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BE1029714B1 - Ammonia synthesis with CO2-neutral hydrogen - Google Patents

Ammonia synthesis with CO2-neutral hydrogen Download PDF

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Publication number
BE1029714B1
BE1029714B1 BE20215673A BE202105673A BE1029714B1 BE 1029714 B1 BE1029714 B1 BE 1029714B1 BE 20215673 A BE20215673 A BE 20215673A BE 202105673 A BE202105673 A BE 202105673A BE 1029714 B1 BE1029714 B1 BE 1029714B1
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BE
Belgium
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ammonia synthesis
pyrolysis reactor
hydrocarbon
ammonia
inlet
Prior art date
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BE20215673A
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German (de)
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BE1029714A1 (en
Inventor
Nicolai Antweiler
Karsten Büker
Bernd Keil
Original Assignee
Thyssenkrupp Ag
Thyssenkrupp Ind Solutions Ag
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Publication date
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Priority to AU2022334692A priority patent/AU2022334692B2/en
Priority to PCT/EP2022/073396 priority patent/WO2023025759A1/en
Priority to EP22768412.3A priority patent/EP4392361A1/en
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur CO2–neutralen Wasserstoffherstellung und anschließenden Weiterverarbeitung zu Ammoniak.The present invention relates to a device and a method for the CO2-neutral production of hydrogen and subsequent further processing into ammonia.

Description

Ammoniaksynthese mit CO2-neutralem WasserstoffAmmonia synthesis with CO2-neutral hydrogen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur COz—neutralenThe invention relates to a device and a method for CO2 neutralization

Wasserstoffherstellung und anschließenden Weiterverarbeitung zu Ammoniak.Hydrogen production and subsequent processing to ammonia.

Heute wird der größte Teil des Wasserstoffs für die Ammoniaksynthese aus Methan mittels Dampfreformierung erzeugt. Aufgrund der großen Menge an hergestelltemToday, most of the hydrogen for ammonia synthesis is produced from methane using steam reforming. Due to the large volume of manufactured

Ammoniak hat dieses einen großen Einfluss auf die weltweiten CO2-Emissionen.Ammonia has a major impact on global CO2 emissions.

Es ist daher wünschenswert, die CO2 Emissionen zu reduzieren. Eine diskutierteIt is therefore desirable to reduce CO2 emissions. one discussed

Möglichkeit ist die Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen, beispielsweise aus Solarstrom. Aufgrund des hohenOne possibility is the production of hydrogen by means of electrolysis with electricity from renewable energy sources, for example from solar power. Because of the high

Energiebedarfs für die elektrochemische Wasserspaltung ist dieses Verfahren jedoch energetisch ungünstig und daher vergleichsweise teuer. Es hat jedoch eine hoheDue to the energy requirement for the electrochemical water splitting, however, this process is energetically unfavorable and therefore comparatively expensive. However, it has a high

Berechtigung bei der Umwandlung beispielsweise von Solarstrom beispielsweise inPermission in the conversion of, for example, solar power, for example, in

Ammoniak als eine leicht zu lagernde, leicht zu transportierende und leicht wieder zugänglich zu machende Energiespeicherform.Ammonia as an easy-to-store, easy-to-transport, and easy-to-recover form of energy storage.

Um jedoch den hohen Bedarf insbesondere in der Düngemittelindustrie kostensensitiv bedienen zu können, ist die Suche nach Alternativen sinnvoll.However, in order to be able to meet the high demand, especially in the fertilizer industry, in a cost-sensitive manner, it makes sense to look for alternatives.

Aus der US 7 094 384 B1 ist die thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen und die Synthese von Ammoniak bekannt.The thermal decomposition of hydrocarbons and the synthesis of ammonia is known from US Pat. No. 7,094,384 B1.

Aus der WO 2002 038 499 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Ammoniak aus einemWO 2002 038 499 A1 discloses a method for producing ammonia from a

Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch aus Erdgas bekannt.Known nitrogen-hydrogen mixture from natural gas.

Aus der US 2019 0144768 A1 ist die Synthese von Ammoniak bekannt.The synthesis of ammonia is known from US 2019 0144768 A1.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige aber CO2-freie Wasserstoffquelle für die großtechnische Ammoniaksynthese bereitzustellen.The object of the invention is to provide an inexpensive but CO2-free hydrogen source for large-scale ammonia synthesis.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenenThis object is achieved by the device specified in claim 1

Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen.Features and by the method with the features specified in claim 9.

° BE2021/5673° BE2021/5673

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgendenAdvantageous developments result from the subclaims below

Beschreibung sowie den Zeichnungen.description and the drawings.

Die erfindungsgemäße Ammoniaksynthesevorrichtung dient zur Erzeugung vonThe ammonia synthesis device according to the invention is used to generate

Wasserstoff und zur Umsetzung des Wasserstoffs in Ammoniak. Diehydrogen and to convert the hydrogen into ammonia. The

Ammoniaksynthesevorrichtung weist einen Konverter zur Umsetzung von Stickstoff undAmmonia synthesis device has a converter for converting nitrogen and

Wasserstoff zu Ammoniak auf. Entsprechende Konverter sind dem Fachmann bekannt und laufen üblicher Weise nach dem Haber-Bosch-Verfahren, also bei erhöhterhydrogen to ammonia. Corresponding converters are known to those skilled in the art and usually run according to the Haber-Bosch process, ie at an increased

Temperatur und hohem Druck an einem entsprechenden Katalysator. Weiter weist dieTemperature and high pressure on a corresponding catalyst. The

Ammoniaksynthesevorrichtung eine Abtrennungsvorrichtung zur Abtrennung desAmmonia synthesis device a separation device for separating the

Ammoniaks aus dem Gasstrom auf. Auch dieses ist aus dem klassischen Haber-Bosch-Ammonia from the gas stream. This is also from the classic Haber-Bosch

Verfahren bekannt. Die Ammoniaksynthesevorrichtung weist einen Edukteingang und einen Produktausgang auf, die Abtrennungsvorrichtung weist einen Gasgemischeingang und einen Eduktgasausgang auf. Der Produktausgang derprocedure known. The ammonia synthesis device has a reactant inlet and a product outlet, and the separation device has a gas mixture inlet and a reactant gas outlet. The product output of

Ammoniaksynthesevorrichtung ist mit dem Gasgemischeingang derAmmonia synthesis device is connected to the gas mixture input

Abtrennungsvorrichtung verbunden und der Eduktgasausgang derSeparation device connected and the educt gas outlet

Abtrennungsvorrichtung ist mit dem Edukteingang der Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden. Hierdurch wird nicht umgesetztes Gasgemisch aus Wasserstoff undSeparation device is connected to the educt input of the ammonia synthesis device. As a result, unreacted gas mixture of hydrogen and

Stickstoff in einem Kreis gefahren, wie auch dieses aus dem klassischen Haber-Bosch-nitrogen in a circle, like this one from the classic Haber-Bosch

Verfahren bekannt ist. Der Produktausgang der Ammoniaksynthesevorrichtung ist über einen ersten Wärmetauscher mit dem Gasgemischeingang der Abtrennungsvorrichtung verbunden. Hierdurch kann die bei der Ammoniaksynthese entstehende Wärme des exothermen Prozesses abgeführt werden.procedure is known. The product outlet of the ammonia synthesis device is connected to the gas mixture inlet of the separation device via a first heat exchanger. In this way, the heat of the exothermic process generated during the ammonia synthesis can be dissipated.

Erfindungsgemäß weist die Ammoniaksynthesevorrichtung einen Pyrolysereaktor zurAccording to the invention, the ammonia synthesis device has a pyrolysis reactor

Umsetzung von Kohlenwasserstoff in Kohlenstoff und Wasserstoff auf. DerConversion of hydrocarbon into carbon and hydrogen. The

Pyrolysereaktor weist einen Kohlenwasserstoffeingang und einen Wasserstoffausgang auf. Der Wasserstoffausgang des Pyrolysereaktors ist mit dem Edukteingang derPyrolysis reactor has a hydrocarbon inlet and a hydrogen outlet. The hydrogen output of the pyrolysis reactor is connected to the reactant input

Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden. Weiter ist der Eduktgasausgang derAmmonia synthesis device connected. Next is the educt gas outlet

Abtrennungsvorrichtung mit dem Kohlenwasserstoffeingang des Pyrolysereaktors verbunden. In einem Pyrolysereaktor wird ein Kohlenwasserstoff in Kohlenstoff (fest) undSeparation device connected to the hydrocarbon inlet of the pyrolysis reactor. In a pyrolysis reactor, a hydrocarbon is converted into carbon (solid) and

Wasserstoff (gasförmig) aufgetrennt. Hierdurch entsteht im Gegensatz zum derzeit üblichem Verfahren der Dampfreformierung und einer anschließenden Wassergas-Shift-Hydrogen (gaseous) separated. In contrast to the current process of steam reforming and a subsequent water-gas shift

Reaktion kein CO2, sondern Kohlenstoff in fester Form. Dieser kann vergleichsweise sicher gelagert werden, um so COz-Emissionen sicher zu vermeiden. Ebenso kann derReaction no CO2, but carbon in solid form. This can be stored comparatively safely in order to safely avoid CO2 emissions. Likewise he can

Kohlenstoff auch in einer nicht CO2-Emissionen verursachenden Weise weiterverwendet werden. 5 Da die Pyrolyse nicht vollständig abläuft, kann ein gewisser Rest an Kohlenwasserstoffen im Wasserstoffstrom verbleiben. Da anschlieBend in der Ammoniaksynthese einCarbon can also be reused in a way that does not cause CO2 emissions. 5 Since the pyrolysis is not complete, a certain amount of hydrocarbons can remain in the hydrogen stream. Since then in the ammonia synthesis

Kreislauf zwischen dem Konverter und der Abtrennungsvorrichtung besteht, würden diese Kohlenwasserstoffe sich mit der Zeit anreichern. Um dieses Problem zu lösen wird ein Teilstrom zwischen der Abtrennungsvorrichtung und dem Konverter abgetrennt und zurück in den Pyrolysereaktor gebracht, wo die Kohlenwasserstoffe pyrolysiert werden können. Dadurch stellt sich ein geringes aber stabiles Niveau an Kohlenwasserstoffen imIf there is a circuit between the converter and the separation device, these hydrocarbons would accumulate over time. To solve this problem, a partial flow is separated between the separation device and the converter and returned to the pyrolysis reactor, where the hydrocarbons can be pyrolyzed. This results in a low but stable level of hydrocarbons in the

Ammoniaksynthesekreislauf ein.Ammonia synthesis cycle.

Ein weiterer Effekt ist, dass durch die Pyrolyse im Gegensatz zur Dampfreformierung keinAnother effect is that, in contrast to steam reforming, pyrolysis does not

Kohlenmonoxid entstehen kann. Es kann daher auf eine Vorrichtung zur Umwandlung von Kohlenmonoxid in Methan zwischen dem Dampfreformer und dem eigentlichencarbon monoxide can form. It can therefore rely on a device for converting carbon monoxide into methane between the steam reformer and the actual

Haber-Bosch-Prozess verzichtet werden.Haber-Bosch process can be dispensed with.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist nach dem Pyrolysereaktor und vor dem Konverter ein Methanisator angeordnet. Beispielsweise bei reinem Methan als Edukt wäre dieser nach einer Dampfreformierung üblicherweise notwendige Schritt entbehrlich, da ohne Sauerstoff kein Kohlenmonoxid als Katalysatorgift entstehen kann. Es gibt jedoch Erdgasvorkommen, die einen Anteil an Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid aufweisen. Bei der Verwendung eines solchen Ausgangsstoffes wäre die Verwendung eines Methanisators zur Umsetzung von gegebenenfalls vorhandenem Kohlenmonoxid mit Wasserstoff zu Methan und Kohlendioxid sinnvoll, um den Katalysator im Konverter zu schützen.In a further embodiment of the invention, a methanizer is arranged after the pyrolysis reactor and before the converter. For example, if pure methane was used as the starting material, this step, which is usually necessary after steam reforming, would be unnecessary, since without oxygen, no carbon monoxide can form as a catalyst poison. However, there are natural gas deposits that contain carbon dioxide and/or carbon monoxide. When using such a starting material, it would make sense to use a methanizer to convert any carbon monoxide present with hydrogen to form methane and carbon dioxide, in order to protect the catalyst in the converter.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der die Abtrennvorrichtung verlassende Ammoniaksyntheseeduktgasstrom mittels eines regelbaren Ventils in einen ersten Teilstrom zum Konverter und einen zweiten Teilstrom zum Pyrolysereaktor geteilt.In a further embodiment of the invention, the ammonia synthesis reactant gas stream leaving the separation device is divided by means of a controllable valve into a first part stream to the converter and a second part stream to the pyrolysis reactor.

Besonders bevorzugt ist das regelbare Ventil mit einer Steuervorrichtung verbunden, wobei die Steuervorrichtung mit einer Analysevorrichtung verbunden ist, wobei dieThe controllable valve is particularly preferably connected to a control device, the control device being connected to an analysis device, the

Analysevorrichtung innerhalb des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes zwischen derAnalysis device within the ammonia synthesis educt gas stream between the

* BE2021/5673* BE2021/5673

Abtrennvorrichtung und dem Konverter einschließlich des ersten Teilstromes oder innerhalb des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes zwischen dem Konverter und derSeparation device and the converter including the first partial flow or within the ammonia synthesis educt gas flow between the converter and the

Abtrennvorrichtung angeordnet ist. Die Analysevorrichtung ist zur quantitativenSeparating device is arranged. The analyzer is for quantitative

Erfassung von Kohlenwasserstoffen ausgebildet. Hierbei umfasst zur quantitativenDetection of hydrocarbons trained. This includes for quantitative

Erfassung von Kohlenwasserstoffen sowohl eine direkte Erfassung der Konzentration derDetection of hydrocarbons both a direct detection of the concentration of

Kohlenwasserstoffe als auch die Erfassung einer Größe, die mit der Konzentration derHydrocarbons as well as the detection of a size with the concentration of

Kohlenwasserstoffe korreliert ist, beispielsweise die Wärmekapazität. Je höher dieHydrocarbons is correlated, for example, the heat capacity. The higher the

Konzentration an Kohlenwasserstoff innerhalb des Haber-Bosch-Kreislaufes ist, umso größer wird der Anteil des zweiten Teilstroms im Verhältnis zum ersten Teilstrom gewählt, indem die Steuervorrichtung das regelbare Ventil entsprechend steuert.The concentration of hydrocarbons within the Haber-Bosch cycle is the larger the proportion of the second partial flow is selected in relation to the first partial flow by the control device controlling the controllable valve accordingly.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist dieIn a further embodiment of the invention, the

Ammoniaksynthesevorrichtung eine Luftzerlegungsvorrichtung auf. DieAmmonia synthesis device on an air separation device. The

Luftzerlegungsvorrichtung weist einen Stickstoffauslass auf, wobei der Stickstoffauslass der Luftzerlegungsvorrichtung mit dem Edukteingang der Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden ist. Bevorzugt ist der Stickstoffauslass der Luftzerlegungsvorrichtung Über einen Stickstoffkompressor mit dem Edukteingang der Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden ist. Die Luftzerlegungsvorrichtung weist weiter einen Sauerstoffauslass auf.Air separation device has a nitrogen outlet, the nitrogen outlet of the air separation device being connected to the educt inlet of the ammonia synthesis device. The nitrogen outlet of the air separation device is preferably connected to the educt inlet of the ammonia synthesis device via a nitrogen compressor. The air separation device further includes an oxygen outlet.

Der Sauerstoff kann entweder in anderen Prozessen genutzt oder einfach an dieThe oxygen can either be used in other processes or simply attached to the

Umgebungsluft abgegeben werden. Bevorzugt weist die Luftzerlegungsvorrichtung eineambient air are released. Preferably, the air separation device has a

Membran zur Luftzerlegung auf, da diese energieeffizienter als eine Luftzerlegung nach dem Linde-Verfahren ist. Alternativ könnte beispielsweise Stickstoff auch aus derMembrane for air separation, as this is more energy efficient than air separation using the Linde process. Alternatively, for example, nitrogen from the

Verdampfung von flüssigem Stickstoff gewonnen werden.Evaporation of liquid nitrogen can be obtained.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Stickstoffauslass derIn another embodiment of the invention, the nitrogen outlet is the

Luftzerlegungsvorrichtung Über eine Sauerstofffiltervorrichtung mit dem Edukteingang der Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden. Da nach einem Pyrolyseprozess nicht sichergestellt ist, dass der Wasserstoffstrom keine Kohlenwasserstoffe enthält, wäre es kritisch, wenn Sauerstoff auch in geringer Konzentration eingebracht wird, da hierdurchAir separation device connected to the educt inlet of the ammonia synthesis device via an oxygen filter device. Since after a pyrolysis process there is no guarantee that the hydrogen stream does not contain any hydrocarbons, it would be critical if oxygen was also introduced in a low concentration, as this would

Kohlenmonoxid entstehen könnte, welches wiederum als Katalysatorgift zu vermeiden ist. Eine Sauerstofffiltervorrichtung kann beispielsweise in eine große Oberfläche eines leicht korrodierenden Materials, beispielsweise eines unedlen Metalls, aufweisen.Carbon monoxide could arise, which in turn is to be avoided as a catalyst poison. For example, an oxygen filter device may have a large surface area of a readily corrosive material, such as a base metal.

Hierdurch wird möglicher Sauerstoff chemisch an der Oberfläche gebunden. Die WirkungAs a result, possible oxygen is chemically bound to the surface. The effect

) BE2021/5673 kann durch ein Magnetfeld gesteigert werden, da Sauerstoff paramagnetisch und) BE2021/5673 can be enhanced by a magnetic field since oxygen is paramagnetic and

Stickstoff diamagnetisch ist.nitrogen is diamagnetic.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Stickstoffauslass derIn another embodiment of the invention, the nitrogen outlet is the

Luftzerlegungsvorrichtung über den ersten Wärmetauscher mit dem Edukteingang derAir separation device via the first heat exchanger with the reactant input

Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden. Auf diese Weise ist es vergleichsweise einfach möglich, den Stickstoffstrom auf die Temperatur zu bringen, die dieser bei derAmmonia synthesis device connected. In this way, it is comparatively easy to bring the stream of nitrogen to the temperature at which it is

Zuführung zum Konverter aufweisen sollte.Feeding to the converter should have.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Wärmetauscher mit einemIn a further embodiment of the invention, the first heat exchanger with a

Wärmetauschfluidsystem verbunden. Der Stickstoffauslass derConnected heat exchange fluid system. The nitrogen outlet of the

Luftzerlegungsvorrichtung ist über den zweiten Wärmetauscher mit dem Edukteingang der Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden. Weiter ist der Kohlenwasserstoffeingang des Pyrolysereaktors mit einer Kohlenwasserstoffquelle verbunden, wobei derAir separation device is connected via the second heat exchanger to the educt inlet of the ammonia synthesis device. Next, the hydrocarbon input of the pyrolysis reactor is connected to a hydrocarbon source, wherein the

Kohlenwasserstoffeingang des Pyrolysereaktors über einen dritten Wärmetauscher mit einer Kohlenwasserstoffquelle verbunden ist. Der zweite Wärmetauscher und der dritteHydrocarbon input of the pyrolysis reactor is connected via a third heat exchanger to a hydrocarbon source. The second heat exchanger and the third

Wärmetauscher sind mit dem Wärmetauschfluidsystem verbunden. Hierdurch ist es möglich, die am ersten Wärmetauscher über ein Wärmetauscherfluid an den zweitenHeat exchangers are connected to the heat exchange fluid system. This makes it possible on the first heat exchanger via a heat exchanger fluid to the second

Wärmetauscher und an den dritten Wärmetauscher zu geben und so beide Eduktströme zu erwärmen.To give heat exchanger and to the third heat exchanger and to heat both reactant streams.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kohlenwasserstoffeingang desIn a further embodiment of the invention, the hydrocarbon input is

Pyrolysereaktors mit einer Kohlenwasserstoffquelle verbunden, wobei derPyrolysis reactor connected to a hydrocarbon source, wherein the

Kohlenwasserstoffeingang des Pyrolysereaktors über den ersten Wärmetauscher mit einer Kohlenwasserstoffquelle verbunden ist.Hydrocarbon input of the pyrolysis reactor is connected via the first heat exchanger to a hydrocarbon source.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Wasserstoffausgang desIn a further embodiment of the invention, the hydrogen output is

Pyrolysereaktors über einen ersten Kompressor mit dem Edukteingang derPyrolysis reactor via a first compressor with the reactant inlet

Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden. Weiter ist der Eduktgasausgang derAmmonia synthesis device connected. Next is the educt gas outlet

Abtrennungsvorrichtung über eine Entspannungsvorrichtung mit demSeparation device via an expansion device with the

Kohlenwasserstoffeingang des Pyrolysereaktors verbunden. Der erste Kompressor ist mit der Entspannungsvorrichtung gekoppelt. Üblicherweise läuft der Haber-Bosch-Hydrocarbon input connected to the pyrolysis reactor. The first compressor is coupled to the expansion device. The Haber-Bosch

Prozess unter sehr hohen Drücken, um das Gleichgewicht zum Produkt Ammoniak zu verschieben. Die Pyrolyse wird hingegen oft bei geringeren Drücken durchgeführt. UmProcess under very high pressures to shift the equilibrium to the product ammonia. Pyrolysis, on the other hand, is often carried out at lower pressures. Around

° BE2021/5673 die Energie zu nutzen, welche das in den Pyrolysereaktor zurückgeführte Gas abgibt, wenn es von hohem Druck auf ein niedrigeres Druckniveau des Pyrolysereaktors gebracht wird, koppelt man den ersten Kompressor mit der Entspannungsvorrichtung, beispielsweise über nur eine gemeinsame Achse.° BE2021/5673 to use the energy given off by the gas returned to the pyrolysis reactor when it is brought from a high pressure to a lower pressure level of the pyrolysis reactor, the first compressor is coupled to the expansion device, for example via only one common axis.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Pyrolysereaktor für einen Druck von 1 bar bis 20 bar und eine Temperatur von 600 °C bis 1500 °C ausgelegt. Besonders bevorzugt ist der Pyrolysereaktor für einen Druck von 2 bar bis 10 bar ausgelegt.In a further embodiment of the invention, the pyrolysis reactor is designed for a pressure of 1 bar to 20 bar and a temperature of 600°C to 1500°C. The pyrolysis reactor is particularly preferably designed for a pressure of 2 bar to 10 bar.

Hinsichtlich der Temperatur gibt es verschiedene optimale Temperaturbereiche, welche auf unterschiedliche Arten der Pyrolyse zurückzuführen sind. Der Pyrolysereaktor weist bevorzugt eine Metallschmelze, ein Wanderbett oder ein Plasma auf. Diese Technologien der Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen als technologisch reif für den großtechnischenWith regard to temperature, there are different optimal temperature ranges, which can be traced back to different types of pyrolysis. The pyrolysis reactor preferably has a molten metal, a moving bed or a plasma. These technologies of pyrolysis of hydrocarbons as technologically mature for large-scale

Einsatz herausgestellt. Daher kann der Pyrolysereaktor beispielsweise für einenuse exposed. Therefore, the pyrolysis reactor, for example, for a

Temperaturbereich von 600 °C bis 900 °C ausgelegt sein. Dieses ist beispielsweise für einen Metallschmelze-Pyrolysereaktor optimal. Alternativ kann der Pyrolysereaktor auf einen Temperaturbereich von 900 °C bis 1500 °C, bevorzugt von 1200 °C bis 1500 °C, ausgelegt sein.be designed for a temperature range of 600 °C to 900 °C. This is optimal, for example, for a molten metal pyrolysis reactor. Alternatively, the pyrolysis reactor can be designed for a temperature range from 900°C to 1500°C, preferably from 1200°C to 1500°C.

Besonders bevorzugt kann der Pyrolysereaktor gemäß der WO 2019/145279 A1 _ ausgeführt sein.The pyrolysis reactor can particularly preferably be designed according to WO 2019/145279 A1.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Pyrolysereaktor eine elektrische Heizung auf. Hierdurch ist es möglich, unter Verwendung von Strom aus regenerativen Energiequellen CO2-Emissionen für die Aufbringung der für die Pyrolyse benötigten Energie zu vermeiden.In a further embodiment of the invention, the pyrolysis reactor has an electrical heater. This makes it possible to avoid CO2 emissions for generating the energy required for pyrolysis by using electricity from renewable energy sources.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Synthese von Ammoniak aus einem Kohlenwasserstoff, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Zuführen eines Kohlenwasserstoffes in einen Pyrolysereaktor, b) Pyrolysieren des Kohlenwasserstoffs zu Kohlenstoff und Wasserstoff imIn a further aspect, the invention relates to a method for synthesizing ammonia from a hydrocarbon, the method having the following steps: a) feeding a hydrocarbon into a pyrolysis reactor, b) pyrolyzing the hydrocarbon to form carbon and hydrogen in the

Pyrolysereaktor, c) Leiten des Wasserstoffs aus dem Pyrolysereaktor in einen Konverter, d) Zuführen von Stickstoff zum Konverter, e) Umsetzen des Wasserstoffs und des Stickstoffs zu Ammoniak in den Konverter,Pyrolysis reactor, c) conducting the hydrogen from the pyrolysis reactor into a converter, d) supplying nitrogen to the converter, e) converting the hydrogen and the nitrogen into ammonia in the converter,

' BE2021/5673 f) Abkühlen des Ammoniaksyntheseproduktgasstromes in einem ersten' BE2021/5673 f) cooling the ammonia synthesis product gas stream in a first

Wärmetauscher, g) Abtrennen des Ammoniaks aus dem Ammoniaksyntheseproduktgasstrom in einerheat exchanger, g) separating the ammonia from the ammonia synthesis product gas stream in a

Abtrennvorrichtung und Erhalt eines Ammoniaksyntheseeduktgasstromes,Separation device and receipt of an ammonia synthesis feed gas stream,

Dh) Teilen des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom, ) Leiten des ersten Teilstromes in den Konverter,Ie) dividing the ammonia synthesis feed gas stream into a first part stream and a second part stream, ) passing the first part stream into the converter,

Î) Leiten des zweiten Teilstromes in den Pyrolysereaktor.Î) Conducting the second partial flow into the pyrolysis reactor.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren auf einer erfindungsgemäBenThe method according to the invention is preferably carried out on a device according to the invention

Vorrichtung durchgeführt.device performed.

Durch die Verfahrensschritte h) und j) wird ein Teil desThrough the process steps h) and j), part of the

Ammoniaksyntheseeduktgasstromes zurückgeführt, um darin enthalteneAmmonia synthesis feed gas stream recycled to contained therein

Kohlenwasserstoffe zu zersetzen und so eine Anreicherung zu verhindern.Decompose hydrocarbons and thus prevent accumulation.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Pyrolyse in Schritt b) nicht katalytisch. Es erfolgt also bevorzugt eine rein thermische Pyrolyse.In a further embodiment of the invention, the pyrolysis in step b) takes place non-catalytically. A purely thermal pyrolysis therefore preferably takes place.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt b) Methan pyrolysiert.In a further embodiment of the invention, methane is pyrolyzed in step b).

Zum einen ist die Pyrolyse von Methan an sich vorteilhaft, zum anderen wird in der heute für die Ammoniaksynthese eingesetzten Dampfreformierung ebenfalls hauptsächlichOn the one hand, the pyrolysis of methane is advantageous in itself, on the other hand, it is also mainly used in the steam reforming used today for ammonia synthesis

Methan eingesetzt, sodass eine Umstellung auf das erfindungsgemäße Verfahren vergleichsweise einfach möglich ist und bei Verwendung der bestehendenMethane used, so that a conversion to the method according to the invention is relatively easy and when using the existing ones

Versorgungsinfrastruktur die CO2-Emissionen deutlich zu senken vermag.Supply infrastructure capable of significantly reducing CO2 emissions.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird beim Zuführen desIn a further embodiment of the invention, when feeding the

Kohlenwasserstoffs in Schritt a) dieser mittels der im ersten Wärmetauscher demHydrocarbon in step a) of this by means of the in the first heat exchanger

Ammoniaksyntheseproduktgasstrom entzogenen Energie erwärmt.Ammonia synthesis product gas stream heats withdrawn energy.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei Zuführen des Stickstoffs inIn a further embodiment of the invention, when the nitrogen is supplied in

Schritt d) dieser mittels der im ersten Wärmetauscher demStep d) this by means of the heat exchanger in the first

Ammoniaksyntheseproduktgasstrom entzogenen Energie erwärmt.Ammonia synthesis product gas stream heats withdrawn energy.

° BE2021/5673° BE2021/5673

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Wasserstoffstrom beim Leiten aus dem Pyrolysereaktor in den Konverter in Schritt c) verdichtet.In a further embodiment of the invention, the hydrogen stream is compressed when being passed from the pyrolysis reactor into the converter in step c).

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Teilstrom entspannt, wobei die durch das entspannen gewonnene Energie zum Verdichten desIn a further embodiment of the invention, the second partial flow is relaxed, with the energy gained through the relaxation being used to compress the

Wasserstoffstroms genutzt wird. Dieses kann bevorzugt dadurch erfolgen, dass der ersteHydrogen stream is used. This can preferably be done in that the first

Kompressor und die Entspannungsvorrichtung beispielsweise über eine gemeinsameCompressor and the relaxation device, for example, via a common

Welle gekoppelt sind.shaft are coupled.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden der Pyrolysereaktor und derIn a further embodiment of the invention, the pyrolysis reactor and the

Konverter beim gleichen Druck betrieben. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt, da auf diese Weise Energieverluste durch Kompression und Dekompression vermieden werden. Auf der anderen Seite stellt diese Ausführungsform sehr hoheConverter operated at the same pressure. This embodiment is particularly preferred since energy losses through compression and decompression are avoided in this way. On the other hand, this embodiment represents very high

Anforderungen an den Pyrolysereaktor, um eine RuBbildung in der Gasphase zu vermeiden, da durch den vergleichsweise hohen Druck und den damit geringeren mittleren Abstand der Moleküle in der Gasphase die Gefahr der Bildung vonRequirements for the pyrolysis reactor in order to avoid soot formation in the gas phase, since the comparatively high pressure and the resulting lower average distance between the molecules in the gas phase means that there is a risk of the formation of

Kohlenstoffpartikeln in der Gasphase vergleichsweise hoch ist.Carbon particles in the gas phase is comparatively high.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Teilen desIn a further embodiment of the invention, the sharing of the

Ammoniaksyntheseeduktgasstromes in Schritt h) in Abhängigkeit desAmmonia synthesis feed gas stream in step h) depending on the

Kohlenwasserstoffanteils des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes. Insbesondere wird der Kohlenwasserstoffanteil im Ammoniaksyntheseeduktgasstrom oder auch imHydrocarbon content of the ammonia synthesis feed gas stream. In particular, the hydrocarbon content in the ammonia synthesis feed gas stream or in the

Ammoniaksyntheseproduktgasstrom direkt oder indirekt erfasst. Eine direkte Erfassung wäre beispielsweise mittels IR möglich, eine indirekte Erfassung wäre beispielsweise mittels Wärmeleitfähigkeitsmessung möglich. Je höher der erfassteAmmonia synthesis product gas stream detected directly or indirectly. Direct detection would be possible, for example, using IR, and indirect detection would be possible, for example, using thermal conductivity measurement. The higher the recorded

Kohlenwasserstoffanteil ist, umso höher wird der Anteil des zweiten Teilstroms eingestellt.Hydrocarbon content is, the higher the proportion of the second partial stream is set.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Pyrolysereaktor elektrisch beheizt. Dadurch ist die Verwendung von Energie aus einer regenerativen Energiequelle und somit ohne CO2-Emissionen besonders einfach möglich. Besonders bevorzugt weist die Ammoniaksynthesevorrichtung hierzu eine Windkraftanlage, eine Solaranlage und einen Energiespeicher auf. Durch diesen Energiemix und die Zwischenspeicherung istIn a further embodiment of the invention, the pyrolysis reactor is electrically heated. This makes it particularly easy to use energy from a regenerative energy source and therefore without CO2 emissions. For this purpose, the ammonia synthesis device particularly preferably has a wind power plant, a solar plant and an energy store. Due to this energy mix and the intermediate storage

) BE2021/5673 ein kontinuierlicher Betrieb vergleichswiese zuverlässig möglich. Im Bedarfsfall kann elektrische Energie aus einem Öffentlichen Versorgernetz hinzugezogen werden.) BE2021/5673, continuous operation is relatively reliable. If necessary, electrical energy can be drawn from a public supply network.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Kohlenstoff, welcher im Schritt b) erzeugt wird, deponiert, also endgelagert. Hierdurch wird ein Eintrag des Kohlenstoffs in Form von CO: in die Atmosphäre langfristig und sicher vermieden.In a further embodiment of the invention, the carbon which is produced in step b) is deposited, ie finally stored. In this way, an entry of carbon in the form of CO: into the atmosphere is avoided in the long term and safely.

Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The device according to the invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawings.

Fig. 1 erstes AusführungsbeispielFig. 1 first embodiment

Fig. 2 zweites AusführungsbeispielFig. 2 second embodiment

Fig. 3 drittes AusführungsbeispielFig. 3 third embodiment

Fig. 4 viertes AusführungsbeispielFig. 4 fourth embodiment

Fig. 5 fünftes AusführungsbeispielFig. 5 fifth embodiment

Fig. 6 sechstes AusführungsbeispielFig. 6 sixth embodiment

Gleiche Bauteile sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen jeweils mit gleichenThe same components are in each case with the same in the following exemplary embodiments

Bezugszeichen versehen.provided with reference numbers.

Das erste Ausführungsbeispiel wird im Folgenden ausführlicher beschrieben, bei den weiteren Ausführungsbeispielen wird auf die Unterschiede eingegangen.The first exemplary embodiment is described in more detail below, and the differences are discussed in the further exemplary embodiments.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäBenIn Fig. 1 is a first embodiment of an inventive

Ammoniaksynthesevorrichtung 10 gezeigt. Die Ammoniaksynthesevorrichtung 10 weist eine Kohlenwasserstoffquelle 150 auf, beispielsweise einen Anschluss an einAmmonia synthesizer 10 is shown. The ammonia synthesis device 10 has a hydrocarbon source 150, for example a connection to a

Methangasnetz. Der Kohlenwasserstoff wird über einen Kohlenwasserstoffeingang 100 in einen Pyrolysereaktor 90 geleitet und dort thermisch, beispielsweise bei 1200 °C bis 1500 °C, zu Kohlenstoff und Wasserstoff umgesetzt. Beispielsweise ist dermethane gas network. The hydrocarbon is conducted via a hydrocarbon inlet 100 into a pyrolysis reactor 90 and is converted there thermally, for example at 1200° C. to 1500° C., to form carbon and hydrogen. For example, is the

Pyrolysereaktor als Wanderbettreaktor aufgebaut, wobei kalter Kohlenwasserstoff unten eingeleitet wird. Dieser steigt auf, während der Kohlenwasserstoff von im Gegenstrom kommenden Kohlenstoff erwärmt wird, wobei der Kohlenstoff sich wiederrum abkühlt. In der Mitte des Pyrolysereaktors 90 erfolgt eine elektrische Heizung der Kohlenstoffpartikel, die zu einer Pyrolyse des Kohlenwasserstoffs und damit zu einem Aufwachsen desPyrolysis reactor designed as a moving bed reactor, with cold hydrocarbon being introduced at the bottom. This rises while the hydrocarbon is heated by countercurrent carbon, which in turn cools the carbon. In the middle of the pyrolysis reactor 90, the carbon particles are electrically heated, which leads to pyrolysis of the hydrocarbon and thus to growth of the

Kohlenstoffs führt. Beim weiteren Aufsteigen erwärmt der Wasserstoff den entgegenkommenden Kohlenstoff, wobei der Wasserstoff vorzugsweise in die Größe dercarbon leads. As it continues to rise, the hydrogen heats the oncoming carbon, with the hydrogen preferentially growing to the size of the

Temperatur des Haber-Bosch-Verfahrens abgekühlt wird. Der Wasserstoff verlässt denTemperature of the Haber-Bosch process is cooled. The hydrogen leaves the

Pyrolysereaktor 90 durch den Wasserstoffausgang 110. Der Wasserstoffstrom 190 wird mit dem ersten Kompressor 160 verdichtet und dem Edukteingang 40 des Konverters 20 zugeführt. Da der Wasserstoffstrom 190 im Gegensatz zur Dampfreformierung keinenPyrolysis reactor 90 through the hydrogen outlet 110. The hydrogen stream 190 is compressed with the first compressor 160 and fed to the educt inlet 40 of the converter 20. Since the hydrogen stream 190, in contrast to steam reforming, does not

Stickstoff aufweist, wird der Stickstoff getrennt zugeführt. Dazu weist dieHas nitrogen, the nitrogen is supplied separately. The

Ammoniaksynthesevorrichtung 10 eine Luftzerlegungsvorrichtung 120 auf. Der Stickstoff verlässt die Luftzerlegungsvorrichtung 120 über den Stickstoffauslass 130. DerAmmonia synthesis device 10 an air separation device 120 on. The nitrogen leaves the air separation device 120 via the nitrogen outlet 130. The

Stickstoffstrom wird im gezeigten Beispiel über eine optionale Sauerstofffiltervorrichtung 140 zum Edukteingang 40 des Konverters 20 geführt. Im Konverter 20 erfolgt dieIn the example shown, a stream of nitrogen is routed via an optional oxygen filter device 140 to the educt inlet 40 of the converter 20 . In the converter 20 takes place

Umsetzung von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak. Über den Produktausgang 50 verlässt der Ammoniaksyntheseproduktgasstrom 210 den Konverter 20 und wird über der ersten Wärmetauscher 80 in die Abtrennungsvorrichtung 30 über denConversion of nitrogen and hydrogen to ammonia. The ammonia synthesis product gas stream 210 leaves the converter 20 via the product outlet 50 and is fed into the separation device 30 via the first heat exchanger 80 via the

Gasgemischeingang 60 der Abtrennungsvorrichtung 30 zugeführt. Hier wird das ProduktGas mixture input 60 of the separation device 30 is fed. Here the product

Ammoniak abgetrennt und über den Ammoniakausgang 230 beispielsweise einerAmmonia separated and via the ammonia outlet 230, for example, one

Harnstoffsynthese zugeführt. Übrig bleibt eine Mischung aus nicht umgesetztensupplied to urea synthesis. What remains is a mixture of unreacted ones

Wasserstoff und nicht umgesetzten Stickstoff, welche gegebenenfallsHydrogen and unreacted nitrogen, which optionally

Kohlenwasserstoffe aufweisen kann, welche im Pyrolysereaktor nicht oder nicht vollständig umgesetzt wurden. Diese Mischung verlässt als Ammoniaksynthese- eduktgasstrom 200 die Abtrennungsvorrichtung 30 über den Eduktausgang 70. Der größte Teil des Ammoniaksyntheseeduktgasstrom 200 wird als erster Teilstrom 240 direkt dem Edukteingang 40 des Konverters 20 wieder zugeführt. Ein anderer Teil desMay have hydrocarbons, which were not or not fully implemented in the pyrolysis reactor. This mixture leaves the separation device 30 as the ammonia synthesis reactant gas stream 200 via the reactant outlet 70. Most of the ammonia synthesis reactant gas stream 200 is fed back directly to the reactant inlet 40 of the converter 20 as the first substream 240. Another part of

Ammoniaksyntheseeduktgasstromes 220 wird als zweiter Teilstrom 250 am Ventil 270 abgetrennt und als zweiter Teilstrom 250 dem Kohlenwasserstoffeingang 100 desAmmonia synthesis reactant gas stream 220 is separated as a second partial stream 250 at valve 270 and as a second partial stream 250 to the hydrocarbon inlet 100 of the

Pyrolysereaktors 90 wieder zugeführt. Da die Ammoniaksynthese üblicherweise unter sehr viel höheren Drücken erfolgt, ist im zweiten Teilstrom 250 einePyrolysis reactor 90 fed back. Since the ammonia synthesis usually takes place under much higher pressures, the second partial stream 250 is a

Entspannungsvorrichtung 170 angeordnet, welche über eine Kopplung zur Nutzung der freigewordenen Energie mit dem ersten Kompressor 160 verbunden ist. Um denRelaxation device 170 arranged, which is connected to the first compressor 160 via a coupling to use the released energy. To the

Kohlenstoff aus dem Pyrolysereaktor 90 auszutragen weist dieser einenDischarging carbon from the pyrolysis reactor 90 has this one

Kohlenstoffausgang 260 auf.carbon exit 260 on.

Wie bereits beschrieben wird im Folgenden nur noch auf die Unterscheide zum erstenAs already described, in the following only the differences to the first one will be mentioned

Ausführungsbeispiel eingegangen.embodiment received.

Das in Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich um erstenThe second exemplary embodiment shown in FIG. 2 differs by the first

Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Stickstoffstrom direkt durch den erstenEmbodiment in that the stream of nitrogen directly through the first

Wärmetauscher 80 geführt wird, und so direkt durch die Prozesswärme derHeat exchanger 80 is performed, and so directly by the process heat

Ammoniaksynthese erwärmt wird.Ammonia synthesis is heated.

In Fig. 3 ist das dritte Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Kohlenwasserstoff aus der Kohlenwasserstoffquelle 150 direkt durch den ersten Wärmetauscher 80 geführt und so erwärmt wird. Hierdurch kann insbesondere der aus dem Kohlenstoffausgang 260 austretende Kohlenstoff vergleichsweise wärmer sein, weshalb dieser zur Erwärmung des Stickstoffstroms 200 genutzt werden könnte, was hier zur Vereinfachung jedoch nicht dargestellt ist.3 shows the third exemplary embodiment, in which the hydrocarbon from the hydrocarbon source 150 is conducted directly through the first heat exchanger 80 and is thus heated. As a result, in particular the carbon emerging from the carbon outlet 260 can be comparatively warmer, which is why it could be used to heat the nitrogen flow 200, which is not shown here for the sake of simplicity.

Das in Fig. 4 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel weist zusätzlich zum erstenThe fourth embodiment shown in Fig. 4 has in addition to the first

Ausführungsbeispiel einen zweiten Wärmetauscher 280 im Stickstoffstrom 200 und einen dritten Wärmetauscher 290 zur Erwärmung des Kohlenwasserstoffs zwischen derEmbodiment, a second heat exchanger 280 in the nitrogen stream 200 and a third heat exchanger 290 for heating the hydrocarbon between the

Kohlenwasserstoffquelle 150 und dem Pyrolysereaktor 90 auf. Der erste Wärmetauscher 80, der zweite Wärmetauscher 280 und der dritte Wärmetauscher 290 sind über einHydrocarbon source 150 and the pyrolysis reactor 90 on. The first heat exchanger 80, the second heat exchanger 280 and the third heat exchanger 290 are one

Wärmetauschfluidsystem miteinander verbunden, welches hier zur Vereinfachung weggelassen ist. Somit kann die entstandene Prozesswärme an beide Eduktströme abgegeben werden.Heat exchange fluid system interconnected, which is omitted here for simplicity. In this way, the process heat generated can be given off to both educt streams.

Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel, bei dem der Pyrolysereaktor 90 auf dem gleichen Druckniveau wie der Konverter 20 arbeitet. Hierzu wurde der erste Kompressor aus dem Wasserstoffstrom 190 verschoben und ist nun zwischen derFIG. 5 shows a fifth exemplary embodiment, in which the pyrolysis reactor 90 operates at the same pressure level as the converter 20. For this purpose, the first compressor was moved from the hydrogen stream 190 and is now between the

Kohlenwasserstoffquelle 150 und dem Pyrolysereaktor 90 angeordnet, dieHydrocarbon source 150 and the pyrolysis reactor 90 arranged that

Entspannungsvorrichtung 170 und damit auch die Kopplung 180 entfallen. Zusätzlich ist im Stickstoffstrom 200 ein zweiter Kompressor 300 angeordnet, welcher vorzugsweise auch in den anderen Ausführungsbeispielen vorhanden ist.Relaxation device 170 and thus also the coupling 180 are omitted. In addition, a second compressor 300 is arranged in the nitrogen stream 200, which is preferably also present in the other exemplary embodiments.

Das sechste Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 gezeigt und unterscheidet sich zum erstenThe sixth embodiment is shown in Fig. 6 and differs from the first

Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Stickstoffstrom nicht in den Wasserstoffstrom 190 und damit in den Edukteingang 40 des Konverters 20 mündet, sondern in denEmbodiment characterized in that the nitrogen stream does not flow into the hydrogen stream 190 and thus into the educt inlet 40 of the converter 20, but in the

Kohlenwasserstoffeingang 100 des Pyrolysereaktors 90. Der Vorteil dieserHydrocarbon input 100 of the pyrolysis reactor 90. The advantage of this

Ausführungsform ist, dass dadurch die StoBwahrscheinlichkeit zwischenEmbodiment is that thereby the probability of collision between

Kohlenwasserstoffmolekülen und dadurch die Rußbildung reduziert werden kann.Hydrocarbon molecules and thus the formation of soot can be reduced.

Nachteilig ist dafür, dass der Stickstoff ebenfalls mit auf die Pyrolysetemperatur erhitzt werden muss. Diese Energie kann aber am Ende des Pyrolysereaktors 90 wieder zurückgewonnen werden.The disadvantage of this is that the nitrogen also has to be heated to the pyrolysis temperature. However, this energy can be recovered again at the end of the pyrolysis reactor 90 .

BezugszeichenReference sign

Ammoniaksynthesevorrichtung 20 Konverter 10 30 —Abtrennungsvorrichtung 40 Edukteingang 50 Produktausgang 60 Gasgemischeingang 70 Eduktgasausgang 80 erste Wärmetauscher 90 Pyrolysereaktor 100 Kohlenwasserstoffeingang 110 Wasserstoffausgang 120 Luftzerlegungsvorrichtung 130 Stickstoffauslass 140 Sauerstofffiltervorrichtung 150 Kohlenwasserstoffquelle 160 erster Kompressor 170 Entspannungsvorrichtung 180 Kopplung 190 Wasserstoffstrom 200 Stickstoffstrom 210 Ammoniaksyntheseproduktgasstrom 220 Ammoniaksyntheseeduktgasstrom 230 Ammoniakausgang 240 erster Teilstrom 250 zweiter Teilstrom 260 Kohlenstoffausgang 270 VentilAmmoniaksynthesevorrichtung 20 Konverter 10 30 —Abtrennungsvorrichtung 40 Edukteingang 50 Produktausgang 60 Gasgemischeingang 70 Eduktgasausgang 80 erste Wärmetauscher 90 Pyrolysereaktor 100 Kohlenwasserstoffeingang 110 Wasserstoffausgang 120 Luftzerlegungsvorrichtung 130 Stickstoffauslass 140 Sauerstofffiltervorrichtung 150 Kohlenwasserstoffquelle 160 erster Kompressor 170 Entspannungsvorrichtung 180 Kopplung 190 Wasserstoffstrom 200 Stickstoffstrom 210 Ammoniaksyntheseproduktgasstrom 220 Ammoniaksyntheseeduktgasstrom 230 Ammoniakausgang 240 first partial flow 250 second partial flow 260 carbon outlet 270 valve

280 zweiter Wärmetauscher 290 dritter Wärmetauscher, 300 zweiter Kompressor280 second heat exchanger 290 third heat exchanger, 300 second compressor

Claims (15)

Patentansprüchepatent claims 1. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) zur Erzeugung von Wasserstoff und zur Umsetzung des Wasserstoffs in Ammoniak, wobei die Ammoniaksynthesevorrichtung (10) einen Konverter (20) zur Umsetzung von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak aufweist, wobei die Ammoniaksynthesevorrichtung (10) eine Abtrennungsvorrichtung (30) zur Abtrennung des Ammoniaks aus dem Gasstrom aufweist, wobei die Ammoniaksynthesevorrichtung (10) einen Edukteingang (40) und einen Produktausgang (50) aufweist, wobei die Abtrennungsvorrichtung (30) einen Gasgemischeingang (60) und einen Eduktgasausgang (70) aufweist, wobei der Produktausgang (50) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) mit dem Gasgemischeingang (60) der Abtrennungsvorrichtung (30) verbunden ist, wobei der Eduktgasausgang (70) der Abtrennungsvorrichtung (30) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung verbunden ist, wobei der Produktausgang (50) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) über einen ersten Wärmetauscher (80) mit dem Gasgemischeingang (60) der Abtrennungsvorrichtung (30) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniaksynthesevorrichtung (10) einen Pyrolysereaktor (90) zur Umsetzung von Kohlenwasserstoff in Kohlenstoff und Wasserstoff aufweist, wobei der Pyrolysereaktor (90) einen Kohlenwasserstoffeingang (100) und einen Wasserstoffausgang (110) aufweist, wobei der Wasserstoffausgang (110) des Pyrolysereaktors (90) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) verbunden ist, wobei der Eduktgasausgang (70) der Abtrennungsvorrichtung (30) mit dem Kohlenwasserstoffeingang (100) des Pyrolysereaktors (90) verbunden ist.1. Ammonia synthesis device (10) for generating hydrogen and for converting the hydrogen into ammonia, the ammonia synthesis device (10) having a converter (20) for converting nitrogen and hydrogen into ammonia, the ammonia synthesis device (10) having a separation device (30) for separating the ammonia from the gas stream, the ammonia synthesis device (10) having a reactant inlet (40) and a product outlet (50), the separation device (30) having a gas mixture inlet (60) and a reactant gas outlet (70), the product outlet (50) of the ammonia synthesis device (10) is connected to the gas mixture inlet (60) of the separation device (30), the reactant gas outlet (70) of the separation device (30) being connected to the reactant inlet (40) of the ammonia synthesis device, the product outlet (50) the ammonia synthesis device (10) is connected to the gas mixture inlet (60) of the separation device (30) via a first heat exchanger (80), characterized in that the ammonia synthesis device (10) has a pyrolysis reactor (90) for converting hydrocarbons into carbon and hydrogen, wherein the pyrolysis reactor (90) has a hydrocarbon inlet (100) and a hydrogen outlet (110), the hydrogen outlet (110) of the pyrolysis reactor (90) being connected to the reactant inlet (40) of the ammonia synthesis device (10), the reactant gas outlet (70) the separation device (30) is connected to the hydrocarbon inlet (100) of the pyrolysis reactor (90). 2. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniaksynthesevorrichtung (10) eine Luftzerlegungsvorrichtung (120) aufweist, wobei die Luftzerlegungsvorrichtung (120) einen Stickstoffauslass (130) aufweist, wobei der Stickstoffauslass (130) der Luftzerlegungsvorrichtung (120) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) verbunden ist.2. Ammonia synthesis device (10) according to claim 1, characterized in that the ammonia synthesis device (10) has an air separation device (120), the air separation device (120) having a nitrogen outlet (130), the nitrogen outlet (130) of the air separation device (120) is connected to the reactant inlet (40) of the ammonia synthesis device (10). 3. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffauslass (130) der Luftzerlegungsvorrichtung (120) über eine Sauerstofffiltervorrichtung (140) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) verbunden ist.3. Ammonia synthesis device (10) according to claim 2, characterized in that the nitrogen outlet (130) of the air separation device (120) is connected to the reactant inlet (40) of the ammonia synthesis device (10) via an oxygen filter device (140). 4. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffauslass (130) der Luftzerlegungsvorrichtung (120) über den ersten Wärmetauscher (80) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) verbunden ist.4. Ammonia synthesis device (10) according to one of claims 2 to 3, characterized in that the nitrogen outlet (130) of the air separation device (120) is connected via the first heat exchanger (80) to the reactant inlet (40) of the ammonia synthesis device (10). 5. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (80) mit einem Wärmetauschfluidsystem verbunden ist, wobei der Stickstoffauslass (130) der Luftzerlegungsvorrichtung (120) über den zweiten Wärmetauscher (280) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) verbunden ist, wobei der Kohlenwasserstoffeingang (100) des Pyrolysereaktors (90) mit einer Kohlenwasserstoffquelle (150) verbunden ist, wobei der Kohlenwasserstoffeingang (100) des Pyrolysereaktors (90) über einen dritten Wärmetauscher (290) mit einer Kohlenwasserstoffquelle (150) verbunden ist, wobei der zweite Wärmetauscher (280) und der dritte Wärmetauscher (290) mit dem Wärmetauschfluidsystem verbunden sind.5. Ammonia synthesis device (10) according to any one of claims 2 to 3, characterized in that the first heat exchanger (80) is connected to a heat exchange fluid system, the nitrogen outlet (130) of the air separation device (120) being connected via the second heat exchanger (280) to the Educt inlet (40) of the ammonia synthesis device (10), the hydrocarbon inlet (100) of the pyrolysis reactor (90) being connected to a hydrocarbon source (150), the hydrocarbon inlet (100) of the pyrolysis reactor (90) being connected via a third heat exchanger (290) connected to a hydrocarbon source (150), the second heat exchanger (280) and the third heat exchanger (290) being connected to the heat exchange fluid system. 6. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoffeingang (100) des Pyrolysereaktors (90) mit einer Kohlenwasserstoffquelle (150) verbunden ist, wobei der Kohlenwasserstoffeingang (100) des Pyrolysereaktors (90) über den ersten Wärmetauscher (80) mit einer Kohlenwasserstoffquelle (150) verbunden ist.6. ammonia synthesis device (10) according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the hydrocarbon inlet (100) of the pyrolysis reactor (90) is connected to a hydrocarbon source (150), the hydrocarbon inlet (100) of the pyrolysis reactor (90) via the first heat exchanger (80) is connected to a hydrocarbon source (150). 7. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffausgang (110) des Pyrolysereaktors (90) über einen ersten Kompressor (160) mit dem Edukteingang (40) der Ammoniaksynthesevorrichtung (10) verbunden ist, wobei der Eduktgasausgang (70) der Abtrennungsvorrichtung (30) über eine Entspannungsvorrichtung (170) mit dem Kohlenwasserstoffeingang (100) des7. Ammonia synthesis device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the hydrogen outlet (110) of the pyrolysis reactor (90) is connected via a first compressor (160) to the reactant inlet (40) of the ammonia synthesis device (10), the reactant gas outlet (70) of the separation device (30) via an expansion device (170) with the hydrocarbon inlet (100) of Pyrolysereaktors (90) verbunden ist, wobei der erste Kompressor (160) mit der Entspannungsvorrichtung (170) gekoppelt ist.Pyrolysis reactor (90) is connected, wherein the first compressor (160) is coupled to the expansion device (170). 8. Ammoniaksynthesevorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolysereaktor (90) für einen Druck von 1 bar bis 20 bar und eine Temperatur von 600 °C bis 1500 °C ausgelegt ist.8. ammonia synthesis device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the pyrolysis reactor (90) is designed for a pressure of 1 bar to 20 bar and a temperature of 600 °C to 1500 °C. 9. Verfahren zur Synthese von Ammoniak aus einem Kohlenwasserstoff, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Zuführen eines Kohlenwasserstoffes in einen Pyrolysereaktor (90), b) Pyrolysieren des Kohlenwasserstoffs zu Kohlenstoff und Wasserstoff im Pyrolysereaktor (90), c) Leiten des Wasserstoffs aus dem Pyrolysereaktor (90) in einen Konverter (20), d) Zuführen von Stickstoff zum Konverter (20), e) Umsetzen des Wasserstoffs und des Stickstoffs zu Ammoniak in dem Konverter (20), f) Abkühlen des Ammoniaksyntheseproduktgasstromes (210) in einem ersten Wärmetauscher (80), g) Abtrennen des Ammoniaks aus dem Ammoniaksyntheseproduktgasstrom (210) in einer Abtrennvorrichtung und Erhalt eines Ammoniaksyntheseeduktgasstromes (220), h) Teilen des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes (220) in einen ersten Teilstrom (240) und einen zweiten Teilstrom (250), 1) Leiten des ersten Teilstromes (240) in den Konverter (20), j) Leiten des zweiten Teilstromes (250) in den Pyrolysereaktor (90).9. A method of synthesizing ammonia from a hydrocarbon, the method comprising the steps of: a) feeding a hydrocarbon into a pyrolysis reactor (90), b) pyrolyzing the hydrocarbon into carbon and hydrogen in the pyrolysis reactor (90), c) passing the hydrogen from the pyrolysis reactor (90) into a converter (20), d) supplying nitrogen to the converter (20), e) converting the hydrogen and the nitrogen into ammonia in the converter (20), f) cooling the ammonia synthesis product gas stream (210) in a first heat exchanger (80), g) separating the ammonia from the ammonia synthesis product gas stream (210) in a separating device and obtaining an ammonia synthesis reactant gas stream (220), h) dividing the ammonia synthesis reactant gas stream (220) into a first part stream (240) and a second part stream ( 250), 1) passing the first partial flow (240) into the converter (20), j) passing the second partial flow (250) into the pyrolysis reactor (90). 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zuführen des Kohlenwasserstoffs in Schritt a) dieser mittels der im ersten Wärmetauscher (80) dem Ammoniaksyntheseproduktgasstrom (210) entzogenen Energie erwärmt wird.10. The method according to claim 9, characterized in that when the hydrocarbon is fed in in step a), it is heated by means of the energy withdrawn from the ammonia synthesis product gas stream (210) in the first heat exchanger (80). 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Zuführen des Stickstoffs in Schritt d) dieser mittels der im ersten11. The method according to any one of claims 9 to 10, characterized in that when supplying the nitrogen in step d) of this by means of the first Wärmetauscher (80) dem Ammoniaksyntheseproduktgasstrom (210) entzogenen Energie erwärmt wird.Heat exchanger (80) the ammonia synthesis product gas stream (210) withdrawn energy is heated. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffstrom (190) beim Leiten aus dem Pyrolysereaktor (90) in einen Konverter (20) in Schritt c) verdichtet wird.12. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the hydrogen stream (190) is compressed when passing from the pyrolysis reactor (90) into a converter (20) in step c). 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilstrom (250) entspannt wird, wobei die durch das entspannen gewonnene Energie zum Verdichten des Wasserstoffstroms (190) genutzt wird.13. The method according to claim 12, characterized in that the second partial flow (250) is expanded, the energy obtained by the expansion being used to compress the hydrogen flow (190). 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolysereaktor (90) und der Konverter (20) beim gleichen Druck betrieben werden.14. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the pyrolysis reactor (90) and the converter (20) are operated at the same pressure. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilen des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes (220) in Schritt h) in Abhängigkeit des Kohlenwasserstoffanteils des Ammoniaksyntheseeduktgasstromes (220) erfolgt.15. The method according to any one of claims 9 to 13, characterized in that the dividing of the ammonia synthesis feed gas stream (220) in step h) takes place depending on the hydrocarbon content of the ammonia synthesis feed gas stream (220).
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