JP5302618B2 - 窒素酸化物処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンモニアによって窒素酸化物を処理する窒素酸化物処理装置に関するものである。

排ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_X）は、人体に直接影響を及ぼすだけでなく、酸性雨、光化学スモッグ等の原因となる。そのため各種排ガス中のＮＯ_X濃度が規制されており、この規制を遵守するために排ガス中の窒素酸化物を除去する必要がある。

排ガス中の窒素酸化物を除去する方法としては、例えば、排ガス中にアンモニアを供給し、これを触媒上で排ガス中の窒素酸化物と反応させて無害な窒素と水にする方法がある。具体的には、触媒を充填した触媒層に排ガスを流すとともに触媒層の上流側に設置した複数のアンモニア供給ノズルからアンモニアを噴霧供給し、アンモニアと窒素酸化物を反応させる。これにより、窒素と水を生成し、これらを触媒層の下流側に流出する。

上記反応においてアンモニアの供給量を決定するにあたり、従来は、触媒層の入口側および出口側に化学発光式のＮＯ_X濃度分析計（以下、化学発光式分析計という。）を設け、入口側分析計を先行制御用、出口側分析計をフィードバック制御用として用いている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２９０６３０号公報

しかしながら、化学発光式分析計を用いた場合には、サンプリングによって排ガス成分を測定することとなり、測定時間を長く必要とする。そのため、ＮＯ_X濃度の変化に対する追従性が悪く、適切な量のアンモニアを供給できないという問題がある。
また、上記問題を緩和するため、窒素酸化物の排出源であるボイラ等の運転状況をパラメータとする種々の先行制御を行っている。そのために調整を要するパラメータが多く、窒素酸化物処理装置の制御回路が複雑となり、調整に時間を要するという問題もある。

一方で、ジルコニア式のＮＯ_X濃度分析計（以下、ジルコニア式分析計という。）は、化学発光式分析計に比べて、応答速度が速く、ＮＯ_X濃度分析計として優れた特性を有している。しかしながら、ジルコニア式分析計は、窒素酸化物だけでなくアンモニアをも検知してしまうという問題がある。さらに、化学発光式分析計は乾きガス基準濃度を指示するのに対し、ジルコニア式分析計は湿りガス基準濃度を計測するため、各計測値を単純に比較できないという問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、ＮＯ_X濃度の変化に対する追従性が高い窒素酸化物処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる窒素酸化物処理装置は、アンモニアを供給することによって、窒素酸化物を処理する窒素酸化物処理装置であって、出口側の窒素酸化物の濃度を計測する、化学発光式分析計とされる第一の計測手段と、該第一の計測手段よりも応答速度が速く、出口側の窒素酸化物の濃度を計測する、ジルコニア式分析計とされる第二の計測手段と、前記第一の計測手段による計測値に基づいて、前記窒素酸化物の濃度を制御するための目標値を設定し、前記第二の計測手段による計測値が前記目標値となるように、アンモニア供給量を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。

このような窒素酸化物処理装置によれば、第二の計測手段の応答速度によってアンモニア供給量の制御をすることができ、窒素酸化物濃度の変化に対するアンモニア供給量の追従性を向上させることが可能である。また、第一の計測手段のみで制御する場合には、応答速度の遅れを補償するために種々のパラメータによって制御する必要があるが、本発明にかかる窒素酸化物処理装置によれば、これらのパラメータは不要のため制御の容易化を図ることが可能となる。さらに、第二の計測手段の目標値は第一の計測手段より設定しているため、第一の計測手段のみで制御する場合との整合性を確保することが可能である。

また、本発明にかかる窒素酸化物処理装置は、入口側に、窒素酸化物の濃度を計測する第三の計測手段を具備し、前記制御手段が、前記第三の計測手段による計測値に基づいて、上限値を設定する上限値設定部と、前記上限値と前記第二の計測手段による計測値とを比較して、小さい方の値を比較値として出力する比較部とを有し、前記比較値が前記目標値となるように、アンモニア供給量を制御することを特徴とする。

このような窒素酸化物処理装置によれば、第三の計測手段の計測値に基づいて定めた上限値を超えないように、アンモニア供給量を制御することができる。これにより、第二の計測手段であるジルコニア式分析計が、アンモニアを窒素酸化物として認識した場合においても、前述の上限値に基づいてアンモニアを供給することができる。したがって、必要以上にアンモニアを供給することを防止することが可能となる。

また、本発明にかかる窒素酸化物処理装置は、前記制御手段が、一方の計測手段による計測値を、他方の測定方法の値に補正する補正部を具備することを特徴とする。

このような窒素酸化物処理装置によれば、第一の計測手段および第二の計測手段が、乾式測定法と湿式測定法のいずれでも、第一の計測手段と第二の計測手段とを組み合わせて制御することが可能となる。

また、本発明にかかる窒素酸化物処理装置は、前記制御手段が、前記第三の計測手段による計測値に基づいて、先行制御値を設定する先行制御値設定部を有し、前記先行制御値と前記第二の計測手段による計測値または前記上限値とを加算した加算値が、前記目標値となるように、アンモニア供給量を制御することを特徴とする。

このような窒素酸化物処理装置によれば、入口部に設けられた第三の計測手段を用いて先行制御を行うことにより、第一の計測手段による制御の遅れを補填することができ、より適切な量のアンモニアを供給することが可能となる。

本発明の窒素酸化物処理装置によれば、第一の計測手段および第三の計測手段によって制御の信頼性を確保しつつ、第二の計測手段の応答速度によってアンモニア供給量を制御することができ、ＮＯ_X濃度の変化に対する追従性を向上させることが可能である。

以下に、本発明に係る窒素酸化物処理装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る窒素酸化物処理装置は、排ガス中にアンモニアを供給し、触媒を用いて排ガス中の窒素酸化物と反応させて無害な窒素と水にする装置であって、触媒の上流側と下流側のＮＯ_X濃度を測定し、これらの測定結果に基づいてアンモニア供給量を調整するものである。
図１に本実施形態に係る窒素酸化物処理が適用される窒素酸化物処理システムの構成概略図を示す。
窒素酸化物処理システム８は、図１に示すように、例えば、窒素酸化物の発生源であるボイラ２の下流側に設置されている。ボイラ２には、排ガスが流通する煙道３が接続されている。ボイラ２の下流側には、排ガスが流通する順序に、窒素酸化物処理装置１と、排ガスの熱を熱交換する空気予熱器１０と、排ガス中の煤塵を除去する集塵装置１１と、排ガスを放出する煙突１２とが配置されている。

窒素酸化物処理装置１は、アンモニアと窒素酸化物との反応を促進する触媒を充填した触媒層４と、第一の計測器２１（第一の計測手段）と、第二の計測器２２（第二の計測手段）と、第三の計測器２３（第三の計測手段）と、アンモニアを供給するアンモニア供給装置６（アンモニア供給量調節手段）と、アンモニアを噴霧するアンモニア供給ノズル５と、第一の計測器２１と第二の計測器２２と第三の計測器２３の指示値に基づいてアンモニア供給量を決定しアンモニア供給装置６を制御する制御部９（制御手段）とを具備している。
触媒層４の上流側には、アンモニア供給装置６に接続された複数のアンモニア供給ノズル５と、アンモニア供給ノズル５の上流側に配置された第三の計測器２３とが配置されている。
また、触媒層４の下流側には、第一の計測器２１と、第一の計測器２１より応答速度が速い第二の計測器２２とが配置されている。本実施形態において、例えば、第一の計測器２１として化学発光式分析計を、第二の計測器２２および第三の計測器２３としてジルコニア式分析計を用いる。

図２には、窒素酸化物処理装置１の制御部９の機能ブロック図が示されている。以下、図２を用いて、制御部９について説明する。
制御部９は、第三の計測器２３よって計測されたＮＯ_X濃度Ｄ３に基づいて先行制御値を設定する先行制御値設定部３５と、第三の計測器２３よって計測されたＮＯ_X濃度Ｄ３が入力され、該ＮＯｘ濃度Ｄ３に基づいて上限値を設定する上限値設定部３４と、前述の上限値と第二の計測器２２よって計測されたＮＯ_X濃度Ｄ２とが入力され、これらを比較し、小さい方の値を出力する比較部３３と、第一の計測器２１によって計測されたＮＯ_X濃度Ｄ１が入力され、該ＮＯｘ濃度Ｄ１に基づいて目標値を設定する目標値設定部３１と、先行制御値設定部３５から先行制御値が、比較部３３から比較値が、目標値設定部３１から目標値がそれぞれ入力され、先行制御値と比較値との和が、目標値となるようにアンモニア供給量の指令値を設定する指令値設定部３２とを具備している。

次に、本実施形態に係る窒素酸化物処理装置の作用について図１および図２を用いて説明する。
図１において、ボイラ２から出力された排ガスのＮＯｘ濃度は、第三の計測器２３によって計測され、制御部９に与えられる。また、触媒層４においてアンモニアと混合されることにより、ＮＯｘ濃度が調整された後の排ガスが、第一の計測器２１、第二の計測器２２によってそれぞれ計測され、制御部９にそれぞれ与えられる。
制御部９において、第三の計測器２３によって計測されたＮＯ_X濃度Ｄ３は、先行制御値設定部３５および上限値設定部３４にそれぞれ出力される。先行制御値設定部３５では、ＮＯ_X濃度Ｄ３に基づいて先行制御値が設定され、指令値設定部３２に出力される。上限値設定部３４では、ＮＯ_X濃度Ｄ３に基づいて上限値が設定され、比較部３３へ出力される。比較部３３では、上限値設定部３４からの上限値と第二の計測器２２によって計測されたＮＯ_X濃度Ｄ２との大小が比較され、小さい方の値が比較値として指令値設定部３２へ出力される。一方、目標値設定部３１において、第一の計測器２１によって計測されたＮＯ_X濃度Ｄ１に基づいて目標値が設定され、この目標値が指令値設定部３２へ出力される。
指令値設定部３２では、先行制御値設定部３５から出力された先行制御値と比較部３３から出力された比較値との和が、目標値設定部３１から出力された目標値となるようにアンモニア供給量の指令値が設定され、この指令値がアンモニア供給装置６に出力される。アンモニア供給装置６では、指令値に基づくアンモニア供給量の調整が行われ、指令値に応じた量のアンモニアがアンモニア供給ノズル５から噴霧されることとなる（図１参照）。

次に、上述した制御部９の各種機能を実現するための具体的な制御ブロックについて図３を参照して説明する。図３には、図２に示した制御部のブロック線図の一例が示されている。
図３において、先行制御値先行部３５は、ＮＯ_X濃度Ｄ３と排ガス流量計によって計測された排ガス流量とを乗算することにより、ＮＯｘ流量を算出する乗算部４１と、乗算部４１からのＮＯｘ流量に予め設定された脱硝率を乗算することにより先行制御値を算出する乗算部４３とを有している。乗算部４３により算出された先行制御値は、後述する指令値設定部３２の加算部５７へ出力される。
上限値設定部３４は、前述の乗算部４１によって求められたＮＯ_X流量とアンモニア流量とを除算することにより期待脱硝率を算出する除算部４２と、除算部４２より求められた期待脱硝率を１から減算する減算部４４と、減算部４４より定まる値とＮＯ_X濃度Ｄ３とを乗算することにより余剰分のＮＯ_X濃度を算出する乗算部４５と、乗算部４５より定まる値に第三の計測器２３の誤差の上限値を加算する加算部４６とを有している。上記構成の上限値設定部３４において、乗算部４５にて定まる値に加算部４６にて誤差の上限値が加算されることによって、脱硝すべきＮＯ_X濃度の上限値が設定され、後述する比較部３３に出力される。
比較部３３では、加算部４６より出力された上限値とＮＯ_X濃度Ｄ２との大小を比較し、小さい方の値を比較値として後述する指令値設定部３２の減算部５５へ出力する。
目標値設定部３１は、ＮＯ_X濃度Ｄ１から予め定められた出口ＮＯ_X設定値を減算する減算部５１と、ＰＩ制御部５２と、第一の計測器２１による計測値を第二の計測器２２の測定方法の値に補正する補正部５３とを有している。補正部５３では、例えば、発電機出力と燃料流量と定数との和によって補正値が決定される。上記構成の目標値設定部３１において、減算部５１にて定まる値を、ＰＩ制御部５２および補正部５３にて処理することにより、第二の計測器２２の計測値と整合性がとれ、かつ、脱硝するＮＯ_X濃度の目標値が設定され、該目標値が後述する指令値設定部３２の減算部５５へ出力される。
指令値設定部３２は、前述の先行制御値と比較値との和が、前述の目標値となるようにアンモニア供給量の指令値が設定され、この指令値がアンモニア流量制御弁６１に出力される。指令値設定部３２は、補正部５３から出力された目標値から比較部３３より出力された比較値を減算する減算部５５と、ＰＩ制御部５６と、乗算部４３から出力された先行制御値とＰＩ制御部５６から出力された値とを加算する加算部５７と、加算部５７から出力された値とアンモニア流量値とを減算する減算部５８と、ＰＩ制御部５９とを有している。上記構成の指令値設定部３２において、アンモニア流量制御弁６１の開度指令値が設定され、アンモニア流量制御弁６１へ出力される。

本実施形態に係る窒素酸化物処理装置１によれば、第二の計測器２２の応答速度によってアンモニア供給量の制御をすることができ、ＮＯ_X濃度の変化に対するアンモニア供給量の追従性を向上させることが可能である。また、第一の計測器２１のみで制御する場合には、応答速度の遅れを補償するために種々のパラメータによって制御する必要があるが、本実施形態に係る窒素酸化物処理装置１によれば、これらのパラメータは不要のため制御の容易化を図ることが可能となる。さらに、第二の計測器２２の目標値は第一の計測器２１より設定しているため、第一の計測器２１のみで制御する場合との整合性を確保することが可能である。
また、第三の計測器２３の計測値に基づいて定めた上限値を超えないように、アンモニア供給量を制御することができる。これにより、ジルコニア式分析計である第二の計測器２２が、アンモニアを窒素酸化物として認識した場合においても、前述の上限値に基づいてアンモニアを供給することができる。したがって、必要以上にアンモニアを供給することを防止することが可能となる。
また、触媒層４の入口部に設けられた第三の計測器２３を用いて先行制御を行うことにより、第一の計測器２１による制御の遅れを補填することができ、より適切な量のアンモニアを供給することが可能となる。
さらに、制御部９が、第一の計測器２１による計測値を、第二の計測器２２の測定方法の値に補正する補正部５３を具備することにより、第一の計測器２１および第二の計測器２２が、乾式測定法と湿式測定法のいずれでも、第一の計測器２１と第二の計測器２２とを組み合わせて制御することが可能となる。なお、補正部５３は、第二の計測器２２による計測値を、第一の計測器２１の測定方法の値に補正することとしても、同様の作用効果が得られる。

以上のような制御を行うことにより、第一の計測器２１、第二の計測器２２および第三の計測器２３の計測値に基づいてアンモニア供給量の制御をすることができ、信頼性を確保しつつＮＯ_X濃度の変化に対する追従性を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態として示した窒素酸化物処理装置の構成概略図である。 図１に示す窒素酸化物処理装置の機能ブロック図である。 図２に示した制御部のブロック線図である。

符号の説明

１ 窒素酸化物処理装置
６ アンモニア供給装置
９ 制御部
２１ 第一の計測器
２２ 第二の計測器
２３ 第三の計測器
３１ 目標値設定部
３２ 指令値設定部
３３ 比較部
３４ 上限値設定部
３５ 先行制御値設定部
５３ 補正部

Claims (4)

1. アンモニアを供給することによって、窒素酸化物を処理する窒素酸化物処理装置であって、
   出口側の窒素酸化物の濃度を計測する、化学発光式分析計とされる第一の計測手段と、
   該第一の計測手段よりも応答速度が速く、出口側の窒素酸化物の濃度を計測する、ジルコニア式分析計とされる第二の計測手段と、
   前記第一の計測手段による計測値に基づいて、前記窒素酸化物の濃度を制御するための目標値を設定し、前記第二の計測手段による計測値が前記目標値となるように、アンモニア供給量を制御する制御手段とを具備する窒素酸化物処理装置。
2. 入口側に、窒素酸化物の濃度を計測する第三の計測手段を具備し、
   前記制御手段が、
   前記第三の計測手段による計測値に基づいて、上限値を設定する上限値設定部と、
   前記上限値と前記第二の計測手段による計測値とを比較して、小さい方の値を比較値として出力する比較部とを有し、
   前記比較値が前記目標値となるように、アンモニア供給量を制御する請求項１に記載の窒素酸化物処理装置。
3. 前記制御手段が、一方の計測手段による計測値を、他方の測定方法の値に補正する補正部を具備する請求項１または２に記載の窒素酸化物処理装置。
4. 前記制御手段が、前記第三の計測手段による計測値に基づいて、先行制御値を設定する先行制御値設定部を有し、
   前記先行制御値と前記第二の計測手段による計測値または前記上限値とを加算した加算値が、前記目標値となるように、アンモニア供給量を制御する請求項１から３のいずれかに記載の窒素酸化物処理装置。

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