JP4732964B2 - 燃焼機器の脱硝装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば発電用の燃焼機器に適用され、アンモニアまたは尿素を還元剤として用いつつ、排ガス中の窒素酸化物の還元を図る脱硝装置に関するものである。

下記特許文献１に開示されるように、発電機の発電量に応じて定められる還元剤注入量を、排ガスの窒素酸化物濃度または排ガス流量にて補正するコジェネレーションシステムが提案されている。
特開２００５−１３３６２８号公報

燃焼機器（エンジン）の出力を変動させると、窒素酸化物の排出量が変動するため、これに応じて還元剤の注入量を迅速に変化させる必要がある。ところが、従来の構成では、エンジンの出力変動に対する還元剤の注入量制御に応答遅れが生じ、所望の脱硝率を確保できないおそれがあった。具体的には、エンジン出力を増加させると、静定時に要求される還元剤量よりも多い量が必要となり、過渡的に脱硝率が低下する。逆に、エンジン出力を減少させると、静定時に要求される還元剤量よりも少ない量しか必要でないため、過渡的に還元剤が多くなり、リークアンモニアの増加を招くおそれがあった。

本発明が解決しようとする課題は、燃焼機器（エンジン）の出力変化に対し、応答性よく還元剤量を制御し、脱硝率の安定とリークアンモニアの防止を図ることにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、燃焼機器からの排ガスに、窒素酸化物の還元剤を注入する還元剤注入器と、この還元剤注入器により還元剤が注入された排ガスが通され、その排ガス中の窒素酸化物の還元を図る脱硝触媒を有する脱硝反応器と、この脱硝反応器を通過した排ガス中の窒素酸化物濃度を検出するＮＯxセンサと、前記還元剤注入器による還元剤の注入量を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃焼機器の出力と前記還元剤注入器による還元剤の基本注入量とを対応させた関数マップを用いて、前記燃焼機器の出力に基づき、前記還元剤注入器による還元剤の基本注入量を求め、前記燃焼機器の出力の変化割合に基づき、前記基本注入量を補正し、この補正された基本注入量を、前記ＮＯｘセンサにより検出される窒素酸化物濃度により調整し、この調整量が所定の許容範囲を超えると、調整量が許容範囲内に収まるように、前記関数マップを修正することを特徴とする燃焼機器の脱硝装置である。

請求項１に記載の発明によれば、燃焼機器の運転状態を考慮することで、燃焼機器の出力変化に対し、応答性よく還元剤量を制御することができる。これにより、脱硝率を安定させることができ、またリークアンモニアが増加することもない。
また、請求項１に記載の発明によれば、ＮＯｘセンサにより窒素酸化物濃度を監視して、その窒素酸化物濃度に基づき還元剤注入量を補正することで、適正で安定した脱硝率を確保することができる。
さらに、燃焼機器の運転状態に対する還元剤注入量は、季節変動などにより変化するが、請求項１に記載の発明によれば、ＮＯｘセンサによる調整量が許容範囲内に収まるように関数マップを修正することで、一層安定した確実で適正な脱硝を図ることができる。

本発明にかかる燃焼機器の脱硝装置によれば、燃焼機器の運転状態の変化に対し、応答性よく還元剤量を制御し、脱硝率の安定とリークアンモニアの防止を図ることができる。

次に、本発明の実施の形態について説明する。
本実施形態の脱硝装置は、燃焼機器と、これから排出される排ガスに含まれる窒素酸化物を還元する還元剤の注入器と、この注入器により注入された還元剤を含む排ガスが通過し、この排ガス中の窒素酸化物を還元する脱硝触媒が装填された脱硝反応器と、前記燃焼機器の運転状態に基づき、前記還元剤注入器による還元剤の注入量を制御する制御手段とを有している。

前記燃焼機器は、通常のボイラや、発生させた蒸気によりタービンを回して発電する発電機に装備されるものに適用される。特に、季節変動により排出されるＮＯｘ濃度変化が比較的大きいエンジンを燃焼機器として有するもの、例えばガスタービンやディーゼルエンジンなどの燃焼機器に好適に適用される。

前記燃焼機器には、その排ガスを大気に放出するための配管が接続され、この配管の下流側に前記脱硝反応器が接続されるとともに、前記配管の途中に還元剤注入器が配置される。そして、前記燃焼機器から排出される排ガスに前記注入器から還元剤が注入され、この還元剤が前記脱硝反応器において排ガス中のＮＯｘと反応し、ＮＯｘが窒素と水に分解されて無害化される。前記還元剤としては、例えば尿素水、アンモニア、重炭酸アンモニウムなどが好適に用いられる。また、前記脱硝反応器に装填される脱硝触媒としては、例えばバナジウム、タングステン系のものが好適に用いられる。この脱硝触媒は、前記還元剤と排ガス中のＮＯｘとの反応を促進できる。

前記制御手段は、前記燃焼機器の運転状態に基づき、前記還元剤注入器による還元剤の注入量を制御する。例えば発電機に装備される燃焼機器の場合は、その発電機の発電量に応じて定められた注入量だけではなく、発電量の変化割合に基づいても還元剤の注入量を制御する。前記発電機で発生するＮＯｘ量は、発電機の発電量をパラメータとする所定の関数マップにより求められ、基本的には、この関数マップに基づき還元剤の基本注入量が決定される。また、発電機は、その出力変化によりＮＯｘの排出量が変動するが、この実施形態では、前記制御手段において発電機の出力変化の割合が演算され、この演算の結果得られた補正値により前記発電機の発電量に応じて予め定められた前記マップの基本注入量が補正され、この補正されたものをフィードフォワード値として、これに基づく注入量が排ガスに注入される。つまり、発電機の負荷(出力)が増大すると、静定時に要求される還元剤量より多い量が必要となり、一方、負荷が減少すると、静定時に要求される還元剤量より少ない量しか必要としない。そこで、前記発電機の負荷(出力)の変化に応じて、前記マップの基本注入量を補正し、この補正された最適な注入量を排ガスに注入することにより、安定した所定の脱硝率を確保し、かつ、リークアンモニアを防止する。

前記還元剤注入器としては、例えばストローク式のポンプが用いられ、このポンプの吐出側先端にノズルを取り付けて、このノズルから還元剤を前記排ガスに注入する。この還元剤の注入量の制御は、前記ポンプのストローク数を制御して行う。

また、本発明にかかる別の実施形態では、前記脱硝反応器の出口側に、これを通過した排ガス中の窒素酸化物を検出するＮＯｘセンサを設ける。また、この実施形態においては、前記制御手段に、ＮＯｘセンサにより検出される窒素酸化物の濃度に基づいて粗補正係数を求め、この粗補正係数をフィードバック値として前記基本注入量つまりフィードフォワード値に乗算して、前記注入器による還元剤の注入量をさらに調整する機能を付加させる。つまり、前記発電機に吸入される空気の温,湿度が変化すると、発電機で発生するＮＯｘ量も変化する。このため、本実施形態では、前記ＮＯｘセンサで前記脱硝反応器から排出される実際のＮＯｘ量を検出し、その量の変化に対応した粗補正係数を求め、この粗補正係数に基づき前記マップの基本注入量を調整する。そして、後述の前記ＮＯｘセンサによるフィードバック制御を開始するまでは、前記粗補正係数で調整された注入量の還元剤を注入する。

また、別の実施形態では、前記制御手段に、前記ＮＯｘセンサに基づいて調整された調整量が所定の許容範囲を超えると、調整量が許容範囲内に収まるように、前記粗補正係数を修正する機能をさらに付加させる。つまり、前記粗補正係数を調整して還元剤の注入量制御を行っているとき、その調整量が所定の許容値を超えると、前記ＮＯｘセンサからのフィードバック信号で前記関数マップを増方向に、また、許容値以下になると関数マップを減方向に修正して、さらに安定した脱硝率を確保し、かつ、リークアンモニアを確実に防止する。

以下、本発明にかかる脱硝装置の具体例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる脱硝装置の制御回路図である。この図の実施例では、ＮＯｘの排出源となる燃焼機器を備えた発電機１と、この発電機１から延びる配管２に接続され、内部に例えばバナジウム系の脱硝触媒が装填された脱硝反応器３と、配管２における発電機１の下流側に配置され、配管２内を通る排ガスに、これに含まれるＮＯｘを還元する例えば尿素水(還元剤)を注入する噴霧ノズル４１を備えたポンプからなる還元剤注入器４と、発電機１の発電量とその変化の割合とに基づき、還元剤注入器４による還元剤の注入量を制御する制御手段５とを備えている。

この図の実施形態において、制御手段５には、発電機１の出力部１０からの信号を微分(ｄｐ／ｄｔ)して、このｄｐ／ｄｔ値が規定値以上か以下かを判定して、その判定に基づき補正値Ｋ0を演算計出して出力する出力変化検出回路５１と、その補正値Ｋ0を発電機１の発電量に応じて予め定められた関数マップＭの基本注入量に加減算して補正する補正加算回路５２が接続されている。

図２はさらに別の実施例にかかる脱硝装置の制御回路図である。この図の実施例では、配管２における脱硝反応器３の出口側に、この反応器３を通過した排ガス中に含まれるＮＯｘを検出するＮＯｘセンサ６を設けている。そして、制御手段５に、ＮＯｘセンサ６により検出されるＮＯｘの濃度変化に基づき粗補正係数Ｋ1を演算して実際のＮＯｘ濃度に対応した注入量を計出する粗補正演算回路７を接続する。

また、制御手段５には、ＮＯｘセンサ６で検出されるＮＯｘ値をフィードバックして、粗補正演算回路７による注入量が許容範囲をこえたとき、注入量が許容範囲内に収まるように、粗補正係数Ｋ1を修正して新たな補正係数Ｋ2を演算して計出する修正演算回路８を接続し、この修正演算回路８で計出される新たな補正係数Ｋ2に基づく制御手段５からの出力によりＰＩＤ制御運転を行う。

以上の構成とした脱硝装置による脱硝作用を図３に示すフローチャート図に基づいて説明する。発電機１による発電時に基本的には、ステップＳＴ１において、横軸に発電機１の発電量を縦軸に還元剤の注入量ｘをとった関数マップＭを用い、この関数マップＭに基づき注入器として用いたストローク式ポンプが回転制御され、その回転制御によりノズル４１からの還元剤の注入量が可変制御される(ステップＳＴ５)。ポンプの回転制御は、４〜２０ｍＡの電流値に変換された電気信号によりストローク数を比例制御して行う。また、ポンプは、オートＡとマニュアルＭに切換可能とされており、例えば設定変更時や試験点検時などにはマニュアル運転が、通常時にはオート運転が行われる。

また、発電時には、ステップＳＴ２において、発電機１の出力変化の割合(ｄｐ／ｄｔ)が検知され、その変化に基づき制御手段５で補正値Ｋ0が演算計出されて、この補正値Ｋ0により関数マップＭの注入量ｘが補正され、この補正値Ｋ0をフィードフォワード値として、これに基づく注入量（＝ｘ+Ｋ0）がノズル４１から注入される。

さらに、ステップＳＴ３において、粗補正演算回路７でＮＯｘセンサ６により検出されるＮＯｘ濃度に基づき粗補正係数Ｋ1が計出される。そして、制御手段５において粗補正係数Ｋ1が補正値Ｋ0による補正注入量（＝ｘ+Ｋ0）に乗算され、この乗算された注入量（＝（ｘ+Ｋ0）×Ｋ1）が注入される。

ステップＳＴ３での注入量制御は、発電機の負荷が一定以上になって負荷が安定するまで行われる。この後、ステップＳＴ４において、前記補正注入量（＝（ｘ十Ｋ0）×Ｋ１）に微調整演算回路８により計出される微調整係数K2が乗算されて、微調整係数K2に基づく制御手段５からの出力により注入制御が行われる。

従来から、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせた制御が知られているが、関数マップＭのような固定値によるフィードフォワード制御では、発電機の負荷変動に対応できるものの、季節や天候などの環境変化に対応できない。フィードバック制御では、環境変化に対応できるが、発電機の起動時から発電機の負荷変動がない一定以上の負荷になるまでの間は、適正なフィードバック値が得られなかった。すなわち、還元剤を注入してから還元剤によるＮＯｘの低減効果がＮＯｘセンサ６により検出されるまでに遅れ（応答遅れ）が生じるので、この応答遅れの間は、適正なフィードバック値が得られない。そこで、この実施例では、微調整係数Ｋ２（フィードバック値）が許容範囲から外れると、微調整係数Ｋ２を許容範囲内に収めるように粗補正係数Ｋ１を調整することで、前記応答遅れの間の粗補正係数Ｋ１を適正な値とし、前記応答遅れの間の環境変化に対応できる制御を実現させている。

図４はＮＯｘセンサ６による微調整係数Ｋ２により粗補正係数Ｋ１を調整するときの説明図である。この図では、微調整係数Ｋ２の上限を２．０、下限を０．０、基準規定値を１．０としたとき、微調整係数Ｋ２が０，９５よりも小さい領域では、関数マップＭを減方向に補正するように粗補正係数Ｋ１を調整し、また、微調整係数Ｋ２が１，０５より大きい領域では、関数マップＭを増方向に補正するように粗補正係数Ｋ１を調整する。すなわち、微調整係数Ｋ２が０．９５から１，０５の許容範囲内に収まるように粗補正係数Ｋ１の調整が行われる。ここで粗補正係数Ｋ１は、０．０から２，０の範囲の値であり、粗補正係数Ｋ１の調整に際しては、例えば０．００２／分の割合で行う。

図５は修正演算回路８により注入量制御を行うときの説明図である。ＮＯｘセンサ６による検出値が修正演算回路8に入力され、ここで計出された微調整係数Ｋ２が制御手段５に入力されて、この微調整係数Ｋ２に基づく注入量がノズル４１から排ガスに注入される。そして、注入開始から脱硝反応器３での脱硝反応が安定するＸ分間を経過するまでは基準規定値１．０に相当する値が出力され、Ｘ分を経過した後には修正演算回路８による微調整係数Ｋ2に基づく還元剤の注入が行われる。このとき、発電機１による発電負荷が規定値以上に変動したとき、または、保守点検を行っているような場合などＮＯｘセンサ６による検出値がフィードバック制御を行うのに不適切となるときには、その直前のＮＯｘ値に基づく補正係数Ｋ２がホールド回路９により保持されて、このホールド回路９に保持された値に基づき注入量の制御が行われる。

本発明にかかる脱硝装置の一つの実施例を示す制御回路図である。 本発明の別の実施例を示す制御回路図である。 本発明の脱硝装置による脱硝作用を説明するフローチャート図である。 ＮＯｘセンサからのフィードバック値に基づき粗補正係数を調整するときの説明図である。 修正演算回路により注入量制御を行うときの説明図である。

符号の説明

３ 脱硝反応器
４ 還元剤注入器
５ 制御手段
６ ＮＯｘセンサ
Ｋ１ 粗補正係数

Claims (1)

1. 燃焼機器からの排ガスに、窒素酸化物の還元剤を注入する還元剤注入器と、
   この還元剤注入器により還元剤が注入された排ガスが通され、その排ガス中の窒素酸化物の還元を図る脱硝触媒を有する脱硝反応器と、
   この脱硝反応器を通過した排ガス中の窒素酸化物濃度を検出するＮＯxセンサと、
   前記還元剤注入器による還元剤の注入量を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記燃焼機器の出力と前記還元剤注入器による還元剤の基本注入量とを対応させた関数マップを用いて、前記燃焼機器の出力に基づき、前記還元剤注入器による還元剤の基本注入量を求め、
   前記燃焼機器の出力の変化割合に基づき、前記基本注入量を補正し、
   この補正された基本注入量を、前記ＮＯｘセンサにより検出される窒素酸化物濃度により調整し、
   この調整量が所定の許容範囲を超えると、調整量が許容範囲内に収まるように、前記関数マップを修正する
   ことを特徴とする燃焼機器の脱硝装置。

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