JP3611026B2 - 排煙処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はボイラの排煙処理装置に係り、特に燃料に硫黄分を多く含む油焚きボイラの運転状況が変化した場合に排出される三酸化硫黄を中和して電気集塵装置で除塵する排煙処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油焚きボイラ用の排煙処理装置は電気集塵装置を備えており、この電気集塵装置によって油焚きボイラから排出された排ガスに対して除塵している。以前の排煙処理装置は、排ガスやダストに含まれる水分や三酸化硫黄（ＳＯ３ ）のために排ガスの露点が高く、機器腐食や灰詰まりを起こしたり、酸性の強いスマットを生成するという問題があった。さらに、排ガス中のダストが非常に細かく電気固有抵抗率が低いため、電気集塵装置の電極板に捕集したダストが再飛散し易いという問題もあった。
【０００３】
そこで、電気集塵装置の入口側にアンモニアガスを注入してＳＯ３ を中和することによって上記問題点の解決を図ってきた。前記アンモニアの注入量は、ボイラでのＳＯ３ の生成量に応じて行われることが好ましいが、ＳＯ３ の生成量を求めるのに必要な排ガス中のＳＯ３ 濃度は、現状の測定手段では連続して測定することができない。そこで、燃料消費量からＳＯ３ 濃度を想定し、このＳＯ３ 濃度によりアンモニア注入量を燃料消費量に対して比例注入制御していた。そして、ＳＯ３ 濃度の変化に対しては、比率設定器を用いて燃料に含まれる硫黄分の大小によって注入比率を設定変更することによって対応していた。硫黄分の少ない燃料が燃焼する場合には排ガス温度のばらつきが少ないとともに、様々な負荷に於ける排ガス中のＳＯ３ 濃度も再現性がよいため高精度で排ガス中のＳＯ３ 濃度を予想することが可能であった。したがって、前記のように予想したＳＯ３ 濃度に応じてアンモニアを排ガス中に注入していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高硫黄濃度の燃料を使用すると、燃料消費量と排ガス中に含まれる三酸化硫黄濃度とは必ずしも比例関係になく、ボイラの運転状況によってばらつきも大きい。特に最近のボイラ設備では運転コストの低減のために高硫黄油を燃料として使用することが多く、排ガス中の三酸化硫黄濃度の変化だけでなく、排ガス温度の変化も大きい。この結果、電気集塵装置に取り込まれる排ガスに従来の制御方法でアンモニアガスを注入すると、注入量が過不足するという問題が発生する。例えば、排ガスの温度が高い場合には、アンモニアの注入量が不足し、硫黄等酸化物の一部が未反応のまま電気集塵装置内に供給されて酸性硫安が発生して機器腐食を生じ、電気集塵機にも損傷が発生して電気集塵機の寿命が短くなる。これを防ぐにはアンモニアを予め過剰に注入すればよいが、何の目安もなくアンモニアの注入量を増加すればランニングコストのアップにつながる。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、硫黄分を多く含む燃料を燃焼させてボイラの運転状況が変化した際においても適切な量のアンモニアを注入することができる排煙処理装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、ボイラから排出される排ガス中の三酸化硫黄に対し電気集塵装置を保護するためにアンモニアを注入して中和処理した後に、電気集塵装置によってダストを除去する排煙処理装置において、ボイラに供給している燃料消費量を測定する燃料消費量測定手段と、前記測定した燃料消費量と前記燃料に含まれるイオウ分とに基づいて前記ボイラから排出される三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、前記基本アンモニア注入量を時間微分した信号をボイラから排出される三酸化硫黄の濃度レベルで補正する動的解析手段と、前記動的解析手段により求めた値を前記基本アンモニア注入量に加算して動的補正した基本・動的アンモニア注入量を算出する手段と、前記基本・動的アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
また、前記目的を達成するために請求項２に記載の発明は、ボイラに供給している燃料消費量を測定する燃料消費量測定手段と、測定した燃料消費量と燃料に含まれるイオウ分とに基づいて前記ボイラから排出される三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、基本アンモニア注入量を時間微分した信号をボイラから排出される三酸化硫黄の濃度レベルで補正する動的解析手段と、基本・過剰アンモニア注入量を算出するために排ガスの温度を測定する過剰用の温度測定手段と、基本・過剰アンモニア注入量を算出するために測定した排ガス温度に基づいて、ボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要な過剰アンモニア分としての必要アンモニア過剰量を算出する手段と、基本アンモニア注入量に算出した必要アンモニア過剰量を加算して基本・過剰アンモニア注入量を算出する手段と、動的解析手段により求めた値を基本・過剰アンモニア注入量に加算して動的補正した基本・過剰・動的アンモニア注入量を算出する手段と、基本・過剰・動的アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
また、前記目的を達成するために請求項３に記載の発明は、推定三酸化硫黄濃度を算出するために電気集塵装置から排出される排ガス中に残留する残留アンモニア濃度を測定する推定用の濃度測定手段と、ボイラから排出される排ガスに注入された注入アンモニアが推定用の濃度測定手段で測定されるまでの時間遅れの要素を加味して算出した注入アンモニア濃度から推定用の濃度測定手段によって測定された残留アンモニア濃度を減算して推定三酸化硫黄濃度を算出する推定三酸化硫黄濃度算出手段と、算出した推定三酸化硫黄濃度と、ボイラに供給している燃料消費量から換算した排ガス流量若しくはボイラから排出された排ガス流量とに応じてボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、基本アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
また、前記目的を達成するために請求項４に記載の発明は、推定三酸化硫黄濃度を算出するために電気集塵装置から排出される排ガス中に残留する残留アンモニア濃度を測定する推定用の濃度測定手段と、ボイラから排出される排ガスに注入された注入アンモニアが推定用の濃度測定手段で測定されるまでの時間遅れの要素を加味して算出した注入アンモニア濃度から、推定用の濃度測定手段によって測定された残留アンモニア濃度を減算し、推定三酸化硫黄濃度を算出する推定三酸化硫黄濃度算出手段と、算出した推定三酸化硫黄濃度と、ボイラに供給している燃料消費量から換算した排ガス流量若しくはボイラから排出された排ガス流量とに応じてボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、基本・過剰アンモニア注入量を算出するために排ガスの温度を測定する過剰用の温度測定手段と、基本・過剰アンモニア注入量を算出するために測定した排ガス温度に基づいて、ボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要な過剰アンモニア分としての必要アンモニア過剰量を算出する手段と、基本アンモニア注入量に算出した必要アンモニア過剰量を加算して基本・過剰アンモニア注入量を算出する手段と、基本・過剰アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、基本アンモニア注入量に対して時間微分を行った信号に基づいて動的補正した注入アンモニアの注入量を制御するようにしたので、ボイラの運転状況や燃焼状況が急に変動した場合であっても適切な量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００１１】
また、他の発明の形態によれば、排ガスに注入された注入アンモニアが濃度測定手段で測定されるまでの時間遅れの要素を加味した注入アンモニア濃度から残留アンモニア濃度を減算して推定三酸化硫黄濃度を算出するとともに基本アンモニア注入量を算出して注入アンモニアの注入量を制御しているので、ボイラの運転状況や燃焼状況が変動した場合であっても適切な量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００１２】
また、他の発明の形態によれば、電気集塵装置から排出される排ガスに残留する残留アンモニア濃度と前記排ガスの温度とに基づいてボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要なアンモニア量補正値を算出し、基本アンモニア注入量と加算することによって注入アンモニアの注入量を制御するようにしたので、硫黄分を多く含む燃料を燃焼させるとともにボイラの運転状況や燃焼状況が変動した場合であっても常に適切な量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って、本発明に係る排煙処理装置の好ましい実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態の排煙処理装置１０の概略構造を示す構成図である。
【００１５】
同図に示すように、排煙処理装置１０は主として、油焚きボイラ１２、空気予熱器１４、電気集塵装置１６、煙突１８から構成され、ボイラ１２から排出された排ガスが、空気予熱器１４を経た後、電気集塵装置１６で脱塵され、煙突１８から大気に放出されるようになっている。
【００１６】
ボイラ１２では、該ボイラ１２で消費された燃料消費量と、ボイラ１２から排出される排ガス流量とを測定できるようになっており、燃料消費量信号３１と排ガス流量信号３２を形成して、後述する制御手段２６に送信する。
【００１７】
電気集塵装置１６の入口側には、温度測定手段２０（過剰用及び補正用の温度測定手段）が配設され、この温度測定手段２０によって電気集塵装置１６に供給される排ガスの温度が測定される。温度測定手段２０は制御手段２６に接続されており、制御手段２６に排ガス温度信号３３を送信する。
【００１８】
また、電気集塵装置１６の入口側には注入手段２２が設けられ、この注入手段２２によってアンモニアガスが注入される。これにより、排ガスに含まれる三酸化硫黄ＳＯ３ はアンモニアガスによって中和されて硫酸アンモニウムを生成し、この硫酸アンモニウムは電気集塵装置１６によって捕集される。
【００１９】
電気集塵装置１６の出口側にはアンモニアの濃度測定手段２４（推定用及び補正用の濃度測定手段）が設けられ、この濃度測定手段２４によって電気集塵装置１６から排出された未反応の残留アンモニアの濃度が測定される。濃度測定手段２４で得られた残留アンモニア濃度信号３４は、制御手段２６に送信される。
【００２０】
制御手段２６は、アンモニア注入量信号３５（注入アンモニアの注入量）の他に、燃料消費量信号３１、排ガス流量信号３２、排ガス温度信号３３、残留アンモニア濃度信号３４等を取り込んでアンモニアの適切な注入量を算出するとともに、アンモニア注入量制御信号３６を生成してこれを注入手段２２に出力するようになっている。
【００２１】
注入手段２２には図示しない信号変換器とガス流量調節弁が設けられており、受信したアンモニア注入量制御信号３６は該信号変換器で空気信号に変換され、この空気信号がアンモニアガス流量調節弁の開度調整を行ない、アンモニアの注入量が調節される。
【００２２】
また、実際に注入されたアンモニアガスの流量は、図示しない測定手段により測定され、該測定されたアンモニア注入量信号３５は制御手段２６に伝達されている。
【００２３】
一般に三酸化硫黄に対するアンモニアの反応は、ＳＯ３ ＋２ＮＨ３ ＋Ｈ２ Ｏ→（ＮＨ４ ）２ ＳＯ４ で表され、アンモニアの適切な注入量は、次式で求められる。
【００２４】
【数１】
アンモニアの注入量（ｋｇ／ｈ）＝〔２モル×ＳＯ３ 濃度（ｐｐｍ） ＋必要アンモニア過剰濃度（ｐｐｍ） 〕×排ガス流量（ｍ３Ｎ／ｈ ｄｒｙ） ×アンモニア分子量（＝１７）／１モルの標準体積（＝２２．４）×１０−６ …式（１）
ここで、前記必要アンモニア過剰濃度は、生成された硫安を再分解させないために必要であるとともに、排ガス煙道断面でのＳＯ３ 分布のばらつきや、滞留反応時間の影響等に対応するために必要である。即ち、アンモニア注入量は、ＳＯ３ を中和するのに最低限必要な基本アンモニア注入量と、中和反応を安定して行うために必要な必要アンモニア過剰量及び種々のアンモニア量補正値とを加算することによって求められる。
【００２５】
必要アンモニア過剰濃度は、一般的には、Ｎｅｒｎｓｔ近似式による平衡線図と排ガス流量とにより、排ガス温度に対して必要なアンモニアの過剰量が得られるが、実際にはこの値では不足することがある。一方、現状技術では、ＳＯ３ 濃度を連続して測定する測定計が存在しないので、制御手段２６は燃料消費量信号３１と排ガス温度信号３３と残留アンモニア濃度信号３４とアンモニア注入量信号３５とからＳＯ３ 量を想定して算出し、この推定ＳＯ３ 量に応じて基本アンモニア注入量を算出するとともにアンモニア量補正信号を算出し、アンモニア注入量を増減する制御を実施する。
【００２６】
図２に、本発明に係る排煙処理装置の制御回路の実施の形態を示す。
【００２７】
同図によれば制御手段２６の基本アンモニア注入量算出系は、硫黄分を含む燃料消費量信号３１と燃料に含まれる硫黄濃度とに基づいてＳＯ３ 量を推定して算出して該ＳＯ３ を中和するのに必要な基本アンモニア注入量を算出するＦＦＸ演算器５１が設けられている。
【００２８】
また、制御手段２６の必要アンモニア過剰量算出系には、排ガス温度信号３３から必要アンモニア過剰濃度及び必要アンモニア過剰量を算出するＧＸ演算器５２（Ｎｅｒｎｓｔの補正カーブ等を用いた演算手段）と、ＧＸ演算器５２で算出した必要アンモニア過剰量と前記ＦＦＸ演算器５１で算出した基本アンモニア注入量とを加算して基本・過剰アンモニア注入量を算出するＦＧ加算器５４とが設けられている。
【００２９】
また、制御手段２６の動的解析系（動的解析手段）には、基本アンモニア注入量に対して時間微分を行い、各々異なる微分結果を出力する微分手段９５、９６と、前記微分手段９５、９６によって算出した微分結果を切り替えてＬＸ演算器１００に出力するスイッチ９７と、前記基本・過剰アンモニア注入量に動的解析系から出力される信号を加算して、基本・過剰・動的アンモニア注入量（アンモニア注入量制御信号３６）を算出するＭＸ演算器１０２とが設けられている。
【００３０】
以下に、図２に示した制御手段２６の処理動作について説明する。
【００３１】
制御手段２６の基本アンモニア注入量算出系では、硫黄分を含む燃料消費量信号３１がＦＦＸ演算器５１にて演算され、例えば必要に応じて図３に示すような燃料消費量と必要アンモニア量との関係を持つ関数を用いて演算し、燃料消費量から求めた基本アンモニア注入量を算出して出力する。
【００３２】
制御手段２６の必要アンモニア過剰量算出系では、排ガス温度信号３３をＧＸ演算器５２にて演算する。ここでは例えば図４に示すような排ガス温度と必要アンモニア過剰濃度との関係を持つ関数を用いて演算し、必要アンモニア過剰濃度及び必要アンモニア過剰量を算出して出力する。
【００３３】
ＦＧ加算器５４では、ＧＸ演算器５２で算出した必要アンモニア過剰量と前記ＦＦＸ演算器５１で算出した基本アンモニア注入量とを加算して基本・過剰アンモニア注入量を算出する。
【００３４】
制御手段２６の動的解析系の微分手段９５、９６では、前記基本アンモニア注入量に対して時間微分を行い各々の制御に適した異なる微分結果を出力する。スイッチ９７は、例えばボイラ１２の負荷が軽負荷の場合には微分手段９５の演算結果をＬＸ演算器１００に出力して例えば１０％の補正量を算出し、ボイラ１２の負荷が重負荷の場合には微分手段９６の演算結果をＬＸ演算器１００に出力して例えば３０％の補正量を算出してＭＸ演算器１０２に出力するなど、ボイラ１２の負荷に応じて信号の経路を切り替える。
【００３５】
ＬＸ演算器１００は、微分手段９５、９６によって求められた値と定数（１０％、３０％等）とを乗算して基本アンモニア注入量を補正する値を算出する働きをしている。ＭＸ演算器１０２では、ＬＸ演算器１００の演算結果と基本・過剰アンモニア注入量とを加算して基本・過剰・動的アンモニア注入量を算出する。この動的解析系の出力に基づいてアンモニア注入量制御信号３６を制御するようにしているので、ボイラ１２の負荷が急変した場合や燃焼状況の変化により排ガス温度信号３３が急変した場合においても適切な量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００３６】
また、ボイラ１２から排出される排ガス温度に対してＳＯ３ 濃度が安定している場合には、上述したように必要アンモニア過剰量算出系を設けずに基本アンモニア注入量を直接ＭＸ演算器１０２に入力して、基本・動的アンモニア注入量を算出するようにしてもよい。
【００３７】
図５に、本発明に係る排煙処理装置の制御回路の他の実施の形態を示す。
【００３８】
同図によれば制御手段２６の必要アンモニア過剰量算出系は、硫黄分を含む燃料消費量信号３１に基づいて排ガス流量３２Ａを算出するＦＸ演算器５０と、該算出した排ガス流量３２Ａと排ガス温度信号３３とから必要アンモニア過剰量を算出するＦＧＸ演算器５３（Ｎｅｒｎｓｔの補正カーブ等を用いた演算手段）と、ＦＧＸ演算器５３で算出した必要アンモニア過剰量と後述する推定ＳＯ３ 濃度算出系（推定三酸化硫黄濃度算出手段）のＪＸ演算器９４から得られる基本アンモニア注入量とを加算して基本・過剰アンモニア注入量を出力するＦＧ加算器５４とから構成されている。
【００３９】
ボイラ１２から発生する硫黄酸化物を中和するのに必要とされる基本アンモニア注入量を推定ＳＯ３ 濃度から算出する推定ＳＯ３ 濃度算出系には、注入アンモニアの注入量を計測して得たアンモニア注入量信号３５に対して、１次遅れ等の時間遅れ要素を加味してｎ分前のアンモニア濃度（ｎ分はダクト及び電気集塵装置１６の規模や燃焼状態によって決まる遅れ時間）を算出して出力するＨＸ演算器９０が設けられている。
【００４０】
このＨＸ演算器９０で演算する時間遅れ要素は、図１に示す注入手段２２で注入したアンモニアが、電気集塵装置１６を通って濃度測定手段２４で測定されるまでにかかる時間に関する要素であるので、ＦＸ演算器５０から出力される排ガス流量を入力してこの排ガス流量に応じて時間遅れの演算を行ってもよい。またＨＸ演算器９０に、前記ｎ分間の遅れ時間分と後段の演算時刻との調節を行うために、ｎ分程度のデータを記憶する記憶手段を設けてもよいし、ｎ分程度の時定数を備えた１次遅れの演算要素を設けてもよい。
【００４１】
また、推定ＳＯ３ 濃度算出系には、前記ＨＸ演算器９０から出力されたｎ分前のアンモニア濃度から、測定して得た残留アンモニア濃度信号３４を減算して、排ガス中に含まれ反応したと推定される推定ＳＯ３ 濃度を算出するＩＸ演算器９２（ＳＯ３ 推定アルゴリズムによる演算回路）とが設けられている。
【００４２】
なお推定ＳＯ３ 濃度算出系の後段には、前記算出した推定ＳＯ３ 濃度と排ガス流量３２Ａとからｎ分前の過去のＳＯ３ 量を算出するとともに、基本アンモニア注入量を算出するＪＸ演算器９４が設けられている。
【００４３】
制御手段２６の動的解析系（動的解析手段）には、基本アンモニア注入量に対して時間微分を行い微分結果を出力する微分手段９５、９６と、ボイラ１２の負荷に応じて信号の経路を切り替えるスイッチ９７と、微分手段９５、９６によって求められた値と定数とを乗算して基本アンモニア注入量を補正する値を算出するＬＸ演算器１００と、ＬＸ演算器１００の演算結果と基本・過剰アンモニア注入量とを加算して基本・過剰・動的アンモニア注入量を算出するＭＸ演算器１０２とが設けられている。
【００４４】
なお、アドバンスドアンモニア制御系１０４では、温度測定手段２０で測定した排ガス温度信号３３と残留アンモニア濃度信号３４とに応じてアンモニア量補正値を出力している。なお、該アンモニア量補正値と前記基本・過剰・動的アンモニア注入量とをＭＶ加算機７８で加算し、アンモニア注入量制御信号３６（注入アンモニアの注入量を制御する信号）を出力して注入手段２２に伝達している。
【００４５】
以下に、図５に示した制御手段２６の処理動作について説明する。
【００４６】
硫黄分を含む燃料消費量信号３１は、制御手段２６のＦＸ演算器５０にて演算されて排ガス流量３２Ａが算出される。
【００４７】
排ガス温度信号３３は制御手段２６のＦＧＸ演算器５３にて演算されて必要アンモニア過剰濃度が算出される。更にＦＧＸ演算器５３では、該算出した必要アンモニア過剰濃度と前記排ガス流量３２Ａとから、必要アンモニア過剰量を算出して出力する。
【００４８】
推定ＳＯ３ 濃度算出系のＨＸ演算器９０では、アンモニア注入量信号３５と排ガス流量３２Ａとからｎ分前の電気集塵装置入り口のアンモニア注入濃度を、時間遅れの要素を加味して算出している。該算出したアンモニア注入濃度と残留アンモニア濃度信号３４とから反応したと想定される推定ＳＯ３ 濃度をＩＸ演算器９２で算出し、次のＪＸ演算器９４では、この推定ＳＯ３ 濃度と排ガス流量３２Ａとから基本アンモニア注入量を算出している。なお、ＩＸ演算器９２にて算出する推定ＳＯ３ 濃度は、以下の式で算出される。
【００４９】
【数２】
推定ＳＯ３ 濃度＝（注入アンモニア濃度−残留アンモニア濃度）／２モル…式（２）
基本アンモニア注入量は、上記式（２）によって求めた推定ＳＯ３ 濃度と排ガス流量３２Ａとに基づいて比例制御される。上記の推定ＳＯ３ 濃度を算出する式（２）では、アンモニア濃度の減少分が全てＳＯ３ の中和に用いられたと仮定してＳＯ３ 濃度を換算している。したがって、推定ＳＯ３ 濃度は、実測のＳＯ３ 濃度よりも若干高く算出される。これにより、推定ＳＯ３ 濃度に応じてアンモニアを注入すると、アンモニアが若干多めに注入されるので、アンモニア注入不足状態の発生を確実に防止することが可能となる。
【００５０】
前記推定ＳＯ３ 濃度算出系から出力される基本アンモニア注入量と、前記ＦＧＸ演算器５３から出力される必要アンモニア過剰量とをＦＧ加算器５４にて加算する。
【００５１】
また、動的解析系では前述のとおり微分結果を算出するとともに微分ゲインを乗算して動的補正量を算出する。該算出した動的補正量と基本・過剰アンモニア注入量とはＭＸ演算器１０２にて加算されて基本・過剰・動的アンモニア注入量が出力される。
【００５２】
ＭＶ加算器７８では、アドバンスドアンモニア制御系１０４から出力されるアドバンスドアンモニア制御量と基本・過剰・動的アンモニア注入量とを加算して出力する。なお、本発明では、基本・過剰・動的アンモニア注入量とアドバンスドアンモニア制御量とを加算してアンモニア注入量を制御する制御方法を、アドバンスドアンモニア注入制御と呼ぶ。
【００５３】
なお、前記ＭＶ加算器７８では前記加算結果とアンモニア注入量信号３５との差を求めるとともに比例積分演算を行い、アンモニア注入量制御信号３６を出力するようにしてもよい。
【００５４】
上述のように、推定ＳＯ３ 濃度算出系にて基本アンモニア注入量を算出し、動的解析系にて基本・過剰アンモニア注入量を補正してアンモニア注入量を制御するようにしたので、硫黄分が多く含まれる（例として１％以上）燃料を燃焼させた場合であってもボイラの負荷の変化に応じてアンモニア注入量の増減の割合に対する補正を適切に行うことが可能となる。例えば、ボイラ１２の急激な負荷増大時にはアンモニア注入量が加算され、ボイラ１２の急激な負荷減少時にはアンモニア注入量が減少するので、ＳＯ３ 濃度が燃焼の状態により変化した場合であっても適量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００５５】
図６に、本発明に係る排煙処理装置のアドバンスドアンモニア注入制御系の制御回路の実施の形態を示す。
【００５６】
同図によればアドバンスドアンモニア注入制御系１０４では、排ガス温度信号３３と残留アンモニア濃度信号３４とからアドバンスドアンモニア修正信号３７を算出して出力している。該算出したアドバンスドアンモニア修正信号３７は前記基本・過剰・動的アンモニア注入量に加算され、アンモニア注入量を補正する。
【００５７】
アドバンスドアンモニア制御系１０４には、排ガス温度信号３３を演算して必要なアンモニア過剰濃度を算出するＧＸ演算器５２と、残留アンモニア濃度信号３４に対して一時遅れ等の時間遅れ要素を加味した演算を実施するＦｔ演算器６０と、該Ｆｔ演算器６０から出力される演算値と前記ＧＸ演算器５２から出力される値との差を演算して差分値である「ΔＥ」値を算出するΔＥ演算器６２（差分値算出手段）とが含まれている。
【００５８】
また、制御手段２６のアドバンスドアンモニア制御系１０４には、前記「ΔＥ」値に対して不感帯演算を実施して「ΔＨＥ」値を出力する不感帯演算器６４（不感帯演手段）と、前記「ΔＨＥ」値に対して比例制御又は比例微分制御を行い「ΔＰＤ」値を出力する比例微分コントローラ６６（比例演算手段）と、前記比例微分コントローラ６６から出力される「ΔＰＤ」値に上限及び下限の少なくとも何れか一方の制限値を設定してアドバンスドアンモニア修正信号３７（「ＭＶ」値）を出力する上下限リミット６８（リミット演算手段）とが設けられている。
【００５９】
また制御手段２６には、前記基本アンモニア注入量と前記アドバンスドアンモニア修正信号３７とを加算してアンモニア注入量制御信号３６（ＳＶ）を出力するＭＶ加算器７８が設けられている。なおＭＶ加算器７８には、前記アンモニア注入量信号３５を減算して比例積分演算を行い、アンモニア注入量制御信号３６を出力する比例積分コントローラ８０が含まれていてもよい。
【００６０】
以下に、図６に示したアドバンスドアンモニア制御系１０４の処理動作について説明する。
【００６１】
排ガス温度信号３３は、アドバンスドアンモニア制御系１０４のＧＸ演算器５２にて演算され、例えば図４に示すような排ガス温度と必要アンモニア過剰濃度との関係を持つ関数を用いて演算し、必要アンモニア過剰濃度を算出して出力する。
【００６２】
Ｆｔ演算器６０では、残留アンモニア濃度信号３４に対して一次遅れ等の演算を実施して、制御対象の過渡特性を加味した演算値に変換する。このＦｔ演算器６０で演算する時間遅れ要素は、図１に示す注入手段２２で注入したアンモニアが、電気集塵装置１６を通って濃度測定手段２４で測定されるまでにかかる時間（ｎ分）に関する要素であるので、排ガス流量信号３２を入力して、この排ガス流量に応じて時間遅れの演算を行ってもよい。またＦｔ演算器６０に、前記ｎ分間の遅れ時間分と後段の演算時刻との調節を行うために、ｎ分程度のデータを記憶する記憶手段を設けてもよいし、ｎ分程度の時定数を備えた１次遅れの演算要素を設けてもよい。
【００６３】
次のΔＥ演算器６２では、該Ｆｔ演算器６０から出力される演算値と前記ＧＸ演算器５２から出力される値との差を演算して「ΔＥ」値を算出する。
【００６４】
不感帯演算器６４では、「ΔＥ」値に対して図７に示すような特性を持つ不感帯（図７に示すＤＢ間）を設けて「ΔＨＥ」値に変換して出力する。なお、「ΔＥ」値が「ＬＤＢ」未満である場合には、計測した残留アンモニア濃度よりも必要アンモニア過剰濃度の方が多いことを示しているので、後段の制御回路ではアンモニアの注入量を増加する処理を行う。また、「ΔＥ」値が「ＬＤＢ」以上で且つ「ＵＤＢ」未満である場合には不感帯「ＤＢ」の範囲内であるため、残留アンモニア濃度信号に関する刻々の制御は実施しない。なお、「ΔＥ」値が「ＵＤＢ」以上である場合には、計測した残留アンモニア濃度よりも必要アンモニア過剰濃度の方が少ないことを示しているので、後段の制御回路ではアンモニアの注入量を減少する処理を行う。
【００６５】
硫黄分を多く含む燃料を用いた燃焼では、負荷が一定であっても燃焼状態によって排出される三酸化硫黄（ＳＯ３ ）の量は異なる場合があるため、ＳＯ３ の発生量に応じてアンモニアの注入量を変化させる必要がある。また、注入したアンモニアが排ガス中に含まれるＳＯ３ と反応した結果、残った残留アンモニアが容積の大きな電気集塵装置１６を通って排出され、アンモニアの濃度測定手段２４が残留アンモニア濃度を検出するまでにかかる応答の遅れ時間も存在する。前述のように本発明では、不感帯演算器６４で「ΔＥ」値に対して不感帯を設けた制御を実施するので、残留アンモニア濃度が適切な範囲にある間は上記のアンモニア注入量の制御を実施しない。従って、アンモニア注入量に関するハンチングが発生せず、安定した制御を実施することが可能となる。
【００６６】
なお、前記不感帯の設定値「ＬＤＢ」と「ＵＤＢ」とを定数とせずに、計測した排ガス温度に応じて可変可能な構成としてもよい。
【００６７】
比例微分コントローラ６６では前記「ΔＨＥ」値に対して比例微分制御を行う。次の上下限リミット６８では、前記比例微分コントローラ６６から出力される「ΔＰＤ」値が「ＵＰＤ」以上の値及び「ＬＰＤ」以下の値に対して、それぞれ上限値「ＵＭＶ」及び下限値「ＬＭＶ」の少なくとも何れか一方の制限値を設定するとともに、アンモニア濃度信号をアンモニア注入量に変換したアドバンスドアンモニア修正信号３７（「ＭＶ」値）を出力する処理を行う（図８参照）。
【００６８】
上記の上限値「ＵＭＶ」は、例えばアンモニア注入量制御信号の５５％程度、下限値「ＬＭＶ」は４５％程度に設定しておくとよい。また、上限値「ＵＭＶ」と下限値「ＬＭＶ」とを定数とせずに、計測した排ガス温度に応じて可変可能な構成としてもよい。このようにリミット演算手段を設けることにより、排ガスの温度測定手段２０や濃度測定手段２４の万一の故障時における制御出力の暴走を防止するバックアップ機能を備えることになる。
【００６９】
ＭＶ加算器７８では、アドバンスドアンモニア修正信号３７と基本アンモニア注入量を加算して出力する。
【００７０】
図９（ａ）〜（ｄ）に時間と制御手段２６内における各値との関係を示し、以下にてそのタイミングに関する説明を行う。
【００７１】
図９（ａ）はアドバンスドアンモニア注入制御を実施しなかった場合と、アドバンスドアンモニア注入制御を実施した場合とにおける、電気集塵装置１６から排出される残留アンモニア濃度と時間との関係を示している。
【００７２】
同図によれば、時間とともに増加の傾向がある残留アンモニア濃度が時刻ｔ１を過ぎると不感帯設定幅を超える。すると従来の制御手段では、図９（ａ）に示す「ＣＬＢ」のカーブで残留アンモニア濃度が上昇し、許容上限値である「ＵＣＬ」値を超えてしまっていた。その後ｔ２を過ぎると硫黄分を多く含む燃料の燃焼状態が定常状態になるとともに監視員が手動で注入ノズルに設けられているダンパの開閉に関する制御を実施して、残留アンモニア濃度が許容範囲内に入るように制御するので残留アンモニア濃度「ＣＬＢ」は低下する。
【００７３】
これに対して本発明に係るアドバンスドアンモニア注入制御を実施することによって、残留アンモニア濃度を許容範囲内に収めることが可能となる。図９（ａ）の実施例では、不感帯の下限値を３５ｐｐｍ、不感帯の上限値を４５ｐｐｍとして説明する。時間ｔ１を過ぎてｔ２までの間において、残留アンモニア濃度３４が不感帯設定幅を超えると、不感帯演算器６４から「ΔＨＥ」の制御信号が出力されて修正制御を開始する。その結果、ＭＶ加算器７８にアンモニア注入量を減少させる信号を出力する。すると残留アンモニア濃度は自動的に減少するので、残留アンモニア許容濃度の上限値「ＵＣＬ」を超えることはない。また、残留アンモニア濃度が不感帯設定幅の下限値を超えた場合にも同様にアンモニア注入量を増す制御を実施するので、残留アンモニア濃度が許容下限値「ＬＣＬ」を下回ることはない。
【００７４】
図９（ｂ）は、不感帯演算器６４における入力値「ΔＥ」及び出力値「ΔＨＥ」と時間との関係を示している。
【００７５】
同図によれば、図９（ａ）で示したように残留アンモニア濃度が上昇すると、「ΔＥ」値も上昇する。しかし、時間ｔ１までは不感帯の上限値「ＵＤＢ」以下であるので「ΔＨＥ」出力値はゼロである。ところが、時間ｔ１からｔ２までの間では、「ΔＥ」値は不感帯の上限値「ＵＤＢ」以上であるので、同図に示す「ΔＨＥ」値が出力される。また、残留アンモニア濃度が減少して不感帯の下限値「ＬＤＢ」を下回った場合にも前記の場合と同様にして「ΔＨＥ」値を出力する。
【００７６】
図９（ｃ）は、比例微分コントローラ６６における比例動作「Ｐ動作」、微分動作「Ｄ動作」、比例＋微分動作「Ｐ＋Ｄ動作」と時間との関係を示している。
【００７７】
図９（ｂ）に示したように「ΔＨＥ」が出力されると、「ΔＨＥ」値の量に比例した「Ｐ動作」値が算出される。また同様に、「ΔＨＥ」値の変化量に比例した「Ｄ動作」値が算出される。比例微分コントローラ６６では、この「Ｐ動作」と「Ｄ動作」との値が加算されて「Ｐ＋Ｄ動作」の値を出力する。
【００７８】
図９（ｄ）は、アドバンスドアンモニア注入制御を実施しなかった場合のプログラムデマンド「ＳＶＢ」値と、アドバンスドアンモニア注入制御を実施した場合のアンモニアフローデマンド「ＳＶ」値と、時間との関係を示している。
【００７９】
図９（ｄ）に示されるプログラムデマンド「ＳＶＢ」値は、前記ＭＶ加算器７８でアドバンスドアンモニア修正信号３７を加算せずに、基本・過剰・動的アンモニア注入量系で算出した信号のみに基づいて算出されるアンモニア注入量制御信号３６と、時間との関係を示している。特に硫黄分を多く含む燃料の消費量が一定で、且つ、排ガス温度が一定である場合には、図９（ｄ）に示されるように「ＳＶＢ」値は一定値となる。
【００８０】
前述のとおり本発明では、ＭＶ加算器７８でアドバンスドアンモニア修正信号３７と基本・過剰・動的アンモニア注入量算出系からの信号とを加算して出力している。したがって、アドバンスドアンモニア注入制御を実施した場合のアンモニア注入量制御信号３６と、時間との関係は、図９（ｄ）に示されるアンモニアフローデマンド「ＳＶ」値のようになる。
【００８１】
このように、温度測定手段２０で測定した排ガスの温度と、測定した未反応の残留アンモニア濃度とに応じて必要アンモニア過剰濃度を算出し、これに基づいてアンモニア注入量を設定するので、排ガスの温度が変動した場合であっても、また、残留アンモニア濃度が多め又は少なめに偏っている場合であっても、適切にフィードバックされて適量のアンモニアを注入することができる。したがって、アンモニアの注入不足を防止することができるとともにアンモニアの過剰注入を最小限に抑えることができる。
【００８２】
上述の、アドバンスドアンモニア注入制御を用いることによって、アンモニア注入量を過不足なく安定した制御を実施することが可能である。ところが、前記推定ＳＯ３ 濃度算出系の基本アンモニア注入量を加算しない場合には、ボイラ１２の負荷が急激に変動する過渡期において、図１０（ｄ）に示すようなアンモニア注入不足領域やアンモニア注入過剰領域を生じることがある。
【００８３】
図１０（ａ）は、ボイラの燃料消費量と時間との関係を示している。
【００８４】
図１０（ｂ）は、ボイラの排ガス温度と時間との関係を示している。
【００８５】
図１０（ｃ）は、ボイラの負荷と時間との関係を示している。
【００８６】
図１０（ｄ）は、電気集塵装置から排出される残留アンモニア濃度と時間との関係を示している。
【００８７】
同図に示されるように、ボイラ１２の負荷が急に増加して燃料消費量が急増しても、排ガス温度が過渡特性によって燃料消費量に応じて増加しないような場合には、図１０（ｄ）に示されるように時間ｔ１１〜ｔ１２の間において残留アンモニア濃度が残留アンモニア不感帯の範囲を下回る可能性がある。
【００８８】
また逆に、ボイラ１２の負荷が急に減少して燃料消費量が急減した場合には、時間ｔ１３〜ｔ１４の間において残留アンモニア濃度が残留アンモニア不感帯の範囲を上回る可能性がある。ところが本発明では、上述のアドバンスドアンモニア注入制御に加えて、前記推定ＳＯ３ 濃度算出系から出力される基本アンモニア注入量を加算する制御と、基本アンモニア注入量に対する微分値に応じた値を加算する制御とを実施しているため、硫黄分を多く含む燃料を燃焼させた場合であっても常に適量のアンモニアを注入することが可能となる。したがって、ボイラ１２の急激な負荷増大時にはアンモニア注入量が加算され、ボイラ１２の急激な負荷減少時にはアンモニア注入量が減少するので、ＳＯ３ 濃度が燃焼の状態により変化した場合であっても適量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００８９】
なお、上述した実施の形態では、制御手段２６内に各演算機能を備えた例で説明したが、コンピュータ等を用いたデジタル制御手段としても一括制御を行うことによって本発明の目的を達成することが可能となる。
【００９０】
以下の表１に、本発明の構成要件となるアンモニア注入量の各種制御方法とその組み合わせによるケース番号との関係を表にまとめて示す。
【００９１】
【表１】
【００９２】
ボイラの使用燃料の硫黄分、運転形態、排ガス規制等の条件により、排煙処理装置に要求される最適な制御方法が異なる。以下の表２に、ボイラの各運転条件に要求される表１のケース番号を示すとともに本発明に係る請求項との関係をも示す。
【００９３】
【表２】
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の排煙処理装置によれば、基本アンモニア注入量に対して時間微分を行った信号に基づいて動的補正した注入アンモニアの注入量を制御するようにしたので、ボイラの運転状況や燃焼状況が急に変動した場合であっても適切な量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００９５】
また、他の発明の形態によれば、排ガスに注入された注入アンモニアが濃度測定手段で測定されるまでの時間遅れの要素を加味した注入アンモニア濃度から残留アンモニア濃度を減算して推定三酸化硫黄濃度を算出するとともに基本アンモニア注入量を算出して注入アンモニアの注入量を制御しているので、硫黄分を多く含む燃料を燃焼させるとともにボイラの運転状況や燃焼状況が変動した場合であっても適切な量のアンモニアを注入することが可能となり、注入アンモニアの注入量が不足して電気集塵装置内で酸性硫安が発生したり、注入アンモニアの注入量が多過ぎて運転費用が増大することを防止できる。
【００９６】
また、他の発明の形態によれば、電気集塵装置から排出される排ガスに残留する残留アンモニア濃度と前記排ガスの温度とに基づいてボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要なアンモニア量補正値を算出し、基本アンモニア注入量と加算することによって注入アンモニアの注入量を制御するようにしたので、ボイラの運転状況や燃焼状況が変動した場合であっても常に適切な量のアンモニアを注入することが可能となる。更に、前記アンモニア量補正値を算出する際に、不要な動作を抑制する不感帯演算を実施し、比例演算又は比例微分演算を実施して制御出力を求めるとともに前記制御出力を一定に制限したアンモニア量補正値を演算するようにしたので、温度測定手段及び濃度測定手段の万一の故障時における前記制御出力の暴走を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排煙処理装置の実施の形態を示す概略構成図
【図２】本発明に係る排煙処理装置の制御回路の実施の形態を示す図
【図３】燃料消費量と必要アンモニア量との関係を示す図
【図４】排ガス温度と必要アンモニア過剰濃度との関係を示す図
【図５】本発明に係る排煙処理装置の制御回路の他の実施の形態を示す図
【図６】本発明に係る排煙処理装置のアドバンスドアンモニア制御系の制御回路の実施の形態を示す図
【図７】「ΔＥ」値と「ΔＨＥ」値との関係を示す図
【図８】「ΔＰＤ」値と「ＭＶ」値との関係を示す図
【図９】（ａ）は、残留アンモニア濃度と時間との関係を示す図
（ｂ）は、「ΔＥ」値及び「ΔＨＥ」値と時間との関係を示す図
（ｃ）は、比例微分コントローラにおける比例動作、微分動作、比例＋微分動作と時間との関係を示す図
（ｄ）は、デマンド値と時間との関係を示す図
【図１０】（ａ）は、ボイラの燃料消費量と時間との関係を示す図
（ｂ）は、ボイラの排ガス温度と時間との関係を示す図
（ｃ）は、ボイラの負荷と時間との関係を示す図
（ｄ）は、電気集塵装置から排出される残留アンモニア濃度と時間との関係を示す図
【符号の説明】
１０…排煙処理装置、１２…ボイラ、１６…電気集塵装置、２０…温度測定手段、２２…注入手段、２４…濃度測定手段、２６制御手段、３１…燃料消費量信号、３２…排ガス流量信号、３２Ａ…排ガス流量、３３…排ガス温度信号、３４…残留アンモニア濃度信号、３５…アンモニア注入量信号、３６…アンモニア注入量制御信号、３７…アドバンスドアンモニア修正信号、５０…ＦＸ演算器、５１…ＦＦＸ演算器、５２…ＧＸ演算器、５３…ＦＧＸ演算器、５４…ＦＧ加算器、６０…Ｆｔ演算器、６２…ΔＥ演算器、６４…不感帯演算器、６６…比例微分コントローラ、６８…上下限リミット、７８…ＭＶ加算器、９０…ＨＸ演算器、９２…ＩＸ演算器、９４…ＪＸ演算器、９５…微分手段、９６…微分手段、９７…スイッチ、１００…ＬＸ演算器、１０２…ＭＸ演算器、１０４…アドバンスドアンモニア制御系
【発明の属する技術分野】
本発明はボイラの排煙処理装置に係り、特に燃料に硫黄分を多く含む油焚きボイラの運転状況が変化した場合に排出される三酸化硫黄を中和して電気集塵装置で除塵する排煙処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油焚きボイラ用の排煙処理装置は電気集塵装置を備えており、この電気集塵装置によって油焚きボイラから排出された排ガスに対して除塵している。以前の排煙処理装置は、排ガスやダストに含まれる水分や三酸化硫黄（ＳＯ３ ）のために排ガスの露点が高く、機器腐食や灰詰まりを起こしたり、酸性の強いスマットを生成するという問題があった。さらに、排ガス中のダストが非常に細かく電気固有抵抗率が低いため、電気集塵装置の電極板に捕集したダストが再飛散し易いという問題もあった。
【０００３】
そこで、電気集塵装置の入口側にアンモニアガスを注入してＳＯ３ を中和することによって上記問題点の解決を図ってきた。前記アンモニアの注入量は、ボイラでのＳＯ３ の生成量に応じて行われることが好ましいが、ＳＯ３ の生成量を求めるのに必要な排ガス中のＳＯ３ 濃度は、現状の測定手段では連続して測定することができない。そこで、燃料消費量からＳＯ３ 濃度を想定し、このＳＯ３ 濃度によりアンモニア注入量を燃料消費量に対して比例注入制御していた。そして、ＳＯ３ 濃度の変化に対しては、比率設定器を用いて燃料に含まれる硫黄分の大小によって注入比率を設定変更することによって対応していた。硫黄分の少ない燃料が燃焼する場合には排ガス温度のばらつきが少ないとともに、様々な負荷に於ける排ガス中のＳＯ３ 濃度も再現性がよいため高精度で排ガス中のＳＯ３ 濃度を予想することが可能であった。したがって、前記のように予想したＳＯ３ 濃度に応じてアンモニアを排ガス中に注入していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高硫黄濃度の燃料を使用すると、燃料消費量と排ガス中に含まれる三酸化硫黄濃度とは必ずしも比例関係になく、ボイラの運転状況によってばらつきも大きい。特に最近のボイラ設備では運転コストの低減のために高硫黄油を燃料として使用することが多く、排ガス中の三酸化硫黄濃度の変化だけでなく、排ガス温度の変化も大きい。この結果、電気集塵装置に取り込まれる排ガスに従来の制御方法でアンモニアガスを注入すると、注入量が過不足するという問題が発生する。例えば、排ガスの温度が高い場合には、アンモニアの注入量が不足し、硫黄等酸化物の一部が未反応のまま電気集塵装置内に供給されて酸性硫安が発生して機器腐食を生じ、電気集塵機にも損傷が発生して電気集塵機の寿命が短くなる。これを防ぐにはアンモニアを予め過剰に注入すればよいが、何の目安もなくアンモニアの注入量を増加すればランニングコストのアップにつながる。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、硫黄分を多く含む燃料を燃焼させてボイラの運転状況が変化した際においても適切な量のアンモニアを注入することができる排煙処理装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、ボイラから排出される排ガス中の三酸化硫黄に対し電気集塵装置を保護するためにアンモニアを注入して中和処理した後に、電気集塵装置によってダストを除去する排煙処理装置において、ボイラに供給している燃料消費量を測定する燃料消費量測定手段と、前記測定した燃料消費量と前記燃料に含まれるイオウ分とに基づいて前記ボイラから排出される三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、前記基本アンモニア注入量を時間微分した信号をボイラから排出される三酸化硫黄の濃度レベルで補正する動的解析手段と、前記動的解析手段により求めた値を前記基本アンモニア注入量に加算して動的補正した基本・動的アンモニア注入量を算出する手段と、前記基本・動的アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
また、前記目的を達成するために請求項２に記載の発明は、ボイラに供給している燃料消費量を測定する燃料消費量測定手段と、測定した燃料消費量と燃料に含まれるイオウ分とに基づいて前記ボイラから排出される三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、基本アンモニア注入量を時間微分した信号をボイラから排出される三酸化硫黄の濃度レベルで補正する動的解析手段と、基本・過剰アンモニア注入量を算出するために排ガスの温度を測定する過剰用の温度測定手段と、基本・過剰アンモニア注入量を算出するために測定した排ガス温度に基づいて、ボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要な過剰アンモニア分としての必要アンモニア過剰量を算出する手段と、基本アンモニア注入量に算出した必要アンモニア過剰量を加算して基本・過剰アンモニア注入量を算出する手段と、動的解析手段により求めた値を基本・過剰アンモニア注入量に加算して動的補正した基本・過剰・動的アンモニア注入量を算出する手段と、基本・過剰・動的アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
また、前記目的を達成するために請求項３に記載の発明は、推定三酸化硫黄濃度を算出するために電気集塵装置から排出される排ガス中に残留する残留アンモニア濃度を測定する推定用の濃度測定手段と、ボイラから排出される排ガスに注入された注入アンモニアが推定用の濃度測定手段で測定されるまでの時間遅れの要素を加味して算出した注入アンモニア濃度から推定用の濃度測定手段によって測定された残留アンモニア濃度を減算して推定三酸化硫黄濃度を算出する推定三酸化硫黄濃度算出手段と、算出した推定三酸化硫黄濃度と、ボイラに供給している燃料消費量から換算した排ガス流量若しくはボイラから排出された排ガス流量とに応じてボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、基本アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
また、前記目的を達成するために請求項４に記載の発明は、推定三酸化硫黄濃度を算出するために電気集塵装置から排出される排ガス中に残留する残留アンモニア濃度を測定する推定用の濃度測定手段と、ボイラから排出される排ガスに注入された注入アンモニアが推定用の濃度測定手段で測定されるまでの時間遅れの要素を加味して算出した注入アンモニア濃度から、推定用の濃度測定手段によって測定された残留アンモニア濃度を減算し、推定三酸化硫黄濃度を算出する推定三酸化硫黄濃度算出手段と、算出した推定三酸化硫黄濃度と、ボイラに供給している燃料消費量から換算した排ガス流量若しくはボイラから排出された排ガス流量とに応じてボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、基本・過剰アンモニア注入量を算出するために排ガスの温度を測定する過剰用の温度測定手段と、基本・過剰アンモニア注入量を算出するために測定した排ガス温度に基づいて、ボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要な過剰アンモニア分としての必要アンモニア過剰量を算出する手段と、基本アンモニア注入量に算出した必要アンモニア過剰量を加算して基本・過剰アンモニア注入量を算出する手段と、基本・過剰アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、基本アンモニア注入量に対して時間微分を行った信号に基づいて動的補正した注入アンモニアの注入量を制御するようにしたので、ボイラの運転状況や燃焼状況が急に変動した場合であっても適切な量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００１１】
また、他の発明の形態によれば、排ガスに注入された注入アンモニアが濃度測定手段で測定されるまでの時間遅れの要素を加味した注入アンモニア濃度から残留アンモニア濃度を減算して推定三酸化硫黄濃度を算出するとともに基本アンモニア注入量を算出して注入アンモニアの注入量を制御しているので、ボイラの運転状況や燃焼状況が変動した場合であっても適切な量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００１２】
また、他の発明の形態によれば、電気集塵装置から排出される排ガスに残留する残留アンモニア濃度と前記排ガスの温度とに基づいてボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要なアンモニア量補正値を算出し、基本アンモニア注入量と加算することによって注入アンモニアの注入量を制御するようにしたので、硫黄分を多く含む燃料を燃焼させるとともにボイラの運転状況や燃焼状況が変動した場合であっても常に適切な量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って、本発明に係る排煙処理装置の好ましい実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態の排煙処理装置１０の概略構造を示す構成図である。
【００１５】
同図に示すように、排煙処理装置１０は主として、油焚きボイラ１２、空気予熱器１４、電気集塵装置１６、煙突１８から構成され、ボイラ１２から排出された排ガスが、空気予熱器１４を経た後、電気集塵装置１６で脱塵され、煙突１８から大気に放出されるようになっている。
【００１６】
ボイラ１２では、該ボイラ１２で消費された燃料消費量と、ボイラ１２から排出される排ガス流量とを測定できるようになっており、燃料消費量信号３１と排ガス流量信号３２を形成して、後述する制御手段２６に送信する。
【００１７】
電気集塵装置１６の入口側には、温度測定手段２０（過剰用及び補正用の温度測定手段）が配設され、この温度測定手段２０によって電気集塵装置１６に供給される排ガスの温度が測定される。温度測定手段２０は制御手段２６に接続されており、制御手段２６に排ガス温度信号３３を送信する。
【００１８】
また、電気集塵装置１６の入口側には注入手段２２が設けられ、この注入手段２２によってアンモニアガスが注入される。これにより、排ガスに含まれる三酸化硫黄ＳＯ３ はアンモニアガスによって中和されて硫酸アンモニウムを生成し、この硫酸アンモニウムは電気集塵装置１６によって捕集される。
【００１９】
電気集塵装置１６の出口側にはアンモニアの濃度測定手段２４（推定用及び補正用の濃度測定手段）が設けられ、この濃度測定手段２４によって電気集塵装置１６から排出された未反応の残留アンモニアの濃度が測定される。濃度測定手段２４で得られた残留アンモニア濃度信号３４は、制御手段２６に送信される。
【００２０】
制御手段２６は、アンモニア注入量信号３５（注入アンモニアの注入量）の他に、燃料消費量信号３１、排ガス流量信号３２、排ガス温度信号３３、残留アンモニア濃度信号３４等を取り込んでアンモニアの適切な注入量を算出するとともに、アンモニア注入量制御信号３６を生成してこれを注入手段２２に出力するようになっている。
【００２１】
注入手段２２には図示しない信号変換器とガス流量調節弁が設けられており、受信したアンモニア注入量制御信号３６は該信号変換器で空気信号に変換され、この空気信号がアンモニアガス流量調節弁の開度調整を行ない、アンモニアの注入量が調節される。
【００２２】
また、実際に注入されたアンモニアガスの流量は、図示しない測定手段により測定され、該測定されたアンモニア注入量信号３５は制御手段２６に伝達されている。
【００２３】
一般に三酸化硫黄に対するアンモニアの反応は、ＳＯ３ ＋２ＮＨ３ ＋Ｈ２ Ｏ→（ＮＨ４ ）２ ＳＯ４ で表され、アンモニアの適切な注入量は、次式で求められる。
【００２４】
【数１】
アンモニアの注入量（ｋｇ／ｈ）＝〔２モル×ＳＯ３ 濃度（ｐｐｍ） ＋必要アンモニア過剰濃度（ｐｐｍ） 〕×排ガス流量（ｍ３Ｎ／ｈ ｄｒｙ） ×アンモニア分子量（＝１７）／１モルの標準体積（＝２２．４）×１０−６ …式（１）
ここで、前記必要アンモニア過剰濃度は、生成された硫安を再分解させないために必要であるとともに、排ガス煙道断面でのＳＯ３ 分布のばらつきや、滞留反応時間の影響等に対応するために必要である。即ち、アンモニア注入量は、ＳＯ３ を中和するのに最低限必要な基本アンモニア注入量と、中和反応を安定して行うために必要な必要アンモニア過剰量及び種々のアンモニア量補正値とを加算することによって求められる。
【００２５】
必要アンモニア過剰濃度は、一般的には、Ｎｅｒｎｓｔ近似式による平衡線図と排ガス流量とにより、排ガス温度に対して必要なアンモニアの過剰量が得られるが、実際にはこの値では不足することがある。一方、現状技術では、ＳＯ３ 濃度を連続して測定する測定計が存在しないので、制御手段２６は燃料消費量信号３１と排ガス温度信号３３と残留アンモニア濃度信号３４とアンモニア注入量信号３５とからＳＯ３ 量を想定して算出し、この推定ＳＯ３ 量に応じて基本アンモニア注入量を算出するとともにアンモニア量補正信号を算出し、アンモニア注入量を増減する制御を実施する。
【００２６】
図２に、本発明に係る排煙処理装置の制御回路の実施の形態を示す。
【００２７】
同図によれば制御手段２６の基本アンモニア注入量算出系は、硫黄分を含む燃料消費量信号３１と燃料に含まれる硫黄濃度とに基づいてＳＯ３ 量を推定して算出して該ＳＯ３ を中和するのに必要な基本アンモニア注入量を算出するＦＦＸ演算器５１が設けられている。
【００２８】
また、制御手段２６の必要アンモニア過剰量算出系には、排ガス温度信号３３から必要アンモニア過剰濃度及び必要アンモニア過剰量を算出するＧＸ演算器５２（Ｎｅｒｎｓｔの補正カーブ等を用いた演算手段）と、ＧＸ演算器５２で算出した必要アンモニア過剰量と前記ＦＦＸ演算器５１で算出した基本アンモニア注入量とを加算して基本・過剰アンモニア注入量を算出するＦＧ加算器５４とが設けられている。
【００２９】
また、制御手段２６の動的解析系（動的解析手段）には、基本アンモニア注入量に対して時間微分を行い、各々異なる微分結果を出力する微分手段９５、９６と、前記微分手段９５、９６によって算出した微分結果を切り替えてＬＸ演算器１００に出力するスイッチ９７と、前記基本・過剰アンモニア注入量に動的解析系から出力される信号を加算して、基本・過剰・動的アンモニア注入量（アンモニア注入量制御信号３６）を算出するＭＸ演算器１０２とが設けられている。
【００３０】
以下に、図２に示した制御手段２６の処理動作について説明する。
【００３１】
制御手段２６の基本アンモニア注入量算出系では、硫黄分を含む燃料消費量信号３１がＦＦＸ演算器５１にて演算され、例えば必要に応じて図３に示すような燃料消費量と必要アンモニア量との関係を持つ関数を用いて演算し、燃料消費量から求めた基本アンモニア注入量を算出して出力する。
【００３２】
制御手段２６の必要アンモニア過剰量算出系では、排ガス温度信号３３をＧＸ演算器５２にて演算する。ここでは例えば図４に示すような排ガス温度と必要アンモニア過剰濃度との関係を持つ関数を用いて演算し、必要アンモニア過剰濃度及び必要アンモニア過剰量を算出して出力する。
【００３３】
ＦＧ加算器５４では、ＧＸ演算器５２で算出した必要アンモニア過剰量と前記ＦＦＸ演算器５１で算出した基本アンモニア注入量とを加算して基本・過剰アンモニア注入量を算出する。
【００３４】
制御手段２６の動的解析系の微分手段９５、９６では、前記基本アンモニア注入量に対して時間微分を行い各々の制御に適した異なる微分結果を出力する。スイッチ９７は、例えばボイラ１２の負荷が軽負荷の場合には微分手段９５の演算結果をＬＸ演算器１００に出力して例えば１０％の補正量を算出し、ボイラ１２の負荷が重負荷の場合には微分手段９６の演算結果をＬＸ演算器１００に出力して例えば３０％の補正量を算出してＭＸ演算器１０２に出力するなど、ボイラ１２の負荷に応じて信号の経路を切り替える。
【００３５】
ＬＸ演算器１００は、微分手段９５、９６によって求められた値と定数（１０％、３０％等）とを乗算して基本アンモニア注入量を補正する値を算出する働きをしている。ＭＸ演算器１０２では、ＬＸ演算器１００の演算結果と基本・過剰アンモニア注入量とを加算して基本・過剰・動的アンモニア注入量を算出する。この動的解析系の出力に基づいてアンモニア注入量制御信号３６を制御するようにしているので、ボイラ１２の負荷が急変した場合や燃焼状況の変化により排ガス温度信号３３が急変した場合においても適切な量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００３６】
また、ボイラ１２から排出される排ガス温度に対してＳＯ３ 濃度が安定している場合には、上述したように必要アンモニア過剰量算出系を設けずに基本アンモニア注入量を直接ＭＸ演算器１０２に入力して、基本・動的アンモニア注入量を算出するようにしてもよい。
【００３７】
図５に、本発明に係る排煙処理装置の制御回路の他の実施の形態を示す。
【００３８】
同図によれば制御手段２６の必要アンモニア過剰量算出系は、硫黄分を含む燃料消費量信号３１に基づいて排ガス流量３２Ａを算出するＦＸ演算器５０と、該算出した排ガス流量３２Ａと排ガス温度信号３３とから必要アンモニア過剰量を算出するＦＧＸ演算器５３（Ｎｅｒｎｓｔの補正カーブ等を用いた演算手段）と、ＦＧＸ演算器５３で算出した必要アンモニア過剰量と後述する推定ＳＯ３ 濃度算出系（推定三酸化硫黄濃度算出手段）のＪＸ演算器９４から得られる基本アンモニア注入量とを加算して基本・過剰アンモニア注入量を出力するＦＧ加算器５４とから構成されている。
【００３９】
ボイラ１２から発生する硫黄酸化物を中和するのに必要とされる基本アンモニア注入量を推定ＳＯ３ 濃度から算出する推定ＳＯ３ 濃度算出系には、注入アンモニアの注入量を計測して得たアンモニア注入量信号３５に対して、１次遅れ等の時間遅れ要素を加味してｎ分前のアンモニア濃度（ｎ分はダクト及び電気集塵装置１６の規模や燃焼状態によって決まる遅れ時間）を算出して出力するＨＸ演算器９０が設けられている。
【００４０】
このＨＸ演算器９０で演算する時間遅れ要素は、図１に示す注入手段２２で注入したアンモニアが、電気集塵装置１６を通って濃度測定手段２４で測定されるまでにかかる時間に関する要素であるので、ＦＸ演算器５０から出力される排ガス流量を入力してこの排ガス流量に応じて時間遅れの演算を行ってもよい。またＨＸ演算器９０に、前記ｎ分間の遅れ時間分と後段の演算時刻との調節を行うために、ｎ分程度のデータを記憶する記憶手段を設けてもよいし、ｎ分程度の時定数を備えた１次遅れの演算要素を設けてもよい。
【００４１】
また、推定ＳＯ３ 濃度算出系には、前記ＨＸ演算器９０から出力されたｎ分前のアンモニア濃度から、測定して得た残留アンモニア濃度信号３４を減算して、排ガス中に含まれ反応したと推定される推定ＳＯ３ 濃度を算出するＩＸ演算器９２（ＳＯ３ 推定アルゴリズムによる演算回路）とが設けられている。
【００４２】
なお推定ＳＯ３ 濃度算出系の後段には、前記算出した推定ＳＯ３ 濃度と排ガス流量３２Ａとからｎ分前の過去のＳＯ３ 量を算出するとともに、基本アンモニア注入量を算出するＪＸ演算器９４が設けられている。
【００４３】
制御手段２６の動的解析系（動的解析手段）には、基本アンモニア注入量に対して時間微分を行い微分結果を出力する微分手段９５、９６と、ボイラ１２の負荷に応じて信号の経路を切り替えるスイッチ９７と、微分手段９５、９６によって求められた値と定数とを乗算して基本アンモニア注入量を補正する値を算出するＬＸ演算器１００と、ＬＸ演算器１００の演算結果と基本・過剰アンモニア注入量とを加算して基本・過剰・動的アンモニア注入量を算出するＭＸ演算器１０２とが設けられている。
【００４４】
なお、アドバンスドアンモニア制御系１０４では、温度測定手段２０で測定した排ガス温度信号３３と残留アンモニア濃度信号３４とに応じてアンモニア量補正値を出力している。なお、該アンモニア量補正値と前記基本・過剰・動的アンモニア注入量とをＭＶ加算機７８で加算し、アンモニア注入量制御信号３６（注入アンモニアの注入量を制御する信号）を出力して注入手段２２に伝達している。
【００４５】
以下に、図５に示した制御手段２６の処理動作について説明する。
【００４６】
硫黄分を含む燃料消費量信号３１は、制御手段２６のＦＸ演算器５０にて演算されて排ガス流量３２Ａが算出される。
【００４７】
排ガス温度信号３３は制御手段２６のＦＧＸ演算器５３にて演算されて必要アンモニア過剰濃度が算出される。更にＦＧＸ演算器５３では、該算出した必要アンモニア過剰濃度と前記排ガス流量３２Ａとから、必要アンモニア過剰量を算出して出力する。
【００４８】
推定ＳＯ３ 濃度算出系のＨＸ演算器９０では、アンモニア注入量信号３５と排ガス流量３２Ａとからｎ分前の電気集塵装置入り口のアンモニア注入濃度を、時間遅れの要素を加味して算出している。該算出したアンモニア注入濃度と残留アンモニア濃度信号３４とから反応したと想定される推定ＳＯ３ 濃度をＩＸ演算器９２で算出し、次のＪＸ演算器９４では、この推定ＳＯ３ 濃度と排ガス流量３２Ａとから基本アンモニア注入量を算出している。なお、ＩＸ演算器９２にて算出する推定ＳＯ３ 濃度は、以下の式で算出される。
【００４９】
【数２】
推定ＳＯ３ 濃度＝（注入アンモニア濃度−残留アンモニア濃度）／２モル…式（２）
基本アンモニア注入量は、上記式（２）によって求めた推定ＳＯ３ 濃度と排ガス流量３２Ａとに基づいて比例制御される。上記の推定ＳＯ３ 濃度を算出する式（２）では、アンモニア濃度の減少分が全てＳＯ３ の中和に用いられたと仮定してＳＯ３ 濃度を換算している。したがって、推定ＳＯ３ 濃度は、実測のＳＯ３ 濃度よりも若干高く算出される。これにより、推定ＳＯ３ 濃度に応じてアンモニアを注入すると、アンモニアが若干多めに注入されるので、アンモニア注入不足状態の発生を確実に防止することが可能となる。
【００５０】
前記推定ＳＯ３ 濃度算出系から出力される基本アンモニア注入量と、前記ＦＧＸ演算器５３から出力される必要アンモニア過剰量とをＦＧ加算器５４にて加算する。
【００５１】
また、動的解析系では前述のとおり微分結果を算出するとともに微分ゲインを乗算して動的補正量を算出する。該算出した動的補正量と基本・過剰アンモニア注入量とはＭＸ演算器１０２にて加算されて基本・過剰・動的アンモニア注入量が出力される。
【００５２】
ＭＶ加算器７８では、アドバンスドアンモニア制御系１０４から出力されるアドバンスドアンモニア制御量と基本・過剰・動的アンモニア注入量とを加算して出力する。なお、本発明では、基本・過剰・動的アンモニア注入量とアドバンスドアンモニア制御量とを加算してアンモニア注入量を制御する制御方法を、アドバンスドアンモニア注入制御と呼ぶ。
【００５３】
なお、前記ＭＶ加算器７８では前記加算結果とアンモニア注入量信号３５との差を求めるとともに比例積分演算を行い、アンモニア注入量制御信号３６を出力するようにしてもよい。
【００５４】
上述のように、推定ＳＯ３ 濃度算出系にて基本アンモニア注入量を算出し、動的解析系にて基本・過剰アンモニア注入量を補正してアンモニア注入量を制御するようにしたので、硫黄分が多く含まれる（例として１％以上）燃料を燃焼させた場合であってもボイラの負荷の変化に応じてアンモニア注入量の増減の割合に対する補正を適切に行うことが可能となる。例えば、ボイラ１２の急激な負荷増大時にはアンモニア注入量が加算され、ボイラ１２の急激な負荷減少時にはアンモニア注入量が減少するので、ＳＯ３ 濃度が燃焼の状態により変化した場合であっても適量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００５５】
図６に、本発明に係る排煙処理装置のアドバンスドアンモニア注入制御系の制御回路の実施の形態を示す。
【００５６】
同図によればアドバンスドアンモニア注入制御系１０４では、排ガス温度信号３３と残留アンモニア濃度信号３４とからアドバンスドアンモニア修正信号３７を算出して出力している。該算出したアドバンスドアンモニア修正信号３７は前記基本・過剰・動的アンモニア注入量に加算され、アンモニア注入量を補正する。
【００５７】
アドバンスドアンモニア制御系１０４には、排ガス温度信号３３を演算して必要なアンモニア過剰濃度を算出するＧＸ演算器５２と、残留アンモニア濃度信号３４に対して一時遅れ等の時間遅れ要素を加味した演算を実施するＦｔ演算器６０と、該Ｆｔ演算器６０から出力される演算値と前記ＧＸ演算器５２から出力される値との差を演算して差分値である「ΔＥ」値を算出するΔＥ演算器６２（差分値算出手段）とが含まれている。
【００５８】
また、制御手段２６のアドバンスドアンモニア制御系１０４には、前記「ΔＥ」値に対して不感帯演算を実施して「ΔＨＥ」値を出力する不感帯演算器６４（不感帯演手段）と、前記「ΔＨＥ」値に対して比例制御又は比例微分制御を行い「ΔＰＤ」値を出力する比例微分コントローラ６６（比例演算手段）と、前記比例微分コントローラ６６から出力される「ΔＰＤ」値に上限及び下限の少なくとも何れか一方の制限値を設定してアドバンスドアンモニア修正信号３７（「ＭＶ」値）を出力する上下限リミット６８（リミット演算手段）とが設けられている。
【００５９】
また制御手段２６には、前記基本アンモニア注入量と前記アドバンスドアンモニア修正信号３７とを加算してアンモニア注入量制御信号３６（ＳＶ）を出力するＭＶ加算器７８が設けられている。なおＭＶ加算器７８には、前記アンモニア注入量信号３５を減算して比例積分演算を行い、アンモニア注入量制御信号３６を出力する比例積分コントローラ８０が含まれていてもよい。
【００６０】
以下に、図６に示したアドバンスドアンモニア制御系１０４の処理動作について説明する。
【００６１】
排ガス温度信号３３は、アドバンスドアンモニア制御系１０４のＧＸ演算器５２にて演算され、例えば図４に示すような排ガス温度と必要アンモニア過剰濃度との関係を持つ関数を用いて演算し、必要アンモニア過剰濃度を算出して出力する。
【００６２】
Ｆｔ演算器６０では、残留アンモニア濃度信号３４に対して一次遅れ等の演算を実施して、制御対象の過渡特性を加味した演算値に変換する。このＦｔ演算器６０で演算する時間遅れ要素は、図１に示す注入手段２２で注入したアンモニアが、電気集塵装置１６を通って濃度測定手段２４で測定されるまでにかかる時間（ｎ分）に関する要素であるので、排ガス流量信号３２を入力して、この排ガス流量に応じて時間遅れの演算を行ってもよい。またＦｔ演算器６０に、前記ｎ分間の遅れ時間分と後段の演算時刻との調節を行うために、ｎ分程度のデータを記憶する記憶手段を設けてもよいし、ｎ分程度の時定数を備えた１次遅れの演算要素を設けてもよい。
【００６３】
次のΔＥ演算器６２では、該Ｆｔ演算器６０から出力される演算値と前記ＧＸ演算器５２から出力される値との差を演算して「ΔＥ」値を算出する。
【００６４】
不感帯演算器６４では、「ΔＥ」値に対して図７に示すような特性を持つ不感帯（図７に示すＤＢ間）を設けて「ΔＨＥ」値に変換して出力する。なお、「ΔＥ」値が「ＬＤＢ」未満である場合には、計測した残留アンモニア濃度よりも必要アンモニア過剰濃度の方が多いことを示しているので、後段の制御回路ではアンモニアの注入量を増加する処理を行う。また、「ΔＥ」値が「ＬＤＢ」以上で且つ「ＵＤＢ」未満である場合には不感帯「ＤＢ」の範囲内であるため、残留アンモニア濃度信号に関する刻々の制御は実施しない。なお、「ΔＥ」値が「ＵＤＢ」以上である場合には、計測した残留アンモニア濃度よりも必要アンモニア過剰濃度の方が少ないことを示しているので、後段の制御回路ではアンモニアの注入量を減少する処理を行う。
【００６５】
硫黄分を多く含む燃料を用いた燃焼では、負荷が一定であっても燃焼状態によって排出される三酸化硫黄（ＳＯ３ ）の量は異なる場合があるため、ＳＯ３ の発生量に応じてアンモニアの注入量を変化させる必要がある。また、注入したアンモニアが排ガス中に含まれるＳＯ３ と反応した結果、残った残留アンモニアが容積の大きな電気集塵装置１６を通って排出され、アンモニアの濃度測定手段２４が残留アンモニア濃度を検出するまでにかかる応答の遅れ時間も存在する。前述のように本発明では、不感帯演算器６４で「ΔＥ」値に対して不感帯を設けた制御を実施するので、残留アンモニア濃度が適切な範囲にある間は上記のアンモニア注入量の制御を実施しない。従って、アンモニア注入量に関するハンチングが発生せず、安定した制御を実施することが可能となる。
【００６６】
なお、前記不感帯の設定値「ＬＤＢ」と「ＵＤＢ」とを定数とせずに、計測した排ガス温度に応じて可変可能な構成としてもよい。
【００６７】
比例微分コントローラ６６では前記「ΔＨＥ」値に対して比例微分制御を行う。次の上下限リミット６８では、前記比例微分コントローラ６６から出力される「ΔＰＤ」値が「ＵＰＤ」以上の値及び「ＬＰＤ」以下の値に対して、それぞれ上限値「ＵＭＶ」及び下限値「ＬＭＶ」の少なくとも何れか一方の制限値を設定するとともに、アンモニア濃度信号をアンモニア注入量に変換したアドバンスドアンモニア修正信号３７（「ＭＶ」値）を出力する処理を行う（図８参照）。
【００６８】
上記の上限値「ＵＭＶ」は、例えばアンモニア注入量制御信号の５５％程度、下限値「ＬＭＶ」は４５％程度に設定しておくとよい。また、上限値「ＵＭＶ」と下限値「ＬＭＶ」とを定数とせずに、計測した排ガス温度に応じて可変可能な構成としてもよい。このようにリミット演算手段を設けることにより、排ガスの温度測定手段２０や濃度測定手段２４の万一の故障時における制御出力の暴走を防止するバックアップ機能を備えることになる。
【００６９】
ＭＶ加算器７８では、アドバンスドアンモニア修正信号３７と基本アンモニア注入量を加算して出力する。
【００７０】
図９（ａ）〜（ｄ）に時間と制御手段２６内における各値との関係を示し、以下にてそのタイミングに関する説明を行う。
【００７１】
図９（ａ）はアドバンスドアンモニア注入制御を実施しなかった場合と、アドバンスドアンモニア注入制御を実施した場合とにおける、電気集塵装置１６から排出される残留アンモニア濃度と時間との関係を示している。
【００７２】
同図によれば、時間とともに増加の傾向がある残留アンモニア濃度が時刻ｔ１を過ぎると不感帯設定幅を超える。すると従来の制御手段では、図９（ａ）に示す「ＣＬＢ」のカーブで残留アンモニア濃度が上昇し、許容上限値である「ＵＣＬ」値を超えてしまっていた。その後ｔ２を過ぎると硫黄分を多く含む燃料の燃焼状態が定常状態になるとともに監視員が手動で注入ノズルに設けられているダンパの開閉に関する制御を実施して、残留アンモニア濃度が許容範囲内に入るように制御するので残留アンモニア濃度「ＣＬＢ」は低下する。
【００７３】
これに対して本発明に係るアドバンスドアンモニア注入制御を実施することによって、残留アンモニア濃度を許容範囲内に収めることが可能となる。図９（ａ）の実施例では、不感帯の下限値を３５ｐｐｍ、不感帯の上限値を４５ｐｐｍとして説明する。時間ｔ１を過ぎてｔ２までの間において、残留アンモニア濃度３４が不感帯設定幅を超えると、不感帯演算器６４から「ΔＨＥ」の制御信号が出力されて修正制御を開始する。その結果、ＭＶ加算器７８にアンモニア注入量を減少させる信号を出力する。すると残留アンモニア濃度は自動的に減少するので、残留アンモニア許容濃度の上限値「ＵＣＬ」を超えることはない。また、残留アンモニア濃度が不感帯設定幅の下限値を超えた場合にも同様にアンモニア注入量を増す制御を実施するので、残留アンモニア濃度が許容下限値「ＬＣＬ」を下回ることはない。
【００７４】
図９（ｂ）は、不感帯演算器６４における入力値「ΔＥ」及び出力値「ΔＨＥ」と時間との関係を示している。
【００７５】
同図によれば、図９（ａ）で示したように残留アンモニア濃度が上昇すると、「ΔＥ」値も上昇する。しかし、時間ｔ１までは不感帯の上限値「ＵＤＢ」以下であるので「ΔＨＥ」出力値はゼロである。ところが、時間ｔ１からｔ２までの間では、「ΔＥ」値は不感帯の上限値「ＵＤＢ」以上であるので、同図に示す「ΔＨＥ」値が出力される。また、残留アンモニア濃度が減少して不感帯の下限値「ＬＤＢ」を下回った場合にも前記の場合と同様にして「ΔＨＥ」値を出力する。
【００７６】
図９（ｃ）は、比例微分コントローラ６６における比例動作「Ｐ動作」、微分動作「Ｄ動作」、比例＋微分動作「Ｐ＋Ｄ動作」と時間との関係を示している。
【００７７】
図９（ｂ）に示したように「ΔＨＥ」が出力されると、「ΔＨＥ」値の量に比例した「Ｐ動作」値が算出される。また同様に、「ΔＨＥ」値の変化量に比例した「Ｄ動作」値が算出される。比例微分コントローラ６６では、この「Ｐ動作」と「Ｄ動作」との値が加算されて「Ｐ＋Ｄ動作」の値を出力する。
【００７８】
図９（ｄ）は、アドバンスドアンモニア注入制御を実施しなかった場合のプログラムデマンド「ＳＶＢ」値と、アドバンスドアンモニア注入制御を実施した場合のアンモニアフローデマンド「ＳＶ」値と、時間との関係を示している。
【００７９】
図９（ｄ）に示されるプログラムデマンド「ＳＶＢ」値は、前記ＭＶ加算器７８でアドバンスドアンモニア修正信号３７を加算せずに、基本・過剰・動的アンモニア注入量系で算出した信号のみに基づいて算出されるアンモニア注入量制御信号３６と、時間との関係を示している。特に硫黄分を多く含む燃料の消費量が一定で、且つ、排ガス温度が一定である場合には、図９（ｄ）に示されるように「ＳＶＢ」値は一定値となる。
【００８０】
前述のとおり本発明では、ＭＶ加算器７８でアドバンスドアンモニア修正信号３７と基本・過剰・動的アンモニア注入量算出系からの信号とを加算して出力している。したがって、アドバンスドアンモニア注入制御を実施した場合のアンモニア注入量制御信号３６と、時間との関係は、図９（ｄ）に示されるアンモニアフローデマンド「ＳＶ」値のようになる。
【００８１】
このように、温度測定手段２０で測定した排ガスの温度と、測定した未反応の残留アンモニア濃度とに応じて必要アンモニア過剰濃度を算出し、これに基づいてアンモニア注入量を設定するので、排ガスの温度が変動した場合であっても、また、残留アンモニア濃度が多め又は少なめに偏っている場合であっても、適切にフィードバックされて適量のアンモニアを注入することができる。したがって、アンモニアの注入不足を防止することができるとともにアンモニアの過剰注入を最小限に抑えることができる。
【００８２】
上述の、アドバンスドアンモニア注入制御を用いることによって、アンモニア注入量を過不足なく安定した制御を実施することが可能である。ところが、前記推定ＳＯ３ 濃度算出系の基本アンモニア注入量を加算しない場合には、ボイラ１２の負荷が急激に変動する過渡期において、図１０（ｄ）に示すようなアンモニア注入不足領域やアンモニア注入過剰領域を生じることがある。
【００８３】
図１０（ａ）は、ボイラの燃料消費量と時間との関係を示している。
【００８４】
図１０（ｂ）は、ボイラの排ガス温度と時間との関係を示している。
【００８５】
図１０（ｃ）は、ボイラの負荷と時間との関係を示している。
【００８６】
図１０（ｄ）は、電気集塵装置から排出される残留アンモニア濃度と時間との関係を示している。
【００８７】
同図に示されるように、ボイラ１２の負荷が急に増加して燃料消費量が急増しても、排ガス温度が過渡特性によって燃料消費量に応じて増加しないような場合には、図１０（ｄ）に示されるように時間ｔ１１〜ｔ１２の間において残留アンモニア濃度が残留アンモニア不感帯の範囲を下回る可能性がある。
【００８８】
また逆に、ボイラ１２の負荷が急に減少して燃料消費量が急減した場合には、時間ｔ１３〜ｔ１４の間において残留アンモニア濃度が残留アンモニア不感帯の範囲を上回る可能性がある。ところが本発明では、上述のアドバンスドアンモニア注入制御に加えて、前記推定ＳＯ３ 濃度算出系から出力される基本アンモニア注入量を加算する制御と、基本アンモニア注入量に対する微分値に応じた値を加算する制御とを実施しているため、硫黄分を多く含む燃料を燃焼させた場合であっても常に適量のアンモニアを注入することが可能となる。したがって、ボイラ１２の急激な負荷増大時にはアンモニア注入量が加算され、ボイラ１２の急激な負荷減少時にはアンモニア注入量が減少するので、ＳＯ３ 濃度が燃焼の状態により変化した場合であっても適量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００８９】
なお、上述した実施の形態では、制御手段２６内に各演算機能を備えた例で説明したが、コンピュータ等を用いたデジタル制御手段としても一括制御を行うことによって本発明の目的を達成することが可能となる。
【００９０】
以下の表１に、本発明の構成要件となるアンモニア注入量の各種制御方法とその組み合わせによるケース番号との関係を表にまとめて示す。
【００９１】
【表１】
ボイラの使用燃料の硫黄分、運転形態、排ガス規制等の条件により、排煙処理装置に要求される最適な制御方法が異なる。以下の表２に、ボイラの各運転条件に要求される表１のケース番号を示すとともに本発明に係る請求項との関係をも示す。
【００９３】
【表２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の排煙処理装置によれば、基本アンモニア注入量に対して時間微分を行った信号に基づいて動的補正した注入アンモニアの注入量を制御するようにしたので、ボイラの運転状況や燃焼状況が急に変動した場合であっても適切な量のアンモニアを注入することが可能となる。
【００９５】
また、他の発明の形態によれば、排ガスに注入された注入アンモニアが濃度測定手段で測定されるまでの時間遅れの要素を加味した注入アンモニア濃度から残留アンモニア濃度を減算して推定三酸化硫黄濃度を算出するとともに基本アンモニア注入量を算出して注入アンモニアの注入量を制御しているので、硫黄分を多く含む燃料を燃焼させるとともにボイラの運転状況や燃焼状況が変動した場合であっても適切な量のアンモニアを注入することが可能となり、注入アンモニアの注入量が不足して電気集塵装置内で酸性硫安が発生したり、注入アンモニアの注入量が多過ぎて運転費用が増大することを防止できる。
【００９６】
また、他の発明の形態によれば、電気集塵装置から排出される排ガスに残留する残留アンモニア濃度と前記排ガスの温度とに基づいてボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要なアンモニア量補正値を算出し、基本アンモニア注入量と加算することによって注入アンモニアの注入量を制御するようにしたので、ボイラの運転状況や燃焼状況が変動した場合であっても常に適切な量のアンモニアを注入することが可能となる。更に、前記アンモニア量補正値を算出する際に、不要な動作を抑制する不感帯演算を実施し、比例演算又は比例微分演算を実施して制御出力を求めるとともに前記制御出力を一定に制限したアンモニア量補正値を演算するようにしたので、温度測定手段及び濃度測定手段の万一の故障時における前記制御出力の暴走を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排煙処理装置の実施の形態を示す概略構成図
【図２】本発明に係る排煙処理装置の制御回路の実施の形態を示す図
【図３】燃料消費量と必要アンモニア量との関係を示す図
【図４】排ガス温度と必要アンモニア過剰濃度との関係を示す図
【図５】本発明に係る排煙処理装置の制御回路の他の実施の形態を示す図
【図６】本発明に係る排煙処理装置のアドバンスドアンモニア制御系の制御回路の実施の形態を示す図
【図７】「ΔＥ」値と「ΔＨＥ」値との関係を示す図
【図８】「ΔＰＤ」値と「ＭＶ」値との関係を示す図
【図９】（ａ）は、残留アンモニア濃度と時間との関係を示す図
（ｂ）は、「ΔＥ」値及び「ΔＨＥ」値と時間との関係を示す図
（ｃ）は、比例微分コントローラにおける比例動作、微分動作、比例＋微分動作と時間との関係を示す図
（ｄ）は、デマンド値と時間との関係を示す図
【図１０】（ａ）は、ボイラの燃料消費量と時間との関係を示す図
（ｂ）は、ボイラの排ガス温度と時間との関係を示す図
（ｃ）は、ボイラの負荷と時間との関係を示す図
（ｄ）は、電気集塵装置から排出される残留アンモニア濃度と時間との関係を示す図
【符号の説明】
１０…排煙処理装置、１２…ボイラ、１６…電気集塵装置、２０…温度測定手段、２２…注入手段、２４…濃度測定手段、２６制御手段、３１…燃料消費量信号、３２…排ガス流量信号、３２Ａ…排ガス流量、３３…排ガス温度信号、３４…残留アンモニア濃度信号、３５…アンモニア注入量信号、３６…アンモニア注入量制御信号、３７…アドバンスドアンモニア修正信号、５０…ＦＸ演算器、５１…ＦＦＸ演算器、５２…ＧＸ演算器、５３…ＦＧＸ演算器、５４…ＦＧ加算器、６０…Ｆｔ演算器、６２…ΔＥ演算器、６４…不感帯演算器、６６…比例微分コントローラ、６８…上下限リミット、７８…ＭＶ加算器、９０…ＨＸ演算器、９２…ＩＸ演算器、９４…ＪＸ演算器、９５…微分手段、９６…微分手段、９７…スイッチ、１００…ＬＸ演算器、１０２…ＭＸ演算器、１０４…アドバンスドアンモニア制御系
Claims (8)
- ボイラから排出される排ガス中の三酸化硫黄に対し、電気集塵装置を保護するためにアンモニアを注入して中和処理した後、電気集塵装置によってダストを除去する排煙処理装置において、
ボイラに供給している燃料消費量を測定する燃料消費量測定手段と、
前記測定した燃料消費量と前記燃料に含まれるイオウ分とに基づいて前記ボイラから排出される三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、
前記基本アンモニア注入量を時間微分した信号をボイラから排出される三酸化硫黄の濃度レベルで補正する動的解析手段と、
前記動的解析手段により求めた値を前記基本アンモニア注入量に加算して動的補正した基本・動的アンモニア注入量を算出する手段と、
前記基本・動的アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする排煙処理装置。 - ボイラから排出される排ガス中の三酸化硫黄に対し、電気集塵装置を保護するためにアンモニアを注入して中和処理した後、電気集塵装置によってダストを除去する排煙処理装置において、
ボイラに供給している燃料消費量を測定する燃料消費量測定手段と、
前記測定した燃料消費量と前記燃料に含まれるイオウ分とに基づいて前記ボイラから排出される三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、
前記基本アンモニア注入量を時間微分した信号をボイラから排出される三酸化硫黄の濃度レベルで補正する動的解析手段と、
基本・過剰アンモニア注入量を算出するために前記排ガスの温度を測定する過剰用の温度測定手段と、
基本・過剰アンモニア注入量を算出するために前記測定した排ガス温度に基づいて、前記ボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要な過剰アンモニア分としての必要アンモニア過剰量を算出する手段と、
前記基本アンモニア注入量に前記算出した必要アンモニア過剰量を加算して基本・過剰アンモニア注入量を算出する手段と、
前記動的解析手段により求めた値を前記基本・過剰アンモニア注入量に加算して動的補正した基本・過剰・動的アンモニア注入量を算出する手段と、
前記基本・過剰・動的アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする排煙処理装置。 - ボイラから排出される排ガス中の三酸化硫黄に対し、電気集塵装置を保護するためにアンモニアを注入して中和処理した後、電気集塵装置によってダストを除去する排煙処理装置において、
推定三酸化硫黄濃度を算出するために前記電気集塵装置から排出される排ガス中に残留する残留アンモニア濃度を測定する推定用の濃度測定手段と、
ボイラから排出される排ガスに注入された注入アンモニアが前記推定用の濃度測定手段で測定されるまでの時間遅れの要素を加味して算出した注入アンモニア濃度から、前記推定用の濃度測定手段によって測定された残留アンモニア濃度を減算し、推定三酸化硫黄濃度を算出する推定三酸化硫黄濃度算出手段と、
前記算出した推定三酸化硫黄濃度と、ボイラに供給している燃料消費量から換算した排ガス流量若しくはボイラから排出された排ガス流量とに応じて前記ボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、
前記基本アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする排煙処理装置。 - ボイラから排出される排ガス中の三酸化硫黄に対し、電気集塵装置を保護するためにアンモニアを注入して中和処理した後、電気集塵装置によってダストを除去する排煙処理装置において、
推定三酸化硫黄濃度を算出するために前記電気集塵装置から排出される排ガス中に残留する残留アンモニア濃度を測定する推定用の濃度測定手段と、
ボイラから排出される排ガスに注入された注入アンモニアが前記推定用の濃度測定手段で測定されるまでの時間遅れの要素を加味して算出した注入アンモニア濃度から、前記推定用の濃度測定手段によって測定された残留アンモニア濃度を減算し、推定三酸化硫黄濃度を算出する推定三酸化硫黄濃度算出手段と、
前記算出した推定三酸化硫黄濃度と、ボイラに供給している燃料消費量から換算した排ガス流量若しくはボイラから排出された排ガス流量とに応じて前記ボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、
基本・過剰アンモニア注入量を算出するために前記排ガスの温度を測定する推定用の温度測定手段と、
基本・過剰アンモニア注入量を算出するために前記測定した排ガス温度に基づいて、前記ボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要な過剰アンモニア分としての必要アンモニア過剰量を算出する手段と、
前記基本アンモニア注入量に前記算出した必要アンモニア過剰量を加算して基本・過剰アンモニア注入量を算出する手段と、
前記基本・過剰アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする排煙処理装置。 - 前記基本アンモニア注入量の時間微分した信号を前記推定三酸化硫黄濃度レベルで補正した動的解析手段と、
前記動的解析手段により求めた値を前記基本アンモニア注入量又は、前記基本・過剰アンモニア注入量に加算して基本・動的アンモニア注入量又は基本・過剰・動的アンモニア注入量を算出する手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記基本・動的アンモニア注入量又は基本・過剰・動的アンモニア注入量に基づいて注入アンモニアの注入量を制御することを特徴とする請求項３又は４の排煙処理装置。 - アンモニア量補正値を算出するために前記排ガスの温度を測定する補正用の温度測定手段と、
前記補正用の温度測定手段が測定した排ガス温度に基づいて、アンモニア量補正値を算出するために前記ボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要な過剰アンモニア分としての必要アンモニア過剰濃度を算出する必要アンモニア過剰濃度算出手段と、
アンモニア量補正値を算出するために前記電気集塵装置から排出される排ガス中に残留する残留アンモニア濃度を測定する補正用の濃度測定手段と、
前記算出した必要アンモニア過剰濃度と前記補正用の濃度測定手段が測定した残留アンモニア濃度との差分値を算出する差分値算出手段と、該算出した差分値に対して不要な動作を抑制する不感帯演算を実施して演算結果を出力する不感帯演算手段と、該不感帯演算手段が算出した値に対して比例演算又は比例微分演算を実施して制御出力を求める比例演算手段と、前記補正用の温度測定手段及び前記補正用の濃度測定手段の万一の故障時の前記制御出力の暴走を防止するため前記制御出力を一定に制限したアンモニア量補正値を算出するリミット演算手段とから構成されるアンモニア補正量算出手段とを備え、
前記制御手段は、前記基本アンモニア注入量、前記基本・過剰アンモニア注入量、前記基本・過剰・動的アンモニア注入量又は前記基本・動的アンモニア注入量のいずれかと、前記アンモニア量補正値とに基づいて注入アンモニアの注入量を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の排煙処理装置。 - ボイラから排出される排ガス中の三酸化硫黄に対し、電気集塵装置を保護するためにアンモニアを注入して中和処理した後、電気集塵装置によってダストを除去する排煙処理装置において、
ボイラに供給している燃料消費量を測定する燃料消費量測定手段と、
前記測定した燃料消費量と前記燃料に含まれるイオウ分とに基づいて前記ボイラから排出される三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、
アンモニア量補正値を算出するために前記排ガスの温度を測定する補正用の温度測定手段と、
前記補正用の温度測定手段が測定した排ガス温度に基づいて、アンモニア量補正値を算出するために前記ボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要な過剰アンモニア分としての必要アンモニア過剰濃度を算出する必要アンモニア過剰濃度算出手段と、
アンモニア量補正値を算出するために前記電気集塵装置から排出される排ガス中に残留する残留アンモニア濃度を測定する補正用の濃度測定手段と、
前記算出した必要アンモニア過剰濃度と前記補正用の濃度測定手段が測定した残留アンモニア濃度との差分値を算出する差分値算出手段と、該算出した差分値に対して不要な動作を抑制する不感帯演算を実施して演算結果を出力する不感帯演算手段と、該不感帯演算手段が算出した値に対して比例演算又は比例微分演算を実施して制御出力を求める比例演算手段と、前記補正用の温度測定手段及び前記補正用の濃度測定手段の万一の故障時の前記制御出力の暴走を防止するため前記制御出力を一定に制限したアンモニア量補正値を算出するリミット演算手段とから構成されるアンモニア補正量算出手段と、
前記基本アンモニア注入量と前記アンモニア量補正値とに基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする排煙処理装置。 - ボイラから排出される排ガス中の三酸化硫黄に対し、電気集塵装置を保護するためにアンモニアを注入して中和処理した後、電気集塵装置によってダストを除去する排煙処理装置において、
ボイラに供給している燃料消費量を測定する燃料消費量測定手段と、
前記測定した燃料消費量と前記燃料に含まれるイオウ分とに基づいて前記ボイラから排出される三酸化硫黄を中和するのに最低限必要とされる基本アンモニア注入量を算出する手段と、
基本・過剰アンモニア注入量を算出するために前記排ガスの温度を測定する過剰用の温度測定手段と、
基本・過剰アンモニア注入量を算出するために前記測定した排ガス温度に基づいて、前記ボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要な過剰アンモニア分としての必要アンモニア過剰量を算出する手段と、
前記基本アンモニア注入量に前記算出した必要アンモニア過剰量を加算して基本・過剰アンモニア注入量を算出する手段と、
アンモニア量補正値を算出するために前記排ガスの温度を測定する補正用の温度測定手段と、
前記補正用の温度測定手段が測定した排ガス温度に基づいて、アンモニア量補正値を算出するために前記ボイラから発生する三酸化硫黄を中和するのに必要な過剰アンモニア分としての必要アンモニア過剰濃度を算出する必要アンモニア過剰濃度算出手段と、
アンモニア量補正値を算出するために前記電気集塵装置から排出される排ガス中に残留する残留アンモニア濃度を測定する補正用の濃度測定手段と、
前記算出した必要アンモニア過剰濃度と前記補正用の濃度測定手段が測定した残留アンモニア濃度との差分値を算出する差分値算出手段と、該算出した差分値に対して不要な動作を抑制する不感帯演算を実施して演算結果を出力する不感帯演算手段と、該不感帯演算手段が算出した値に対して比例演算又は比例微分演算を実施して制御出力を求める比例演算手段と、前記補正用の温度測定手段及び前記補正用の濃度測定手段の万一の故障時の前記制御出力の暴走を防止するため前記制御出力を一定に制限したアンモニア量補正値を算出するリミット演算手段とから構成されるアンモニア補正量算出手段と、
前記基本・過剰アンモニア注入量と前記アンモニア量補正値とに基づいて注入アンモニアの注入量を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする排煙処理装置。
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