JPS6312650B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、事業用ボイラなどの排ガス中の
NOxを、触媒を充填した反応器内でNH₃と接触
還元反応させることによつて、脱硝する乾式脱硝
装置のNH₃注入量制御方法に関する。

背景技術 従来からの乾式脱硝装置においては、脱硝率あ
るいはNH₃注入量と排ガス中のNOx量との比
NH₃／NOxを直接の制御対象として、反応器に
注入するNH₃量を制御している。ボイラ排ガス
中のNOx濃度は、通常ボイラ負荷の変動に伴な
つて変化するので、反応器出口でのNOx濃度規
制値を満足するためには、排ガス中のNOx濃度
が高いときを基準にして脱硝率あるいはNH₃／
NOxが選定される。そのため、排ガス中のNOx
濃度が低くなつたときには、上記のように脱硝率
あるいはNH₃／NOxが一定に保たれているため
に、過剰脱硝となり、NH₃が必要以上に浪費さ
れることになる。また、それに伴なつて反応器出
口の残留NH₃濃度も増加する。この残留NH₃濃
度がある値以上になると、反応器に後続する設備
にスケーリング等の悪影響が及ぼされる。

或る先行技術では、残留NH₃濃度を所定値以
下に抑えるために、反応器出口のNH₃濃度を
NH₃分析計を用いて測定し、残留NH₃濃度が所
定値を超えたときには、この残留NH₃濃度が所
定値以下となるようにNH₃注入量を制御してい
る。このNH₃分析計としては、現在化学発光法
を利用したものが市販されているが、現状では信
頼性に乏しい。したがつて、このようなNH₃分
析計を制御系に組込むことは、逆に制御系を乱す
ことにもなりかねず、好ましくない。

第３図は、他の先行技術（特開昭53−33977）
における制御系の系統図で、これをブロツクダイ
ヤグラムとして表したものである。２１は排ガス
の入口、２３は脱硝処理後の排出ガスの出口を示
す。２２は脱硝プラントの中枢となる反応塔であ
つて、NH₃ボンベ２９からバルブ２８（粗レベ
ル）、バルブ２７（精レベル）を通してNH₃が導
入される。２４は排ガス総入量測定のためのセン
サー、２５は排ガス中のNOx濃度検出用センサ
ー、２６は排ガス中のNOx濃度検出用センサー
である。参照符32〜37は、動作ステツプを示す。

２１→２２→２３の脱硝プロセスにおける導入
NH₃量の自動供給制御を行なうにあたり、２４，
２５，２６の各センサーからの信号を入力して次
式のプログラムに従う第３図のブロツクダイヤグ
ラムの流れで導入NH₃量の制御を行なう。

Ｋ＊Ｖ＊Ｃ−Ａ＝Ｅ Ｅ→ε（ε＞０） 排ガス総入量（Ｖ）、該排ガス中のNOx濃度(C)
および脱硝処理後の排ガス中の残留NOx濃度(E)
を変動入力とする。Ａは導入NH₃量である。Ｋ
は制御系の精度に関する可変定数で本発明におけ
る自動制御系のソフトウエアで重要な意味を有す
るものである。εはノンゼロ（non−zero）、ノ
ンネガテイブ（non−negative）の非常に小さな
値を示す。

プロセス稼動時の最初はＶ、Ｃのデジタル量を
測定し、Ｋ＝1.0として、Ｋ＊Ｖ＊Ｃを計算し、
この数量に対応したバルブ２８（粗レベル）を開
口する。次にセンサー２６によつて残留NOx濃
度Ｅを検出し、Ｅの値が精レベルで制御しうるか
どうかの判定を行ない、もし精レベル制御の範囲
外であればバルブ２８をさらに開くか、閉じるか
によつてＫの値を１ランクだけ＋あるいは−のい
ずれかの方向に変更して、その時点でのV′、
C′を改めてＶ、Ｃとし再びＫ＊Ｖ＊Ｃを計算し、
バルブ２８をコントロールする。このフイードバ
ツク制御を繰り返して粗レベルが設定されると、
２２→２６→２７の精レベルでのNH₃量の供給
がバルブ２７によつて行なわれる。この精レベル
でのNH₃供給はフイードフオワード制御であつ
て、この回路に含まれた判断部分によつて、精レ
ベルでの制御が能力オーバーになると、再度Ｋの
値を変更して粗レベル制御を行なうことになる。
つまりフイードバツク制御とフイードフオワード
制御を多重に繰り返しながらNH₃ボンベのバル
ブ２７と２８が開閉され、反応塔２２に有効限界
のNH₃量が時変的に導入され、脱硝プラント２
１→２２→２３のプロセスの自動化システムが完
遂される。

この先行技術によれば、反応塔中へ導入される
NH₃量は有効限界量として供給されるように制
御系が形成されているため、未反応のNH₃が素
抜けとなつて排出することは阻止しうるので、二
次公害を生起するおそれがない。

このような先行技術は脱硝処理後の排ガス中の
残留NOx濃度を変動入力の１つとして、この値
が精レベルでの制御（フイードフオワード制御）
をしうるかどうかの判定を行ない、不可の場合は
精レベルでの制御が可能なまでの粗レベルでの制
御（フイードバツク制御）を行なうというフイー
ドフオワード制御と、フイードバツク制御の組み
合わせによるものである。

この先行技術では、脱硝処理後におけるNOx
濃度を検出してフイードフオワード制御とフイー
ドバツク制御とを交互に行なつている。したがつ
て脱硝処理が行なわれるべきガスのNOx濃度が
急激に変化したときにおいて、脱硝処理後におけ
るNOx濃度を検出して上述の制御を行なうので
反応速度が悪いという問題がある。

発明が解決すべき問題点 本発明者等は、脱硝触媒量を適正に選択し、か
つ反応器出口のNOx濃度を所定値に保つことに
よつて、排ガス流量および温度の変化に拘らず、
残留NH₃濃度を所定値以下に常に抑え得る点に
注目し、上述の技術的課題を解決すべく研究し
た。その結果、ボイラ負荷の変動などの外乱を受
けても、反応器出口NOx濃度を所定値に常に保
つことができるNH₃注入量制御方法を開発すれ
ば、上述のごとき残留NH₃濃度の問題も同時に
解決できるという結論に達した。

本発明は、上述の観点に基づいて発明されたも
のであり、反応器出口NOx濃度を制御対象とす
ることによつて、(a)反応器出口のNOx濃度を所
定値に保ち、(b)残留NH₃を所定値以下に保ち、
かつ(c)NH₃消費量を必要最小限に抑え得るNH₃
注入量制御方式を提供するものであり、脱硝処理
されるべき排ガスのNOx濃度が急激に変化した
ときにおいても、応答速度を向上して脱硝を行な
うことができるように改良した乾式脱硝装置にお
けるNH₃注入量制御方法を提供することを目的
とする。

発明の構成 本発明は、触媒を充填した反応器内で排ガス中
のNOxをNH₃ガスと接触還元反応させて脱硝す
る乾式脱硝装置におけるNH₃注入量制御方法に
おいて、 NH₃注入量F_Aを、反応器入口のNOx濃度C_N
ｉ、反応器出口の予め設定したNOx濃度C_NOset、
排ガス流量F_G、ならびに排ガス温度Ｔおよび排
ガス流量F_Gに依存する補正関数（Ｔ、F_G）から
成る式 F_A＝（Ｔ、F_G）・（C_Nｉ−C_NOset）・F_G によつて算出したフイードフオワード制御するた
めの信号と、 反応器出口NOx濃度が反応器出口の予め設定
したNOx濃度になるようにするためのフイード
バツク補正信号と、排ガス流量信号とを掛算して
得られた値を表す信号とを、 加算し、この加算値に基づいてNH₃流入量を
制御することを特徴とする乾式脱硝装置における
NH₃注入量制御方法である。

作 用 本発明に従えば、フイードフオワード制御する
ためのNH₃注入量F_Aを表す信号を演算すること
によつて、反応器入口のNOx濃度が急激に変化
したときにおいても迅速に脱硝を行なうことがで
き、応答速度を向上することができる。

しかも、反応器出口のNOx濃度を高精度で一
定に保つために、予め設定したNOx濃度C_NOset
と反応器出口のNOx濃度C_NOとの差であるフイー
ドバツク補正信号FB（＝C_NOset−C_NO）を演算し
て求める。

仮に、このフイードバツク補正信号を直接に用
いてNH₃注入量を定めてフイードバツク制御を
行なうとすれば、排ガス流量が或る一定の値にお
いてNH₃濃度が変化したときのみ反応器出口
NOx濃度を一定に保つことができるけれども、
排ガス流量が変動すると、反応器出口のNH₃濃
度がオーバシユートしたり前記予め設定した
NOx濃度になるのに時間がかかつたりするとい
う問題が生じる。

この問題を解決するために本発明では、フイー
ドバツク補正信号FBと、排ガス流量F_Gを表す信
号とを掛算してその積Ａ（＝F_G・FB）を演算す
る。

こうしてフイードフオワード制御するための
NH₃注入量F_Aを表す信号と、フイードバツク制
御を行なう前述の積Ａを表す信号とを、加算して
NH₃注入量を制御する。こうして応答性を向上
し、高精度で反応器出口NOx濃度を制御するこ
とが可能になる。

実施例 以下、本発明について詳細に説明する。制御対
象たるNOxの濃度を測定するNOx分析計を、反
応器出口に設けた場合には、反応器入口に設けた
場合に比べて、NOxを含むガスが反応器を通過
しながらNH₃と反応する時間だけ、NOxの濃度
の制御が遅れることになる。そのため反応器出口
のNOx濃度をフイードバツクするだけの通常の
制御系では、ボイラ負荷変動等の急激な外乱に対
して、制御系の追従が困難である。

そこで、本発明者等は、排ガス流量、反応器入
口NOx濃度および排ガス温度から脱硝に必要と
されるNH₃注入量を推定し得る第１式を用いて、
フイードフオワード制御を構成する制御方法を開
発した。

F_A＝（Ｔ、F_G）・（C_Nｉ−C_NOset）・F_G×10^-6
……(1) ここで、F_A；脱硝に必要とされるNH₃注入量
（Ｎm³／Ｈ）、F_G；排ガス流量（Ｎm³／Ｈ）、Ｔ；
反応器入口排ガス温度（℃）、C_Nｉ；反応器入口
NOx濃度（ppm）、C_NOset；反応器出口のNOx濃
度設定値（ppm）、（Ｔ、F_G）；排ガス温度およ
び流量による脱硝率変化の補正関数である。

このような第１式を用いることによつて、
NH₃注入量の推定が可能となり、反応器出口の
NOx濃度をフイードバツクするだけの通常の制
御系に比べて、急激な外乱に対してもフイードフ
オワード制御によつてNH₃注入量を先行的に変
化させ出口NOx濃度の変化をおさえることがで
きる。

しかし、第１式から推定された必要NH₃注入
量と実際に必要とされるNH₃注入量との差や、
脱硝触媒の活性の変化などの種々の特性の変化に
よつて、反応器出口のNOx濃度が所定値からず
れることは避けられない。そこで、前述のフイー
ドフオワード制御に、反応器出口NOx濃度のゲ
イン補正したフイードバツク制御を組合せて構成
する。

なおゲイン補正の必要な理由は以下に述べる通
りである。本発明者等の解析によると、NH₃注
入量を微小変化させたときの反応器出口のNOx
濃度の変化割合（すなわち後述のように定義した
プロセスゲインKp）は、第９式で示すように排
ガス流量F_Gの逆数に比例することが明らかにな
つた。

排ガス中に含まれるNOx量は反応器内に注入
されるNH₃量により、理想的には比例的に還元
される。この反応器内に送り込まれるNOx量を
一定とした場合、NH₃注入量を増加（減少）し
ていくと、還元されるNOx量も一定の割合で増
加（減少）、すなわち反応器出口でのNOx濃度は
減少（増加）してくる。この変化割合を本件明細
書では「プロセスゲイン」と称して定義し、次の
第２式の関係式で示す。

実際の脱硝装置においてはボイラの負荷状態に
よつて反応器入口のNOx量が変化するため、反
応器出口のNOx濃度が一定になるように制御し
ようとすれば、従来のフイードバツク制御ではプ
ロセスゲインを変化させることになる。本発明で
は、プロセスゲインが変化することはフイードバ
ツク制御系の安定性の面で好ましくないため、プ
ロセスゲインの変化を排ガス流量で補正するので
ある。

Kp＝｜ΔC_NO／ΔF_A｜ ……(2) ここで、ΔC_NOは反応器出口のNOx濃度の変化
量であり、ΔF_AはNH₃注入量の変化量である。
NH₃注入量をF_A（Ｎm³／Ｈ）とし、反応器入口
NOx量をＧ（Ｎm³／Ｈ）とし、 F_A／Ｇ＝α ……(3) とおく。脱硝率ηは、α＜１のとき近似的に、 η≒Ｋ・α ……(4) で表わされる。ここでＫは定数である。

反応器内での脱硝率を考えた場合、α≧１に選
定すると、すなわちNH₃の注入量は、化学量論
的にみてNOx量と１対１またはそれ以上とする
と、次の問題点(a)、(b)が発生する。

(a) 反応器内での脱硝率ηが100％となることを
期待することはできるとしても、余分に注入さ
れたNH₃は残留NH₃として系外に排出される
ことによつて、２次公害が発生する。すなわち
脱硝装置においては、α≧１に選定すると、
NH₃が必要以上に消費されるばかりでなく、
残留NH₃が２次公害の原因となることになり、
残留NH₃を処理するための２次装置が必要に
なる。

(b) また余分にNH₃を注入することによつて、
酸性硫安が生じ、したがつてガス通路にその酸
性硫安が付着して閉塞を生じるという重要な問
題が発生する。

したがつて従来から、また本発明でも、α＜１
とする。上述の第４式における脱硝率ηは、反応
器内での触媒の働きによる効率であり、脱硝装置
では、この第４式が成り立つように、すなわちα
＜１で、反応器を用いている。

排ガス中に含まれるNOxの量Ｇは、 Ｇ＝C_Nｉ・F_G×10^-6 ……(5) であり、反応器出口のNOx濃度C_NOは C_NO×（１−η）・C_Nｉ ……(6) である。第６式および第４式から反応器出口の
NOx濃度の変化量ΔC_NOは、第７式で表わされ
る。

ΔC_NO＝−Δη・C_Nｉ＝−Ｋ・Δα・C_Nｉ ……(7) また、NH₃注入量の変化量ΔF_Aは第５式から ΔF_A＝Ｇ・Δα＝C_Nｉ・F_G・Δα×10^-6 ……(8) で表わされる。前述の第５式および第６式は、反
応器においてα＜１の選定条件下で、触媒の働き
によつて、成立するように、反応器が設計されて
いる。また第７式および第８式では、NH₃注入
量に対して、還元されるNOx量の変化に関する
式であつて、NOx濃度の変化は、排ガス中の
NOx量が還元される割合が変化することによつ
て、成り立つ。

第７式および第８式を第２式に代入すると、 Kp＝｜−Ｋ・Δα・C_Nｉ｜／｜C_Nｉ・F_G・Δα×10^-6｜
∝｜Ｋ／F_G｜……(9) となる。プロセスゲインKpが変化すると、フイ
ードバツクループの安定度が変化し、制御系にと
つては好ましくない。そのため第９式の結果をも
とに排ガス流量信号をフイードバツク補正信号に
掛算することによつてプロセスゲインKpの変化
を補正し、フイードバツクループの制御性を大幅
に改善した。

以下、本発明による制御系の一実施例を第１図
に基づいて説明する。ボイラ排ガスは入口ダクト
Ａを介して反応器Ｂに導入され、脱硝された後、
出口ダクトＣに導出される。入口ダクトＡには、
NH₃ガス供給装置ＤからNH₃ガスが供給される。
入口ダクトＡには、排ガス流量計１、および
NOx濃度計２が備えられる。反応器Ｂには、排
ガス温度計３が設けられ、出口ダクトＣには
NOx濃度計４が設けられる。NH₃ガス供給装置
ＤからNH₃ガスを導く管路１３の途中には、
NH₃ガス流量計５およびNH₃ガス流量調節弁６
が備えられる。

排ガス流量計１、NOx濃度計２および排ガス
温度計３によつて計測された排ガス流量F_G、反
応器入口NOx濃度C_Nｉおよび排ガス温度Ｔの信
号は、演算装置９に伝送される。この演算装置９
においては前述の第１式に基づいてアンモニア注
入量F_Aが算出され、この信号は加算器８に入力
される。この信号がフイードフオワード信号であ
る。

一方、NOx濃度計４によつて計測された反応
器出口NOx濃度C_NOの信号は、NOx濃度調節計
１０に伝送され、反応器出口NOx濃度が予め設
定した値C_NOsetを表す信号１２に等しくなるよう
なフイードバツク補正信号がNOx濃度調節計１
０から導出され、このフイードバツク補正信号
FB（＝C_NOset−C_NO）は、掛算器７に入力される。
NOx濃度調節計１０は、その出力をNH₃ガス流
量調節計１１の流量の設定値として与えるもので
あり、比例積分（PI）調節が行なわれる。この
PI調節動作による信号に、排ガス流量信号を掛
算器７で補正することが、すなわち、プロセスゲ
インの補正を行なうことである。すなわちこの制
御系では、プロセスゲインの補正を行なうことに
よつて、負荷の変動に対する応答性を向上してい
る。次に述べるように、排ガス流量が増加（減
少）したときは、NH₃ガス流量調節ループのゲ
インは増加（減少）するように補正する。したが
つて前述の先行技術におけるように、NOx濃度
計のみによるフイードバツク制御に比べて、本件
の制御系では応答性を向上することが可能とな
る。

掛算器７において、プロセスゲインKpを補正
するために排ガス流量計１からの排ガス流量F_G
を表す信号と前述のフイードバツク補正信号F_B
とが掛算され、その積Ａを表すフイードバツク信
号を、加算器８に与える。

Ａ＝F_G・F_B＝F_G（C_NOset−C_NO） ……(10) 加算器８において、演算装置９からのフイード
フオワード信号F_Aと、掛算器７からのフイード
バツク信号Ａとが、加算された後、NH₃ガス流
量調節計１１の設定値信号Ｂとして出力される。

Ｂ＝F_A＋Ａ ……(11) NH₃ガス流量調節計１１では、前述の設定値
信号Ｂと、NH₃ガス流量計５で測定されたNH₃
ガス流量とが比較され、NH₃ガス流量が設定値
信号Ｂに等しくなるようにNH₃ガス流量調節弁
６の開度が調節される。

このようなフイードフオワード制御とフイード
バツク制御とを組合せて、NH₃注入量を第１図
示の実施例において制御した本件発明者による実
験結果を第２図に示す。第２図１のごとく排ガス
流量が1800Nm³／Ｈからランプ状に2700Nm³／Ｈ
に変化すると、反応器入口NOx濃度は第２図２
のごとく300ppmから400ppmに追従変化する。し
かし反応器出口NOx濃度は第２図３に示すごと
く±5ppmの変動が見られるもののほぼ定常的に
50ppmを維持していることが判つた。

効 果 上述のごとく本発明によれば、プロセスゲイン
を補正したフイードバツク制御と、NH₃注入量
が第１式によつて算出されるフイードフオワード
制御との組合せによつて、NH₃注入量を制御す
るようにしたので、外乱の影響を受けても反応器
出口のNOx濃度を確実に所定値に保つことがで
きる。この結果反応器出口のNOx濃度を所定値
に保つとともに、NH₃分析計等の特殊な計器を
使用せずに、同時に残留NH₃量も所定値未満に
抑えることができ、しかも過剰脱硝による無駄な
NH₃消費がなくNH₃注入量を必要最小限に抑え
ることが可能になる。

特に本発明では、フイードフオワード制御のた
めには反応器入口のNOx濃度が用いられ、反応
器出口のNOx濃度によつてフイードフオワード
制御を行なうものではないので、脱硝処理される
べき排ガスのNOx濃度が急激に変化した場合に
おいても、迅速に脱硝を行なうことができ、応答
速度を向上することができる。

フイードフオワード制御のための信号F_Aには、
フイードバツク制御のためのフイードバツク補正
信号F_Bと排ガス流量信号F_Gとが掛算して得られ
た値Ａを表す信号とが、加算（＝F_A＋Ａ）され
るようにしたので、反応器出口のNOx濃度を高
精度で一定にすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体の系統図、第
２図は第１図の制御系でNH₃注入量を制御した
実験結果を示すグラフ、第３図は先行技術の系統
図である。 １……排ガス流量計、２，４……NOx濃度計、
３……排ガス温度計、５……NH₃ガス流量計、
６……NH₃ガス流量調節弁、７……掛算器、８
……加算器、９……演算装置、１０……NOx濃
度調節計、Ｂ……反応器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 触媒を充填した反応器内で排ガス中のNOx
   をNH₃ガスと接触還元反応させて脱硝する乾式
   脱硝装置におけるNH₃注入量制御方法において、 NH₃注入量F_Aを、反応器入口のNOx濃度C_N
   ｉ、反応器出口の予め設定したNOx濃度C_NOset、
   排ガス流量F_G、ならびに排ガス温度Ｔおよび排
   ガス流量F_Gに依存する補正関数（Ｔ、F_G）から
   成る式 F_A＝（Ｔ、F_G）・（C_Nｉ−C_NOset）・F_G によつて算出したフイードフオワード制御するた
   めの信号と、 反応器出口NOx濃度が反応器出口の予め設定
   したNOx濃度になるようにするためのフイード
   バツク補正信号と、排ガス流量信号とを掛算して
   得られた値を表す信号とを、 加算し、この加算値に基づいてNH₃流入量を
   制御することを特徴とする乾式脱硝装置における
   NH₃注入量制御方法。