KR100294991B1 - 연소과정으로부터배출되는배기가스의질소산화물의함량을감소시키기위하여투여되는처리물질의양을제어하기위한방법및장치 - Google Patents

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Abstract

연소과정으로부터 배출되는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상기 방법은 평균 질소산화물의 함량과 투여되는 물질의 양을 질소산화물의 함량의 함수로서 계산하고, 투여되는 물질의 제2의 제어된 값을 처리물질 슬립의 함수로서 계산하고, 상기 제1의 제어된 값 또는 제2의 제어된 값 중의 하나만을 평균 질소산화물의 함량의 함수로서 투여되는 물질의 제어된 값으로 이용한다.

Description

연소과정으로부터 배출되는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 연소과정에서 발생되는 베기 가스중의 질소 산화물의 농도를 감소시키기 위하여 투입되는 처리 매질(treatment medium)의 양을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
질소 산화물을 감소시키기 위하여 연소 공정으로부터 배출되는 배기가스를 처리하는 경우에는 환원 촉매 변환기의 상류에서 배기 가스흐름에 암모니아를 공급하거나(SCR 공정), 또는 암모니아 및/또는 온도의 영향하에 암모니아 또는 암모니아 혼합물을 생성하는 물질(예컨대 우레아, 우레아 염 또는 이와 유사한 물질)을 제2 연소실 내에서 배기가스 흐름에 분사하는 방법(SNCR 공정)이 사용되어왔다. 양 경우에 있어서, 질소 산화물의 환원 반응에 소모되지 않은 과잉의 암모니아는 배기 가스 내에서 소위 암모니아 슬립(slip)으로 배출되어 환경오염을 유발시키게된다.
EP0 549 904 호에는 연소과정에서 배출되는 배기가스의 질소산화물의 농도를 감소시키기 위하여 투여되는 처리매질의 양을 제어하기 위한 방법이 개시되어있는데, 여기에서는 질소 산화물만이 아니라 소모되지 아니한 암모니아의 양을 가능한 한 낮게 유지하도록 하고 있다. 그러나 이러한 방법은 그 목적이 암모니아 슬립의 방출을 가능한 한 낮게 유지하기 위한 것이므로 배기 가스 중의 질소 산화물의 양이 증가할 경우에는 이를 허용하여야 하는 단점이 있었다. 특히 질소 산화물의 배출량이 법적으로 규제되는 양을 초과하는 경우에는 상기 방법은 더욱 불합리하게 된다.
도 1은 연소과정을 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 제어장치의 제 1 실시예를 나타내는 개략도.
도 3은 제어장치의 제 2 실시예를 나타내는 개략도.
도 4a는 제 1 작동모드에서의 슬립 조절기를 나타내는 개략도.
도 4b는 제 2 작동모드에서의 슬립 조절기를 나타내는 개략도.
본 발명의 목적은 연소 공정으로부터 배출되는 배기 가스 중의 산화질소의 양을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질, 예컨대 암모니아의 양을 조절할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것으로서, 상기 방법은 특히 설정된 제한치를 충족할 수 있는 개선된 특성을 갖는다.
이러한 본 발명의 목적은 청구범위 제1항에 기재된 특성에 의하여 이루어진다. 종속항인 청구범위 제2항 내지 제6항은 본 발명의 또 다른 특징 또는 개선점에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 또한 청구범위 제7항에 기재된 특징을 갖는 제어장치에 의하여 달성될 수 있다.
본 발명의 목적은 연소과정에서 배출되는 배기가스 중의 질소산화물의 양을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질, 특히 암모니아의 양을 조절하되, 질소산화물의 평균적인 양과 투여되는 양의 제1의 조절된 변수가 질소산화물의 양의 함수로서 발생되고, 투여되는 양의 제2의 조절된 변수가 처리물질의 슬립의 함수로서 발생되고, 상기 제1의 조절된 변수만이, 또는 제2의 조절된 변수가 질소산화물의 평균적인 양의 함수로서 고려되는 방법에 의하여 달성되게된다.
특히 법적으로 규정된 제한치에 부합되도록 하기 위하여, 배출되는 질소산화물의 함량은 연속적으로 측정하며, 평균 질소산화물의 함량은 특정된 제한치에 따라 예컨대 30분 동안 또는 24시간 동안 주기적으로 재 계산한다.
질소산화물의 함량 외에도 처리물질의 슬립도 측정하며, 이로부터(필요에 따라) 예컨대 24시간 동안의 평균값인 평균치를 계산한다.
본 발명에 따른 제어장치는 두 개의 상이한 작동모드를 갖는다. 배출 기준을 초과할 우려가 없는 제 1 작동 모드 중에는 투여되는 암모니아의 제1 가변 값을 질소산화물 조절기를 이용하여 측정된 질소산화물의 값의 함수로서 계산하고, 투여된 암모니아의 제2 가변치를 슬립 조절기를 이용하여 측정된 암모니아 슬립의 함수로서 계산한다. 상기 두 개의 조절기의 하류에 연결된 최소치 선정장치를 이용하여 투여되는 암모니아의 양을 제어하기 위하여 제1의 제어된 값과 제2의 제어된 값의 두 개의 값 중에서 보다 적은 값을 선택하며, 이에 의하여 암모니아의 소비를 줄일 수 있어 결과적으로 암모니아 슬립의 양을 줄일 수 있게된다. 본 제어장치는 특히 질소산화물의 방출량이 기준치를 초과하는 경우와 같이 설정된 한계를 초과할 우려가 있는 경우에는 즉시 제2의 작동모드로 전환된다. 평균 질소함량은 계속 측정하고 이를 설정된 제한치와 비교한다. 질소산화물의 함량이 기준치를 초과하는 즉시 제어장치는 제2 작동모드로서 작동되는데, 작동모드를 변경시키게 하는 상기 기준치는 법적으로 제한된 배출기준치 이하로 하는 것이 좋은데 이는 안전구역을 확보할 수 있도록 하기 위한 것이다. 제2 작동모드에서는 질소산화물 조절기에 의하여 발생된 제1의 제어된 값만이 투여되는 암모니아의 양을 조절하는데 이용되는데, 이는 순수가스 내의 질소산화물의 함량을 가능한 한 낮게 유지하기 위한 것이다.
본 발명의 방법의 하나의 장점은 제1 작동모드에서 질소산화물의 함량 및 연소실로부터 배출되는 배기가스 중의 소모되지 아니한 암모니아의 함량(암모니아 슬립)이 낮게 유지되고, 질소산화물의 배출량이 높아지는 기간에는 제2 작동모드로 작동되어 이 동안에는 특히 질소산화물의 배출기준과 관련된 설정된 기준치에 적합하도록 질소산화물의 함량만을 가능한 한 낮게 유지한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 적합한 실시예를 설명한다.
도1에 도시된 연소장치(1)는 공급라인을 통하여 연료(7)가 공급되는 한편 또 다른 공급라인을 통하여는 처리물질(8a)이 공급되는 연소장치(2)를 갖는데, 특히 처리물질(8a)의 유량은 도2 및 도3에 도시된 바와 같은 제어구(8) 및 제어장치(30)에 의하여 조절된다. 도시된 실시예에서, 처리물질(8a)로는 암모니아가 사용된다.연소장치(2)로부터 발생되는 배기가스(5a)는 보일러(3)로 유입된 후, 처리되지 아니한 가스(5b) 상태로 상기 보일러로부터 배출되며, 연도가스 세정장치(4)를 통과한 후 청정가스(5c) 상태로 굴뚝을 통과하여 대기 중으로 방출된다. 암모니아를 측정하기 위한 측정장치(9)는 연결라인(9a)을 통하여 통과되는 처리되지 아니한 가스(5b)에 연결되며, 측정된 처리물질 슬립(암모니아 슬립)(9b)은 전기적 신호로서 하류의 제어장치(30)로 공급된다. 질소산화물을 측정하기 위한 측정장치(10)도 마찬가지로 연결라인(10a)을 통하여 관통되는 처리되지 않은 가스(5b)에 연결되며, 처리되지 않은 가스(5b)의 측정된 질소산화물의 함량을 전기적 신호로서 하류의 제어장치(30)로 공급한다. 정화된 가스(5c)의 질소산화물의 함량은 연결라인(11a)을 통하여 또 다른 질소산화물 측정장치(11)를 이용하여 측정한다. 이와 같이 측정된 질소산화물의 함량(11b)은 전기적 신호로서 역시 하류의 제어장치(30)로 공급된다.
도2는 제어장치(30)의 제1 실시예를 도시한 도면이다. 정화된 가스의 측정된 질소산화물의 함량(11b)은 질소산화물 조절기(14)로 공급되는데, 이는 설정된 공칭 질소산화물 함량치(11c)를 고려하여 제어된 가변치(14b)를 생성하고 이는 다시 슬립조절기(13)와 최소값 선택장치(12)로 공급된다. 정화된 가스(5c) 내의 측정된 질소산화물의 값의 함수로서 질소산화물 조절기는 연도가스로부터 질소를 제거하기 위한 암모니아수를 계량할 수 있도록 제어된 값(14b)을 생성하게된다.
처리되지 않은 가스(5b) 내의 측정된 암모니아 슬립(9b)은 슬립조절기(13) 로 공급되며, 상기 슬립조절기는 공칭 암모니아 슬립 값(9c)을 고려하여 연도가스로부터 질소를 제거하기 위하여 공급되는 암모니아수를 계량하기 위한 제2의 제어된 값(13b)을 생성하며, 이와 같이 생성된 제2의 제어값은 마찬가지로 최소치 선택장치(12)로 공급된다. 슬립조절기(13)에 의하여 생성된 제어값(13b)은 질소가 이미 제거된 처리되지 않은 가스(5b)로부터 측정한 암모니아 슬립이 설정된 공칭값을 초과할 경우에는 암노이아수의 계량값을 낮추게된다. 따라서 제2의 제어된 값(13b)은 측정된 암모니아 슬립(9b)이 증가되면 첨가된는 암모니아수의 양을 적게하는 결과를 초래하게된다.
상기 두 개의 가변치(13b) 및 (14b)는 최소치 선택장치(12)에서 상호 비교되고, 두 개의 값 중 작은 값은 제어된 값으로서 하류 흐름 조절기(17)로 공급된다. 상기 흐름 조절기(17)는 제어된 값(12b)에 의하여 설정되고 흐름 조절기(17)에 공칭 값으로 규정된 암모니아수의 유량이 전달될 수 있도록 이용되는데, 이는 암모니아의 유량을 센서(도시 안됨)를 이용하여 측정한 후 이를 실제값(12c)으로서 흐름 조절기(17)에 공급하여 흐름조절기가 제어된 값(17a)을 통하여 예컨대 계량펌프로 구성된 계량장치(8)와 같은 제어구(8)를 구동시켜 제어된 값(12b)에 의하여 설정되는 암모니아의 양이 연소장치(2)로 공급되도록 함으로써 달성된다.
도 2에 도시된 제어장치(30)는 평균화 장치(16)를 또한 갖는데, 이는 측정된 질소산화물의 함량으로부터 시간에 대한 평균값을 생성하여 이를 입력장치(16d)에 의하여 규정되는 공칭 질소산화물의 함량 값(16c)과의 편차를 형성하는 상태에서 조절된 값(16e)으로서 비교기(15)에 공급한다. 상기 평균값은 예컨대 30분 간격 또는 매일 단위로 계속적으로 평균화 장치(16)에 의하여 계산된다. 평균 질소산화물의 함량이 공칭 질소산화물 평균값(16c)을 초과하는 경우에는 비교기(15)는 논리제어신호 "1" 을 생성하여 이를 슬립조절기(13)에 제어된 값(15b)으로 공급한다. 평균 질소산화물의 함량이 공칭 질소산화물의 평균값(16c)에 미치지 못하는 경우에는 비교기(15)는 논리제어신호 "0" 을 생성시킨다. 도 4a 및 4b 는 두 개의 작동모드에 있는 슬립조절기(13)를 도시한 것이다. 도 4a 에 도시된 제1 작동모드에서, 제어된 값(15b)은 논리 "1" 이 되고 변환장치(19)는 도시된 위치에 있게된다. 도 4b 에 도시된 제2 작동모드에서, 제어된 값(15b)은 논리 "0" 이 되고 변환장치는 역시 이에 대응되는 도시된 위치에 있게된다. 평균 질소산화물의 함량(16b)이 공칭 질소산화물의 평균값(16c)을 초과하는 경우에는 비교기는 논리제어신호 "1" 로 변환되고 슬립조절기(13)는 도 4a 에 도시된 제1 작동모드로 변환된다. 제1 작동모드에서, 슬립 조절기(13)로부터 발생되는 제어된 값(13b)은 질소산화물 조절기의 제어된 값(14b)과 항상 일치하게 되는데, 이는 비례/적분 부분(20)에 비례통로(proportional path)를 사용하여 적분기가 오프된 상태일 때 출력값 y 가 입력값 z 와 일치되도록 하기 때문이다. 이러한 회로에 의하여 공칭 처리물질 슬립값(9c)과 처리물질 슬립(9b) 사이의 차이에 의하여 형성되는 값 x 와는 무관하게 슬립 조절기(13)의 제어된 값(13B)이 언제나 질소산화물 조절기(14)의 제어된 값(14b)과 항상 동일하게 된다. 제1 작동모드에서, 제어된 값(13b)은 제어된 값(14b)을 직접 추종하고 필요하면 변환장치(19)가 절환될 때 점프된다. 하류에 설치된 최소값 선택장치(12)는 두 개의 제어된 값(13b), (14b) 중 낮은 값을 선택한다. 이들 두 개의 값은 제1 작동모드에서 동일한 값을 갖고있기 때문에, 제어된 값(12b)은 질소산화물 조절기(14)의 제어된 값(14b)과 일치하게된다. 따라서, 이제 암모니아수는 발생되는 슬립과는 관계없이 질소산화물 조절기(14)에 의하여 조절되어, 제어 시스템은 암모니아 슬립을 소모하면서도 규정된 질소산화물 배출기준에 부합되도록 하게된다.
제2 작동모드는 변환장치(19)가 z 에서 x 로 절환되는 경우에도 제어된 값(13b)의 점프가 이루어지지 않도록 설계되어있는데, 이는 다시 말하면 z 로의 스위치가 오픈되어있고 x 로의 스위치는 폐쇄되어있도록 절환이 이루어지는 것을 의미한다. 제2 작동모드에서, 적분 조절기는 비례/적분 부분(20)에 연결되는 한편 비례 적분기는 비례부분(21)에 연결되어 제2 작동모드에서 슬립 조절기(13) 전체에 소위 PI 조절기가 형성되도록 한다. 이러한 제2 작동모드에서, 슬립 조절기(13)는 대응된 조절값(13b)을 발생시킴에 의하여 처리물질 슬립(9b)과 공칭 처리물질 값(9c) 사이의 차이가 0 이 되도록 한다. 제2 작동모드에서, 제어된 값(13b) 및 (14b) 는 상이한 값을 갖게되며, 최소치 선택장치(12)는 상기 두 개의 값 중 적은 값을 선택하며 이와 같이 선택된 값을 흐름조절기(17)용의 제어된 값(12b)으로 설정하게된다.
도 3에 도시된 제어장치(30)의 제2 실시예는 도 2에 도시된 실시예와는 질소산화물의 함량이 보다 동적으로 반응하는 처리되지 않은 질소산화물의 함량(10b)이 하위의 질소산화물 조절기(14)로 공급되고, 보다 반응속도가 느린 순수 가스의 질소산화물의 함량(11b)은 상위의 질소산화물 조절기(18)로 공급되는 직렬제어시스템에 의하여 질소산화물의 함량이 제어되는 것이 다른 점인데, 상기 질소산화물 조절기(18)는 제어된 값(18b)을 생성하고 이 값은 입력장치(10d)에 의하여 규정된 공칭의 처리되지 아니한 가스의 질소산화물의 함량과의 차이에 의하여 질소산화물 조절기(14)에 입력되는 설정된 값을 생성하게된다. 이러한 직렬제어 시스템은 보다 동적인 제어응답을 얻을 수 있는 장점이 있다. 이러한 직렬제어 시스템을 제외하고는 도 3 및 도 4에 도시된 양 제어장치(30)들은 동일한 구조로 되어있다.

Claims (11)

  1. 연소공정으로부터 배출되는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질(8a)의 양을 제어하기 위한 방법에 있어서,
    평균 질소산화물의 함량(16b)과 투여되는 물질의 제1의 제어된 값(14b)을 질소산화물의 함량(11b)의 함수로서 발생시키는 단계와,
    투여되는 제2의 제어된 값(13b)을 처리물질 슬립(9b)의 함수로서 발생시키는 단계와,
    제1의 제어된 값(14b) 또는 제2의 제어된 값(13b) 중의 하나를 평균 질소산화물의 함량(16b)의 함수로서 투여되는 물질의 제어된 값(12b)으로 이용하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 평균 질소산화물의 함량(16b)이 공칭 질소산화물의 함량의 평균값을 초과하는 경우에, 제1의 제어된 값(14b) 만이 이용되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 제1의 제어된 값(14b) 및 제2의 제어된 값(13b)이 모두 이용되는 경우에는 낮은 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 방법.
  4. 전기 항 중 어느 한 항에 있어서, 평균 질소산화물의 함량(16b)이 특히 관련 법규에 규정된 방법에 따라 설정된 방법에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 방법.
  5. 전기 항 중 어느 한 항에 있어서, 질소산화물의 함량(10b, 11b)을 처리되지 않은 가스(5b)와 정화된 가스(5c) 모두로부터 측정하고, 제1의 제어된 값(14b)은 직렬제어 시스템에 의하여 두 개의 질소산화물의 함량(10b, 11b)으로부터 발생되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 방법.
  6. 전기 항 중 어느 한 항에 있어서, 공칭 질소산화물 함량의 평균값(16c)이 법령에 규정된 한계보다는 낮게 선택되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 방법.
  7. 전기 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1의 제어된 값(14b)과 제2의 제어된 값(13b)의 변환 중에 투여되는 물질의 양에 대한 제어된 값(12b)이 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 방법.
  8. 제1항 내지 7항에 기재된 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 방법을 수행하기 위한 장치에 있어서,
    평균 질소산화물의 함량(16b)을 계산하기 위한 평균화장치(16)와,
    질소산화물 조절기(14)와,
    슬립 조절기(13) 및
    평균화장치(16)에 의하여 구동되고 처리물질의 흐름을 조절하는 흐름조절기(17)에 공급되는 제어된 값으로서 질소산화물 조절기(14)의 제어된 값(14b) 또는 슬립 조절기(130의 제어된 값(13b) 만을 결정하는 변환장치(19)로 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 장치.
  9. 제8항에 있어서, 질소산화물 조절기(14) 및 슬립 조절기(13)의 제어된 값(13b, 14b)이 두 개의 제어된 값(13b, 14b) 중 적은 값을 제어된 값으로서 흐름조절기(17)에 공급하는 최소값 선택장치(12)에 공급되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 장치.
  10. 제8항 또는 9항에 있어서, 제2 질소산화물 조절기(18)가 질소산화물 조절기(14)의 상류에 연결되어 직렬 제어 시스템을 구성하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 질소산화물의 함량을 감소시키기 위하여 투여되는 처리물질의 양을 제어하기 위한 장치.
  11. 제1항 내지 7항에 기재된 방법을 이용하거나 또는 제8항 내지 10항에 기재된 제어장치를 갖는 연소장치.
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