KR101220945B1 - 정전 집진기를 제어하기 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전 집진기(ESP)의 작동을 제어하기 위한 방법 또는 디바이스에 관한 것이다. ESP는 연소 프로세스에 의해 발생된 프로세스 가스로부터 먼지 입자를 제거하는데 사용된다. 표시기 신호는 일반적으로 온도 센서에 의해 발생되고, 이 신호는 연소 프로세스에 공급된 연소 공기의 온도를 표시한다. ESP는 표시기 신호에 의존하는 방식으로 작동된다. 이에 의해 역전리 효과가 큰 정도로 회피될 수 있다.

Description

정전 집진기를 제어하기 위한 방법 및 디바이스{METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING AN ELECTROSTATIC PRECIPITATOR}

본 발명은 연소 프로세스에 의해 발생되는 프로세스 가스로부터 먼지 입자를 제거하기 위해 작동하는 정전 집진기의 작동을 제어하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 정전 집진기의 작동을 제어하기 위한 디바이스에 관한 것이다.

정전 집진기(ESP)들은 연소 프로세스로부터의 배기 가스와 같은 프로세스 가스로부터 먼지 입자를 제거하기 위해 수십년 동안 광범위하게 사용되어 왔다. ESP이 일 예가 US 5114442호에 개시되어 있다.

ESP와 관련된 일 문제점은 소위 역전리(back-corona) 효과인데, 즉 전극 상의 미리 수집된 먼지 입자의 층의 비저항이 발생된 전기장의 강하를 유발하고, 이는 프로세스 가스 내로 수집된 입자를 재도입시킬 수 있다는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 프로세스 가스로부터 먼지 입자의 효과적인 제거를 유지하면서 역전리 효과를 회피하는 향상된 능력을 갖는 ESP를 제어하기 위한 방법 또는 디바이스를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 청구항 1에 규정된 바와 같은 방법, 즉 연소 프로세스에 의해 발생되는 프로세스 가스로부터 먼지 입자를 제거하기 위해 작동하는 정전 집진기(ESP)의 작동을 제어하는 방법에 있어서, 연소 프로세스에 공급되는 연소 공기의 온도를 표시하는 표시기 신호를 발생하는 단계와, 표시기 신호에 의존하는 방식으로 ESP를 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 성취된다. 본 발명자는 역전리 효과가 연소 프로세스에 공급되는 연소 공기의 온도에 상관된다는 것을 발견하였다. 온도가 높을수록, 역전리 효과가 발생할 위험이 높다. 따라서, ESP 제어를 연소 공기 온도에 적응시킴으로써, ESP가 더 효과적이 될 수 있다.

ESP를 적응시키는 하나의 옵션은 표시기 신호에 기초하여 ESP의 전극에 공급된 평균 전류를 제어하여 연소 공기 온도가 증가함에 따라 평균 전류가 감소하게 되도록 하는 것이다. 이는 더 높은 연소 공기 온도가 발생하는 역전리 민감성 먼지에 ESP를 효과적으로 적응시킨다.

ESP의 전극이 전압/전류 펄스를 공급받을 때의 경우에 이러한 적응을 성취하는 다른 방식은, 연소 공기 온도가 증가함에 따라 펄스 사이의 간헐적 시간을 증가시키는 것이다. 이는 예를 들어 반-펄스 공급 장치 내에서 더 적은 전위 펄스를 이용함으로써 성취될 수 있다.

또 다른 방식은 연소 공기 온도가 비교적 낮을 때의 순간에 ESP 전극의 랩핑(rapping)을 시작하여, 랩핑 방해가 ESP가 더 적은 정도로 역전리 효과를 받게 될 때의 시간으로 한정되게 하는 것이다.

표시기 신호는 일반적으로 온도 센서에 의해 발생될 수 있다. 그러나, 타이머는 또한 예를 들어 온도가 하루 중에 합리적으로 예측 가능한 방식으로 변경하는 열대 또는 아열대 지역에서 표시기 신호를 발생하는데 사용될 수 있다.

이 목적은 연소 프로세스에 의해 발생되는 프로세스 가스로부터 먼지 입자를 제거하기 위해 작동하는 정전 집진기(ESP)의 작동을 제어하기 위한 디바이스에 있어서, 상기 디바이스는 연소 프로세스로 공급되는 연소 공기의 온도를 표시하는 표시기 신호를 수신하기 위해 작동되고, 이 디바이스는 표시기 신호에 의존하는 방식으로 정전 집진기를 작동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 디바이스에 의해 또한 성취될 수 있다.

도 1은 정전 집진기(ESP)가 발생된 프로세스 가스로부터 먼지 입자를 제거하는데 사용되는 연소 프로세스 장치를 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 연소 공기 온도로의 ESP 동작점의 적응을 도시하는 도면.
도 3a 및 도 3b는 사이리스터(thyristor) 제어 전원을 사용하는 반-펄스 제어 체계를 도시하는 도면.
도 4는 이러한 반-펄스 제어 체계가 어떠한 방식으로 연소 공기 온도에 의존하게 될 수 있는지를 도시하는 도면.
도 5는 트랜지스터 제어 전원의 작동이 어떠한 방식으로 연소 공기 온도에 의존하게 될 수 있는지를 도시하는 도면.
도 6은 랩핑 시간이 어떠한 방식으로 연소 공기 온도에 기초하여 최적화될 수 있는지를 도시하는 도면.

도 1은 정전 집진기가 연소 프로세스에서 발생된 프로세스 가스로부터 먼지 입자를 제거하기 위해 작동하는 연소 프로세스 장치를 개략적으로 도시한다.

연소 프로세스는 석탄(3) 및 연소 공기(5)와 같은 연소성 재료가 공급되는 보일러(1) 내에서 수행될 수 있다. 연소 프로세스는 먼지 입자를 포함하는 프로세스 가스(7)를 발생시킨다. 프로세스 가스, 즉 종종 연도 가스라 칭하는 배기 가스는 정전 집진기(ESP)(9)로 공급되고, 이 정전 집진기는 비교적 적은 입자를 포함하고 이산화황과 같은 비입자 오염물을 제거하도록 추가의 프로세스 단계(미도시)에서 처리될 수 있는 출력 가스 유동(11)을 발생하도록 가스 스트림으로부터 입자를 제거한다.

본 발명은 연소 공기의 온도에 기초하여 ESP(9)의 작동을 제어하는 제어 장치(13)에 관한 것이다. 이는 출력 가스 유동(11) 내에 소량의 먼지 입자 잔류물을 유지하면서 이하에 설명되는 바와 같이 다수의 방식으로 ESP 작동이 개량될 수 있게 한다.

일반적으로, 연소 공기(5) 온도가 높을수록, 역전리 효과의 위험이 높은 것으로 판명되었다. 이는 특히 주간 연소 공기 온도가 종종 40℃를 초과할 수 있는 열대 및 아열대 기후 구역에서 현저하게 된다.

본 발명의 제어 장치(13)는 연소 프로세스에 공급되는 연소 공기의 온도를 표시하는 표시기 신호를 얻는다. 일반적으로, 이 표시기는 연소 공기 유동의 온도를 감지하는 온도 센서(15)로부터의 실제 센서 신호이다. 이러한 센서는 일반적으로 연소 공기 입구 또는 실제 유동 내에 배치될 수 있다. 그러나, 대기에서 해당 설비의 부근의 임의의 장소에 배치된 온도 센서를 사용하는 것도 또한 가능하다. 이러한 경우에, 연소 공기 입구와 대략 동일한 시점에 태양광을 지향시키도록 노출된 위치를 선택하는 것이 유용할 수 있다.

표시기 신호는 원리적으로 온도 센서를 사용하지 않아도 얻어질 수도 있다는 것을 주목해야 한다. 온도 편차는 다수의 위치에서 시각 및 연간 시각과 고도로 상관될 수 있고, 따라서 시계(17)에 기초하는 표시기 신호는 또한 ESP 프로세스를 개량하기 위해 인식될 수 있을 것이다. 일반적으로, 표시기 신호는 연소 공기 온도와 상관된다.

이제 제어 장치(13)가 표시기 신호에 의존하여 ESP(9)에 영향을 줄 수 있는 상이한 방식이 설명될 것이다. ESP의 다른 제어된 양태가 고려될 수 있지만, 3개의 양태가 특히 관심 있는 것으로 고려된다. 먼저, ESP 평균 전류는 표시기 신호에 기초하여 제어될 수 있다. 둘째로, 반-펄스 또는 트랜지스터 기초 펄스 제어 체계가 영향을 받을 수 있고, 제 3 옵션으로서 랩핑 타이밍이 고려될 수 있다. 명백하게, 1개, 2개 이상의 이러한 양태가 표시기 신호에 의해 영향을 받을 수 있다.

표시기 신호는 상이한 방식으로 제어 체계에 포함될 수 있다. 하나의 제어 체계에서, 표시기 신호는, 연소 공기 온도의 연속적인 증가 또는 감소가 예를 들어 ESP 전압의 연속적인 변화를 초래하도록 제어 알고리즘 내에 포함될 수 있다. 다른 체계에서, 임계값을 초과하거나 짧게 강하하는 연소 공기 온도는 ESP의 특정 작용 또는 ESP 거동의 불연속적인 변화를 트리거링할 수 있다. 이들 체계는 물론 조합될 수 있다. 선형, 부분 선형 및 비선형 제어 체계가 고려될 뿐만 아니라, 예를 들어 퍼지 논리에 기초하는 제어 체계가 고려될 수 있다.

제 1 체계에서, ESP 전류는 표시기 신호에 기초하여 제어된다. ESP 전류라는 것은 여기서 입자를 하전하고 수집하기 위해 ESP의 전극에 공급되는 평균 전류를 의미한다.

도 2는 연소 공기 온도로의 ESP 동작점의 적응을 도시한다. 이 도면은 실선으로 표시된 ESP에 대한 전압-전류 특징(characteristics)(19)을 개략적으로 도시한다. 이 전압-전류 특징은 일부 저항성 먼지가 미리 전극 상에 수집되어 있는 ESP와 관련되어 있다. 전극 사이의 전압은 평균 전류가 증가함에 따라, 단지 최대 특정 최대 전압(V_max)까지만 증가한다. 더 높은 전류는 대부분 역전리 효과에 기인하여 강하하는 전압을 초래할 것이다. 그럼에도, 먼지 제거 효율이 일반적으로 이 범위에서 그 최대값을 갖는 공급된 전력에 밀접하게 상관되기 때문에 평균 전류가 증가함에 따라 전압이 감소하는 범위에서 동작점(21)을 선택하는 것이 적합할 수 있다.

연소 공기 온도의 증가에 의해, 먼지 조성물은 이하에 더 설명되는 바와 같이 몇몇 연소 프로세스에 대해 변경된다. 이 변경은 이하에 설명되는 바와 같이 수 ㎛의 크기를 갖는 더 작은 먼지 입자의 형성에 기인할 수 있다. 연소 공기 온도가 증가함에 따라, 그에 의해 전압-전류 특징은 도 2의 점선(23)과 유사하게 변경될 수 있다. 더 큰 입자 비저항은 더 낮은 평균 전류에서 더 큰 정도로 역전리 효과가 발생하게 하는 것으로 판명되었다.

따라서, 도 1의 제어 장치는 동작점, 즉 설정 평균 전류를 더 낮은 값(25)으로 변경하여 새로운 특징에 적응하게 하고 적합한 ESP 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 표시기 신호가 온도 센서 신호이면, 미리 결정된 범위 내에서 연소 공기 온도에 역으로 의존하는 ESP 평균 전류를 제공하는 제어 알고리즘이 사용될 수 있다. 다음에, ESP 전류는 일반적으로 예를 들어 일몰 후에 연소 공기가 차가워짐에 따라 상승한다.

일반적으로, 평균 ESP 전류는 사이리스터 회로의 트리거 타이밍을 변경함으로써 변경되지만, 전류를 변경하기 위한 다른 개념이 ESP 구조에 따라 가능할 수 있다.

역전리 효과를 회피하기 위해 관련될 수 있는 다른 파라미터는 ESP가 펄스식 방식으로 공급될 때 펄스 사이의 간헐적 시간이다.

ESP는 예를 들어, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 간략하게 설명되는 바와 같이 소위 반-펄스 제어 체계를 이용할 수 있고, 이 체계의 작동은 표시기 신호에 의해 영향을 받을 수 있다.

반-펄스 제어 체계라는 것은 여기서, 교류 입력 전류에서 모든 반주기(half-period)가 ESP 전극에 전류를 공급하는데 사용되는 것은 아닌 체계를 의미한다. 대신에, 매 3번째, 5번째, 7번째 등(교류 전류를 유지하기 위해 홀수)이 사용된다. 도 3a는 예를 들어 종래의 사이리스터 제어 공급 회로에 의해 발생된 바와 같은 교류 전류를 도시한다. 교류 전압, 사인파가 회로 상에 인가되고, 제어 시스템은 이 순간에 각각의 반주기 중에 사이리스터가 도 3a에 제어각(α)에 의해 표시된 바와 같이 전하를 유도하기 시작하도록 의도된 것을 판단한다. 제어각이 작을수록, 평균 전류가 크다. 반-펄스 제어 체계에서, 도 3b에 표시된 바와 같이, 사이리스터는 몇몇 반주기 중에 전혀 활성화되지 않는다. 도시된 경우에, 매 3번째 반주기가 사용되었지만, 매 5번째, 7번째 등의 반주기가 또한 사용될 수 있다.

간헐적 기간에 의한 펄스의 분리는 역전리 효과를 감소시키는데, 즉 가스 유동으로 수집된 먼지 입자의 일부를 재차 강제 이동시키는 전극 상의 미리 수집된 입자의 층 상에 전위가 형성된다.

따라서, 제어 장치(예를 들어, 도 1의 13)는 더 적은 펄스(예를 들어, 매 3번째 대신에 매 7번째 펄스)가 연소 공기 온도가 상승되는 경우에 사용되는 방식으로 반-펄스 제어 체계를 사용하는 ESP를 제어할 수 있다. 이는 제 1의 비교적으로 낮은 연소 공기 온도(T) 범위가 모든 펄스가 사용되는 것("1")을 암시하고, 반면에 더 높은 온도 범위는 매 3번째, 5번째 등의 펄스가 펄스 사이의 간헐적 시간(t)이 증가하도록 사용된 것을 암시하는 도 4에 개략적으로 도시된다. 이는 평균 전류가 감소되어 먼지층을 가로지르는 낮은 전위를 초래하기 때문에 역전리 효과를 감소시킬 것이다. 전술된 제어각(α)을 동시에 변경함으로써 더 크거나 적은 정도로 원하는 하전 레벨을 유지하는 것이 가능하다.

트랜지스터 제어 ESP 공급 회로를 위한 유사한 제어 체계가 도 5에 도시된다. 이러한 경우에, 공급 펄스 사이의 간헐적 시간은 사이리스터 제어 시스템의 경우에서와 같이 그리드 주파수에 대한 임의의 관련 없이 임의적으로 선택될 수 있다. 표시된 바와 같이, 간헐적 시간(t)은 연소 공기 온도(T)에 선형적으로 의존할 수 있지만, 이는 단지 예일 뿐이다.

전술된 바와 같이, ESP 전극의 랩핑은 또한 연소 공기 온도에 기초하여 제어될 수 있다. 역전리 효과의 위험이 비교적 작을 때 기간에 랩핑을 집중하는 것이 바람직하다.

특히, 최종 ESP 선택 또는 필드의 랩핑 또는 파워가 턴오프된 랩핑, 소위 파워가 꺼진 랩핑은 단지 연소 공기 온도가 그 사이클의 최저 부분에 있을 때에만 수행될 수 있다. 도 6은 연소 공기 온도가 비교적 낮을 때, 예를 들어 일일 평균 또는 이동 평균보다 낮을 때 문자 "x"에 의해 표시된 랩핑이 어떠한 방식으로 시점에 집중될 수 있는지를 도시한다.

상기 개시 내용은 석탄 연소 발전소, 몇몇 야금 프로세스 및 몇몇 시멘트 프로세스와 같은 높은 비저항 먼지를 발생하는 경향이 있는 연소 프로세스에 특히 관련하여 고려된다. 높은 비저항 먼지는 일반적으로 10¹² Ωcm 초과의 비저항을 갖는 먼지를 의미하지만, 프로세스는 더 전도성이 있는 먼지 조성물에 대해 관련될 수도 있다. 연소 공기 온도가 증가함에 따라 역전리 효과가 증가하는 이유에 대한 하나의 가능한 가정은 더 높은 온도가 예를 들어 소위 PM10 입자와 같은 더 소형의 입자의 형성을 초래한다는 것이다. PM10 입자라는 것은 10 ㎛ 미만인 직경을 갖는 미립자 물질을 의미하고, 따라서 표기 PM10은 또한 훨씬 더 작은 입자를 포함한다.

요약하면, 본 발명은 정전 집진기(ESP)의 작동을 제어하기 위한 방법 또는 디바이스에 관한 것이다. ESP는 연소 프로세스에 의해 발생되는 프로세스 가스로부터 먼지 입자를 제거하는데 사용된다. 표시기 신호가 일반적으로 온도 센서에 의해 발생되고, 이 신호는 연소 프로세스로 공급되는 연소 공기의 온도를 표시한다. ESP는 표시기 신호에 의존하는 방식으로 작동된다. 이에 의해, 역전리 효과가 상당한 정도로 회피될 수 있다.

본 발명은 전술된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 첨부된 청구범위의 범주 내에서 다양한 방식으로 변경될 수 있다.

1: 보일러 3: 석탄
5: 연소 공기 7: 프로세스 가스
9: 정전 집진기(ESP) 11: 출력 가스 유동
13: 제어 장치 15: 온도 센서

Claims (14)

1. 연소 프로세스에 의해 발생되는 프로세스 가스로부터 먼지 입자들을 제거하기 위해 작동하는 정전 집진기(ESP)의 작동을 제어하는 방법에 있어서,
   상기 연소 프로세스에 공급되는 연소 공기의 온도를 표시하는 표시기 신호를 발생하는 단계와,
   상기 표시기 신호에 의존하는 방식으로 상기 ESP를 작동시키는 단계를 포함하고,
   상기 ESP의 전극들에 공급되는 평균 전류는 상기 표시기 신호에 기초하여 제어되어, 상기 연소 공기의 온도가 증가함에 따라 상기 평균 전류는 감소하고,
   상기 연소 공기의 온도가 증가함에 따라 상기 ESP에 대한 전압-전류 특징(characteristics) 곡선이 변경되며, 상기 평균 전류는, 상기 연소 공기의 온도가 증가할 때 변경된 상기 전압-전류 특징 곡선 상에서 상기 ESP에 공급되는 전력이 최대값을 갖도록 선택되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 ESP의 전극들은 펄스들을 공급받고, 상기 연소 공기의 온도가 증가함에 따라 상기 펄스들 사이의 간헐적 시간이 증가되는, 제어 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 간헐적 시간은 반-펄스 배열의 더 적은 전위 펄스들을 이용함으로써 증가되는, 제어 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 ESP의 전극들의 랩핑은 상기 연소 공기의 온도가 비교적 낮은 순간들에서 수행되는, 제어 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 표시기 신호는 온도 센서에 의해 발생되는, 제어 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 표시기 신호는 타이머에 의해 발생되는 방법.
8. 연소 프로세스(1)에 의해 발생되는 프로세스 가스(7)로부터 먼지 입자들을 제거하기 위해 작동하는 정전 집진기(ESP)(9)의 작동을 제어하기 위한 디바이스(13)에 있어서,
   상기 디바이스는 상기 연소 프로세스로 공급되는 연소 공기(5)의 온도를 표시하는 표시기 신호를 수신하기 위해 작동되고, 상기 디바이스는 상기 표시기 신호에 의존하는 방식으로 상기 ESP를 작동시키도록 구성되며,
   상기 디바이스는 상기 표시기 신호에 기초하여 상기 ESP의 전극들에 공급되는 평균 전류를 제어하여, 상기 연소 공기의 온도가 증가함에 따라 상기 평균 전류는 감소하게 되도록 구성되고,
   상기 연소 공기의 온도가 증가함에 따라 상기 ESP에 대한 전압-전류 특징(characteristics) 곡선이 변경되며, 상기 디바이스는, 상기 연소 공기의 온도가 증가할 때 변경된 상기 전압-전류 특징 곡선 상에서 상기 ESP에 공급되는 전력이 최대값을 갖도록 상기 평균 전류를 선택하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
9. 삭제
10. 제 8 항에 있어서, 상기 ESP의 전극들은 전류 펄스들을 공급받고, 상기 디바이스는 펄스들 사이의 간헐적 시간을 제어하여, 상기 연소 공기의 온도가 증가함에 따라 상기 간헐적 시간이 증가하게 되도록 구성되는, 디바이스.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 간헐적 시간은 반-펄스 배열의 더 적은 전위 펄스들을 이용함으로써 증가되는, 디바이스.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 연소 공기의 온도가 비교적 낮은 순간들에 상기 ESP의 전극들의 랩핑을 시작하도록 구성되는, 디바이스.
13. 제 8 항에 있어서, 상기 신호는 온도 센서(15)로부터 발생되는, 디바이스.
14. 제 8 항에 있어서, 상기 신호는 타이머(17)로부터 발생되는, 디바이스.

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