LU103342B1

LU103342B1 - Synthesegas-Kühler für die industrielle Herstellung von Ammoniak

Info

Publication number: LU103342B1
Application number: LU103342A
Authority: LU
Inventors: Sebastian Sigge; Thorsten Brakhane
Original assignee: Thyssenkrupp Ag; Thyssenkrupp Uhde Gmbh
Priority date: 2024-07-19
Filing date: 2024-07-19
Publication date: 2026-01-19

Abstract

Es ist ein Synthesegas-Kühler (10) zur Kühlung eines Synthesegases für die industrielle Herstellung von Ammoniak vorgesehen mit einem Behälter (12), wobei der Behälter (12) einen Eingang (14) zur Zufuhr von heißem Synthesegas (16) und einen Ausgang (18) zur Abfuhr von gekühltem Synthesegas (22) aufweist, einem in dem Behälter (12) vorgesehenen Wärmetauscher (24) zur Kühlung des heißen Synthesegases (16), einer Bypassleitung (34) zur Ableitung eines Teils des heißen Synthesegas (16) an dem Wärmetauscher (24) vorbei und einer in dem Behälter (12) vorgesehenen Trennwand (32) zur Abgrenzung einer Mischkammer (20), gekennzeichnet durch eine zu der Trennwand (32) axial versetzte Schutzwand (40) , wobei zwischen der Schutzwand (40), der Trennwand (32) und dem Behälter (12) ein gegen ein Eindringen von Synthesegas geschütztes Schutzvolumen (42) eingeschlossen ist, und mindestens eine durch das Schutzvolumen (42) hindurchgeführte Durchfuhrleitung (38) zur Durchleitung von in dem Wärmetauscher gekühlten kalten Synthesegas (36) in die Mischkammer (20), wobei die Bypassleitung (34) mit der Mischkammer (20) fluidisch kommunizierend durch das Schutzvolumen (42) hindurchgeführt ist und einer in dem Schutzvolumen (42) vorgesehene Stellaktorik (44) zur Variation eines Durchflusses in der Bypassleitung (34) und in der Durchfuhrleitung (38). Da eine für metal dusting erforderliche Atmosphäre an der Stellaktorik (44) verhindert ist, ist ein ausfallsicherer Betrieb des Synthesegas-Kühlers auch bei extremen Betriebsbedingungen ermöglicht.

Description

Synthesegas-Kühler für die industrielle Herstellung von Ammoniak

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Synthesegas-Kühler, mit dessen Hilfe ein Synthesegas für die industrielle Herstellung von Ammoniak gekühlt werden kann, sowie ein Verfahren zum

Betrieb eines derartigen Synthesegas-Kühlers.

Aus EP 3 262 363 BI ist ein Synthesegas-Kühler zur Kühlung eines Synthesegases für die industrielle Herstellung von Ammoniak bekannt, bei dem das zugeführte Synthesegas nach dem Durchstrômen eines ersten Wärmetauschers aufgeteilt wird in einen ersten Teilstrom, der einen zweiten Wärmetauscher durchstrômt und einen zweiten Teilstrom, der über eine auBerhalb des übrigen Synthesegas-Kühlers ausgebildete Bypassleitung an dem zweiten

Wärmetauscher vorbeigeführt wird und am Ausgang des zweiten Wärmetauschers dem ersten

Teilstrom in einer Mischkammer wieder zugemischt wird, um am Ausgang des Synthesegas-

Kühlers eine gewünschte Ausgangstemperatur einstellen zu können.

Aus DE 39 13 422 A1 ist ein Rohrbündelwärmetauscher bekannt, der eine zentral durch ein

Paket von Wärmetauscherrohren hindurchgeführte Bypass-Leitung aufweist, wobei eine

Aufteilung einer Durchflussmenge eines zu kühlenden Gases auf die Wärmetauscherrohre und die Bypassleitung mit Hilfe von Stellklappen an einem Übergang zu einer Mischkammer erfolgt, um am Ausgang des Rohrbündelwärmetauschers eine gewünschte

Ausgangstemperatur einstellen zu kônnen.

Es besteht ein ständiges Bedürfnis, Fehlfunktionen eines Synthesegas-Kiihlers auch in extremen Betriebssituationen zu vermeiden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die einen ausfallsicheren Betrieb eines Synthesegas-Kühlers ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen Synthesegas-Kühler mit den Merkmalen des

Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte

Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Wenn ein Merkmal in Kombination mit einem anderen Merkmal dargestellt wird, dient dies nur der vereinfachten Darstellung der Erfindung und soll keinesfalls bedeuten, dass dieses Merkmal nicht auch ohne das andere Merkmal eine Weiterbildung der Erfindung sein kann, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die unabhängigen Ansprüche definiert wird.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Synthesegas-Kühler zur Kühlung eines Synthesegases für die industrielle Herstellung von Ammoniak, mit einem Behälter, wobei der Behälter einen

Eingang zur Zufuhr von heißem Synthesegas und einen Ausgang zur Abfuhr von gekühltem

Synthesegas aufweist, einem in dem Behälter vorgesehenen Wärmetauscher zur Kühlung des heißen Synthesegases, einer Bypassleitung zur Ableitung eines Teils des heißen

Synthesegases an dem Wärmetauscher vorbei, einer in dem Behälter vorgesehenen

Trennwand zur Abgrenzung einer, insbesondere sich an den Ausgang anschließenden,

Mischkammer, einer zu der Trennwand axial (d.h. in Längsrichtung des Behälters des

Synthesegas-Kühlers) versetzten Schutzwand, wobei zwischen der Schutzwand, der

Trennwand und dem Behälter ein gegen ein Eindringen von Synthesegas geschütztes

Schutzvolumen eingeschlossen ist, und mindestens einer durch das Schutzvolumen hindurchgeführten Durchfuhrleitung zur Durchleitung von in dem Wärmetauscher gekühltem kalten Synthesegas in die Mischkammer, wobei die Bypassleitung mit der Mischkammer fluidisch kommunizierend durch das Schutzvolumen hindurchgeführt ist und einer in dem

Schutzvolumen vorgesehenen Stellaktorik zur Variation eines Durchflusses in der

Bypassleitung und/oder in der Durchfuhrleitung.

Bei der industriellen Herstellung von Ammoniak (NHz) kann zunächst aus

Kohlenwasserstoffen, insbesondere Erdgas, das Synthesegas erzeugt werden. Hierzu kann mit

Hilfe einer autothermen Reformierung (,,ATR“) Erdgas, insbesondere Methan, mit Sauerstoff und Dampf bei hoher Temperatur und hohem Druck energieeffizient in das Synthesegas umgewandelt werden, wobei die zum Aufbrechen der Methan-Moleküle erforderliche Wärme durch die hierbei stattfindende exotherme Sauerstoffreaktion erzeugt wird. In einem nachfolgenden Prozessschritt kann aus dem Synthesegas der zur Herstellung von Ammoniak benôtigte Wasserstoff, insbesondere mit Hilfe der Wassergas-Shift-Reaktion, gewonnen werden. Das bei der Gewinnung des Wasserstoffs entstehende Kohlenstoffdioxid (CO,) soll hierbei möglichst vollständig, vorzugsweise mit über 90 Gewichts-%, abgeschieden werden, um das CO; nicht in die Atmosphäre entweichen zu lassen, sondern klimafreundlich zu speichern, beispielsweise unterirdisch zu binden. Der so hergestellte Ammoniak wird auch als „blauer Ammoniak“ bezeichnet. Die Wassergas-Shift-Reaktion kann insbesondere zunächst bei einer hohen Temperatur erfolgen („HT-Shift‘“), um die Reaktion mit einer schnellen

Kinetik zu betreiben, und nachfolgend mit einer niedrigen Temperatur („NT-Shift“), um das

Reaktionsgleichgewicht zur Eduktseite hin mit den Edukten CO, und Hz zu verschieben. Da auch der HT-Shift im Vergleich zu der autothermen Reformierung bei einer niedrigeren

Temperatur erfolgt, ist es erforderlich das in der autothermen Reformierung entstehende

Synthesegas in dem Synthesegas-Kühler auf die für die Wassergas-Shift-Reaktion gewünschte Temperatur zu kühlen.

Um die Abtrennung des CO, zu unterstützen, erfolgt die Erzeugung des Synthesegases im

Vergleich zur herkömmlichen Herstellung von Ammoniak („grauer Ammoniak“) bei einer höheren Temperatur und höherem Druck. Dies führt dazu, dass für die Bauteile in der

Mischkammer bzw. im Austrittsbereich des Synthesegas-Kühlers eine

Hochtemperaturkorrosion („metal dusting“) zu befürchten ist.

Eine im Betrieb stattfindende Verschmutzung und/oder ein Zusetzen der Wärmetauscherrohre durch Ablagerungen führt zu einem sich über die Zeit verschlechternden Wärmeübergang (,Fouling“) in dem Wärmetauscher, so dass zu Beginn der Lebensdauer des Synthesegas-

Kühlers eine bessere Kühlleistung und damit eine niedrigere Temperatur des gekühlten

Synthesegases als zu einem späteren Zeitpunkt erreicht werden kann. Die das Fouling verursachenden Ablagerungen kônnen aus dem vorgelagerten Prozessweg kommen. Diese

Ablagerungen bestehen zu einem groBen Teil aus Komponenten, die von der innenliegenden

Wärmeisolierung der Bauteile ausgetragen werden (Refractory Lining / z.B. SiO2). Weitere mögliche Quellen für die Ablagerungen sind generelle Verunreinigungen in den

Rohrleitungen (Staub, etc.) und teilweise Austragungen von den Katalysatoren.

Die infolge des Fouling über die Zeit abnehmende Kühlleistung des Wärmetauschers bedingt eine über die Zeit zunehmende Temperatur des gekühlten Synthesegases. Deshalb ist ein

Gegensteuern über eine Veränderung des durch die Bypassleitung geleiteten Synthesegas-

Volumenstroms erforderlich, um die Austrittstemperatur des Synthesegases auf einer gewünschten konstanten Temperatur zu halten.

Mit Hilfe der Stellaktorik kann der Durchfluss in der Bypassleitung und in der

Durchfuhrleitung variiert werden, wodurch die in die Mischkammer eintretende Menge an heißem, ungekühlten Synthesegas aus der Bypassleitung und kaltem, im Wärmetauscher gekühltem Synthesegas aus der Durchfuhrleitung verändert werden kann und sich je nach

Mischungsverhältnis der beiden Mengen und deren Temperaturen eine Mischtemperatur in der Mischkammer einstellt, mit der das in dem Synthesegas-Kühler gekühlte Synthesegas den

Synthesegas-Kühler über den Ausgang verlassen kann. Wenn sich der Wärmeübergang in den

Wärmetauscherrohren des Wärmetauschers infolge von Ablagerungen, Verschmutzungen und

Dergleichem durch Fouling verschlechtert und damit die Kühlleistung abnimmt, kann mit

Hilfe der Stellaktorik die Menge an durch die Bypassleitung geführtem (heißem) Synthesegas verringert und die Menge an durch den Wärmetauscher geführtem (kaltem) Synthesegas vergrößert werden, um eine gewünschte Zieltemperatur für das Synthesegas am Ausgang des

Synthesegas-Kühlers bei zu behalten. Dies führt jedoch dazu, dass die insbesondere bewegliche mechanische Teile aufweisende Stellaktorik innerhalb des Behälters vorgesehen sein muss, um im Inneren der Bypassleitung und der Durchfuhrleitung den Durchfluss variieren zu kônnen.

Bei der Erfindung wurde die Erkenntnis ausgenutzt, dass für die Ausbildung der

Mischkammer in vorteilhafter Weise die Trennwand vorgesehen sein kann, um kostengünstig und leicht das Volumen der Mischkammer von dem übrigen Volumen des Behälters abgrenzen zu kônnen, wobei die Trennwand für die Zufuhr des in dem Wärmetauscher gekühlten Synthesegases und die Zufuhr des heißen Synthesegases aus der Bypassleitung durchdrungen wird. Die zu der Trennwand etwas in Axialrichtung versetzte Schutzwand, die vorzugsweise identisch zu der Trennwand ausgebildet ist, kann analog zur Trennwand ebenfalls durchdrungen werden. Dies führt dazu, dass in dem axialen Zwischenraum zwischen der Trennwand und der Schutzwand ein Schutzvolumen ausgebildet ist, das aber nicht mit dem übrigen Volumen des Behälters fluidisch kommuniziert und vorzugsweise gegenüber dem übrigen Volumen des Behälters gegen ein Eindringen von Synthesegas abgedichtet ist. Da das Synthesegas nicht in das Schutzvolumen eindringen kann, liegt in dem

Schutzvolumen eine Atmosphäre vor, die frei von Synthesegas ist. Die in dieser Synthesegas- freien Atmosphäre des Schutzvolumens vorgesehene Stellaktorik gelangt dadurch nicht in

Kontakt mit dem kohlenstoffhaltigen Synthesegas. Da somit ein Kontakt der Stellaktorik mit der kohlenstoffhaltigen Atmosphäre des Synthesegases vermieden ist, kann eine

Kohlenstoffabscheidung an der Oberfläche der Stellaktorik verhindert werden, wodurch ein metal dusting selbst dann wirksam vermieden ist, wenn die Temperatur des Schutzvolumens und/oder der Stellaktorik sich in einem für metal dusting kritischen Bereich von insbesondere 450°C bis 800°C befindet. Obwohl die Stellaktorik innerhalb des Behälters einem für metal dusting kritischen Temperaturbereich ausgesetzt ist, kann durch die fluidisch von dem

Schutzvolumen abgegrenzte Durchfuhr des Synthesegases eine für metal dusting erforderliche

Atmosphäre an der Stellaktorik verhindert werden, so dass eine Einschränkung der

Funktionsfähigkeit der Stellaktorik durch metal dusting sicher vermieden ist und ein ausfallsicherer Betrieb des Synthesegas-Kühlers auch bei extremen Betriebsbedingungen ermôglicht ist.

Der Synthesegas-Kühler ist für eine industrielle Produktion von Ammoniak ausgelegt.

Insbesondere ist der Synthesegas-Kühler für eine Ammoniak-Herstellung von über 3000 t/Tag, insbesondere über 3500 t/Tag dimensioniert und weist entsprechend große

Abmessungen auf.

Der Behälter des Synthesegas-Kühlers kann auf einer Zylinder-Form basieren. Beispielsweise weist der Behälter einen zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Mittelbereich auf, an dessen axialen Enden kuppelférmige, insbesondere kugelschalenfôrmige, Hauben befestigt sind. Verwendete Zylinderkoordinaten, insbesondere eine axiale und eine radiale Richtung, beziehen sich auf den Mittelbereich und/oder eine Mittellinie des Mittelbereichs. Die

Mittellinie des Behälters kann vertikal oder vorzugsweise horizontal ausgerichtet sein. Der

Behälter, insbesondere die jeweilige Haube des Behälters kann den Eingang und den Ausgang für das Synthesegas ausbilden. Der Mittelbereich kann Durchführungsöffnungen für die

Durchführung eines Kühlmittels des innerhalb des Behälters vorgesehenen Wärmetauschers aufweisen.

Der Wärmetauscher kann insbesondere in axialer Richtung des Behälters verlaufende

Wärmetauscherrohre aufweisen, die einen Kühlmantel des Wärmetauschers in axialer

Richtung durchdringen. Der Kühlmantel kann von dem Kühlmittel durchströmt werden, so dass das Kühlmittel an einer Außenfläche der Wärmetauscherrohre Wärme aufnehmen und konvektiv abführen kann. Der Kühlmantel ist üblicherweise ein durchgehender Zylinder ohne

Freiraum. Die Bypass Leistung durchdringt ebenfalls den Kühlmantel in axialer Richtung, parallel zu den Rohren..

Die Bypassleitung ist insbesondere vollständig innerhalb des Behälters vorgesehen, so dass eine konvektive Wärmeabfuhr an die Umgebung vermieden ist. Um einen Wärmeübergang von der Bypassleitung an das Kühlmittel zu verhindern, ist die Bypassleitung isoliert. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Bypassleitung bewusst nicht gekühlt werden soll, sondern das über die Bypassleitung in die Mischkammer eingeleitete Synthesegas möglichst die Temperatur des Synthesegases am Eingang des Behälters des Synthesegas-Kühlers aufweisen soll. Dies ermöglicht es den Wärmetauscher bewusst für eine im Neuzustand („SOR“: start of run) zu hohe Kühlleistung zu dimensionieren, damit auch bei einem stark fortgeschrittenen Fouling und einem deutlich verschlechterten Wärmeübergang zum Betriebsende hin („EOR“: end of run) noch eine ausreichende Kühlung des Synthesegases erreicht werden kann. Da beim SOR das heiße Synthesegas in einem entsprechend großen Ausmaß über die Bypassleitung an den

Wärmetauscherrohren vorbei geführt werden kann, um eine zu starke Kühlung zu vermeiden und die gewünschte Zieltemperatur am Ausgang des Synthesegas-Kühlers zu erreichen, ist es möglich den Wärmetauscher nur für den EOR und eine damit assoziierte gewünschte

Betriebsdauer auszulegen.

Die Trennwand und/oder die Schutzwand können in radialer Richtung an dem Behälter befestigt, beispielsweise mit dem Behälter verschweißt, sein. Die Befestigung der Trennwand und/oder die Schutzwand kann derart fluiddicht erfolgen, dass das Synthesegas nicht passieren kann. Ebenso ist es möglich die mindestens eine Durchfuhrleitung und die

Bypassleitung fluiddicht in Durchgangsöffnungen in der Trennwand und/oder in der

Schutzwand zu befestigen, insbesondere zu verschweiBen.

Die Stellaktorik ist zumindest zu einem Großteil, vorzugsweise vollständig, in dem

Schutzvolumen vorgesehen. Ein von der Stellaktorik betätigtes Stellglied, beispielsweise ein verschiebbarer Ventilkôrper oder eine verdrehbare Klappe, kann innerhalb der Bypassleitung beziehungsweise innerhalb der Durchfuhrleitung vorgesehen sein und dem Synthesegas ausgesetzt sein. Das Stellglied kann jedoch durch die jeweilige Leitung hindurch, insbesondere mechanisch, elektrisch, magnetisch und/oder elektromagnetisch, von der

Stellaktorik betätigt werden. Insbesondere ist eine mechanische Koppelung zwischen dem

Stellglied und der Stellaktorik durch das Material der Bypassleitung beziehungsweise der

Durchfuhrleitung ausreichend abgedichtet hindurchgeführt, so dass sich eine thermisch besonders robuste, rein mechanische Aktorik realisieren lässt.

Insbesondere ist in einem gemeinsamen Axialbereich mit dem Schutzvolumen in der

Bypassleitung ein von der Stellaktorik betätigbares, insbesondere als verdrehbare

Bypassklappe ausgestaltetes, Bypassventil zur Veränderung eines Durchflusses in der

Bypassleitung und/oder ein von der Stellaktorik betätigbares, insbesondere als verdrehbare

Durchfuhrklappe ausgestaltetes, Durchfuhrventil zur Veränderung eines Durchflusses in der

Durchfuhrleitung vorgesehen. Das jeweilige Ventil kann in radialer Richtung die zugeordnete

Leitung durchdringen, um von der Stellaktorik betätigt werden zu können. Die zugehörige

Durchdringung kann ausreichend abgedichtet sein, so dass kein Synthesegas in das

Schutzvolumen eindringen kann. Dadurch wird vermieden, dass die Stellaktorik die

Trennwand oder die Schutzwand durchdringen muss, um das zugehörige Ventil zu betätigen.

Die gesamte Stellaktorik kann auch zur Betätigung des jeweiligen Ventils vollständig in dem

Schutzvolumen eingeschlossen sein. Insbesondere ist eine drehbare Drehachse der jeweiligen

Klappe durch die zugehörige Leitung in das Schutzvolumen hinein hindurch geführt, so dass die Stellaktorik innerhalb des Schutzvolumens an der Drehachse ein Drehmoment einleiten kann, um die zugehörige Klappe zu verdrehen und damit den Durchfluss zu verändern.

Vorzugsweise ist die Durchfuhrleitung und/oder das Bypassventil und/oder das

Durchfuhrventil und/oder sind die Bauteile der Stellaktorik aus einem hochtemperaturkorrosionsbeständigen Material hergestellt, wobei insbesondere das hochtemperaturkorrosionsbeständige Material eine Nickel-Chrom-Aluminium-Legierung, vorzugsweise Alloy 699XA, ist. Dadurch kann ein metal dusting im Bereich der von der

Stellaktorik betätigten Ventile sowie in der Durchfuhrleitung vermieden werden. Da im

Vergleich zu den Wärmetauscherrohren des Wärmetauschers nur ein geringer Anteil der verwendeten Materialen aus dem hochtemperaturkorrosionsbeständigen Material hergestellt ist, können die Herstellungskosten für den Synthesegas-Kühler gering gehalten werden.

Besonders bevorzugt weist die Stellaktorik eine den Behälter im Wesentlichen in radialer

Richtung durchdringende verdrehbare Stellstange auf, wobei die Stellstange ausgestaltet ist bei einer Drehung den Durchfluss in der Bypassleitung und/oder in der Durchfuhrleitung zu variieren. Da die Stellstange in radialer Richtung verläuft kann die Stellstange innerhalb des gemeinsamen Axialbereichs mit dem Schutzvolumen den Behälter durchdringen und außerhalb des Behälters, insbesondere elektromotorisch, verdreht werden. Eine

Antriebstechnik für die Stellaktorik kann dadurch in einem thermisch wenig belasteten

Bereich vorgesehen sein. Die Stellstange kann robust gegen thermische Einflüsse sein und leicht eine Betätigungskraft für die Ventile übertragen. Die drehbare Stellstange kann über abstehende Lenker leicht eine geeignete Hebelkraft für die Betätigung des jeweiligen Ventils bereitstellen. Grundsätzlich ist es möglich für jedes Ventil mit Hilfe einer separaten

Stellstange separat den Durchfluss zu variieren.

Insbesondere ist vorgesehen, dass genau eine Stellstange vorgesehen ist und die Stellstange ausgestaltet ist gleichzeitig und zwangsgekoppelt den Durchfluss sowohl in der Bypassleitung als auch in der Durchfuhrleitung zu variieren. Die Stellaktorik kann dadurch z. B. proportional zu einem Schließen der Bypassleitung ein Öffnen der Durchfuhrleitung oder umgekehrt einstellen. Dadurch kann mit einem geringen konstruktiven Aufwand sichergestellt werden, dass nicht unbeabsichtigt sämtliche Leitungen gleichzeitig verschlossen werden und eine Betriebsstörung ausgelöst wird.

Vorzugsweise ist ein Temperatursensor zur Detektion der Temperatur des Synthesegases in der Mischkammer vorgesehen, wobei der Temperatursensor mit einer Steuereinrichtung zum

Betrieb der Stellaktorik verbunden ist und die Steuereinrichtung hergerichtet ist durch eine

Variation des Durchflusses in der Bypassleitung und in der Durchfuhrleitung eine

Zieltemperatur des Synthesegases in der Mischkammer zu regeln. Mit Hilfe der Stellaktorik kann die Steuereinrichtung eine Temperaturregelung des Synthesegases am Ausgang des

Synthesegas-Kühler erreichen, damit das Synthesegas mit einer genau definierten

Zieltemperatur einem nachfolgenden Prozessschritt zugeführt werden kann, insbesondere einer Wassergas-Shift-Reaktion.

Besonders bevorzugt weist die Bypassleitung, insbesondere im Bereich der Mischkammer, eine thermisch isolierende Ummantelung auf, wobei insbesondere die Ummantelung dimensioniert ist die Wandtemperatur der Bypassleitung auf einer Temperatur von über 800°C, insbesondere über 850°C zu halten. Die Bypassleitung kann beispielsweise ein inneres

Rohr und ein im Wesentlichen koaxial zum inneren Rohr angeordnetes äuBeres Rohr aufweisen, zwischen denen ein thermisches Isoliermaterial und/oder ein eingeschlossenes Gas oder Vakuum vorgesehen ist. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass insbesondere bei der Herstellung von blauem Ammoniak das über den Eingang zugeführte Synthesegas eine besonders hohe Temperatur aufweisen kann, die sogar oberhalb eines für die Entstehung von metal dusting relevanten Temperaturbereichs liegen kann. Durch die thermisch isolierende

Ummantelung der Bypassleitung kann sichergestellt werden, dass das Synthesegas in der

Bypassleitung und das Material bzw. die Wandtemperatur der Bypassleitung so heiß ist, dass bereits aufgrund der sehr hohen Temperatur des Synthesegases und des Materials/der

Wandtemperatur der Bypassleitung ein metal dusting in und an der Bypassleitung vermieden werden kann, ohne dass es erforderlich ist, für die Bypassleitung ein hochtemperaturkorrosionsbeständiges Material wie beispielsweise Alloy 699XA vorzusehen.

Dadurch kann mit Hilfe einer sehr kostengünstigen Maßnahme unter Ausnutzung der speziellen Betriebsbedingungen ein metal dusting der Bypassleitung vermieden werden.

Insbesondere weist eine zum Synthesegas weisende bzw. mit dem Synthesegas in Kontakt stehende Oberfläche eine Opferschicht zur Zersetzung durch Hochtemperaturkorrosion mit einer Schichtdicke s von s > 1,5 mm, insbesondere s > 2,0 mm und vorzugsweise s > 2,5 mm auf, wobei die Oberfläche Teil des Behälters und/oder der Trennwand und/oder der

Schutzwand und/oder der Durchfuhrleitung und/oder des Wärmetauschers ist. Dem

Synthesegas ausgesetzte Oberflächen, die im laufenden Betrieb für ein metal dusting anfällig wären, können mit einer für die gewünschte Betriebsdauer ausgelegten Opferschicht versehen sein, bei deren Schichtdicke ein metal dusting zugelassen werden kann, ohne die

Funktionsfähigkeit der jeweiligen Oberfläche zu beeinträchtigen. Die für ein metal dusting zu opfernde Opferschicht kann einstückig mit dem übrigen Material ausgestaltet sein.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Synthesegas-

Kühlers, der wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, bei der industriellen Herstellung von Ammoniak, insbesondere blauen Ammoniak, bei dem ein heißes Synthesegas mit einer Temperatur von mindestens 800°C, insbesondere mindestens 850°C dem Synthesegas-Kühler zugeführt wird, wobei der Synthesegaskühler in einem

Druckbereich von 50 — 100 bara betrieben wird, und wobei und das heiße Synthesegas derart auf den Wärmetauscher und die Bypassleitung aufgeteilt wird, dass sich in der Mischkammer eine vorgegebene Zieltemperatur ergibt, wobei das Synthesegas an dem Schutzvolumen vorbei geleitet wird. Das Verfahren kann insbesondere wie vorstehend anhand des

Synthesegas-Kühlers erläutert aus- und weitergebildet sein. Obwohl die Stellaktorik innerhalb des Behälters einem für metal dusting kritischen Temperaturbereich ausgesetzt ist, kann durch die fluidsch von dem Schutzvolumens abgegrenzte Durchfuhr des Synthesegases eine für metal dusting erforderliche Atmosphäre an der Stellaktorik verhindert werden, so dass eine

Einschränkung der Funktionsfähigkeit der Stellaktorik durch metal dusting sicher vermieden ist und ein ausfallsicherer Betrieb des Synthesegas-Kühlers auch bei extremen

Betriebsbedingungen ermöglicht ist.

Vorzugsweise wird über einen Betriebszeitraum des Synthesegas-Kühlers zwischen einem

Betriebsbeginn (start-of-run) und einem Betriebsende (end-of-run) der durch die

Bypassleitung geleitete Durchfluss derart reduziert wird, dass sich in der Mischkammer während des Betriebszeitraums stets eine vorgegebene Zieltemperatur ergibt. Bevor selbst bei einem vollständigen Schließen der Bypassleitung mit Hilfe der Stellaktorik das Synthesegas aufgrund des Foulings im Wärmetauscher nicht mehr auf die gewünschte Zieltemperatur abgekühlt werden kann, wird der Betrieb des Synthesegas-Kühlers beendet. Dies ermöglicht es das Fouling zu reparieren, beispielsweise indem in einer Revision des Synthesegas-Kühlers der Wärmetauscher und gegebenenfalls andere von metal dusting betroffene Bauteile ausgetauscht werden. Hierbei kann insbesondere die im Schutzvolumen geschützte

Stellaktorik für einen erneuten nachfolgenden Betrieb des reparierten Synthesegas-Kühlers wiederverwendet werden.

Bevorzugt wird der Synthesegas-Kühler in einer Anlage zur industriellen Herstellung von sogenanntem blauen Ammoniak betrieben wird. In solchen Anlagen ist die Gefahr von metal dusting größer als bei grauen Ammoniakanlagen (also solchen, bei denen das Synthesegas vollständig auf der Basis von Erdgas (z.B. durch steam reforming) erzeugt wird. Insbesondere in Anlagen zur industriellen Herstellung von Ammoniak, die einen autothermen Reformer (ATR) umfassen, ist die Gefahr von metal dusting erhöht, so dass sich der erfindungsgemäße

Synthesegas-Kühler und das erfindungsgemäße Betriebsverfahren besonders für den Einsatz in Anlagen mit ATR-Technologie eignen.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der

Erfindung darstellen kônnen. Wenn in einem konkreten Ausführungsbeispiel ein Merkmal in

Kombination mit einem anderen Merkmal dargestellt wird, dient dies nur der vereinfachten

Darstellung der Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels und soll keinesfalls bedeuten, dass dieses Merkmal nicht auch ohne das andere Merkmal eine Weiterbildung der Erfindung sein kann, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die unabhängigen Ansprüche definiert wird. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Synthesegas-Kühlers,

Fig. 2: eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils des Synthesegas-Kühlers aus

Fig. 1 und

Fig. 3: eine schematische geschnittene Detailansicht eines Teils des Synthesegas-Kühlers aus

Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte Synthesegas-Kühler 10 kann insbesondere in einer Anlage zur

Herstellung von sogenanntem blauen Ammoniak verwendet werden, wobei der Synthesegas-

Kühler 10 vorzugsweise für eine Ammoniak-Herstellung von über 3000 t/Tag, insbesondere über 3500 t/Tag dimensioniert ist. Der Synthesegas-Kühler 10 weist einen grob zylindrisch ausgeformten Behälter 12 auf, der insbesondere horizontal ausgerichtet ist. An einem Eingang 14 kann heißes Synthesegas 16 zugeführt, in einer Mischkammer 20 auf eine gewünschte

Zieltemperatur eingestellt und über einen Ausgang 18 als gemischtes gekühltes Synthesegas 22 abgeführt werden. Innerhalb des Behälters 12 ist ein ringfôrmiger Wärmetauscher 24 vorgesehen, der in axialer Richtung des Behälters 12 durchlaufende Wärmetauscherrohre 26 aufweist, die von einem Kühlmittel 28 gekühlt werden kônnen. Im dargestellten

Ausführungsbeispiel strômt das Kühlmittel 28 in radialer Richtung, insbesondere entgegen der Schwerkraftrichtung, durch des Gehäuse 12 und den Wärmetauscher. In dem Gehäuse 12 sind geeignete Durchführungen für das Kühlmittel 28 vorgesehen. Es kann auch ein verschlieBbares Mannloch 30 vorgesehen sein, damit das Innere des Behälters 12 für

Wartungs- und ReparaturmaBnahmen von einer Person betreten werden kann.

Die Mischkammer 20 ist an der einen axialen Seite von dem Behälter 12 mit dem Ausgang 18 begrenzt und an einer anderen axialen Seite von einer Trennwand 32 begrenzt. Die

Trennwand 32 ist hierbei von einer zentral durch den Wärmetauscher 24 hindurchgeführten

Bypassleitung 34 durchdrungen, so dass ein Anteil heißen Synthesegases 16 nahezu ungekühlt in die Mischkammer 20 eintreten kann. Das in dem Wärmetauscher 24 gekühlte kalte Synthesegas 36 kann über separate Durchfuhrleitungen 38 durch die Trennwand 32 hindurch in die Mischkammer 20 geführt werden. Etwas zu der Trennwand 32 beabstandet ist eine Schutzwand 40 an dem Behälter 12 befestigt bzw. mit dem Behälter 12 verbunden (z.B. stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt), so dass sich in dem Axialbereich zwischen der Trennwand 32 und der Schutzwand 40 ein abgegrenztes Schutzvolumen 42 ergibt. In dem Schutzvolumen ist der Stoffaustausch zwischen den Oberflächen der das

Schutzvolumen begrenzenden Bauteilen bzw. den in dem Schutzvolumen angeordneten

Bauteilen und dem in dem Schutzvolumen enthaltenen Gas soweit reduziert, dass metal dusting effektiv unterbunden wird.

Sowohl die Bypassleitung 34 als auch die Durchfuhrleitungen 38 sind ebenfalls durch die

Schutzwand 40 hindurchgeführt, so dass kein Synthesegas 16, 36 in das Schutzvolumen 42 eintreten kann. Innerhalb des Schutzvolumens 42 ist eine Stellaktorik 44 zur Variation eines

Durchflusses in der Bypassleitung 34 und in der Durchfuhrleitung 38 bzw. den beiden dargestellten Durchfuhrleitungen 38 vorgesehen, wobei in Fig. 1 zum Zwecke der vereinfachten Darstellung die eine Stellaktorik 44 abweichend zur tatsächlichen Anordnung außerhalb des Schutzvolumens 42 dargestellt ist.

Die in Fig. 2 im Detail dargestellte Stellaktorik 44 kann den Behälter 12 an mindestens einer

Stelle durchdringen, um beispielsweise eine Stellstange 46 zu verdrehen. Die verdrehbare

Stellstange 46 kann über Lenkerhebel 48 den Durchfluss in der Bypassleitung 34 und in der

Durchfuhrleitung 38 variieren, indem beispielsweise ein als Durchfuhrklappe 50 ausgeführtes

Durchfuhrventil in der Durchfuhrleitung 38 und/oder ein als Bypassklappe ausgeführtes

Bypassventil in der Bypassleitung 34, vorzugsweise miteinander zwangsgekoppelt, verstellt wird bzw. werden. Die Betätigung der Stellaktorik 44 erfolgt über einen Stellantrieb 60 (siehe

Fig. 3), z.B. indem die Stellstange 46 um ihre Längsachse mittels des Stellantriebs 60 verdreht wird. Aus Gründen der vereinfachten Darstellung ist in Fig. 2 die ansonsten zu sehende

Schutzwand 40 nicht dargestellt, um das Innere des Schutzvolumens 42 erkennen zu können.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann die Bypassleitung 34 mit einer thermisch isolierenden

Ummantelung 52 versehen sein, mit deren Hilfe das Material der Bypassleitung 34 gegen ein

Auskiihlen geschützt werden kann und die Wandtemperatur der Bypassleitung 34 auf einer

Temperatur von über 800 °C gehalten werden kann. Dadurch ist es möglich, die

Wandtemperatur der Bypassleitung auf einer Temperatur zu halten, die zu hoch ist, um ein metal dusting in der Bypassleitung 34 zu verursachen. Beispielsweise beträgt die Temperatur des heißen Synthesegases 16 in der Bypassleitung 34 ca. 1005°C + 20 K. Die in dem

Schutzvolumen 42 eingeschlossene Stellaktorik 44 ist jedoch vor einem Stoffaustausch mit dem Synthesegas 16, 36 geschützt, so dass auch bei einem für metal dusting kritischem

Temperaturbereich innerhalb des Schutzvolumens 42 ein metal dusting an der Stellaktorik 44 nicht zu befürchten ist.

Die Wandtemperatur der Wärmetauscherrohre 26 1st hinsichtlich der Gefahr von metal dusting unkritisch, d.h. die Wärmetauscherrohre sind nicht gefährdet, durch metal dusting angegriffen zu werden. Durch die starke Kühlwirkung des Kühlmittels liegt die

Wandtemperatur der Wärmetauscherrohre 26 immer deutlich unter 450°C. Hinsichtlich metal dusting geht es um die Komponenten, die in der Mischkammer 20 bzw. im Schutzvolumen 42 angeordnet sind. Ohne Isolierung der Bypassleitung 34 im Bereich der Mischkammer 20 bzw. des Schutzvolumens 42 käme es zu einem Wärmeaustausch zwischen dem kalten Synthesegas 36 und der Bypassleitung 34. Dadurch ergäbe sich eine Wandtemperatur der Bypassleitung 34 (außen), die in dem Bereich liegt, in dem metal dusting auftritt. Aufgrund der isolierenden

Ummantelung 52 wird diese Wärmeübertragung gehemmt und die Bypassleitung 34 hat eine

Wandtemperatur von >800°C bzw. sogar Synthesegas-Temperatur. Weiterhin wird durch die isolierende Ummantelung 52 der Stoffaustausch zwischen Bypassleitung 34 (auBen) und dem kalten Synthesegas 36 gehemmt, was ebenfalls das metal dusting Risiko deutlich reduziert.

Claims

Patentansprüche

1. Synthesegas-Kühler (10) zur Kühlung eines Synthesegases für die industrielle Herstellung von Ammoniak, mit einem Behälter (12), wobei der Behälter (12) einen Eingang (14) zur Zufuhr von heißem Synthesegas (16) und einen Ausgang (18) zur Abfuhr von gekühltem Synthesegas (22) aufweist, einem in dem Behälter (12) vorgesehenen Wärmetauscher (24) zur Kühlung des heißen Synthesegases (16), einer Bypassleitung (34) zur Ableitung eines Teils des heißen Synthesegas (16) an dem Wärmetauscher (24) vorbei und einer in dem Behälter (12) vorgesehenen Trennwand (32) zur Abgrenzung einer Mischkammer (20), gekennzeichnet durch eine zu der Trennwand (32) axial versetzte Schutzwand (40) , wobei zwischen der Schutzwand (40), der Trennwand (32) und dem Behälter (12) ein gegen ein Eindringen von Synthesegas geschütztes Schutzvolumen (42) eingeschlossen ist, und mindestens eine durch das Schutzvolumen (42) hindurchgeführte Durchfuhrleitung (38) zur Durchleitung von in dem Wärmetauscher gekühlten kalten Synthesegas (36) in die Mischkammer (20), wobei die Bypassleitung (34) mit der Mischkammer (20) fluidisch kommunizierend durch das Schutzvolumen (42) hindurchgeführt ist und einer in dem Schutzvolumen (42) vorgesehene Stellaktorik (44) zur Variation eines Durchflusses in der Bypassleitung (34) und in der Durchfuhrleitung (38).

2. Synthesegas-Kühler (10) nach Anspruch 1, wobei in einem gemeinsamen Axialbereich mit dem Schutzvolumen (42) in der Bypassleitung (34) ein von der Stellaktorik (44) betätigbares Bypassventil zur Veränderung eines Durchflusses in der

Bypassleitung (34) und/oder ein von der Stellaktorik (44) betätigbares Durchfuhrventil zur Veränderung eines Durchflusses in der Durchfuhrleitung (38) vorgesehen ist.

3. Synthesegas-Kühler (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Durchfuhrleitung (38) und/oder das Bypassventil und/oder das Durchfuhrventil und/oder die Bauteile der Stellaktorik (44) aus einem hochtemperaturkorrosionsbeständigen Material hergestellt ist, wobei insbesondere das hochtemperaturkorrosionsbeständige Material eine Nickel- Chrom-Aluminium-Legierung, vorzugsweise Alloy 699XA, ist.

4 Synthesegas-Kühler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stellaktorik (44) eine den Behälter (12) im Wesentlichen in radialer Richtung durchdringende verdrehbare Stellstange (46) aufweist, wobei die Stellstange (46) ausgestaltet ist bei einer Drehung den Durchfluss in der Bypassleitung (34) und/oder in der Durchfuhrleitung (38) zu variieren.

5. Synthesegas-Kühler (10) nach Anspruch 4, wobei genau eine Stellstange (46) vorgesehen ist und die Stellstange (46) ausgestaltet ist gleichzeitig und zwangsgekoppelt den Durchfluss sowohl in der Bypassleitung (34) als auch in der Durchfuhrleitung (38) zu variieren.

6. Synthesegas-Kühler (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein Temperatursensor zur Detektion der Temperatur des Synthesegases in der Mischkammer (20) vorgesehen ist, wobei der Temperatursensor mit einer Steuereinrichtung zum Betrieb der Stellaktorik (44) verbunden ist und die Steuereinrichtung hergerichtet ist durch eine Variation des Durchflusses in der Bypassleitung (34) und/oder in der Durchfuhrleitung (38) eine Zieltemperatur des Synthesegases in der Mischkammer (20) zu regeln.

7. Synthesegas-Kühler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bypassleitung (34) eine thermisch isolierende Ummantelung (52) aufweist, wobei die Ummantelung

(52) dimensioniert ist die Wandtemperatur der Bypassleitung (34) auf einer Temperatur von über 800°C, insbesondere über 850°C zu halten.

8. Synthesegas-Kühler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine zum Synthesegas weisende Oberfläche eine Opferschicht zur Zersetzung durch Hochtemperaturkorrosion mit einer Schichtdicke s von s > 1,5 mm, insbesondere s > 2,0 mm und vorzugsweise s > 2,5 mm aufweist, wobei die Oberfläche Teil des Behälters (12) und/oder der Trennwand (32) und/oder der Schutzwand (40) und/oder der Durchfuhrleitung (38) und/oder des Wärmetauschers (24) ist.

9. Verfahren zum Betrieb eines Synthesegas-Kiihlers (10) nach einem der Anspriiche 1 bis 8 bei der industriellen Herstellung von Ammoniak, bei dem ein heißes Synthesegas (16) mit einem einer Temperatur von mindestens 800°C, insbesondere mindestens 850°C dem Synthesegas-Kiihler (10) zugeführt wird, wobei der Synthesegas-Kühler (10) in einem Druckbereich von 50 — 100 bara betrieben wird, und wobei das heiße Synthesegas (16) derart auf den Wärmetauscher (24) und die Bypassleitung (34) aufgeteilt wird, dass sich in der Mischkammer (20) eine vorgegebene Zieltemperatur ergibt, wobei das Synthesegas an dem Schutzvolumen (42) vorbei geleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei wobei über einen Betriebszeitraum des Sythesegas-Kühlers (10) zwischen einem Betriebsbeginn (start-of-run) und einem Betriebsende (end-of-run) der durch die Bypassleitung (34) geleitete Durchfluss derart reduziert wird, dass sich in der Mischkammer (20) während des Betriebszeitraums stets eine vorgegebene Zieltemperatur ergibt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der Synthesegas-Kühler (10) in einer Anlage zur industriellen Herstellung von sogenanntem blauen Ammoniak betrieben wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 — 11, wobei die Anlage zur industriellen Herstellung von Ammoniak einen autothermen Reformer (ATR) umfasst.