JP4627611B2

JP4627611B2 - 脱硝装置へのアンモニア注入量制御方法および装置ならびにそれらに使用するアンモニア注入量補正装置

Info

Publication number: JP4627611B2
Application number: JP2001201849A
Authority: JP
Inventors: 孝裕竹友; 宏権藤
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2021-07-03
Also published as: JP2003010645A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脱硝装置へのアンモニア注入量制御方法および装置ならびにそれらに使用するアンモニア注入量補正装置に係り、特にボイラなどの燃焼装置から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）をアンモニア（ＮＨ₃）の注入によって還元・除去する脱硝装置へのアンモニア注入量制御方法および装置ならびにこれらに使用するアンモニア注入量補正装置であって、触媒に吸着されるＮＨ₃量を考慮し、かつ出口ＮＯｘ濃度制御偏差を適切に解消するためのアンモニア注入量補正装置と、該装置を備えた脱硝装置へのアンモニア注入量制御方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排ガス用脱硝装置ではＮＯｘ還元剤として一般にＮＨ₃を使用し、これを排ガス中に注入し、装置内に設置した触媒層上で注入したＮＨ₃と排ガス中のＮＯｘを反応させて窒素と水にする。すなわち、
【０００３】
【数１】
ＮＨ₃＋ＮＯ＋１／４Ｏ₂→Ｎ₂＋３／２・Ｈ₂Ｏ
排ガス中のＮＯｘは注入するＮＨ₃と上式で示す反応をして窒素と水になるので、基本的には注入するＮＨ₃量は処理すべきＮＯｘ量に見合った量を注入することになる。
【０００４】
注入したＮＨ₃はＮＯｘとの反応に使用される以外に、触媒表面に吸着し得るだけ吸着する。したがって、それを超えて注入するとリークアンモニアとして脱硝装置から流出し問題となる。
一方、注入するＮＨ₃量が処理すべきＮＯｘ量に対して不足するとＮＯｘを処理しきれなくなり、出口処理ガス中のＮＯｘ濃度を規定値以下にすることができなくなる。
【０００５】
脱硝装置のアンモニア注入量制御方法についての従来技術を図３に示す。被処理ガス中のＮＯｘ量に見合ったＮＨ₃注入量を算出する注入量算出器９は、脱硝装置の入口ＮＯｘ濃度、出口ＮＯｘ濃度設定値、出口ＮＯｘ濃度および被処理ガス量などからＮＨ₃注入量を算出するものである。
【０００６】
すなわち、脱硝装置の入口ＮＯｘ分析計１２で検出された入口ＮＯｘ濃度信号１３と被処理ガス量２８の被処理ガス流量信号２９とを乗算器３１で乗算し、総ＮＯｘ量信号３０を算出する。一方、入口ＮＯｘ濃度信号１３と脱硝装置の出口ＮＯｘ濃度設定器１５で設定された設定ＮＯｘ濃度信号１６との減算を行う減算器１９を有する必要モル比演算器１８で必要モル比（ＮＨ₃モル／ＮＯｘモル）信号２０を算出し、比例積分演算器２５を介して加算器２６に入力する。
【０００７】
一方、出口ＮＯｘ濃度分析計２２で検出された出口ＮＯｘ濃度検出信号２３と設定ＮＯｘ濃度信号１６との偏差を減算器２４により算出し、比例積分演算器２５を介して加算器２６に入力して前記必要モル比信号２０の補正を行う。
補正後の必要モル比信号２７と先に述べた総ＮＯｘ量信号３０とを乗算器３２で乗算し必要ＮＨ₃流量信号３３を算出する。
【０００８】
この必要ＮＨ₃流量信号３３とＮＨ₃流量計３８で検出されたＮＨ₃流量検出信号３９を減算器４０で減算してＮＨ₃流量偏差信号４１を算出し、これを比例積分演算器４２で弁開度信号４３に変換して、電空変換器４４により制御信号４５に変換し、ＮＨ₃配管５の途中に設けられたＮＨ₃流量調節弁１０を開閉して脱硝装置へのＮＨ₃注入量を適正量に制御する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術に係る比例積分演算器２５によるフィードバック制御装置では、出口ＮＯｘ濃度を設定値に漸近させることを目的とするが、制御にやや時間を要するとともに、触媒上のＮＨ₃吸着量を考慮したＮＨ₃注入量制御を行っていないので、
（１）多量の吸着ＮＨ₃が触媒上に残存していて、しかも負荷が降下するときにはＮＯｘの過剰除去による出口ＮＯｘ濃度の設定範囲からの下方への逸脱、（２）過剰なＮＨ₃注入によるリークＮＨ₃量の増大、（３）ＮＨ₃の過剰使用による不経済等の問題が生じていた。
【００１０】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、触媒に吸着されるＮＨ₃量や装置からのリークＮＨ₃量を正確に把握してＮＨ₃注入量操作にフィードバックさせるとともに、出口ＮＯｘ濃度の設定値と測定値の偏差に基づくＮＨ₃注入量操作へのフィードバックを迅速かつ調節容易とし、負荷に対応した適切なＮＨ₃注入を行い、これにより過剰注入による過脱硝や、リークＮＨ₃の増大を防止し、またはＮＨ₃注入量不足による出口ＮＯｘ濃度の規制値からの逸脱を防止することができる脱硝装置へのアンモニア注入量制御方法および装置ならびにそれらに使用するアンモニア注入量補正装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願で特許請求する発明は以下のとおりである。
【００１４】
（１）装置入口からＮＯｘを含有する排ガスを導入するとともに該排ガス中にＮＨ₃を注入して装置内に設けた脱硝触媒層により前記ＮＯｘを接触還元したのち装置出口から排出する脱硝装置へ前記ＮＨ₃を注入するＮＨ₃注入量制御装置において、前記装置入口から導入した被処理排ガスのＮＯｘ量を求める手段と、入口ＮＯｘ濃度と出口ＮＯｘ濃度の設定値および測定値に基づきＮＯｘ量に対する必要ＮＨ₃モル比を算出する手段と、前記入口ＮＯｘ量と必要ＮＨ₃モル比から必要アンモニア流量を求める手段と、被処理ガス量と入口および出口ＮＯｘ濃度から脱硝反応に消費したＮＨ₃量を求める手段と、求めた消費ＮＨ₃量と装置からのリークＮＨ₃量とを注入ＮＨ₃量から減算して触媒残存ＮＨ₃吸着量補正バイアス信号を求める手段と、装置出口ＮＯｘ濃度の設定値と測定値の制御偏差量に応じ、かつその偏差がマイナス時はマイナス、プラス時はプラスの値として脱硝出口ＮＯｘ偏差補正バイアス信号を求める手段と、前記２つの補正バイアス信号を加算する手段と、装置出口ＮＯｘ濃度の設定値と測定値の偏差に基づき出口ＮＯｘ偏差補正ゲイン値を算出する手段と、前記加算した補正バイアス信号に上記出口ＮＯｘ偏差補正ゲイン値を乗算してＮＨ₃注入量補正信号を求める手段と、該ＮＨ₃注入量補正信号を前記必要ＮＨ₃流量に加算して補正後必要ＮＨ₃流量を算出する手段と、この補正後必要ＮＨ₃流量と実測ＮＨ₃流量との偏差に基づきＮＨ₃流量調節手段を操作する手段とを設けたことを特徴とする脱硝装置へのアンモニア注入量制御装置。
【００１５】
（２）装置入口からＮＯｘを含有する排ガスを導入するとともに該排ガス中にＮＨ₃を注入して装置内に設けた触媒層によって前記ＮＯｘを還元したのち装置出口から排出する脱硝装置へのＮＨ₃注入量を制御するに際し、前記触媒層に吸着されるＮＨ₃量と出口ＮＯｘ濃度の設定値と測定値の偏差に基づき上記ＮＨ₃注入量を補正する装置であって、前記脱硝装置に導入される被処理ガス量と入口および出口ＮＯｘ濃度から脱硝反応に消費したＮＨ₃量を求める手段と、求めた消費ＮＨ₃量と装置からのリークＮＨ₃量を注入ＮＨ₃量から減算して触媒残存ＮＨ₃吸着量補正バイアス信号を求める手段と、装置出口のＮＯｘ濃度の設定値と測定値の偏差量に基づき、かつその偏差がマイナス時はマイナス、プラス時はプラスの値として脱硝出口ＮＯｘ偏差補正バイアス信号を算出する手段と、前記２つの補正バイアス信号を加算する手段と、装置出口ＮＯｘ濃度の設定値と測定値の偏差量に基づき出口ＮＯｘ偏差補正ゲイン値を算出する手段と、前記加算した補正バイアス信号にこの出口ＮＯｘ偏差補正ゲイン値を乗算してＮＨ₃注入量補正信号を求める手段と、該ＮＨ₃注入量補正信号を脱硝装置へのＮＨ₃注入量制御部に入力する手段とを備えてなる脱硝装置へのアンモニア注入量補正装置。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を用いて以下、説明する。
図２は、脱硝反応器の概略図である。脱硝反応器１は、例えば被処理ガスＧの発生源であるボイラからの排ガス（被処理ガスＧ）を入口ダクト２から導入し、ＮＨ₃の注入によって脱硝処理してから出口ダクト３に排出し、さらに図示していない煙突により屋外に排出する。この際、被処理ガスＧ中のＮＯｘは入口ダクト２に設けられたＮＨ₃注入器４によって被処理ガスＧ中のＮＯｘ量に見合ったＮＨ₃がアンモニア流量計３８およびアンモニア流量調節弁１０を介して注入され、脱硝反応器１の内部に充填された図示していない脱硝触媒のはたらきによって無害な水蒸気と窒素ガスに分解、除去される。通常、脱硝反応器１の運用は被処理ガスＧの発生源、例えばボイラ等の負荷変化時においても脱硝反応器１の出口ＮＯｘ濃度が規定値以下になるように制御される。ここで被処理ガスＧ中の入口ＮＯｘ濃度は入口ＮＯｘ分析計１２で、出口ＮＯｘ濃度は出口ＮＯｘ分析計２２で計測される。
【００１７】
以下、本発明の実施形態である制御回路の全体構造を図１を用いて説明する。
図１は、上記脱硝反応器１に備えられた脱硝制御装置７の実施の形態を示す制御回路である。この脱硝制御装置７は、アンモニアの注入量を算出する注入量算出器９（従来回路）で使用している一部の信号を流用し、従来回路の代替回路として補正ＮＨ₃流量算出器５０（本発明回路）を設置したものである。
【００１８】
補正アンモニア流量算出器５０では、入口ＮＯｘ濃度信号１３と出口ＮＯｘ濃度信号２３の差分を減算器５７により求め、このＮＯｘ濃度差分信号を乗算器５８にて被処理ガス量２８と乗算する。これは脱硝装置１で還元処理されたＮＯｘ量に相当する。この処理ＮＯｘ量に必要モル比を乗算すればＮＯｘ還元反応に直接使用されたＮＨ₃量が得られる。これを信号５８ａで示す。
【００１９】
アンモニア流量計３８による実測ＮＨ₃流量信号３９と上記信号５８ａの差分を減算器５６で求め５６ａを得る。５６ａは脱硝装置に注入されたアンモニア量のうち、排ガスとの還元反応にはかかわらなかったアンモニア量に相当する。
このアンモニア量５６ａから、リークＮＨ₃流量検出器５９による脱硝装置からの流出アンモニア流量５９ａを減算器６０にて減算すると触媒に吸着されるＮＨ₃量、すなわちＮＨ₃吸着量補正バイアス信号６５を得る。この信号６５はＮＨ₃補正出力信号６６として図１の加算器５１に入力する。
【００２０】
一方、出口ＮＯｘ濃度設定値１５の出力信号１６と出口ＮＯｘ濃度分析計２２の出力信号２３との偏差信号６７を関数発生器５４に入力し、変化率制御器５５を経て出口ＮＯｘ偏差補正バイアス信号６４を得る。この信号６４は加算器６１、乗算器６２を経てＮＨ₃注入補正信号６６として加算器５１に加算される。
【００２１】
なお、出口ＮＯｘ偏差補正バイアス信号６４は、前記偏差信号６７の値がプラスの場合、すなわち信号２３が信号１６より大きい場合はプラスの出力、信号６７がマイナスの場合はマイナスとなる。すなわち出口ＮＯｘ濃度信号２３が設定値１６より大きい場合は信号６４はプラス、信号２３が信号１６より小さい場合は信号６４はマイナスとする。
また、この信号６４と前記したＮＨ₃吸着量補正バイアス信号６５を加算器６１にて加算し、この加算された補正信号６１ａをＮＨ₃注入補正信号６６として加算器５１に入力する。
【００２２】
なお、関数発生器５４は脱硝装置の構造、内蔵された脱硝触媒の構造、成分、性能、排ガス発生源の特性等により規定されるものであり、ボイラ等の試運転時に関数関係が調整される。変化率制御器５５は、前記した信号６４の変化率を制御するものであり、その目的は脱硝装置へのアンモニア注入量に極度の変化を与えることを抑制するものである。
【００２３】
また、出口ＮＯｘ濃度偏差信号６７は関数発生器５２に入力され信号５２ａを出力する。この信号５２ａは１次遅れ要素５３を介して信号６４に対して１次遅れ形式の出口ＮＯｘ偏差補正ゲイン信号６３として出力され、乗算器６２に入力される。
この結果、乗算器６２に入力される前記信号６５、または６５もしくは信号６４と６５を加算した信号に信号６３が乗算され、ゲイン倍された出力信号６６を得る。このゲイン値は０〜Ｘの範囲で調整される。
【００２４】
脱硝出口ＮＯｘ制御偏差からの必要ＮＨ₃補正ゲイン信号６３は、出口ＮＯｘ制御偏差に見合った値を関数発生器５２により可変出力する。例えば制御偏差（減算器２４出力）がプラス方向の場合は、ＮＨ₃補正流量をプラスゲイン倍とし加算器６１出力を増加させ、脱硝出口ＮＯｘ濃度のピークを抑える方向へと動作する。逆に、出口制御偏差（減算器２４出力）がマイナス側の場合は、関数発生器５２よりマイナスゲイン倍とし、脱硝出口ＮＯｘの沈み込みを防止する方向へ動作する。当然出口ＮＯｘ制御性向上のため関数発生器５２にはデットバンドを設けてあり、制御偏差０付近はＮＨ₃流量補正バイアスを変化させない工夫もしてある。
【００２５】
上記した実施の形態の動作により、脱硝装置出口ＮＯｘのピーク／ボトムを抑えることができるので、その結果、脱硝装置出口ＮＯｘ値を制御管理値範囲内に維持することが可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、触媒に吸着されるアンモニア量を考慮し、かつ装置出口のＮＯｘ濃度偏差を早急・適切に解消するためのアンモニア注入量補正手段を設けたので、
（１）脱硝装置出口ＮＯｘ濃度制御偏差の縮小、（２）リークＮＨ₃量の低減、（３）ＮＨ₃消費量の低減といった効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である脱硝装置へのアンモニア注入量制御方法の装置系統を示す図。
【図２】脱硝装置の概略図。
【図３】従来技術に係る脱硝装置へのアンモニア注入量制御方法の装置系統を示す図。
【符号の説明】
５…ＮＨ₃配管、８…従来脱硝制御装置、９…注入量算出器、１０…ＮＨ₃流量調整弁、１２…入口ＮＯｘ濃度分析計、１３…入口ＮＯｘ濃度信号、１５…出口ＮＯｘ濃度設定器、１６…設定ＮＯｘ濃度信号、１８…必要モル比演算部、１９…減算器、２０…必要モル比信号、２２…出口ＮＯｘ濃度分析計、２３…出口ＮＯｘ濃度信号、２４…減算器、２５…比例積分演算器、２６…加算器、２７…必要モル比信号（補正後）、２８…被処理ガス量、２９…被処理ガス流量信号、３０…総ＮＯｘ量信号、３１…乗算器、３２…乗算器、３３…必要ＮＨ₃流量信号、３８…必要ＮＨ₃流量計、３９…実測ＮＨ₃流量信号、４０…減算器、４１…ＮＨ₃流量偏差信号、４２…比例積分器、４３…弁開度信号、４４…電空変換器、４５…制御信号、５０…補正ＮＨ₃流量算出器、５１…加算器、５２…関数発生器、５３…１次遅れ、５４…関数発生器、５５…変化率制御器、５６…減算器、５７…減算器、５８…乗算器、５９…リークＮＨ₃流量検出器、６０…減算器、６１…加算器、６２…乗算器、６３…出口ＮＯｘ偏差補正ゲイン信号、６４…出口ＮＯｘ偏差補正バイアス信号、６５…ＮＨ₃吸着量補正バイアス信号、６６…ＮＨ₃注入補正信号、６７…脱硝出口ＮＯｘ制御偏差、６８…補正後必要ＮＨ₃流量信号。

Claims

装置入口からＮＯｘを含有する排ガスを導入するとともに該排ガス中にＮＨ₃を注入して装置内に設けた脱硝触媒層により前記ＮＯｘを接触還元したのち装置出口から排出する脱硝装置へ前記ＮＨ₃を注入するＮＨ₃注入量制御装置において、前記装置入口から導入した被処理排ガスのＮＯｘ量を求める手段と、入口ＮＯｘ濃度と出口ＮＯｘ濃度の設定値および測定値に基づきＮＯｘ量に対する必要ＮＨ₃モル比を算出する手段と、前記入口ＮＯｘ量と必要ＮＨ₃モル比から必要アンモニア流量を求める手段と、被処理ガス量と入口および出口ＮＯｘ濃度から脱硝反応に消費したＮＨ₃量を求める手段と、求めた消費ＮＨ₃量と装置からのリークＮＨ₃量とを注入ＮＨ₃量から減算して触媒残存ＮＨ₃吸着量補正バイアス信号を求める手段と、装置出口ＮＯｘ濃度の設定値と測定値の制御偏差量に応じ、かつその偏差がマイナス時はマイナス、プラス時はプラスの値として脱硝出口ＮＯｘ偏差補正バイアス信号を求める手段と、前記２つの補正バイアス信号を加算する手段と、装置出口ＮＯｘ濃度の設定値と測定値の偏差に基づき出口ＮＯｘ偏差補正ゲイン値を算出する手段と、前記加算した補正バイアス信号に上記出口ＮＯｘ偏差補正ゲイン値を乗算してＮＨ₃注入量補正信号を求める手段と、該ＮＨ₃注入量補正信号を前記必要ＮＨ₃流量に加算して補正後必要ＮＨ₃流量を算出する手段と、この補正後必要ＮＨ₃流量と実測ＮＨ₃流量との偏差に基づきＮＨ₃流量調節手段を操作する手段とを設けたことを特徴とする脱硝装置へのアンモニア注入量制御装置。
装置入口からＮＯｘを含有する排ガスを導入するとともに該排ガス中にＮＨ₃を注入して装置内に設けた触媒層によって前記ＮＯｘを還元したのち装置出口から排出する脱硝装置へのＮＨ₃注入量を制御するに際し、前記触媒層に吸着されるＮＨ₃量と出口ＮＯｘ濃度の設定値と測定値の偏差に基づき上記ＮＨ₃注入量を補正する装置であって、前記脱硝装置に導入される被処理ガス量と入口および出口ＮＯｘ濃度から脱硝反応に消費したＮＨ₃量を求める手段と、求めた消費ＮＨ₃量と装置からのリークＮＨ₃量を注入ＮＨ₃量から減算して触媒残存ＮＨ₃吸着量補正バイアス信号を求める手段と、装置出口のＮＯｘ濃度の設定値と測定値の偏差量に基づき、かつその偏差がマイナス時はマイナス、プラス時はプラスの値として脱硝出口ＮＯｘ偏差補正バイアス信号を算出する手段と、前記２つの補正バイアス信号を加算する手段と、装置出口ＮＯｘ濃度の設定値と測定値の偏差量に基づき出口ＮＯｘ偏差補正ゲイン値を算出する手段と、前記加算した補正バイアス信号にこの出口ＮＯｘ偏差補正ゲイン値を乗算してＮＨ₃注入量補正信号を求める手段と、該ＮＨ₃注入量補正信号を脱硝装置へのＮＨ₃注入量制御部に入力する手段とを備えてなる脱硝装置へのアンモニア注入量補正装置。