(57)【要約】      （修正有） 【課題】液体及び圧縮空気を受け取るように配置されている一つ又は複数の噴霧ノズルに供給される望ましい空気圧力を調節することが出来る制御システムを提供する。【解決手段】噴霧ノズルに結合されている流量を検出する流量計を具備する供給管路と圧縮空気の量を調整する空気流弁を具備ズル圧縮空気供給管路を備え、流量計と空気流弁が結合された噴霧装置で、ノズルに供給される圧縮空気の量を検出された流体関数として調整する制御信号を供給する用に配置されている制御装置の制御システムとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガス冷却システムにおいて使用されている一つ又は複数の噴霧ノズルに供給される圧縮空気を制御する制御システムであって、
前記一つ又は複数のノズルが、加圧された液体と加圧された空気とを受け取って、前記燃焼ガスの方に向けられている霧状の液体を供給し、それによって前記燃焼ガスを冷却するように動作するタイプであり、
前記一つ又は複数の噴霧ノズルに結合されている液体供給管路であり、前記一つ又は複数の噴霧ノズルに供給される液体の流量を検出する流量計が配置されている、前記液体供給管路を備え、
前記一つ又は複数の噴霧ノズルに供給される圧縮空気の量を調節する目的で配置されている空気流弁（ａｉｒ  ｆｌｏｗ  ｖａｌｖｅ）を含む圧縮空気供給管路を備え、
前記流量計と前記空気流弁とに結合されている噴霧制御装置であり、前記一つ又は複数の噴霧ノズルに供給される前記圧縮空気の量を検出された液体流量の関数として調整する目的で、前記空気流弁に制御信号を供給するように配置されている、前記制御装置を備えている、制御システム。
【請求項２】
前記液体噴霧供給管路に配置されている調整可能な液体流弁（ｌｉｑｕｉｄ  ｆｌｏｗ  ｖａｌｖｅ）であり、前記制御装置からの制御信号を受信して、前記一つ又は複数の噴霧ノズルに供給される前記液体の量を調節する目的で配置されている、前記調整可能な液体流弁と、
前記燃焼ガスに関して近くに位置し、かつ、温度検出信号を前記制御装置に供給する目的で配置されている温度センサであり、前記制御装置が、前記温度検出信号の受信に応答して、前記液体流弁に供給される制御信号を調整する、前記温度センサと、
を更に備えている、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記制御装置が、前記一つ又は複数のノズルに供給される前記液体流を増加させるための信号を、温度の上昇が検出されたときに前記液体流弁に供給する、請求項２に記載の制御システム。
【請求項４】
前記制御装置が、前記一つ又は複数のノズルに供給される前記液体流を減少させるための信号を、温度の低下が検出されたときに前記液体流弁に供給する、請求項３に記載の制御システム。
【請求項５】
燃焼ガスの冷却に使用されるタイプの一つ又は複数の噴霧ノズルであり、加圧された液体と加圧された空気とを受け取って霧状の液体噴霧を供給するように動作する前記タイプの一つ又は複数の噴霧ノズルに供給される圧縮空気の量を制御する方法であって、
前記一つ又は複数の噴霧ノズルに供給される様々な動作時液体流量に対して所要の圧力流体流量を決定するステップと、
前記一つ又は複数の噴霧ノズルに供給されている実際の液体流量を監視するステップと、
前記供給されている液体流量の関数として前記圧縮空気供給を調節するステップと、
を含む、方法。
【請求項６】
前記燃焼ガスの出口温度を監視するステップと、
前記一つ又は複数の噴霧ノズルに供給されている前記液体流量を、前記監視されている温度の関数として調節するステップと、
を含む、請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
[0001]本発明は、一般的には、噴霧制御システムに関し、より詳細には、産業ガスコンディショニング用途における動作条件を監視し、システムの変化を補償することによって、システムによって消費される圧縮空気を最適化する目的で使用される噴霧制御システムに関する。
【発明の背景】
【０００２】
[0002]産業生産プラントでは、しばしば高温のガスや燃焼ガスが発生する。生産プラントが正常に稼動するためには、通常、このような燃焼ガスを冷却しなければならない。この用途においては、生産プラントの様々な部分に燃焼ガスを通すことによって冷却効果を得ることがよくある。しかしながら、場合によっては、適切な温度にするのに補足的な冷却・調整システムを利用しなければならない。燃焼ガスの冷却は、霧状の液体の流れをガスの流れの中に注入する、例えば非常に細かい水滴状態の水をガスの流れの中に噴霧することによって行われることがある。これによりガスの流れの温度が下がる。
【０００３】
[0003]上述した一般的なタイプの生産プラントには、概して、冷却に関する様々な必要条件が課せられる。例えば、出口温度は、一般には特定の温度レベル又は温度設定点に維持する必要がある。一般に出口温度は燃焼ガスによって設定点の値以上に上昇するため、出口温度を下げることがシステムに要求される。更に、排出されるガスに含まれている水分を、与えられた距離（ドウェル距離）の中で完全に蒸発させなければならない。すなわち、システムの様々な構成要素が過度に濡れることを避けるため、一つ又は複数の噴霧ノズルの位置によって決まる所定の距離の中で、液体のすべて又は実質的にすべてを蒸発させることが要求される。生産プラントには、通常、濾過システム（例：バグハウス、その他の構成要素）が含まれる。
【０００４】
[0004]このようなシステムでは、液体を噴霧する目的で、一つ又は複数の二流体ノズルが採用されることがある。このノズルは、エネルギ源として圧縮空気を利用し、水などの液体を細かい液滴に霧化する。今日のほとんどのシステムでは、このタイプの噴霧ノズルで使用される空気圧力は、動作冷却範囲にわたり一定値に維持される。必要な空気の一定圧力は、通常、最悪の冷却条件において（通常、最高入口ガス温度及び最大入口ガス流量において）所定の距離内で完全に蒸発させるうえでの最大許容液滴サイズ（当業者にはＤｍａｘ、すなわち最大液滴サイズとして公知のパラメータ）に基づいて計算される。
【０００５】
[0005]当然ながら、入口ガス流量が少ないときや入口温度が低いときには、望ましい温度までガスを冷却するのに要する液体噴霧量は少ない。このような状況において一定の空気圧力を維持すると、それに起因して空気の流量が増す。この結果、空気消費量が増加し、圧縮空気のエネルギーコストが増す。システムの冷却の必要条件を維持するのに、低い冷却条件においては空気圧力を維持する必要がないことがしばしばある。従って、霧状化噴霧ノズルに供給される空気圧力を必要な場合に適切に調整することができるように、システムのこれらのパラメータを綿密に監視することが望ましい。
【発明の概要】
【０００６】
[0006]従って、本発明の目的は、先行技術における問題を克服することである。
【０００７】
[0007]本発明のより具体的な目的は、ガスコンディショニング用途における空気消費量を調整する方法及びシステムを提供することである。
【０００８】
[0008]本発明の更なる目的は、ガスコンディショニング用途における効率を向上させる方法及びシステムを提供することである。
【０００９】
[0009]本発明は、ガス冷却用途で使用されるタイプの噴霧ノズルの空気消費量を低減させる。詳細には、これらのノズルは、加圧された空気の供給と液体の両方を受け取る。一つ又は複数のノズルに供給される液体及び空気の流量と圧力が、綿密に監視される。このようにして、液体に加えられる空気によって、液体が望ましい液滴サイズに霧状にされる。本発明によると、制御システムは、ノズルの液体流量を監視し、ノズルによって現在使用されている検出された液体流量に基づいて、ノズルに供給される空気圧力を変化させる。
【発明の詳細な説明】
【００１０】
[0012]本発明は、一般的には、ガスコンディショニング用途のための噴霧制御システムの様々な動作パラメータを監視する制御システムに関する。この制御システムは、噴霧ノズルを通過する液体の流量を監視する。次に、システムは、検出された流量を処理する。システムは、これに応答して、ノズルに供給される空気圧力を示す信号を供給する。これにより、圧縮空気の消費量の低減と、圧縮空気を生成するエネルギの節約が達成される。
【００１１】
[0013]本発明は、様々な産業分野に応用することができる。具体的には、紙／パルプ業界、廃棄物再利用、鉄鋼製造、環境管理、発電などである。これらの大きな分野の中の様々な用途の一つとして、バグハウス集塵装置など集塵工程段階の前の燃焼ガス冷却があげられる。更に、本発明は、化石燃料の消費やディーゼルエンジンなどにおける亜酸化窒素の制御や、湿式又は乾式工程における二酸化硫黄の除去に関連して採用することができる。
【００１２】
[0014]図１は、本発明を実施するための一つの環境を示している。この図に示すように、生産プラント１０は、図１に示したガスコンディショニングタワー１２のような１基以上のガスコンディショニングタワーを備えているガスコンディショニングシステムを含んでいる。ガスコンディショニングタワー１２は、生産工程の一部として生成される熱い燃焼ガスを、一般的に円筒形の入口セクション１４にて受け取るように配置されている。ガスコンディショニングタワー１２は、入口セクション１４の下流に配置されている一般的に円筒形の混合セクション１６を持つ。入口セクション１４にて受け取られた燃焼ガスは、図１に示した矢印１８によって表されている方向に向かう。ガスコンディショニングタワー１２の混合部分１６の外周位置には、ノズル２０などの一つ又は複数の液体噴霧ノズルが配置されている。図示した実施形態においては、液体噴霧ノズル１８は、ランスの形式で設けられており、燃焼ガスを望ましい温度まで冷却するため、ほぼ下向きの液体噴霧パターンとして方向付けられている液体噴霧を供給する。
【００１３】
[0015]ガスコンディショニングタワー１２は、円筒形の出口セクション又はガス抜きセクション２２も含んでいる。このセクション２２は、間隔をあけて配置されているランス２０より下流の混合部分１６に結合されており、混合部分１６に対して角度をなしている。排出される燃焼ガスの流れの温度を測定するため、出口セクション２２の末端部付近に一つ又は複数の温度センサ２４が配置されている。ほとんどの場合、液滴は、ガスコンディショニングタワー１２の出口セクション２２に達する前に蒸発する。
【００１４】
[0016]液体噴霧ノズル２０に液体を供給するため、液体供給セクションは、二重濾過システム３２に結合されているポンプ３０を備えている。この濾過システム３２は、ポンプ３０から供給される加圧された液体を受け取り、濾過された液体を液体調整セクション３４に供給する。調整セクション３４は、図１に概略的に示すように、望ましい圧力かつ望ましい流量で液体を噴霧ノズル２０に供給する。
【００１５】
[0017]同時に、空気も、噴霧ノズルに制御されて供給される。図１に示すように、空気圧縮機４０は、圧縮空気を空気調整セクション４２に供給する。空気調整セクション４２は、調整された量の圧縮空気を噴霧ノズル２０に供給する。後述するように、先行技術のシステムでは、一定量の圧縮空気を供給していた。この量は、排出される燃焼ガスの実際の温度に関係なく供給されていた。
【００１６】
[0018]図２は、図示した一つの実施形態における液体供給セクションと空気供給セクションの特定の構成要素を示している。この図に示すように、水などの液体を含んでいる容器４４は、液体供給セクションのポンプセクション３０にこの液体を供給する。ポンプセクション３０には、入口弁４６を含めることができる。図示した実施形態においては、液体は、液体フィルタ４８を通ってポンプ５０に達する。ポンプは、その出口に加圧された液体を供給するように動作する。
【００１７】
[0019]ポンプセクション３０からは、加圧された液体が、供給管路を経て液体調整セクションに供給される。この場合、加圧された液体は、比例型調整弁（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ  ｖａｌｖｅ）５２に供給される。比例型調整弁５２は、噴霧ノズルに供給される液体を制御する。調整弁は、液体の流量を調べるための液体流量計５４に液体を供給する。液体供給管路には、噴霧ノズル２０に供給される液体の圧力を監視するための圧力センサも、調整セクションの一部として配置されている。
【００１８】
[0020]図２は、空気供給セクションの詳細も示している。空気供給管路には、圧縮空気を圧力容器６０に供給するための圧縮機５８が含まれている。圧力容器６０の出口には、圧縮空気が容器から出ることができるようにする流量制御弁６２が配置されている。空気供給管路には、圧縮空気管路内の不純物を減少させる目的で空気フィルタ６４が配置されていることが好ましい。
【００１９】
[0021]図２は、圧縮空気調整セクション４２もより詳細に示している。この図に示すように、比例型調整弁６６は、噴霧ノズル２０に供給される圧縮空気を調整する。更に、空気流量計６８は、噴霧ノズル２０の消費量を測定する。最後に、圧力計７０は、噴霧ノズル２０に供給される圧縮空気の圧力を絶え間なく監視する。
【００２０】
[0022]噴霧ノズル２０の液体噴霧を制御するため、液体調整セクションと圧縮空気調整セクションには制御システムが結合されている。図示した実施形態においては、噴霧制御装置８０は、入力制御信号の受信に応答して出力制御信号を供給することによって、様々な制御機能を実行する。具体的には、制御装置８０は、ガスコンディショニングタワーの出口セクション２２にて測定された温度を示す、温度センサ２４からの検出信号を受信するように配置されている。制御装置８０は、液体セクションからの入力信号も受信する。これらの入力信号としては、噴霧ノズルに供給される液体の流量を示す、液体流量計５４からの液体流量信号があげられる。制御装置８０は、圧力センサ５６からの、圧力を示す信号も受信する。
【００２１】
[0023]更に、制御装置８０は、圧縮空気管路からの様々な入力信号も受信する。具体的には、制御装置８０は、空気流量計６８からの空気流量信号を受信する。同様に、制御装置８０は、空気流管路に関連する圧力センサからの検出信号を受信する。
【００２２】
[0024]後から詳しく説明するように、制御装置８０は、論理的に動作してこれらの信号を処理する。次に、制御装置８０は、線８２によって表されているように出力信号を液体調整セクション３４に供給する。この信号は、噴霧ノズル２０への液体流量を制御する目的で、図２に示した比例型調整弁５２に送られる。更に、制御装置８０は、圧縮空気の供給を制御するための出力信号を供給する。すなわち、制御装置８０は、ノズル２０に供給される圧縮空気の量を制御するための制御信号を、比例型調整弁６６に供給する。後から説明するように、液体系統と空気系統とをこのように調整することにより、望ましい出口温度と、液滴の完全な蒸発とが維持される。
【００２３】
[0025]本発明によると、制御システムは、液体流量と空気圧力との間の関係を、工程の入口ガス条件と、完全な蒸発を達成するなかで許容される最大液滴サイズ（Ｄｍａｘ）とに基づいて決定する。一般には、この関係は、最小、標準、及び最大工程条件において決定される。制御装置８０は、各条件の間で動作するときは、後述するように補間手法を使用して、様々な出力信号を供給する。公知のガス冷却システムでは、一般に、最悪の場合のガス冷却条件に基づく一定の空気圧力を使用していた。システムが最悪の場合の冷却条件で動作していないときでさえも、空気圧力は一定値に維持されていた。この結果として、システムが空気圧力を不必要に消費することがあった。
【００２４】
[0026]本発明に従うと、空気圧力は、変化するガス冷却条件に応じて変えられる。これは、入口ガス温度や燃焼ガス流量が変化する結果である。このように、システムは、与えられた状況に必要な空気量のみを消費する。可能な相異なる工程条件は、システムによってあらかじめ認識されている。この情報は、必要な空気圧力と液体流量との間の（表としての）関係を計算するのに使用される。
【００２５】
[0027]本発明によると、システムが小さい冷却条件で動作しているときには、システムによって冷却する必要のあるガスが少ないため、空気圧力が減じられる。これは、同じ距離での液滴の完全又は実質的に完全な蒸発が維持されるように実行される。この結果、圧縮空気の消費量が減少し、圧縮空気を生成するためのエネルギが節約される。
【００２６】
[0028]節約できる具体的なエネルギ量は、工程によって決まる。圧縮空気の減少量は、入口温度と燃焼ガス流量との関係によって決まる。例えば、小さい冷却条件で工程が稼働しているとき、入口温度が一定のままであり、実際のガス流量のみが減少している場合、タワー１２内でのガス速度が減少する。ガス速度が減少すると、液滴が蒸発するのにかかる時間が増す。同じドウェル距離で完全に蒸発させることを目的としたとき、入口温度が一定のままならば、液体噴霧の液滴サイズを大きくすることができる。この結果、システムによる圧縮空気の消費量が相当に減少する。
【００２７】
[0029]本発明の制御システムを実施する目的で、いくつかのバリエーションを採用することができる。例えば、１台のポンプ５０ではなく複数のポンプを使用することによって、この制御方式の信頼性を高めることができる。更に、１枚の液体フィルタ４８と１枚の空気フィルタ６４ではなく、複数のフィルタを採用することができる。更に、図示した流路のセンサや調整弁が故障したときに、ノズルまでの液体と空気の安全供給路を確保するため、安全バイパスを追加することができる。
【００２８】
[0030]本発明を実施する目的で、様々な制御アルゴリズムを使用することができる。一つの好ましい実施形態によると、調整弁５２，６６を制御するための制御アルゴリズムは、以下のとおりである。
●  液体供給用の比例型調整弁５２の弁位置は、温度センサ２４によって測定される出口温度と、必要な設定点温度とに基づき、ＰＩＤ制御アルゴリズムに従って制御される。設定点温度は、通常は一定値である。
【数１】
2005090945.tif 000003
この式で、
○  ｍ：調整弁５２の弁の位置（０〜１００％）
○  ｅ：測定温度と設定点温度との間の温度差
○  Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄ：比例係数、積分係数、微分係数
圧縮空気の調整弁６６の弁位置も、ＰＩＤ制御アルゴリズムによって制御される。様々なアルゴリズムを使用することができるが、入力パラメータは、圧力センサ７０によって測定される空気圧力と、必要な空気圧力設定点とに基づく。空気圧力設定点は、液体流量計５４によって測定される現在の液体流量に依存する。
【００２９】
[0031]必要な空気圧力と測定された液体流量との間の関係は、工程に依存する。本発明の一つの実施形態によると、必要な空気圧力は、いくつかの異なるガス入口条件に基づいて計算することができる。本発明を実施する目的で、様々な異なる入口ガス条件における必要な空気圧力が計算される。これらは、通常、少なくとも次のガス条件によって表される。
○  最小入口ガス条件（一般には必要な液体流量が最小）
○  標準入口ガス条件（一般には必要な液体流量が標準）
○  最大入口ガス条件（一般には必要な液体流量が最大）
【００３０】
[0032]空気圧力の計算は、与えられた条件において完全に蒸発させるのに必要な液滴サイズＤｍａｘに依存する。これらの計算の結果として、制御装置８０は、３個（又はそれ以上）の液体流量値とそれぞれの対応する空気圧力値とによる表を作成する。制御システムは、この表を使用して、（表の点の間については補間を用いて）必要な空気圧力を計算する。
【００３１】
[0033]本発明の一つの好ましい実施形態によると、制御システムによって採用されている様々な計算によって、次の表１が作成される。
【表１】
2005090945.tif 000004
【００３２】
[0034]この具体例においては、制御装置８０は、上の表Ｉの影のついた部分を利用して、噴霧ノズル２０に供給される望ましい空気圧力を計算する。このようにして、ノズルに供給される液体流量と空気圧力との間の関係は、表ＩＩの形式で次のようにプロットすることができる。
【表２】
2005090945.tif 000005
【００３３】
[0035]グラフに示すように、液体流量が最大の位置において最大の空気圧力が必要となるならば、必要な圧縮空気に関して最悪の動作条件は、液体流量が最大のこの位置となる。従って、空気圧力が相対的に一定の値に維持される先行技術のシステムにおいては、最悪の場合の条件を満たすように空気圧力を設定する必要がある。上述した例においては、空気圧力は約６．２ｂａｒに維持する必要がある。
【００３４】
[0036]本発明に従うと、供給される空気圧力を、液体流量の現在の必要条件及び動作条件に対応するように調整すれば、相当な量の圧縮空気を節約することができる。言い換えれば、運転中の液体流量が約１２リットル／分であるときには、システムは圧縮空気量を約２．５ｂａｒに減らすことができる。これに対して、運転中の液体流量が標準条件（表Ｉでは約１９リットル／分に相当する）であるときには、圧縮空気量を約３．５ｂａｒに調整することができる。これらの値の間に相当する動作条件については、制御システムは、上記したように補間を使用してプロットする。
【００３５】
[0037]場合によっては、圧縮空気の必要条件に関して最悪の場合の条件は、次の表３に示すように、少ない液体流量の位置に相当することがある。
【表３】
2005090945.tif 000006
【００３６】
[0038]この例においては、一定の空気圧力方式を採用している先行技術の制御システムと比較して、システムに供給される圧縮空気を相当な量だけ節約することができる。すなわち、液体流量が（例えば流量２５リットル／分に）増したときには、必要な空気圧力を３ｂａｒをわずかに超える程度まで下げることができる。これに対して、（約１２リットル／分など）液体流量の減少が検出されたときには、圧縮空気量を（この例においては約５．５ｂａｒに）増大させることができる。
【００３７】
[0039]圧縮空気の節約の可能性については、本発明の好ましい実施形態において使用される一般的な噴霧ノズルの次のグラフから、更に説明することができる。この場合、噴霧ノズルは、本発明の譲受人によって製造されているＦｌｏＭａｘノズルである。
【表４】
2005090945.tif 000007
【００３８】
[0040]上の表のグラフは、Ｓｐｒａｙｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｃｏ．製の、６０ｌｂ／ｉｎｃｈ２の一定の空気圧力で動作するタイプＦＭ５  ＦｌｏＭａｘノズルの性能値を示している。このグラフから、液体流量が減少すると、空気流量が増す（液体７ＧＰＭではノズルに空気８３ｓｃｆｍが必要であるのに対して、液体２ＧＰＭでは空気１１５ｓｃｆｍが必要である）。同時に、Ｄｍａｘも減少する傾向にある。その一方で、液体流量が小さい条件では、通常、小さいＤｍａｘは必要とならない。従って、空気圧力を下げることができる。この結果、システムによる空気消費量が減少する。
【００３９】
[0041]以上、システムによって消費される圧縮空気の量を低減させる、前述した目的を満たす制御システムについて説明した。しかしながら、理解すべき点として、上記の説明は、本発明を実施するための現時点で予測される最良の形態に限定されている。明らかに、本発明に様々な変更を行って、本発明の利点の一部又はすべてを得ることができる。また、本発明は、上述した特徴と態様のそれぞれ、又はこれらの組み合わせを必要とするようには意図されていない。なぜなら、多くの場合、特定の特徴と側面を実施する上で、それ以外の特徴と側面は必ずしも必要ないためである。従って、本発明は、添付されている特許請求の範囲及びそれと均等の方法及び装置によってのみ限定されるものとする。特許請求の範囲は、本発明の精神及び範囲の中で実現する他のバリエーションと変更もカバーするように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】産業プラントと、本発明による、一つ又は複数のノズルに供給される空気圧力を監視する噴霧制御システムの、概略的なブロック図である。
【図２】図１に示した噴霧制御システムをより詳細に表したブロック図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…生産プラント、１２…ガスコンディショニングタワー、１４…入口セクション、１６…混合セクション、１８…液体噴霧ノズル、２０     …ランス、２２…出口セクション、２４…温度センサ、３０…ポンプ、３２…濾過システム、３４…調整セクション、４０…空気圧縮機、４２…空気調整セクション、４４…容器、４６…入口弁、４８…液体フィルタ、５０…ポンプ、５２…比例型調整弁、５４…液体流量計、５６…圧力センサ、５８…圧縮機、６０…圧力容器、６２…流量制御弁、６４…空気フィルタ、６６…比例型調整弁、６８…空気流量計、７０…圧力センサ、８０…制御装置。
【図１】
2005090945.tif 000008
【図２】
2005090945.tif 000009
【外国語明細書】
2005090945000001.pdf