(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス中のＮＯxに対して触媒上でＮＨ3を注入して反応させ、触媒の出口ＮＯx濃度が所定範囲内に入るようにＮＨ3流量を制御する脱硝制御装置において、
触媒の入口ＮＯx流量と、出口ＮＯx濃度設定値とその計測値との偏差と、に基づいて現時点の必要ＮＨ3流量を求め、
必要とする脱硝率が現時点からｎ時間経過時点に得られるように、前記必要ＮＨ3流量を補正する必要ＮＨ3流量補正器を設け、
前記必要ＮＨ3流量補正器は、
前記入口ＮＯx流量に脱硝率を乗算して得られた現時点での反応ＮＯx流量と、前記入口ＮＯx流量にｎ時間経過時点での必要脱硝率を乗算して得られたｎ時間経過時点での反応ＮＯx流量と、を加算し、
ｎ時間経過時点での触媒への吸着ＮＨ3量必要量から、現時点での触媒への吸着ＮＨ3量推算値を、減算し、
前記加算した反応ＮＯx流量と、前記減算した吸着ＮＨ3量を時間間隔ｎの半分の量で除算した量と、の和である総和値を求め、
前記総和値と前記現時点でのＮＨ3流量とを比較して、前記必要ＮＨ3流量を補正する補正値を算出する
ことを特徴とする脱硝制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の脱硝制御装置において、
前記必要ＮＨ3流量補正器への入力は、入口ＮＯx流量、入口ＮＯx濃度、出口ＮＯx濃度、現時点からｎ時間経過時点の必要脱硝率、予測すべき時点を決める予測スパンｎ、及び計測されるＮＨ3流量、である
ことを特徴とする脱硝制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の脱硝制御装置において、
前記必要ＮＨ3流量補正器は、現時点での吸着ＮＨ3量を推算する演算装置、現時点の脱硝率を計算する演算装置、ｎ時間経過後の必要脱硝率からｎ時間経過後の吸着ＮＨ3量の必要量の予測値を計算する関数発生器、を備えている
ことを特徴とする脱硝制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の脱硝制御装置において、
前記現時点での吸着ＮＨ3量を推算する演算装置の入力が、入口ＮＯx濃度、出口ＮＯx濃度であって、その出力が現時点での吸着ＮＨ3量の推算値である
ことを特徴とする脱硝制御装置。
【請求項５】
請求項３に記載の脱硝制御装置において、
前記現時点の脱硝率を計算する演算装置の入力が、入口ＮＯx濃度、出口ＮＯx濃度であって、その出力が現時点での脱硝率である
ことを特徴とする脱硝制御装置。
【請求項６】
請求項３に記載の脱硝制御装置において、
前記ｎ時間経過後の必要脱硝率からｎ時間経過後の吸着ＮＨ3量の必要量の予測値を計算する関数発生器の入力が、ｎ時間経過後において必要とされる脱硝率であり、その出力がｎ時間経過後に当該脱硝率に対応して必要とされる吸着ＮＨ3量である
ことを特徴とする脱硝制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭だきボイラ等の脱硝装置のような化学反応の遅れが大きい系を最適に制御するに好適な脱硝制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明が生じた技術的背景を説明する。ここでいう脱硝装置とは、還元剤としてＮＨ3を排ガス中に注入し、設置した触媒上で注入したＮＨ3と排ガス中のＮＯxを反応させて、窒素と水にする装置のことである。
【０００３】
ＮＨ3＋ＮＯ＋１／４・Ｏ2  →  Ｎ2＋３／２・Ｈ2Ｏ
排ガス中のＮＯxは注入するＮＨ3と上式で示す反応により、窒素と水になるので、基本的には、注入するＮＨ3量は、処理すべきＮＯx量に見合った量を注入することになる。注入したＮＨ3はＮＯxとの反応に使用される以外に、触媒表面上に吸着し得る量だけ吸着する。従ってそれを超えて注入するとリークＮＨ3として装置から流出する。一方、注入するＮＨ3量が処理すべきＮＯx量に対して不足すると、ＮＯxが処理しきれなくなり、出口ＮＯx濃度を所定値以下にすることができなくなる。
【０００４】
本発明に係る脱硝制御装置を具備する脱硝制御系に関し、その従来技術になる制御装置の系統図を図５に示す。出口ＮＯx濃度１０７は出口ＮＯx濃度設定値１０５と減算器２０２ａにて比較され偏差、すなわち出口ＮＯx濃度偏差１０８が出力される。出口ＮＯx濃度偏差１０８はＰＩ（比例・積分）の調節器２０３ａに入力されて、その出力はモル比修正量１０９である。
【０００５】
一方、出口ＮＯx濃度設定値１０５を関数発生器２０１ｂに入力して必要モル比１０６が演算され、これと先のモル比修正量１０９とを加算器２０５ｃで加算して修正モル比１１０を計算する。この修正モル比１１０を入口ＮＯx流量１０４と乗算器２０４ｂで乗算演算して必要ＮＨ3流量１１１を得る。
【０００６】
ＮＨ3流量１１２はこの必要ＮＨ3流量１１１と減算器２０２ｂで比較され偏差すなわちＮＨ3流量偏差１１３が算出され、これをＰＩ調節器２０３ｃに入力することで、ＮＨ3流量調節量１１４が得れらる。ここで、入口ＮＯx流量１０４は入口ＮＯx濃度１０１と燃焼排ガス流量１０３とを乗算器２０４ａで乗算演算した結果として計算されるが、燃焼排ガス流量１０３は空気流量１０２の関数発生器２０１ａによる出力である。
【０００７】
従来技術になる出口ＮＯx濃度制御結果を図４に示す。出口ＮＯx濃度５０１は、ＮＨ3吸着量に相応したＮＨ3注入量５０３になっていないので、ａ点に示すように設定範囲から大きく逸脱する場合がある。また、リークＮＨ3５０２についてもｂ点に示すように、ＮＨ3注入量５０３の過剰投入のため一時的にかなり高くなる。さらに、ＮＨ3注入量５０３自体もｃ点に示すように一時的にかなり大量に投入されており、無駄・不経済が生じている。
【０００８】
この図４では、時間５００（単位（ｓｅｃ））、出口ＮＯx濃度５０１、その設定下限５０４と設定上限５０５、またリークＮＨ3量５０２とその上限５０６（これら５０１，５０２，５０４，５０５は単位（ｐｐｍ））、さらにＮＨ3注入量５０３（単位（ｍ3／ｈ））いずれもその取りうる最小値〜最大値を０〜１００％に無次元化して表示したものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術に係るＰＩ（比例・積分）調節器２０３ａによるフィードバック制御装置では、出口ＮＯx濃度の設定値への漸近を目的とするが、触媒上へのＮＨ3吸着量の多少に応じたＮＨ3注入は出来ず、このため、
（１）吸着量が残存しているような負荷下げ時に出口ＮＯxの過剰除去・設定範囲からの下方への逸脱、
（２）過剰なＮＨ3注入によるリークＮＨ3のオーバシュート、
（３）ＮＨ3使用総量の過剰による不経済の発生、
等の問題が生じる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
【００１２】
排ガス中のＮＯxに対して触媒上でＮＨ3を注入して反応させ、触媒の出口ＮＯx濃度が所定範囲内に入るようにＮＨ3流量を制御する脱硝制御装置において、
触媒の入口ＮＯx流量と、出口ＮＯx濃度設定値とその計測値との偏差と、に基づいて現時点の必要ＮＨ3流量を求め、
必要とする脱硝率が現時点からｎ時間経過時点に得られるように、前記必要ＮＨ3流量を補正する必要ＮＨ3流量補正器を設け、
前記必要ＮＨ3流量補正器は、
前記入口ＮＯx流量に脱硝率を乗算して得られた現時点での反応ＮＯx流量と、前記入口ＮＯx流量にｎ時間経過時点での必要脱硝率を乗算して得られたｎ時間経過時点での反応ＮＯx流量と、を加算し、
ｎ時間経過時点での触媒への吸着ＮＨ3量必要量から、現時点での触媒への吸着ＮＨ3量推算値を、減算し、
前記加算した反応ＮＯx流量と、前記減算した吸着ＮＨ3量を時間間隔ｎの半分の量で除算した量と、の和である総和値を求め、
前記総和値と前記現時点でのＮＨ3流量とを比較して、前記必要ＮＨ3流量を補正する補正値を算出する構成とする。
【００１３】
また、前記脱硝制御装置において、
前記必要ＮＨ3流量補正器への入力は、入口ＮＯx流量、入口ＮＯx濃度、出口ＮＯx濃度、現時点からｎ時間経過時点の必要脱硝率、予測すべき時点を決める予測スパンｎ、及び計測されるＮＨ3流量、である脱硝制御装置。
【００１４】
また、前記脱硝制御装置において、
前記必要ＮＨ3流量補正器は、現時点での吸着ＮＨ3量を推算する演算装置、現時点の脱硝率を計算する演算装置、ｎ時間経過後の必要脱硝率からｎ時間経過後の吸着ＮＨ3量の必要量の予測値を計算する関数発生器、を備えている脱硝制御装置。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る脱硝制御装置について、図面を用いて以下説明する。図１には、本実施形態に係る脱硝制御装置を示す。従来技術との相違は、必要ＮＨ3流量１１１の演算において、従来技術に係る必要流量すなわち現時点計測ベースの必要ＮＨ3流量１１５に、必要ＮＨ3流量補正器３００からの出力である必要ＮＨ3流量補正値３１０を加算器２０５ｄにて加算した量を、必要ＮＨ3流量１１１として設定するものである。
【００１６】
ここにおいて、１０１は入口ＮＯｘ濃度、１０２は空気流量、１０３は燃焼排ガス流量、１０４は入口ＮＯｘ流量、１０５は出口ＮＯｘ濃度設定値、１０６は必要モル比、１０７は出口ＮＯｘ濃度、１０８は出口ＮＯｘ濃度偏差、１０９はモル比修正量、１１０は修正モル比、１１１は必要ＮＨ3流量、１１２はＮＨ3流量、１１３はＮＨ3流量偏差、１１４はＮＨ3流量調節量、１１５は現時点計測ベースの必要ＮＨ3流量、２０１は関数発生器、２０２は減算器、２０３は調節器、２０４は乗算器、２０５は加算器、３００は必要ＮＨ3流量補正器、３０１はｎ時間経過後の必要脱硝率、３０２は予測スパンｎ、３１０は必要ＮＨ3流量補正値、をそれぞれ表す。
【００１７】
必要ＮＨ3流量補正器３００への入力は、入口ＮＯx流量１０４、入口ＮＯx濃度１０１、出口ＮＯx濃度１０７、ｎ時間経過後の必要脱硝率３０１、予測スパンｎ３０２及びＮＨ3流量１１２であり、必要ＮＨ3流量補正器３００からの出力は必要ＮＨ3流量補正値３１０である。
【００１８】
ここで、本発明の実施形態に係る脱硝制御装置の特徴についてその基本的概念を記述する。
【００１９】
先ず反応時間の遅れを補償するため、必要とする脱硝率が現時点からｎ分後に得られるように現時点での注入ＮＨ3量を設定する。そのために脱硝率が吸着ＮＨ3量と関係して決まる量であることを利用し、現時点での吸着ＮＨ3量の推定値を基にして、ＮＨ3設定量が、現時点からｎ分後に吸着ＮＨ3量として必要な量が残存しているように決める。
【００２０】
現時点で吸着ＮＨ3が、触媒表面上に単位面積あたりＣNH3の量だけあったとする。この状態でＮＨ3を単位時間あたりＧNH3inだけ注入すると、注入されたＮＨ3はいったん触媒表面上に吸着し、そこにおいてＮＯxと反応する。ＮＯxと反応しなかった余分なＮＨ3は後流にリーク（これをＧNH3leakと記す）していくか、もしくは触媒表面上に吸着する。
【００２１】
従って、現時点とｎ時間経過の間の過程を考えると、注入されたＮＨ3の総量ＧNH3in・ｎは、ＮＯxとの反応の総量Ｒ、リークＮＨ3の総量ＧNH3leak・ｎ及び吸着ＮＨ3の増加分との和に等しい。すなわちｎ時間経過後の吸着ＮＨ3量をＣNH3nとすると、以下の等式が成り立つ。
【００２２】
0003857460.tif 000002
ここで、右辺第１項の反応の総量Ｒは脱硝装置に流入したＮＯxが反応した量であるから、入口ＮＯx量と脱硝率ηの積に外ならない。
【００２３】
一方、注入ＮＨ3は入口ＮＯxに対してモル比ＳＭの割合で設定されるから、入口ＮＯxに対応するモル比ＳＭと脱硝率ηの差分が第２項のリークＮＨ3に外ならない。すなわち、
0003857460.tif 000003
であるから、結局、
0003857460.tif 000004
である。
【００２４】
ここで、左辺に関して、ｎ時間経過後のＮＨ3流量をＧNH3in,n、右辺に関して、ｎ分後の入口ＮＯxの予想値をＮＯxn、モル比ＳＭをＳＭn、とする。このとき左辺と右辺第１項は現時点値とｎ時間経過後の値との平均値で置き換えて以下を得る。
【００２５】
0003857460.tif 000005
これから分かることは、ＳＭnをｎ時間経過後の必要脱硝率ηnを得るに必要なモル比に設定しておけば、上式で決まるｎ時間経過後の注入ＮＨ3量ＧNH3in,nによって必要な脱硝率ηnを得られる、ということである。
【００２６】
実際に計算するには、ｎ時間経過後の吸着量ＣNH3nと現時点で吸着量ＣNH3が必要である。このためには、以下のような実験的に知られた触媒の特性を適用する。すなわち、
モル比ＳＭ＝ｆｕｎｃ１（吸着量ＣNH3，入口ＮＯx，運転条件）
及び
脱硝率η＝ｆｕｎｃ２（モル比ＳＭ，運転条件）
との関数関係を利用する。ここで、ｆｕｎｃ１とｆｕｎｃ２は表示された引数の関数を表現する記号である。これにより、現時点の脱硝率ηから現時点のモル比ＳＭ従って吸着量ＣNH3を知ることができ、また、ｎ時間経過後については必要な脱硝率ηnを設定しておけば対応して、必要モル比ＳＭn、必要吸着量ＣNH3nが推算出来る。
【００２７】
以上の関係から、ｎ時間経過後において必要な脱硝率ηnを得るためのＮＨ3流量が計算でき、それは上式をｎ／２で除算することから、
0003857460.tif 000006
である。
【００２８】
図２には、この必要ＮＨ3流量補正器３００の内容を詳細に示す。
【００２９】
（１）脱硝率計算値３４５の入力による関数発生器の出力としてモル比ＳＭ４１０を計算する。入口ＮＯx流量１０４とこのモル比ＳＭ４１０との積３５１を乗算器にて算出する。ここで脱硝率計算値３４５は入口ＮＯx濃度１０１と出口ＮＯx濃度１０７を脱硝率計算器に入力し、その出力として算出される。
【００３０】
（２）一方、ｎ時間経過後の必要脱硝率３０１の入力による関数発生器の出力としてｎ時間経過後の必要モル比ＳＭn４２０を計算する。入口ＮＯx流量１０４とこのモル比ＳＭn４２０との積３５３を乗算器にて算出する。
【００３１】
（３）上記２つの量を加算器にて加算し量３５５を算出する。すなわち加算量３５５とは、
0003857460.tif 000007
である。
【００３２】
（４）一方で入口ＮＯx濃度１０１と出口ＮＯx濃度１０７を吸着ＮＨ3量推算器３７０に入力して得られた現時点の吸着ＮＨ3量推算値３２１をｎ時間経過後の吸着ＮＨ3必要量推算値３３０から差し引き、この３３０から３２１を差し引いた量３６１を予め適切な値に設定されている予測スパンｎ３０２の半分の量（ｎ／２）で除算器により除算した量が３６３である。すなわち、
0003857460.tif 000008
ここで、ｎ時間経過後の吸着ＮＨ3必要量予測値３３０はｎ時間経過後の必要脱硝率３０１を関数発生器に入力してその出力として計算される。
【００３３】
また、吸着ＮＨ3推算器３７０の計算内容は次の通りである。まず、モル比ＳＭが吸着ＮＨ3、入口ＮＯxから次の実験的に知られた関数で決まる。
【００３４】
モル比ＳＭ＝ｆｕｃｎ１（吸着ＮＨ3，入口ＮＯx）
すなわち、吸着ＮＨ3は入口ＮＯxとモル比ＳＭを与えれば逆にこの関数から計算できる。
【００３５】
吸着ＮＨ3＝ｆｕｎｃ１-1（モル比ＳＭ，入口ＮＯx）
一方、脱硝率ηがこのモル比ＳＭから決まり、
脱硝率η＝ｆｕｃｎ２（モル比ＳＭ）
であるから、これも逆に、
モル比ＳＭ＝ｆｕｃｎ２-1（脱硝率η）
と計算することができる。
【００３６】
従って、吸着ＮＨ3は結局、
0003857460.tif 000009
のように脱硝率ηと入口ＮＯxが分かれば計算される。
【００３７】
図２中の吸着ＮＨ3推算器３７０には入口ＮＯx濃度１０１と出口ＮＯx濃度１０７が入力されているが、この二つの量から脱硝率ηが算定され、これと入口ＮＯx濃度１０１とから上記ｆｕｎｃ３の関数によって吸着ＮＨ3が推算されている訳である。
【００３８】
（５）以上の（３）の量３５５と（５）の量３６３との和が量４７０である。すなわち、和４７０とは、入口ＮＯx流量１０４と脱硝率計算値３４５或いはｎ時間経過後の必要脱硝率３０１とのそれぞれの積３５１及び３５３と、吸着ＮＨ3量に関する量、すなわち、ｎ時間経過後の必要吸着ＮＨ3量予量値３３０と現時点の吸着ＮＨ3量の推算値３２１との差分３６１を予測スパンｎの半分３４０で除した量と、を総和した量である。すなわち、
0003857460.tif 000010
（６）このようにして計算した総和４７０を現時点でのＮＨ3流量１１２と比較し減算器にて差を計算し、この差分が、必要ＮＨ3流量補正値３０２として、必要ＮＨ3流量補正器３００からの出力となる。すなわち、
0003857460.tif 000011
と算出される。
【００３９】
本発明の制御装置による脱硝制御の結果を図３に示す。従来方式による制御結果に比べ、ｎ時間経過後にて必要な吸着ＮＨ3量をベースに制御しているので、過脱硝が防げ、出口ＮＯx濃度の下限からの逸脱は回避され（ａ点）、対応してＮＨ3注入量も最適化されておりリークＮＨ3量の上限からの逸脱の回避（ｂ点）、またＮＨ3注入量の最大流量も抑制されて（ｃ点）いる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明では、ｎ時間経過後の必要ＮＨ3吸着量をベースに制御するので過脱硝が防げて、
（１）出口ＮＯx濃度の下限からの逸脱は回避され、対応してＮＨ3注入量も最適化されており
（２）リークＮＨ3量の上限からの逸脱は回避され、
（３）ＮＨ3注入量の最大流量も抑制されている、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る脱硝制御装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１の必要ＮＨ3流量補正器の内容を詳細に示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る制御装置による脱硝制御の結果のトレンドを示す図である。
【図４】従来技術に係る制御装置による脱硝制御結果のトレンドを示す図である。
【図５】従来技術に係る脱硝制御装置の内容を示す図である。
【符号の説明】
１０１  入口ＮＯｘ濃度
１０２  空気流量
１０３  燃焼排ガス流量
１０４  入口ＮＯｘ流量
１０５  出口ＮＯｘ濃度設定値
１０６  必要モル比
１０７  出口ＮＯｘ濃度
１０８  出口ＮＯｘ濃度偏差
１０９  モル比修正量
１１０  修正モル比
１１１  必要ＮＨ3流量
１１２  ＮＨ3流量
１１３  ＮＨ3流量偏差
１１４  ＮＨ3流量調節量
１１５  現時点計測ベースの必要ＮＨ3流量
２０１  関数発生器
２０２  減算器
２０３  調節器
２０４  乗算器
２０５  加算器
３００  必要ＮＨ3流量補正器
３０１  ｎ時間経過後の必要脱硝率
３０２  予測スパンｎ
３１０  必要ＮＨ3流量補正値
【図１】
0003857460.tif 000012
【図２】
0003857460.tif 000013
【図３】
0003857460.tif 000014
【図４】
0003857460.tif 000015
【図５】
0003857460.tif 000016