脱硝制御方法及びそれに使用される触媒反応塔
【課題】アンモニアの過剰注入を抑制しつつ、ＮＯｘ量が急激に変動した場合でも煙突出口ＮＯｘ濃度を規制値以下に抑えることが可能な脱硝制御方法及びそれに使用される触媒反応塔を提供する。
【解決手段】プラント設備から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解処理が行われる触媒反応塔１５に注入されるアンモニア量の制御を行うことにより、排ガスを排出する煙突出口における煙突出口ＮＯｘ濃度を低減する脱硝制御方法において、触媒反応塔１５内のリークアンモニアの濃度を測定するためのアンモニア濃度計２４を触媒反応塔１５に設置すると共に、煙突出口におけるＮＯｘ濃度を測定するためのＮＯｘ濃度計を煙突に設置し、触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度が煙突出口におけるＮＯｘ濃度に応じて算出される値となるように、触媒反応塔１５に注入されるアンモニア量を制御する。
【解決手段】プラント設備から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解処理が行われる触媒反応塔１５に注入されるアンモニア量の制御を行うことにより、排ガスを排出する煙突出口における煙突出口ＮＯｘ濃度を低減する脱硝制御方法において、触媒反応塔１５内のリークアンモニアの濃度を測定するためのアンモニア濃度計２４を触媒反応塔１５に設置すると共に、煙突出口におけるＮＯｘ濃度を測定するためのＮＯｘ濃度計を煙突に設置し、触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度が煙突出口におけるＮＯｘ濃度に応じて算出される値となるように、触媒反応塔１５に注入されるアンモニア量を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラント設備から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を低減するための脱硝制御方法及びそれに使用される触媒反応塔に関する。
【背景技術】
【０００２】
ごみなどの廃棄物の処理を行う廃棄物処理設備には、溶融炉や焼却炉などの廃棄物処理炉から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去してＮＯｘ濃度を規制値以下とするための排ガス処理設備が備えられている。排ガス処理設備では、排ガス中にアンモニア（ＮＨ３）を注入してＮＯｘと化学反応させることにより、ＮＯｘを窒素と水に分解してＮＯｘ濃度を低減させることが行われる。その際、過剰にアンモニアを注入すると、リークアンモニアとして外部に排出され問題となる一方、アンモニア注入量が不足すると、排ガス中のＮＯｘ濃度が規制値を超えて問題となる。
【０００３】
そのため、処理すべきＮＯｘ量に見合った適正なアンモニア量を注入するための脱硝制御方法が種々提案されている。例えば、特許文献１では、脱硝触媒装置（触媒反応塔）入口のＮＯｘ濃度が脱硝触媒装置を通過する排ガス量に比例することから、排ガス量に基づいて求めたＮＯｘの分解に必要な量のアンモニアを吹込んで煙突出口ＮＯｘ濃度を制御する方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２では、処理前のＮＯｘ流量と目標とするＮＯｘ流量との偏差量に対応した偏差ＮＯｘ流量を求める工程と、処理後のＮＯｘ濃度と目標とするＮＯｘ濃度との偏差量に対応したＮＯｘ濃度補正量を求める工程と、脱硝設備での実績の脱硝率と目標とする脱硝率との偏差量に対応した脱硝率補正量を求める工程と、処理後の排ガス中のアンモニア濃度と目標とするアンモニア濃度との偏差量に対応したアンモニア濃度補正量を求める工程と、ＮＯｘ濃度補正量、脱硝率補正量、アンモニア濃度補正量の内少なくとも１つの補正量に基づいて偏差ＮＯｘ流量を補正した補正ＮＯＸ流量を求める工程と、補正ＮＯｘ流量に基づいて吹込みアンモニア流量目標値を求めて処理前排ガスに注入するアンモニア流量を制御する工程とを備えた脱硝制御方法が開示されている。
【０００５】
さらにまた、特許文献３では、脱硝反応槽（触媒反応塔）の出側に設置したＮＯｘ分析計により得られる排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて、脱硝反応槽中のアンモニア量が常にアンモニア吸着能力の最大値以内に保持されるように、アンモニアの注入量をＯＮ−ＯＦＦ制御する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１６４７２５号公報
【特許文献２】特開２００５−１６９３３１号公報
【特許文献３】特開昭５５−１８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の制御方法では、脱硝プロセスにおける時間遅れ（数分〜数十分）を考慮していないため、ＮＯｘ濃度の急激な変動に追随できず制御精度が悪いという問題がある。
一方、特許文献２の制御方法は、脱硝プロセス内の遅れ時間を考慮するむだ時間補正部を備えているが、その効果について開示されていないうえ、制御系が複雑であるという問題がある。
また、特許文献３の制御方法は、吸着アンモニアがバッファとなり脱硝プロセスにおける時間遅れを考慮する必要はないが、ＮＯｘ濃度が設定値まで上昇した際に電磁弁を開いてアンモニアを注入し、所定時間経過後、電磁弁を閉じるようにしているため、吸着アンモニア量が低下したときにＮＯｘ濃度が急激に変動した場合、ＮＯｘ濃度の急激な変動を処理できず、ＮＯｘ濃度のピークが規制値を超えるおそれがある。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、アンモニアの過剰注入を抑制しつつ、ＮＯｘ量が急激に変動した場合でも煙突出口ＮＯｘ濃度を規制値以下に抑えることが可能な脱硝制御方法及びそれに使用される触媒反応塔を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、排ガスを排出する煙突出口における窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度のピークが触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量に依存することを発見した。図５（Ａ）は従来の排ガス処理設備における触媒反応塔入口及び煙突出口におけるＮＯｘ濃度の時刻歴変化、図５（Ｂ）はその際のアンモニア吹込量及び触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量の時刻歴変化を示したものである。ここで、触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量は、（アンモニア吹込量（ｋｇ／ｈ）−アンモニア消費量（ｋｇ／ｈ））の積算値である。同図より、触媒反応塔内にアンモニアが充分残存していると、煙突出口ＮＯｘ濃度が低くなりピークが発生しないという知見が得られた。
【００１０】
本発明は上記知見に基づくものであり、第１の発明は、プラント設備から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解処理が行われる触媒反応塔に注入されるアンモニア量の制御を行うことにより、前記排ガスを排出する煙突出口における煙突出口ＮＯｘ濃度を低減する脱硝制御方法において、
前記触媒反応塔内のリークアンモニアの濃度を測定するためのアンモニア濃度計を該触媒反応塔に設置すると共に、前記煙突出口におけるＮＯｘ濃度を測定するためのＮＯｘ濃度計を該煙突に設置し、前記触媒反応塔内のリークアンモニア濃度が前記煙突出口におけるＮＯｘ濃度に応じて算出される値となるように、前記触媒反応塔に注入されるアンモニア量を制御することを特徴としている。
ここで、「リークアンモニア」とは、触媒反応塔内に配置された触媒に吸着せず、触媒反応塔内で浮遊している余剰アンモニアのことである。
【００１１】
触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量が、触媒反応塔入口におけるＮＯｘ量の最大変動分を処理（ＮＯｘを窒素と水に分解してＮＯｘ濃度を低減）できる範囲にあれば、ＮＯｘ量の急激な変動に対して触媒反応塔内の残存アンモニアで処理することができる。
触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量は、触媒反応塔内に注入したアンモニア量から、ＮＯｘと反応したアンモニア量を減じた分、増減するが、触媒反応塔内の触媒に吸着したアンモニア量とリークアンモニア量の和となる。アンモニア濃度計でリークアンモニアが検出される場合は、アンモニア濃度計より上流側に設置された触媒には、アンモニアが最大吸着量まで吸着していることを示している。
【００１２】
第１の発明では、アンモニアがＮＯｘと反応して、触媒に吸着したアンモニア量が減少すると、リークアンモニアが新たに触媒に吸着するため、リークアンモニア濃度が低下するので、触媒反応塔内のリークアンモニア濃度が煙突出口におけるＮＯｘ濃度に応じて算出される値となるようにアンモニア注入量を制御することにより、触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量を間接的に制御する。
【００１３】
また、第１の発明に係る脱硝制御方法では、前記排ガスの流出方向に間隙をあけて多段配置された複数の触媒層を備える前記触媒反応塔の出口に最も近い位置に配置された前記触媒層Ａとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｂとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度、及び／又は前記触媒層Ｂとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｃとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度を、前記アンモニア濃度計によって測定することを好適とする。
【００１４】
当該構成では、最終段の触媒層の直前までに殆どのＮＯｘを分解処理し、分解処理されていないＮＯｘを最終段の触媒層で分解処理することを意図している。最終段の触媒層の直前に存在するリークアンモニアは最終段の触媒層に吸着するので、触媒反応塔の出口からリークアンモニアが排出されるおそれはない。即ち、当該構成では、最終段の触媒層をバッファ（緩衝領域）として機能させることにより、ＮＯｘ濃度の低減とリークアンモニアの抑制を図っている。
【００１５】
また、第２の発明は、上記脱硝制御方法に使用される触媒反応塔であって、
前記排ガスの流出方向に間隙をあけて多段配置された複数の触媒層を有し、前記排ガスの出口に最も近い位置に配置された前記触媒層Ａとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｂとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度、及び／又は前記触媒層Ｂとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｃとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度を測定するアンモニア濃度計を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、触媒反応塔内のリークアンモニア濃度が煙突出口におけるＮＯｘ濃度に応じて算出される値となるように、触媒反応塔に注入されるアンモニア量を制御するので、ＮＯｘ量が急激に変動した場合でも常に適切な量のアンモニアが触媒反応塔内に注入される。その結果、アンモニアの過剰注入を抑制しつつ、煙突出口ＮＯｘ濃度を常に規制値以下に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】排ガス処理設備の構成の一例を示す模式図である。
【図２】触媒反応塔の模式図である。
【図３】レーザーガス分析計の詳細図である。
【図４】脱硝制御装置のブロック図である。
【図５】（Ａ）は従来の排ガス処理設備における触媒反応塔入口及び煙突出口におけるＮＯｘ濃度、（Ｂ）はその際のアンモニア吹込量及び触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量それぞれの時刻歴変化を示した試験結果のグラフである。
【図６】煙突出口におけるＮＯｘ濃度と触媒反応塔内のリークアンモニア濃度の設定値との関係の一例を示すグラフである。
【図７】触媒反応塔内のリークアンモニア濃度の設定値及び煙突出口におけるＮＯｘ濃度の各時刻歴変化の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態に付き説明し、本発明の理解に供する。
【００１９】
図１は、プラント設備の一例である廃棄物処理設備に備えられている排ガス処理設備の一例を示した模式図である。溶融炉や焼却炉などの廃棄物処理炉（図示省略）から排出された排ガスは、ボイラ１１に送られて熱回収された後、排ガス温度調節器１２で所定温度まで冷却され、濾過式集塵器１３で除塵される。除塵された排ガスは、誘引通風機１４により触媒反応塔１５に送られ、触媒反応塔１５において脱硝された後、煙突１６から排出される。なお、煙突１６にはＮＯｘ濃度計４６が設置されており、排ガス中のＮＯｘ濃度が常に測定されている。
【００２０】
触媒反応塔１５では、排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）が、触媒反応塔１５の内部に配置された触媒層に吸着したアンモニア（ＮＨ３）と反応して窒素と水に分解する。
誘引通風機１４と触媒反応塔１５との間に設けられた排ガス管路１７にはアンモニア管路２１の終端が接続されており、アンモニア管路２１の始端に備えられたアンモニア供給装置１８からアンモニア管路２１を介して送給されたアンモニアは、排ガス管路１７内に吹込まれることにより触媒反応塔１５内に注入される。
また、アンモニア管路２１の経路上には制御弁２０が設けられており、後述する（図４に示す）脱硝制御装置２５によって制御弁２０の開閉度を制御することにより、アンモニアの注入量が調節される。
【００２１】
図２に触媒反応塔１５の模式図を示す。触媒反応塔１５は、入口３０及び出口３１が縮幅した筒体３２と、筒体３２の内部に配置された複数の触媒層３３、３４、３５とから概略構成されている。各触媒層３３、３４、３５は筒体３２の横断面とほぼ同じ大きさとされ、排ガスの流出方向に間隙３６、３７をあけて多段配置（本実施の形態では３段配置）されている。各触媒層３３、３４、３５を構成する触媒は、例えばＴｉＯ２を主成分とし、活性成分であるＶ、Ｗなどが添加されたものが使用できる。
【００２２】
本発明の一実施の形態に係る脱硝制御方法では、触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度を測定するアンモニア濃度計２４として高応答性を有するレーザー式ガス分析計が好適である。
レーザー式ガス分析計は発光装置２２と受光装置２３とを有し、触媒反応塔１５の出口３１に最も近い位置に配置された触媒層３５とその１つ手前に配置された触媒層３４との間に設けられた間隙３７に存在するリークアンモニアの濃度を測定できるように設置されている。具体的には、間隙３７を囲繞する筒体３２の側面部３８（筒体３２の中心軸を挟んで対称となる位置）に、発光装置２２と受光装置２３がそれぞれ取り付けられている。発光装置２２から放射されたレーザー光は間隙３７を横断し、受光装置２３で受光される。
【００２３】
図３にアンモニア濃度計２４の詳細を示す。発光装置２２は、触媒反応塔１５の側面部３８から筒体３２内に一端部が挿入された円筒状の筐体４２と、筐体４２の他端部（自由端部）に取り付けられた発光ボックス４０とを備えている。
【００２４】
発光ボックス４０には、レーザー素子（図示省略）、レーザーを温度制御するペルチェ（図示省略）などが内蔵されている。
また、筐体４２の周面部には、計装エアを筐体４２内に導入するためのパージ導入口４５が設けられている。計装エアはレンズの結露防止やダスト付着防止などのために必要なエアであって、オイルやミストを含まないエアが使用される。
【００２５】
受光装置２３は、筐体４３の自由端部に発光ボックス４０ではなく受光ボックス４１が取り付けられている点が発光装置２２と異なっているが、他の構成は発光装置２２と同様である。受光ボックス４１には、レーザー光を受光するフォトダイオード（図示省略）などが内蔵されている。
【００２６】
このレーザー式ガス分析計は、ガスサンプリング装置が不要なため、メンテナンスが殆ど必要なく、高速応答が可能である。また、測定成分の吸収波長に合った近赤外半導体レーザーを使用しているため、他ガスの干渉による影響を殆ど受けない。
【００２７】
次に、本実施の形態に係る脱硝制御方法に使用される脱硝制御装置２５について説明する。
脱硝制御装置２５は、触媒反応塔１５に設置したアンモニア濃度計２４、煙突１６に設置したＮＯｘ濃度計４６、並びにアンモニア管路２１上に設置したアンモニア流量計１９の出力に基づいてアンモニア吹込量を算出して制御弁２０の開閉度を制御することにより、煙突出口における煙突出口ＮＯｘ濃度を低減する。図４に脱硝制御装置２５のブロック図を示す。
【００２８】
アンモニア流量算出部２６では、アンモニア管路２１上に設置したアンモニア流量計１９の出力に基づいてアンモニア供給装置１８から供給されるアンモニア流量を算出する。
【００２９】
アンモニア濃度算出部２７では、触媒反応塔１５に設置したアンモニア濃度計２４の出力に基づいて、触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度を算出する。
【００３０】
ＮＯｘ濃度算出部４７では、煙突１６に設置したＮＯｘ濃度計４６の出力に基づいて、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度を算出する。そして、リークアンモニア濃度設定部４８及びアンモニア吹込強制停止部４９に算出値を出力する。
【００３１】
リークアンモニア濃度設定部４８では、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度に応じて触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度の設定値を算出する。触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度が一定となるように制御した場合、煙突１６出口においてＮＯｘが検出される場合がある。また、触媒反応塔１５からアンモニアがリークすることが無いようにする必要がある。そのため、リークアンモニア濃度設定部４８では、例えば図６に示すような、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度と触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度の設定値との関係に基づいて、リークアンモニア濃度の設定値を算出する。
具体的には、ＮＯｘ濃度が５ｐｐｍ超以上３０ｐｐｍ以下の場合は、リークアンモニア濃度を５ｐｐｍに設定する。また、ＮＯｘ濃度が５ｐｐｍ以下の場合は、リークアンモニア濃度を０ｐｐｍに設定すると共に、ＮＯｘ濃度が３０ｐｐｍ超の場合は、リークアンモニア濃度をＮＯｘ濃度の１／２に設定する。なお、この例では、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度の上限値を５０ｐｐｍ、通常範囲を１０〜３０ｐｐｍとしている。
【００３２】
アンモニア吹込量算出部２８では、リークアンモニア濃度設定部４８によって算出されたリークアンモニア濃度の設定値と、アンモニア濃度算出部２７によって算出されたリークアンモニア濃度との偏差に比例するアンモニア吹込量の目標値を算出する。
【００３３】
アンモニア流量調節部２９では、アンモニア流量算出部２６により得られたアンモニア吹込量（アンモニア流量）の測定値と、アンモニア吹込量算出部２８によって算出されたアンモニア吹込量の目標値との偏差に比例する制御信号を出力し、制御弁２０の開閉度を制御する。
【００３４】
一方、アンモニア吹込強制停止部４９では、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度が５ｐｐｍ以下の場合、アンモニア吹込強制停止信号を切替部５０に出力する。また、アンモニア吹込強制停止信号を出力した後、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度が１０ｐｐｍ以上になった場合、アンモニア吹込再開信号を切替部５０に出力する。
【００３５】
切替部５０は、アンモニア流量調節部２９と制御弁５０との間に設けられている。アンモニア吹込強制停止信号を切替部５０が受信した場合は、制御弁２０が閉止され、アンモニア吹込再開信号を切替部５０が受信した場合は、アンモニア流量調節部２９の出力に応じて制御弁２０の開閉度が制御される。従って、制御弁２０が一旦閉止されると、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度が５〜１０ｐｐｍの範囲にある場合、アンモニア流量調節部２９は出力しているが、アンモニア吹込量はゼロである。
【００３６】
図７は、本実施の形態に係る脱硝制御方法を実施した際における触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度の設定値及び煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度の各時刻歴変化の一例を示したものである。この例では、０〜ｔ１時の間はＮＯｘ濃度が５〜３０ｐｐｍの範囲にあるため、リークアンモニア濃度は５ｐｐｍに設定されていたが、ｔ１時においてＮＯｘ濃度が５ｐｐｍ以下となったため、リークアンモニア濃度は０ｐｐｍに設定された。その後、ｔ２時においてＮＯｘ濃度が１０ｐｐｍ以上となったため、リークアンモニア濃度が５ｐｐｍに設定され、さらにｔ３時においてＮＯｘ濃度が３０ｐｐｍ以上となったため、リークアンモニア濃度はＮＯｘ濃度の１／２に設定に設定された。その後、ｔ４時においてＮＯｘ濃度が３０ｐｐｍ未満となったため、リークアンモニア濃度は５ｐｐｍに設定された。
【００３７】
以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、触媒反応塔内にアンモニア濃度計を１基設置したが、さらに１つ手前の触媒層間にアンモニア濃度計を設置してもよい。また、上記実施の形態では、触媒反応塔内の触媒層は３段としているが、２段でも良いし、或いは４段以上でも良い。さらにまた、アンモニア流量制御は、制御弁に限るものではなく、例えば定量ポンプ等のアンモニア吹込量を制御できる機器であれば良い。
【符号の説明】
【００３８】
１１：ボイラ、１２：排ガス温度調節器、１３：濾過式集塵器、１４：誘引通風機、１５：触媒反応塔、１６：煙突、１７：排ガス管路、１８：アンモニア供給装置、１９：アンモニア流量計、２０：制御弁、２１：アンモニア管路、２２：発光装置、２３：受光装置、２４：アンモニア濃度計、２５：脱硝制御装置、２６：アンモニア流量算出部、２７：アンモニア濃度算出部、２８：アンモニア吹込量算出部、２９：アンモニア流量調節部、３０：入口、３１：出口、３２：筒体、３３、３４、３５：触媒層、３６、３７：間隙、３８：側面部、４０：発光ボックス、４１：受光ボックス、４２、４３：筐体、４５：パージ導入口、４６：ＮＯｘ濃度計、４７：ＮＯｘ濃度算出部、４８：リークアンモニア濃度設定部、４９：アンモニア吹込強制停止部、５０：切替部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラント設備から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を低減するための脱硝制御方法及びそれに使用される触媒反応塔に関する。
【背景技術】
【０００２】
ごみなどの廃棄物の処理を行う廃棄物処理設備には、溶融炉や焼却炉などの廃棄物処理炉から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去してＮＯｘ濃度を規制値以下とするための排ガス処理設備が備えられている。排ガス処理設備では、排ガス中にアンモニア（ＮＨ３）を注入してＮＯｘと化学反応させることにより、ＮＯｘを窒素と水に分解してＮＯｘ濃度を低減させることが行われる。その際、過剰にアンモニアを注入すると、リークアンモニアとして外部に排出され問題となる一方、アンモニア注入量が不足すると、排ガス中のＮＯｘ濃度が規制値を超えて問題となる。
【０００３】
そのため、処理すべきＮＯｘ量に見合った適正なアンモニア量を注入するための脱硝制御方法が種々提案されている。例えば、特許文献１では、脱硝触媒装置（触媒反応塔）入口のＮＯｘ濃度が脱硝触媒装置を通過する排ガス量に比例することから、排ガス量に基づいて求めたＮＯｘの分解に必要な量のアンモニアを吹込んで煙突出口ＮＯｘ濃度を制御する方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２では、処理前のＮＯｘ流量と目標とするＮＯｘ流量との偏差量に対応した偏差ＮＯｘ流量を求める工程と、処理後のＮＯｘ濃度と目標とするＮＯｘ濃度との偏差量に対応したＮＯｘ濃度補正量を求める工程と、脱硝設備での実績の脱硝率と目標とする脱硝率との偏差量に対応した脱硝率補正量を求める工程と、処理後の排ガス中のアンモニア濃度と目標とするアンモニア濃度との偏差量に対応したアンモニア濃度補正量を求める工程と、ＮＯｘ濃度補正量、脱硝率補正量、アンモニア濃度補正量の内少なくとも１つの補正量に基づいて偏差ＮＯｘ流量を補正した補正ＮＯＸ流量を求める工程と、補正ＮＯｘ流量に基づいて吹込みアンモニア流量目標値を求めて処理前排ガスに注入するアンモニア流量を制御する工程とを備えた脱硝制御方法が開示されている。
【０００５】
さらにまた、特許文献３では、脱硝反応槽（触媒反応塔）の出側に設置したＮＯｘ分析計により得られる排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて、脱硝反応槽中のアンモニア量が常にアンモニア吸着能力の最大値以内に保持されるように、アンモニアの注入量をＯＮ−ＯＦＦ制御する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１６４７２５号公報
【特許文献２】特開２００５−１６９３３１号公報
【特許文献３】特開昭５５−１８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の制御方法では、脱硝プロセスにおける時間遅れ（数分〜数十分）を考慮していないため、ＮＯｘ濃度の急激な変動に追随できず制御精度が悪いという問題がある。
一方、特許文献２の制御方法は、脱硝プロセス内の遅れ時間を考慮するむだ時間補正部を備えているが、その効果について開示されていないうえ、制御系が複雑であるという問題がある。
また、特許文献３の制御方法は、吸着アンモニアがバッファとなり脱硝プロセスにおける時間遅れを考慮する必要はないが、ＮＯｘ濃度が設定値まで上昇した際に電磁弁を開いてアンモニアを注入し、所定時間経過後、電磁弁を閉じるようにしているため、吸着アンモニア量が低下したときにＮＯｘ濃度が急激に変動した場合、ＮＯｘ濃度の急激な変動を処理できず、ＮＯｘ濃度のピークが規制値を超えるおそれがある。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、アンモニアの過剰注入を抑制しつつ、ＮＯｘ量が急激に変動した場合でも煙突出口ＮＯｘ濃度を規制値以下に抑えることが可能な脱硝制御方法及びそれに使用される触媒反応塔を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、排ガスを排出する煙突出口における窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度のピークが触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量に依存することを発見した。図５（Ａ）は従来の排ガス処理設備における触媒反応塔入口及び煙突出口におけるＮＯｘ濃度の時刻歴変化、図５（Ｂ）はその際のアンモニア吹込量及び触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量の時刻歴変化を示したものである。ここで、触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量は、（アンモニア吹込量（ｋｇ／ｈ）−アンモニア消費量（ｋｇ／ｈ））の積算値である。同図より、触媒反応塔内にアンモニアが充分残存していると、煙突出口ＮＯｘ濃度が低くなりピークが発生しないという知見が得られた。
【００１０】
本発明は上記知見に基づくものであり、第１の発明は、プラント設備から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解処理が行われる触媒反応塔に注入されるアンモニア量の制御を行うことにより、前記排ガスを排出する煙突出口における煙突出口ＮＯｘ濃度を低減する脱硝制御方法において、
前記触媒反応塔内のリークアンモニアの濃度を測定するためのアンモニア濃度計を該触媒反応塔に設置すると共に、前記煙突出口におけるＮＯｘ濃度を測定するためのＮＯｘ濃度計を該煙突に設置し、前記触媒反応塔内のリークアンモニア濃度が前記煙突出口におけるＮＯｘ濃度に応じて算出される値となるように、前記触媒反応塔に注入されるアンモニア量を制御することを特徴としている。
ここで、「リークアンモニア」とは、触媒反応塔内に配置された触媒に吸着せず、触媒反応塔内で浮遊している余剰アンモニアのことである。
【００１１】
触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量が、触媒反応塔入口におけるＮＯｘ量の最大変動分を処理（ＮＯｘを窒素と水に分解してＮＯｘ濃度を低減）できる範囲にあれば、ＮＯｘ量の急激な変動に対して触媒反応塔内の残存アンモニアで処理することができる。
触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量は、触媒反応塔内に注入したアンモニア量から、ＮＯｘと反応したアンモニア量を減じた分、増減するが、触媒反応塔内の触媒に吸着したアンモニア量とリークアンモニア量の和となる。アンモニア濃度計でリークアンモニアが検出される場合は、アンモニア濃度計より上流側に設置された触媒には、アンモニアが最大吸着量まで吸着していることを示している。
【００１２】
第１の発明では、アンモニアがＮＯｘと反応して、触媒に吸着したアンモニア量が減少すると、リークアンモニアが新たに触媒に吸着するため、リークアンモニア濃度が低下するので、触媒反応塔内のリークアンモニア濃度が煙突出口におけるＮＯｘ濃度に応じて算出される値となるようにアンモニア注入量を制御することにより、触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量を間接的に制御する。
【００１３】
また、第１の発明に係る脱硝制御方法では、前記排ガスの流出方向に間隙をあけて多段配置された複数の触媒層を備える前記触媒反応塔の出口に最も近い位置に配置された前記触媒層Ａとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｂとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度、及び／又は前記触媒層Ｂとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｃとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度を、前記アンモニア濃度計によって測定することを好適とする。
【００１４】
当該構成では、最終段の触媒層の直前までに殆どのＮＯｘを分解処理し、分解処理されていないＮＯｘを最終段の触媒層で分解処理することを意図している。最終段の触媒層の直前に存在するリークアンモニアは最終段の触媒層に吸着するので、触媒反応塔の出口からリークアンモニアが排出されるおそれはない。即ち、当該構成では、最終段の触媒層をバッファ（緩衝領域）として機能させることにより、ＮＯｘ濃度の低減とリークアンモニアの抑制を図っている。
【００１５】
また、第２の発明は、上記脱硝制御方法に使用される触媒反応塔であって、
前記排ガスの流出方向に間隙をあけて多段配置された複数の触媒層を有し、前記排ガスの出口に最も近い位置に配置された前記触媒層Ａとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｂとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度、及び／又は前記触媒層Ｂとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｃとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度を測定するアンモニア濃度計を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、触媒反応塔内のリークアンモニア濃度が煙突出口におけるＮＯｘ濃度に応じて算出される値となるように、触媒反応塔に注入されるアンモニア量を制御するので、ＮＯｘ量が急激に変動した場合でも常に適切な量のアンモニアが触媒反応塔内に注入される。その結果、アンモニアの過剰注入を抑制しつつ、煙突出口ＮＯｘ濃度を常に規制値以下に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】排ガス処理設備の構成の一例を示す模式図である。
【図２】触媒反応塔の模式図である。
【図３】レーザーガス分析計の詳細図である。
【図４】脱硝制御装置のブロック図である。
【図５】（Ａ）は従来の排ガス処理設備における触媒反応塔入口及び煙突出口におけるＮＯｘ濃度、（Ｂ）はその際のアンモニア吹込量及び触媒反応塔内に残存する残存アンモニア量それぞれの時刻歴変化を示した試験結果のグラフである。
【図６】煙突出口におけるＮＯｘ濃度と触媒反応塔内のリークアンモニア濃度の設定値との関係の一例を示すグラフである。
【図７】触媒反応塔内のリークアンモニア濃度の設定値及び煙突出口におけるＮＯｘ濃度の各時刻歴変化の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態に付き説明し、本発明の理解に供する。
【００１９】
図１は、プラント設備の一例である廃棄物処理設備に備えられている排ガス処理設備の一例を示した模式図である。溶融炉や焼却炉などの廃棄物処理炉（図示省略）から排出された排ガスは、ボイラ１１に送られて熱回収された後、排ガス温度調節器１２で所定温度まで冷却され、濾過式集塵器１３で除塵される。除塵された排ガスは、誘引通風機１４により触媒反応塔１５に送られ、触媒反応塔１５において脱硝された後、煙突１６から排出される。なお、煙突１６にはＮＯｘ濃度計４６が設置されており、排ガス中のＮＯｘ濃度が常に測定されている。
【００２０】
触媒反応塔１５では、排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）が、触媒反応塔１５の内部に配置された触媒層に吸着したアンモニア（ＮＨ３）と反応して窒素と水に分解する。
誘引通風機１４と触媒反応塔１５との間に設けられた排ガス管路１７にはアンモニア管路２１の終端が接続されており、アンモニア管路２１の始端に備えられたアンモニア供給装置１８からアンモニア管路２１を介して送給されたアンモニアは、排ガス管路１７内に吹込まれることにより触媒反応塔１５内に注入される。
また、アンモニア管路２１の経路上には制御弁２０が設けられており、後述する（図４に示す）脱硝制御装置２５によって制御弁２０の開閉度を制御することにより、アンモニアの注入量が調節される。
【００２１】
図２に触媒反応塔１５の模式図を示す。触媒反応塔１５は、入口３０及び出口３１が縮幅した筒体３２と、筒体３２の内部に配置された複数の触媒層３３、３４、３５とから概略構成されている。各触媒層３３、３４、３５は筒体３２の横断面とほぼ同じ大きさとされ、排ガスの流出方向に間隙３６、３７をあけて多段配置（本実施の形態では３段配置）されている。各触媒層３３、３４、３５を構成する触媒は、例えばＴｉＯ２を主成分とし、活性成分であるＶ、Ｗなどが添加されたものが使用できる。
【００２２】
本発明の一実施の形態に係る脱硝制御方法では、触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度を測定するアンモニア濃度計２４として高応答性を有するレーザー式ガス分析計が好適である。
レーザー式ガス分析計は発光装置２２と受光装置２３とを有し、触媒反応塔１５の出口３１に最も近い位置に配置された触媒層３５とその１つ手前に配置された触媒層３４との間に設けられた間隙３７に存在するリークアンモニアの濃度を測定できるように設置されている。具体的には、間隙３７を囲繞する筒体３２の側面部３８（筒体３２の中心軸を挟んで対称となる位置）に、発光装置２２と受光装置２３がそれぞれ取り付けられている。発光装置２２から放射されたレーザー光は間隙３７を横断し、受光装置２３で受光される。
【００２３】
図３にアンモニア濃度計２４の詳細を示す。発光装置２２は、触媒反応塔１５の側面部３８から筒体３２内に一端部が挿入された円筒状の筐体４２と、筐体４２の他端部（自由端部）に取り付けられた発光ボックス４０とを備えている。
【００２４】
発光ボックス４０には、レーザー素子（図示省略）、レーザーを温度制御するペルチェ（図示省略）などが内蔵されている。
また、筐体４２の周面部には、計装エアを筐体４２内に導入するためのパージ導入口４５が設けられている。計装エアはレンズの結露防止やダスト付着防止などのために必要なエアであって、オイルやミストを含まないエアが使用される。
【００２５】
受光装置２３は、筐体４３の自由端部に発光ボックス４０ではなく受光ボックス４１が取り付けられている点が発光装置２２と異なっているが、他の構成は発光装置２２と同様である。受光ボックス４１には、レーザー光を受光するフォトダイオード（図示省略）などが内蔵されている。
【００２６】
このレーザー式ガス分析計は、ガスサンプリング装置が不要なため、メンテナンスが殆ど必要なく、高速応答が可能である。また、測定成分の吸収波長に合った近赤外半導体レーザーを使用しているため、他ガスの干渉による影響を殆ど受けない。
【００２７】
次に、本実施の形態に係る脱硝制御方法に使用される脱硝制御装置２５について説明する。
脱硝制御装置２５は、触媒反応塔１５に設置したアンモニア濃度計２４、煙突１６に設置したＮＯｘ濃度計４６、並びにアンモニア管路２１上に設置したアンモニア流量計１９の出力に基づいてアンモニア吹込量を算出して制御弁２０の開閉度を制御することにより、煙突出口における煙突出口ＮＯｘ濃度を低減する。図４に脱硝制御装置２５のブロック図を示す。
【００２８】
アンモニア流量算出部２６では、アンモニア管路２１上に設置したアンモニア流量計１９の出力に基づいてアンモニア供給装置１８から供給されるアンモニア流量を算出する。
【００２９】
アンモニア濃度算出部２７では、触媒反応塔１５に設置したアンモニア濃度計２４の出力に基づいて、触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度を算出する。
【００３０】
ＮＯｘ濃度算出部４７では、煙突１６に設置したＮＯｘ濃度計４６の出力に基づいて、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度を算出する。そして、リークアンモニア濃度設定部４８及びアンモニア吹込強制停止部４９に算出値を出力する。
【００３１】
リークアンモニア濃度設定部４８では、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度に応じて触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度の設定値を算出する。触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度が一定となるように制御した場合、煙突１６出口においてＮＯｘが検出される場合がある。また、触媒反応塔１５からアンモニアがリークすることが無いようにする必要がある。そのため、リークアンモニア濃度設定部４８では、例えば図６に示すような、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度と触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度の設定値との関係に基づいて、リークアンモニア濃度の設定値を算出する。
具体的には、ＮＯｘ濃度が５ｐｐｍ超以上３０ｐｐｍ以下の場合は、リークアンモニア濃度を５ｐｐｍに設定する。また、ＮＯｘ濃度が５ｐｐｍ以下の場合は、リークアンモニア濃度を０ｐｐｍに設定すると共に、ＮＯｘ濃度が３０ｐｐｍ超の場合は、リークアンモニア濃度をＮＯｘ濃度の１／２に設定する。なお、この例では、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度の上限値を５０ｐｐｍ、通常範囲を１０〜３０ｐｐｍとしている。
【００３２】
アンモニア吹込量算出部２８では、リークアンモニア濃度設定部４８によって算出されたリークアンモニア濃度の設定値と、アンモニア濃度算出部２７によって算出されたリークアンモニア濃度との偏差に比例するアンモニア吹込量の目標値を算出する。
【００３３】
アンモニア流量調節部２９では、アンモニア流量算出部２６により得られたアンモニア吹込量（アンモニア流量）の測定値と、アンモニア吹込量算出部２８によって算出されたアンモニア吹込量の目標値との偏差に比例する制御信号を出力し、制御弁２０の開閉度を制御する。
【００３４】
一方、アンモニア吹込強制停止部４９では、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度が５ｐｐｍ以下の場合、アンモニア吹込強制停止信号を切替部５０に出力する。また、アンモニア吹込強制停止信号を出力した後、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度が１０ｐｐｍ以上になった場合、アンモニア吹込再開信号を切替部５０に出力する。
【００３５】
切替部５０は、アンモニア流量調節部２９と制御弁５０との間に設けられている。アンモニア吹込強制停止信号を切替部５０が受信した場合は、制御弁２０が閉止され、アンモニア吹込再開信号を切替部５０が受信した場合は、アンモニア流量調節部２９の出力に応じて制御弁２０の開閉度が制御される。従って、制御弁２０が一旦閉止されると、煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度が５〜１０ｐｐｍの範囲にある場合、アンモニア流量調節部２９は出力しているが、アンモニア吹込量はゼロである。
【００３６】
図７は、本実施の形態に係る脱硝制御方法を実施した際における触媒反応塔１５内のリークアンモニア濃度の設定値及び煙突１６出口におけるＮＯｘ濃度の各時刻歴変化の一例を示したものである。この例では、０〜ｔ１時の間はＮＯｘ濃度が５〜３０ｐｐｍの範囲にあるため、リークアンモニア濃度は５ｐｐｍに設定されていたが、ｔ１時においてＮＯｘ濃度が５ｐｐｍ以下となったため、リークアンモニア濃度は０ｐｐｍに設定された。その後、ｔ２時においてＮＯｘ濃度が１０ｐｐｍ以上となったため、リークアンモニア濃度が５ｐｐｍに設定され、さらにｔ３時においてＮＯｘ濃度が３０ｐｐｍ以上となったため、リークアンモニア濃度はＮＯｘ濃度の１／２に設定に設定された。その後、ｔ４時においてＮＯｘ濃度が３０ｐｐｍ未満となったため、リークアンモニア濃度は５ｐｐｍに設定された。
【００３７】
以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、触媒反応塔内にアンモニア濃度計を１基設置したが、さらに１つ手前の触媒層間にアンモニア濃度計を設置してもよい。また、上記実施の形態では、触媒反応塔内の触媒層は３段としているが、２段でも良いし、或いは４段以上でも良い。さらにまた、アンモニア流量制御は、制御弁に限るものではなく、例えば定量ポンプ等のアンモニア吹込量を制御できる機器であれば良い。
【符号の説明】
【００３８】
１１：ボイラ、１２：排ガス温度調節器、１３：濾過式集塵器、１４：誘引通風機、１５：触媒反応塔、１６：煙突、１７：排ガス管路、１８：アンモニア供給装置、１９：アンモニア流量計、２０：制御弁、２１：アンモニア管路、２２：発光装置、２３：受光装置、２４：アンモニア濃度計、２５：脱硝制御装置、２６：アンモニア流量算出部、２７：アンモニア濃度算出部、２８：アンモニア吹込量算出部、２９：アンモニア流量調節部、３０：入口、３１：出口、３２：筒体、３３、３４、３５：触媒層、３６、３７：間隙、３８：側面部、４０：発光ボックス、４１：受光ボックス、４２、４３：筐体、４５：パージ導入口、４６：ＮＯｘ濃度計、４７：ＮＯｘ濃度算出部、４８：リークアンモニア濃度設定部、４９：アンモニア吹込強制停止部、５０：切替部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラント設備から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解処理が行われる触媒反応塔に注入されるアンモニア量の制御を行うことにより、前記排ガスを排出する煙突出口における煙突出口ＮＯｘ濃度を低減する脱硝制御方法において、
前記触媒反応塔内のリークアンモニアの濃度を測定するためのアンモニア濃度計を該触媒反応塔に設置すると共に、前記煙突出口におけるＮＯｘ濃度を測定するためのＮＯｘ濃度計を該煙突に設置し、前記触媒反応塔内のリークアンモニア濃度が前記煙突出口におけるＮＯｘ濃度に応じて算出される値となるように、前記触媒反応塔に注入されるアンモニア量を制御することを特徴とする脱硝制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の脱硝制御方法において、前記排ガスの流出方向に間隙をあけて多段配置された複数の触媒層を備える前記触媒反応塔の出口に最も近い位置に配置された前記触媒層Ａとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｂとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度、及び／又は前記触媒層Ｂとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｃとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度を、前記アンモニア濃度計によって測定することを特徴とする脱硝制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の脱硝制御方法に使用される触媒反応塔であって、
前記排ガスの流出方向に間隙をあけて多段配置された複数の触媒層を有し、前記排ガスの出口に最も近い位置に配置された前記触媒層Ａとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｂとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度、及び／又は前記触媒層Ｂとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｃとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度を測定するアンモニア濃度計を備えていることを特徴とする触媒反応塔。
【請求項１】
プラント設備から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解処理が行われる触媒反応塔に注入されるアンモニア量の制御を行うことにより、前記排ガスを排出する煙突出口における煙突出口ＮＯｘ濃度を低減する脱硝制御方法において、
前記触媒反応塔内のリークアンモニアの濃度を測定するためのアンモニア濃度計を該触媒反応塔に設置すると共に、前記煙突出口におけるＮＯｘ濃度を測定するためのＮＯｘ濃度計を該煙突に設置し、前記触媒反応塔内のリークアンモニア濃度が前記煙突出口におけるＮＯｘ濃度に応じて算出される値となるように、前記触媒反応塔に注入されるアンモニア量を制御することを特徴とする脱硝制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の脱硝制御方法において、前記排ガスの流出方向に間隙をあけて多段配置された複数の触媒層を備える前記触媒反応塔の出口に最も近い位置に配置された前記触媒層Ａとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｂとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度、及び／又は前記触媒層Ｂとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｃとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度を、前記アンモニア濃度計によって測定することを特徴とする脱硝制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の脱硝制御方法に使用される触媒反応塔であって、
前記排ガスの流出方向に間隙をあけて多段配置された複数の触媒層を有し、前記排ガスの出口に最も近い位置に配置された前記触媒層Ａとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｂとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度、及び／又は前記触媒層Ｂとその１つ手前に配置された前記触媒層Ｃとの間の間隙に存在するリークアンモニアの濃度を測定するアンモニア濃度計を備えていることを特徴とする触媒反応塔。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１９２３４５（Ｐ２０１２−１９２３４５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５８４０２（Ｐ２０１１−５８４０２）
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【出願人】（３９００２２８７３）日鐵プラント設計株式会社 (275)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【出願人】（３９００２２８７３）日鐵プラント設計株式会社 (275)
【Ｆターム（参考）】
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