KR20240012016A - 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20240012016A
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Abstract

먼지 농도에 큰 영향을 미칠 수 있는 주요한 변수인 배출가스중 수분량을 실시간으로 측정하여 먼지 농도를 보정할 수 있는 수분 함량 보정 시스템이 개시된다. 상기 수분 함량 보정 시스템은, 보일러에서 생성되어 배출되는 배기가스중 질소 산화물을 제거하는 탈질 설비, 상기 배기가스중의 먼지 입자를 집진하는 전기 집진기, 상기 전기 집진기를 통과한 상기 배기가스중 황산화물을 제거하는 탈황 설비, 상기 황산화물이 제거되는 최종적인 배기가스를 배출하는 굴뚝, 및 상기 최종적인 배출가스중의 수분량을 실시간으로 측정하여 먼지 농도를 보정하는 보정 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 시스템 및 방법{System and Method for compensating moisture content of dust discharged from stack}
본 발명은 발전소 오염물질 농도 측정 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 발전소와 같은 대형 굴뚝에서 배출되는 먼지 농도의 실시간 감시를 가능하게 하는 시스템 및 방법에 대한 것이다.
특히, 본 발명은 수분 영향을 고려한 실제 배출가스를 정확히 측정하여 먼지측정의 정확도를 개선할 수 있는 시스템 및 방법에 대한 것이다.
오염물질 배출 시설의 경우 배출허용기준 이내로 오염물질을 배출해야 하고 이를 감시하기 위하여 굴뚝에 자동 측정 기기를 부착하여 측정자료를 관제센터로 실시간 전송하는 굴뚝 원격감시 체계인 TMS(Tele Monitoring System)를 운영하고 있다. 일반적으로 굴뚝 원격 감시 체계는 측정기기, 자료 수집기, 자료 전송 장치로 구성된다.
대형 발전소와 같은 Sx, NOx, 먼지, HCl,CO, HF, NH3 등 복합 오염 물질을 배출하는 시설의 경우 방지 시설을 설치하는데 탈질설비,전기 집진기 및 탈황 설비를 통과한 배출가스는 고온(80°C) 및 고수분(10%)의 증기상태에 저농도의 오염물질이 굴뚝을 통해 대기로 배출된다.
일반적으로, 발전소의 계통도를 보면 다음과 같다.
보일러 -> 탈질설비 -> 전기 집진기 -> 탈황 설비 -> 굴뚝
먼지를 측정하는 방법으로는 기술인력이 공정 시험 절차에 따라 측정하는 반자동 및 수동 측정 방법과 측정기기를 이용하는 연속 자동 측정 방법이 있다.
반자동 측정 장치를 이용한 측정방법은 배출가스 중에 함유되어 있는 액체 또는 고체인 입자상 물질을 등속흡인하여 여지에 먼지를 채취하고 무게를 저울에 칭량(稱量)하여 다음식과 같이 산출할 수 있다.
여기서, CN = 건조 배출가스 중의 먼지 농도(mg/Sm3)
md = 채취된 먼지의 무게(mg)
V'N = 표준상태의 흡인 건조 배출 가스량(Sm3)
θm = 건식가스미터의 평균온도
Pa = 측정공 위치에서의 대기압
위 수학식 처럼 표준상태(0°C,760mmHg)의 건조 배출가스 1Sm3 중에 함유된 먼지의 질량농도로 환산하여 표시하게 되는데 이를 참값으로 하여 자동 측정기를 교정하여 사용하게 된다.
그러므로 건가스 기준으로 나타나는 오염물질 농도를 측정하기 위해서는 배출가스 중 수분량을 아는 것이 필요하다.
그러나 발전소의 굴뚝에 부착된 먼지 측정장치는 고농도 먼지 배출환경과 큰 굴뚝의 직경에 적합한 광투과 방식을 적용한다. 부연하면, 이러한 먼지 측정장치의 경우, 광원(LED: Light Emitting Diode)이 반사부에 광선을 발사하여 편광판을 통해 반사되는 광을 측정하는 측정 리시버, 광원으로부터 편광판 및 오목거울을 통해 반사되는 광을 모니터링하는 모니터링 리시버로 구성된다.
이러한 먼지 측정장치의 경우, 덕트의 전체 직경에서 측정을 수행함으로써 불균일한 입자가 부분적으로 보상되며 대표성있는 측정 결과를 제공하는 장점이 있다.
그러나 투과식 측정은 배출가스중 먼지 질량을 직접적으로 측정하는 방식과 다르게 가스와 먼지가 혼재한 배출가스를 빛으로 투과시키고 입자에 의해 약해진 빛의 세기를 이용하여 감쇠량을 측정한다.
수신된 약해진 빛의 세기를 방사된 원래 빛의 세기와 상대적으로 비교하여 이로부터 투과율과 흡광도를 계산한다. 흡광도는 먼지 농도에 비례하므로 비어-람베르트(Beer-Lambert Law) 법칙에 의하여 아래 수학식처럼 이를 이용하여 먼지를 계산하게 된다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
여기서, T : 전송(transmission) N : 스케일링 상수(Scaling constant)
Imeas : 수광(Light received) Imon : 모니터 신호(monitor signal)
Dd : 굴뚝 직경 Dmeas : 활성 측정 경로
E : 흡광(Extinction)
ROPA: Relative Opacity
위의 수학식 6과 같이 계산된 먼지 농도는 습한 배출가스상에서의 먼지 농도를 빛의 불투명도로 계산을 하고 있다. 이 과정에서 표준상태의 건조 배출가스로 이를 환산하기 위해서 흡습관 방식을 이용한 수분량 측정장치를 이용하여 수분량을 산출하고, 자료 수집 장치에 고정값을 입력하여 먼지농도를 환산하여 보정하게 된다.
종래의 배출가스 중 수분량 측정은 흡습관을 이용하는 방법을 적용한다. 흡습관법에 따른 수분량 측정 장치는 흡입관,흡습관,기체흡입 및 유량 측정부로 구성되며, 추가적으로 수분측정 탐침(Probe), 튜브(Tube), 샘플러, 흡습제, 얼음 및 저울등이 필요하다. 배출가스 중의 수증기의 부피 백분율은 다음 수학식에 의해 산출된다.
여기서, Xw : 배출가스 중의 수증기의 부피 백분율(%)
ma : 흡습 수분의 질량(ma2-mal)(g)
Vm : 흡입한 건조 기체량(건식 가스 미터에서 읽은 값)
θm : 가스미터에서의 흡입 기체 온도(℃)
Pa : 측정공 위치에서의 대기압(mmHg)
Pm : 가스미터에서의 기체의 게이지압(mmHg)
그런데, 이 일련의 과정에서 발생될 수 있는 오차가 크며, 최소 2~3일이 소요되는 문제가 있다.
한편, 먼지 연속 자동 측정기기의 성능 규격(대기오염공정시험기준 ES01910.1b)을 보면 다음 표와 같다.
항목 성능 비고
교정오차 10% 이하 주) 통합 관리사업장의 경우 "허가배출기준"으로 적용함
상대 정확도 주시험법의 20%이하
(단, 측정값이 해당 배출허용 기준의 50%이하인 경우에는 배출허용기준의 15%이하)
응답시간 최대 2분(단, 베타선 흡수법은 15분 이내)
재현성 최대 눈금치의 2%이하
여기서, 상대 정확도(%)는 다음식으로 정의된다.
Figure pat00008
여기서,
Figure pat00009
: 측정오차 (연속 자동 측정 기기에 의한 측정값 - 주시험방법에 의한 측정값)
배출가스 중의 수분량은 사용되는 연료의 품질과, 방지시설의 운영효율에 따라서 달라질 수 있다. 따라서, 먼지 농도에 큰 영향을 미칠 수 있는 주요한 변수 중 하나임으로 신뢰성있는 먼지 농도 산출을 위해서는 배출가스중 수분량을 실시간으로 측정하여 먼지 농도를 보정할 필요가 있다.
1. 대한민국 공개특허번호 제10-2011-0121810호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 먼지 농도에 큰 영향을 미칠 수 있는 주요한 변수인 배출가스중 수분량을 실시간으로 측정하여 먼지 농도를 보정할 수 있는 수분 함량 보정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 발전소와 같은 대형 굴뚝에서 배출되는 먼지 농도의 실시간 감시를 가능하게 할 수 있는 수분 함량 보정 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 먼지 농도에 큰 영향을 미칠 수 있는 주요한 변수인 배출가스중 수분량을 실시간으로 측정하여 먼지 농도를 보정할 수 있는 수분 함량 보정 시스템이 제공된다.
상기 수분 함량 보정 시스템은,
보일러에서 생성되어 배출되는 배기가스중 질소 산화물을 제거하는 탈질 설비;
상기 배기가스중의 먼지 입자를 집진하는 전기 집진기;
상기 전기 집진기를 통과한 상기 배기가스중 황산화물을 제거하는 탈황 설비;
상기 황산화물이 제거되는 최종적인 배기가스를 배출하는 굴뚝; 및
상기 최종적인 배출가스중의 수분량을 실시간으로 측정하여 먼지 농도를 보정하는 보정 제어 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보정 제어 장치는, 상기 탈황 설비와 상기 굴뚝 사이의 측정공에 설치되어 상기 최종적인 배기가스를 측정하여 측정 자료를 생성하는 자동 측정기; 상기 측정 자료를 기록 저장하는 자료 취득부; 상기 굴뚝에 설치되고, 상기 최종적인 배기가스를 측정하여 먼지 자료를 생성하는 먼지 측정기; 상기 측정 자료로부터 상기 수분량을 포함하는 보정 인자를 산출하고, 상기 먼지 자료로부터 먼지 투과율을 산출하는 중간 자료 수집부; 및 상기 보정 인자와 상기 먼지 투과율을 이용하여 상기 먼지 농도를 보정하여 최종 먼지 농도를 산출하는 보정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 먼지 측정기는 광투과식 측정 방식을 이용하여 상기 측정 자료를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자동 측정기는, 상기 탈황 설비와 상기 굴뚝사이에 배치되는 배기 통로의 측면에 형성되는 측정공에 삽입되어 배기가스를 여과하여 수증기를 여과하는 여과기; 상기 여과기에 연통되어 여과된 수증기를 흡수하여 정전위를 생성하는 흡입관; 및 상기 정전위 전원의 정전 용량 및 상기 측정공에서 측정되는 대기압을 이용하여 상기 수분량 자료를 산출하는 분석계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분석계는, 상기 정전위 전원에 따른 상기 정전 용량을 측정하는 정전 용량 센서; 상기 측정공에서의 대기압을 측정하는 절대 압력 센서; 상기 정전 용량과 상기 대기압을 이용하여 상기 배출가스의 수분량(%)을 산출하는 수분량 분석 유닛; 및 상기 수분량의 값을 증폭하는 증폭 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡입관의 재질은 석영 유리 또는 스테인리스강인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자동 측정기는, 상기 흡입관의 외주면을 감싸 상기 흡입관의 내부를 고온으로 유지하게 하여 상기 정전위를 생성시키는 히터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보정 인자는 상기 수분량과 함께 상기 최종적인 배기가스의 온도 및 산소 농도를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보정은 상기 보일러의 변동 부하에 따른 항목별 농도범위 (±20%)를 입력하여 온도(64~96°C), 수분량(8~12%) 및 산소농도(4.8~7.2%)에서 변동되는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 탈질 설비를 이용하여 보일러에서 생성되어 배출되는 배기가스중 질소 산화물을 제거하는 단계; (b) 전기 집진기를 이용하여 상기 배기가스중의 먼지 입자를 집진하는 단계; (c) 탈황 설비를 이용하여 상기 전기 집진기를 통과한 상기 배기가스중 황산화물을 제거하는 단계; (d) 상기 황산화물이 제거되는 최종적인 배기가스를 배출하는 굴뚝; 및 (e) 보정 제어 장치가 상기 최종적인 배출가스중의 수분량을 실시간으로 측정하여 먼지 농도를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 방법을 제공한다.
또한, 상기 (e) 단계는, (e-1) 자동 측정기가 상기 탈황 설비와 상기 굴뚝 사이의 측정공에 설치되어 상기 최종적인 배기가스를 측정하여 측정 자료를 생성하는 단계; (e-2) 자료 취득부가 상기 측정 자료를 기록 저장하는 단계; (e-3) 상기 굴뚝에 설치되는 먼지 측정기가 상기 최종적인 배기가스를 측정하여 먼지 자료를 생성하는 단계; (e-4) 중간 자료 수집부가 상기 측정 자료로부터 상기 수분량을 포함하는 보정 인자를 산출하고, 상기 먼지 자료로부터 먼지 투과율을 산출하는 단계; 및 (e-5) 보정부가 상기 보정 인자와 상기 먼지 투과율을 이용하여 상기 먼지 농도를 보정하여 최종 먼지 농도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (e-1) 단계는, 여과기를 이용하여 상기 탈황 설비와 상기 굴뚝사이에 배치되는 배기 통로의 측면에 형성되는 측정공에 삽입되어 배기가스를 여과하여 수증기를 여과하는 단계; 흡입관을 이용하여 상기 여과기에 연통되어 여과된 수증기를 흡수하여 정전위를 생성하는 단계; 및 분석계가 상기 정전위 전원의 정전 용량 및 상기 측정공에서 측정되는 대기압을 이용하여 상기 수분량 자료를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 발전소와 같은 대형 굴뚝에서 배출되는 먼지 농도의 실시간 감시가 가능하여 수분 영향을 고려한 실제 배출가스를 정확히 측정하여 먼지 측정의 정확도를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 실제 수분의 양을 보정한 주시험법의 농도와 TMS(Tele Monitoring System) 농도간의 차이 를 주어 낮은 측정 오차값을 제공할 수 있을 것으로 기대된다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수분 함량 보정 시스템의 구성 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 보정 제어 장치의 세부 구성 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1에 도시된 자동 측정기의 세부 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 정전 용량 센서의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수분 함량 보정 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 보정 먼지 농도의 표시예이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 절대습도와 출력전압간 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수분 함량 보정 시스템(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 수분 함량 보정 시스템(100)은, 화력 발전소의 보일러(110), 보일러(110)에서 생성되어 배출되는 배기가스중 질소 산화물을 제거하는 탈질 설비(120), 배기가스중의 먼지 입자를 집진하는 전기 집진기(130), 전기 집진기(130)를 통과한 배기가스중 황산화물을 제거하는 탈황 설비(140), 최종적인 배기가스를 배출하는 굴뚝(150), 배출가스중의 수분량을 실시간으로 측정하여 먼지 농도를 보정하는 보정 제어 장치(160) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
보일러(110)에서 화석 연료가 연소됨에 따라 Sx, NOx, 먼지, HCl, CO, HF, NH3 등의 복합 오염 물질 및 산소, 유량, 발열 등이 발생한다.
탈질 설비(120)는 산성비와 광화학스모그의 주요 원인 물질인 질소 산화물을 제거하는 설비이다. 일반적으로 선택적 촉매 환원법(SCR : Selective Catalytic Reduction)을 이용하여 배기가스에서 질소 산화물을 제거한다.
전기 집진기(130)는 직류 고압전압에 의하여 방전극에 (-) 전압을 인가시키면 코로나 방전이 발생한다. 이때 발생되는 음(-) 이온은 배기가스중의 먼지 입자와 대전되어 전기력에 의하여 (+) 전압이 인가되고 있는 집진극으로 이동되어 포집되는 정전기적인 원리를 이용한다.
탈황 설비(140)는 산성비와 호흡기 및 피부질환의 주요 원인물질인 황산화물을 제거하는 설비이다. 황산화물 저감기술은 크게 습식 및 건식 탈황으로 구분되며 전 세계적으로 습식 탈황 설비(Wet FGD)가 약 87%를 차지하고 있다. 특히, 습식 석회석-석고법 탈황 설비(Wet Lime-Gypsum FGD System)가 널리 사용되고 있다.
이러한 탈질 설비(120), 전기 집진기(130), 탈황 설비(140) 등을 통과한 배출가스는 고온(약 80°C) 및 고수분(약 10%)의 증기상태에서 저농도의 오염물질을 포함하며 굴뚝(150)을 통해 대기로 배출된다.
보정 제어 장치(160)는 배출가스중 수분량을 실시간으로 측정하여 먼지 농도를 보정하는 기능을 수행한다.
도 2는 도 1에 도시된 보정 제어 장치(160)의 세부 구성 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 보정 제어 장치(160)는, 배기가스를 측정하여 측정 자료를 생성하는 자동 측정기(210), 측정 자료를 기록 저장하는 자료 취득부(220), 굴뚝(150)에 설치되어 배기가스를 측정하여 먼지 자료를 생성하는 먼지 측정기(230), 측정 자료로부터 보정 인자를 산출하고 먼지 자료로부터 먼지 투과율을 산출하는 중간 자료 수집부(240), 보정 인자와 먼지 투과율을 이용하여 먼지 농도를 보정하여 최종 먼지 농도를 산출하는 보정부(250), 최종 보정 먼지 농도를 이용하여 방지시설의 운전효율을 제어하는 통합 제어부(260), 최종 보정 먼지 농도를 출력하는 표시부(270)등을 포함하여 구성될 수 있다.
자동 측정기(210)는 탈황 설비(140)와 굴뚝(150) 사이에 설치되는 배기 통로의 측면에 설치되는 측정공에 설치된다. 물론, 측정공에는 센서가 설치되며, 이 센서를 통해 측정 자료를 생성한다. 측정 자료는 보일러(110)에서 화석 연료가 연소됨에 따라 발생하는 Sx, NOx, 먼지, HCl,CO, HF, NH3 등의 복합오염 물질 및 산소, 유량, 온도 등을 포함할 수 있다.
자료 취득부(220)는 자동 측정기(210)에 의해서 생성되는 측정 자료를 기록 저장하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 자료 취득부(220)는 통신 모뎀, 마이콤, 마이크로프로세서, 메모리 등을 포함하여 구성된다. 메모리는 마이콤 또는 마이크로프로세서 내에 구비되는 메모리일 수 있고, 별도의 메모리가 될 수 있다. 따라서 플래시 메모리 디스크(SSD: Solid State Disk), 하드 디스크 드라이브, 플래시 메모리, EEPROM(Electrically erasable programmable read-only memory), SRAM(Static RAM), FRAM (Ferro-electric RAM), PRAM (Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM) 등과 같은 비휘발성 메모리 및/또는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory), DDR-SDRAM(Double Data Rate-SDRAM) 등과 같은 휘발성 메모리의 조합으로 구성될 수 있다.
먼지 측정기(230)는 굴뚝(150)에 설치되어 배기가스를 측정하여 먼지 자료를 생성하는 기능을 수행한다. 먼지 측정기(230)는 고농도 먼지 배출환경과 큰 굴뚝 의 직경에 적합한 광투과 측정 방식을 적용한다. 광투과식 측정 방식은 배출가스 중 먼지 질량을 직접적으로 측정하는 방식과 다르게 가스와 먼지가 혼재한 배출가스를 빛으로 투과시키고 입자에 의해 약해진 빛의 세기를 이용하여 감쇠량을 측정 한다.
중간 자료 수집부(240)는 측정 자료로부터 보정 인자를 산출하고 먼지 자료로부터 먼지 투과율을 산출하는 기능을 수행한다. 투과식 측정 방식의 경우, 배출가스 중 먼지 질량을 직접적으로 측정하는 방식과 다르게 가스와 먼지가 혼재한 배출가스를 빛으로 투과시키고 입자에 의해 약해진 빛의 세기를 이용하여 감쇠량을 측정한다.
또한, 중간 자료 수집부(240)는 관제 센터(미도시)와 통신망으로 연결되어 원격 제어(RC: Remote Control)에 의하여 각종 측정기의 동작 상태, 교정값 등을 제어할 수 있도록 기기의 지시값 및 검색 등 설정기능이 포함되어 있을 수 있다.
또한, 중간 자료 수집부(240)에는 수분량(%), 광투과 방법으로 산출된 광감쇄량(%), 센서에 의해 측정된 온도(℃)와 압력(mbar)과 연동되어 각각의 자료를 5분, 30분 단위로 평균 또는 적산하여 자료를 저장하고 보정부(250)에 제공한다.
물론, 중간 자료 수집부(240)가 하는 기능을 통합 제어부(260)에서 수행하는 것도 가능하다. 이 경우, 통합 제어부(260)가 통신망을 통해 관제 센터에 연결된다.
통신망은 복수의 단말 및 서버들과 같은 각각의 노드 상호 간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미하는 것으로, 공중교환 전화망(PSTN), 공중교환 데이터망(PSDN), 종합정보통신망(ISDN: Integrated Services Digital Networks), 광대역 종합 정보 통신망(BISDN: Broadband ISDN), 근거리 통신망(LAN: Local Area Network), 대도시 지역망(MAN: Metropolitan Area Network), 광역 통신망(WLAN: Wide LAN) 등이 될 수 있다.
그러나, 본 발명은 이에 한정되지는 않으며, 무선 통신망인 CDMA(Code Division Multiple Access), WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), Wibro(Wireless Broadband), WiFi(Wireless Fidelity),DLNA(Digital Living Network Alliance), Zigbee, Z-wave, HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 망, 블루투쓰(bluetooth),RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), 초광대역 무선기술(Ultra-wide Band), Wireless USB(Wireless Universal Serial Bus), NFC(Near Field Communication) 네트워크, 위성 방송 네트워크, 아날로그 방송 네트워크, DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 네트워크 등이 될 수 있다. 또는, 이들 유선 통신망 및 무선 통신망의 조합일 수 있다.
도 2를 참조하면, 수신된 약해진 빛의 세기를 방사된 원래 빛의 세기와 상대적으로 비교하여 이로부터 광투과율과 흡광도를 계산한다. 흡광도는 먼지 농도에 비례함으로 비어-람베르트(Beer-Lambert Law) 법칙에 의하여 먼지 농도를 계산한다.
보정부(250)는 수분량을 포함하는 보정 인자와 먼지 투과율을 이용하여 먼지 농도를 보정하여 최종 먼지 농도를 산출한다. 보정 인자는 수분량 이외에도 배기가스의 온도, 산소 농도를 포함한다.
광투과 방식과 주시험 방법으로 산출된 최종 먼지 농도는 상관 관계식(Y=aX+b)에 의해 이론적으로 같아야 하나, 실시간 측정값과 비실시간 측정값의 차이 등으로 인하여 각 방법으로 측정된 자료는 차이가 나게 된다. 이러한 측정 자료값의 차이는 여러 가지 이지만, 그 중 하나는 실시간 측정과 비실시간 측정값에 기인한다. 이 경우, TMS과 중량법 등이 사용될 수 있으며, 보정방법으로는 실시간 먼지, 유량, 산소, O2 측정 vs 비실시간 수분량이 사용될 수 있다.
예를 들어 보정방법에 따른 차이를 설명해보면, 수학식 6을 이용하여 광투과방식으로 빛감쇄율 측정로 계산된 먼지의 양은 5분 데이터로 생성되고, 실시간으로 측정된 유량, 온도, O2값을 이용하여 수학식 1과 같이 건조 배기 가스 표준상태로 보정하는데 여기에서 수분량은 실시간으로 측정값을 사용하지 않는다.
통합 제어부(260)는 보정에 의해 생성되는 최종 먼지 농도를 이용하여 방지시설의 운전효율을 제어하는 기능을 수행한다. 부연하면, 탈질설비(120), 전기 집전기(130), 탈황 설비(140) 등의 방지 시설에 대한 운전효율을 제어한다. 물론, 보일러(110)의 운전을 제어하는 것도 가능하다. 통합 제어부(260)는 알고리즘 프로그램을 이용하여 방지 시설의 운전을 제어할 수도 있고, 관리자가 최종 먼지 농도를 확인하여 운전을 제어하는 것도 가능하다. 이를 위해, 통합 제어부(260)는 통신 모뎀, 마이콤, 전자 회로, 마이크로프로세서, 메모리 등을 포함하여 구성될 수 있다.
표시부(270)는 최종 먼지 농도, 설정 메뉴, 조작 화면, 운전 상태 등을 표시하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 표시부(270)는 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode) 디스플레이, PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic LED) 디스플레이, 터치 스크린, CRT(Cathode Ray Tube), 플렉시블 디스플레이, 마이크로 LED, 미니 LED 등이 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1에 도시된 자동 측정기(210)의 세부 구성 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 자동 측정기(210)는, 탈황 설비(140)와 굴뚝(150)사이에 배치되는 배기 통로(301)의 측면에 형성되는 측정공(301-1)에 삽입되어 배기가스를 여과하여 수증기를 여과하는 여과기(320), 여과기(320)에 연통되어 여과된 수증기를 흡수하는 흡입관(320), 흡입관(320)의 외주면을 감싸 고온을 유지하게 하여 정전위(330)를 생성시키는 히터(321), 정전위 전원의 정전 용량 및 측정공(301-1)에서 측정되는 대기압을 이용하여 수분량 자료를 산출하는 분석계(340) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
정전용량 방식의 센서는 측정공에서의 대기압을 측정하는 절대압력 센서와 배출가스 중 수증기의 부분압에만 반응하는 센서이며, 이를 이용하여 수분량(%)을 측정하는 원리이다.
정전용량식 습도센서는 커페시터 사이에 수분에 잘 반응하는 유전물질로 채워두면, 습도에 따라 유전율이 변하여 전극 양단의 전기용량이 변화게 되는데, 이로부터 습도를 유추할 수 있다. 센서는 통상적으로 0~90% RH 범위에서 ±3% RH 정밀도를 가진다.
정전위 전원은 정전계내의 임의점과 이로부터 설정한 점사이의 전위차이다. 또한, 정전용량은 절연된 도체가 전기량을 축적하는 능력의 정도를 말한다.
흡입관(320)은 수분 응축 방지를 위해 시료가스 온도를 배기가스보다 고온으로 유지할 수 있는 석영 유리,스테인리스강 재질관 등을 사용할 수 있다.
히터(321)는 흡입관(320)의 외주면을 감싸서 시료가스 온도를 배기가스보다 고온으로 유지할 수 있게 한다.
분석계(340)는 정전위 전원에 따른 커패시터(330)의 정전 용량을 측정하는 정전 용량 센서(341-1), 측정공(301-1)에서의 대기압을 측정하는 절대 압력 센서(341-2), 정전 용량과 대기압을 이용하여 배출가스의 수분량(%)을 산출하는 수분량 분석 유닛(342), 수분량의 값을 증폭하는 증폭 유닛(343) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
정전 용량 센서(341-1)는 배출가스 중 수증기에 반응하여 발생하는 정전용량을 측정하는 센서로 구성된다.
수분량 분석 유닛(342)은 정전위 전원의 정전 용량 및 측정공(301-1)에서 측정되는 대기압을 이용하여 수분량을 산출하는 기능을 수행한다. 정정 용량식 센서를 이용한 방법은 주로 고온에서 절대습도를 측정하기 위해 사용하는 센서이며, 열전도를 이용하여 습도 측정하기 위해서는 서미스터에 기반을 둔 센서를 사용한다. 이 경우, 직렬로 연결되는 두 개의 서미스터를 사용한다. 하나의 센서는 대기 중 노출되어 있으며, 다른 하나는 건조한 공기중에 설치되어 있다. 일반적으로 건조된 질소가스를 주로 사용된다.
두 개의 서미스터는 저항이 다른 브릿지 회로에 연결되어 있다. 전류를 서미스터에 흘리면 자기가열에 의해 서미스터의 온도가 약 200℃까지 상승하고 질소가스에 봉합된 서미스터 쪽이 수분을 함유하고 있는 대기 중에 노출된 서미스터보다 훨씬 더 빨리 열적 손실이 발생한다.
그 이유는 수분을 함유한 공기와 건조한 질소가의 열전도 차이 때문이다. 열 손실로 인해 서로 다른 온도를 나타내게 되고 서미스터 온도차에 의한 저항의 차이로부터 출력값이 최대 약 13mV까지 나오게 되는데 이로부터 절대습도와 출력전압간 그래프를 이용하여 절대 습도를 계산할 수 있다. 이러한 그래프를 보여주는 도면이 도 7에 도시된다.
도 3을 참조하면, 증폭 유닛(343)은 수분량의 값을 증폭하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 증폭 유닛(340)에는 증폭기가 구성된다.
절대 압력 센서(341-2)와 정전 용량 센서(341-1)의 신호를 받아 수증기압 계산 및 수분량(%)을 분석하는데, 센서(341-1,341-2)는 입자상 물질 또는 가열되지 않은 흡입관을 통해 흡입되는 수분 등으로 영향을 받으므로 센서를 주기적으로 세척하는 유지관리가 필요하다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 정전 용량 센서의 개념도이다. 도 4를 참조하면, 정전 용량 센서는 도 3과 달리, 배출가스를 바로 흡입하여 수분량을 검출한다. 이를 위해, 정전 용량 센서는, Si 기판(400), Si 기판(400)의 상부면에 적층되는 SiO2층(410), SiO2층(410)의 일부 상부면에 적층되는 제 1 Ti-Au 전극(420), 제 1 Ti-Au 전극(420)과 SiO2측(410)의 일부에 적층되는 BCB(Benzocyclobutene)층(430), BCB층(430)의 상부면에 배기가스가 흡입되도록 일정 간격으로 배치되는 제 2 Ti-Au 전극(440)으로 구성될 수 있다.
부연하면, 도 4와 같이 Si 기판을 이용하여 전극판 사이에 유전체로 divinyl siloxane benzocyclobutan(BCB) 박막을 사용한 예이다. 이 소자는 반응속도가 약 650ms 정도, 최소측정시간은 400ms이며, 한번 측정 수초만에 빠져나간 원래 상태로 돌아올수 있는 장점이 있다.
도 4를 참조하면, 도 3에 도시된 정전 용량 센서(341-1)를 도 4의 정전 용량 센서로 대체할 수 있다. 이 경우, 여과기(310), 흡입관(320), 히터(321) 등을 생략하고, 정전 용량 센서를 측정공(301-1)에 삽입하여 정전 용량을 측정할 수 있다.
한편, 센서 기반으로 시중에 나와 있는 측정기를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우, 측정기를 통해 수분량을 바로 산출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예로서는 고온, 고수분의 배기가스(80°C, 절대습도 10%)가 흐르는 굴뚝(150)에 정전식 감응 습도 센서 및 백금 온도센서를 포함하는 수분량 측정기를 먼지 측정 지점과 동일한 위치에 설치할 수 있다.
이 경우, 센서의 전기적 신호를 변환하여 수분을 측정하여 측정값 처리부(미도시)에서 절대습도, 상대습도 혼합비, 이슬점 등으로 계산하여 수분량을 계산하여 최소 응답시간(1 분)으로 평균하여 중간 자료 수집부(230)에 제공하는 것도 가능하다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수분 함량 보정 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 먼저 측정기(230) 및 자동 측정기(210)가 실시간으로 먼지 농도 및 수분량을 측정한다(단계 S510).
이후, 자동 측정기(210)는 수분량을 분석하여 자료 취득부(220)에 실시간으로 전송한다(단계 S520). 물론, 이때, 먼저 측정기(230)도 먼지 농도를 분석하여 중간 자료 수집부(240)에 실시간으로 전송한다.
이후, 먼지 농도를 보정하기 위한 보정인자를 산출한다(단계 S530).
이후, 보정인자를 반영하여 먼지 농도를 보정하고, 이 보정된 최종 먼지 농도를 기반으로 통합 제어부(260)는 보일러(110), 탈질 설비(120), 전기 집진기(130), 탈활 설비(140)의 운전을 제어한다(단계 S540).
기존 발전소 고정값으로 입력되었던 온도(80°C),수분량(10%), 산소농도(6%)를 측정을 통해 얻은 값으로 발전소 변동 부하(즉 보일러 변동 부하)에 따른 항목별 농도범위(±20%)를 입력하여 온도(64~96°C), 수분량(8~12%),산소농도(4.8~7.2%)에서 변동에 따른 먼지 농도를 반영하여 최종 먼지 농도를 산출한다.
전기 집진기 효율 예측식에 따라 처리유량이 감소하면 집진 효율은 향상됨을 하기 표와 식에서 확인할 수 있다.
부하율 67.9% 72.5% 84.5% 96.9%
평균농도 1.80mg/m3 3.25mg/m3 3.56mg/m3 3.97mg/m3
여기서, Cp,j는 입구농도(g/m3), Cp,L은 출구농도(g/m3), ω는 입자의 이동속도(m/s), A는 집진면적(m2), Q는 가스유량(m3/s)이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 보정 먼지 농도의 표시예이다. 도 6을 참조하면, 각 항목별로 취득된 자료를 기반으로 실시간 수분량 변화(610), 장비별 교정 내역(620), 장비별 경고 알람(630), 분당 취득 자료 데이터베이스(640)로 구성되는 표시 화면이 디스플레이될 수 있다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM: Read Only Memory), 램(RAM: Random Access Memory), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100: 수분 함량 보정 시스템
110: 보일러 120: 탈질 설비
130: 전기 집진기 140: 탈활 설비
150: 굴뚝 160: 보정 제어 장치
210: 자동 측정기 220: 자료 취득부
230: 먼지 측정기 240: 중간 자료 수집부
250: 보정부 260: 통합 제어부
270: 표시부
301: 배기 통로 301-1: 측정공
320: 흡입관 321: 히터
400: Si 기판 410: SiO2
420: 제 1 Ti-Au 전극 430: BCB(Benzocyclobutene)층
440: 제 2 Ti-Au 전극

Claims (17)

  1. 보일러(110)에서 생성되어 배출되는 배기가스중 질소 산화물을 제거하는 탈질 설비(120);
    상기 배기가스중의 먼지 입자를 집진하는 전기 집진기(130);
    상기 전기 집진기(130)를 통과한 상기 배기가스중 황산화물을 제거하는 탈황 설비(140);
    상기 황산화물이 제거되는 최종적인 배기가스를 배출하는 굴뚝(150); 및
    상기 최종적인 배출가스중의 수분량을 실시간으로 측정하여 먼지 농도를 보정하는 보정 제어 장치(160);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정 제어 장치(160)는,
    상기 탈황 설비(140)와 상기 굴뚝(150) 사이의 측정공(301-1)에 설치되어 상기 최종적인 배기가스를 측정하여 측정 자료를 생성하는 자동 측정기(210);
    상기 측정 자료를 기록 저장하는 자료 취득부(220);
    상기 굴뚝(150)에 설치되고, 상기 최종적인 배기가스를 측정하여 먼지 자료를 생성하는 먼지 측정기(230);
    상기 측정 자료로부터 상기 수분량을 포함하는 보정 인자를 산출하고, 상기 먼지 자료로부터 먼지 투과율을 산출하는 중간 자료 수집부(240); 및
    상기 보정 인자와 상기 먼지 투과율을 이용하여 상기 먼지 농도를 보정하여 최종 먼지 농도를 산출하는 보정부(250);를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 먼지 측정기(230)는 광투과식 측정 방식을 이용하여 상기 측정 자료를 생성하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 자동 측정기(210)는,
    상기 탈황 설비(140)와 상기 굴뚝(150)사이에 배치되는 배기 통로(301)의 측면에 형성되는 측정공(301-1)에 삽입되어 배기가스를 여과하여 수증기를 여과하는 여과기(320);
    상기 여과기(320)에 연통되어 여과된 수증기를 흡수하여 정전위를 생성하는 흡입관(320);
    상기 정전위에 따라 발생하는 정전위 전원의 정전 용량 및 상기 측정공(301-1)에서 측정되는 대기압을 이용하여 상기 수분량 자료를 산출하는 분석계(340);를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 분석계(340)는,
    상기 정전위 전원에 따른 상기 정전 용량을 측정하는 정전 용량 센서(341-1);
    상기 측정공(301-1)에서의 대기압을 측정하는 절대 압력 센서(341-2);
    상기 정전 용량과 상기 대기압을 이용하여 상기 배출가스의 수분량(%)을 산출하는 수분량 분석 유닛(342); 및
    상기 수분량의 값을 증폭하는 증폭 유닛(343);을 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 흡입관(320)의 재질은 석영 유리 또는 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 흡입관(320)의 외주면을 감싸 상기 흡입관(320)의 내부를 고온으로 유지하게 하여 상기 정전위를 생성시키는 히터(321);를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 보정 인자는 상기 수분량과 함께 상기 최종적인 배기가스의 온도 및 산소 농도를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 보정은 상기 보일러의 변동 부하에 따른 항목별 농도범위 (±20%)를 입력하여 온도(64~96°C), 수분량(8~12%) 및 산소농도(4.8~7.2%)에서 변동되는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 시스템.
  10. (a) 탈질 설비(120)를 이용하여 보일러(110)에서 생성되어 배출되는 배기가스중 질소 산화물을 제거하는 단계;
    (b) 전기 집진기(130)를 이용하여 상기 배기가스중의 먼지 입자를 집진하는 단계;
    (c) 탈황 설비(140)를 이용하여 상기 전기 집진기(130)를 통과한 상기 배기가스중 황산화물을 제거하는 단계;
    (d) 상기 황산화물이 제거되는 최종적인 배기가스를 배출하는 굴뚝(150); 및
    (e) 보정 제어 장치(160)가 상기 최종적인 배출가스중의 수분량을 실시간으로 측정하여 먼지 농도를 보정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    (e-1) 자동 측정기(210)가 상기 탈황 설비(140)와 상기 굴뚝(150) 사이의 측정공(301-1)에 설치되어 상기 최종적인 배기가스를 측정하여 측정 자료를 생성하는 단계;
    (e-2) 자료 취득부(220)가 상기 측정 자료를 기록 저장하는 단계;
    (e-3) 상기 굴뚝(150)에 설치되는 먼지 측정기(230)가 상기 최종적인 배기가스를 측정하여 먼지 자료를 생성하는 단계;
    (e-4) 중간 자료 수집부(240)가 상기 측정 자료로부터 상기 수분량을 포함하는 보정 인자를 산출하고, 상기 먼지 자료로부터 먼지 투과율을 산출하는 단계; 및
    (e-5) 보정부(250)가 상기 보정 인자와 상기 먼지 투과율을 이용하여 상기 먼지 농도를 보정하여 최종 먼지 농도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 먼지 측정기(230)는 광투과식 측정 방식을 이용하여 상기 측정 자료를 생성하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 (e-1) 단계는,
    여과기(320)를 이용하여 상기 탈황 설비(140)와 상기 굴뚝(150)사이에 배치되는 배기 통로(301)의 측면에 형성되는 측정공(301-1)에 삽입되어 배기가스를 여과하여 수증기를 여과하는 단계;
    흡입관(320)을 이용하여 상기 여과기(320)에 연통되어 여과된 수증기를 흡수하여 정전위를 생성하는 단계; 및
    분석계(340)가 상기 정전위 전원의 정전 용량 및 상기 측정공(301-1)에서 측정되는 대기압을 이용하여 상기 수분량 자료를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 분석계(340)는,
    상기 정전위 전원에 따른 상기 정전 용량을 측정하는 정전 용량 센서(341-1);
    상기 측정공(301-1)에서의 대기압을 측정하는 절대 압력 센서(341-2);
    상기 정전 용량과 상기 대기압을 이용하여 상기 배출가스의 수분량(%)을 산출하는 수분량 분석 유닛(342); 및
    상기 수분량의 값을 증폭하는 증폭 유닛(343);을 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 흡입관(320)의 재질은 석영 유리 또는 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 보정 인자는 상기 수분량과 함께 상기 최종적인 배기가스의 온도 및 산소 농도를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 보정은 상기 보일러의 변동 부하에 따른 항목별 농도범위 (±20%)를 입력하여 온도(64~96°C), 수분량(8~12%) 및 산소농도(4.8~7.2%)에서 변동되는 것을 특징으로 하는 굴뚝 배출 먼지의 수분 함량 보정 방법.


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