Eine Linde Wasserstoff-, Kohlenmonoxid- und Am-moniak-Anlage in Saudi Arabien, Al Jubail.

Wie Ammoniak-Anlagen zu Allroundern werden

Das Linde Ammonia Concept (LAC™) bietet den Kunden eine größere Vielfalt bei der Auswahl von Rohstoffen und Zusatzprodukten. Weil damit auch eine modularisierte Bauweise möglich ist, stellt die von Linde entwickelte Verfahrensroute auch eine attraktive Option für kleinere Ammoniak-Anlagen dar.

Ein Konzept mit vielen Facetten

  • Das Linde Ammonia Concept, kurz LAC™, bietet Kunden mehr Flexibilität bei der Rohstoff-Auswahl. Zudem lassen sich vom Prozess Zusatzprodukte wie unter anderem Stickstoff, Argon, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Synthesegas abzweigen.
  • Mit der Verfahrensroute lassen sich katalytische Schritte und damit Katalysatormaterial sowie Energie einsparen. 
  • Linde Engineering bietet seinen Kunden zudem eine modulare Bauweise an, die sich vor allem für kleinere Ammoniak-Anlagen eignet.

Das Linde Ammonia Concept bietet mehr Flexibilität, wenn es um die Auswahl der Nebenprodukte geht. Zugleich können die Anlagenbetreiber ein breites Rohstoff-Spektrum nutzen – von Erdgas über Methanol bis hin zu Naphtha und Schweröl.

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.

Ammoniak-Anlagen nach dem Linde Ammonia Concept

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.


Linde-built ammonia plant in Togliatti, Russia, based on the Linde Ammonia Concept (LAC?).
Die Ammoniak-Anlage in Togliatti, Russland, nutzt das Linde Ammonia Concept.

So arbeitet der Linde-Isotherm-Reaktor

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.

Gasstrom per Druckwechseladsorption reinigen

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.

Linde’s isothermal reactor: diagram of a reactor based on the design of the coil-wound heat exchangers.
Linde-Isotherm-Reaktor.

Wasserstoff anderweitig nutzen

Ein weiterer Vorteil des Linde Ammonia Concepts: Der Anlagenbetreiber kann den Synthesegasstrom, weil dieser nicht durch Stickstoff verunreinigt ist, prinzipiell auch für andere Zwecke als zur Ammoniak-Produktion nutzen. Ebenfalls lässt sich reiner Wasserstoff abzweigen und anderweitig einsetzen, was bei der klassischen Verfahrensroute nicht möglich ist. „Für unsere Kunden in Al Jubail in Saudi Arabien und Togliatti in Russland waren diese Pluspunkte ausschlaggebend“, sagt Wawrzinek. Weil sich mit dem von Linde entwickelten Verfahren auch andere Rohstoffe als Erdgas verarbeiten lassen, entschied sich zudem ein weiterer Kunde in Salalah, Oman, für das LAC: „Hier nutzen wir beispielsweise das vom Anlagenbetreiber bereitgestellte wasserstoffreiche Gas, um daraus einen reinen H2-Strom für die Ammoniaksynthese zu erzeugen“, erklärt der Linde-Experte. Die Anlage wird derzeit gebaut und soll 2020 in Betrieb gehen.  Den benötigten Stickstoff liefert beim LAC eine Luftzerlegungsanlage. Diese speist den N2-Strom dann direkt vor der Ammoniak-Synthese ein. Dass das Anlagenkonzept stimmig ist, zeigt auch die effiziente Energie- und Rohstoffnutzung.

The Linde-built hydrocarbon  and ammonia  plant
Die HyCO- und NH3-Anlage in Saudi Arabien, Al Jubail, liefert Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Co-Produkte, die für andere Prozessstränge genutzt wird.

Ammoniak-Anlagen in Modul-Bauweise

Während bei größeren NH3-Anlagen vor allem die Betriebskosten und der Wirkungsgrad im Vordergrund stehen, spielen bei kleineren Anlagen, die weniger als 300 Tonnen Ammoniak pro Tag erzeugen, die Investitionskosten eine größere Rolle. Für kleinere Anlagen, die derzeit verstärkt nachgefragt werden, bietet Linde mit seinem Modularisierungsansatz eine attraktive Lösung. „Stickstoff erzeugen wir in unseren standardisierten ECOGANTM Luftzerlegern, Wasserstoff mit unseren modularisierten HYDROPRIME ® Steam Reformenr, und kombinieren die H2-Erzeugung direkt mit der Druckwechseladsorption und Kühlelementen zu einem Standardmodul“, erklärt Wawrzinek. Die Ammoniak-Produktion ist ein weiteres Modul. „Weil wir beim LAC inertfrei arbeiten, brauchen wir insgesamt weniger Anlagenkomponenten – und diese lassen sich zudem kompakter konstruieren.“ Das vereinfacht nicht nur den Transport, sondern auch die Abwicklung auf der Baustelle, weil vor Ort weniger zusammengebaut und geschweißt werden muss. „Wenn dort ungünstige klimatische Bedingungen herrschen oder nicht genügend erfahrene Arbeitskräfte zur Verfügung stehen, bietet sich unser Modularisierungskonzept an. Was sich bei anderen Anlagen bewährt hat, können wir nun auch für Ammoniak-Anlagen anbieten“, fasst Wawrzinek zusammen.

Mehr Flexibilität für eingesetzte Rohstoffe und für die Auswahl von Zusatzprodukten