JP2018516351A - 蒸気発生器 - Google Patents

Abstract

本発明は、発電所サブシステム（３）のための蒸気発生器（１）であって、流体媒体が貫流可能な少なくとも１つの気化装置管（１７）と、気化装置管（１７）の表面（１５）によって形成された複数の熱交換面（１３）と、を含んでおり、１つ又は各熱交換面（１３）には少なくとも部分的に、炭化水素の発熱分解のための触媒活性コーティング（２５）が設けられている蒸気発生器（１）に関する。気化装置管の熱交換面の触媒コーティングを通じて、容易かつ効果的に、増大した熱需要を考慮することが可能であり、その際、蒸気発生器内部に望ましくない有害物質が生成されることを甘受せずともよい。さらに、本発明は、発電所サブシステム（３）の蒸気発生器（１）を運転するための方法に関する。

Description

本発明は、発電所サブシステムの蒸気発生器に関する。さらに、本発明は、発電所サブシステムの蒸気発生器を運転するための方法に関する。

蒸気発生器を備えた発電所設備では、化石燃料の燃焼の際に、燃焼器側で生じる燃料ガス、又は、ガスタービンから流出する高温の排ガスが、蒸気発生器内部における流体媒体の気化に利用される。

廃熱ボイラーとも呼ばれる蒸気発生器は一般的に、流体媒体を気化するために、熱交換面を形成するように統合された、又は、束ねられた気化装置管を有しており、これらの管を熱することによって、気化装置管内に誘導された流体媒体の気化がもたらされる。気化の際に蒸気発生器によって生成される蒸気は再び、例えば、引き続き行われる外部のプロセスに、又は、特にガス及び蒸気発電所（コンバインドサイクル発電所）等における蒸気タービンの駆動にも用いられる。

コンバインドサイクル発電所では、複数のガスタービンと、当該ガスタービンの下流に配置された蒸気タービンとを用いて、電気エネルギーが生成される。ガスタービンの高温排ガスは、燃料ガス導管又は排ガス導管を通って、（廃熱）蒸気発生器を貫流し、水‐蒸気循環において水蒸気の生成に用いられる。当該蒸気は次に、従来の蒸気タービンプロセスを通じて膨張する。

いくらかのコンバインドサイクル発電所では、例えば最大負荷対策、又は、地域暖房への活用のために、熱需要が増大している。この付加的な熱需要を満たすために、一般的には、蒸気発生器における、いわゆる付加燃焼又は補助燃焼（助燃システム）が用いられる。そのために、蒸気発生器内には燃焼器が取り付けられており、燃料器内では、燃料が、ガスタービンから放出される排ガスと共に燃焼する。燃焼によって、排ガスは熱せられ、熱は、伝熱面又は熱交換面を通じて、蒸気タービンの水‐蒸気循環に供給される。このような方法で、ガス及び蒸気発電所の蒸気部分の出力を、目標を定めて増大させる。

とはいえ、このような付加燃焼の範囲内における燃焼に際しては、他の燃焼システムと比較して、やはり窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）及び硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の有害物質が生成される。これらの有害物質が生成されることによって、所定のエミッション限界値を遵守するために、付加的な手段が必要になる。このエミッション限界値を遵守するための従来の方法は、これらの有害物質を、付加燃焼又は蒸気発生器の下流に配置された触媒コンバータを用いることによって除去することにある。

排ガス又は燃料ガス内に存在する窒素酸化物を削減するために、いわゆるＤｅＮＯｘ触媒装置が一般的に用いられており、ＤｅＮＯｘ触媒装置は、蒸気発生器内の適切な位置に配置されている。このような触媒装置においては、通過する燃料ガス又は排ガスに含まれる窒素酸化物が、触媒材料の作用下で、アンモニア溶液を同時に注入することによって還元され、水（Ｈ_２Ｏ）と元素の窒素（Ｎ_２）とが生じる。当該方法は、選択的触媒還元（ＳＣＲ）とも呼ばれる。

このような方法の欠点は、触媒装置が、付加的な取り付け空間と、複雑な固定構造とを必要とするので、蒸気発生器の設置及び取り付けの総費用が増大することにある。加えて、既存の旧設備に後から装備することは、取り付け空間が不足しているので、しばしば、比較的高い費用を用いてのみ可能である。

本発明の第１の課題は、有害物質の生成を削減しつつ、蒸気生成の改善を実現することが可能になるような蒸気発生器について記載することにある。

本発明の第２の課題は、有害物質の生成を削減しつつ、蒸気生成の改善を実現するように蒸気発生器を運転することを可能にするような方法について記載することにある。

本発明によると、第１の課題は、発電所サブシステムのための蒸気発生器によって解決され、当該蒸気発生器は、流体媒体が貫流可能な少なくとも１つの気化装置管と、気化装置管の表面によって形成された複数の熱交換面と、を含んでおり、１つ又は各熱交換面には、少なくとも部分的に、炭化水素を発熱分解するための触媒活性コーティングが設けられている。

第１のステップにおいて、本発明は、蒸気発生器内部の有害物質を最小限にするために、付加燃焼を放棄することを前提としている。対応して、蒸気発生器内で付加的に熱を生成するための別の可能性を用いる必要がある。

第２のステップにおいて、本発明は、蒸気発生器内において、発熱反応、すなわち熱が放出される反応の進行を促進する条件が成立する場合、付加的に有害物質が生成されることなく、目標を定めて熱生成を行うことが可能であると認識している。その際、本発明は、炭化水素の触媒分解は、このような発熱反応であるという知識を利用する。言い換えると、炭化水素が分解される際に、触媒表面においてエネルギーが放出されるが、当該エネルギーは、熱の形態で、周囲に放出される。

第３のステップにおいて、本発明は、触媒表面が蒸気発生器に組み込まれており、当該触媒表面において炭化水素が発熱分解される場合に、利用可能な余剰熱を蒸気発生器内部で生成することが可能であるという考察を前提としている。そのために、特に気化装置管の熱交換面には、触媒活性コーティングが設けられており、当該熱交換面では、炭化水素が発熱分解される。

触媒コーティングが熱交換面に塗布されているので、発熱分解の際に放出されるエネルギーは、蒸気発生器の１つ又は各気化装置管を通って直接放出され得る。このような方法で、蒸気発生器内で望まれる付加的な熱需要は、好ましくは、かつ、特に、付加燃焼を行わずに満たされる。

付加燃焼、すなわち古典的な意味での酸素を消費する燃焼とは異なり、炭化水素の発熱触媒分解に際しては、窒素酸化物又は硫黄酸化物等の付加的な有害物質は発生しない。言い換えると、気化装置管の熱交換面の触媒コーティングを通じて、容易かつ効果的に、増大した熱需要も考慮することが可能であり、その際、蒸気発生器内部に望ましくない有害物質が生成されることを甘受せずともよい。蒸気の生成は、付加的な熱入力によって改善される。しかしながら、蒸気発生器は、付加燃焼を行わずに運転される。

さらに、既存の蒸気発生器に、少ない費用で装備を施すことが可能である。なぜなら、触媒活性コーティングの塗布は、すでに存在する発電所設備でも行うことができるからである。そのために蒸気発生器の構造を変更する必要はない。

炭化水素の分解又は変換の際に生じる熱は、好ましくは直接放出される。そのためには、熱交換面は、炭化水素の分解の際に放出される熱を、気化装置管を貫流する流体媒体に伝達するように構成されていると合理的である。熱交換面、すなわち１つ又は各気化装置管の触媒コーティングが施された表面における、炭化水素の触媒分解の際に生じる熱は、概ね損失を生じることなく、気化装置管内を循環する流体媒体に伝達される。その際に熱せられる流体媒体は、特に蒸気タービンプロセスにおいて用いられる。

気化装置管の表面によって形成された熱交換面には、少なくとも部分領域において、触媒活性コーティングが設けられていると合理的である。その際特に、排ガスが蒸気発生器の排ガス導管を貫流する際に、流れる排ガスに対向している部分領域が好ましい。代替的には、自明のことながら、面全体にコーティングを施すことも可能である。

蒸気発生器内部に配置された気化装置管は、蒸気タービンの熱‐蒸気循環の一部であると合理的である。分解の際に放出される熱は、対応して、水‐蒸気循環に供給され、目標を定めた加熱と、その帰結として、循環している流体媒体の気化と、に用いられる。

好ましくは、炭化水素を発熱分解するための触媒活性コーティングは、少なくとも１つの貴金属を含んでいる。１つ又は複数の貴金属の使用によって、触媒活性表面が供給され、当該触媒活性表面では、炭化水素が、熱の形態でエネルギーを放出しつつ、選択的に分解又は変換される。

好ましくは、触媒活性コーティングは、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及びプラチナ（Ｐｔ）を含む群から選択された、少なくとも１つの貴金属を含んでいる。その際、１つの貴金属のみを有する触媒活性コーティングは、複数の貴金属、すなわち合金を含む触媒コーティングと同様に好ましい。炭化水素を分解するために、特に、触媒活性コーティングが、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び／又は、プラチナ（Ｐｔ）を含んでいると有利である。

別の有利な態様では、触媒活性コーティングは、メタンの触媒変換を行うように構成されている。貴金属から成る表面におけるメタンの分解は、強い発熱反応であり、当該反応において、メタンは分解され、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とを生成する。好ましくは、天然ガス及び／又はバイオガスは、蒸気発生器に導入される。なぜなら、これらのガスは、他の炭化水素と同様に、高い割合でメタンを含有しているからである。特に、天然ガスは、高い割合でメタンを含有している。メタンは、好ましくは、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）及び／又はプラチナ（Ｐｔ）を含む触媒活性コーティングにおいて分解される。

分解されるべき炭化水素は、好ましくは、ガス流の一部として、蒸気発生器に導入される。炭化水素又は炭化水素を含むガス流を添加するために、蒸気発生器は、注入装置を含んでいると合理的である。注入装置を通じて、付加的に必要な熱の生成に必要とされる所望の量の炭化水素を、特に炭化水素の含有量の知識に基づくガス流の一部として、蒸気発生器に目標を定めて添加することが可能である。その際、炭化水素又は炭化水素を含有するガス流は、燃料ガス又は排ガスと共に、触媒活性コーティング上に注入され、炭化水素が当該コーティング上で分解すると合理的である。

ガスの流量及び炭化水素の割合に応じて、プロセス熱生成は、実際の熱需要に適合させることが可能である。熱の放出によって、触媒活性コーティングの温度は制限されているので、注入される炭化水素の量は、制限されていない。

本発明の代替的な態様では、触媒活性コーティングを用いることが規定されており、当該触媒活性コーティングは、炭化水素の触媒分解に加えて、同時に、一酸化炭素（ＣＯ）及び／又は水素（Ｈ_２）の触媒変換を行うように構成されている。一酸化炭素及び水素は、ガスタービンの排ガスを通じて導入され得る。さらに、一酸化炭素は、炭化水素を含有するガス流にも含まれている可能性がある。一般的に含まれる割合が小さい水素は、産業プロセスからボイラーに到達する可能性もある。

一酸化炭素（ＣＯ）及び／又は水素（Ｈ_２）の触媒分解又は変換に適した触媒コーティングは、好ましくは、同様に、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及びプラチナ（Ｐｔ）を含む群から選択された、少なくとも１つの貴金属を含んでいる。特に適しているのは、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）及び／又はプラチナ（Ｐｔ）を含む触媒活性コーティングである。

１つ又は各熱交換面に、少なくとも部分的に１つの接着剤を設けると合理的である。接着剤は、熱交換面への触媒活性コーティングの良好かつ均一な接着を保証するために、熱交換面に塗布される。接着剤として、好ましくは、金属有機化合物が用いられる。好ましくは、特に二酸化チタン（ＴｉＯ_２）に基づくセラミック化合物が用いられる。

本発明によると、本発明の第２の課題は、発電所サブシステムの蒸気発生器を運転するための方法によって解決され、当該方法においては、炭化水素は、少なくとも１つの気化装置管を含む蒸気発生器に供給され、炭化水素は、気化装置管の表面によって形成され、かつ、少なくとも部分的に触媒活性コーティングが設けられている複数の熱交換面と接触させられ、炭化水素は、触媒活性コーティングと接触した場合に、当該コーティング上で発熱分解される。

炭化水素の分解の際に放出される熱は、好ましくは、気化装置管を貫流する流体媒体に伝達される。当該流体媒体は、気体状成分の変換又は分解の際に生じる熱によって熱せられるが、熱が放出されるので、触媒活性層の温度には上限がある。分解の際に生じる熱は、蒸気タービンの熱‐蒸気循環に放出されると合理的であり、それによって、ガス及び蒸気発電所の蒸気部分の出力を、目標を定めて増大させる。

少なくとも１つの貴金属を有する触媒活性コーティングを用いると有利である。好ましくは、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及びプラチナ（Ｐｔ）を含む群から、少なくとも１つの貴金属を含んでいる触媒活性コーティングが用いられる。

特に好ましくは、触媒活性コーティング上でメタンが分解される。そのために、メタンが、ガス流の一部として、特に天然ガス流又はバイオガス流の一部として、蒸気発生器に導入されると合理的である。メタンの量、又は、一般的には分解可能な炭化水素の量を通じて、触媒活性コーティングにおける熱生成が制御される。その際、炭化水素が蒸気発生器に注入されると合理的である。代替的な態様では、炭化水素に加えて、一酸化炭素及び水素も、触媒活性コーティング上で変換される。

持続的かつ均一なコーティングを保証するために、１つ又は各熱交換面には、少なくとも部分的に接着剤が設けられる。好ましくは、接着剤として、金属有機化合物が用いられる。

その際、蒸気発生器の好ましい態様に関して挙げられた利点は、意味に即して、当該方法の対応する態様に転用され得る。

以下に、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。示されているのは以下の図である。

蒸気発生器を概略的に示した側面図である。 図１に係る蒸気発生器の一部を示した上面図である。

図１は、発電所サブシステム３の一部である蒸気発生器１を、ここでは蒸気タービンとして、側面図において概略的に示している。蒸気発生器１の上流には、ガスタービン５が接続されている。ガスタービン５から流出した排ガス７は、蒸気発生器１に流入する。排ガス７は、本態様に基づいて水平送気管とも呼ばれる排ガス導管９の内部を通って、排気管又は垂直送気管１１として構成された煙突の方向に蒸気発生器３を貫流する。その際、排ガス７は、自身に含まれる熱の大部分を、蒸気発生器３内に配置された気化装置管１７の表面１５によって形成される、排ガス導管９内部に配置された熱交換面１３への熱伝達を通じて放出する。

それによって、気化装置管１７に流入する流体媒体１９は熱せられ、気化する。流体媒体１９に熱を放出した後に存在する水によって可能な限り冷却された排ガス７は、煙突１１を通って蒸気発生器１を離れる。気化装置管１７内に生成された水蒸気は、水‐蒸気循環において利用され、従来の、詳細には記載されていない蒸気タービンプロセスにおいて膨張する。

本発明では、全ての熱交換面１３に完全に、接着剤２３と触媒活性コーティング２５とが設けられている。本発明では、触媒コーティング２５は、プラチナから成り、炭化水素の発熱分解に用いられる。炭化水素の発熱分解によって、蒸気発生器１内部で熱が集中的に生成されるが、その際、窒素酸化物及び／又は硫黄酸化物等の有害物質が生成されることはない。

本発明では、矢印で概略的に示された注入装置２７を通じて、天然ガスが蒸気発生器１に注入される。天然ガスは、高い割合で炭化水素、特にメタンを含有している。天然ガス流に含まれるメタンは、熱交換面１３の触媒活性コーティング２５上で、二酸化炭素と水とに発熱分解される。その際に放出されるエネルギーは、熱の形態において、熱交換面１３を通じて、気化装置管１７内を流れる流体媒体１９に放出される。

この熱は、熱‐蒸気循環に放出され、それによって、ガス及び蒸気発電所の蒸気部分の出力は増大する。さらに、熱を放出することによって、触媒活性コーティング２５の温度が制限される。

図２には、図１に係る蒸気発生器１の一部が上面図で示されている。当該図面では、蒸気発生器１内に配置された、触媒活性コーティング２５が設けられた気化装置管１７が視認される。ガスタービン５の排ガス７は、メタンと共に、排ガス導管９内を通り、蒸気発生器１を貫流する。メタンは、触媒活性コーティング２５上で分解され、その際に放出された熱は、気化装置管１７内を流れる流体媒体１９に伝達される。

当該図面からは、気化装置管１７、又は、気化装置管１７の表面１５によって形成された熱交換面１３には、完全にコーティングが施されていることが視認される。基本的に、熱交換面１３の部分領域のみにコーティングを施すことも自明のことながら可能である。

総じて、気化装置管１７の熱交換面１３の触媒活性コーティング２５を通じて、プロセス熱を上昇させることが可能であり、その際、蒸気発生器１内部での望ましくない有害物質の生成を甘受せずともよい。蒸気発生器１は、目標を定めて熱生成が行われる場合、付加燃焼を行わずに運転される。

１ 蒸気発生器
３ 発電所サブシステム
５ ガスタービン
７ 排ガス
９ 排ガス導管
１１ 煙突
１３ 熱交換面
１５ 表面
１７ 気化装置管
１９ 流体媒体
２３ 接着剤
２５ 触媒活性コーティング
２７ 注入装置

Claims (16)

1. 発電所サブシステム（３）のための蒸気発生器（１）であって、流体媒体が貫流可能な少なくとも１つの気化装置管（１７）と、前記気化装置管（１７）の表面（１５）によって形成された複数の熱交換面（１３）と、を備え、前記熱交換面（１３）には少なくとも部分的に、炭化水素の発熱分解のための触媒活性コーティング（２５）が設けられている蒸気発生器（１）。
2. 前記熱交換面（１３）が、炭化水素の分解の際に放出される熱を、前記気化装置管（１７）を貫流する流体媒体に伝達するように構成されている、請求項１に記載の蒸気発生器（１）。
3. 前記気化装置管（１７）が、蒸気タービンの熱‐蒸気循環の一部である、請求項１又は２に記載の蒸気発生器（１）。
4. 炭化水素の発熱分解のための触媒活性コーティング（２５）が、少なくとも１つの貴金属を含んでいる、請求項１から３のいずれか一項に記載の蒸気発生器（１）。
5. 前記触媒活性コーティング（２５）が、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及びプラチナ（Ｐｔ）を含む群から選択された、少なくとも１つの貴金属を含んでいる、請求項１から４のいずれか一項に記載の蒸気発生器（１）。
6. 前記触媒活性コーティング（２５）が、メタンの発熱分解を行うように構成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の蒸気発生器（１）。
7. 炭化水素を添加するための注入装置（２７）を備えている、請求項１から６のいずれか一項に記載の蒸気発生器（１）。
8. 前記熱交換面（１３）には、少なくとも部分的に、接着剤（２３）が設けられている、請求項１から７のいずれか一項に記載の蒸気発生器（１）。
9. 発電所サブシステム（３）の蒸気発生器（１）を運転するための方法であって、炭化水素が、少なくとも１つの気化装置管（１７）を備える蒸気発生器（１）に供給され、炭化水素は、前記気化装置管（１７）の表面（１５）によって形成され、かつ、少なくとも部分的に触媒活性コーティング（２５）が設けられた、複数の熱交換面（１３）と接触させられ、炭化水素は、前記触媒活性コーティング（２５）と接触した場合に、前記触媒活性コーティング（２５）上で、発熱分解される方法。
10. 炭化水素の分解の際に放出された熱が、前記気化装置管（１７）を貫流する流体媒体（１９）に伝達される、請求項９に記載の方法。
11. 前記放出された熱が、蒸気タービンの熱‐蒸気循環に放出される、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 触媒活性コーティング（２５）として、少なくとも１つの貴金属が用いられる、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及びプラチナ（Ｐｔ）を含む群からの、少なくとも１つの貴金属を含んでいる触媒活性コーティング（２５）が用いられる、請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記触媒活性コーティング（２５）上で、メタンが発熱分解される、請求項９から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記炭化水素が、前記蒸気発生器（１）に注入される、請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記熱交換面（１３）には、少なくとも部分的に、接着剤（２３）が設けられている、請求項９から１５のいずれか一項に記載の方法。

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