Basis Wasserstoff: vielfältige Gasanalysen bei der Herstellung von Ammoniak

Es ist der Stoff, der weltweit wie kein anderer die Nahrungsmittelproduktion beeinflusst: Ammoniak. Als Hauptbestandteil bei der Produktion von Stickstoffdüngern bekannt, kommt Ammoniak, bedingt durch seine chemischen und physikalischen Eigenschaften, in einer Vielzahl von industriellen Prozessen zum Einsatz. Grundlage für die Herstellung von Ammoniak im industriellen Maßstab ist eine erhebliche Menge an Wasserstoff. Da Wasserstoff in der Regel nicht als natürliche Ressource vorkommt, wird Wasserstoff im großen Stil durch verschiedene chemische Prozesse erzeugt.

Die wichtigsten Prozesse zur Wasserstofferzeugung sind die Dampfreformierung, das sogenannte "Steam Reforming" von leichten Kohlenwasserstoffen, die partielle Oxidierung von Kohlenwasserstoffen oder Kohle und die Wasserelektrolyse. Die Dampfreformierung von Erdgas ist allerdings die dominierende Technik mit einem Anteil an der weltweiten Wasserstoffproduktion von circa 90%. Für die industriellen Prozesse rund um die Ammoniak-Produktion bietet SICK maßgeschneiderte Gasanalysen zur Prozess- und Emissionsüberwachung.

Kontrolliertes Wachstum der Welt

Als Ausgangsstoff für eine Vielzahl von Produkten wie Düngemittel und Salpetersäure ist Ammoniak eine der am meisten produzierten Chemikalien weltweit. Mehr als 150 Millionen Tonnen wurden allein im Jahr 2018 produziert. Das Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese gilt als eines der wichtigsten chemischen Verfahren des 20. Jahrhunderts und hat durch seine große Verbreitung bei der Düngerproduktion sogar große Auswirkungen auf die Weltbevölkerung.

Der für die Ammoniaksynthese benötigte Wasserstoff wird wie oben beschrieben durch das „Steam Reforming“ in mehreren Schritten hergestellt und gereinigt. Anschließend reagiert der Wasserstoff mit Luftstickstoff bei hohem Druck und hoher Temperatur zu Ammoniak. Die hohe Reaktionsgeschwindigkeit und der hohe Materialdurchsatz erfordern für jeden Schritt eine effiziente Prozesskontrolle. Kontinuierlich extraktiv messende Gasanalysatoren können H₂, CH₄, CO, CO₂ sowie NH₃ überwachen und bieten aufgrund ihrer kurzen Messzeiten wesentliche Vorteile gegenüber Gaschromatografen. Während der Ammoniaksynthese würden CO und CO₂ als Katalysatorgifte wirken und Salzbildung verursachen. Deshalb müssen sie vor dem Syntheseschritt weitestgehend entfernt werden. Um die Störungen durch CO und CO₂ so klein wie möglich zu halten, müssen sie bereits im sehr niedrigen ppm-Bereich detektiert werden.

„Brot aus Luft“ – Dünger aus Stickstoff

Stickstoff ist eine der Grundlagen für das Wachstum von Pflanzen. Der in der Atemluft enthaltene Stickstoff kann von den Pflanzen so nicht aufgenommen werden. Durch den Weg über die Ammoniaksynthese und den daraus entstehenden Düngemitteln wird den Pflanzen der Stickstoff in einer Form angeboten, so dass sie ihn als Nährstoff aufnehmen können. Während der Erfindung des Haber-Bosch-Verfahrens vor über 100 Jahren entwickelte sich daraus das Bonmot des „Brot aus Luft“. Und interessanterweise gilt für den erfolgreichen Prozess der Ammoniakproduktion auch heute noch, dass die Beschaffenheit der „Luft“ oder genauer gesagt die Zusammensetzung der Gase, eine entscheidende Rolle spielt. Diesen Zustand zu überwachen und sicherzustellen gelingt mit einem modular aufgebauten Gasanalysesystem hervorragend.

So hat SICK zum Beispiel eine besondere Lösung zur Überwachung der Effizienz des Steam Reformers und der Steuerung des nachgeschalteten Shiftkonverters durch Messung von Methan (CH₄) und Kohlenmonoxid (CO) im Programm. Diese Lösung kann mit den extraktiven Gasanalysatoren S700 oder GMS800 von SICK realisiert werden. Für die industrielle Herstellung von Ammoniak mit verschiedenen Technologien gibt es allerdings verschiedene Lizenzen. Welche Lizenz jeweils gewählt wird, hängt auch von den verwendeten Rohstoffen sowie den Umgebungsbedingungen ab. Grundsätzlich kann die oben beschriebene Lösung auf andere Lizenzen zur Ammoniaksynthese, die auf der Dampfreformierung basieren, übertragen werden. Die dafür notwendigen kunden- und anlagenspezifischen Anpassungen können von SICK umgesetzt werden.

Gasanalyse auf höchstem Niveau

SICK bietet Analysenlösungen für die gesamte Ammoniaksynthese und einige Folgeprozesse. Die Experten von SICK unterstützen bei der Auswahl der passenden Produkte für die jeweilige Applikation. Dabei bilden S700 und GMS800 die Grundlage für die maßgeschneiderte Gasanalyse zur Prozess- und Emissionsüberwachung bei der Wasserstoff- und Ammoniakproduktion. Sowohl mit dem S700 als auch dem GMS800 können alle für diesen Prozess relevanten Gasverbindungen gemessen werden – mit jeweils bis zu drei bzw. sogar sechs verschiedenen Analysemodulen.

Je nach Messaufgabe, Einsatzort und Umgebungsbedingungen stehen verschiedene Gehäusetypen zur Verfügung. Dazu gehören auch Wandgehäuse mit ATEX-Zulassung für explosionsgefährdete Bereiche, die in rauen Industrieumgebungen eingesetzt werden können. Ausgestattet mit moderner Software verfügt das GMS800 auch über die erforderlichen Schnittstellen zur Fernsteuerung über Netzwerke bis hin zur Anbindung an ein Prozessleitsystem.

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