). In other preferred embodiments of the invention, at least two heat exchangers are provided and connected (cf. Figure 3, product gas heat exchanger 26 and flue gas heat exchanger 52).
[0145] Bei zweistufiger Erwärmung und Verdampfung wird das NH; bevorzugt zunächst in einer ersten[0145] In two-stage heating and evaporation, the NH; is preferably first in a first
Stufe erwärmt (aber noch nicht vollständig verdampft) und anschließend in einer zweiten Stufe ver- dampft (vgl. Abbildungen 4 bis 6, 8, 9). In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden dazu für die erste Stufe mindestens ein Wärmetauscher und für die zweite Stufe ebenfalls mindestens einStage heated (but not yet completely evaporated) and then evaporated in a second stage (see Figures 4 to 6, 8, 9). In preferred embodiments of the invention, at least one heat exchanger is used for the first stage and at least one heat exchanger for the second stage.
Wärmetauscher vorgesehen und verschaltet (vgl. Abbildung 4, Stufe 1: Vorwärmer 13; Stufe 2: Pro-Heat exchangers are provided and connected (see Figure 4, stage 1: preheater 13; stage 2: pro-
230088P00LU duktgas-Wärmetauscher 26 oder Rauchgas-Wärmetauscher 52). In anderen bevorzugten Ausführungs- LU103144 formen der Erfindung werden dazu für die erste Stufe mindestens ein Wärmetauscher und für die zweite230088P00LU product gas heat exchanger 26 or flue gas heat exchanger 52). In other preferred embodiments of the invention, at least one heat exchanger is used for the first stage and for the second stage
Stufe mindestens zwei Wärmetauscher vorgesehen (vgl. Abbildungen 5, 6, 8 und 9 Stufe 1: Vorwärmer 13; Stufe 2: Produktgas-Wärmetauscher 26 und Rauchgas-Wärmetauscher 52).At least two heat exchangers are provided for each stage (see Figures 5, 6, 8 and 9 Stage 1: preheater 13; Stage 2: product gas heat exchanger 26 and flue gas heat exchanger 52).
[0146] Bei dreistufiger Erwärmung und Verdampfung wird das flüssige NH; bevorzugt zunächst in einer ersten Stufe vorgewärmt (aber noch nicht vollständig verdampft), danach in einer zweiten Stufe zusätzlich erwärmt (aber ebenfalls noch nicht vollständig verdampft) und anschließend in einer dritten[0146] In three-stage heating and evaporation, the liquid NH; is preferably first preheated in a first stage (but not yet completely evaporated), then additionally heated in a second stage (but also not yet completely evaporated) and then in a third
Stufe verdampft (vgl. Abbildung 7).stage evaporates (see Figure 7).
[0147] In bevorzugten Ausführungsformen ist das Verhältnis aus Kondensationsenthalpie und latenter[0147] In preferred embodiments, the ratio of condensation enthalpy to latent
Wärme des Wasserdampfkondensats so, dass der Vorwärmer auch bei zweistufigem Betrieb bereits einen gewissen Teil des NH; verdampft. Wollte man stattdessen den Vorwärmer ausschließlich zur Vor- wärmung nutzen, um die Verdampfung von NH; ausschließlich über die Kondensationsenthalpie desHeat of the water vapor condensate so that the preheater evaporates a certain part of the NH; even in two-stage operation. If one wanted to use the preheater exclusively for preheating in order to achieve the evaporation of NH; exclusively via the condensation enthalpy of the
Wasserdampfes zu realisieren, müsste die Menge an Wasserdampf erheblich vergrößert werden, und das Wasserdampfkondensat würde mit einer sehr hohen verbleibenden Temperatur austreten, was vonTo realize the water vapor condensation, the amount of water vapor would have to be increased considerably and the water vapor condensate would exit with a very high remaining temperature, which is
Nachteil wäre.disadvantage would be.
[0148] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden dazu für die erste Stufe mindestens ein Wärmetauscher, für die zweite Stufe ebenfalls mindestens ein Wärmetauscher und für die dritte[0148] In preferred embodiments of the invention, at least one heat exchanger is used for the first stage, at least one heat exchanger for the second stage and at least one heat exchanger for the third stage.
Stufe auch mindestens ein Wärmetauscher vorgesehen und verschaltet (vgl. Abbildung 7, Stufe 1: Vor- wärmeeinrichtung 70; Stufe 2: Vorwärmer 13; Stufe 3: Produktgas-Wärmetauscher 26 oder Rauchgas-At least one heat exchanger is also provided and connected (see Figure 7, stage 1: preheating device 70; stage 2: preheater 13; stage 3: product gas heat exchanger 26 or flue gas
Wärmetauscher 52). In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden dazu für die erste Stufe mindestens ein Wärmetauscher, für die zweite Stufe ebenfalls mindestens ein Wärmetauscher und für die dritte Stufe mindestens zwei Wärmetauscher vorgesehen (nicht als Abbildung gezeigt; ent- spricht Variation von Abbildung 5 oder 6 durch die Ausführungsform gemäß Abbildung 7; Stufe 1:Heat exchanger 52). In other preferred embodiments of the invention, at least one heat exchanger is provided for the first stage, at least one heat exchanger for the second stage and at least two heat exchangers for the third stage (not shown as a figure; corresponds to a variation of Figure 5 or 6 by the embodiment according to Figure 7; Stage 1:
Vorwärmeeinrichtung 70; Stufe 2: Vorwärmer 13; Stufe 3: Produktgas-Wärmetauscher 26 und Rauch- gas-Wärmetauscher 52). Aus Abbildung 10 kann ebenfalls eine dreistufige Erwärmung und Verdamp- fung wird das flüssige NH; hergeleitet werden, und zwar wenn entweder Vorwärmeinrichtung 70 fehlt oder wenn der zusätzliche Wärmetauscher 73 fehlt.Preheating device 70; stage 2: preheater 13; stage 3: product gas heat exchanger 26 and flue gas heat exchanger 52). A three-stage heating and evaporation of the liquid NH; can also be derived from Figure 10, namely if either preheating device 70 is missing or if the additional heat exchanger 73 is missing.
[0149] Bei vierstufiger Erwärmung und Verdampfung wird das flüssige NH; bevorzugt zunächst in einer ersten Stufe ersten Stufe vorgewärmt (aber noch nicht verdampft), danach in einer zweiten Stufe zusätzlich angewärmt (aber ebenfalls noch nicht vollständig verdampft), dann in einer dritte Stufe zu- sätzlich erwärmt (aber ebenfalls noch nicht vollständig verdampft) und anschließend in einer dritten[0149] In four-stage heating and evaporation, the liquid NH; is preferably first preheated in a first stage (but not yet evaporated), then additionally heated in a second stage (but also not yet completely evaporated), then additionally heated in a third stage (but also not yet completely evaporated) and then in a third
Stufe verdampft (vgl. Abbildung 10). In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden dazu für die erste Stufe mindestens ein Wärmetauscher, für die zweite Stufe ebenfalls mindestens ein Wär- metauscher, für die dritte Stufe auch mindestens ein Wärmetauscher und für die vierte Stufe mindestens ein, bevorzugt mindestens zwei Wärmetauscher vorgesehen und verschaltet (vgl. Abbildung 10, StufeStage evaporates (see Figure 10). In preferred embodiments of the invention, at least one heat exchanger is provided and connected for the first stage, at least one heat exchanger for the second stage, at least one heat exchanger for the third stage and at least one, preferably at least two heat exchangers for the fourth stage (see Figure 10, stage
230088P00LU 1: Vorwärmeeinrichtung 70; Stufe 2: zusätzlicher Wärmetauscher 73; Stufe 3: Vorwärmer 13; Stufe 4: LU103144230088P00LU 1: preheating device 70; stage 2: additional heat exchanger 73; stage 3: preheater 13; stage 4: LU103144
Produktgas-Wärmetauscher 26 (nicht gezeigt) und Rauchgas-Wärmetauscher 52).product gas heat exchanger 26 (not shown) and flue gas heat exchanger 52).
[0150] Nachdem das NH; erwärmt und verdampft wurde, hat es bevorzugt ein mittleres Temperaturni- veau erreicht (<300°C).[0150] After the NH3 has been heated and vaporized, it has preferably reached an intermediate temperature level (<300°C).
[0151] Erfindungsgemäß bevorzugt erfolgt anschließend ein weitere Aufheizen von NH; auf ein hohes[0151] According to the invention, NH is then preferably further heated to a high
Temperaturniveau (>300°C) durch Aufnahme von Wärme aus Rauchgas und/oder Produktgas. Dazu wird in mindestens einem Wärmetauscher Wärme aus dem Produktgas in Strömungsrichtung des Pro- duktgases stromabwärts der NH;-Zersetzungseinrichtung und/oder aus dem Rauchgas in Strömungs- richtung des Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung aufgenommen.Temperature level (>300°C) by absorbing heat from flue gas and/or product gas. For this purpose, heat is absorbed in at least one heat exchanger from the product gas in the flow direction of the product gas downstream of the NH3 decomposition device and/or from the flue gas in the flow direction of the flue gas downstream of the combustion device.
[0152] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erfolgt das weitere Aufheizen von NH; zu- nächst durch Aufnahme von Wärme aus dem Produktgas in einem dafür vorgesehen und verschalteten ersten Wärmetauscher. Der erste Wärmetauscher ist bevorzugt in Strömungsrichtung des Produktgases stromabwärts der NH;-Zersetzungseinrichtung angeordnet und wird einerseits von dem heißen Produkt- gas und andererseits von dem weiter zu erwärmenden NH; durchströmt. Aus dem Produktgas rückge- wonnene Wärme wird so zur weiteren Aufheizung von NH; genutzt (vgl. Abbildungen 8 und 9, Wär- metauscher 20).[0152] In preferred embodiments of the invention, the further heating of NH; is initially carried out by absorbing heat from the product gas in a first heat exchanger provided and connected for this purpose. The first heat exchanger is preferably arranged in the flow direction of the product gas downstream of the NH; decomposition device and is flowed through on the one hand by the hot product gas and on the other hand by the NH; to be further heated. Heat recovered from the product gas is thus used for further heating of NH; (cf. Figures 8 and 9, heat exchanger 20).
[0153] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erfolgt das weitere Aufheizen von NH; al- ternativ oder anschließend durch Aufnahme von Wärme aus dem Rauchgas in einem dafür vorgesehen und verschalteten zweiten Wärmetauscher. Der zweite Wärmetauscher ist bevorzugt in Strömungsrich- tung des Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung angeordnet und wird einerseits von dem heißen Rauchgas und andererseits von dem weiter zu erwärmenden NH; durchströmt. Aus dem[0153] In preferred embodiments of the invention, the further heating of NH; takes place alternatively or subsequently by absorbing heat from the flue gas in a second heat exchanger provided and connected for this purpose. The second heat exchanger is preferably arranged in the flow direction of the flue gas downstream of the combustion device and is flowed through on the one hand by the hot flue gas and on the other hand by the NH; to be further heated. From the
Rauchgas rückgewonnene Wärme wird so zur weiteren Aufheizung von NH; genutzt (vgl. Abbildungen 8 und 9, Wärmetauscher 22).Heat recovered from flue gas is used for further heating of NH; (see Figures 8 and 9, heat exchanger 22).
NH; - katalytische ZersetzungNH; - catalytic decomposition
[0154] Die erfindungsgemäße katalytische Zersetzung von NH; ist die eigentliche Reaktion zur Bil- dung des H,, welche grundsätzlich thermisch abläuft, jedoch durch den Einsatz eines NH;-Zersetzungs- katalysators beschleunigt wird. Die katalytische Zersetzung von NH; kann erfindungsgemäß bei ver- schiedenen Bedingungen unter Einsatz verschiedener NHz-Zersetzungskatalysatoren und mit verschie- denen Verschaltungen mit unterschiedlichen Reaktortypen durchgeführt werden.[0154] The catalytic decomposition of NH; according to the invention is the actual reaction for the formation of H,, which basically takes place thermally, but is accelerated by the use of an NH; decomposition catalyst. The catalytic decomposition of NH; can be carried out according to the invention under different conditions using different NH2 decomposition catalysts and with different connections with different reactor types.
[0155] Erfindungsgemäß erfolgt die katalytische Zersetzung von NH; bevorzugt durch Zufuhr von[0155] According to the invention, the catalytic decomposition of NH is preferably carried out by supplying
Wärme in Gegenwart eines NH;-Zersetzungskatalysators. Wichtige Parameter für die katalytische Zer- setzung von NH; sind die Art des NH;-Zersetzungskatalysators, die Reaktionstemperatur sowie die Re- aktionsdruck.Heat in the presence of an NH; decomposition catalyst. Important parameters for the catalytic decomposition of NH; are the type of NH; decomposition catalyst, the reaction temperature and the reaction pressure.
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[0156] Als NHz-Zersetzungskatalysator kommen erfindungsgemäß verschiedene Materialien in Be- LU103144 tracht. Die Reaktionstemperatur, bei der die katalytische Zersetzung von NH; abläuft, ist insbesondere durch die Wahl des NH;-Zersetzungskatalysators vorgegeben.[0156] According to the invention, various materials can be considered as NH 2 decomposition catalyst. 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.
[0157] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Nickel-basierter NHz-Zersetzungs- katalysator eingesetzt. Die Reaktionstemperatur und der Reaktionsdruck bestimmen den Gleichgewicht- sumsatz. Bei 900°C und 20 bar Druck verläuft die Zersetzung von NH; beinahe quantitativ. Bei 650°C beträgt der Umsatz an NH; etwa 98,5%, bei 500°C nur noch etwa 95%. Erfindungsgemäß werden be- vorzugt 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[0157] In preferred embodiments of the invention, a nickel-based NH 2 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
Umsatz liegen optimale Reaktionstemperaturen im Bereich von etwa 630°C bis 640°C. Nickel-basierteOptimum reaction temperatures are in the range of about 630°C to 640°C. Nickel-based
NH;-Zersetzungskatalysatoren sind trotz der vergleichsweise hohen Reaktionstemperatur vorteilhaft.NH; decomposition catalysts are advantageous despite the comparatively high reaction temperature.
Wegen des hohen Umsatzes ist der verbleidende Restgehalt an nicht zersetztem NH; im Produktgas vergleichsweise gering, so dass bevorzugt auf eine separate Abscheidung von nicht zersetztem NH; für dessen Rückgewinnung verzichtet wird. Stattdessen erfolgt dann die gemeinsame Abscheidung von N, und nicht zersetztem NH; aus dem Produktgas durch Druckwechseladsorption im Zuge der Aufreini- gung von H, zusammengefasst werden.Due to the high conversion, the remaining content of non-decomposed NH; in the product gas is comparatively low, so that separate separation of non-decomposed NH; for its recovery is preferably avoided. Instead, N, and non-decomposed NH; are separated together from the product gas by pressure swing adsorption during the purification of H,.
[0158] Bevorzugt umfasst der NHz-Zersetzungskatalysator geträgertes Nickel. Bevorzugte Trägerma- terialien sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al,O;, MgO, S10,, mesoporôses S10, (z.B.[0158] Preferably, the NH 2 decomposition catalyst comprises supported nickel. Preferred support materials are selected from the group consisting of Al 2 O 3 , MgO, S 10 , mesoporous S 10 , (e.g.
MCF-17, MCM-41, SBA-15), Zeolith (z.B. HY, H-ZSM-5), BaMnQ;, BaTiO;, BaZrO;, CaMnOs, Ca-MCF-17, MCM-41, SBA-15), zeolite (e.g. HY, H-ZSM-5), BaMnQ;, BaTiO;, BaZrO;, CaMnOs, Ca-
TiO;, CaZrO;, CeO,, Gd,O;, GdAIO;, KNbO;, La,0;, LaAlO;, MnO,, NaNbO;, Nb,0;, Sm,0;,TiO;, CaZrO;, CeO,, Gd,O;, GdAIO;, KNbO;, La,0;, LaAlO;, MnO,, NaNbO;, Nb,0;, Sm,0;,
SmAIO;, SrMnOs, SrTi0;, SrZrO;, TiO,, Y,0;, ZrO,, Kohlenstoff (z.B. CNTs, SWCNTs, AX-21,SmAIO;, SrMnOs, SrTi0;, SrZrO;, TiO,, Y,0;, ZrO,, carbon (e.g. CNTs, SWCNTs, AX-21,
MSC-30, MESO-C, GNP, Aktivkohle, Graphen, Graphenoxid), Attapulgit, Hydrocalumit, Sepiolit, undMSC-30, MESO-C, GNP, activated carbon, graphene, graphene oxide), attapulgite, hydrocalumite, sepiolite, and
Mischungen daraus.mixtures thereof.
[0159] In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Ruthenium-basierter NHz-[0159] In other preferred embodiments of the invention, a ruthenium-based NHz
Zersetzungskatalysator eingesetzt. Dafür werden erfindungsgemäß bevorzugt Reaktionstemperaturen im Bereich von etwa 450°C bis etwa 500°C eingestellt, wobei allerdings etwas geringere Umsätze von beispielsweise etwa 95% erzielbar sind, so dass der verbleidende Restgehalt an nicht zersetztem NH; im Produktgas größer ist.Decomposition catalyst is used. For this purpose, according to the invention, reaction temperatures in the range from about 450°C to about 500°C are preferably set, although somewhat lower conversions of, for example, about 95% can be achieved, so that the remaining residual content of non-decomposed NH; in the product gas is greater.
[0160] Alternativ können gegebenenfalls auch andere NH;-Zersetzungskatalysatoren bei noch niedri- geren Reaktionstemperaturen eingesetzt werden. Je niedriger die Reaktionstemperatur ist, desto niedri- ger ist der Umsatz und desto mehr nicht zersetztes NH; muss aus dem Produktgas abgeschieden und zurückgeführt werden.[0160] Alternatively, other NH; decomposition catalysts can optionally be used at even lower reaction temperatures. The lower the reaction temperature, the lower the conversion and the more non-decomposed NH; must be separated from the product gas and recycled.
[0161] Der Reaktionsdruck beträgt erfindungsgemäß bevorzugt etwa 15 bar a bis etwa 25 bar a. Die[0161] According to the invention, the reaction pressure is preferably about 15 bar a to about 25 bar a. The
Stôchiometrie der Reaktion (2 NH; — N> + 3 H;) erhöht das Volumen, weshalb sich ein erhöhter Reak- tionsdruck grundsätzlich negativ auf den Umsatz auswirkt. Andererseits ist es sinnvoll, den Gesamtpro-The stoichiometry of the reaction (2 NH; — N> + 3 H;) increases the volume, which is why an increased reaction pressure generally has a negative effect on the conversion. On the other hand, it is useful to increase the overall process
230088P00LU zess bei höheren Drücken zu betreiben, um das Behältervolumen und damit die Investitionskosten zu LU103144 begrenzen. Bei einem Reaktionsdruck von nur 1 bar könnten bei Reaktionstemperaturen ab 400°C Um- sätze von mehr als 99% erreicht werden. Da ein Reaktionsdruck von 1 bar jedoch nur für Kleinstanlagen sinnvoll ist, wird die erfindungsgemäße Anlage bevorzugt bei höherem Reaktionsdruck betrieben, auch wenn dadurch eine gewisse Einbuße an Umsatz in Kauf genommen werden muss.230088P00LU process at higher pressures in order to limit the container volume and thus the investment costs. With a reaction pressure of only 1 bar, conversions of more than 99% could be achieved at reaction temperatures of 400°C and above. However, since a reaction pressure of 1 bar only makes sense 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 must be accepted.
[0162] Der Reaktionsdruck ist insbesondere vorgegeben durch die Ausführung der Aufreinigung von[0162] The reaction pressure is particularly determined by the execution of the purification of
H,. Die erfindungsgemäß bevorzugte Druckwechselabsorption (PSA) zur Aufreinigung von H, kann erfindungsgemäß bevorzugt bei einem Druck im Bereich von etwa 15 bar bis etwa 25 bar effektiv be- trieben werden. Bevorzugt liegt der Druck des Produktgases beim Verlassen der NH;-Zersetzungsein- richtung 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 zwi- schen den Anforderungen der Druckwechseladsorption einerseits und dem erzielten Umsatz anderer- seits.H,. The pressure swing absorption (PSA) preferred according to the invention for purifying H, 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 NH; 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.
[0163] Die Zersetzung von NH; kann grundsätzlich in unterschiedlichen Reaktortypen ablaufen.[0163] The decomposition of NH3 can basically take place in different reactor types.
[0164] Bei adiabater Reaktionsführung wird die innere Wärme des Reaktionsgases als Energiequelle für die Reaktion verwendet. Geeignete Reaktoren dafür sind autotherme Reformer und Sekundärrefor- mer, welche mit interner Energieerzeugung arbeiten. Dem Prozessgas wird Verbrennungsluft zugefügt und ein Teil des Reaktionsgases wird verbrannt, um die Temperatur so zu erhöhen, dass am Reakto- raustritt die gewünschte Temperatur herrscht. Nachteilig ist die Anwesenheit des bei der Verbrennung entstehenden Wassers im Prozessgas, das durch Kondensation entfernt werden muss. Ein Teil des nicht zersetzten NH; löst sich dann im kondensierten Wasser und geht verloren. Außerdem führen die hohen[0164] 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 a portion of the reaction gas is burned in order to increase the temperature so that the desired temperature prevails at the reactor outlet. A disadvantage is the presence of water in the process gas that is produced during combustion and which must be removed by condensation. A portion of the non-decomposed NH; then dissolves in the condensed water and is lost. In addition, the high
Temperaturen zur Bildung erheblicher Mengen an Stickoxiden.temperatures to form significant amounts of nitrogen oxides.
[0165] Erfindungsgemäß werden diese Nachteile vermieden, indem das Produktgas physikalisch von dem Verbrennungsgas und dem daraus gebildeten Rauchgas getrennt ist. Das Produktgas wird in der erfindungsgemäßen NH;-Zersetzungseinrichtung durch Zersetzung von NH; gebildet und verlässt die[0165] According to the invention, these disadvantages are avoided by physically separating the product gas from the combustion gas and the flue gas formed therefrom. The product gas is formed in the NH; decomposition device according to the invention by decomposition of NH; and leaves the
NH;-Zersetzungseinrichtung über einen eigenen Auslass. Das Verbrennungsgas wird zusammen mitNH; decomposition device has its own outlet. The combustion gas is discharged together with
Verbrennungsluft in der Verbrennungseinrichtung verbrannt und das dabei gebildete Rauchgas verlässt die Verbrennungseinrichtung ebenfalls über einen eigenen Auslass, vorzugsweise in einen Rauchgaska- nal. Produktgas und Rauchgas werden nicht miteinander vermischt, sondern bleiben physikalisch von- einander getrennt. Bei der Verbrennung des Verbrennungsgases gebildete Verbrennungswärme strömt als Wärmestrom in die NH;-Zersetzungseinrichtung und liefert so die erforderliche Wärme für die Auf- rechterhaltung der endothermen Zersetzung von NHz.Combustion air is burned 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 duct. 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 NH; decomposition device and thus supplies the heat required to maintain the endothermic decomposition of NH3.
[0166] Bevorzugt wird die katalytische Zersetzung von NH; isotherm, quasi-isotherm oder in einer[0166] Preference is given to the catalytic decomposition of NH; isothermal, quasi-isothermal or in a
Mischform von isothermer und adiabater Prozessführung durchgeführt. Bei isothermer Reaktionsfüh- rung bleibt die Temperatur des Gases weitgehend unverändert.A mixed form of isothermal and adiabatic process control is used. In isothermal reaction control, the temperature of the gas remains largely unchanged.
230088P00LU230088P00LU
[0167] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die katalytische Zersetzung von NH; LU103144 in einem Reaktor analog einem Primärreformer. Dazu umfasst der Reaktor sowohl die erfindungsge- mäße NH;-Zersetzungseinrichtung als auch die erfindungsgemäße Verbrennungseinrichtung.[0167] In preferred embodiments of the invention, the catalytic decomposition of NH; LU103144 takes place in a reactor analogous to a primary reformer. For this purpose, the reactor comprises both the NH; decomposition device according to the invention and the combustion device according to the invention.
[0168] Der NH;-Zersetzungskatalysator ist dazu bevorzugt in mindestens einem von NH; durchström- ten Rohr angeordnet, bevorzugter mindestens zwei Rohren, noch bevorzugter mindestens drei Rohren (NH;-Zersetzungseinrichtung). Das mindestens eine Rohr enthält den NH;-Zersetzungskatalysator. Das mindestens eine Rohr wird bevorzugt von oben nach unten mit NH; durchströmt. In einer physikalisch getrennten Brennkammer wird bevorzugt als Verbrennungsgas ein Gemisch aus NH; und H, zusammen mit Verbrennungsluft verbrannt (Verbrennungseinrichtung). Der bei der katalytischen Zersetzung von[0168] For this purpose, the NH; decomposition catalyst is preferably arranged in at least one tube through which NH; flows, more preferably at least two tubes, even more preferably at least three tubes (NH; decomposition device). The at least one tube contains the NH; decomposition catalyst. The at least one tube is preferably flowed through from top to bottom with NH;. In a physically separate combustion chamber, a mixture of NH; and H, is preferably burned together with combustion air as combustion gas (combustion device). The gas produced during the catalytic decomposition of
NH; neben H, gebildete N, ist inert und dient als zusätzlicher Wärmeträger. Die durch den Verbren- nungsprozess in der Brennkammer der Verbrennungseinrichtung erzeugte Verbrennungswärme wird zur Aufheizung der NH;-Zersetzungseinrichtung genutzt, bevorzugt des Rohrs bzw. der Rohre, durch die das zu zersetzende NH; hindurchgeleitet wird. Dazu wird ein Wärmestrom von der Verbrennungs- einrichtung in die NH;-Zersetzungseinrichtung geleitet.NH; N, formed in addition to H, 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 NH; decomposition device, preferably the pipe or pipes through which the NH; to be decomposed is passed. For this purpose, a heat flow is passed from the combustion device into the NH; decomposition device.
[0169] In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird NH; vor Eintritt in die erfin- dungsgemäße NH;-Zersetzungseinrichtung vorgeheizt. Durch diese Vorheizung beträgt die Temperatur des NH; vor Eintritt in die erfindungsgemäße NH;-Zersetzungseinrichtung bevorzugt mindestens etwa 600°C, bevorzugt mindestens etwa 630°C. Die Temperatur des NH; beträgt bevorzugt höchstens etwa 850°C, bevorzugter höchstens etwa 820°C. Besonders bevorzugt beträgt die Temperatur des NH; bei[0169] In particularly preferred embodiments of the invention, NH; is preheated before entering the NH; decomposition device according to the invention. As a result of this preheating, the temperature of the NH; before entering the NH; decomposition device according to the invention is preferably at least about 600°C, preferably at least about 630°C. The temperature of the NH; is preferably at most about 850°C, more preferably at most about 820°C. The temperature of the NH; is particularly preferably at
Eintritt in die erfindungsgemäße NH;-Zersetzungseinrichtung etwa 780°C bis 820°C, bevorzugt etwa 800°C. Dabei bilden die erfindungsgemäße NH;-Zersetzungseinrichtung sowie die erfindungsgemäßeEntry into the NH; decomposition device according to the invention is about 780°C to 820°C, preferably about 800°C. The NH; decomposition device according to the invention and the
Verbrennungseinrichtung bevorzugt einen analog einem Primärreformer ausgeführten Reaktor. Bevor- zugt ist der NH;-Zersetzungskatalysator Nickel-basiert. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt dieThe combustion device preferably comprises a reactor designed analogously to a primary reformer. The NH; decomposition catalyst is preferably nickel-based. In preferred embodiments, the
Reaktionstemperatur in der NH;-Zersetzungseinrichtung, bevorzugt in dem mindestens einen Rohr, wel- ches den NH;-Zersetzungskatalysator enthält und durch welches das NH; geleitet wird, bevorzugt etwa 630°C bis etwa 670°C, vorzugsweise etwa 650°C. In anderen bevorzugten Ausführungsformen beträgt diese Temperatur etwa 660°C bis 700°C, vorzugsweise etwa 680°C. Das Produktgas verlässt den Reak- tor (die NH;-Zersetzungseinrichtung) bevorzugt bei einem Druck von etwa 15 bar a bis etwa 25 bar a, vorzugsweise etwa 20 bar a.Reaction temperature in the NH; decomposition device, preferably in the at least one tube which contains the NH; decomposition catalyst and through which the NH; is passed, is preferably about 630°C to about 670°C, preferably about 650°C. In other preferred embodiments, this temperature is about 660°C to 700°C, preferably about 680°C. The product gas leaves the reactor (the NH; decomposition device) preferably at a pressure of about 15 bar a to about 25 bar a, preferably about 20 bar a.
[0170] In weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Zersetzung von NH; zweistufig in zwei nacheinander durchströmten NH;-Zersetzungseinrichtungen (vgl. Abbil- dung 9). In einem Vorreaktor (erste NH;-Zersetzungseinrichtung) wird zunächst nur ein Teil des NH; zersetzt. Die restliche Zersetzung von NH; bis zum maximal erreichten Umsatz erfolgt dann anschlie-[0170] In further particularly preferred embodiments of the invention, the decomposition of NH; takes place in two stages in two NH; decomposition devices through which the gas flows one after the other (see Figure 9). In a pre-reactor (first NH; decomposition device), only a portion of the NH; is initially decomposed. The remaining decomposition of NH; up to the maximum conversion achieved then takes place subsequently.
Bend in einer zweiten NH;-Zersetzungseinrichtung. Bevorzugt bildet dazu die zweite NH;-Zersetzungs- einrichtung zusammen mit der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung einen vorstehend näher beschriebenen, analog einem Primärreformer ausgeführten Reaktor.Bend in a second NH; decomposition device. Preferably, the second NH; decomposition device together with the combustion device according to the invention forms a reactor, as described in more detail above, designed analogously to a primary reformer.
230088P00LU230088P00LU
[0171] Bevorzugt wird das NH; vor Einleitung in den Vorreaktor (erste NH;-Zersetzungseinrichtung) LU103144 vorgeheizt. Bevorzugt beträgt die Temperatur des NH; nach Aufheizung und bei Eintritt in den Vorre- aktor (erste NH;-Zersetzungseinrichtung) etwa 620°C bis etwa 680°C, bevorzugter etwa 650°C. Das vorgeheizte NH; tritt dann in den Vorreaktor ein, welcher NH;-Zersetzungskatalysator enthält und in dem zu einem gewissen Ausmaß eine katalytische Zersetzung von NH; zu N, und H, erfolgt. Es wird ein Zwischenproduktgas gebildet, welches noch erhebliche Restmengen an nicht zersetztem NHz, aber auch bereits gebildetes N, und H, enthält. Infolge der endothermen Zersetzung von NH; kühlt sich das[0171] Preferably, the NH; is preheated before being introduced into the pre-reactor (first NH; decomposition device) LU103144. Preferably, the temperature of the NH; after heating and upon entry into the pre-reactor (first NH; decomposition device) is about 620°C to about 680°C, more preferably about 650°C. The preheated NH; then enters the pre-reactor, which contains NH; decomposition catalyst and in which a catalytic decomposition of NH; to N, and H, takes place to a certain extent. An intermediate product gas is formed, which still contains considerable residual amounts of non-decomposed NH;, but also already formed N, and H,. As a result of the endothermic decomposition of NH;, the
Zwischenproduktgas bevorzugt ab.Intermediate gas preferentially escapes.
[0172] Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH; im Vorreaktor höchstens 25%, bevorzugter höchstens 20% des insgesamt erreichten Gesamtumsatzes.[0172] Preferably, the conversion of decomposed NH in the pre-reactor is at most 25%, more preferably at most 20% of the total conversion achieved.
[0173] Bevorzugt beträgt der Umsatz von zersetztem NH; im Vorreaktor mindestens 10%, bevorzugter mindestens 15% des insgesamt erreichten Gesamtumsatzes.[0173] Preferably, the conversion of decomposed NH in the pre-reactor is at least 10%, more preferably at least 15% of the total conversion achieved.
[0174] Nach Verlassen des Vorreaktors wird das Zwischenproduktgas bevorzugt erneut aufgeheizt, ehe es in die nachgeschaltete, zweite NH;-Zersetzungseinrichtung eintritt. Bevorzugt beträgt die Temperatur des Zwischenproduktgases nach erneuter Aufheizung und bei Eintritt in die zweite NH;-Zersetzungs- einrichtung etwa 620°C bis etwa 680°C, bevorzugter etwa 650°C. In der zweiten NH;-Zersetzungsein- richtung erfolgt dann die restliche Zersetzung von NH; bis zum insgesamt erreichten Gesamtumsatz.[0174] After leaving the pre-reactor, the intermediate product gas is preferably heated again before it enters the downstream, second NH; decomposition device. The temperature of the intermediate product gas after renewed heating and upon entry into the second NH; decomposition device is preferably about 620°C to about 680°C, more preferably about 650°C. The remaining decomposition of NH; then takes place in the second NH; decomposition device until the total conversion is achieved.
[0175] Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann bei gleichem Gesamtumsatz die[0175] In this preferred embodiment of the invention, with the same total conversion, the
Temperatur des Zwischenproduktgases bei Eintritt in den Vorreaktor (erste NH;-Zersetzungseinrich- tung) und bei Eintritt in die zweite NH;-Zersetzungseinrichtung jeweils niedriger sein als die Tempera- tur des NH; bei einstufiger Zersetzung von NHz, wenn also nur eine einzelne NH;-Zersetzungseinrich- tung durchströmt wird. Wegen der niedrigeren Temperatur kommt es in geringerem Maße zu Nitrierun- gen der Rohrleitungen, wodurch die Lebensdauer des Stahls erhöht wird, der mit NH; im Kontakt kommt.Temperature of the intermediate product gas when entering the pre-reactor (first NH; decomposition device) and when entering the second NH; decomposition device should be lower than the temperature of the NH; in single-stage decomposition of NH;, i.e. when only a single NH; decomposition device is flowing through. Due to the lower temperature, nitriding of the pipes occurs to a lesser extent, which increases the service life of the steel that comes into contact with NH;.
[0176] Der NH;-Zersetzungskatalysator in der ersten NH;-Zersetzungseinrichtung (Vorreaktor) ist be- vorzugt der gleiche wie in der zweiten NH;-Zersetzungseinrichtung.[0176] The NH3 decomposition catalyst in the first NH3 decomposition device (pre-reactor) is preferably the same as in the second NH3 decomposition device.
Verbrennungsgascombustion gas
[0177] Erfindungsgemäß wird Wärme durch Verbrennung eines Verbrennungsgases in einer Verbren- nungseinrichtung bereitgestellt. Die Verbrennungseinrichtung weist dafür bevorzugt einen oder mehrere[0177] According to the invention, heat is provided by combustion of a combustion gas in a combustion device. The combustion device preferably has one or more
Brenner auf, bevorzugt mindestens zwei Brenner, bevorzugter mindestens drei Brenner.burners, preferably at least two burners, more preferably at least three burners.
[0178] Das Verbrennungsgas enthält bevorzugt NH;. Die erfindungsgemäße Verbrennungseinrichtung ist daher bevorzugt eine NH;-Verbrennungseinrichtung.[0178] The combustion gas preferably contains NH;. The combustion device according to the invention is therefore preferably an NH; combustion device.
[0179] Das Verbrennungsgas enthält bevorzugt eine Mischung aus H, und NHz, da diese Mischung eine mittlere Flammtemperatur erzeugt und bessere Verbrennungseigenschaften als reines NH; auf-[0179] The combustion gas preferably contains a mixture of H, and NH2, since this mixture produces a medium flame temperature and has better combustion properties than pure NH;
230088P00LU weist. Durch ein geeignetes Mischungsverhältnis von H, und NH; wird zudem weniger Stickoxid gebil- LU103144 det als in Abwesenheit von H,.230088P00LU. By using a suitable mixing ratio of H, and NH;, less nitrogen oxide is formed than in the absence of H,.
Verbrennungsluftcombustion air
[0180] Bevorzugt wird der Verbrennungseinrichtung (Brennkammer des Reaktors) Verbrennungsluft zugeführt, welche bevorzugt zuvor in wenigstens einem Wärmetauscher vorgewärmt wird. Bevorzugt ist dieser wenigstens eine Wärmetauscher im Rauchgaskanal angeordnet, wobei die Verbrennungsluft[0180] Preferably, the combustion device (combustion chamber of the reactor) is supplied with combustion air, which is preferably preheated beforehand in at least one heat exchanger. Preferably, this at least one heat exchanger is arranged in the flue gas channel, wherein the combustion air
Wärme aus dem Rauchgas aufnimmt. Somit kann überschüssige Wärme im Rauchgas für die Vorwär- mung der Verbrennungsluft genutzt werden (vgl. Abbildungen 8 und 9, Wärmetauscher 43 oder Wär- metauscher 45).absorbs heat from the flue gas. Excess heat in the flue gas can thus be used to preheat the combustion air (see Figures 8 and 9, heat exchanger 43 or heat exchanger 45).
[0181] Bevorzugt wird die Verbrennungsluft in wenigstens zwei Wärmetauschern vorgewärmt. Bevor- zugt sind diese wenigstens zwei Wärmetauscher beide im Rauchgaskanal angeordnet, wobei die Ver- brennungsluft jeweils Wärme aus dem Rauchgas aufnimmt. In bevorzugten Ausführungsformen der[0181] Preferably, the combustion air is preheated in at least two heat exchangers. Preferably, these at least two heat exchangers are both arranged in the flue gas channel, whereby the combustion air absorbs heat from the flue gas. In preferred embodiments of the
Erfindung ist ein erster Wärmetauscher im Rauchgaskanal in Strömungsrichtung des Rauchgases strom- abwärts des Rauchgas-Wärmetauschers angeordnet und dient bevorzugt zum Vorwärmen der Verbren- nungsluft, wobei die Verbrennungsluft Wärme aus dem Rauchgas aufnimmt (vgl. Abbildungen 8 und 9, Wärmetauscher 43). Bevorzugt ist ein zweiter Wärmetauscher im Rauchgaskanal in Strömungsrich- tung des Rauchgases stromaufwärts des Rauchgas-Wärmetauschers angeordnet und dient bevorzugt zum weiteren Erwärmen der Verbrennungsluft, wobei die Verbrennungsluft erneut Wärme aus demIn accordance with the invention, a first heat exchanger is arranged in the flue gas duct in the flow direction of the flue gas downstream of the flue gas heat exchanger and preferably serves to preheat the combustion air, whereby the combustion air absorbs heat from the flue gas (see Figures 8 and 9, heat exchanger 43). Preferably, a second heat exchanger is arranged in the flue gas duct in the flow direction of the flue gas upstream of the flue gas heat exchanger and preferably serves to further heat the combustion air, whereby the combustion air again absorbs heat from the
Rauchgas aufnimmt (vgl. Abbildungen 8 und 9, Wärmetauscher 45).absorbs flue gas (see Figures 8 and 9, heat exchanger 45).
[0182] Bevorzugt wird die Verbrennungsluft vor der Einspeisung in die Anlage über einen Filter gerei- nigt, mit einem Verdichter auf den erforderlichen Druck verdichtet und anschließend über wenigstens einen Wärmetauscher im Rauchgaskanal geleitet und erwärmt. Von dort strömt die erwärmte Verbren- nungsluft in die Verbrennungseinrichtung. Kurz vor Eintritt in die Verbrennungseinrichtung oder inner- halb der Verbrennungseinrichtung wird die Verbrennungsluft mit dem Verbrennungsgas (bevorzugt[0182] 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 at least one 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; im Gemisch mit H,) vermischt.NH; in a mixture with H,).
Produktgas - nach der katalytischen Zersetzung bis vor Aufreinigung von H,Product gas - after catalytic decomposition until purification of H,
[0183] Das Produktgas verlässt die NH;-Zersetzungseinrichtung bei hoher Temperatur. Um die in dem[0183] The product gas leaves the NH; decomposition device at high temperature. In order to
Produktgas enthaltene Wärme zu nutzen, ist in Stromungsrichtung des Produktgases stromabwärts derTo utilize the heat contained in the product gas, the heat exchanger is located downstream of the
NH;-Zersetzungseinrichtung bevorzugt mindestens ein Wärmetauscher angeordnet, der vom Produktgas durchstromt wird, ehe das Produktgas einer Aufreinigung von H, zugeführt wird. Bevorzugt werden mindestens zwei Wärmetauscher, bevorzugter wenigstens drei Wärmetauscher, noch bevorzugter we- nigstens vier Wärmetauscher vom Produktgas durchströmt, ehe das Produktgas einer Aufreinigung vonPreferably, at least one heat exchanger is arranged in the NH; decomposition device, through which the product gas flows before the product gas is supplied to a purification of H,. Preferably, at least two heat exchangers, more preferably at least three heat exchangers, even more preferably at least four heat exchangers are flowed through by the product gas before the product gas is supplied to a purification of H,
H, zugeführt wird.H, is supplied.
[0184] Bevorzugt liegt die Temperatur des Produktgases beim Austritt aus der NH;-Zersetzungsein- richtung im Bereich von etwa 650+100°C, bevorzugter etwa 650+50°C.[0184] Preferably, the temperature of the product gas on exiting the NH3 decomposition device is in the range of about 650+100°C, more preferably about 650+50°C.
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[0185] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des Produktgases stromabwärts der NH;-Zersetzungsein- LU103144 richtung ein Produktgas-Wärmetauscher als Teil einer H,O-Verdampfungseinrichtung angeordnet. So können Wasserstoffversprodungen vermieden werden. Der Produktgas-Wärmetauscher steht bevorzugt mit einer Wasserdampftrommel in Wirkverbindung. Die H,0-Verdampfungseinrichtung umfasst somit bevorzugt den Produktgas-Wärmetauscher und die Wasserdampftrommel. Dabei wird bevorzugt[0185] Preferably, a product gas heat exchanger is arranged as part of an H,O evaporation device downstream of the NH; decomposition device in the flow direction of the product gas. In this way, hydrogen embrittlement can be avoided. The product gas heat exchanger is preferably in operative connection with a steam drum. The H,O evaporation device thus preferably comprises the product gas heat exchanger and the steam drum. In this case, preference is given to
Wärme, welche in dem heißen Produktgas enthalten ist, welches die NH;-Zersetzungseinrichtung ver- lässt, durch Wasser in dem Produktgas-Wärmetauscher aufgenommen und dazu genutzt, Wasserdampf in der Wasserdampftrommel zu erhitzen bzw. zu erzeugen. Die Wasserdampftrommel wird vorzugs- weise mit demineralisiertem Wasser gespeist. Der Wasserdampf wird über ein Leitungssystem in dieHeat contained in the hot product gas leaving the NH; decomposition device is absorbed by water in the product gas heat exchanger and used to heat or generate water vapor in the water vapor drum. The water vapor drum is preferably fed with demineralized water. The water vapor is fed into the
NH;-Verdampfungseinrichtung eingespeist, in der NH; Wärme aus dem Wasserdampf aufnimmt und verdampft. Nach dem Verlassen der NH;-Verdampfungseinrichtung wird das NH; anschließend weiter erwärmt und der NH;-Zersetzungseinrichtung zugeführt.NH; evaporation device, in which NH; absorbs heat from the water vapor and evaporates. After leaving the NH; evaporation device, the NH; is then further heated and fed to the NH; decomposition device.
[0186] Bevorzugt liegt die Temperatur des Produktgases beim Austritt aus dem Produktgas-Wärme- tauscher im Bereich von etwa 350+100°C, bevorzugter etwa 350+50°C.[0186] Preferably, the temperature of the product gas at the outlet from the product gas heat exchanger is in the range of about 350+100°C, more preferably about 350+50°C.
[0187] Bevorzugt ist in Strômungsrichtung des Produktgases stromabwärts des Produktgas-Wärmetau- schers (H,O-Verdampfungseinrichtung) ein weiterer Wärmetauscher angeordnet, welcher bevorzugt zum Erwärmen des NH; auf die gewünschte Temperatur am Eintritt in die NH;-Zersetzungseinrichtung oder eine noch darunter liegende Zwischentemperatur dient.[0187] Preferably, a further heat exchanger is arranged in the flow direction of the product gas downstream of the product gas heat exchanger (H2O evaporation device), which preferably serves to heat the NH3 to the desired temperature at the inlet to the NH3 decomposition device or to an intermediate temperature even lower than this.
[0188] Bevorzugt liegt die Temperatur des Produktgases beim Austritt aus dem Produktgas-Wärme- tauscher im Bereich von etwa 150+100°C, bevorzugter 150+50°C.[0188] Preferably, the temperature of the product gas at the outlet from the product gas heat exchanger is in the range of about 150+100°C, more preferably 150+50°C.
[0189] Da nach Durchströmen des Produktgases durch den Produktgas-Wärmetauscher (H,O-Ver- dampfungseinrichtung) und den weiteren Wärmetauscher die Temperatur des Prozessgasstroms bereits vergleichsweise niedrig ist, ist es bevorzugt, einen Vorwärmer für Wasser, welches in Wasserdampfer- zeugung verwendet wird, in Strömungsrichtung des Produktgases stromabwärts des Produktgas-Wär- metauschers (H,O-Verdampfungseinrichtung) und bevorzugt auch in Strömungsrichtung des Produkt- gases stromabwärts des weiteren Wärmetauschers angeordnet (vgl. Abbildungen 8 und 9: Produktgas-[0189] Since the temperature of the process gas stream is already comparatively low after the product gas has flowed through the product gas heat exchanger (H,O evaporation device) and the further heat exchanger, it is preferred to arrange a preheater for water, which is used in steam generation, in the flow direction of the product gas downstream of the product gas heat exchanger (H,O evaporation device) and preferably also in the flow direction of the product gas downstream of the further heat exchanger (cf. Figures 8 and 9: product gas
Wärmetauscher 26; weiterer Wärmetauscher 20; Vorwärmer 28).Heat exchanger 26; further heat exchanger 20; preheater 28).
[0190] Bevorzugt liegt die Temperatur des Produktgases beim Austritt aus dem Vorwärmer im Bereich von etwa 90+50°C, bevorzugter etwa 90+25°C.[0190] Preferably, the temperature of the product gas at the outlet from the preheater is in the range of about 90+50°C, more preferably about 90+25°C.
[0191] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des Produktgases, bevorzugt in Strömungsrichtung des Pro- duktgases stromabwärts des Vorwärmers für Wasser, ein zusätzlicher Wärmetauscher angeordnet, wel- cher bevorzugt zum Erwärmen von Wasser dient und das Produktgas auf die gewünschte Temperatur für eine sich bevorzugt anschließende Aufreinigung von H, bringt (vgl. Abbildung 8 und 9, Prozessküh- ler 29). Die dabei vom Wasser aufgenommene Wärme wird erfindungsgemäß bevorzugt zum Vorheizen von flüssigem NH; eingesetzt.[0191] Preferably, an additional heat exchanger is arranged in the flow direction of the product gas, preferably in the flow direction of the product gas downstream of the preheater for water, which preferably serves to heat water and brings the product gas to the desired temperature for a preferably subsequent purification of H 2 (cf. Figures 8 and 9, process cooler 29). The heat absorbed by the water in this process is preferably used according to the invention for preheating liquid NH 3 .
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[0192] Bevorzugt liegt die Temperatur des Produktgases beim Austritt aus dem zusätzlichen Wärme- LU103144 tauscher im Bereich von etwa 35415°C, bevorzugter etwa 35+10°C.[0192] Preferably, the temperature of the product gas at the outlet from the additional heat exchanger is in the range of about 35-15°C, more preferably about 35+10°C.
Produktgas - Restmengen an nicht zersetztem NH;Product gas - residual amounts of undecomposed NH;
[0193] Die erfindungsgemäß bevorzugte Rückgewinnung von NH; dient bevorzugt dazu, nicht zersetz- tes NH; aus dem Produktgas auszuscheiden und zur weiteren Nutzung als Verbrennungsgas oder wie- dergewonnenes Edukt zur Verfügung zu stellen.[0193] The recovery of NH; preferred according to the invention preferably serves to separate non-decomposed NH; from the product gas and to make it available for further use as combustion gas or recovered reactant.
[0194] NH; kann technisch auf verschiedenen Wegen abgeschieden werden, z.B. Membrantrennung,[0194] NH; can be separated technically in various ways, e.g. membrane separation,
Adsorption und Kondensation, wobei diese Verfahren jedoch hohe Drücke erfordern und daher energie- aufwändig sind.Adsorption and condensation, although these processes require high pressures and are therefore energy-intensive.
[0195] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann die Absorption von NH; in Wasser bei prozesstechnischen Drücken durchgeführt werden. Um das Gemisch von NH; und Wasser durch Rekti- fikation zu trennen, wird jedoch Wasserdampf als Energieträger benötigt. Da erfindungsgemäß das Ver- brennungsgas ebenfalls NH; umfasst, bevorzugt im Gemisch mit H,, muss zur Erzeugung des für die[0195] In preferred embodiments of the invention, the absorption of NH; in water can be carried out at process-technical pressures. In order to separate the mixture of NH; and water by rectification, however, water vapor is required as an energy carrier. Since according to the invention the combustion gas also comprises NH;, preferably in a mixture with H,, in order to generate the required
Rektifikation benötigten Wasserdampfs zusätzliches NH; bzw. H, verbrannt werden, was zu einer Re- duzierung der Gesamtausbeute an H, führt.Due to the steam required for rectification, additional NH; or H, is burned, which leads to a reduction in the overall yield of H,.
[0196] Sofern Wasserdampf nicht nur für das Erwärmen und Verdampfen von NHz, sondern auch für zusätzliche Zwecke benötigt wird, d.h. sofern ein weiterer Verbraucher von Wasserdampf vorhanden ist, beispielsweise ein Verdampfer einer NH;-Wäsche, kann es vorteilhaft sein, die Kombination aus[0196] If water vapor is required not only for heating and evaporating NH3, but also for additional purposes, i.e. if there is another consumer of water vapor, for example an evaporator of an NH3 scrubber, it may be advantageous to use the combination of
Produktgas-Wärmetauscher und Rauchgas-Wärmetauscher um einen dritten Wärmetauscher zu erwei- tern, in dem Wasser zusätzliche Wärme aus dem Produktgas oder dem Rauchgas aufnimmt.Product gas heat exchanger and flue gas heat exchanger to be expanded by a third heat exchanger in which water absorbs additional heat from the product gas or the flue gas.
[0197] In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird auf eine separate Rückgewin- nung von NH; verzichtet. Dazu werden die Reaktionsparameter so gewählt, dass ein möglichst großer[0197] In other preferred embodiments of the invention, a separate recovery of NH; is dispensed with. For this purpose, the reaction parameters are selected so that the greatest possible
Umsatz erzielt und damit die Menge des nicht zersetzten NH; im Produktgas möglichst gering gehalten wird. Allein durch eine hohe Reaktionstemperatur ist dies allerdings bei wirtschaftlicher Prozessführung kaum möglich, da die Gleichgewichtstemperatur dann bei 900°C oder sogar darüber liegen müsste. Wird auf eine separate Rückgewinnung von NH; verzichtet, so können bei Optimierung der Prozessparameter innerhalb wirtschaftlich vertretbarer Grenzen und entsprechend gutem Umsatz geringe Restmengen an nicht zersetztem NH; durch andere Maßnahmen abgetrennt werden. So erfolgt erfindungsgemäß bevor- zugt die Aufreinigung von H, aus dem Produktgas durch Druckwechseladsorption (PSA). Geringe Rest- mengen an nicht zersetztem NH; können erfindungsgemäß bevorzugt bei der Druckwechseladsorption mit abgeschieden werden, wodurch die Rückgewinnung von NH; und die Aufreinigung von H, zu einem gemeinsamen Schritt kombiniert werden.Conversion is achieved and the amount of undecomposed NH; in the product gas is kept as low as possible. However, this is hardly possible with an economical process control simply by using a high reaction temperature, since the equilibrium temperature would then have to be 900°C or even higher. If separate recovery of NH; is dispensed with, small residual amounts of undecomposed NH; can be separated by other measures if the process parameters are optimized within economically acceptable limits and the conversion is correspondingly good. For example, according to the invention, the purification of H, from the product gas is preferably carried out by pressure swing adsorption (PSA). Small residual amounts of undecomposed NH; can preferably be separated off during pressure swing adsorption, whereby the recovery of NH; and the purification of H, are combined into a single step.
Produktgas - Aufreinigung von H, und Abtrennung RestgasgemischProduct gas - purification of H, and separation of residual gas mixture
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[0198] Die Art der Aufreinigung von H, im Produktgas ist abhängig von der späteren technischen Nut- LU103144 zung des H,, welche die Anforderungen an die Qualität bestimmt. Technischer H, kann relativ unrein bleiben und beispielsweise eine Reinheit von etwa 99,7% haben. Sollte H, hingegen für die Verwendung in Brennstoffzellen vorgesehen sein, wäre eine deutliche höhere Reinheit im Bereich von beispielsweise etwa 99,96% notwendig.[0198] The type of purification of H, in the product gas depends on the subsequent technical use of the H,, which determines the quality requirements. Technical H, can remain relatively impure and, for example, have a purity of about 99.7%. If, however, H, is intended for use in fuel cells, a significantly higher purity in the range of, for example, about 99.96% would be necessary.
[0199] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird H, beispielsweise analog zur Luftzerle- gung durch partielle Kondensation aufgereinigt. Dies erfordert jedoch den Einsatz eines Verdichters, um die hohen erforderlichen Eintrittsdrücke von beispielsweise etwa 230 bar zu erzeugen. Weiterhin ist dazu eine vorgeschaltete adsorptive Trocknung notwendig, um Spuren an NH; und H,0 zu entfernen.[0199] In preferred embodiments of the invention, H is purified, for example analogously to air separation by partial condensation. However, this requires the use of a compressor in order to generate the high required inlet pressures of, for example, about 230 bar. Furthermore, upstream adsorptive drying is necessary in order to remove traces of NH 3 and H 2 O.
Weiterhin benötigt man die Trenneinheit selbst, weshalb dieses Konzept kostenintensiv in Investition und Betrieb ist.Furthermore, the separation unit itself is required, which is why this concept is cost-intensive in terms of investment and operation.
[0200] In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird H, durch Membranen aufge- reinigt. Allerdings sind H, und N, mit nur moderaten Selektivitäten und Ausbeuten voneinander zu tren- nen. Auch für eine Trennung über Membranen muss ein hoher Eintrittsdruck geschaffen werden, was den Einsatz eines Verdichters fordert.[0200] In other preferred embodiments of the invention, H 1 is purified by membranes. However, H 1 and N 1 can be separated from one another with only moderate selectivities and yields. Even for separation via membranes, a high inlet pressure must be created, which requires the use of a compressor.
[0201] Erfindungsgemäß besonders bevorzugt erfolgt wird H, durch Druckwechseladsorption (PSA) aufgereinigt. Eine adsorptive Trennung in einer Druckwechseladsorptionseinrichtung ist erfindungsge- mäß bevorzugt, u.a. weil sie bei moderaten Drücken abläuft und zusätzlich auch hohe Reinheit an H, erreicht, bei Bedarf > 99,9%, mit einer Ausbeute an H, von z.B. ca. 85%. Wie bereits erwähnt, kann die[0201] According to the invention, H, is particularly preferably purified by pressure swing adsorption (PSA). 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 additionally also achieves high purity of H,, if required > 99.9%, with a yield of H, of e.g. approx. 85%. As already mentioned, the
Druckwechseladsorption außerdem im gleichen Arbeitsschritt auch Restmengen an NH; und H,O mit abscheiden.Pressure swing adsorption also removes residual amounts of NH3 and H2O in the same step.
[0202] Dazu wird das Produktgas vor Eintritt in die Druckwechseladsorptionseinrichtung bevorzugt mit einem Prozesskühler auf die gewünschte Temperatur abgekühlt. Die entsprechende Menge an[0202] For this purpose, the product gas is preferably cooled to the desired temperature using a process cooler before entering the pressure swing adsorption device. The corresponding amount of
Wärme wird bevorzugt in dem Prozesskühler von Wasser aufgenommen (vgl. Abbildungen 8 und 9,Heat is preferentially absorbed by water in the process cooler (see Figures 8 and 9,
Prozesskühler 29). Das so erwärmte Kühlwasser wird erfindungsgemäß bevorzugt zum Vorwärmen vonProcess cooler 29). The cooling water heated in this way is preferably used according to the invention for preheating
NH; in einer Vorwärmeinrichtung eingesetzt, in der NH; Wärme aus dem Wasser aufnimmt (vgl. Ab- bildung 7, Vorwärmeinrichtung 70).NH; is used in a preheating device in which NH; absorbs heat from the water (see Figure 7, preheating device 70).
[0203] Anschließend wird das abgekühlte Produktgas bevorzugt einer Druckwechseladsorptionsein- richtung zugeführt, wo eine Auftrennung des Gasgemisches unter Druck durch Adsorption erfolgt.[0203] The cooled product gas is then preferably fed to a pressure swing adsorption device, where the gas mixture is separated under pressure by adsorption.
H, - nach der Aufreinigung bis zur LagerungH, - after purification until storage
[0204] Der dabei abgetrennte H, verlässt bevorzugt die Druckwechseladsorptionseinrichtung und wird bevorzugt mit einem H,-Verdichter auf einen erhöhten Druck gebracht. Bevorzugt durchstrômt der ver- dichtete H, anschließend einen Wärmetauscher, in welchem Kühlwasser Wärme aus dem verdichteten[0204] The H , separated in this way preferably leaves the pressure swing adsorption device and is preferably brought to an increased pressure with a H , compressor. The compressed H , then preferably flows through a heat exchanger in which cooling water extracts heat from the compressed
H, aufnimmt (vgl. Abbildungen 8 und 9, Verdichter 33 und Wärmetauscher 34).H (see Figures 8 and 9, compressor 33 and heat exchanger 34).
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[0205] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird der abgetrennte H, anschließend mit LU103144 einem zweiten H,-Verdichter auf einen weiter erhöhten Druck gebracht. Bevorzugt durchströmt der wei- ter verdichtete H, anschließend einen zweiten Wärmetauscher, in welchem ebenfalls Kühlwasser[0205] In preferred embodiments of the invention, the separated H, is then brought to a further increased pressure using a second H, compressor. Preferably, the further compressed H, then flows through a second heat exchanger in which cooling water is also
Wärme aus dem verdichteten H, aufnimmt (vgl. Abbildungen 8 und 9, Verdichter 35 und Wärmetau- scher 36).absorbs heat from the compressed H (see Figures 8 and 9, compressor 35 and heat exchanger 36).
[0206] Das so erwärmte Kühlwasser wird erfindungsgemäß bevorzugt zum Vorwärmen von NH; in einer Vorwärmeinrichtung eingesetzt, in der NH; Wärme aus dem Wasser aufnimmt (vgl. Abbildung 7,[0206] The cooling water heated in this way is preferably used according to the invention for preheating NH; in a preheating device in which NH; absorbs heat from the water (see Figure 7,
Vorwärmeinrichtung 70).preheating device 70).
[0207] Anschließend wird der verdichtete H, aus der Anlage bei einem Druck von beispielsweise etwa 70 bar abgeleitet und beispielsweise in einem geeigneten Druckgefäß gelagert oder direkt einer weiteren[0207] The compressed H , is then discharged from the plant at a pressure of, for example, about 70 bar and stored, for example, in a suitable pressure vessel or directly fed to another
Verwendung zugeführt.used.
Restgasgemischresidual gas mixture
[0208] Das nach der Aufreinigung/Abtrennung von H,, bevorzugt in der Druckwechseladsorptionsein- richtung, verbleibende Restgasgemisch enthält typischerweise N,, H,O, restliches NH; sowie H>.[0208] The residual gas mixture remaining after the purification/separation of H,, preferably in the pressure swing adsorption device, typically contains N,, H,O, residual NH; and H>.
[0209] Bevorzugt wird das Restgasgemisch der Verbrennungseinrichtung zugeführt, so dass es fiir die[0209] Preferably, the residual gas mixture is fed to the combustion device so that it is available for the
Erzeugung von Verbrennungswärme genutzt werden kann.can be used to generate combustion heat.
Rauchgasflue gas
[0210] Das Rauchgas verlässt die Verbrennungseinrichtung bei hoher Temperatur und tritt bevorzugt in einen Rauchgaskanal ein. Um die in dem Rauchgas enthaltene Wärme zu nutzen, ist in Stromungs- richtung des Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung bevorzugt mindestens ein Wärme- tauscher angeordnet, der vom Rauchgas durchstromt wird, ehe das Rauchgas an die Umgebung abgege- ben wird, z.B. über einen Kamin. Bevorzugt werden mindestens zwei Wärmetauscher, bevorzugter we- nigstens drei Wärmetauscher, noch bevorzugter wenigstens vier Wärmetauscher vom Rauchgas durch- strömt, ehe das Rauchgas an die Umgebung abgegeben wird.[0210] The flue gas leaves the combustion device at a high temperature and preferably enters a flue gas channel. In order to use the heat contained in the flue gas, at least one heat exchanger is preferably arranged in the flow direction of the flue gas downstream of the combustion device, through which the flue gas flows before the flue gas is released to the environment, e.g. via a chimney. Preferably, the flue gas flows through at least two heat exchangers, more preferably at least three heat exchangers, even more preferably at least four heat exchangers, before the flue gas is released to the environment.
[0211] In bevorzugten Ausführungsformen liegt die Temperatur des Rauchgases beim Austritt aus der[0211] In preferred embodiments, the temperature of the flue gas at the exit from the
Verbrennungseinrichtung im Bereich von etwa 850+100°C, bevorzugter etwa 850+50°C.Combustion facility in the range of about 850+100°C, more preferably about 850+50°C.
[0212] In anderen bevorzugten Ausführungsformen liegt die Temperatur des Rauchgases beim Austritt aus der Verbrennungseinrichtung im Bereich von etwa 880+100°C, bevorzugter etwa 880+50°C.[0212] In other preferred embodiments, the temperature of the flue gas exiting the combustion device is in the range of about 880+100°C, more preferably about 880+50°C.
[0213] Bevorzugt ist im Rauchgaskanal in Strömungsrichtung des Rauchgases zunächst in Strömungs- richtung des Rauchgases stromabwärts der Verbrennungseinrichtung ein erster Wärmetauscher ange- ordnet, welcher bevorzugt zum Erwärmen des NH; auf die gewünschte Temperatur am Eintritt in die[0213] Preferably, a first heat exchanger is arranged in the flue gas channel in the flow direction of the flue gas downstream of the combustion device, which is preferably used to heat the NH; to the desired temperature at the inlet into the
NH;-Zersetzungseinrichtung dient.NH; decomposition device.
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[0214] Bevorzugt liegt die Temperatur des Rauchgases beim Austritt aus dem ersten Wärmetauscher LU103144 im Bereich von etwa 700+100°C, bevorzugter etwa 700+50°C.[0214] Preferably, the temperature of the flue gas at the outlet from the first heat exchanger LU103144 is in the range of about 700+100°C, more preferably about 700+50°C.
[0215] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des Rauchgases stromabwärts des ersten Wärmetauschers ein zweiter Wärmetauscher angeordnet, welcher bevorzugt zum Erwärmen der Verbrennungsluft dient.[0215] Preferably, a second heat exchanger is arranged downstream of the first heat exchanger in the flow direction of the flue gas, which second heat exchanger preferably serves to heat the combustion air.
[0216] Bevorzugt liegt die Temperatur des Rauchgases beim Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher im Bereich von etwa 300+100°C, bevorzugter etwa 300+50°C.[0216] Preferably, the temperature of the flue gas at the outlet from the second heat exchanger is in the range of about 300+100°C, more preferably about 300+50°C.
[0217] Da nach Durchströmen des Rauchgases durch ersten Wärmetauscher und den zweiten Wärme- tauscher die Temperatur des Rauchgasstroms bereits vergleichsweise niedrig ist, ist es vorteilhaft, einen[0217] Since the temperature of the flue gas stream is already comparatively low after the flue gas has flowed through the first heat exchanger and the second heat exchanger, it is advantageous to have a
Rauchgas-Wärmetauscher für Wasser, welches zur Wasserdampferzeugung verwendet wird, in Strö- mungsrichtung des Rauchgases stromabwärts des ersten Wärmetauschers und bevorzugt auch in Strö- mungsrichtung des Rauchgases stromabwärts des zweiten Wärmetauschers angeordnet (vgl. Abbildun- gen 8 und 9: erster Wärmetauscher: Wärmetauscher 22; zweiter Wärmetauscher: Wärmetauscher 45;Flue gas heat exchanger for water, which is used to generate steam, arranged in the flow direction of the flue gas downstream of the first heat exchanger and preferably also in the flow direction of the flue gas downstream of the second heat exchanger (cf. Figures 8 and 9: first heat exchanger: heat exchanger 22; second heat exchanger: heat exchanger 45;
Rauchgas-Wärmetauscher 52).flue gas heat exchanger 52).
[0218] Der Rauchgas-Wärmetauscher steuert bevorzugt zumindest einen Teil der Wärme für die Er- zeugung von Wasserdampf bei.[0218] The flue gas heat exchanger preferably contributes at least part of the heat for the generation of water vapor.
[0219] Bevorzugt liegt die Temperatur des Rauchgases beim Austritt aus dem Rauchgas-Wärmetau- scher im Bereich von etwa 250+100°C, bevorzugter etwa 250+50°C.[0219] Preferably, the temperature of the flue gas at the outlet from the flue gas heat exchanger is in the range of about 250+100°C, more preferably about 250+50°C.
[0220] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des Rauchgases, bevorzugt in Strömungsrichtung des[0220] Preferably, in the flow direction of the flue gas, preferably in the flow direction of the
Rauchgases stromabwärts des Rauchgas-Wärmetauschers, ein zusätzlicher Wärmetauscher angeordnet, welcher bevorzugt zum Erwärmen von Verbrennungsluft dient (vgl. Abbildungen 8 und 9, Wärmetau- scher 43).Flue gas downstream of the flue gas heat exchanger, an additional heat exchanger is arranged, which preferably serves to heat combustion air (see Figures 8 and 9, heat exchanger 43).
[0221] Bevorzugt liegt die Temperatur des Rauchgases beim Austritt aus dem zusätzlichen Wärmetau- scher im Bereich von etwa 150+100°C, bevorzugter etwa 150+50°C[0221] Preferably, the temperature of the flue gas at the outlet from the additional heat exchanger is in the range of about 150+100°C, more preferably about 150+50°C
[0222] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wenn die katalytische Zersetzung des NH; zweistufig in einer ersten NH;-Zersetzungseinrichtung und einer zweiten NH;-Zersetzungseinrichtung erfolgt, ist bevorzugt in Strömungsrichtung des Rauchgases stromabwärts des ersten Wärmetauschers und bevorzugt in Strömungsrichtung des Rauchgases stromaufwärts des zweiten Wärmetauchers ein weiterer Wärmetauscher angeordnet, welcher bevorzugt zum Erwärmen des Zwischenproduktgases nach dem Verlassen der ersten NH;-Zersetzungseinrichtung (Vorreaktor) und vor Eintritt in die zweite[0222] In preferred embodiments of the invention, when the catalytic decomposition of the NH; takes place in two stages in a first NH; decomposition device and a second NH; decomposition device, a further heat exchanger is preferably arranged downstream of the first heat exchanger in the flow direction of the flue gas and preferably upstream of the second heat exchanger in the flow direction of the flue gas, which heat exchanger is preferably used to heat the intermediate product gas after leaving the first NH; decomposition device (pre-reactor) and before entering the second
NH;-Zersetzungseinrichtung (zusammen mit Verbrennungseinrichtung analog Primärreformer) dient (vgl. Abbildung 9, weiterer Wärmetauscher 67).NH; decomposition device (together with combustion device analogous to primary reformer) (see Figure 9, further heat exchanger 67).
[0223] Bevorzugt liegt die Temperatur des Rauchgases beim Austritt aus dem weiteren Wärmetauscher im Bereich von etwa 450+100°C, bevorzugter etwa 450+50°C.[0223] Preferably, the temperature of the flue gas at the outlet from the further heat exchanger is in the range of about 450+100°C, more preferably about 450+50°C.
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Wasser bzw. Wasserdampf LU103144water or water vapor LU103144
[0224] Das die Verbrennungseinrichtung verlassende Rauchgas stellt nach der katalytischen Zerset- zung des NH; und der Verdampfung des NH; die größte Energiesenke des Prozesses dar. Die Ener- gierückgewinnung aus dem Rauchgas ist dadurch eingeschränkt, dass Temperaturdifferenzen von we- niger als relativ ca. 45 K zwischen dem Rauchgas und den übrigen prozessseitigen Strömen (Edukt für die katalytische Zersetzung, Verbrennungsgas, Verbrennungsluft, Wasser für die Erzeugung von Was- serdampf) unwirtschaftlich große Wärmetauscher erfordern würden. Daher bleibt auch noch nach allen wirtschaftlich sinnvollen Schritten der prozessseitigen Wärmeintegration eine gewisse Temperaturdif- ferenz bestehen zwischen dem Rauchgas und dem Taupunkt des im Rauchgas enthaltenen Wassers.[0224] The flue gas leaving the combustion device represents the largest energy sink in the process after the catalytic decomposition of the NH; and the evaporation of the NH;. The energy recovery from the flue gas is limited by the fact that temperature differences of less than approximately 45 K between the flue gas and the other process-side streams (reactant for the catalytic decomposition, combustion gas, combustion air, water for the generation of water vapor) would require uneconomically large heat exchangers. Therefore, even after all economically viable steps of the process-side heat integration, a certain temperature difference remains between the flue gas and the dew point of the water contained in the flue gas.
[0225] Diese verbleibende Temperaturdifferenz wird erfindungsgemäß bevorzugt dazu genutzt, um er- wärmtes Kühlwasser zu erzeugen, mit dem dann NH; vorgewärmt wird.[0225] According to the invention, this remaining temperature difference is preferably used to generate heated cooling water, which is then used to preheat NH3.
[0226] Für die Vorwärmung und anschließende Verdampfung von NH; sind erfindungsgemäß insbe- sondere die folgenden fünf Konfigurationen bevorzugt:[0226] For the preheating and subsequent evaporation of NH; the following five configurations are particularly preferred according to the invention:
I. mit Wärme aus Wasserdampf und Wasserdampfkondensat, bevorzugt im Gegenstrom: 2. zusätzlich mit Wärme aus Blowdown und aus nicht verdampftem überschüssigem Kesselspeise- wasser; 3. zusätzlich mit Wärme aus Kühlwasser, jedoch ohne Nutzung von Wärme aus dem Rauchgas und ohne Nutzung von Wärme aus der H,-Verdichtung; dabei ist die Vorwärmung begrenzt durch die vorhandene Wärme, die aus dem Prozessstrom ausgeschleust und zur Erwärmung von Kühlwasser genutzt wird; 4. zusätzlich mit Wärme aus der H,-Verdichtung und aus dem Wasserdampfkondensat aus der NHz-I. with heat from steam and steam condensate, preferably in countercurrent: 2. additionally with heat from blowdown and from non-evaporated excess boiler feed water; 3. additionally with heat from cooling water, but without using heat from the flue gas and without using heat from the H, compression; the preheating is limited by the existing heat that is removed from the process stream and used to heat cooling water; 4. additionally with heat from the H, compression and from the steam condensate from the NHz
Verdampfung; und zwar zur Erzeugung von flüssigem erwärmtem Kühlwasser höherer Temperatur oder von flüssigem erwärmtem Kühlwasser niedrigerer Temperatur; dabei steht mehr Wärme im erwärmten Kühlwasser zur Verfügung, als im Prozess genutzt werden kann, so dass die Vorwär- mung des NH; durch die minimale Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser und NH; begrenzt ist; und/oder 5. zusätzlich mit Wärme aus dem Rauchgas, jedoch ohne Nutzung von Wärme aus der H,-Verdich- tung; und zwar zur Erzeugung von flüssigem erwärmtem Kühlwasser höherer Temperatur oder von flüssigem erwärmtem Kühlwasser niedrigerer Temperatur; dabei steht ebenfalls mehr Wärme im erwärmten Kühlwasser zur Verfügung, als im Prozess genutzt werden kann, so dass die Vorwär- mung des NH; durch die minimale Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser und NH; begrenzt ist.evaporation; to produce liquid heated cooling water at a higher temperature or liquid heated cooling water at a lower temperature; there is more heat available in the heated cooling water than can be used in the process, so that the preheating of the NH3 is limited by the minimum temperature difference between the cooling water and the NH3; and/or 5. additionally with heat from the flue gas, but without using heat from the H3 compression; to produce liquid heated cooling water at a higher temperature or liquid heated cooling water at a lower temperature; there is also more heat available in the heated cooling water than can be used in the process, so that the preheating of the NH3 is limited by the minimum temperature difference between the cooling water and the NH3.
[0227] Als Wasser für die Erzeugung von Wasserdampf wird bevorzugt demineralisiertes Wasser in die Anlage eingespeist.[0227] Demineralized water is preferably fed into the plant as water for the production of steam.
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[0228] Bevorzugt wird das Wasser über einen Vorwärmer vorgewärmt, welcher bevorzugt von Pro- LU103144 duktgas durchströmt wird und in dem das Wasser Wärme aus dem Produktgas aufnimmt (vgl. Abbil- dungen 8 und 9, Vorwärmer 28). In Strömungsrichtung des Produktgases ist der Vorwärmer bevorzugt stromabwärts des Produktgas-Wärmetauschers angeordnet.[0228] Preferably, the water is preheated via a preheater, through which product gas preferably flows and in which the water absorbs heat from the product gas (see Figures 8 and 9, preheater 28). In the flow direction of the product gas, the preheater is preferably arranged downstream of the product gas heat exchanger.
[0229] Bevorzugt weist das Wasser nach dem Verlassen des Vorwärmers eine Temperatur von min- destens 100°C auf, bevorzugter mindestens 110°C, noch bevorzugter mindestens 115°C.[0229] Preferably, the water after leaving the preheater has a temperature of at least 100°C, more preferably at least 110°C, even more preferably at least 115°C.
[0230] Bevorzugt sinkt die Temperatur des Wassers nachfolgend nicht mehr unter diese Temperatur von mindestens 100°C, bevorzugter mindestens 110°C, noch bevorzugter mindestens 120°C, ehe das[0230] Preferably, the temperature of the water subsequently does not fall below this temperature of at least 100°C, more preferably at least 110°C, even more preferably at least 120°C, before the
Wasser in der erfindungsgemäßen NH;-Verdampfungseinrichtung Wärme an NH; zu dessen Verdamp- fung abgibt.Water in the NH; evaporation device according to the invention releases heat to NH; for its evaporation.
[0231] Bevorzugt werden Luft und andere im Wasser gelöste Gase ın einem Entgaser entfernt.[0231] Preferably, air and other gases dissolved in the water are removed in a degasser.
[0232] Bevorzugt wird das Wasser anschließend durch den Rauchgas-Wärmetauscher geleitet und er- hitzt. Der Rauchgas-Wärmetauscher kühlt die Rauchgase aus der Verbrennungseinrichtung im Rauch- gaskanal ab, wobei im Rauchgas enthaltene Wärme zum Erwärmen des Wasserdampfs genutzt wird.[0232] Preferably, the water is then passed through the flue gas heat exchanger and heated. The flue gas heat exchanger cools the flue gases from the combustion device in the flue gas channel, whereby the heat contained in the flue gas is used to heat the water vapor.
[0233] Bevorzugt weist das Wasser nach dem Verlassen des Rauchgas-Wärmetauschers eine Tempe- ratur von mindestens 180°C auf, bevorzugter mindestens 200°C, noch bevorzugter mindestens 220°C.[0233] Preferably, the water after leaving the flue gas heat exchanger has a temperature of at least 180°C, more preferably at least 200°C, even more preferably at least 220°C.
[0234] Bevorzugt sinkt die Temperatur des Wassers nachfolgend nicht mehr unter diese Temperatur von mindestens 180°C, bevorzugter mindestens 200°C, noch bevorzugter mindestens 220°C, ehe das[0234] Preferably, the temperature of the water subsequently does not fall below this temperature of at least 180°C, more preferably at least 200°C, even more preferably at least 220°C, before the
Wasser in der erfindungsgemäßen NH;-Verdampfungseinrichtung Wärme an NH; zu dessen Verdamp- fung abgibt.Water in the NH; evaporation device according to the invention releases heat to NH; for its evaporation.
[0235] Ein Fachmann erkennt, dass das Wasser je nach Temperatur und herrschenden Druckverhält- nissen flüssig, gasförmig (d.h. als Wasserdampf) oder als Zweiphasensystem vorliegen kann.[0235] A person skilled in the art will recognize that, depending on the temperature and prevailing pressure conditions, the water can be in liquid, gaseous (i.e. as water vapor) or as a two-phase system.
[0236] Der Wasserdampf wird anschließend bevorzugt in eine Wasserdampftrommel geleitet (vgl. Ab- bildungen 1-9, Wasserdampftrommel 60).[0236] The steam is then preferably passed into a steam drum (see Figures 1-9, steam drum 60).
[0237] Aus der Wasserdampftrommel wird das Wasser bevorzugt durch den Produktgas-Wärmetau- scher geleitet und dadurch weitere Wärme aufnehmen, um anschließend bevorzugt zur Wasserdampf- trommel zurückgeführt zu werden. Der Produktgas-Wärmetauscher ist in Strömungsrichtung des Pro- duktgases stromabwärts der NHz-Zersetzungseinrichtung angeordnet und dient zur Abkühlung des Pro- duktgases nach dem Verlassen der NH;-Zersetzungseinrichtung, wobei im Produktgas enthaltene[0237] From the steam drum, the water is preferably passed through the product gas heat exchanger and thereby absorbs further heat in order to then preferably be returned to the steam drum. The product gas heat exchanger is arranged in the flow direction of the product gas downstream of the NH3 decomposition device and serves to cool the product gas after leaving the NH3 decomposition device, wherein the heat contained in the product gas
Wärme ebenfalls zum Erwärmen des Wasserdampfs genutzt wird.Heat is also used to heat the water vapor.
[0238] Der heiße Wasserdampf verlässt bevorzugt die Wasserdampftrommel und wird bevorzugt in die[0238] The hot steam preferentially leaves the steam drum and is preferably fed into the
NH;-Verdampfungseinrichtung eingeleitet. Durch die Kondensation des Wasserdampfes wird Wärme gewonnen, um das vorgeheizte NH; zu verdampfen. Nach dem Durchströmen der NH;-Verdampfungs-NH;-evaporation device. Heat is gained through the condensation of the water vapor in order to evaporate the preheated NH;. After flowing through the NH;-evaporation
230088P00LU einrichtung wird das Wasserdampfkondensat bevorzugt dem Vorwärmer zugeführt, der dazu dient, das LU103144230088P00LU device, the water vapor condensate is preferably fed to the preheater, which serves to LU103144
NH; vorzuwärmen, so dass die im Wasserdampf enthaltene Wärme in zwei Stufen für die Erwärmung des NH; genutzt wird. Nach dem Durchströmen des Vorwärmers kann das Wasserdampfkondensat aus der Anlage abgeleitet werden.NH; so that the heat contained in the water vapor is used in two stages to heat the NH;. After flowing through the preheater, the water vapor condensate can be drained from the system.
[0239] Bei der Erzeugung von Wasserdampf fällt bei Siedetemperatur ein flüssiger Strom an, der so- genannte "Blowdown". Der "Blowdown" wird bevorzugt dem kondensierten Wasserdampf nach dem[0239] When steam is produced, a liquid stream is produced at boiling temperature, the so-called "blowdown". The "blowdown" is preferably added to the condensed steam after the
Verlassen der NH;-Verdampfungseinrichtung und vor Eintritt in den Vorwärmer zugesetzt (Abbildung 5).Leaving the NH; evaporator and before entering the preheater (Figure 5).
[0240] Da der Prozess Wärme anbietet, ist es bevorzugt, diese Wärme zurückzugewinnen, indem mehr als die benötigte Menge an Kesselspeisewasser erzeugt wird, und diese Menge vor dem Eintritt in die[0240] Since the process provides heat, it is preferable to recover this heat by producing more than the required amount of boiler feed water and to remove this amount before entering the
H,0-Verdampfungseinrichtung abgetrennt und dem "Blowdown" zugemischt wird. Dazu wird bevor- zugt der den Rauchgas-Wärmetauscher verlassende Wasserdampf in zwei Teilströme aufgeteilt. Ein ers- ter Teilstrom wird bevorzugt in die Wasserdampftrommel eingeleitet. Ein zweiter Teilstrom umgeht bevorzugt die Wasserdampftrommel über einen Bypass und wird dem "Blowdown" zugemischt (Abbil- dung 6).H,0 evaporation device and is mixed with the "blowdown". For this purpose, the water vapor leaving the flue gas heat exchanger is preferably divided into two partial flows. A first partial flow is preferably introduced into the water vapor drum. A second partial flow preferably bypasses the water vapor drum via a bypass and is mixed with the "blowdown" (Figure 6).
[0241] Neben dem vorstehend beschriebenen Strom an Wasser bzw. Wasserdampf spielen erfindungs- gemäß bevorzugt weitere Wasserströme eine Rolle.[0241] In addition to the above-described flow of water or water vapor, other water flows preferably play a role according to the invention.
[0242] Ein solcher erfindungsgemäß bevorzugter Wasserstrom umfasst Kühlwasser, welches bevorzugt aus einem Prozesskühler in Strömungsrichtung des Produktgases stromaufwärts einer Druckwechselad- sorptionseinrichtung entnommen wird, wo es zuvor Wärme aus dem Produktgas aufgenommen hat (er- wärmtes Kühlwasser), oder aus einem Wärmetauscher eines eventuellen H,-Verdichters, wo es zuvor[0242] Such a preferred water stream according to the invention comprises cooling water, which is preferably taken from a process cooler in the flow direction of the product gas upstream of a pressure swing adsorption device, where it has previously absorbed heat from the product gas (heated cooling water), or from a heat exchanger of a possible H, compressor, where it has previously
Wärme aus verdichtetem H, aufgenommen hat (erwärmtes Kühlwasser).Heat from compressed H (heated cooling water).
[0243] Ein weiterer solcher erfindungsgemäß bevorzugter Wasserstrom umfasst Wasser, welches be- vorzugt im Kreis zirkuliert wird und welches zuvor Wärme aus dem Rauchgas aufgenommen hat, wozu bevorzugt ein zusätzlicher Wärmetauscher mit einem weitere Wärmetauscher in Wirkverbindung steht, wobei diese bevorzugt über eine Ringleitung miteinander verbunden sind, durch die das Wasser zirku- liert wird, bevorzugt mit einer Pumpe.[0243] Another such water flow preferred according to the invention comprises water which is preferably circulated in a circle and which has previously absorbed heat from the flue gas, for which purpose an additional heat exchanger is preferably in operative connection with a further heat exchanger, wherein these are preferably connected to one another via a ring line through which the water is circulated, preferably with a pump.
Beschreibung der AbbildungenDescription of the figures
[0244] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die[0244] The invention will be explained below using embodiments with reference to the
Abbildungen näher erläutert. Abbildungen 1 bis 16 zeigen jeweils anhand von Fließschemata bevorzug- ten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Anlagen, auf denen bevorzugte Ausführungsformen des er- findungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden können. Dabei zeigen Abbildungen 4, 7, 10 und 12- 16 jeweils nur einen Teil erfindungsgemäßer Ausführungsformen, welche als bevorzugte Weiterbildun- gen aller übrigen Abbildungen erfindungsgemäßen Ausführungsformen bevorzugt sind.Figures explained in more detail. Figures 1 to 16 each show, using flow diagrams, preferred embodiments of systems according to the invention on which preferred embodiments of the method according to the invention can be carried out. Figures 4, 7, 10 and 12-16 each show only a portion of embodiments according to the invention, which are preferred as preferred developments of all other figures of embodiments according to the invention.
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[0245] Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Abbildung 1 ein erstes beispielhaftes Fließschema LU103144 einer erfindungsgemäßen Anlage erläutert. Flüssiges NH; wird aus Tank 10 in NH;-Verdampfungsein- richtung 14 geleitet und darin verdampft. Die dazu erforderliche Wärme wird durch Kondensation von[0245] A first exemplary flow diagram LU103144 of a system according to the invention is explained below with reference to Figure 1. Liquid NH; is led from tank 10 into NH; evaporation device 14 and evaporated therein. The heat required for this is generated by condensation of
Wasserdampf gewonnen (siehe unten). Von der NH;-Verdampfungseinrichtung 14 strömt das ver- dampfte NH; in NH;-Zersetzungseinrichtung 24, wo die endotherme Zersetzung von NH; zu N, und H, katalysiert wird. Die für die Aufrechterhaltung der Reaktion erforderliche Wärme wird durch Verbren- nen von Verbrennungsgas (z.B. NH,/H,/Luft oder CHy/Luft) als Verbrennungswärme erzeugt und alsWater vapor is obtained (see below). From the NH; evaporation device 14, the vaporized NH; flows into the NH; decomposition device 24, where the endothermic decomposition of NH; to N, and H, is catalyzed. The heat required to maintain the reaction is generated as combustion heat by burning combustion gas (e.g. NH,/H,/air or CHy/air) and is used as
Wärmestrom von der Verbrennungseinrichtung 18 in die NH;-Zersetzungseinrichtung 24 eingebracht.Heat flow from the combustion device 18 is introduced into the NH; decomposition device 24.
Das bei der Verbrennung erhaltene Rauchgas durchstromt Rauchgas-Wärmetauscher 52, wobei imThe flue gas obtained during combustion flows through flue gas heat exchanger 52, where
Rauchgas enthaltene Wärme an Wasser abgegeben, wodurch Wasserdampf erhalten wird. Der Wasser- dampf wird nach dem Passieren des Rauchgas-Wärmetauschers 52 in Wasserdampftrommel 60 und anschließend über Leitung 63 in NH;-Verdampfungseinrichtung 14 eingeleitet. Durch die bei der Kon- densation des Wasserdampfes in NH;-Verdampfungseinrichtung 14 freigesetzte Wärme wird das NH; verdampft (siehe oben).The heat contained in the flue gas is transferred to water, whereby water vapor is obtained. After passing through the flue gas heat exchanger 52, the water vapor is introduced into the water vapor drum 60 and then via line 63 into the NH; evaporation device 14. The NH; is evaporated by the heat released during the condensation of the water vapor in the NH; evaporation device 14 (see above).
[0246] Abbildung 2 illustriert eine erfindungsgemäße Variante der Ausführungsform gemäß Abbildung 1, wobei der wesentliche Unterschied darin besteht, dass nicht die Wärme im Rauchgas, sondern die[0246] Figure 2 illustrates a variant of the embodiment according to Figure 1, the essential difference being that it is not the heat in the flue gas, but the
Wärme im Produktgas zum Erwärmen von Wasser und zum Erwärmen von Wasserdampf genutzt wird.Heat in the product gas is used to heat water and to heat steam.
Das bei der katalytischen Zersetzung erhaltene Produktgas durchströmt Produktgas-Wärmetauscher 26, wobei im Produktgas enthaltene Wärme an Wasser abgegeben, wodurch Wasserdampf erhalten wird.The product gas obtained during the catalytic decomposition flows through product gas heat exchanger 26, whereby heat contained in the product gas is transferred to water, thereby obtaining water vapor.
Der Wasserdampf wird nach dem Passieren des Produktgas-Wärmetauschers 26 in Wasserdampftrom- mel 60 und anschließend über Leitung 63 in NH;-Verdampfungseinrichtung 14 eingeleitet.After passing through the product gas heat exchanger 26, the water vapor is introduced into the water vapor drum 60 and then via line 63 into the NH3 evaporator 14.
[0247] Abbildung 3 illustriert eine erfindungsgemäße Variante, bei welcher sowohl Rauchgas-Wärme- tauscher 52 als auch Produktgas-Wärmetauscher 26 zum Erwärmen von Wasser bzw. Wasserdampf genutzt werden. Aus dem Rauchgas-Wärmetauscher 52 und aus dem Produktgas-Wärmetauscher 26 wird Wasserdampf in Wasserdampftrommel 60 geleitet. Von dort aus wird dann der Wassersdampf über[0247] Figure 3 illustrates a variant according to the invention in which both flue gas heat exchanger 52 and product gas heat exchanger 26 are used to heat water or water vapor. Water vapor is passed from the flue gas heat exchanger 52 and the product gas heat exchanger 26 into the water vapor drum 60. From there, the water vapor is then passed through
Leitung 63 in NH;-Verdampfungseinrichtung 14 eingeleitet.Line 63 is introduced into NH; evaporator 14.
[0248] Abbildung 4 illustriert als Ausschnitt eine erfindungsgemäße Variante, bei welcher flüssiges[0248] Figure 4 illustrates a detail of a variant according to the invention in which liquid
NH; aus Tank 10 zunächst in Vorwärmer 13 geleitet und darin durch Aufnahme von Wärme aus er- wärmtem Wasser vorgewärmt wird, ehe das vorgewärmte NH; der NH;-Verdampfungseinrichtung 14 zugeführt wird. Das dabei eingesetzte erwärmte Wasser wird als Wasserdampfkondensat über Leitung 64 von der NH;-Verdampfungseinrichtung 14 dem Vorwärmer 13 zugeführt. Auf diese Weise wird die ım Wasserdampf enthaltene Wärme in zwei Stufen für die Erwärmung und anschließende Verdampfung von NH; genutzt. Nach dem Durchströmen des Vorwärmers 13 kann das Wasserdampfkondensat z.B. aus der Anlage abgeleitet werden.NH; from tank 10 is first fed into preheater 13 and preheated therein by absorbing heat from heated water before the preheated NH; is fed to the NH; evaporation device 14. The heated water used is fed as steam condensate via line 64 from the NH; evaporation device 14 to the preheater 13. In this way, the heat contained in the steam is used in two stages for the heating and subsequent evaporation of NH;. After flowing through the preheater 13, the steam condensate can be discharged from the system, for example.
[0249] Abbildung 5 illustriert eine erfindungsgemäße Variante, welche berücksichtigt, dass bei der Er- zeugung von Wasserdampf bei Siedetemperatur auch ein flüssiger Strom als "Blowdown" anfällt. Ge-[0249] Figure 5 illustrates a variant according to the invention which takes into account that when steam is generated at boiling temperature, a liquid stream is also produced as a "blowdown".
230088P00LU mäß dieser bevorzugten Ausführungsform wird der "Blowdown" dem kondensierten Wasserdampf nach LU103144 dem Verlassen der NH;-Verdampfungseinrichtung 14 und vor Eintritt in den Vorwärmer 13 zugesetzt.230088P00LU According to this preferred embodiment, the "blowdown" is added to the condensed water vapor after leaving the NH; evaporator 14 and before entering the preheater 13.
Im gezeigten Beispiel wird dazu der "Blowdown" über "Blowdown"-Leitung 68 von Wasserdampftrom- mel 60 in Leitung 64 eingespeist.In the example shown, the "blowdown" is fed via "blowdown" line 68 from water vapor drum 60 into line 64.
[0250] Abbildung 6 illustriert eine erfindungsgemäße Variante, bei welcher die bei der Bildung des "Blowdown" freigesetzte Wärme zurückgewonnen wird. Im Rauchgas-Wärmetauscher 52 wird mehr[0250] Figure 6 illustrates a variant according to the invention in which the heat released during the formation of the "blowdown" is recovered. In the flue gas heat exchanger 52, more
Wasser erwärmt bzw. mehr Wasserdampf erzeugt als für die Wasserdampftrommel 60 benötigt wird.Water is heated or more steam is generated than is required for the steam drum 60.
Der den Rauchgas-Wärmetauscher 52 verlassende Wasserdampf wird anschließend in zwei Teilströme aufgeteilt. Ein erster Teilstrom wird in Wasserdampftrommel 60 eingeleitet. Ein zweiter Teilstrom um- geht Wasserdampftrommel 60 über Bypass 69 und wird in "Blowdown"-Leitung 68 eingespeist.The steam leaving the flue gas heat exchanger 52 is then divided into two partial streams. A first partial stream is introduced into the steam drum 60. A second partial stream bypasses the steam drum 60 via bypass 69 and is fed into the "blowdown" line 68.
[0251] Abbildung 7 illustriert als Ausschnitt eine erfindungsgemäße Variante, bei welcher die Aus- beute an H, gesteigert wird, indem die erzeugte Menge an Wasserdampf verringert und stattdessen im[0251] Figure 7 illustrates a detail of a variant according to the invention in which the yield of H, is increased by reducing the amount of water vapor produced and instead
Prozess verbliebende Restwärme rückintegriert wird. Dadurch wird letztlich weniger Brennstoff benö- tigt, welcher bevorzugt H, enthält. Gemäß der in Abbildung 7 illustrierten Variante wird die energetischeThe residual heat remaining in the process is reintegrated. This ultimately requires less fuel, which preferably contains H,. According to the variant illustrated in Figure 7, the energy
Lücke bei der Vorwärmung und Verdampfung von NH; durch eine kühlwassergespeiste Vorwärmein- richtung 70 geschlossen. Wasser zur Kühlung kann an verschiedenen Stellen der Anlage benötigt wer- den, beispielsweise in Prozesskühler 29 in Strömungsrichtung des Produktgases stromaufwärts einerGap in the preheating and evaporation of NH; closed by a preheating device 70 fed with cooling water. Water for cooling may be required at various points in the plant, for example in process cooler 29 in the flow direction of the product gas upstream of a
Druckwechseladsorptionseinrichtung 31 oder in Wärmetauschern 34 oder 36 eventueller H,-Verdichter 33 oder 35. Das Wasser nimmt Prozesswärme auf und wird dadurch erwärmt. Die aufgenommenePressure swing adsorption device 31 or in heat exchangers 34 or 36 of possible H, compressors 33 or 35. The water absorbs process heat and is thereby heated. The absorbed
Wärme kann zum Vorwärmen von flüssigem NH; genutzt werden.Heat can be used to preheat liquid NH;.
[0252] Abbildung 8 illustriert ein weitere erfindungsgemäße Variante, welche komplexer ist und bei welcher mehrere weitere Anlagen integriert sind. Flüssiges NH;, welches bei tiefer Temperatur und erhöhtem Druck vorliegt, wird aus Tank 10 über Leitung 11 mittels Pumpe 12 durch Vorwärmer 13 geleitet und erwärmt, in NH;-Verdampfungseinrichtung 14 verdampft und strömt anschließend über[0252] Figure 8 illustrates a further variant according to the invention, which is more complex and in which several other systems are integrated. Liquid NH;, which is present at low temperature and increased pressure, is led from tank 10 via line 11 by means of pump 12 through preheater 13 and heated, evaporated in NH; evaporation device 14 and then flows over
Leitung 15 zu Abzweigung 16, wo eine Aufteilung des NH;-Stroms in zwei Teilströme erfolgt. VonLine 15 to branch 16, where the NH; stream is divided into two partial streams. From
Abzweigung 16 ausgehend wird ein erster Teilstrom des NH; über Leitung 17 Verbrennungseinrichtung 18 zugeführt. Ein zweiter Teilstrom des NH; wird ausgehend von Abzweigung 16 über Leitung 19 durchA first partial flow of NH; is fed from branch 16 via line 17 to combustion device 18. A second partial flow of NH; is fed from branch 16 via line 19 through
Wärmetauscher 20 geleitet und strömt danach über Leitung 21 durch Wärmetauscher 22, wo das NH; weiter erwärmt wird und dann über Leitung 23 in NH;-Zersetzungseinrichtung 24 strömt, wo sich derHeat exchanger 20 and then flows via line 21 through heat exchanger 22, where the NH; is further heated and then flows via line 23 into NH; decomposition device 24, where the
NH;-Zersetzungskatalysator befindet, so dass dort die katalytische Zersetzung von NH; stattfindet. DieNH; decomposition catalyst is located, so that the catalytic decomposition of NH; takes place there. The
NH;-Zersetzungseinrichtung 24 wird bevorzugt von oben nach unten durchstrômt. Die für die Aufrecht- erhaltung der Reaktion erforderliche Wärme wird erzeugt, indem die NH;-Zersetzungseinrichtung 24 durch Verbrennung von NH; in der Verbrennungseinrichtung 18 aufgeheizt wird.The NH; decomposition device 24 preferably flows from top to bottom. The heat required to maintain the reaction is generated by heating the NH; decomposition device 24 by burning NH; in the combustion device 18.
[0253] Nach der Zersetzung von NH; durchströmt das gebildete Produktgas (umfassend N,, H,, H,O und ggf. restliches NH;) Produktgas-Wärmetauscher 26, danach Wärmetauscher 20 im Kreuzstrom, an- schließend Leitung 27 und zur weiteren Abkühlung einen weiteren Wärmetauscher und Vorwärmer 28,[0253] After the decomposition of NH;, the product gas formed (comprising N,, H,, H,O and possibly remaining NH;) flows through product gas heat exchanger 26, then heat exchanger 20 in cross-flow, then line 27 and for further cooling a further heat exchanger and preheater 28.
230088P00LU welcher beispielsweise mit Wasser betrieben wird. Schließlich wird das Produktgas mittels eines Pro- LU103144 zesskühlers 29 weiter abgekühlt und anschließend über Leitung 30 einer Druckwechseladsorptionsein- richtung 31 zugeführt, wo eine Auftrennung des Gasgemisches unter Druck durch Adsorption erfolgt.230088P00LU which is operated with water, for example. Finally, the product gas is cooled further by means of a process cooler 29 and then fed via line 30 to a pressure swing adsorption device 31, where the gas mixture is separated under pressure by adsorption.
Der dabei abgetrennte H, verlässt die Druckwechseladsorptionseinrichtung 31 über Leitung 32, wird über einen ersten H,-Verdichter 33 auf einen erhöhten Druck gebracht, durchstrômt einen Wärmetau- scher 34, einen zweiten H--Verdichter 35 zur weiteren Druckerhöhung, einen zweiten Wärmetauscher 36 und wird aus der Anlage bei einem Druck von beispielsweise etwa 70 bar über die Leitung 37 abge- leitet.The H, separated in this way leaves the pressure swing adsorption device 31 via line 32, is brought to an increased pressure via a first H, compressor 33, flows through a heat exchanger 34, a second H- compressor 35 for further pressure increase, a second heat exchanger 36 and is discharged from the system at a pressure of, for example, about 70 bar via line 37.
[0254] Das in der Druckwechseladsorptionseinrichtung 31 nach Abtrennung des H, verbleibende Rest- gasgemisch enthält N,, H,O, restliches NH; sowie H, und wird über Rückführleitung 38 zurückgeführt und über abzweigende Leitung 39 der Verbrennungseinrichtung 18 zugeführt, so dass in dem Restgas- gemisch enthaltene Energie für die Erzeugung von Verbrennungswärme genutzt werden kann.[0254] The residual gas mixture remaining in the pressure swing adsorption device 31 after separation of the H, contains N,, H,O, residual NH; and H, and is returned via return line 38 and fed to the combustion device 18 via branch line 39, so that energy contained in the residual gas mixture can be used to generate combustion heat.
[0255] Verbrennungsluft für den Verbrennungsprozess in der Verbrennungseinrichtung 18 wird über[0255] Combustion air for the combustion process in the combustion device 18 is supplied via
Filter 40 gereinigt, mittels Verdichters 41 verdichtet, über Leitung 42 durch Wärmetauscher 43 geleitet und erwärmt, strömt dann über Leitung 44 und durch Wärmetauscher 45, wird dort weiter erhitzt und strömt dann über Leitung 46 und die beiden abzweigenden Zweigleitungen 47 und 48 in Verbrennungs- einrichtung 18, wo die Verbrennungsluft dem über Leitung 17 zugeführten Teilstrom des NH; zugeführt wird, um dieses zu verbrennen und so Verbrennungswärme zu erzeugen.Filter 40 cleaned, compressed by means of compressor 41, passed via line 42 through heat exchanger 43 and heated, then flows via line 44 and through heat exchanger 45, is further heated there and then flows via line 46 and the two branching branch lines 47 and 48 into combustion device 18, where the combustion air is fed to the partial flow of NH3 supplied via line 17 in order to burn it and thus generate combustion heat.
[0256] Das heiße Rauchgas aus der Verbrennung in Verbrennungseinrichtung 18 wird zunächst über[0256] The hot flue gas from the combustion in combustion device 18 is first
Wärmetauscher 22 abgekühlt, wodurch Wärme für die Aufheizung des der NH;-Zersetzungseinrichtung 24 zugeführten NH; gewonnen wird. Das Rauchgas wird dann weiter durch Rauchgaskanal 49 überHeat exchanger 22 cooled, whereby heat is obtained for heating the NH; supplied to the NH; decomposition device 24. The flue gas is then passed further through flue gas channel 49 over
Wärmetauscher 45 geleitet, mittels dessen die Verbrennungsluft vorgeheizt wird und durchströmt dannHeat exchanger 45, by means of which the combustion air is preheated and then flows through
Rauchgasentstickungseinheit 50, mittels derer das Rauchgas von Stickoxiden (NOx) gereinigt wird. An- schließend durchströmt das Rauchgas über Leitung 51 Rauchgas-Wärmetauscher 52, wodurch Wärme zur Erhitzung von Wasser gewonnen wird, und durchströmt danach Wärmetauscher 43, welcher eben- falls zur Aufwärmung der Verbrennungsluft dient. Das Rauchgas wird dann im Endbereich des Rauch- gaskanals 49 mittels des Rauchgasverdichters 53 verdichtet und verlässt die Anlage über Kamin 54.Flue gas denitrification unit 50, by means of which the flue gas is cleaned of nitrogen oxides (NOx). The flue gas then flows through line 51 through flue gas heat exchanger 52, whereby heat is obtained for heating water, and then flows through heat exchanger 43, which also serves to heat the combustion air. The flue gas is then compressed in the end area of the flue gas duct 49 by means of the flue gas compressor 53 and leaves the system via chimney 54.
[0257] Wasser für die Erzeugung von Wasserdampf wird über Leitung 55 eingespeist, über Vorwärmer 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-[0257] Water for the production of steam is fed in via line 55, passed through preheater 28 and then passed at an increased temperature into degasser 56, in which air and other gases dissolved in the water are removed. By means of pump 57, the water is pumped through flue gas
Wärmetauscher 52 geleitet und erhitzt. Der Rauchgas-Wärmetauscher 52 dient dazu, die Rauchgase aus der Verbrennungseinrichtung 18 im Rauchgaskanal 49 abzukühlen, wobei die im Rauchgas enthalteneHeat exchanger 52 and heated. The flue gas heat exchanger 52 serves to cool the flue gases from the combustion device 18 in the flue gas channel 49, whereby the heat contained in the flue gas
Wärmeenergie zum Erwärmen des Wasserdampfs genutzt wird, welcher dann nach dem Passieren desThermal energy is used to heat the water vapor, which then passes through the
Rauchgas-Wärmetauschers 52 über Leitung 59 in Wasserdampftrommel 60 geleitet wird. Aus Wasser- dampftrommel 60 kann über Leitung 61 Wasser durch den Produktgas-Wärmetauscher 26 geleitet wer- den und dadurch weitere Wärmeenergie aufnehmen, um dann über Leitung 62 zur Wasserdampftrommelflue gas heat exchanger 52 via line 59 into the steam drum 60. Water can be passed from the steam drum 60 via line 61 through the product gas heat exchanger 26 and thereby absorb further heat energy in order to then be passed via line 62 to the steam drum.
230088P00LU zurückgeführt zu werden. Der Produktgas-Wärmetauscher 26 ist in Austrittsleitung 25 in Strömungs- LU103144 richtung des Produktgases stromabwärts der NH;-Zersetzungseinrichtung 24 angeordnet und dient zur230088P00LU. The product gas heat exchanger 26 is arranged in the outlet line 25 in the flow direction of the product gas downstream of the NH; decomposition device 24 and serves to
Abkühlung des Produktgases nach dem Verlassen der NH;-Zersetzungseinrichtung 24. Die dabei ge- wonnene Wärme kann somit zur Erzeugung von weiterem Wasserdampf genutzt werden.Cooling of the product gas after leaving the NH3 decomposition device 24. The heat obtained can thus be used to generate further water vapor.
[0258] Der in Wasserdampftrommel 60 erzeugte heiße Wasserdampf wird über Leitung 63 in den im oberen Bereich der NH;-Verdampfungseinrichtung 14 eingeleitet. Durch die Kondensation des Wasser- dampfes wird die Wärme gewonnen, um das vorgeheizte NH; zu verdampfen. Nach dem Durchströmen der NH;-Verdampfungseinrichtung 14 wird das Wasserdampfkondensat über Leitung 64 dem Vorwär- mer 13 zugeführt, der dazu dient, das NH; vorzuwärmen, so dass die im Wasserdampf enthaltene Wärme in zwei Stufen für die Erwärmung des NH; genutzt wird. Nach dem Durchströmen des Vorwärmers 13 kann das Wasserdampfkondensat aus der Anlage abgeleitet werden.[0258] The hot steam generated in the steam drum 60 is introduced via line 63 into the upper area of the NH; evaporation device 14. The condensation of the steam generates the heat to evaporate the preheated NH;. After flowing through the NH; evaporation device 14, the steam condensate is fed via line 64 to the preheater 13, which serves to preheat the NH; so that the heat contained in the steam is used in two stages to heat the NH;. After flowing through the preheater 13, the steam condensate can be discharged from the system.
[0259] Abbildung 9 illustriert ebenfalls ein weitere erfindungsgemäße Variante, welche komplexer ist und bei welcher mehrere weitere Anlagen integriert sind. Einige Anlagenteile entsprechen denen der[0259] Figure 9 also illustrates another variant according to the invention, which is more complex and in which several other systems are integrated. Some system components correspond to those of the
Abbildung 8 und werden daher nicht erneut im Detail erläutert. Weitgehend unverändert sind Erwär- mung und Verdampfung des NH;, ebenso die Anlagenteile und Verfahrensschritte stromabwärts derFigure 8 and are therefore not explained in detail again. Heating and evaporation of the NH; are largely unchanged, as are the plant components and process steps downstream of the
Druckwechseladsorption nach Abtrennung des H,. In Abweichung zu der Variante gemäß Abbildung 8 sind im Rauchgaskanal 49 insgesamt fünf Wärmetauscher angeordnet. Dabei führt auch hier Leitung 21 für die Erwärmung des NH; von Wärmetauscher 20 zu dem im Rauchgaskanal 49 angeordneten Wär- metauscher 22. Jedoch wird das NH; nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 22 durch Vorreaktor 65 geleitet, wobei sich das NH; abkühlt. Das den Vorreaktor 65 verlassende Gasgemisch wird dann überPressure swing adsorption after separation of the H,. In contrast to the variant according to Figure 8, a total of five heat exchangers are arranged in the flue gas channel 49. Here too, line 21 for heating the NH; leads from heat exchanger 20 to the heat exchanger 22 arranged in the flue gas channel 49. However, after flowing through the heat exchanger 22, the NH; is led through pre-reactor 65, where the NH; cools down. The gas mixture leaving the pre-reactor 65 is then
Leitung 66 zu Wärmetauscher 67 geführt, welcher im Rauchgaskanal 49 in Strömungsrichtung desLine 66 leads to heat exchanger 67, which is installed in flue gas duct 49 in the flow direction of the
Rauchgases stromaufwärts zu Wärmetauscher 22 angeordnet ist. Dort wird das Gasgemisch aufgewärmt und danach über Leitung 23 in NH;-Zersetzungseinrichtung 24 eingeleitet. Das Aufheizen der Verbren- nungsluft für die Verbrennungseinrichtung 18 erfolgt analog Abbildung 8, zunächst durch Aufheizung über Wärmetauscher 43 und dann durch weitere Aufheizung über Wärmetauscher 45, wobei beide Wär- metauscher 43 und 45 in dem Rauchgaskanal 49 angeordnet sind. Die Aufheizung und Verdampfung des zugeführten Wassers für Wasserdampftrommel 60 erfolgt über Vorwärmer 28 und Rauchgas-Wär- metauscher 52, der im Rauchgaskanal 49 angeordnet ist, analog Abbildung 8. Bei der Variante gemäßflue gas is arranged upstream of heat exchanger 22. There, the gas mixture is heated up and then introduced into NH; decomposition device 24 via line 23. The heating of the combustion air for the combustion device 18 takes place analogously to Figure 8, first by heating via heat exchanger 43 and then by further heating via heat exchanger 45, whereby both heat exchangers 43 and 45 are arranged in the flue gas channel 49. The heating and evaporation of the water supplied for the steam drum 60 takes place via preheater 28 and flue gas heat exchanger 52, which is arranged in the flue gas channel 49, analogously to Figure 8. In the variant according to
Abbildung 8 sind somit in Strömungsrichtung des Rauchgases im Rauchgaskanal 49 fünf Wärmetau- scher 67, 22, 45, 52 und 43 hintereinander angeordnet.In Figure 8, five heat exchangers 67, 22, 45, 52 and 43 are arranged one behind the other in the flow direction of the flue gas in the flue gas duct 49.
[0260] Ein Unterschied der Reaktionsführung gemäß Abbildung 9 im Vergleich zu Abbildung 3 liegt darin, dass die Vorwärmung des NH; auf niedrigere Temperaturen begrenzt wird, wodurch die Lebens- dauer des Stahls, aus dem die NH;-Zersetzungseinrichtung 24 gefertigt ist, auch im Kontakt mit NH; verlängert wird. Dafür wird der eintretende Gasstrom zunächst vorgewärmt und dann im Vorreaktor 65 ein Teil der katalytischen Zersetzung durchgeführt. Anschließend wird das den Vorreaktor 65 verlas-[0260] A difference in the reaction procedure according to Figure 9 compared to Figure 3 is that the preheating of the NH; is limited to lower temperatures, whereby the service life of the steel from which the NH; decomposition device 24 is made is extended, even in contact with NH;. For this purpose, the incoming gas stream is first preheated and then part of the catalytic decomposition is carried out in the pre-reactor 65. The gas leaving the pre-reactor 65 is then
230088P00LU sende Gasgemisch erneut erwärmt und in NH;-Zersetzungseinrichtung 24 geleitet, wo die restliche ka- LU103144 talytische Zersetzung stattfindet.230088P00LU the resulting gas mixture is reheated and passed into NH; decomposition device 24, where the remaining catalytic decomposition takes place.
[0261] Abbildung 10 illustriert als Ausschnitt eine erfindungsgemäße Variante, bei der ein weiterer[0261] Figure 10 illustrates a detail of a variant according to the invention in which a further
Wärmestrom aus der Anlage in die Vorwärmung von NH; integriert wird. Ohne weitere Maßnahmen verlässt das Rauchgas der Verbrennungseinrichtung 18, z.B. bei Verfahrensführung gemäß Abbildungen 8 und 9, den Raugaskanal 49 immer noch mit erhöhter Temperatur, weil für die Vorwärmung der Ver- brennungsluft eine relativ hohe Temperaturdifferenz erforderlich ist. Gemäß der in Abbildung 10 illus- trierten erfindungsgemäßen Variante wird diese Wärme im Rauchgas genutzt, indem sie von einem wei- teren Wasser als Wärmeträgermedium aufgenommen wird. Dazu wird im Rauchgaskanal 49 ein weitererHeat flow from the system is integrated into the preheating of NH;. Without further measures, the flue gas from the combustion device 18, e.g. when the process is carried out according to Figures 8 and 9, still leaves the flue gas channel 49 at an increased temperature, because a relatively high temperature difference is required for the preheating of the combustion air. According to the variant according to the invention illustrated in Figure 10, this heat in the flue gas is used by being absorbed by another water as a heat transfer medium. For this purpose, another
Wärmetauscher 71 montiert, durch den, angetrieben von Pumpe 72, Wasser als Wärmeträgermedium zirkuliert. Das Wasser wird im weiteren Wärmetauscher 71 aufgewärmt und kann dann in zusätzlichemHeat exchanger 71 is mounted through which water circulates as a heat transfer medium, driven by pump 72. The water is heated in the further heat exchanger 71 and can then be used in additional
Wärmetauscher 73 wiederum als Wärmequelle für NH; dienen, das vorteilhaft zuvor vom Kühlwasser in der kühlwassergespeisten Vorwärmeeinrichtung 70 vorgewärmt wurde.Heat exchanger 73 in turn serves as a heat source for NH;, which was advantageously previously preheated by the cooling water in the cooling water-fed preheating device 70.
[0262] Abbildung 11 illustriert schematisch mögliche Quellen für erwärmtes Kühlwasser 80a bis 80d, welches zum Vorwärmen und ggf. Verdampfen von NH; genutzt wird. Dabei kann erfindungsgemäß nur eine einzelne dieser Quellen für erwärmtes Kühlwasser 80a bis 80d oder es können mehrere oder alle dieser Quellen für erwärmtes Kühlwasser 80a bis 80d zum Vorwärmen und ggf. Verdampfen von[0262] Figure 11 schematically illustrates possible sources for heated cooling water 80a to 80d, which is used for preheating and possibly evaporating NH;. According to the invention, only one of these sources for heated cooling water 80a to 80d or several or all of these sources for heated cooling water 80a to 80d can be used for preheating and possibly evaporating NH;
NH; genutzt werden (Ausfithrungsformen (a) bis (d) sowie beliebige Kombinationen davon). FlüssigesNH; can be used (embodiments (a) to (d) and any combination thereof). Liquid
NH; tritt in Vorwärmer 13 ein und nimmt Wärme aus Wasserdampfkondensat 76 auf. Anschließend tritt das so vorgewärmte NH; in die NH;-Verdampfungseinrichtung 14 ein und nimmt Wärme aus dem Was- serdampf 75 auf, welcher dabei seinerseits zu Wasserdampfkondensat 76 kondensiert. (a) In Strömungs- richtung des Wasserdampfkondensats 76 ist stromabwärts des Vorwärmers 13 ein Wasserdampfkon- densat-Wärmetauscher 83 angeordnet, worin Kühlwasser 80a Wärme aus dem Wasserdampfkondensat 76 aufnimmt. Das verdampfte NH; verlässt die NH;-Verdampfungseinrichtung 14 und wird in zweiNH; enters preheater 13 and absorbs heat from water vapor condensate 76. The NH; preheated in this way then enters the NH; evaporation device 14 and absorbs heat from the water vapor 75, which in turn condenses to water vapor condensate 76. (a) In the flow direction of the water vapor condensate 76, a water vapor condensate heat exchanger 83 is arranged downstream of the preheater 13, in which cooling water 80a absorbs heat from the water vapor condensate 76. The evaporated NH; leaves the NH; evaporation device 14 and is fed into two
Teilstrôme aufgeteilt. Die Verbrennungseinrichtung 18 sowie die NH;-Zersetzungseinrichtung 24 ste- hen miteinander im Wärmeaustausch. Ein erster Teilstrom des verdampften NH; wird als Verbrennungs- gas in der Verbrennungseinrichtung 18 verbrannt und verlässt diese als Rauchgas 78, aus welchem an- schließend in einer Raugas-Wärmeintegration 81 Wärme zurückgewonnen und in den Prozess reinte- griert wird. (b) In Strömungsrichtung des Rauchgases ist stromabwärts der Raugas-Wärmeintegration 81 ein Rauchgas-Wärmetauscher 52 angeordnet, worin Kühlwasser 80b Wärme aus dem Rauchgas 78 aufnimmt. Ein zweiter Teilstrom des verdampften NH; wird in der NH;-Zersetzungseinrichtung 24 inThe combustion device 18 and the NH; decomposition device 24 exchange heat with each other. A first partial flow of the vaporized NH; is burned as combustion gas in the combustion device 18 and leaves it as flue gas 78, from which heat is subsequently recovered in a flue gas heat integration 81 and reintegrated into the process. (b) In the flow direction of the flue gas, a flue gas heat exchanger 52 is arranged downstream of the flue gas heat integration 81, in which cooling water 80b absorbs heat from the flue gas 78. A second partial flow of the vaporized NH; is burned in the NH; decomposition device 24 in
Produktgas 79 zersetzt. Um auf die dafür erforderliche Temperatur erwärmt zu werden, wird dieser zweite Teilstrom des verdampften NH; zunächst in einer Produktgas-Wärmeintegration 82 und anschlie-Product gas 79 is decomposed. In order to be heated to the required temperature, this second partial flow of the vaporized NH; is first in a product gas heat integration 82 and then
Bend in der Rauchgas-Wärmeintegration 81 erwärmt. Anschließend tritt das heiße NH; in die NH;-Zer- setzungseinrichtung 24 ein. Aus dem Produktgas 79 wird nach Verlassen der NH;-Zersetzungseinrich- tung 24 in der Produktgas-Wärmeintegration 82 Wärme zurückgewonnen und in den Prozess reinte- griert. (c) In Strömungsrichtung des Produktgases ist stromabwärts der Produktgas-WärmeintegrationBend in the flue gas heat integration 81. The hot NH; then enters the NH; decomposition device 24. After leaving the NH; decomposition device 24, heat is recovered from the product gas 79 in the product gas heat integration 82 and reintegrated into the process. (c) In the flow direction of the product gas, downstream of the product gas heat integration
230088P00LU 82 ein Prozesskühler 29 angeordnet, worin Kühlwasser 80c Wärme aus dem Produktgas 78 aufnimmt. LU103144230088P00LU 82 a process cooler 29 is arranged, in which cooling water 80c absorbs heat from the product gas 78. LU103144
Das den Prozesskühler 29 verlassende Produktgas wird anschließend einer Druckwechseladsorptions- einrichtung 31 zugeführt und der dabei abgetrennte Wasserstoff in einem oder mehreren H,-Verdichtern 33, 35 komprimiert. (d) In Strömungsrichtung des Wasserstoffs ist bzw. sind stromabwärts des einen oder der mehreren H,-Verdichter 33, 35 ein oder mehrere Wärmetauscher 34, 36 angeordnet, worinThe product gas leaving the process cooler 29 is then fed to a pressure swing adsorption device 31 and the hydrogen separated in this process is compressed in one or more H2 compressors 33, 35. (d) In the flow direction of the hydrogen, one or more heat exchangers 34, 36 are arranged downstream of the one or more H2 compressors 33, 35, wherein
Kühlwasser 80d Wärme aus dem Wasserstoff 78 aufnimmt.Cooling water 80d absorbs heat from the hydrogen 78.
[0263] Abbildungen 12 bis 16 stehen untereinander in Zusammenhang und zudem in Zusammenhang mit Abbildungen 4 bis 7, welche jeweils die Vorwärmung von NH; in Vorwärmer 13 und die anschlie-[0263] Figures 12 to 16 are related to each other and also to Figures 4 to 7, which respectively show the preheating of NH3 in preheater 13 and the subsequent
Bende Verdampfung von NH; in NH;-Verdampfungseinrichtung 14 betreffen. Abbildungen 12 bis 16 illustrieren jeweils Ausschnitte erfindungsgemäßer Varianten. Bei allen diesen Varianten werden bevor- zugt Blowdown und Kesselspeisewasser (beide nicht gezeigt) mit dem Wasserdampfkondensat vereint, nachdem das Wasserdampfkondensat die NH;-Verdampfungseinrichtung verlassen hat und bevor es in den Vorwärmer 13 rückgeführt wurde.Bende evaporation of NH; in NH; evaporation device 14. Figures 12 to 16 each illustrate sections of variants according to the invention. In all of these variants, blowdown and boiler feed water (both not shown) are preferably combined with the steam condensate after the steam condensate has left the NH; evaporation device and before it has been returned to the preheater 13.
[0264] Abbildung 12 illustriert eine vergleichsweise einfache Variante, bei welcher flüssiges NH; aus[0264] Figure 12 illustrates a comparatively simple variant in which liquid NH; from
Tank 10 zunächst in Vorwärmer 13 geleitet und darin durch Aufnahme von Wärme aus erwärmtemTank 10 is first fed into preheater 13 and therein by absorbing heat from heated
Wasser vorgewärmt wird, ehe das vorgewärmte NH; der NH;-Verdampfungseinrichtung 14 zugeführt wird. Das dabei eingesetzte erwärmte Wasser wird als Wasserdampfkondensat über Leitung 64 von derWater is preheated before the preheated NH; is fed to the NH; evaporation device 14. The heated water used is discharged as steam condensate via line 64 from the
NH;-Verdampfungseinrichtung 14 dem Vorwärmer 13 zugeführt. Auf diese Weise wird die im Wasser- dampf enthaltene Wärme in zwei Stufen für die Erwärmung und anschließende Verdampfung von NH; genutzt. Nach dem Durchströmen des Vorwärmers 13 kann das Wasserdampfkondensat z.B. aus derNH; evaporation device 14 is fed to the preheater 13. In this way, the heat contained in the water vapor is used in two stages for the heating and subsequent evaporation of NH;. After flowing through the preheater 13, the water vapor condensate can be used, for example, from the
Anlage abgeleitet werden.system can be derived.
[0265] Abbildung 13 illustriert eine Weiterbildung der Variante gemäß Abbildung 12, wobei in Strö- mungsrichtung des NH; stromabwärts des Verdichters 12 und stromaufwärts des Vorwärmers 13 eine[0265] Figure 13 illustrates a further development of the variant according to Figure 12, wherein in the flow direction of the NH; downstream of the compressor 12 and upstream of the preheater 13 a
Vorwärmeeinrichtung 70 angeordnet ist. In der Vorwärmeeinrichtung 70 wird NH; durch Aufnahme von Wärme aus erwärmtem Wasser vorgewärmt, ehe das vorgewärmte NH; dem Vorwärmer 13 zuge- führt wird. Das erwärmte Wasser kann aus unterschiedlichen Quellen stammen, bevorzugt aus einer der vorstehend im Zusammenhang mit Abbildung 11 erläuterten Quellen für erwärmtes Kühlwasser 80a bis 80d, d.h. bevorzugt (a) von einem Wasserdampfkondensat-Wärmetauscher 83, (b) von einem Rauchgas-Preheating device 70 is arranged. In the preheating device 70, NH; is preheated by absorbing heat from heated water before the preheated NH; is fed to the preheater 13. The heated water can come from different sources, preferably from one of the sources for heated cooling water 80a to 80d explained above in connection with Figure 11, i.e. preferably (a) from a water vapor condensate heat exchanger 83, (b) from a flue gas
Wärmetauscher 52, (c) von einem Prozesskühler 29, oder (d) von einem Wärmetauscher 34 und/oder 36.heat exchanger 52, (c) from a process cooler 29, or (d) from a heat exchanger 34 and/or 36.
[0266] Abbildung 14 illustriert eine andere Weiterbildung der Variante gemäß Abbildung 12, wobei in[0266] Figure 14 illustrates another development of the variant according to Figure 12, in which
Strömungsrichtung des NH; stromabwärts des Verdichters 12 und stromaufwärts des Vorwärmers 13 ein zusätzlicher Wärmetauscher 73 angeordnet ist, welcher seinerseits bevorzugt mit einem weiterenFlow direction of the NH; downstream of the compressor 12 and upstream of the preheater 13 an additional heat exchanger 73 is arranged, which in turn is preferably connected to a further
Wärmetauscher 71 im Rauchgaskanal in Wirkverbindung steht. In dem zusätzlichen Wärmetauscher 73 wird NH; durch Aufnahme von Wärme aus erwärmtem Wasser vorgewärmt, ehe das vorgewärmte NH; dem Vorwärmer 13 zugeführt wird. Das erwärmte Wasser stammt bevorzugt aus dem weiteren Wärme-Heat exchanger 71 in the flue gas duct is in operative connection. In the additional heat exchanger 73, NH; is preheated by absorbing heat from heated water before the preheated NH; is fed to the preheater 13. The heated water preferably comes from the further heat
230088P00LU tauscher 71, in welchem Wasser Wärme aus dem Rauchgas im Rauchgaskanal aufnimmt. Darüber hin- LU103144 aus ist in Strömungsrichtung des Wasserdampfkondensats stromabwärts des Vorwärmers 13 ein Was- serdampfkondensat-Wärmetauscher 83 angeordnet, in welchem Kühlwasser Wärme aus dem Wasser- dampfkondensat aufnimmt.230088P00LU exchanger 71, in which water absorbs heat from the flue gas in the flue gas duct. In addition, a water vapor condensate heat exchanger 83 is arranged in the flow direction of the water vapor condensate downstream of the preheater 13, in which cooling water absorbs heat from the water vapor condensate.
[0267] Abbildung 15 illustriert eine Weiterbildung der Variante gemäß Abbildung 13, bei der ebenfalls in Strömungsrichtung des Wasserdampfkondensats stromabwärts des Vorwärmers 13 ein Wasserdampf- kondensat-Wärmetauscher 83 angeordnet ist, in welchem Kühlwasser Wärme aus dem Wasserdampf- kondensat aufnimmt.[0267] Figure 15 illustrates a further development of the variant according to Figure 13, in which a steam condensate heat exchanger 83 is also arranged in the flow direction of the steam condensate downstream of the preheater 13, in which cooling water absorbs heat from the steam condensate.
[0268] Abbildung 16 illustriert schließlich eine Kombination aller Varianten gemäß Abbildungen 12 bis 15.[0268] Finally, Figure 16 illustrates a combination of all variants according to Figures 12 to 15.
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
Tank 35 H,-Verdichter 11 Leitung 36 Wärmetauscher 12 Pumpe 37 Ausgangsleitung für Wasserstoff 13 Vorwärmer 38 Rückführleitung 14 NH;-Verdampfungseinrichtung 39 abzweigende LeitungTank 35 H,-compressor 11 Line 36 Heat exchanger 12 Pump 37 Output line for hydrogen 13 Preheater 38 Return line 14 NH;-evaporation device 39 Branching line
Leitung 40 Filter für Verbrennungsluft 16 Abzweigung 41 Verdichter 17 Leitung 42 Leitung 18 Verbrennungseinrichtung 43 Wärmetauscher 19 Leitung 44 LeitungLine 40 Filter for combustion air 16 Branch 41 Compressor 17 Line 42 Line 18 Combustion device 43 Heat exchanger 19 Line 44 Line
Wärmetauscher 45 Wärmetauscher 21 Leitung 46 Leitung 22 Wärmetauscher 47 Zweigleitung 23 Leitung 48 Zweigleitung 24 NH;-Zersetzungseinrichtung 49 RauchgaskanalHeat exchanger 45 Heat exchanger 21 Line 46 Line 22 Heat exchanger 47 Branch line 23 Line 48 Branch line 24 NH; decomposition device 49 Flue gas duct
Austrittsleitung 50 Raucheasentstickungseinheit 26 Produktgas-Wärmetauscher 51 Leitung 27 Leitung 52 Rauchgas-Wérmetauscher 28 Vorwärmer 53 Rauchgasverdichter 29 Prozesskiihler 54 KaminOutlet line 50 Flue gas denitrification unit 26 Product gas heat exchanger 51 Line 27 Line 52 Flue gas heat exchanger 28 Preheater 53 Flue gas compressor 29 Process cooler 54 Chimney
Leitung 55 Leitung für die Einspeisung von Wasser 31 Druckwechseladsorptionseinnchtung 56 Entgaser 32 Leitung 57 Pumpe 33 H,-Verdichter 58 Leitung 34 Wärmetauscher 59 LeitungLine 55 Line for the supply of water 31 Pressure swing adsorption device 56 Degasser 32 Line 57 Pump 33 H,-compressor 58 Line 34 Heat exchanger 59 Line
230088P00LU 60 Wasserdampftrommel LU103144 61 Leitung 62 Leitung 63 Leitung 64 Leitung 65 Vorreaktor 66 Leitung 67 weiterer Wärmetauscher 68 "Blowdown"-Leitung 69 Bypass 70 Vorwärmeinrichtung 71 weiterer Wärmetauscher 72 Pumpe 73 zusätzlicher Wärmetauscher 74 Ringleitung 75 Wasserdampf 76 Wasserdampfkondensat 77 Verbrennungsgas 78 Rauchgas 79 Produktgas 80a-d Kühlwasser 81 Rauchgas-Wärmeintegration 82 Produktgas-Wärmeintegration 83 Wasserdampfkondensat-Wärmetauscher230088P00LU 60 Steam drum LU103144 61 Line 62 Line 63 Line 64 Line 65 Pre-reactor 66 Line 67 Additional heat exchanger 68 Blowdown line 69 Bypass 70 Preheating device 71 Additional heat exchanger 72 Pump 73 Additional heat exchanger 74 Ring line 75 Steam 76 Steam condensate 77 Combustion gas 78 Flue gas 79 Product gas 80a-d Cooling water 81 Flue gas heat integration 82 Product gas heat integration 83 Steam condensate heat exchanger
230088P00LU230088P00LU
LU103144LU103144
Ausführungsbeispieleimplementation examples
[0269] Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung, sind jedoch nicht einschränkend auszulegen.[0269] The following embodiments serve to explain the invention, but are not to be interpreted as limiting.
[0270] Für unterschiedliche Verfahrensführungen gemäß den in den Abbildungen 12 bis 16 illustrierten[0270] For different process configurations according to the diagrams illustrated in Figures 12 to 16
Varianten wurden für ein Modellsystem Wärmeströme und Temperaturen simuliert. Die Ergebnisse sind in nachfolgender Tabelle zusammengefasst: [TNH)vor | - | -34°C | 34°C | 34°C | -34°CT(NH;) nach | - | -5°C | 39°C | 27°C | 27°CLeistung | = | 63kW [| 166 kW | 136 kW | 136 kWT(HOjein | - | 44°C | 44°C | 32°C | 32°CVariants were simulated for a model system of heat flows and temperatures. The results are summarized in the following table: [TNH)before | - | -34°C | 34°C | 34°C | -34°CT(NH;) after | - | -5°C | 39°C | 27°C | 27°CPower | = | 63kW [| 166 kW | 136 kW | 136 kWT(HOyes | - | 44°C | 44°C | 32°C | 32°C
Tas | | 32°C | 32°C | 20°C | 20°C [TNH)vor | - I - [ - [ | 27°C [TNH)nach ~~ | - [| - | - | = [624°C]Tas | | 32°C | 32°C | 20°C | 20°C [TNH)before | - I - [ - [ | 27°C [TNH)after ~~ | - [| - | - | = [624°C]
Leistung | - | = | - | - [|101kW]T(HOjein | - | - | - | = | 90°CPower | - | = | - | - [|101kW]T(HOjein | - | - | - | = | 90°C
LTH0) aus | - | - | - | = | 40°CTRauchgas)vor | - | | 143°€ | - | 156°CT(Rauchgas)nach | - | - | 88°C | - | 86°CLeistung | = | = [79kW | - |I101kW]THO)ein | - | = | 32°C | - | 40°CLTH0) out | - | - | - | = | 40°CFlue gas) before | - | | 143°C | - | 156°CFlue gas) after | - | - | 88°C | - | 86°CPower | = | = [79kW | - |I101kW]THO) in | - | = | 32°C | - | 40°C
THQaus | - | - | 4c | - | 90°CTHQout | - | - | 4c | - | 90°C
T(H,O-Kondensat) vor | - | - | 49°C | 37°C | 105°CT(H,O-Kondensat) nach | - | - | 30°C | 30°C | 30°CLeistung | = | = | 14kW | 8kW | 84kWT(HOjein | - | - | 32°C | 20°C | 20°CT(H,O condensate) before | - | - | 49°C | 37°C | 105°CT (H,O condensate) to | - | - | 30°C | 30°C | 30°CPower | = | = | 14kW | 8kW | 84kWT(HOjein | - | - | 32°C | 20°C | 20°C
THQaus | - | - | 44°C | 32°C | 32°CTHQout | - | - | 44°C | 32°C | 32°C
230088P00LU230088P00LU
Wasserdampfkondensat 14 kW 84 kW LU105144 79 kW.Steam condensate 14 kW 84 kW LU105144 79 kW.
H,-Verdichter T4kW | 74 kWH,-Compressor T4kW | 74 kW
Somme | | 1 1 0 NSomme | | 1 1 0 N
[0271] In den Beispielen 4 und 5 wird Wärme aus dem Kühlwasser des H,-Verdichters an das Ammo- niak in Kühlwasservorwärmer 70 abgegeben.[0271] In Examples 4 and 5, heat from the cooling water of the H2 compressor is transferred to the ammonia in cooling water preheater 70.
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