Untersuchungen zur regenerativen und emissionsarmen Wärmebereitstellung mit grünem Ammoniak durch Integration eines Ammoniakcrackers am Industrieofen 

Übersicht zum Projekt

Mit der nationalen Wasserstoffstrategie will die Bundesregierung den Einsatz von klimafreundlichen Wasserstofftechnologien vorantreiben. Neben CO2-frei oder CO2-neutral erzeugtem Wasserstoff sollen daraus hergestellte Folgeprodukte wie Ammoniak als Basischemikalie und als Energieträger bzw. Brennstoff zukünftig bei vielen Prozessen in der Industrie zum Einsatz kommen. Allerdings ist die praktische Anwendung von Ammoniak als Brennstoff im Vergleich zu typischen Kohlenwasserstoffen aufgrund der geringen Reaktivität und die stark erhöhten NOx-Emissionen eingeschränkt. Ammoniak wird bereits als Hilfsstoff in Industrieöfen eingesetzt. Es wird u.a. als Basisstoff für die Erzeugung von Formiergas genutzt, das als Schutzgas bei der Wärmebehandlung von Metallen eingesetzt wird. Hierfür wird Ammoniak in einen Ammoniakspalter bzw. Ammoniakcracker geleitet und mit Hilfe eines Katalysators bei hohen Temperaturen in ein Gas bestehend aus 25 Vol.-% Stickstoff und 75 Vol.-% Wasserstoff umgewandelt. Es wird davon ausgegangen, dass das Spaltgas nicht nur als Formiergas sondern auch als Brennstoff für Industrieöfen einsetzbar ist und Vorteile gegenüber reinem Wasserstoff hat. Der Stickstoffanteil im Gas senkt wie rezirkuliertes Abgas die Verbrennungstemperatur sowie die Brenngeschwindigkeit. Es reduziert damit die NOx-Emissionen und die Bauteiltemperaturen der Brenner. Es ist unklar, ob sowohl der Verbrennungsprozess mit herkömmlichen Industriebrenner als auch die Brennstoffzufuhr gewisse Anteile Ammoniak im zugeführten Brenngas erlauben ohne die NOx-Emissionen zu erhöhen oder Korrosion an brennstoffführenden Teilen zu erzeugen. Alle diese Punkte sollen detailliert im Rahmen des Projekts untersucht werden. Die bisher eingesetzten Ammoniakcracker sind energetisch und für den Einsatz zur Brennstofferzeugung nicht vorgesehen. Daher werden im Projekt die Grundlagen für den Aufbau eines Ammoniakcrackers für die Energiebereitstellung im Industrieofenbau geschaffen. 

Arbeitsschwerpunkte

Forschungsschwerpunkte des Projekts sind die Stabilität und das Emissionsverhalten von Industriebrennern bei Einsatz von Formiergas aus Ammoniakcrackern mit unterschiedlichen Ammoniakrestgehalten, die Materialverträglichkeit der Brennerbauteile mit den Gasen aus dem Ammoniakcracker, die Entwicklung und Identifizierung von Katalysatoren sowie Konzepte zur Ammoniakspaltung bei möglichst niedrigen Temperaturen (300 - 500°C) zur Nutzung von Abgaswärme. Lösungsansätze sind experimentelle und numerische Untersuchungen von Flammen von Industriebrennern mit unterschiedlichen Gasmischungen, Materialuntersuchungen, kinetische Untersuchungen mit unterschiedlichen Katalysatoren, Test eines Ammoniakcrackers und eine LCA.