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Zur Leseliste speichern Veröffentlicht von Callum O'Reilly, Senior Editor Hydrocarbon Engineering, Montag, 16. August 2021, 11:50 Uhr

Nach Angaben des US-Energieministeriums (DOE) sind derzeit 95 % des in den USA produzierten Wasserstoffs auf Erdgasreformierung oder Steam-Methan-Reformierung (SMR) zurückzuführen; Es ist wohl eine der, wenn nicht sogar die kostengünstigste und energieeffizienteste Methode zur Herstellung von Wasserstoff.

Abbildung 1. Übersicht über einen typischen SMR-Prozess.

Abbildung 1 zeigt einen Überblick über einen typischen SMR-Prozess. SMR gilt als ausgereifter Produktionsprozess, bei dem eine Methanquelle (d. h. Erdgas, Biogas, Synthesegas usw.) endotherm mit Hochtemperaturdampf in Gegenwart eines Katalysators reagiert, um Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zu erzeugen:

CH4 + H2O (+ Wärme) → CO + 3H2

Anschließend werden Kohlenmonoxid und Dampf in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt, um im Hinblick auf die „Wasser-Gas-Shift“-Reaktion zusätzlichen Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen:

CO + H2O → CO2 + H2 (+ Wärme)

Abschließend wird das Wasserstoffgas durch Druckwechseladsorption (PSA) gereinigt, wodurch Kohlendioxid und andere Verunreinigungen entfernt werden. Häufig ist der Wasserstoffanlage eine Ammoniakanlage nachgeschaltet, in der der Wasserstoff mit Stickstoff zu Ammoniak umgesetzt wird.

Die Kombination aus hohen Temperaturen und Drücken führt zu einer anspruchsvollen Umgebung, die erhebliche Herausforderungen an die Anforderungen an die Flüssigkeitsisolierung stellt. Am Reformer und Dampferzeuger können Temperaturen und Drücke 1500 °F bzw. 1500 psig erreichen oder überschreiten. Diese erhöhten Temperaturen und Drücke sind in verschiedenen Modulen und Anwendungen innerhalb des SMR-Prozesses vorherrschend, einschließlich des Reformers, des Kesselspeisewassers, der Speisegasleitungen, der Dampftrommelzüge, der Spülanwendungen und der Abschlämmanwendungen.

Jenseits der SMR-Insel und im Ammoniakbereich der Anlage bestehen diese Temperatur- und Druckherausforderungen auch bei allen Stickstoffanwendungen – beispielsweise können Stickstoffversorgungsventile für Kompressoren und Fackelverteiler 4000 psig bei 400 °F erreichen oder überschreiten.

Während weltweit Initiativen für erneuerbare Energien voranschreiten, gewinnt Wasserstoff als „strategische Säule“ der Energiewende immer mehr an Bedeutung, da es sich um ein sauber verbrennendes Molekül und einen potenziellen Ersatz für fossile Brennstoffe handelt. In Kombination mit CCS-Technologien (Carbon Capture and Sequestration) ermöglicht das SMR-Verfahren die Umwandlung der konventionellen Wasserstoffproduktion, die als „grauer Wasserstoff“ bezeichnet wird, in die Produktion von kohlenstoffarmem Wasserstoff, auch bekannt als „blauer Wasserstoff“. Damit blauer Wasserstoff als Primärenergiequelle wirtschaftlich wird, müssen die Kosten entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette, einschließlich Produktion, Lagerung, Vertrieb usw., gesenkt werden, um die Kostenziele des DOE für zukünftige Automobile und andere Anwendungen zu erreichen. Im Hinblick auf die Wasserstoffproduktion bleibt das SMR-Verfahren im Vergleich zu anderen, wie etwa der Elektrolyse, die kostengünstigste Methode. Obwohl das SMR-Verfahren als ausgereifte Technologie gilt, bestehen sowohl kommerzielle als auch ökologische Optimierungsmöglichkeiten, die durch anhaltend höhere Temperaturen und Drücke in bestimmten Prozessbereichen realisiert werden. Beispielsweise behaupten der Hydrogen Council und McKinsey & Co.: „Die Durchführung von ATR [autothermer Reformierung] bei höheren Temperaturen kann auch die Umwandlungsraten von Methan in Wasserstoff erhöhen, was zu einem geringeren Methangehalt im Produktgas führt und die Emissionen weiter reduziert.“ „1 Infolgedessen sind neue Anlagen so konzipiert, dass sie in bestimmten Anwendungen und Modulen viel heißer und bei höheren Drücken laufen als diejenigen in bestehenden Anlagen. Darüber hinaus wird die Wirksamkeit eines echten geschlossenen Kreislaufsystems ohne Leckagen in die Atmosphäre sowohl aus kommerzieller als auch aus ökologischer Sicht von entscheidender Bedeutung. Daher wird eine zuverlässige Isolierung mit positiver Absperrung nicht nur für die Ventile in diesen Anwendungen zu einer größeren Herausforderung, sondern ist auch für den gesamten Produktionsprozess von entscheidender Bedeutung.

Bei niedrigeren Temperaturen und Drücken können drehmomentdichten Absperrschieber, die häufig entweder mit massiven Stellite®- oder Stellite-geschweißten Overlay-Innengarnituren ausgestattet sind, für Anwendungen, die keinen dichten Abschluss erfordern, ausreichend sein. Bei drehmomentgesteuerten Ventilkonstruktionen müssen erhebliche Kräfte auf die Ventilkomponenten ausgeübt werden, um eine ausreichende Abdichtung gegen den Leitungsdruck zu gewährleisten. Im Laufe der Zeit verschleißen diese Kräfte die kritischen Dichtungskomponenten dieser Ventiltypen, was zu einer kürzeren Produktlebensdauer im Vergleich zu Ventilkonstruktionen mit Sitzposition führt.

Wenn Temperaturen und Drücke steigen, werden Absperrschieber häufig durch Kugelventile mit Y-förmigem Muster ersetzt, die ebenfalls entweder mit massiven Stellite- oder Stellite-geschweißten Overlay-Innengarnituren ausgestattet sind, um bei der Erstinstallation eine verbesserte Absperrleistung zu erzielen. Leider wird die verbesserte Absperrleistung des Kugelventils durch einen erheblichen Druckabfall am Ventil und eine kurze Produktlebensdauer zunichte gemacht.

Die Konstruktion eines Kugelventils beinhaltet einen gewundenen Strömungsweg, der nicht nur zu einem hohen Druckabfall (reduzierter Cv) führt, sondern auch zu einer anhaltenden Erosion seiner Dichtungselemente. Darüber hinaus verfügen Absperrventile ebenso wie Absperrschieber über einen Drehmomentsitz, der zur Abdichtung gegen den Leitungsdruck „eingeschlagen“ werden muss, was zu einem anhaltenden Verschleiß der internen Komponenten des Ventils führt. In Kombination mit der Mechanik mit mehreren Drehungen und steigendem Schaft wird die Dichtwirkung von Kugelventilen durch diese Faktoren häufig beeinträchtigt, was dazu führt, dass während der gesamten Lebensdauer des Ventils Dichtungslecks in die Atmosphäre gelangen. Zusätzlich zu Packungslecks beeinträchtigen häufig Sitzlecks die Leistung von Kugelventilen, da ein Temperaturunterschied zwischen dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Abschnitt eines geschlossenen Kugelventils zu einer thermischen Ausdehnung der Einlassseite des Ventils gegenüber einer thermischen Kontraktion des Auslassabschnitts führt das Ventil, das den Stopfen enthält. Dadurch wird die Dichtwirkung von Stopfen und Sitz beeinträchtigt und das Absperrventil wird durch nachgeschaltete Ventile undicht.

Geschrieben von Robert Hsia, UnionTech, USA.

Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Augustausgabe 2021 der Zeitschrift Hydrocarbon Engineering veröffentlicht. Um den vollständigen Artikel zu lesen, melden Sie sich hier an oder registrieren Sie sich für ein kostenloses Probeabonnement.

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