Mehr Flexibilität. Das wünschen sich die meisten Betreiber von Ammoniak-Anlagen. Das gilt zum einen hinsichtlich der eingesetzten Rohstoffe und zum anderen, wenn es um die Auswahl von Zusatzprodukten geht, die sich ebenfalls nutzen lassen. Gleichzeitig wollen die Betreiber natürlich auch, dass ihre Anlagen so wirtschaftlich wie möglich laufen. „Um all diesen Bedürfnissen nachzukommen, haben wir das Linde Ammonia Concept, kurz LAC™, entwickelt“, sagt Dr.-Ing. Klemens Wawrzinek aus dem Bereich Business Development & Technology für Wasserstoff und Synthesegas bei Linde Engineering. „Damit können die Anlagenbetreiber ein breites Rohstoff-Spektrum nutzen, um Ammoniak zu erzeugen. Es reicht von Erdgas über wasserstoffreiches Restgas bis hin zu Naphtha und Schweröl“, erklärt Wawrzinek.

Ein weiterer Vorteil: Da die Linde-Ingenieure eine saubere Synthesegas-Erzeugung in den mehrstufigen Prozess integriert haben, stehen den Kunden diverse Gasströme als wertvolle Nebenprodukte wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid zur Verfügung. Das Prinzip des LACs basiert darauf, reinen Wasserstoff (H₂) herzustellen, der dann mit reinem Stickstoff (N₂) in Gegenwart eines Katalysators zu Ammoniak (NH₃) reagiert. Im Gegensatz zu konventionellen Anlagen werden in dem gesamten von Linde entwickelten Verfahren allerdings keine Inertgase wie Argon oder Stickstoff mitgeführt. Aufwendige Reinigungs- und Rückgewinnungsprozesse entfallen dadurch – und es lassen sich insgesamt drei katalytische Schritte einsparen.

Um reinen Wasserstoff bereitzustellen, wird beispielsweise Erdgas zunächst in Synthesegas umgewandelt – eine Mischung aus H₂ und CO (Kohlenmonoxid). „Beim ersten Verfahrensschritt, findet die Umwandlung der Kohlenwasserstoffe statt. Dafür benötigen wir im LAC™.L1, dem Konzept für leichte Kohlenwasserstoffe, nur einen Dampfreformer. Diesen fahren wir betriebstechnisch so, dass er Erdgas effizient umwandelt. Die konventionelle Verfahrensroute nutzt zusätzlich zum Dampfreformer einen Sekundärreformer, der jedoch Umgebungsluft in das System bringt“, erklärt Wawrzinek. Diese Luft dient dann gleichzeitig als Stickstoff-Quelle für die Ammoniak-Synthese. Der Nachteil: Das darin enthaltene N₂-Gas wird dadurch bereits von Anfang an mitgeführt, obwohl es erst später benötigt wird. Weil das LAC auf die Luftzufuhr an dieser Stelle verzichtet und der Stickstoff-Strom – bereitgestellt durch eine Luftzerlegungsanlage – erst kurz vor der NH₃-Synthese zugegeben wird, lassen sich noch zwei weitere Prozessschritte einsparen. Dazu zählt beispielsweise die nachfolgende CO-Konversion: Während das konventionelle Verfahren dafür zwei Schritte benötigt, kann Linde diesen Prozess im eigens entwickelten Isotherm-Reaktor einstufig ablaufen lassen. „Die Konversion ist notwendig, um die Wasserstoffmenge im Gasstrom zu erhöhen. Von dem dafür genutzten Katalysator brauchen wir dank unseres Isotherm-Reaktors deutlich weniger“, sagt der Linde-Experte.

In dem Festbettreaktor findet eine katalytische Reaktion statt. Um die bei der exothermen CO-Konversionsreaktion freiwerdende Wärme, die sich zur Dampfproduktion nutzen lässt, abzuführen, sind Kühlrohrbündel in das Katalysatormaterial integriert. Durch ihr gewickeltes Konzept gewährleisten sie eine besonders intensive Kühlung und übertragen die Reaktionswärme so, dass der Katalysator bei optimaler Temperatur arbeiten kann. Daraus ergeben sich eine höhere Leistung und längere Lebensdauer des Katalysators sowie weniger Nebenprodukte, eine effiziente Rückgewinnung der Reaktionswärme und niedrigere Reaktorkosten.

Der wasserstoffreiche Gasstrom, den der Isotherm-Reaktor erzeugt, muss dann von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid befreit werden, denn diese Gase würden den Katalysator der Ammoniak-Synthese vergiften. Das leistet beim LAC™.L1 die sogenannte Druckwechseladsorption, ebenfalls eine Linde-eigene Technologie. Dabei wird der Gasstrom unter hohem Druck durch ein Adsorptionsmaterial geschickt, das beispielsweise ein Molekularsieb und Aktivkohle beinhaltet. Bestandteile wie CO, CO₂ oder noch vorhandenes Methan aus dem Erdgas bleiben daran sehr gut haften, während der gewünschte Wasserstoff das Material passieren und in Richtung Ammoniak-Synthese strömen kann. „Das Adsorptionsmaterial muss immer wieder zwischendurch regeneriert werden. Dazu senken wir in optimierten Zyklen den Druck ab, um die adsorbierten Gasmoleküle wieder zu desorbieren“, erklärt Wawrzinek. Das konventionelle Verfahren benötigt dagegen eine energieintensive CO₂-Wäsche und einen weiteren katalytischen Schritt, die Methanisierung, um den CO- und CO₂-Gehalt auf das notwendige Niveau zu reduzieren. „Insgesamt können wir bei unserem Konzept auf drei katalytische Schritte verzichten und sparen dadurch, verglichen mit dem konventionellen Verfahren, etwa die Hälfte an Katalysatormaterial ein“, sagt der Linde-Experte.