Dampferzeuger

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger einer Kraftwerksteilanlage. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Dampferzeugers einer Kraftwerksteilanlage.

Bei einer Kraftwerksanlage mit einem Dampferzeuger wird ein bei der Verbrennung eines fossilen Brennstoffes brennerseitig erzeugtes Heizgas oder ein aus einer Gasturbine abströmendes heißes Abgas zur Verdampfung eines Strömungsmediums innerhalb des Dampferzeugers genutzt.

Der Dampferzeuger, auch als Abhitzekessel bezeichnet, weist zur Verdampfung des Strömungsmediums üblicherweise zu Wärme ^¬ tauscherflächen zusammengefasste oder gebündelte Verdampferrohre auf, deren Erwärmung zu einer Verdampfung des in den Verdampferrohren geführten Strömungsmediums führt. Der bei der Verdampfung durch den Dampferzeuger erzeugte Dampf wiederum wird beispielsweise für einen angeschlossenen externen Prozess oder insbesondere auch für den Antrieb einer Dampf ^¬ turbine, beispielsweise in einem Gas- und Dampfkraftwerken (GuD- Kraftwerk), verwendet.

In einem GuD-Kraftwerk wird mittels einer Anzahl von Gasturbinen und einer diesem nachgeschalteten Dampfturbine elektrische Energie erzeugt. Die heißen Abgase der Gasturbine durch ^¬ strömen den (Abhitze- ) Dampferzeuger in einem Heizgas- oder Abgaskanal und werden zur Erzeugung von Wasserdampf in einem Wasser-Dampf-Kreislauf verwendet. Der Dampf wird anschließend über einen herkömmlichen Dampfturbinenprozess entspannt.

Bei einigen GuD-Kraftwerken besteht ein erhöhter Wärmebedarf, beispielsweise aufgrund einer Spitzenlastabdeckung oder einer Fernwärmeauskopplung. Um diesen zusätzlichen Wärmebedarf zu decken, wird gängigerweise auf eine sogenannte Zusatz- oder Stützfeuerung ( Supplementary Firing System) im Dampferzeuger zurückgegriffen. Hierzu werden im Dampferzeuger Brenner installiert, in denen Brennstoffe mit den von der Gasturbine stammenden Abgasen verbrannt werden. Durch die Verbrennung wird das Abgas erwärmt und die Wärme über die Heizflächen bzw. die Wärmetauscherflächen dem Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine zugeführt. Auf diese Weise wird die Leistung des Dampfteils eines Gas- und Dampfkraftwerks gezielt erhöht.

Allerdings werden bei der Verbrennung im Rahmen einer solchen Zusatzfeuerung, vergleichbar zu anderen Feuerungssystemen, wiederum Schadstoffe wie Stickoxide (NO _x ) und Schwefeloxide (SO _x ) gebildet. Deren Bildung macht zusätzliche Maßnahmen zur Einhaltung vorgeschriebener Emissionsgrenzwerte notwendig. Ein gängiges Verfahren zur Einhaltung dieser Emissionsgrenz- werte liegt in der Entfernung dieser Schadstoffe durch den

Einsatz eines der Zusatzfeuerung bzw. dem Dampferzeuger nachgeschalteten Katalysators.

Zur Verringerung von im Abgas oder Heizgas vorhandenen Stick- oxiden sind so genannte DeNO _x -Katalysatorvorrichtungen gebräuchlich, die an geeigneter Stelle in dem Dampferzeuger angeordnet sind. In einer derartigen Katalysatorvorrichtung werden die im vorbeiströmenden Heizgas oder Abgas enthaltenen Stickoxide unter Mitwirkung eines katalytischen Materials und durch gleichzeitiges Eindüsen einer Ammoniaklösung reduziert, wobei Wasser (H ₂ 0) und elementarer Stickstoff (N ₂ ) anfallen. Das Verfahren wird auch als Selektive Katalytische Reduktion (SCR) bezeichnet. Nachteilig bei einem solchen Verfahren ist, dass die Kataly ^¬ satorvorrichtung zusätzlichen Einbauraum und aufwändige Befestigungskonstruktionen erfordert, wodurch sich der Gesamtaufwand für die Errichtung und Montage des Dampferzeugers er ^¬ höht. Bestehende Altanlagen können infolge fehlenden Einbau- raumes zudem häufig nur mit vergleichsweise hohem Aufwand nachgerüstet werden. Der Erfindung liegt als eine erste Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger anzugeben, mittels welchem es möglich ist, bei Reduzierung von Schadstoffbildungen eine verbesserte Dampferzeugung zu erreichen.

Als eine zweite Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem es möglich ist einen Dampferzeuger derart zu betreiben, dass unter Reduzierung von Schadstoffbildungen eine verbesserte Dampferzeugung erreicht wird.

Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Dampferzeuger für eine Kraftwerksteilanlage, umfassend zumin ^¬ dest ein von einem Strömungsmedium durchströmbares Verdampf- errohr, sowie eine Anzahl von durch die Oberfläche des Ver ^¬ dampferrohres gebildeten Wärmetauscherflächen, wobei die oder jede Wärmetauscherfläche zumindest teilweise mit einer kata- lytisch aktiven Beschichtung zu einer exothermen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen versehen ist.

In einem ersten Schritt geht die Erfindung davon aus, zur Schadstoffminimierung innerhalb eines Dampferzeugers auf eine Zusatzfeuerung zu verzichten. Entsprechend muss auf eine andere Möglichkeit zu einer zusätzlichen Wärmeerzeugung im Dampferzeuger zurückgegriffen werden.

In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass eine ge ^¬ zielte Wärmeerzeugung ohne zusätzliche Schadstoffbildung möglich ist, wenn innerhalb des Dampferzeugers Bedingungen ge- schaffen werden, die das Ablaufen einer exothermen Reaktion, also einer Reaktion, bei der Wärme frei wird, begünstigen. Hierbei nutzt die Erfindung die Kenntnis, dass die katalyti- sche Zersetzung von Kohlenwasserstoffen eine solch exotherm verlaufende Reaktion darstellt. Mit anderen Worten wird bei der Zersetzung von Kohlenwasserstoffen an einer Katalysatoroberfläche Energie frei, die in Form von Wärme an die Umge ^¬ bung abgegeben wird. In einem dritten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass es möglich ist, einen nutzbaren Wärmeüber- schuss innerhalb eines Dampferzeugers zu erzeugen, wenn eine Katalysatoroberfläche in den Dampferzeuger integriert wird, an der Kohlenwasserstoffe exotherm zersetzt werden. Hierzu sind insbesondere die Wärmetauscherflächen des Verdampferrohres mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen, an der Kohlenwasserstoffe exotherm zersetzt werden. Da die katalytische Beschichtung auf die Wärmetauscherflächen aufgebracht ist, kann die bei der exothermen Zersetzung freiwerdende Energie unmittelbar über das oder jedes Verdampferrohr des Dampferzeugers abgeführt werden. Auf diese Weise wird ein im Dampferzeuger gewünschter zusätzlicher Wärmebe- darf bevorzugt und insbesondere ohne eine Zusatzfeuerung ge ^¬ deckt .

Im Unterschied zu einer Zusatzfeuerung, also einer Verbrennung unter Sauerstoffverzehrung im klassischen Sinne, entste- hen bei einer exothermen katalytischen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen keine zusätzlichen Schadstoffe wie Stickoxide oder Schwefeloxide. Mit anderen Worten kann durch die kataly ^¬ tische Beschichtung der Wärmetauscherflächen der Verdampferrohre auf einfache und effektive Weise auch einem erhöhten Wärmebedarf Rechnung getragen werden, ohne dass hierbei die Bildung unerwünschter Schadstoffe innerhalb des Dampferzeu ^¬ gers in Kauf genommen werden muss. Die Dampferzeugung wird durch zusätzlichen Wärmeeintrag verbessert. Jedoch wird der Dampferzeuger frei von einer Zusatzfeuerung betrieben.

Weiterhin kann ein vorhandener Dampferzeuger mit geringem Aufwand nachgerüstet werden, da die Aufbringung der kataly ^¬ tisch aktiven Beschichtung auch bei bereits bestehenden

Kraftwerksanlagen erfolgen kann. Eine bauliche Änderung des Dampferzeugers ist hierzu nicht notwendig.

Die bei der Zersetzung bzw. Umsetzung der Kohlenwasserstoffe entstehende Wärme wird vorzugsweise direkt abgeführt. Die Wärmetauscherflächen sind hierzu zweckmäßigerweise zur Übertragung von bei der Zersetzung der Kohlenwasserstoffe frei ^¬ werdender Wärme auf ein das Verdampferrohr durchströmendes Strömungsmedium ausgebildet. Die bei der katalytischen Zersetzung der Kohlenwasserstoffe an den Wärmetauscherflächen, also an den katalytische beschichteten Oberflächen des oder jedes Verdampferrohres, entstehende Wärme wird im Wesentli ^¬ chen verlustfrei auf das in den Verdampferrohren zirkulierende Strömungsmedium übertragen. Das hierbei erwärmte Strömungsmedium wird insbesondere in einem Dampfturbinenprozess genutzt .

Die durch die Oberflächen der Verdampferrohre gebildeten Wärmetauscherflächen sind zweckmäßigerweise in zumindest einem Teilbereiche mit der katalytisch aktiven Beschichtung versehen. Hierbei sind insbesondere die Teilbereiche bevorzugt, die beim Durchströmen eines Abgases durch einen Abgaskanal des Dampferzeugers dem strömenden Abgas zugewandt sind. Al ^¬ ternativ ist selbstverständlich auch eine vollflächige Beschichtung möglich.

Das Verdampferrohr, welches innerhalb des Dampferzeugers an ^¬ geordnet ist, ist zweckmäßigerweise Teil eines Wärme-Dampf- Kreislaufs einer Dampfturbine. Die bei der Zersetzung frei ^¬ werdende Wärme wird entsprechend in den Wasser-Dampf-Kreis ^¬ lauf eingespeist und trägt so zur gezielten Erwärmung und da ^¬ raus resultierend zur Verdampfung des im Kreislauf geführten Strömungsmediums bei.

Vorzugsweise umfasst die katalytisch aktive Beschichtung zur exothermen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen zumindest ein Edelmetall. Durch den Einsatz eines oder mehrerer Edelmetalle wird eine katalytisch aktive Oberfläche bereitgestellt, an welcher ein Kohlenwasserstoff unter Freisetzung von Energie in Form von Wärme selektiv zersetzt bzw. umgesetzt wird.

Bevorzugt umfasst die katalytisch aktive Beschichtung zumindest ein Edelmetall, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Gold (Au) , Silber (Ag) , Ruthenium (Ru) , Rhodium (Rh) , Palladium (Pd) , Osmium (Os) , Iridium (Ir) und Platin (Pt) enthält. Hierbei ist eine katalytisch aktive Beschichtung mit nur ei ^¬ nem Edelmetall gleichermaßen bevorzugt, wie eine katalytische Beschichtung, die mehrere Edelmetalle, also eine Legierung enthält. Zur Zersetzung von Kohlenwasserstoffen ist es insbesondere von Vorteil, wenn die katalytisch aktive Beschichtung Rhodium (Rh), Palladium (Pd) und/oder Platin (Pt) enthält. In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist die katalytisch aktive Beschichtung zur katalytischen Umsetzung von Methan ausgebildet. Die Zersetzung von Methan an einer Oberfläche aus Edelmetall ist eine stark exotherme Reaktion, bei der Methan unter Bildung von Kohlendioxid (C0 ₂ ) und Wasser (H ₂ 0) zersetzt wird. Bevorzugt werden Erdgas und/oder Biogas in den Dampferzeuger eingebracht, da diese Gase einen hohen Anteil an Methan, ebenso wie weitere Kohlenwasserstoffe enthalten. Insbesondere Erdgas enthält einen hohen Methananteil. Methan wird vorzugsweise an einer katalytisch aktiven Beschichtung zersetzt, die Rhodium (Rh), Palladium (Pd) und/oder Platin (Pt) .

Die zu zersetzenden Kohlenwasserstoffe werden vorzugsweise als Teil eines Gasstroms in den Dampferzeuger eingebracht. Zur Dosierung der Kohlenwasserstoffe bzw. eines kohlenwasser- stoffhaltigen Gasstroms umfasst der Dampferzeuger zweckmäßi ^¬ gerweise eine Eindüsvorrichtung. Über die Eindüsvorrichtung kann gezielt die gewünschte Menge an Kohlenwasserstoffen - insbesondere als Teil eines Gasstroms bei Kenntnis des ent- haltenen Kohlenwasserstoffmenge - in den Dampferzeuger do ^¬ siert werden, die zur Produktion der zusätzlich benötigten Wärme benötigt wird. Die Kohlenwasserstoffe bzw. der kohlen- wasserstoffhaltige Gasstrom werden hierbei zweckmäßigerweise gemeinsam mit dem Heizgas oder dem Abgas an der katalytisch aktiven Beschichtung eingedüst und die Kohlenwasserstoffe dort zersetzt. Je nach Gasdurchsatz und Kohlenwasserstoffanteil kann die Prozesswärmeerzeugung dem tatsächlichen Wärmebedarf angepasst werden. Durch die Wärmeabfuhr ist die Temperatur der katalytisch aktiven Beschichtung limitiert, so dass die Menge an eingedüstem Kohlenwasserstoff keiner Begrenzung unterliegt.

Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, eine katalytisch aktive Beschichtung einzusetzen, die zusätzlich zur katalytischen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen zugleich zur katalytischen Umsetzung von Kohlenmonoxid (CO) und/oder Wasserstoff (H ₂ ) ausgebildet ist. Kohlenmonoxid und Wasser ^¬ stoff können über das Abgas der Gasturbine eingetragen werden. Weiterhin kann Kohlenmonoxid auch in dem kohlenwasserstoffhaltigen Gasstrom enthalten sein. Wasserstoff, dessen Anteil üblicherweise gering ist, kann auch aus Industriepro ^¬ zessen in den Dampfkessel gelangen.

Eine zur katalytischen Zersetzung bzw. Umsetzung von Kohlenmonoxid (CO) und/oder Wasserstoff (H ₂ ) geeignete katalytische Beschichtung umfasst vorzugsweise ebenfalls zumindest ein Edelmetall, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Gold (Au) , Silber (Ag) , Ruthenium (Ru) , Rhodium (Rh) , Palladium (Pd) , Osmium (Os) , Iridium (Ir) und Platin (Pt) enthält. Be ^¬ sonders geeignet ist eine katalytisch aktive Beschichtung, die Ruthenium (Ru) , Rhodium (Rh), Palladium (Pd) und/oder Platin (Pt) enthält.

Zweckmäßigerweise ist die oder jede Wärmetauscherfläche zu ^¬ mindest teilweise mit einem Haftvermittler versehen. Der Haftvermittler wird auf die Wärmetauscherflächen aufgebracht, um eine gute und gleichmäßige Haftung der katalytisch aktiven Beschichtung an den Wärmetaucherflächen zu gewährleisten. Als Haftvermittler sind bevorzugt metallorganische Verbindungen eingesetzt. Vorzugsweise wird eine keramische Verbindung, insbesondere aus Basis von Titandioxid (Ti0 ₂ ) , eingesetzt.

Die zweite Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Dampferzeugers einer Kraftwerksteilanlage, wobei Kohlenwasserstoffe einem zumin ^¬ dest ein Verdampferrohr umfassenden Dampferzeuger zugeführt werden, wobei die Kohlenwasserstoffe mit einer Anzahl von durch die Oberfläche des Verdampferrohres gebildeten und zu- mindest teilweise mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehenen Wärmetauscherflächen in Kontakt gebracht werden, und wobei die Kohlenwasserstoffe bei Kontakt mit der kataly ^¬ tisch aktiven Beschichtung an dieser exotherm zersetzt werden .

Die bei der Zersetzung der Kohlenwasserstoffe freiwerdende Wärme wird vorzugsweise auf ein das Verdampferrohr durchströ ^¬ mendes Strömungsmedium übertragen. Das Strömungsmedium wird durch die bei der Umsetzung bzw. Zersetzung der gasförmigen Komponente entstehende Wärme erhitzt, während die Temperatur der katalytisch aktiven Schicht aufgrund der Wärmeabfuhr nach oben begrenzt ist. Die bei der Zersetzung entstehende Wärme wird zweckmäßigerweise in den Wärme-Dampf-Kreislaufs einer Dampfturbine abgeführt, wodurch die Leistung des Dampfteils eines Gas- und Dampfkraftwerks gezielt erhöht wird.

Von Vorteil ist es, wenn eine katalytisch aktive Beschichtung mit zumindest einem Edelmetall eingesetzt wird. Vorzugsweise wird eine katalytisch aktive Beschichtung eingesetzt, die zu- mindest ein Edelmetall aus einer Gruppe umfasst, die Gold (Au) , Silber (Ag) , Ruthenium (Ru) , Rhodium (Rh) , Palladium (Pd) , Osmium (Os) , Iridium (Ir) und Platin (Pt) enthält.

Besonders bevorzugt wird an der katalytisch aktiven Beschich- tung Methan zersetzt. Hierzu wird das Methan zweckmäßigerwei ^¬ se als Teil eines Gasstroms, insbesondere eines Erdgasstromes oder eines Biogastromes in den Dampferzeuger eingebracht. Über die Menge an Methan bzw. allgemein an zersetzbaren Kohlenwasserstoffen wird die Wärmeerzeugung an der katalytisch aktiven Beschichtung gesteuert. Die Kohlenwasserstoffe werden hierbei zweckmäßigerweise in den Dampferzeuger eingedüst. In einer alternativen Ausgestaltung werden zusätzlich zu Kohlen- Wasserstoffen auch Kohlenmonoxid und Wasserstoff an der kata- lytisch aktiven Beschichtung umgesetzt.

Zur Sicherstellung einer dauerhaften und gleichmäßigen Be- Schichtung wird die oder jede Wärmetauscherfläche zumindest teilweise mit einem Haftvermittler versehen. Bevorzugt werden als Haftvermittler metallorganische Verbindungen eingesetzt.

Die zu bevorzugten Ausgestaltungen des Dampferzeugers genann- ten Vorteile können hierbei sinngemäß auf entsprechende Aus ^¬ gestaltungen des Verfahrens übertragen werden.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

FIG 1 schematisch einen Dampferzeuger in einer Seitenansicht, und

FIG 2 einen Ausschnitt des Dampferzeugers nach Fig. 1 in einer Draufsicht.

FIG 1 zeigt schematisch einen Dampferzeuger 1 als Teil einer Kraftwerksteilanlage 3, vorliegend eine Dampfturbine, in ei ^¬ ner Seitenansicht. Dem Dampferzeuger 1 ist eine Gasturbine 5 vorgeschaltet. Aus der Gasturbine 5 strömt Abgas 7 in den

Dampferzeuger 1. Das Abgas 7 durchströmt den Dampferzeuger 3 innerhalb eines Abgaskanals 9, der aufgrund der liegenden Ausgestaltung auch als Horizontalgaszug bezeichnet wird, in Richtung eines als Abzug bzw. Vertikalzugs 11 ausgebildeten Kamins. Dabei gibt das Abgas 7 einen Großteil der in ihm ent ^¬ haltenen Wärme durch Wärmeübertragung an die innerhalb des Abgaskanals 9 angeordnete Wärmetauscherflächen 13 ab, die durch die Oberflächen 15 der im Dampferzeuger 3 angeordneten Verdampferrohre 17 gebildet werden.

Hierdurch wird das in den Verdampferrohren 17 strömende Strömungsmedium 19 erwärmt und verdampft. Das nach seiner Wärme ^¬ abgabe an das Strömungsmedium 19, vorliegend Wasser, weitest- gehend erkaltete Abgas 7 verlässt den Dampferzeuger 1 über den Kamin 11. Der in den Verdampferrohren 17 erzeugte Wasserdampf wird in einem Wasser-Dampf-Kreislauf genutzt und in ei ^¬ nen herkömmlichen, nicht näher beschriebenen Dampfturbinen- prozess entspannt.

Vorliegend sind alle Wärmetauscherflächen 13 vollständig mit einem Haftvermittler 23 und einer katalytisch aktiven Be- schichtung 25 versehen. Die katalytische Beschichtung 25 be- steht vorliegend aus Platin und dient der exothermen Zerset ^¬ zung von Kohlenwasserstoffen. Durch die exotherme Zersetzung von Kohlenwasserstoffen wird gezielt Wärme innerhalb des Dampferzeugers 1 erzeugt, ohne dass hierbei Schadstoffe wie Stickoxide und/oder Schwefeloxide gebildet werden.

Vorliegend wird über eine Eindüsvorrichtung 27, die schema ^¬ tisch anhand eines Pfeils angedeutet ist, Erdgas in den

Dampferzeuger 1 eingedüst. Erdgas enthält einen hohen Anteil an Kohlenwasserstoffen und insbesondere an Methan. Das im Erdgasstrom enthaltene Methan wird an der katalytisch aktiven Beschichtung 25 der Wärmtauscherflächen 13 exotherm in Kohlendioxid und Wasser zersetzt. Die hierbei freiwerdende Ener ^¬ gie wird in Form von Wärme über die Wärmtauscherflächen 13 an das in den Verdampferrohren 17 strömende Strömungsmedium 19 abgegeben.

Die Wärme wird in den Wärme-Dampf-Kreislauf abgeführt, wo ^¬ durch die Leistung des Dampfteils eines Gas- und Dampfkraft ^¬ werks erhöht wird. Weiterhin wird durch die Wärmeabfuhr die Temperatur der katalytisch aktiven Beschichtung 25 limitiert.

In FIG 2 ist ein Ausschnitt des Dampferzeugers 1 gemäß FIG 1 in einer Draufsicht gezeigt. Anhand dieser Darstellung sind die in dem Dampferzeuger 1 angeordneten, mit der katalytisch aktiven Beschichtung 25 versehenen Verdampferrohre 17 zu erkennen. Das Abgas 7 der Gasturbine 5 strömt gemeinsam mit Me ^¬ than im Abgaskanal 9 durch den Dampferzeuger 1. Das Methan wird an der katalytisch aktiven Beschichtung 25 zersetzt, wo- bei die hierbei freiwerdende Wärme auf das in den Verdampfer ^¬ rohren 17 strömende Strömungsmedium 19 übertragen wird.

Anhand der vorliegenden Darstellung ist zu erkennen, dass die Verdampferrohre 17 bzw. die durch die Oberflächen 15 der Verdampferrohre 17 gebildeten Wärmtauscherflächen 13 vollständig beschichtet sind. Grundsätzlich ist es selbstver ^¬ ständlich auch möglich, nur Teilbereiche der Wärmetauscherflächen 13 zu beschichten.

Insgesamt ist es möglich, durch die katalytisch aktive Be- schichtung 25 der Wärmetauscherflächen 13 der Verdampferrohre 17 die Prozesswärme zu erhöhen, ohne die Bildung unerwünschter Schadstoffe innerhalb des Dampferzeugers 1 in Kauf nehmen zu müssen. Der Dampferzeuger 1 wird bei gezielter Wärmeerzeugung frei von einer Zusatzfeuerung betrieben.