DE102019202893A1 - Process for the production of ammonia - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak durch katalytische Umsetzung eines Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Synthesegasgemisches, wobei in einer Anfahrphase beim Starten der Reaktion der Ammoniaksynthesekatalysator erwärmt wird, um die erforderliche Aktivierungsenergie für die Ammoniaksynthesereaktion aufzubringen und wobei erfindungsgemäß für dieses Erwärmen ein heißes Prozessgas verwendet wird, welches in einem der der Ammoniaksynthesereaktion (36) vorgeschalteten Prozessschritte des Herstellungsverfahrens anfällt. Dazu kann ein in einer Kohlenmonoxid-Konvertierung (11) der Anlage erzeugtes heißes Prozessgas oder alternativ auch ein in einer Methanisierungseinheit (30) der Anlage entstehendes heißes Prozessgas verwendet werden. Durch die Erfindung kann ein Anfahrofen in der Ammoniaksynthese eingespart werden, da die notwendige Aktivierungsenergie für die Ammoniakreaktion aus vorhandenen Quellen innerhalb des Ammoniakprozesses bereitgestellt wird.The present invention relates to a process for the production of ammonia by catalytic conversion of a nitrogen and hydrogen-containing synthesis gas mixture, the ammonia synthesis catalyst being heated in a start-up phase when the reaction is started in order to generate the required activation energy for the ammonia synthesis reaction and, according to the invention, a hot process gas for this heating is used, which is obtained in one of the process steps of the production process upstream of the ammonia synthesis reaction (36). For this purpose, a hot process gas generated in a carbon monoxide converter (11) of the system or, alternatively, a hot process gas generated in a methanation unit (30) of the system can be used. The invention makes it possible to save a start-up furnace in the ammonia synthesis, since the necessary activation energy for the ammonia reaction is provided from existing sources within the ammonia process.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak durch katalytische Umsetzung eines Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Synthesegasgemisches, wobei in einer Anfahrphase beim Starten der Reaktion der Ammoniaksynthesekatalysator erwärmt wird, um die erforderliche Aktivierungsenergie für die Ammoniaksynthesereaktion aufzubringen, wobei für dieses Erwärmen ein heißes Prozessgas verwendet wird, welches in einem der der Ammoniaksynthesereaktion vorgeschalteten Prozessschritte des Herstellungsverfahrens anfällt.The present invention relates to a method for producing ammonia by catalytic conversion of a nitrogen and hydrogen-containing synthesis gas mixture, the ammonia synthesis catalyst being heated in a start-up phase when the reaction is started in order to generate the required activation energy for the ammonia synthesis reaction, a hot process gas being used for this heating which is obtained in one of the process steps of the manufacturing process preceding the ammonia synthesis reaction.
Ein elementarer Bestandteil im Verfahren der Ammoniakherstellung, basierend auf dem bekannten Haber-Bosch-Verfahren, ist die exotherme Reaktion von Wasserstoff und Stickstoff zu Ammoniak in einem ungefähren Verhältnis von 3 : 1. Dabei kommt üblicherweise ein eisenhaltiger Katalysator zum Einsatz.An elementary component in the process of ammonia production, based on the well-known Haber-Bosch process, is the exothermic reaction of hydrogen and nitrogen to form ammonia in an approximate ratio of 3: 1. An iron-containing catalyst is usually used.
Um die exotherme Ammoniakreaktion zu starten und damit den fortlaufenden Betrieb zu gewährleisten zu können, ist zunächst die erforderliche Aktivierungsenergie für die Reaktion bereitzustellen. Dies geschieht üblicherweise durch einen extern beheizten Anfahrofen. Die bereitzustellende Wärme im Anfahrofen wird standardmäßig mittels Verbrennung von Kohlenwasserstoffen bereitgestellt.In order to start the exothermic ammonia reaction and thus be able to guarantee continued operation, the activation energy required for the reaction must first be provided. This is usually done by an externally heated start-up furnace. The heat to be provided in the start-up furnace is usually provided by burning hydrocarbons.
Der Betrieb und insbesondere das Starten des Anfahrofens gestalten sich in der Praxis in vielen Fällen als schwierig und sind oft mit Problemen behaftet. Hinzu kommt, dass der Anfahrofen lediglich die Aufgabe des Aufwärmens des Ammoniaksynthesekatalysators erfüllt und danach wieder abgestellt wird. Der Aufwärmvorgang des Ammoniaksynthesekatalysators erstreckt sich dabei über mehrere Stunden. Einen permanenten Nutzungszweck gibt es nicht.The operation and especially the starting of the start-up furnace turn out to be difficult in practice in many cases and are often fraught with problems. In addition, the start-up furnace only fulfills the task of warming up the ammonia synthesis catalyst and is then switched off again. The warm-up process of the ammonia synthesis catalyst takes several hours. There is no permanent use.
Die
In der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Synthese von Ammoniak mit Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators mit den Merkmalen der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, welches es ermöglicht, den Anfahrofen in der Ammoniaksynthese einzusparen und die notwendige Aktivierungsenergie anderweitig aus vorhandenen Quellen innerhalb des Ammoniakprozesses bereitzustellen.The object of the present invention is to provide an improved method for the synthesis of ammonia with preheating of the ammonia synthesis catalyst with the features of the type mentioned above, which makes it possible to save the start-up furnace in the ammonia synthesis and the necessary To provide activation energy elsewhere from existing sources within the ammonia process.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe liefert ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The solution to the aforementioned object is provided by a method of the type mentioned at the beginning with the features of claim 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das heiße Prozessgas durch eine nach Art eines Wärmetauschers ausgebildete Einrichtung zur Vorwärmung geleitet wird, die in einen separaten Leitungskreislauf eingebunden ist, welcher im regulären Betrieb der Anlage nicht von dem der Ammoniaksynthesereaktion zugeführten Synthesegas durchströmt wird.According to the invention, it is provided that the hot process gas is passed through a device designed in the manner of a heat exchanger for preheating, which is integrated into a separate line circuit through which the synthesis gas supplied to the ammonia synthesis reaction does not flow during regular operation of the plant.
Der generelle Ansatz zur Lösung der vorliegenden Problemstellung ist die Verwendung von heißem Prozessgas aus einem oder mehreren der Ammoniaksynthese vorgeschalteten Prozessschritten. Da für die Bereitstellung der notwendigen Aktivierungsenergie der Ammoniaksynthese eine prozessseitige Temperatur von mindestens etwa 400 °C vorliegen sollte, eignen sich insbesondere zwei Quellen aus den vorherigen Prozessschritten besonders gut, um diese Aufgabe zu erfüllen.The general approach to solving the problem at hand is the use of hot process gas from one or more process steps preceding the ammonia synthesis. Since a process-side temperature of at least about 400 ° C. should be present to provide the necessary activation energy for ammonia synthesis, two sources from the previous process steps are particularly suitable for performing this task.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren wenigstens eine Dampfreformierung sowie wenigstens eine Kohlenmonoxid-Konvertierung stromabwärts der Dampfreformierung, wobei das in der Kohlenmonoxid-Konvertierung erzeugte heiße Prozessgas stromabwärts von dieser durch die als Wärmetauscher ausgebildete Einrichtung zur Vorwärmung geleitet wird, durch welche im Gegenstrom ein kälterer Gasstrom geleitet und erwärmt wird, welcher zum Aufwärmen des Ammoniaksynthesekatalysators im Ammoniakkonverter dient.The method according to the invention preferably comprises at least one steam reforming and at least one carbon monoxide conversion downstream of the steam reforming, the hot process gas generated in the carbon monoxide conversion being passed downstream of this through the device designed as a heat exchanger for preheating, through which a colder gas flow is passed in countercurrent and is heated, which is used to warm up the ammonia synthesis catalyst in the ammonia converter.
Als erste im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugte Möglichkeit (Variante
Bei der Dampfreformierung wird im Primärreformer ein Kohlenwasserstoffe enthaltender Einsatzgasstrom (üblicherweise Erdgas) mit Dampf umgesetzt gemäß der nachfolgend aufgeführten Reaktionsgleichung (
Die Aufgabe der Kohlenmonoxid-Konvertierung ist es, das im Prozessgas befindliche Kohlenmonoxid (CO) mittels katalytischer Reaktion mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff umzuwandeln, gemäß der nachfolgenden Reaktionsgleichung (
Die vorgenannte Reaktion verläuft exotherm.The aforementioned reaction is exothermic.
Eine gegebenenfalls mögliche Abwandlung dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das in der Kohlenmonoxid-Konvertierung erzeugte heiße Prozessgas stromabwärts von dieser aufgeteilt wird und nur ein Teilstrom dieses heißen Prozessgases zur Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators im Ammoniakkonverter verwendet wird.A possibly possible modification of this variant of the method according to the invention provides that the hot process gas generated in the carbon monoxide conversion is divided downstream of it and only a partial flow of this hot process gas is used to warm up the ammonia synthesis catalyst in the ammonia converter.
Das die Kohlenmonoxid-Konvertierung verlassende, für die Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators verwendete, heiße Prozessgas kann insbesondere eine Temperatur von 400 °C bis 500 °C aufweisen.The hot process gas which leaves the carbon monoxide conversion and is used for heating up the ammonia synthesis catalyst can in particular have a temperature of 400.degree. C. to 500.degree.
Bei der ersten Verfahrensvariante kann somit das Gas vollständig oder auch nur teilweise bei einer Temperatur von beispielsweise zwischen etwa 400 °C und 500 °C durch einen Wärmetauscher geleitet werden, durch welchen auf der anderen Seite das relativ kältere Gas zur Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators strömt.In the first variant of the method, the gas can thus be passed completely or only partially at a temperature of, for example, between about 400 ° C and 500 ° C through a heat exchanger, through which the relatively colder gas flows on the other side to warm up the ammonia synthesis catalyst.
Üblicherweise befindet sich hinter der Hochtemperatur-Kohlenmonoxid-Konvertierung eine Abwärmenutzung, zum Beispiel in Form eines Kesselspeisewasservorwärmers, welcher Wärme aus der exothermen Kohlenmonoxid-Konvertierung gemäß Reaktion (
Für die gängigen Ammoniakproduktionskapazitäten zwischen beispielsweise etwa 1000 und etwa 3300 Tagestonnen bewegt sich die bereitzustellende Energie für die Erwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators im Bereich von etwa 7 bis etwa 20 MegaWatt. Bei dieser Variante der Erfindung sind keine nennenswerten Veränderungen in der Prozessführung notwendig.For the common ammonia production capacities between, for example, approximately 1000 and approximately 3300 tons per day, the energy to be provided for heating the ammonia synthesis catalyst ranges from approximately 7 to approximately 20 Megawatt. In this variant of the invention, no noteworthy changes in the process management are necessary.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Variante der Erfindung umfasst das Verfahren wenigstens eine Methanisierung und das bei der Methanisierung entstehende heiße Prozessgas wird stromabwärts der Methanisierung ganz oder nur teilweise durch die als Wärmetauscher ausgebildete Einrichtung zur Vorwärmung geleitet, durch welche im Gegenstrom ein kälterer Gasstrom geleitet und erwärmt wird, welcher zum Aufwärmen des Ammoniaksynthesekatalysators im Ammoniakkonverter dient.According to a second preferred variant of the invention, the method comprises at least one methanation and the hot process gas resulting from the methanation is wholly or only partially passed downstream of the methanation through the device designed as a heat exchanger for preheating, through which a colder gas flow is passed and heated in countercurrent , which is used to warm up the ammonia synthesis catalyst in the ammonia converter.
Eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung alternative Möglichkeit, um die entsprechende Aktivierungsenergie für den Katalysator in der Ammoniaksynthese bereitzustellen, besteht somit in der Verwendung der exothermen Reaktionsenergie aus der Methanisierung. Die Aufgabe der Methanisierung besteht darin, die für die anschließende Ammoniakreaktion schädlichen Restspuren an Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) aus dem Prozessgas zu entfernen. Dies geschieht durch eine katalytische Reaktion, in welcher die im Prozessgas verbleibenden Anteile an CO und CO2 mit dem im Prozessgas befindlichen Wasserstoff H2 entsprechend den nachfolgenden Reaktionsgleichungen (
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist das für die Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators verwendbare, aus der Methanisierung austretende, heiße Prozessgas eine Temperatur von wenigstens 390 °C, vorzugsweise eine Temperatur von wenigstens 400 °C, besonders bevorzugt eine Temperatur von wenigstens 410 °C auf. Dabei kann das aus der Methanisierung austretende heiße Gas in einem Wärmetauscher ganz oder nur teilweise verwendet werden, um das auf der anderen Seite des Wärmetauschers strömende kalte Gas zur Erwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators vorzuwärmen. In diesem Fall kann ein Teil der Reaktionswärme aus der Methanisierung für den Anfahrvorgang des Ammoniaksynthesekreislaufes verwendet werden.In the process according to the invention, the hot process gas exiting from the methanation which can be used for heating the ammonia synthesis catalyst has a temperature of at least 390 ° C., preferably a temperature of at least 400 ° C., particularly preferably a temperature of at least 410 ° C. The hot gas emerging from the methanation can be used entirely or only partially in a heat exchanger in order to preheat the cold gas flowing on the other side of the heat exchanger to heat the ammonia synthesis catalyst. In this case, part of the heat of reaction from the methanation can be used for the start-up process of the ammonia synthesis cycle.
Üblicherweise wird nach dem Stand der Technik das aus der Methanisierung austretende Gas mit einer Temperatur von beispielsweise ca. 330 °C in einem Gas-Gas-Wärmetauscher (GGT) dazu verwendet, das in die Methanisierung eintretende Prozessgas auf die erforderliche Aktivierungstemperatur der Methanisierungsreaktion vorzuwärmen. Die erforderliche Aktivierungstemperatur für die Methanisierung beträgt ungefähr 300 °C. Bedingt durch die Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators würde dementsprechend für die Einstellung der Eintrittstemperatur in die Methanisierung weniger Energie zur Verfügung stehen.Usually, according to the state of the art, the gas exiting the methanation with a temperature of, for example, approx. 330 ° C is used in a gas-gas heat exchanger (GGT) to preheat the process gas entering the methanation to the required activation temperature of the methanation reaction. The required activation temperature for methanation is approximately 300 ° C. As a result of the warming up of the ammonia synthesis catalyst, less energy would be available for setting the inlet temperature in the methanation.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist das in die Methanisierung eintretende Prozessgas eine minimale Temperatur von 300 °C, vorzugsweise eine minimale Temperatur von 320 °C, besonders bevorzugt eine minimale Temperatur von 330 °C auf.In the method according to the invention, the process gas entering the methanation has a minimum temperature of 300 ° C, preferably a minimum temperature of 320 ° C, particularly preferably a minimum temperature of 330 ° C.
Vorzugsweise wird gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein der Methanisierung im Strömungsweg vorgeschalteter Anfahrvorwärmer für die Einstellung der Eintrittstemperatur des Prozessgases in die Methanisierung verwendet. Da auch im normalen Anlagenbetrieb bei frischem Katalysator in der Methanisierung die exotherme Reaktionsenergie aus der Methanisierung üblicherweise nicht ausreicht, um die erforderlichen 300 °C am Eintritt der Methanisierung bereitzustellen, ist bei einer bevorzugten Konzeption der erfindungsgemäßen Anlage dem Methanisierungsreaktor ein Anfahrvorwärmer vorgeschaltet. Der Anfahrvorwärmer stellt die Wärme für die Einstellung der Methanisierungseintrittstemperatur in den meisten Fällen durch die Kondensation von Hochdruckdampf zur Verfügung, der aus der Dampftrommel aus den vorgeschalteten Prozessschritten entnommen werden kann. Diese Methode kann auch dann angewendet werden, wenn ein Teil der Wärme aus der Methanisierungsreaktion für die Vorwärmung des Katalysators in der Ammoniaksynthese verwendet werden soll.According to a further development of the method according to the invention, a start-up preheater connected upstream of the methanation in the flow path is preferably used for setting the inlet temperature of the process gas into the methanation. Since the exothermic reaction energy from the methanation is usually not sufficient to provide the required 300 ° C at the start of the methanation even in normal plant operation with a fresh catalyst in the methanation, a start-up preheater is connected upstream of the methanation reactor in a preferred design of the plant according to the invention. The start-up preheater provides the heat for setting the methanation inlet temperature in most cases through the condensation of high-pressure steam, which can be taken from the steam drum from the upstream process steps. This method can also be used if part of the heat from the methanation reaction is to be used to preheat the catalyst in the ammonia synthesis.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das aus der Methanisierung austretende heiße Prozessgas mindestens teilweise durch einen der Methanisierung zugeordneten Gas/Gas-Wärmetauscher geleitet und dazu verwendet, das der Methanisierung zugeführte Prozessgas vorzuwärmen.According to a preferred development of the method according to the invention, the hot process gas emerging from the methanation is at least partially passed through a gas / gas heat exchanger assigned to the methanation and used to preheat the process gas fed to the methanation.
Dabei kann weiterhin zusätzlich ein der Methanisierung im Strömungsweg vorgeschalteter Anfahrvorwärmer für die Einstellung der Eintrittstemperatur des Prozessgases in die Methanisierung verwendet werden.A start-up preheater upstream of the methanation in the flow path can also be used to set the inlet temperature of the process gas in the methanation.
Besonders bevorzugt wird das Prozessgas vor Eintritt in die Methanisierung zunächst durch einen Gas/Gas-Wärmetauscher und danach durch einen Anfahrvorwärmer geleitet.Particularly preferably, the process gas is first passed through a gas / gas heat exchanger and then through a start-up preheater before entering the methanation.
Die Temperatur am Austritt der Methanisierung beträgt unter normalen Prozessbedingungen beispielsweise etwa 330 °C bis 340 °C und wird beeinflusst durch den Gehalt an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid im Eintrittsgas in die Methanisierung. Unter normalen Prozessbedingungen beträgt der CO-Gehalt des in die Methanisierung eintretenden Eintrittsgases beispielsweise etwa 0,3 Vol.-% und der CO2-Gehalt beträgt dort beispielsweise etwa 0,05 Vol.-%. Der CO-Gehalt wird im vorgeschalteten (in der Regel mehrstufigen) Schritt der CO-Konvertierung und der CO2-Gehalt wird im vorgeschalteten Schritt der CO2-Reinigung eingestellt. Die in der Methanisierung stattfindenden Reaktionen von CO und CO2 zu Methan und Wasser gemäß den obigen Reaktionsgleichungen (
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren wenigstens einen Verfahrensschritt zur Entfernung von Kohlendioxid (CO2-Wäsche) aus dem Prozessgas in einer dazu vorgesehenen Einrichtung vor der Einleitung des Prozessgases in den Ammoniakkonverter und stromaufwärts der Methanisierung, wobei ein Teilstrom des Prozessgases direkt der Methanisierung unter Umgehung dieser Einrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid zugeführt wird. Da für die Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators im Idealfall eine Vorwärmtemperatur von beispielsweise etwa 380 °C vorliegen sollte, ist unter Berücksichtigung einer moderaten Wärmeaustauschfläche im Wärmeüberträger zwischen Methanisierung und Ammoniakkatalysatorvorwärmer eine Austritttemperatur aus der Methanisierung in der Größenordnung von etwa 400 °C vorteilhaft. Um nun die erforderliche Austrittstemperatur aus der Methanisierung zu erreichen, führt man vorzugsweise einen Teil des Prozessgases (vorzugsweise etwa 5 bis 10 % der molaren Menge) um die CO2-Wäsche herum, um so den CO2-Gehalt im Prozessgas vor der Methanisierung künstlich zu erhöhen. Dadurch kann die exotherme Reaktion in der Methanisierung verstärkt und die Austrittstemperatur aus der Methanisierung entsprechend auf die erforderliche Temperatur eingestellt werden.According to a preferred development of the invention, the method comprises at least one method step for removing carbon dioxide (CO 2 scrubbing) from the process gas in a device provided for this purpose before the process gas is introduced into the ammonia converter and upstream of the methanation, with a partial flow of the process gas directly from the Methanation is supplied bypassing this facility for removing carbon dioxide. Since ideally a preheating temperature of, for example, about 380 ° C should be present for preheating the ammonia synthesis catalyst, an exit temperature from the methanation of around 400 ° C is advantageous, taking into account a moderate heat exchange surface in the heat exchanger between the methanation and ammonia catalyst preheater. In order to achieve the required exit temperature from the methanation, a part of the process gas (preferably about 5 to 10% of the molar amount) is preferably passed around the CO 2 scrubbing in order to artificially reduce the CO 2 content in the process gas before the methanation to increase. As a result, the exothermic reaction in the methanation can be intensified and the outlet temperature from the methanation can be adjusted accordingly to the required temperature.
Bei den hierin beschriebenen alternativen Varianten zur Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators ist die Dauer der Vorwärmung des Synthesekatalysators ein relevanter Einflussfaktor. Im kalten Zustand des Ammoniakkonverters zu Beginn der Vorwärmung beträgt die Prozessgastemperatur in der Einrichtung zur Vorwärmung (Start-up-Heater) für den Katalysator der Ammoniaksynthese beispielsweise etwa 50 °C bis etwa 80 °C. Bei einer ungefähren Rate von beispielsweise etwa 80 °C bis etwa 100 °C pro Stunde dauert der Vorgang des Vorwärmens des Ammoniaksynthesekatalysators im Durchschnitt beispielsweise etwa 4 bis etwa 6 Stunden. In diesem Zeitraum ändert sich mit fortlaufender Dauer auch die Anforderung an die Start-up-Heater-Leistung der Ammoniaksynthese. Je wärmer der Katalysator wird, desto weniger Wärme muss durch den Start-up-Heater der Ammoniaksynthese bereitgestellt werden. Diese sich verändernden Anforderungen an den Start-Up-Heater der Ammoniaksynthese können auf unterschiedliche Art und Weise in den in der vorliegenden Anmeldung aufgeführten bevorzugten Prozessalternativen berücksichtigt werden.In the alternative variants for preheating the ammonia synthesis catalyst described herein, the duration of the preheating of the synthesis catalyst is a relevant influencing factor. In the cold state of the ammonia converter at the beginning of the preheating, the process gas temperature in the device for preheating (start-up heater) for the ammonia synthesis catalyst is, for example, about 50 ° C to about 80 ° C. At an approximate rate of, for example, about 80 ° C. to about 100 ° C. per hour, the process of preheating the ammonia synthesis catalyst takes, on average, about 4 to about 6 hours, for example. During this period, the requirements for the start-up heater performance of the ammonia synthesis also change over time. The warmer the catalyst, the less heat has to be provided by the start-up heater for the ammonia synthesis. These changing requirements for the start-up heater for ammonia synthesis can be taken into account in different ways in the preferred process alternatives listed in the present application.
Bei der Variante gemäß
Bei der Variante gemäß
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Anlage zur Herstellung von Ammoniak umfassend wenigstens einen Ammoniakkonverter sowie diesem im Strömungsweg vorgeschaltete Aggregate zur Erzeugung und Aufbereitung eines in den Ammoniakkonverter einzuleitenden Synthesegases umfassend wenigstens eine Reformersektion, wenigstens eine dieser im Strömungsweg nachgeschaltete Kohlenmonoxid-Konvertierung sowie wenigstens eine Einrichtung zur Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators in einer Anfahrphase beim Starten der Reaktion, um die erforderliche Aktivierungsenergie für die Ammoniaksynthesereaktion aufzubringen, wobei erfindungsgemäß als Einrichtung zur Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators wenigstens eine als Wärmetauscher ausgebildete Einrichtung zur Vorwärmung vorgesehen ist, welche stromabwärts der Kohlenmonoxid-Konvertierung angeordnet ist und einerseits von einem heißen Prozessgas durchströmt wird und welche andererseits eingangsseitig in Wirkverbindung mit wenigstens einer Leitung für einen kälteren Gasstrom von in der Anlage aufbereitetem Synthesegas steht, im Wärmetausch zu dem heißen Prozessgas, und ausgangsseitig über wenigstens eine Leitung mit dem Ammoniakkonverter in Wirkverbindung steht.The present invention also relates to a plant for the production of ammonia comprising at least one ammonia converter and units upstream of this in the flow path for generating and processing a synthesis gas to be fed into the ammonia converter comprising at least one reformer section, at least one carbon monoxide conversion downstream of this in the flow path and at least one device for preheating the ammonia synthesis catalyst in one Start-up phase when starting the reaction in order to generate the necessary activation energy for the ammonia synthesis reaction, whereby according to the invention at least one device designed as a heat exchanger for preheating is provided as a device for preheating the ammonia synthesis catalyst, which device is arranged downstream of the carbon monoxide conversion and on the one hand is flowed through by a hot process gas and which, on the other hand, is in operative connection on the input side with at least one line for a colder gas stream of synthesis gas processed in the plant, in heat exchange with the hot process gas, and on the output side in operative connection with the ammonia converter via at least one line.
Ein wesentliches Element der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Einrichtung zur Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators in einen eigenen separaten Leitungskreislauf eingebunden ist, welcher vorzugsweise über Ventile oder dergleichen absperrbar ist, so dass man heißes Prozessgas, welches in einem stromaufwärts dieser Einrichtung anfallenden Anlagenteil anfällt, in einer Anfahrphase durch diese Einrichtung leiten kann und das dem Ammoniakkonverter zugeführte Synthesegas in der Anfahrphase zwecks Vorwärmung durch Wärmetausch ebenfalls durch diese Einrichtung geleitet werden kann. Im regulären Betrieb der Anlage kann man hingegen den genannten separaten Leitungskreislauf gegebenenfalls absperren und das in der Anlage erzeugte Synthesegas direkt dem Ammoniaksynthesereaktor zuführen, da eine Vorwärmung nicht mehr erforderlich ist.An essential element of the solution according to the invention is that the device for preheating the ammonia synthesis catalyst is integrated into its own separate line circuit, which can preferably be shut off via valves or the like, so that hot process gas, which is produced in a system part upstream of this device, is in a start-up phase can pass through this device and the synthesis gas fed to the ammonia converter in the start-up phase for the purpose of preheating by heat exchange can also be passed through this device. In normal operation of the plant, on the other hand, the above-mentioned separate line circuit can optionally be shut off and the synthesis gas generated in the plant can be fed directly to the ammonia synthesis reactor, since preheating is no longer necessary.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass man die Einrichtung zur Vorwärmung wahlweise mit unterschiedlichen Anlagenteilen verschalten kann, in denen heiße Prozessgase anfallen, beispielsweise mit einer Kohlenmonoxid-Konvertierung oder mit einer Einrichtung zur Methanisierung. Dies sind Anlagenteile, die in der Regel in einer Ammoniakanlage vorhanden sind und bei denen ausgangsseitig Prozessgase mit gegebenenfalls unterschiedlichen Temperaturen anfallen, so dass die in diesen Prozessgasen gespeicherte Wärmeenergie je nach Bedarf gezielt und variabel für die Vorwärmung des Synthesegases, welches dem Ammoniakkonverter zugeführt wird, genutzt werden kann.Another advantage of the invention is that the device for preheating can optionally be connected to different system parts in which hot process gases arise, for example with a carbon monoxide conversion or with a device for methanation. These are system parts that are usually present in an ammonia system and in which process gases with possibly different temperatures occur on the outlet side, so that the thermal energy stored in these process gases is targeted and variable for preheating the synthesis gas that is fed to the ammonia converter, as required, can be used.
Der vorgenannte separate Leitungskreislauf für die Einrichtung zur Vorwärmung ist vorzugsweise derart in das Leitungssystem der Anlage eingebunden, dass das Synthesegas stromabwärts des Synthesegaskompressors in diesen separaten Leitungskreislauf einströmen kann und nach der Vorwärmung in der Einrichtung dann dem Ammoniaksynthesereaktor zugeführt wird. Dieser separate Leitungskreislauf wird in der Regel nur in der Anfahrphase der Anlage von dem Synthesegas durchströmt, während dieses im regulären Betrieb durch wenigstens eine alternative Leitung vom Synthesegaskompressor direkt zum Ammoniaksynthesereaktor strömen kann.The aforementioned separate line circuit for the device for preheating is preferably integrated into the line system of the plant in such a way that the synthesis gas can flow into this separate line circuit downstream of the synthesis gas compressor and is then fed to the ammonia synthesis reactor after being preheated in the device. This separate line circuit is generally only flowed through by the synthesis gas in the start-up phase of the plant, while this can flow through at least one alternative line from the synthesis gas compressor directly to the ammonia synthesis reactor in regular operation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist die Einrichtung zur Vorwärmung stromabwärts einer ersten Kohlenmonoxid-Konvertierung der Anlage angeordnet und wird von einem in der ersten Kohlenmonoxid-Konvertierung erzeugten heißen Prozessgas durchströmt, wobei die Einrichtung zur Vorwärmung stromaufwärts einer zweiten Kohlenmonoxid-Konvertierung der Anlage angeordnet ist. Bei dieser Variante der Ausbildung der Anlage kann die in der ersten Kohlenmonoxid-Konvertierung auftretende Erwärmung des Prozessgases für die Vorwärmung des Synthesegases genutzt werden, bevor dieses in den Ammoniakkonverter gelangt. Die erste Kohlenmonoxid-Konvertierung kann beispielsweise bei einer vergleichsweise höheren Temperatur arbeiten, während die zweite, stromabwärts von dieser, angeordnete Kohlenmonoxid-Konvertierung vorzugsweise eine Niedertemperatur-CO-Konvertierung ist, in der eine zusätzliche Wassergas-Shift-Reaktion abläuft. Häufig umfassen Anlagen zur Aufbereitung des Synthesegases für eine Ammoniakreaktion zwei solche Kohlenmonoxid-Konvertierungen, die hintereinander geschaltet sind und bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten.According to a preferred embodiment of the invention, the device for preheating is arranged downstream of a first carbon monoxide conversion of the system and a hot process gas generated in the first carbon monoxide conversion flows through it, the device for preheating being arranged upstream of a second carbon monoxide conversion of the system . In this variant of the design of the system, the heating of the process gas that occurs in the first carbon monoxide conversion can be used to preheat the synthesis gas before it gets into the ammonia converter. The first carbon monoxide conversion can work, for example, at a comparatively higher temperature, while the second carbon monoxide conversion, arranged downstream of this, is preferably a low-temperature CO conversion, in which an additional water-gas shift reaction takes place. Systems for processing the synthesis gas for an ammonia reaction often include two such carbon monoxide conversions, which are connected in series and work at different temperatures.
Bei einer Variante der erfindungsgemäßen Anlage ist die Einrichtung zur Vorwärmung stromabwärts einer Methanisierung der Anlage angeordnet und wird von einem in der Methanisierung erzeugten heißen Prozessgas durchströmt. Bei dieser Variante wird somit anstelle des heißen Prozessgasstroms aus der Kohlenmonoxid-Konvertierung die Wärme eines Prozessgasstroms aus der Methanisierung genutzt, welche in der Regel Bestandteil einer Ammoniakanlage ist.In a variant of the system according to the invention, the device for preheating is arranged downstream of a methanation of the system and a hot process gas generated in the methanation flows through it. In this variant, instead of the hot process gas flow from the carbon monoxide conversion, the heat of a process gas flow from the methanation, which is usually part of an ammonia plant, is used.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Anlage weiterhin wenigstens eine Einrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid aus dem Prozessgas, welche bevorzugt stromaufwärts der Methanisierung angeordnet ist, wobei weiterhin wenigstens eine Leitung vorgesehen ist, welche von dem Prozessgas unter Umgehung der Einrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid durchströmbar ist, bevor das Prozessgas in die Methanisierung gelangt. In der Regel ist bei Ammoniakanlagen eine so genannte CO2-Wäsche vorhanden, welche die Aufgabe hat, das bei dem vorhergehenden CO-Shift erzeugte CO2 zumindest weitgehend zu entfernen. Wenn man einen Teil des Prozessgases (vorzugsweise etwa 5 bis 10 % der molaren Menge) um die CO2-Wäsche herum führt, kann man den CO2-Gehalt im Prozessgas vor der Methanisierung künstlich erhöhen. Dadurch kann die exotherme Reaktion in der Methanisierung verstärkt und die Austrittstemperatur aus der Methanisierung entsprechend auf die erforderliche Temperatur eingestellt werden.The system according to the invention preferably further comprises at least one device for removing carbon dioxide from the process gas, which is preferably arranged upstream of the methanation, wherein at least one line is also provided through which the process gas can flow, bypassing the device for removing carbon dioxide, before the Process gas enters the methanation. As a rule, so-called CO 2 scrubbing is present in ammonia plants, which has the task of at least largely removing the CO 2 generated during the previous CO shift. If part of the process gas (preferably about 5 to 10% of the molar amount) is passed around the CO 2 scrubbing, the CO 2 content in the process gas can be artificially increased before the methanation. This can intensify the exothermic reaction in the methanation and the exit temperature from the methanation adjusted accordingly to the required temperature.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Anlage weiterhin eine von der Einrichtung zur Vorwärmung ausgangsseitig zu einem Gas/Gas-Wärmetauscher der Methanisierungseinheit zurück führende Leitung, wobei vorzugsweise weiterhin eine von heißem Prozessgas aus der Methanisierung durchströmte Leitung zu dem Gas/Gas-Wärmetauscher führt. Der der Methanisierung zugeordnete Gas/Gas-Wärmetauscher wird dazu verwendet, das der Methanisierung zugeführte Prozessgas vorzuwärmen. Sofern das in der vorgenannten zurück führenden Leitung strömende Prozessgas nach Durchströmen der Einrichtung zur Vorwärmung noch eine genügend hohe Temperatur aufweist, kann man diese Wärme nutzen, um in dem Gas/Gas-Wärmetauscher das Prozessgas zu erwärmen, welches der Methanisierung zugeführt wird.The system according to the invention preferably further comprises a line leading back from the device for preheating on the output side to a gas / gas heat exchanger of the methanation unit, wherein preferably a line through which hot process gas from the methanation flows also leads to the gas / gas heat exchanger. The gas / gas heat exchanger assigned to the methanation is used to preheat the process gas supplied to the methanation. If the process gas flowing in the aforementioned return line still has a sufficiently high temperature after flowing through the device for preheating, this heat can be used to heat the process gas in the gas / gas heat exchanger, which is fed to the methanation.
Ausgangsseitig bezüglich des sich bei dem Wärmetausch abkühlenden Prozessgasstroms steht der Gas/Gas-Wärmetauscher vorzugsweise über eine Leitung mit dem Ammoniakkonverter in Wirkverbindung, wobei dem Ammoniakkonverter in der Regel ein Synthesegaskompressor vorgeschaltet ist, um das Prozessgas auf den für die Ammoniakreaktion erforderlichen Druck zu bringen. Anschließend gelangt das temperierte Synthesegas entweder-im regulären Betrieb der Anlage-direkt in den Ammoniakkonverter oder-in der Anfahrphase durchströmt das von dem Gas/Gas-Wärmetauscher kommende Prozessgas zunächst die oben beschriebene Einrichtung zur Vorwärmung und wird dann dem Ammoniakkonverter zugeführt.On the output side with respect to the process gas stream that cools during the heat exchange, the gas / gas heat exchanger is preferably in operative connection with the ammonia converter via a line, with a synthesis gas compressor usually being connected upstream of the ammonia converter in order to bring the process gas to the pressure required for the ammonia reaction. The temperature-controlled synthesis gas then either enters the ammonia converter directly during regular operation of the plant or, in the start-up phase, the process gas coming from the gas / gas heat exchanger initially flows through the preheating device described above and is then fed to the ammonia converter.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer beispielhaften, für das erfindungsgemäße Verfahren verwendbaren Anlage gemäß einer ersten möglichen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer beispielhaften, für das erfindungsgemäße Verfahren verwendbaren Anlage gemäß einer zweiten möglichen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
-
1 a schematically simplified representation of an exemplary plant that can be used for the method according to the invention according to a first possible embodiment variant of the present invention; -
2 a schematically simplified representation of an exemplary plant that can be used for the method according to the invention according to a second possible embodiment variant of the present invention.
Nachfolgend wird zunächst unter Bezugnahme auf die
Im Anschluss an diese Reaktion kann bei Verwendung eines Sekundärreformers eine weitere Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Sauerstoff oder Luft vorgesehen sein, wobei weiterer Wasserstoff erzeugt wird gemäß der nachfolgend wiedergegebenen Reaktionsgleichung (
Das auf diese Weise in der Reformersektion
Die vorgenannte Reaktion verläuft exotherm. In vielen Fällen werden zwei aufeinanderfolgende CO-Konvertierungen vorgenommen, wobei die erste Einrichtung, die in der
In der Aufwärmphase der Anlage wird hingegen gemäß der Erfindung das die Hochtemperatur-CO-Konvertierung
Nachfolgend werden zunächst die weiteren Komponenten der in
In der Methanisierung werden die im Prozessgas noch enthaltenen Restanteile an Kohlendioxid sowie gegebenenfalls Kohlenmonoxid gemäß den bereits eingangs in der Anmeldung angeführten Reaktionsgleichungen (
Da diese Reaktion exotherm erfolgt, kommt es in der Methanisierung
In der Anfahrphase der Anlage ist es jedoch erforderlich, das Synthesegas vorzuwärmen, da der Katalysator für die Ammoniakreaktion eine gewisse Mindesttemperatur benötigt. In diesem Fall ist daher das Ventil
Die Leitung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
Der Anlagenbereich mit dem Kesselspeisewasservorwärmer
Bei geöffnetem Ventil
Bei der Variante gemäß
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- ReformersektionReformer section
- 1111
- Hochtemperatur-CO-KonvertierungHigh temperature CO conversion
- 1212
- Leitung/WirkverbindungLine / operative connection
- 1313
- AbzweigungJunction
- 1414th
- Leitungmanagement
- 1515th
- VentilValve
- 1616
- AbzweigungJunction
- 1717th
- Leitungmanagement
- 1818th
- KesselspeisewasservorwärmerBoiler feed water preheater
- 1919th
- Leitungmanagement
- 2020th
- Niedertemperatur-CO-KonvertierungLow temperature CO conversion
- 2121st
- Leitungmanagement
- 2222nd
- Wärmetauscher zur WärmerückgewinnungHeat exchanger for heat recovery
- 2323
- Leitungmanagement
- 2424
- CO2-WäscheCO 2 washing
- 2525th
- Leitungmanagement
- 2626th
- Gas/Gas-WärmetauscherGas / gas heat exchanger
- 2727
- Leitungmanagement
- 2828
- Anfahrvorwärmer für MethanisierungStart-up preheater for methanation
- 2929
- Leitungmanagement
- 3030th
- MethanisierungMethanation
- 3131
- Leitungmanagement
- 3232
- Leitungmanagement
- 33 33
- SynthesegaskompressorSyngas compressor
- 3434
- Leitungmanagement
- 3535
- VentilValve
- 3636
- AmmoniakkonverterAmmonia converter
- 3737
- Leitungmanagement
- 3838
- VentilValve
- 3939
- Einrichtung zur Vorwärmung in der Anfahrphase/WärmetauscherDevice for preheating in the start-up phase / heat exchanger
- 4040
- Leitungmanagement
- 4141
- VentilValve
- 4242
- Leitungmanagement
- 4343
- VentilValve
- 4444
- Leitungmanagement
- 4545
- VentilValve
- 4646
- Leitungmanagement
- 4747
- VentilValve
- 4848
- VentilValve
- 4949
- Leitungmanagement
- 5050
- VentilValve
- 5151
- Leitungmanagement
- 5252
- VentilValve
- 5353
- VentilValve
- 5454
- AbzweigungJunction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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