Integrierte prozessanalytische Lösungen für Anlagen zur Herstellung von grünem Ammoniak

Integrierte Prozessanalyselösungen für die gesamte Wertschöpfungskette von grünem Ammoniak:

Ein technischer Leitfaden für Anlagestabilität, Katalysatorschutz und Anlagenoptimierung

Die Produktion von grünem Ammoniak stellt weltweit einen entscheidenden Weg für die Speicherung von erneuerbarem Wasserstoff im industriellen Maßstab, die Synthese klimaneutraler Schiffskraftstoffe und die Bereitstellung nachhaltiger Rohstoffe für Düngemittel dar. Der Übergang vom konventionellen, auf fossilen Brennstoffen basierenden Dampf-Methan-Reforming (SMR) zu hochdynamischen und intermittierenden Prozessen – insbesondere der Wasserelektrolyse und der kryogenen Luftzerlegung – stellt den nachgelagerten Haber-Bosch-Synthesekreislauf jedoch vor beispiellose betriebliche Herausforderungen. Um bei schwankenden Lasten aus erneuerbaren Energien einen stabilen Betrieb aufrechtzuerhalten, eine irreversible Katalysatordeaktivierung zu verhindern, strukturelle Korrosion zu mindern und die strikte Einhaltung gesetzlicher Vorschriften zu gewährleisten, benötigen Anlagenbetreiber und EPC-Auftragnehmer ein zuverlässiges, integriertes Rahmenkonzept für die Prozessanalyse. Die MZD Analytik GmbH bietet eine Lösung für die Prozessanalysetechnik, die die vorgelagerte Wasserstoffproduktion, kryogene Versorgungssysteme, Hochdruck-Reaktionskreisläufe und nachgelagerte Umweltsicherheitsprozesse nahtlos miteinander verbindet.

1. Überblick über das integrierte Prozessanalysesystem

Die Produktion von grünem Ammoniak ist als kontinuierliche Kette eng miteinander verbundener Prozessanlagen konzipiert. Da eine Störung oder eine Konzentrationsabweichung in einem Block sofort eine Kettenreaktion mit Ausfällen in nachgelagerten Bereichen auslöst, sieht das anlagenweite Analysesystem von MZD spezielle Qualitätskontrollen entlang der gesamten Wertschöpfungskette vor:

Kernbereiche der Online-Messung:

• Integrität der Wasserstoff-Einsatzstoffe: Kontinuierliche Überwachung hochreiner Wasserstoffströme sowie der Anreicherung von Inertgasen und Explosionsrisiken (H₂ / N₂ / O₂ / CO₂).

• Integrität der kryogenen Luftzerlegung: Überwachung der Qualität der Stickstoff-Einsatzstoffe und der Spurenverbindungen zur Vermeidung gefährlicher Verstopfungen in der Cold-Box (CO₂ / SO₂ / NOx / N₂O / O₂ / Ar).

• Schutz der Synthesekatalysatoren: Schutz von Katalysatorbetten im Wert von mehreren Millionen Dollar vor permanenten Spurenvergiftungen und Erfassung der Syntheseumwandlungseffizienz (CO / CO₂ / CH₄ / O₂ / NH₃-Slip).

• Universeller Schutz vor Spurenfeuchtigkeit: Verhinderung von Korrosion in nachgeschalteten Rohrleitungen und Messfehlern bei der Wärmeleitfähigkeit durch absolute coulometrische Feuchtigkeitserfassung an allen Kompressions-, Misch- und Recyclingknotenpunkten.

• Hochgeschwindigkeits-Regelkreisausgleich: Ersetzt träge chromatographische Regelkreise durch ultraschnelle, im Subsekundenbereich liegende Anpassungen der Wärmeleitfähigkeit, um das exakte stöchiometrische Syntheseverhältnis von 3:1 einzuhalten.

• Umwelt- und Versorgungssicherheit: Gewährleistet die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte an der Fackelleitung, überwacht die Ammoniakdampfspeicherung und schützt Hilfs-Kühlwasserkreisläufe vor internen Produktleckagen.

2. Prozessmessarchitektur (nach Funktionsblöcken)

• Wasserstoff- und Stickstoffversorgungsabschnitt

Regelt die Qualität des in die Synthesekette eintretenden Rohgases.

• Prozessherausforderungen: Überprüfung der hohen Wasserstoffreinheit (99,5–100 Vol.-%), Überwachung von Sauerstoffspuren zur Sicherheit und zum Schutz des Katalysators, Erfassung des Stickstoff-Hintergrundgehalts und Überprüfung der Kohlendioxidentfernung.

• Technische Lösung: Nutzen Sie die speziellen Sensorkonfigurationen und Probenahmerichtlinien für das Management der vorgelagerten Quellen in 'Gasanalysatoren zur Überprüfung der Reinheit von Ammoniak-Einsatzstoffen | Spuren von O₂, Feuchtigkeit und H₂'.

• Luftzerlegungsanlage (ASU)

Gewährleistet eine extrem hohe Reinheit des Stickstoff-Ausgangsmaterials und beugt gleichzeitig Ausfällen der kryogenen Anlagen vor.

• Prozessherausforderungen: Kontinuierliche Überwachung der CO₂, SO₂- und NOx-Entfernung, um das Einfrieren von Spurenstoffen und gefährliche Verstopfungen im unter Null Grad kalten Hauptkühlkasten zu verhindern. Kontinuierliche Überwachung der N₂-Reinheit, der O₂/Ar-Zusammensetzung und der Endpunkte des Regenerationsgases.

• Technische Lösung: Prüfen Sie die für kryogene Anlagen entwickelten, nicht sättigenden Spurenstoffsensoren in 'Qualitätskontrolle der Stickstoffreinheit im Ausgangsmaterial und der ASU-Ausgabe'.

• Kompression und Gasaufbereitung

Schützt mehrstufige Kompressoren und Rohrleitungen vor strukturellen Schäden, bevor das Gas in den Synthesekreislauf gelangt.

• Prozessherausforderungen: Hochpräzise Spurenfeuchtigkeitsanalyse zur Verhinderung von Kohlensäurebildung und Spannungsrisskorrosion unter hohem Druck, kontinuierliche Taupunktüberwachung sowie Erkennung der Gefahr von Sauerstoffexplosionen.

• Technische Lösung: Informieren Sie sich über die speziellen Hochdruckaufbereitungs- und Dämpfungstechnologien von MZD in 'Spurenfeuchtigkeitskontrolle und Wasserdampfkompensation bei der Ammoniaksynthese'.

• Vorbereitung des Synthesekreislaufs und Reaktionskern

Die ultimative Schutzlinie für den Katalysator zur Ammoniaksynthese auf Eisen- oder Rutheniumbasis.

• Prozessherausforderungen: Nachweis von CO und CO₂ im Sub-ppm-Bereich zur Vermeidung einer dauerhaften Katalysatorvergiftung. Echtzeitüberwachung der Methan (CH₄)-Anreicherung zur Steuerung der Spülzyklen mit Inertgas sowie Nachverfolgung des Eindringens von Spuren von Sauerstoff.

• Technische Lösung: Erfahren Sie, wie Sie H₂/N₂-Regelkreise im Subsekundenbereich und Mehrkomponenten-Katalysatorschutzsysteme in 'Gas- und Wasseranalysatoren für den Ammoniaksynthesekreislauf und die Rückgewinnung aus dem Spülvorgang'.

• Trenn-, Rückführ- und Spülsystem

Optimiert den Umwandlungswirkungsgrad der Anlage und die Ausnutzung der Wasserstoffmoleküle.

• Prozessherausforderungen: Schnelle Nachführung des H₂/N₂-Verhältnisses im Hochgeschwindigkeits-Rückführgas, Überwachung von Spurenfeuchte direkt am Einlass des Rückführkompressors, Nachverfolgung des Wasserstoffrückgewinnungswirkungsgrads in Spülgasströmen und Erfassung des Ammoniak-Slips.

• Technische Lösung: Erfahren Sie, wie sich Gasüberlagerungen im Hintergrund ohne lange Verzögerungen durch Probenahmezyklen vermeiden lassen in  'Gas- und Wasseranalysatoren für den Ammoniaksynthesekreislauf und die Rückgewinnung aus dem Spülvorgang'.

• Lagerung, Fackelgas- und Restgasaufbereitung

Gewährleistet die Einhaltung von Umweltvorschriften und leckagefreie Sicherheitsgrenzen.

• Prozessherausforderungen: Kontinuierliche Überwachung des NH₃-Dampfgehalts in Produktlagersystemen, Überwachung von Mehrkomponenten-Fackelgasen (NH₃ / CH₄ / CO / CO₂ / O₂ / NOx), Überprüfung der Effizienz von Waschtürmen und Validierung des pH-Werts im Abwasser.

• Versorgungsanlagen und Kühlwassersysteme

Sichert die Integrität der Hilfsanlagen und erkennt interne Leckagen vom Prozess in die Versorgungsanlagen.

• Prozessherausforderungen: Kontinuierliche pH- und 4-Elektroden-Leitfähigkeitsanalyse zur frühzeitigen Erkennung von Ammoniakleckagen in Wasserkreisläufen, Trübungsüberwachung zur Feststoffkontrolle sowie Überwachung des Speisewassers für Umkehrosmoseanlagen (RO/EDI).

3. Umfassendes Messgeräteportfolio von MZD Analytik

Um alle in der Prozessarchitektur definierten kritischen Analysator-Knotenpunkte abzudecken, bietet die MZD Analytik GmbH ein fortschrittliches, industrietaugliches Messgeräteportfolio an, das auf physikalischer Stabilität, driftfreier Mechanik und intelligenter Druck- und Feuchtigkeitsisolierung basiert:

• Wasserstoff- und Mehrkomponenten-Gasspektroskopie

• Wasserstoff-Reinheitsanalysator: Speziell für einen extrem engen Messbereich von 99,5 % bis 100 % (Volumenanteil) entwickelt. Das Gerät dient als Alternative zu wartungsintensiven Gaschromatographen, bietet Reaktionszeiten im Subsekundenbereich und ist wartungsfrei.

• Wasserstoffanalysator: Speziell für rohe, feuchte Wasserstoffströme entwickelt. Dank der integrierten MZD VaporSense™-Technologie werden die herkömmlichen Messfehler von 1–5 %, die durch Schwankungen des Hintergrundwasserdampfs verursacht werden, vollständig beseitigt. Das Gerät hält hoher Luftfeuchtigkeit und teilweiser Kondensation stand, ohne dass es zu Signalabweichungen kommt.

• Korrosive Matrix TCD-Analysatoren: Hergestellt mit Messzellen aus hochwertiger Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃), Glas oder Quarz, um eine langfristige Korrosionsbeständigkeit in Prozessströmen zu gewährleisten, die aggressive Spurenkomponenten wie H₂S und SO₂ enthalten.

• Technologien zur Sauerstoffanalyse

• Optischer Sauerstoffanalysator: Nutzt eine robuste Technologie zur Löschung von Lumineszenz- und Fluoreszenzstrahlung. Das Gerät kommt vollständig ohne Verbrauchsmaterialien oder chemische Reagenzien aus und weist eine Betriebslebensdauer von mehr als 5 Jahren auf. Ausgestattet mit MZD BaroSense™ filtert es Messwerte heraus, die durch wetterbedingte oder durch Rohrleitungen verursachte Druckspitzen beeinflusst sind (die ohne Kompensation zu Messfehlern von über 11 % führen können).

• Galvanischer Spuren-Sauerstoffanalysator: Ausgelegt für eine präzise Sicherheitsüberwachung bis hinunter zu 0∼10/1000 ppm. Ausgestattet mit MZD BaroSense™ verhindert das Gerät Signalabweichungen und Fehlalarme, die durch schwankende Anlagendruckwerte verursacht werden.

• Paramagnetischer Sauerstoffanalysator: Entwickelt mit mechanischen, hängenden Hantelzellen für Anwendungen mit hochreinem Sauerstoff und flüssigem Sauerstoff. Verfügt über eine Echtzeit-Korrektur durch Drucksensoren, um Luftverschlussfehler durch gemeinsam genutzte Entlüftungsverteiler vollständig zu beseitigen.

• Spurenfeuchte-, Laser- und UV-Spektroskopie

• Spurenfeuchtigkeitsanalysator: Das System basiert ausschließlich auf dem Faraday’schen Gesetz der Elektrolyse und liefert eine absolut driftfreie physikalische Referenzkurve zur Feuchtigkeitsmessung bis in den Sub-ppm-Bereich in H₂-, N₂- und Synthesegas-Sammelleitungen. Es verfügt über eine regenerierbare Sensorschicht, die für außergewöhnlich niedrige Wartungskosten über die gesamte Lebensdauer sorgt.

• TDLAS-Gasanalysator: Bietet eine hochselektive Echtzeit-Erkennung von Ammoniak (NH₃)-Leckagen und die Überwachung des Membranabbaus – völlig frei von Kreuzinterferenzen durch Hintergrundgase wie H₂, H₂O oder CO₂.

• UV-Gasanalysator: Ermöglicht die selektive Messung von SO₂, NOx und H₂S ohne Störungen durch Kohlenoxide oder Schwankungen der Feuchtigkeitsmatrix.

• NDIR-Gasanalysator: Eine äußerst robuste optische Infrarot-Plattform mit Temperatur- und Druckkompensation für eine kontinuierliche, stabile Überwachung des CO₂-Einstroms.

• Analytik von Flüssigkeiten in der Industrie

• Nichtporöse Festkörperreferenz pH-/ORP-Messgeräte: Entwickelt ohne Flüssigkeitsübergänge, um den Einsatz in Wasserkreisläufen mit hohem Salzgehalt und geringer Leitfähigkeit sowie in aggressiven chemischen Gaswäschern zu ermöglichen, ohne dass es zu Verstopfungen oder einer Verunreinigung der Referenz kommt.

• 4-Elektroden Leitfähigkeitsmessgeräte: Gegentritt Polarisierungseffekten über einen enormen Dynamikbereich hinweg – von hochreinem RO/EDI-Wasser bis hin zu konzentrierten chemischen Elektrolyten.

• Industrie Trübungs- und Schlammkonzentrationsmessgeräte: Gewährleistet eine kontinuierliche, langfristige Überwachung der Schwebstoffe, um die Filterleistung zu bewerten und die Abwasserqualität zu verbessern.

4. Checkliste für das werksweite Analyseschema

Führen Sie ein absolut sicheres, integriertes Prozessanalysesystem ein. Sichern Sie die Lebensdauer der baulichen Anlagen Ihrer Anlage zur Herstellung von grünem Ammoniak, schützen Sie kostspielige Investitionen in Katalysatoren und verhindern Sie ungerechtfertigte Prozessabschaltungen durch passgenaue, druckkompensierte Messgeräte. Wenden Sie sich unter sales@mzdd.de an uns, um vollständige Layoutzeichnungen der Messgeräte, Formulare zur Bewertung der Gasmatrix sowie auf Ihr Projekt zugeschnittene technische Spezifikationen anzufordern.