Safety of sustainable ammonia production with novel Haber-Bosch process integration

Abstract

Ammonia is considered as a key agrochemical, but in the future ammonia can also be used as a green energy source. An important development goal in ammonia production is the reduction of environmental pollution. For this purpose, a concept has been developed that combines Haber-Bosch process with a supercritical carbon dioxide power cycle. Since this process is still in the research phase, a preliminary process safety assessment is needed to identify and consider potential hazards already in the design phase. However, it is necessary to compare the performance of different methods when assessing preliminary safety for the type of process discussed in this work.

This master's thesis includes a preliminary safety assessment for supercritical CO2-HaberBoch (sCO2-HB) process. The process safety assessment methods used were HAZID, What-If analysis, and Dow's safety index. The focus of the thesis was to perform a process safety assessment for the example process, compare assessment methods with each other, and evaluate readiness to manage potential safety issues in similar concepts.

The results show that the sCO2-HB process is prone to elevated fire and explosion risks due to sCO2 cycle. Serious level risks are inherent to the process and need to be properly managed all the way from the design stage. In similar processes, safety improving recommendations should be considered and apply them in the concept development.

This master's thesis highlights the importance of process safety assessment while creating safe and sustainable industrial practices. Also, the need for preliminary process safety assessment in designing stage is stressed, especially with new process innovations, and aims to provide valuable insights for safety and environmental engineers.

Ammoniakkia pidetään keskeisenä agrokemikaalina, mutta tulevaisuudessa ammoniakkia voidaan lisäksi käyttää vihreänä energianlähteenä. Tärkeä ammoniakin tuotannon kehityskohde on ympäristösaasteiden vähentäminen. Tätä varten on kehitetty konsepti, jossa Haber-Bosch-prosessi yhdistetään ylikriittisen hiilidioksiditehosyklin kanssa. Koska kyseinen prosessi on vasta tutkimusvaiheessa, tarvitaan alustava prosessiturvallisuuden arviointi, jotta mahdolliset vaaratekijät voitaisiin tunnistaa ja ottaa huomioon jo suunnitteluvaiheessa. On kuitenkin syytä verrata erilaisten menetelmien toimivuutta, kun arvioidaan alustavaa turvallisuutta tässä työssä käsiteltävän tyyppiselle prosessille.

Tämä diplomityö sisältää alustavan procsessiturvallisuuden arvioinnin ylikriittiselle CO2-Haber-Bosch (sCO2-HB) prosessille. Käytetyt prosessiturvallisuuden arviointimenetelmät olivat HAZID, What-If analyysi ja Dowin turvallisuusindeksi. Työn painopisteenä oli suorittaa esimerkkiprosessille turvallisuusarviointi, verrata arviointimetodeja keskenään ja arvioida valmiutta hallita mahdollisia turvallisuusongelmia vastaavanlaisissa konsepteissa.

Tulokset osoittavat, että sCO2-HB prosessi on altis kohonneisiin tulipalo- ja räjähdysriskeille sCO2-syklin takia. Vakavan tason riskit ovat ominaisia prosessille, ja niitä täytyy hoitaa asianmukaisesti suunnitteluvaiheesta asti. Samankaltaisissa prosesseissa tulisi ottaa huomioon turvallisuutta parantavat tekijät, sekä soveltaa niitä konseptin kehityksessä.

Diplomityö korostaa prosessiturvallisuuden arvioinnin tärkeyttä turvallisia ja kestäviä teollisuuskäytäntöjä tehdessä. Alustavan turvallisuusarvioinnin tarvetta painotetaan suunnittelussa, erityisesti uusien prosessi-innovaatioiden suunnittelun yhteydessä, ja pyrkii tarjoamaan arvokkaita näkemyksiä turvallisuus- ja ympäristöinsinööreille.