TWI450755B - 控制選擇性催化還原設備之操作之方法 - Google Patents

Description

控制選擇性催化還原設備之操作之方法

本發明係關於控制向選擇性催化還原反應器供給諸如尿素或氨氣等還原劑之方法，運行該選擇性催化還原反應器用於自諸如燃燒設備或焚燒設備等處理設備之製程氣體中去除NOx，該控制還原劑之供給包括估計可指示需要自選擇性催化還原反應器中該製程氣體去除之NOx量之至少一個預定參數的當前值。

本發明進一步係關於控制向運行用於自處理設備之製程氣體去除NOx之選擇性催化還原反應器供給諸如尿素或氨氣等還原劑的裝置。

在諸如發電設備或廢物焚燒設備等燃燒設備中燃燒燃料(例如煤、石油、天然氣、泥煤、廢物等)時，生成製程氣體。對於自該等製程氣體(通常稱作煙氣)中分離氮氧化物(通常表示為NOx)而言，在常用方法中將還原劑(通常為氨氣或尿素)與煙氣混合。然後使與該氨氣或尿素混合之煙氣經過觸媒，其中氨氣選擇性地與NOx反應以形成氮氣及水蒸氣。通常將觸媒裝入所謂的選擇性催化還原反應器(SCR-反應器)中。

在許多製程中，尤其係廢物焚燒設備及尖峰載荷發電設備中，需要藉由SCR-反應器處理之NOx之載量隨時間的變化很大。NOx載量之變化尤其取決於不同燃料品質及對廢物焚燒設備或發電設備之燃料的不同供應(亦即不同載量)。

EP 0 604 236 B1闡述使用氣體渦輪之發電設備。在EP 0 604 236 B1中認為，控制對於SCR-反應器上游中煙氣之氨氣劑量的標準技術係量測SCR-反應器下游中NOx之濃度並使用回饋控制來控制對於煙氣之氨氣劑量。EP 0 604 236 B1指出此一系統對載量變化具有極慢的響應時間。EP 0 604 236 B1提出使用前饋控制器以根據SCR-反應器上游中NOx濃度之量測來控制氨氣的供應。

即使使用EP 0 604 236 B1之前饋控制，對載量變化之響應有時仍不夠迅速，此可導致向環境大氣排放高於排放限值之量的NOx或氨氣，該排放限值係由環境機構設定。

本發明目標係提供控制向SCR-反應器供應諸如氨氣或尿素等還原劑之方法，該方法能夠處理製程氣體中NOx量的快速變化。

此目標可藉由如前文所述且包括以下步驟之方法來達成：估計至少一個預定參數之增加速率，在該估計之增加速率為正時，將該還原劑之劑量增加至較在該至少一個預定參數保持恆定在估計當前值之情形下的值為高的值。

此方法之優點在於其對於SCR觸媒之NOx入口量之變化可快速響應。與在NOx入口量相同但恆定時所需的量相比，暫時過量供給還原劑的方法可使SCR觸媒對即將較高之NOx入口量做好準備，以使在NOx入口量增加期間去除效率亦保持較高。SCR觸媒包括活性位點，還原劑之元素(例如分子)可暫時結合於上面。因此，SCR觸媒能夠將還原劑儲存在其活性位點上。在本發明方法中使用此儲存還原劑之能力作為在NOx量變化時改善對還原劑劑量之控制的方式。可以認為，催化還原反應器用作可吸收或釋放還原劑之元素(例如分子)之「海綿」。上述方法使用此作用來改善選擇性催化還原反應器之效率。用於本發明方法中之選擇性催化還原反應器通常可包括五氧化二釩V₂ O₅ 及/或三氧化鎢WO₃ 作為活性成份，該等活性成份係添加至陶瓷基材料上，例如，蜂窩狀陶瓷載劑。

根據本發明一實施例，該方法進一步包括：在該估計之增加速率為負時，將該還原劑之劑量降低至較在該至少一個預定參數保持恆定在估計當前值之情形下的值為低的值。本發明此一實施例之優點在於，暫時性減量供給與NOx入口量相同但恆定時所需量相比之還原劑的方法可使SCR觸媒備用於隨後較低之NOx入口量，進而在NOx入口量降低期間還原劑(例如氨氣)之逸出亦保持較低。

根據本發明之另一實施例，該方法進一步包括：比較該估計之增加速率與上限值，及在該估計之增加速率超過該上限值時，將該還原劑之劑量增加至較該在至少一個預定參數保持恆定在估計當前值之情形下的值為高的值。本發明之該另一實施例的優點在於可僅在NOx入口量快速增加時設置過量供給還原劑，此時過量供給還原劑之方法最有效，然而可不使用過量供給來處理涉及NOx之入口量緩慢增加的情形。

根據本發明之又一實施例，該方法進一步包括：比較該估計之增加速率與下限值，及在該估計之增加速率低於下限值時，將該還原劑之劑量降低至較在該至少一個預定參數保持恆定在估計當前值之情形下的值為低的值。本發明之該又一實施例的優點在於可僅在NOx入口量快速降低時設置減量供給還原劑，此時減量供給之方法最有效，然而可不用減量供給來處理涉及NOx之入口量緩慢降低的情形。

根據本發明一實施例，該預定參數包括在選擇性催化還原反應器之上游位置處製程氣體中NOx的質量流量。根據本發明另一實施例，該預定參數係關於處理設備之載量。

根據本發明之又一實施例，以前饋模式使用該至少一個預定參數以由此控制還原劑之供給。

根據本發明之較佳實施例，過量供給還原劑之效應(如上所述)隨後在還原劑之量過量時可藉由以下來補償：將該還原劑之劑量降低至較在該至少一個預定參數在估計當前值保持恆定之情形下的值為低的值。本發明之此較佳實施例的優點在於將所供應還原劑之總量保持在使SCR反應器中還原劑(例如氨氣)之逸出降至最低的值下。

該估計該至少一個預定參數之增加速率可包含計算該至少一個預定參數之導數。計算該至少一個預定參數之導數提供估計NOx入口量的變化有多快的簡單方式，且無論NOx入口量係增加還是降低。

上述目標亦可藉助本發明中根據前文所述且包括以下步驟之另一方法來達成：估計該至少一個預定參數之增加速率，在該估計之增加速率為負時，將該還原劑之劑量降低至較在該至少一個預定參數保持恆定在估計當前值之情形下的值為低的值。

本發明之該另一方法基本上係第一所述方法之變化形式且可與該方法組合使用，其優點在於適於在涉及NOx入口量降低之情形下降低無意離開SCR反應器之還原劑的量。由此，將諸如氨氣等還原劑之逸出降至最低。應瞭解，本發明之該另一方法可與在NOx入口量增加期間控制還原劑劑量之第一所述方法(如上所述)相組合。

根據本發明該另一方法之一實施例，該另一方法另外包括以下步驟：比較該估計增加速率與下限值，及在該估計之增加速率低於下限值時，將該還原劑之劑量降低至較該至少一個預定參數在估計當前值下保持恆定之情形為低的值。

本發明之另一目標係提供裝置，可藉助該裝置以較先前技術裝置能夠更佳地處理製程氣體中NOx量之快速變化之方式來控制向SCR-反應器供應諸如氨氣或尿素等還原劑。

此目標可經由使用前文之裝置來達成，且該裝置之特徵在於包括控制器，運行該控制器用於估計該至少一個預定參數之增加速率，且用於在該估計之增加速率為正時將該還原劑之劑量增加至較在該至少一個預定參數保持恆定在估計當前值之情形下的值為高的值。

此裝置之優點在於其快速響應NOx入口量之增加，從而可由此在該等情形下避免NOx出口量之增加，亦即避免排放至大氣中之NOx增加。

根據本發明一實施例，運行前文之該裝置用於：在該估計之增加速率為負時，將該還原劑之劑量降低至較在該至少一個預定參數保持恆定在估計當前值之情形下的值為低的值。此裝置之優點在於其快速響應NOx入口量出現降低，從而可由此在該等情形下避免還原劑之出口量增加，亦即避免通向大氣中之諸如氨氣等還原劑之逸出。

本發明另一目標係提供控制向SCR-反應器供應諸如氨氣或尿素等還原劑之方法，該方法能夠處理製程氣體中NOx量的快速變化。

該後一目標能夠藉助如前文所述且包括控制供給還原劑之步驟的方法來達成，其包含：利用處理設備之載量與選擇性催化還原反應器之NOx質量流量間的關係來估計該至少一個預定參數之相關值，以便可將處理設備之估計載量轉化成選擇性催化還原反應器之NOx的預計質量流量，進而可根據NOx之質量流量來調節該還原劑之劑量。

本發明此方法之優點在於其提供對於隨後到達SCR反應器之NOx之入口量變化的早期警報。因此，控制系統可對NOx入口量即將到來的變化做出響應並由此使SCR反應器對於即將到來的NOx入口量之彼等變化做好準備。氨氣供應系統中總是存在一些與閥、管等之運行有關的時間延遲。因此，藉由提供此一早期警報，由此可補償該等時間延遲以便預定量還原劑之供應可在時間上與NOx之相應入口量精確匹配。

根據本發明另一實施例，處理設備之載量與選擇性催化還原反應器之NOx質量流量間之該關聯包含數學模型，該數學模型近似於處理設備之載量與選擇性催化還原反應器之NOx質量流量間之該關聯。本發明該另一實施例之優點在於，量測處理設備之載量或獲得指示處理設備之載量的信號使得可以獲得對NOx入口量之精確指示，以便控制系統可由此精確控制向SCR反應器供應還原劑。

根據本發明又一實施例，以前饋模式使用處理設備之載量以由此控制到達選擇性催化還原反應器之該還原劑的劑量。本發明該又一實施例之優點在於可在非常早期檢測NOx入口量之變化，此使得控制系統不僅可解決供給系統之時間延遲，且亦解決在此之SCR觸媒的慢速響應，舉例而言，在NOx之入口量增加時利用控制還原劑之供應的第一所述方法來達成。

根據說明書及申請專利範圍可明瞭本發明之其他目標及特徵。

圖1係顯示發電設備1之示意性側視圖。發電設備1包括燃煤鍋爐2。在燃煤鍋爐2中，煤在空氣存在下燃燒。生成經由管道4離開燃煤鍋爐2之煙氣。管道4引導煙氣到達氨氣注入系統6。在氨氣注入系統6中，向煙氣中添加氣態氨氣NH₃ 並與煙氣充分混合。自氨氣供應系統8向氨氣注入系統6供應氣態氨氣。煙氣經由管道10離開氨氣注入系統6並傳遞至選擇性催化還原(SCR)反應器12中。SCR反應器12包括一或多個SCR-觸媒之連續層14。此SCR觸媒包括諸如五氧化二釩或三氧化鎢等催化活性組份，將該催化活性組份施加至陶瓷載劑材料上以構成(例如)蜂窩狀結構或板材結構。在SCR反應器12中，煙氣中之氮氧化物NOx與藉助氨氣注入系統6注入至煙氣中之氨氣發生反應以形成氮氣N₂ 。煙氣然後經由管道16離開SCR-反應器12並經由煙囪18排放至大氣中。應理解，發電設備1可包括其他氣體清潔裝置，例如顆粒去除器，例如靜電沉降器，及例如濕式除塵器。出於維持清晰顯示圖式之原因，該等裝置未示於圖1中。

運行第一NOx分析儀20用於量測管道4中亦即鍋爐2後即刻及SCR反應器12上游之NOx量。運行第二NOx分析儀22用於量測管道16中亦即SCR反應器12下游之NOx量。第一控制器24接收來自第一NOx分析儀20及第二NOx分析儀22之輸入，如圖1中所示。根據此輸入，第一控制器24計算當前之NOx去除效率。將計算之當前NOx去除效率與NOx去除設定點進行比較。此可藉助第一控制器24中所包含之PID控制器來實施。第一控制器24計算(例如藉助該PID控制器)氨氣流量之設定點，並將關於該氨氣流量之資訊發送至第二控制器26。

運行載量感測器28用於感測鍋爐2之載量。該載量可以(例如)輸送至鍋爐2之燃料量的形式來表示，例如噸煤/h。載量感測器28產生發送至第二控制器26之信號。來自載量感測器28之此信號指示鍋爐2之載量，且因鍋爐2位於SCR反應器12上游，故此信號指示在不久的將來將影響SCR反應器12的鍋爐2之載量的前饋信號。應瞭解，載量感測器28可大體上給出SCR反應器12將暴露之NOx量的早期警報。舉例而言，若載量感測器28量測對鍋爐2之燃料的當前供應，則指示給第二控制器26之鍋爐2之載量係SCR反應器12將在數分鐘內暴露的載量。另一方面，若載量感測器28感測(例如)對於鍋爐2之燃料供應的設定點，則自載量感測器28傳達給第二控制器26之載量信號對應於SCR反應器12將在數分鐘或甚至數小時內暴露之NOx的量。

第二控制器26計及鍋爐2之載量(如藉由載量感測器28所量測)，且根據鍋爐2之載量來調節氨氣流量的設定點，如藉由第一控制器24所計算。將考慮到鍋爐2載量之經調節之氨氣流量設定點發送至氨氣供應系統8，隨後向氨氣注入系統6供應氨氣。

作為一種選擇，可提供氨氣逃逸分析儀30。如圖1中所示，氨氣逃逸分析儀30經設計以運行用於量測氣體管道16中亦即SCR反應器12下游之氨氣濃度。氨氣逃逸分析儀30產生之信號發送至第一控制器24。因應接收到此一信號，出於避免自SCR反應器12中逸出過多氨氣之目的，第一控制器24可調節氨氣流量之設定點。第一控制器24之策略可選擇為使其中NOx之去除效率最大化直到達到氨氣的某一最大逸出之策略，後者係藉由氨氣逃逸分析儀30來量測。在所量測之氨氣逸出達到最大氨氣逸出值時，如藉由氨氣逃逸分析儀30所測定，第一控制器24以不超過此最大氨氣逸出值之方式來控制氨氣流量之設定點。亦可使用其他控制策略，例如維持某一出口NOx量直到達到氨氣的某一逸出之策略，後者可藉由氨氣逃逸分析儀30來量測。

圖2以示意性方式顯示其中典型SCR觸媒已起作用之方式。典型SCR觸媒可包括五氧化二釩V₂ O₅ 及/或三氧化鎢WO₃ 作為添加至陶瓷基礎材料(例如蜂窩狀陶瓷載劑)之活性成份。

在T=0時，未向SCR觸媒供應還原劑，隨後之還原劑較佳呈氨氣NH₃ 形式。因此，在T=0時，SCR觸媒入口之NOx濃度(藉由圖2中表示為「NOx入口」之曲線繪示)基本等於SCR觸媒出口之NOx濃度(藉由圖2中表示為「NOx出口」之曲線繪示)。在T1時開始供應氨氣。圖2顯示如何以階梯形式開始氨氣之此一供應，隨後之氨氣供應藉由圖2中表示為「NH₃ 入口」之曲線繪示。根據圖2可以發現，由表示為「NOx出口」之曲線繪示之出口NOx在T1後開始緩慢降低。據信，此緩慢降低之原因係由於SCR觸媒包括許多活性位點之事實。因此，開始向SCR觸媒供應氨氣時，所有該等活性位點皆為空。因此，在足夠數量該等活性位點填充氨氣之過程期間，SCR觸媒降低NOx濃度之能力逐漸增加。隨後，在足夠數量之SCR觸媒活性位點填充氨氣時之時間T2，隨後NOx之還原可以預期效率進行。

接下來，在時間T3，停止以階梯形式向SCR觸媒供應氨氣。參照圖2可最佳地理解，NOx之出口濃度(由圖2中表示為「NOx出口」之曲線繪示)在時間T3後開始增加，但此增加極緩慢，尤其在時間T3後不久。此相對緩慢增加之原因似乎在於SCR觸媒之許多活性位點在時間T3填充有氨氣。因此，即使在T3時停止供應氨氣後，SCR觸媒仍在相當長時間內保持其還原NOx之能力。參照圖2可易於理解，直至時間T4 SCR觸媒後之NOx濃度(如其中藉由表示為「NOx出口」之曲線所示)才達到與NOx入口濃度相同之值，後者如其中藉由表示為「NOx入口」之曲線所示。T1至T2、及T3至T4之時間通常可在30分鐘範圍內，但此時間可端視諸如觸媒類型、煙氣溫度、NOx量等因素而變化很大。

因此，參照圖2可易於瞭解，在開始向SCR觸媒供應氨氣之後SCR觸媒似乎需要相當一段時間才充分積累還原NOx之能力。另外，似乎在停止供應氨氣後SCR觸媒在相當一段時間內亦保持其還原NOx之能力。因此，SCR觸媒能夠在其活性位點儲存還原劑(亦即氨氣)。根據此觀察結果，本發明研發控制向SCR觸媒供應氨氣之有效方式。在下文中將詳細闡述之此控制方法能夠在(例如)用於控制諸如氨氣等還原劑之量的第二控制器26中實施，該還原劑係自氨氣供應系統8向位於SCR反應器12上游位置之氨氣注入系統6供應，其如圖式之圖1中所示。

本發明之此控制方法包含估計可指示SCR觸媒入口處NOx量之參數之增加速率的步驟。此估計可基於在固定時間間隔SCR觸媒入口處NOx濃度(例如，單位為ppm)之量測。以此方式可估計NOx濃度在SCR觸媒入口處之增加速率。舉例而言，若經量測在一時刻在SCR觸媒入口上游位置處之NOx濃度為230ppm，且經量測三(3)分鐘後SCR觸媒入口之相同上游位置處之NOx濃度為260ppm，則在SCR觸媒入口之此上游位置處所量測NOx濃度之增加速率可估計為(260-230)/3=10ppm/分鐘。此一計算表示在SCR觸媒入口之此上游位置處所量測NOx濃度之增加速率。

為進一步改善對SCR觸媒入口處NOx濃度之估計的精確性，較佳使用自載量感測器28獲得之鍋爐載量信號來計算NOx量之增加速率，而非僅NOx濃度之增加速率。根據載量感測器28提供之鍋爐載量信號及來自第一NOx分析儀20之所量測的NOx濃度，然後可計算在SCR觸媒入口處存在之NOx量的變化。舉例而言，若SCR觸媒入口之NOx量在一時刻經量測為30kg/小時且然後3分鐘後經量測為36kg/小時，則SCR觸媒入口NOx之增加速率可估計為(36-30)/3=2kg/小時/分鐘。

上文所示SCR觸媒入口NOx之增加速率的實例基本對應於在所示時間間隔內SCR觸媒入口NOx濃度之導數。應瞭解，在不背離本發明本質之情形下，同樣可運行第二控制器26來連續計算基於來自第一NOx分析儀20及/或載量感測器28之輸入信號的導數值。

將SCR觸媒入口處之此估計之NOx增加速率與上限值進行比較。此一上限值可為(例如) 20ppm/分鐘或4kg/小時/分鐘。若SCR觸媒入口處NOx之估計增加速率保持低於該上限值，則運行第二控制器26用於試圖藉由在彼處類似增加氨氣供應來與在SCR觸媒入口處NOx濃度之增加相匹配。實現此一匹配已眾所周知。然而，若SCR觸媒入口處NOx量之增加速率超過確立之上限值，舉例而言，若SCR觸媒入口處NOx量之增加速率達到5kg/小時/分鐘，則將該還原劑(例如氨氣)之量增加至較在該至少一個預定參數保持恆定在其估計當前值之情形下的值為高的值。亦即，舉例而言，若SCR觸媒入口處NOx量之增加速率據估計為5kg/小時/分鐘，此超過4kg/小時/分鐘之確立上限值，且SCR觸媒入口處NOx量之當前值為36kg/小時，則可藉由第二控制器26將所供應氨氣量之設定點設定為對應於(例如)50kg/小時NOx的氨氣量。因此，若SCR觸媒入口處NOx量之增加速率超過其確立上限值，則運行第二控制器26用於供應遠大於另外向現有量NOx(若NOx之該當前量在較長時間段內維持恆定)供應之氨氣量的氨氣。換言之，在完全恆定條件下SCR觸媒入口處36kg/h之NOx量需要供應X kg/h的氨氣。然而，若SCR觸媒入口處NOx量之估計增加速率變得大於其確立上限值，則將所供應之氨氣量增加至較高值(例如，X+10kg/h)，以由此使所供應之氨氣量相對於其實際量測之值(亦即，36kg/h之NOx)達成「過沖」。氨氣之此過大供應隨後可藉由將所供應之氨氣量降低至低於其量(此對應於根據SCR觸媒入口處NOx之現有量需要供應之氨氣量)來予以補償。根據本發明之此方法，SCR觸媒入口處NOx量之增加由此藉由以下來處理：首先將所供應之氨氣量增加至高於根據SCR觸媒入口處NOx之現有量所需要的量，此係在SCR觸媒入口處NOx之該量保持恆定之情形下，且然後藉由將所供應之氨氣量降至低於根據SCR觸媒入口處NOx之現有量所需要的量來予以補償。

因此，本發明方法組合了供應早期「過沖」量之氨氣及後期供應「校正」量之氨氣。已發現，本發明方法中各步驟之此一組合極有效地控制在SCR觸媒入口處之NOx量迅速增加時之情形。據信其原因在於以下事實：SCR觸媒對所供應氨氣量之變化的響應極慢，如參照圖2所最佳理解。藉由供應「過沖」量之氨氣，向SCR觸媒快速供應大量氨氣以快速填充其可用活性位點。因此，SCR觸媒可快速到達一種狀況，可將在SCR觸媒入口所提供之大部分增加量的NOx還原。藉由供應「校正」量之氨氣，由此避免了SCR觸媒可能變得過量填充氨氣並進而導致不期望量之氨氣逸出的可能。因此，本發明方法能夠解決原本為SCR觸媒操作之特徵的緩慢響應問題。

前文根據本發明方法已闡述，藉由SCR觸媒入口處NOx量之增加速率超過其某一確立上限值之事實來觸發組合供應「過沖」量氨氣之步驟及供應「校正」量氨氣之步驟。各設備可單獨設定此一確立上限值且可根據各發電設備1所特有之若干設備因素來測定。該等因素之實例包含(以例示方式且並不加以限制)：SCR觸媒入口處NOx量之變化方式、SCR觸媒出口處NOx濃度之要求、離開SCR觸媒出口之氨氣量(亦即，通常稱為氨氣逸出)的要求、SCR觸媒之量及類型等。

應瞭解，在不背離本發明本質之情形下，根本無需使用上限值，從而SCR觸媒入口處NOx量之任一增加皆引起供應「過沖」量之氨氣、隨後供應「校正」量之氨氣。

前文已根據本發明方法闡述如何處理在SCR觸媒入口處NOx量之增加。為此，應瞭解，根據本發明方法，SCR觸媒入口處NOx量之降低可以類似方式進行處理，此並不背離本發明之本質。亦即，舉例而言，可確立SCR觸媒入口處NOx量之增加速率的下限值，例如，-4kg/小時/分鐘。然後，在SCR觸媒入口處NOx量以小於-4kg/小時/分鐘之增加速率降低時，將氨氣之供應降至較在該至少一個預定參數保持恆定在其估計當前值之情形下的值為低的值。此一行為可稱為供應「下沖」量之氨氣。根據本發明方法，在此一供應「下沖」量之氨氣後供應「校正」量之氨氣。

圖3以示意性方式繪示在應用至圖1之發電設備1時如上所述之本發明方法的效應。參照圖3可最佳理解，其中繪示有4條曲線：一曲線表示為「NOx入口」，其代表SCR反應器12入口之NOx濃度，一曲線表示為「NOx出口」，其代表SCR反應器12後之NOx濃度，一曲線表示為「NH₃ 入口」，其代表供應至氨氣注入系統6之氨氣(亦即，在SCR反應器12上游供應之氨氣)的濃度，且一曲線表示為「NH3出口」，其代表離開SCR反應器12之氨氣的濃度，亦即，氨氣逸出量。假定在圖3中所示時間範圍期間鍋爐載量恆定，此意味著「NOx入口」曲線代表SCR觸媒入口處之NOx量。

繼續參照圖式中之圖3，參照其可以發現，在時間T1 SCR觸媒入口處之NOx濃度開始增加。藉由第一NOx分析儀20來感測在SCR觸媒入口處此增加之NOx量，進而SCR觸媒入口處此增加之NOx量實現觸發第一及第二控制器24、26，藉此向氨氣注入系統6增加氨氣之供應。進一步參照圖3，參照其可以發現，測得在時間T2在SCR觸媒入口處NOx量之增加速率(如藉由第二控制器26所估計)高於其確立上限值。因測得此行為，故第二控制器26使自氨氣供應系統8向氨氣注入系統6供應之氨氣量大大增加。此增加示於圖3中，如「NH3入口」曲線在T2後即刻之急劇增加。應易於瞭解，T2後即刻SCR觸媒入口處之氨氣量(藉由「NH₃ 入口」曲線繪示)遠大於在此特定時間點在「NOx入口」處所需要的量。在「NH₃ 入口」曲線急劇增加(其實際上包括供應「過沖」量之氨氣)後，實施校正，此示於圖3中。接下來，在時間T3後SCR觸媒入口處之NOx濃度穩定在新值下，且SCR觸媒入口處之氨氣量同樣穩定在對應於SCR觸媒入口處NOx之新值的值下。

進一步參照圖3，自其可以發現，在時間T4，SCR觸媒入口處之NOx濃度開始降低。藉由第一NOx分析儀20感測SCR觸媒入口處NOx之此降低量，此進而觸發第一及第二控制器24、26以促使後者用於減少向氨氣注入系統6供應氨氣。接下來，根據圖3可以發現，在時間T5，可以認為SCR觸媒入口處NOx量之增加速率(如藉由第二控制器26所估計)低於確立之下限值。根據此事實，運行第二控制器26用於開始大幅降低自氨氣供應系統8向氨氣注入系統6供應之氨氣量。所供應氨氣量之此一降低示於圖3中，如圖3中表示為「NH₃ 入口」曲線之曲線在標記為T5之點後即刻的急劇降低。在此急劇降低(其代表供應「下沖」量之氨氣)後，實施校正，如參照圖3所最佳理解。參照圖3可以發現，在時間T6後SCR觸媒入口處之NOx濃度穩定在新值下，且SCR觸媒入口處之氨氣量穩定在對應於SCR觸媒入口處NOx之此新值的值下。

參照圖3可最佳理解，SCR觸媒出口處之NOx濃度(其中由曲線「NOx出口」表示)繪示了SCR觸媒出口處之NOx濃度在以T2開始且以T6終止之時間段期間發生小幅增加，此進一步對應於在相同時間段期間SCR觸媒入口處NOx量的增加。SCR觸媒出口處之氨氣濃度(在圖3中表示為曲線「NH₃ 出口」)在整個相同時間段期間保持極低。因此，上述本發明方法包括以下步驟：在SCR觸媒入口處之NOx量增加時利用供應「過沖」量氨氣與在此實施校正相組合，及在SCR觸媒入口處之NOx量降低時利用供應「下沖」量氨氣與在此實施校正相組合，此可在NOx量在SCR觸媒入口處發生變化之情形下NOx濃度在SCR觸媒出口處較低且NH₃ 濃度在SCR觸媒出口處亦較低。

在圖4中示意性顯示先前技術方法之操作模式。參照圖4可最佳理解，SCR觸媒入口處之NOx量與圖3中所示者類似，且因此，圖4中表示為「NOx入口」之曲線與圖3中表示為「NOx入口」之曲線相同。進一步參照圖4，參照其可易於發現，在T1時SCR觸媒入口處之NOx量開始增加。此先前技術方法採用相當保守之方式，且為此SCR觸媒入口處之氨氣量(在圖4中由曲線「NH₃ 入口」表示)繪示直到檢測到SCR觸媒入口處之NOx量增加後相當一段時間才增加。在圖4中可發現，在T3時SCR觸媒入口處之NOx量達到穩定值。然而，圖4中表示為「NH₃ 入口」之曲線繪示在其中標記為T3之點後繼續增加。此歸因於圖4中所示先前技術方法所採用之控制系統的緩慢響應。接下來，參照圖4可以發現，在T4時SCR觸媒入口處之NOx量開始降低。再次，圖4中所示先前技術之控制方法產生相當慢的響應，此意味著其中表示為「NH₃ 入口」之曲線在其開始降低之前繼續保持較高相當長時間。如圖4中所示，在T6處，在SCR觸媒入口處之NOx量達到穩定值時，其中表示為「NH₃ 入口」之曲線仍在降低。通過比較圖4及圖3可容易地發現先前技術方法之緩慢響應所產生之影響，此示於圖4中。舉例而言，參照圖4可容易地明瞭，SCR觸媒出口處之NOx量(在圖4中由曲線「NOx出口」表示)在T1後增加地相當迅速且在T3時達到峰值。因此，先前技術方法中在T1時NOx濃度增加之緩慢響應導致NOx之排放增加。另外，參照圖4亦可容易地理解，SCR觸媒出口處之NH₃ 量(在圖4中由曲線「NH₃ 出口」表示)在T4後增加地相當迅速且在T6時達到峰值。因此，圖4中所示之先前技術方法中在T4時NOx濃度降低之緩慢響應導致氨氣逸出量增加。另一方面，圖3中所示之本發明方法顯示SCR觸媒出口處之NOx或SCR觸媒出口處之NH3無該等峰。

因此，由此可以發現，本發明方法提供在SCR觸媒入口處之NOx量發生變化時控制向SCR反應器供應諸如氨氣等還原劑的方法，其係以可避免SCR觸媒出口處之NOx峰及/或SCR觸媒出口處之NH₃ 峰的方式來達成。

圖5係顯示其中根據本發明可進一步改善氨氣供應之控制之方式的示意圖。為此，圖5之圖在x軸上顯示圖1中鍋爐2之載量，單位為噸燃料/h。圖5中示意圖之y軸顯示SCR觸媒入口處之相應NOx量，單位為kg/h。圖5中之虛線闡釋示意性量測值，其中藉助圖1中所示之載量感測器28來量測鍋爐2中之載量，且自藉由第一NOx分析儀20量測之SCR觸媒入口處NOx濃度之相應量測值及煙氣流量量測值來計算SCR觸媒入口處的NOx量。圖5中之實線闡釋代表量測值之逐段線性曲線。使用此一逐段線性曲線作為數學模型以便可由此以前饋方式來控制氨氣之供應。

舉例而言，可在圖1之第二控制器26中實施數學模型，以便第二控制器26自載量感測器28接收關於鍋爐2中當前載量之資訊。可易於理解，因SCR反應器12位於鍋爐2下游，故鍋爐2中之當前載量可指示不久後將在SCR反應器12中發現之載量。因此，第二控制器26可然後使用數學模型(亦即，圖5中所示之逐段線性曲線)來計算隨後數分鐘內可預計之SCR觸媒入口處的NOx量(kg/h)。由此，出於控制自氨氣供應系統8向氨氣注入系統6供應氨氣之目的，然後可以前饋方式且基於圖5中所示之數學模型來使用第二控制器26。可易於理解，由第二控制器26根據數學模型計算之SCR觸媒入口處之NOx量(示於圖5中)一般對應於通常在5-300秒內到達SCR反應器12入口的NOx量。然而，在不背離本發明本質之情形下，亦可能將鍋爐載量設定點信號自中心鍋爐控制系統傳送至第二控制器26以提供載量變化的更多早期警報。在此後一情形中，可使第二控制器26接收關於鍋爐2在隨後30分鐘左右內預期之載量的資訊。

應瞭解，本發明上述實施例之諸多變化形式可能屬於隨附申請專利範圍之範圍。

舉例而言，上文已闡述，本發明較佳實施例之還原劑係氨氣NH₃ 。然而，根據先前技術眾所周知可在選擇性催化還原(SCR)應用中採用不同方式來向煙氣投與還原劑。舉例而言，還原劑可以下列形式投與：加壓NH₃ 氣體、NH₃ 水溶液、尿素水溶液、固體或熔融液體形式之純尿素、自尿素來源或另一固體氨氣來源(例如胺基甲酸銨(ammonia carbamate))生成之NH₃ 。因此，亦可使用先前技術中用於指定去除NOx之SCR的還原劑，此並不背離本發明之本質。

前文已闡述，本發明之控制方法涉及以下步驟：在SCR觸媒入口處NOx之增加速率為正時(亦即，在SCR觸媒入口處之NOx量增加時)供應「過沖」量之氨氣，及在SCR觸媒入口處NOx之增加速率為負時(亦即，在SCR觸媒入口處之NOx量降低時)供應「下沖」量之氨氣。應易於理解，在不背離本發明之本質之情形下，可使用其中僅採用該等步驟中之一種的方法。舉例而言，本發明方法之第一替代方式可包括在SCR觸媒入口處NOx之增加速率為正時供應「過沖」量之氨氣的步驟，但不包括在SCR觸媒入口處NOx之增加速率為負時供應「下沖」量之氨氣的步驟。在主要關注NOx去除但很少關注氨氣逸出之情形下，可使用本發明方法之此一替代方式。本發明方法之第二替代方式可包括在SCR觸媒入口處NOx之增加速率為負時供應「下沖」量之氨氣的步驟，但不包括在SCR觸媒入口處NOx之增加速率為正時供應「過沖」量之氨氣的步驟。在主要關注將諸如氨氣等還原劑之逸出量維持於較低值但很少關注所達成之NOx去除效率時，可使用本發明方法之此一第二替代方式。

上文已闡述本發明可應用於燃煤鍋爐形式之處理設備。應瞭解，本發明亦可應用於其他類型之處理設備中，包含燃燒油、油葉岩、氣體、廢料等之熱發電設備。

儘管本文已展示並闡述了本發明之若干實施例及變化形式，但應瞭解，彼等熟習此項技術者亦可容易地對其作出各種修改，部分修改已在前文中提及。因此，隨附申請專利範圍意欲涵蓋本文提及之各種修改以及屬於本發明真實精神及範圍中之所有其他修改。

1．．．發電設備

2．．．燃煤鍋爐

4．．．管道

6．．．氨注入系統

8．．．氨供應系統

10．．．管道

12．．．選擇性催化還原反應器

14．．．SCR-觸媒之連續層

16．．．管道

18．．．煙囪

20．．．第一NOx分析儀

22．．．第二NOx分析儀

24．．．第一控制器

26．．．第二控制器

28．．．載量感測器

30．．．逃逸氨分析儀

現將參照附圖更詳細地闡述本發明，其中：

圖1係燃煤發電設備之示意性側視圖。

圖2係繪示典型SCR觸媒之行為之示意圖；

圖3係繪示根據本發明一實施例方法藉由控制氨氣之供應來操作SCR反應器之結果的示意圖；

圖4係繪示根據先前技術方法操作SCR反應器之結果的示意圖；且

圖5係繪示發電設備之載量與所生成NOx之相應量之關係的示意圖。

(無元件符號說明)

Claims (24)

1. 一種控制向選擇性催化還原反應器供給還原劑之方法，該選擇性催化還原反應器運行以自處理設備之製程氣體去除NOx，控制該還原劑之供給之該方法包括以下步驟：估計至少一個預定參數之估計當前值，該至少一個預定參數包含在該選擇性催化還原反應器之上游位置處該製程氣體中NOx之質量流量，其指示在該選擇性催化還原反應器中需要自該製程氣體去除的NOx量，估計該至少一個預定參數之增加速率，及在該至少一個預定參數之該估計增加速率為正時，將該還原劑之供應量增加至較在該至少一個預定參數保持恆定在其估計當前值之情形下的值為高的值。
2. 如請求項1之方法，該方法進一步包括以下步驟：比較該至少一個預定參數之該估計增加速率及其上限值，及在該至少一個預定參數之該估計增加速率超過其該上限值時，將該還原劑之供應量增加至較在該至少一個預定參數保持恆定在其估計當前值之情形下的值為高的值。
3. 如請求項1之方法，其中該至少一個預定參數以前饋模式使用來控制所供應該還原劑之量。
4. 如請求項1之方法，其中在該至少一個預定參數之該估計增加速率為正時，該將所供應該還原劑之量增加至較在該至少一個預定參數保持恆定在其估計當前值之情形下的值為高之值的影響隨後可藉由以下來予以補償：在 所供應還原劑之量過量供應時，將所供應該還原劑之量降低至較在該至少一個預定參數保持恆定在其估計當前值之情形下的值為低的值。
5. 如請求項1之方法，其中該估計該至少一個預定參數之增加速率包含計算該至少一個預定參數之導數的步驟。
6. 如請求項1之方法，該方法進一步包括以下步驟：當該至少一個預定參數之該估計增加速率為負數時，將所供應該還原劑之量減少至較在該至少一個預定參數保持恆定在其估計當前值之情形下的值為低之值。
7. 如請求項1之方法，該方法進一步包括以下步驟：比較該至少一個預定參數之該估計增加速率為其下限值，及當該至少一個預定參數之該估計增加速率低於其下限值時，將該還原劑之供應量降低至較在該至少一個預定參數保持恆定在其估計當前值之情形下的值為低的值。
8. 如請求項1之方法，其中該至少一個預定參數代表該處理設備之載量。
9. 如請求項8之方法，其中該控制還原劑之供料包含以下步驟：利用該處理設備之載量與該選擇性催化還原反應器上游位置處之NOx質量流量間的關係，以便可將該處理設備之載量量測值轉化成至該選擇性催化還原反應器該上游位置處之預計NOx質量流量，進而可根據至該選擇性催化還原反應器該上游位置處之該預計NOx質量流量來調節所供應該還原劑的量。
10. 如請求項9之方法，其中使用該處理設備之載量與至該 選擇性催化還原反應器上游位置處之相應NOx質量流量間之關係的數學模式。
11. 如請求項1之方法，其中該還原劑係尿素或氨氣。
12. 如請求項1之方法，其中該處理設備係燃燒設備或焚燒設備。
13. 一種控制向選擇性催化還原反應器供給還原劑之方法，該選擇性催化還原反應器運行以自處理設備之製程氣體去除NOx，控制該還原劑之供給之該方法包括以下步驟：估計至少一個預定參數之當前值，該至少一個預定參數指示在該選擇性催化還原反應器中需要自該製程氣體去除的NOx量，估計該至少一個預定參數之增加速率，比較該至少一個預定參數之估計增加速率及其下限值，及在該至少一個預定參數之估計增加速率低於其下限值時，將該還原劑之供應量降低至較在該至少一個預定參數保持恆定在其估計當前值之情形下的值為低的值。
14. 如請求項13之方法，其中該還原劑係尿素或氨氣。
15. 如請求項13之方法，其中該處理設備係燃燒設備或焚燒設備。
16. 一種控制向選擇性催化還原反應器供給還原劑之裝置，該選擇性催化還原反應器運行以自處理設備之製程氣體去除NOx，該控制該還原劑之供給包括估計至少一個預 定參數的當前值，該至少一個預定參數指示在該選擇性催化還原反應器中需要自該製程氣體去除之NOx量，該供控制用之裝置包括控制器，該控制器運行用於以下目的：估計該至少一個預定參數之增加速率，且在該至少一個預定參數之該估計增加速率為正時，將該還原劑之供應量增加至較在該至少一個預定參數保持恆定在其估計當前值之情形下的值為高的值，比較該至少一個預定參數之增加速率及其上限值，及當該至少一個預定參數之估計增加速率超過其上限值時，將該還原劑之供應量增加至較在該至少一個預定參數保持恆定在其估計當前值之情形下的值為高的值。
17. 如請求項16之裝置，其中該控制器進一步運行用於在該至少一個預定參數之該估計增加速率為負時，將該還原劑之供應量降低至較在該至少一個預定參數保持恆定在其估計當前值之情形下的值為低的值。
18. 如請求項16之裝置，其中該還原劑係尿素或氨氣。
19. 如請求項16之裝置，其中該處理設備係燃燒設備或焚燒設備。
20. 一種控制向選擇性催化還原反應器供給還原劑之方法，該選擇性催化還原反應器運行以自處理設備之製程氣體去除NOx，控制該還原劑之供給之該方法包括以下步驟：估計至少一個預定參數的相關值，該至少一個預定參數指示在該選擇性催化還原反應器中需要自該製程氣體 去除之NOx量，利用該處理設備之載量與該選擇性催化還原反應器上游位置處之NOx質量流量間之關係來估計該至少一個預定參數的該相關值，以便可將該處理設備載量之估計值轉化成至該選擇性催化還原反應器該上游位置處之預計NOx質量流量，比較該至少一個預定參數之增加速率及其上限值，及根據該預計NOx質量流量或該至少一個預定參數之估計相對值來調節所供應該還原劑的量。
21. 如請求項20之方法，其中該處理設備之載量與該選擇性催化還原反應器該上游位置處之該NOx質量流量間之該關係包含數學模型，該數學模型係該處理設備之載量與該選擇性催化還原反應器該上游位置處之該NOx質量流量間之關係的近似。
22. 如請求項20之方法，其中該處理設備之載量係以前饋模式使用用於控制向該選擇性催化還原反應器供應之該還原劑的量的目的。
23. 如請求項20之方法，其中該還原劑係尿素或氨氣。
24. 如請求項20之方法，其中該處理設備係燃燒設備或焚燒設備。