Ammoniakspalter, Wasserstoffgenerator, Formiergasgenerator für die Herstellung von Wasserstoff bzw. Formiergas aus Ammoniak.
Ammoniak Cracker, Wasserstoffgenerator
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Ein Ammoniakspalter, NH3-Spalter bzw. Wasserstoffgenerator oder Formiergasgenerator wird für die Herstellung von Formiergas genutzt. Wasserstoff und Stickstoff werden kostengünstig im Volumenverhältnis 3 : 1 bzw. im Masseverhältnis 14 : 3 erzeugt. Anlagenkapazitäten von 5m3/h bis 250m3/h sind verfügbar. Der Absorber reinigt das Formiergas von verbleibendem Ammoniak und Feuchtigkeit. Der Stickstoff im Formiergas kann optional unter Verwendung einer PSA-basierten Reinigung. entfernt werden
Der Ammoniak wird entweder Gasflaschen entnommen oder einem großen Gastank. Der Ammoniak wird in einem Wärmetauscher und Verdampfer vorgeheizt und dann in der eigentlichen Ofeneinheit gespalten. Der Reaktor wird elektrisch beheizt.
Die Dissoziation des Ammoniakgases NH3 findet bei einer Temperatur von 800°C und
unter Anwesenheit eines speziellen Nickelkatalysators statt.
2 NH3 
N2 + 3 H2
Zur besseren Energienutzung wird ein Wärmetauscher eingesetzt.
Das heiße Crackgas wird dabei abgekühlt und im Gegenstromprinzip das eingeleitete Ammoniak-Gas vorgeheizt.
| Ammoniak Spalter (SinceGas) | |||
|---|---|---|---|
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Als Folge der vollständigen Dissoziation in Wasserstoff und Stickstoff verbleibt nur noch ein kleiner Restanteil nicht-dissoziierten Wasserstoffes und der Taupunkt des produzierten Gasgemisches ist sehr niedrig (deutlich unter -10°C).
Gasreiniger
Als ein Zubehör zur weiteren Reduktion des Taupunktes des hergestellten Gases kann auch ein besonderer Gasreiniger angeboten werden. Unter Einsatz von Molekularsieben kann der Taupunkt bis auf -70°C gedrückt werden. Das Gerät arbeitet mit zwei parallel betriebenen Adsorberpatronen, von denen die eine Feuchtigkeit und ungespaltenes Ammoniak adsorbiert, während die zweite gleichzeitig durch Beheizung regeneriert wird. Der Gasfluss wird regelmäßig und automatisch umgeschaltet.
Gaseigenschaften
Das bei der Dissoziation von Ammoniak entstehende Gas nennt man Formiergas. Es besteht zu 75 Vol% aus Wasserstoff und zu 25 Vol% aus Stickstoff.
| Beschreibung | Ammoniak NH3 | Wasserstoff H2 | Stickstoff N2 |
| Molekulargewicht | 17,03 |
2,0158 |
28,0134 |
| Siedepunkt (SP) in °C | -33,35 |
-252,87 |
-195,8 |
| Dichte der Flüssigkeit beim SP in kg/m3 | 682,1 |
70,0 |
804,0 |
| Dichte des Gases beim SP in kg/m3 | 0,8906 |
1,329 |
4,613 |
| Dichte bei RT in kg/m3 | 0,7710 |
0,0899 |
1,2506 |
| Verdampfungswärme in kJ/kg | 1368,2 |
451,9 |
199,2 |
| Löslichkeit in kaltem Wasser in g/100ml | 89,9 |
- |
- |
| Cp in kJ/kg (1 atm, RT) | 2,188 |
14,2 |
1,038 |
| Cp/Cv (1 atm, RT) | 1,31 |
1,41 |
1,40 |
Produkttypen
Die Ammoniakspalter sind in mehreren Größen verfügbar, die Angaben beziehen sich auf Standarddruck sowie Standardtemperatur. Bitte beachten Sie, dass sich die Gasmenge während des Prozesses verdoppelt. Das bedeutet, dass aus 1 m3 Ammoniak 2 m3 Formiergas entstehen. Bei der Spezifikation ist es daher wichtig anzugeben, ob es sich um den gewünschten Eingangsgasfluss (NH3) oder Ausgangsgasfluss (N2; H2) handelt. In folgender Umrechnungstabelle sind der Ammoniakverbrauch sowie die Wasserstofferzeugung gelistet. Unsere Cracker-Modelle werden nach der Menge des generierten Formiergases benannt.
| Modell |
Ammoniakverbrauch |
Ammoniakverbrauch |
Formiergaserzeugung |
Wasserstofferzeugung |
Wasserstofferzeugung |
Heizleistung Wasserstoff |
| 5 N m3/h |
2,5 |
1,9 |
5 |
3,8 |
0,3 |
11 |
| 10 N m3/h |
5 |
3,9 |
10 |
7,5 |
0,7 |
22,5 |
| 20 N m3/h |
10 |
7,7 |
20 |
15 |
1,3 |
45 |
| 30 N m3/h |
15 |
11,6 |
30 |
22,5 |
2 |
67,5 |
| 50 N m3/h |
25 |
19,3 |
50 |
37,5 |
3,3 |
112,5 |
| 60 N m3/h |
30 |
23,1 |
60 |
45 |
4 |
135 |
| 70 N m3/h |
35 |
27 |
70 |
52,5 |
4,7 |
157,5 |
| 80 N m3/h |
40 |
30,8 |
80 |
60 |
5,3 |
180 |
| 90 N m3/h |
45 |
34,7 |
90 |
67,5 |
6 |
202,5 |
| 100 N m3/h |
50 |
38,5 |
100 |
75 |
6,7 |
225 |
| 110 N m3/h |
55 |
42,4 |
110 |
82,5 |
7,3 |
247,5 |
| 120 N m3/h |
60 |
46,2 |
120 |
90 |
8 |
270 |
| 130 N m3/h |
65 |
50,1 |
130 |
97,5 |
8,7 |
292,5 |
| 140 N m3/h |
70 |
53,9 |
140 |
105 |
9,3 |
315 |
| 150 N m3/h |
75 |
57,8 |
150 |
112,5 |
10 |
337,5 |
| 160 N m3/h |
80 |
61,6 |
160 |
120 |
10,7 |
360 |
| 170 N m3/h |
85 |
65,5 |
170 |
127,5 |
11,3 |
382,5 |
| 180 N m3/h |
90 |
69,3 |
180 |
135 |
12 |
405 |
| 190 N m3/h |
95 |
73,2 |
190 |
142,5 |
12,7 |
427,5 |
| 200 N m3/h |
100 |
77 |
200 |
150 |
13,4 |
450 |
| 210 N m3/h |
105 |
80,9 |
210 |
157,5 |
14 |
472,5 |
| 220 N m3/h |
110 |
84,7 |
220 |
165 |
14,7 |
495 |
| 230 N m3/h |
115 |
88,6 |
230 |
172,5 |
15,4 |
517,5 |
| 240 N m3/h |
120 |
92,4 |
240 |
180 |
16 |
540 |
| 250 N m3/h |
125 |
96,3 |
250 |
187,5 |
16,7 |
562,5 |
Die Umsetzung des Ammoniaks zu Wasserstoff und Stickstoff (Volumenverhältnis 3:1) im Cracker ist nahezu vollständig. Es bleiben nur geringe Mengen (<30ppm) Ammoniakgas im Crackgas übrig.
Für größere Produktionseinheiten können mehrere Anlagen parallel betrieben werden.
Zur Abspaltung des Stickstoffes und damit der Aufreinigung von Wasserstoff (H2) kommt die so genannte Pressure Swing Adsorption (PSA), zu Deutsch Druckwechsel-Adsorption (DWA) zum Einsatz.
Hierbei handelt es sich um ein physikalisches Verfahren, dass sich die unterschiedlichen Adsorptionseigenschaften verschiedener Gase zu Nutze macht, um diese voneinander zu trennen.
Dabei ist je nach Umsetzung auch die Abtrennung anderer Gase wie Kohlenstoffdioxid, Kohlenstofmonooxid oder Sauerstoff möglich.
Um Stickstoff von Wasserstoff abzutrennen und hochreinen Wasserstoff zu generieren, werden poröse Materialien wie Molekularsiebe oder Zeolith eingesetzt.
Das Gasgemisch durchströmt bei einem bestimmten Druck das für diese Anwendung konzipierte Molekularsieb. Durch die stärkere Wechselwirkung von Wasserstoff mit dem Molekularsieb,
reichert sich dieser im Molekularsieb an. Das zweite Gas (Stickstoff) wird dagegen nicht adsorbiert. Nachdem das Molekularsieb seine Kapazitätsgrenze erreicht, wird
der Gasfluss auf ein weiteres Molekularsieb umgelenkt. Durch eine Druckabsenkung und damit verbundene deutlich schwächere Wechselwirkung zwischen Molekularsieb und Wasserstoff,
kann der nun aufgereinigte Wasserstoff aus dem ersten Molekularsieb freigesetzt werden. Im Anschluss steht das erste Molekularsieb wieder zur Aufreinigung zur Verfügung.
Die Anlage wird durch eine program logic control (PLC), zu deutsch Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) geregelt. Dadurch kann eine kontinuierliche Aufreinigung erreicht werden.
| PSA Wasserstoff Aufreinigung (SinceGas) | |||
|---|---|---|---|
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Anwendungen für dissoziierten Ammoniak
Das so hergestellte Formiergas wird häufig in Durchlauföfen oder Rohröfen für Temperprozesse in reduzierender Atmosphäre, beim Hartlöten, Sintern, für die Oxidentfernung und zur Nitridierung genutzt. Sie finden mehr Informationen über die entsprechenden Öfen in unserer JTEKT Thermo Systems (ehemals Koyo Thermo Systems) Produktübersicht.
| Weitere Anwendungen für Formiergas | |||||
|---|---|---|---|---|---|
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Tempern von Metallen:
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Für den Einsatz von Brennstoffzellen wird ebenfalls Wasserstoff benötigt. Hierbei bietet die Speicherung von Wasserstoff in Ammoniak deutliche Vorteile. Neben einer erhöhten Energiedichte, muss Ammoniak nur bei -33° C statt bei -253° C, wie Wasserstoff, verflüssigt werden und kann bei moderaten Drücken gelagert werden. Ammoniak bietet damit eine elegante Lösung um Wasserstoff zu transportieren und eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Energieträgern. Durch die oben genannte Wasserstoffaufreinigung kann über den Umweg von Ammoniak ebenfalls hochreiner grüner Wasserstoff zur Verfügung gestellt werden. Sie benötigen hierfür einen Ammoniak Cracker, sowie einen PSA Aufreiniger. In folgender Tabelle finden sie die bekanntesten Brennstoffzellen, die Wasserstoff nutzen.
| Bezeichnung | Typ | Elektrolyt | Ladungsträger | Brenngas (Anode) | Oxidationsmittel (Kathode) | Temperatur (°C) | Wirkungsgrad (%) | Anwendung |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle für Wasserstoff (PEMFC) |
Saure Niedertemperatur-Knallgaszelle | protonenleitende Polymer-Membran (PEM) | Hydroniumion (H3O+) | Wasserstoff (H2) | Sauerstoff (O2) oder Luft; befeuchtet | 60-70 | Zelle: 50-68 | Serienfahrzeuge, Blockheizkraftwerke, Versorgung von Elektronik |
| Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) |
Hochtemperatur-Knallgaszelle | oxidkeramischer Elektrolyt (ZrO2 + Y2O3) |
Oxidion (O2-) | Wasserstoff (H2) | Luftsauerstoff (O2) | 800-1000 | Zelle: 60-65 | Blockkraftwerke (bis 250kW) |
| Galvanische Brennstoffzellen mit alkalischem Elektrolyten z.B. (AFC) |
Alkalische Niedertemperatur-Knallgaszelle | z.B. 30%ige Kalilauge | Hydroxidion (OH-) | Wasserstoff (H2) | reiner Sauerstoff (O2) | 20-90 | Zelle: 60-70 | Kleinanlagen (bis 150kW); U-Boot Antrieb |
| Galvanische Brennstoffzellen mit saurem Elektrolyten z.B. (PAFC) |
Saure Niedertemperatur-Knallgaszelle | z.B. konzentrierte Phosphorsäure | Hydroniumion (H3O+) | Wasserstoff (H2) |
Luftsauerstoff (O2) | 150-220 | Zelle: 55 | Stationäre Strom- und Wärmeerzeugung |
Crystec freut sich darauf, für Sie eine kostengünstige Anlage aufzubauen, die Ihren strengsten Anforderungen entspricht.
