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12 | 2013

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SPECIAL

SPECIAL Luftreinhaltung/Emissionen Staubemissionen, etwa aus Kraftwerken und Verbrennungsanlagen, können zuverlässig und genau gemessen werden. Staubemissionen optisch messen Die kontinuierliche Überwachung von Staubemissionen aus Verbrennungsanlagen ist in Europa gesetzlich vorgeschrieben. Der Trend zu immer kleineren Grenzwerten und die steigenden Anforderungen an automatische Emissionsmesseinrichtungen (AMS) fordern Messgeräte, die auch kleinste Konzentrationen kontinuierlich und präzise erfassen. Für die Messung von Staubemissionen kommen vor allem optische Methoden zum Einsatz. Sarah Lühmann Hauptverursacher von Treibhausgasen ist inDeutschland die Energiewirtschaft. Durch die mit derIndustrialisierung verbundene steigende Anzahl an Kraftwerkenund Verbrennungsanlagen erhöht sich die Belastung der Umwelt durch energiebedingte Emissionen. Bei jedem Verbrennungsvorgang werden neben denTreibhausgasenCO 2 und CH 4 auch klassische Luftschadstoffe wie CO, SO 2 , Ammoniak und Staub freigesetzt. Während die energiebedingten Treibhausgasemissionen in den vergangenen zwanzig Jahren nur leicht zurückgingen, konntenfür Staub deutliche Erfolge bei derEmissionsminderung erzieltwerden. Dies istunteranderem dem Umstieg auf emissionsärmere Energieträger, der Stilllegung von veralteten Anlagen sowie der Verbesserung von Filter- und Entstaubungsanlagen zu verdanken. Als Staub bezeichnet man feste Teilchen der Außenluft, die nicht sofort zu Bodensinken,sonderneine gewisseZeit in derAtmosphäreverweilen. Staubpartikel werden nach ihrer Größe inverschiedene Klassen eingeteilt. Als Feinstaub bezeichnet man Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 10 µm (PM 10). Diese können beim Einatmen indie Lungen eindringen. Feinstaub ist nachweislich krebserregend und kann Schadstoffe wie giftige Schwermetalle bisindie letztenVerästelungender Lungen tragen. Um die Belastung von Mensch und Umwelt durch die Staubemission aus Verbrennungsvorgängenzureduzieren, gibt esfür Staub in den meisten industrialisierten Ländern Grenzwerte. Des Weiteren ist eine kontinuierliche Messung der Staubmassenkonzentration vorgeschrieben. Die gesetzlichen Grenzwerte bei stationären Quellen sind abhängig von der Verbrennungsanlage und der Art des Brennstoffs. Die Schadstoffemissionen durch Kraftwerke und Verbrennungsanlagen werdeninDeutschlandzum Beispiel durch die Bundesimmissionsschutzverordnung (13. und 17. BImSchV) sowie die europäischen Richtlinien 2001/80/EG LCPD undIED 2010/75/EU geregelt.Für Müllverbrennungsanlagen liegt der Tagesmittelwert für Staub gemäß Richtlinie IED beispielsweise bei 10 Milligramm pro Kubikmeter (mg/m 3 ). Neben Staubmessgeräten sind für die Emissionsüberwachung Gasanalysatorensowie Volumenstrommessgeräte für die Bestimmung des Massenstroms erforderlich. Für die Messung des Volumenstroms kommensowohl Staudrucksonden als auch Ultraschall Sensorsysteme zum Einsatz. Dank moderner Filteranlagen liegen die emittierten Staubkonzentrationen oftmals weit unterhalb der vorgegebenen Grenzwerte. Dies erfordert hoch präzise Messgeräte mit zunehmend kleineren Nachweisgrenzen. Höchste Standards bei der Qualitätssicherung Zuverlässigkeit und Genauigkeit hat bei Emissionsmessgeräten höchste Priorität. Die DIN EN 14181 legt für automatische Emissionsmesseinrichtungen drei Qualitätssicherungsstufen (QAL) 16 UmweltMagazin Dezember 2013

sowie eine jährliche Funktionsprüfung (AST) fest.Herstellervon solchenSystemen müssen ihre Messgeräte darum einer Eignungsprüfung durch ein akkreditiertes Prüfinstitut unterziehen.Nach Durchführung eines aufwendigen Labor- und Feldtests wird die Messunsicherheit der Messeinrichtung bestimmt, die bei der kontinuierlichen Emissionsmessung eine entscheidende Rolle spielt (QAL 1). Der Einbauder AMS unddie Kalibrierungmittels einerStandard-Referenz-Methode erfolgen ausschließlichdurch einzugelassenesPrüfinstitut (QAL 2). ZertifizierteEmissionsmessgeräte führen regelmäßigwährend des Anlagenbetriebes automatische Kontrollendes Null- und Referenzpunktes durch (QAL 3). Dadurch wirddie Sicherung des zuverlässigen und korrekten Betriebes der Messeinrichtung erreicht. Optische Staubmessung Für die Messung der Staubkonzentration mit Hilfe von kontinuierlich messenden AMS kommen vor allem optische Methoden zum Einsatz. Diese basieren auf der Wechselwirkung von Lichtmit denStaubpartikelnimAbgaskanal. Man unterscheidet hierbei zwischen Transmissions- und Streulichtprinzip. Ein Transmissionsmessgerät besteht aus einer optischen Messeinheit mit einer Lichtquelle (Halogenlampe oder LED) und einem Reflektor, der gegenüber der optischen Messeinheit auf der anderen Seite des Abgaskanals installiert wird. Durch Absorption und Streuung an den Staubpartikeln imAbgaskanal wirdder ausgesendete Lichtstrahl geschwächt. Je höherdie Konzentration der Staubteilchen, desto weniger Licht wird ander Messeinheit detektiert. Das Transmissionsmessprinzip eignet sich vor allem für kleine bis mittlere Staubkonzentrationen. Hochempfindliche Messung bei kleinsten Staubkonzentrationen Für die Überwachung von sehr kleinen Staubkonzentrationen bis unter 1mg/m 3 kommt vor allem das Streulichtprinzip zum Einsatz. Hierbei werden die Partikel im Abgasvolumen mit Licht beleuchtet und das von den Partikeln gestreute Licht gemessen und ausgewertet. Eswird entweder das in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung links: Staubmessung nach dem Transmissionsprinzip; rechts: Staubmessung nach dem Prinzip der Rückwärtsstreuung. Zur Hintergrundkompensation wird ein Doppeldetektor mit zwei unterschiedlichen Sichtbereichen verwendet. Mit dem D-R 320 stellt die Durag ein Staubmessgerät zur Verfügung, das nach dem Prinzip der Rückwärtsstreuung arbeitet. gestreute Licht betrachtet. Die Streulichtintensität ist proportional zur Staubkonzentration im Abgaskanal und hängt von den physikalischen Eigenschaften der Staubpartikel wie Größe, Farbeund Form ab.Durch eine gravimetrische Vergleichsmessung wird der Zusammenhang zwischen Streulichtintensität und Staubkonzentration im Abgaskanal ermittelt und damit das Messgerät kalibriert. Ein besonderes empfindliches Messgerät nach dem Prinzip der Rückwärtsstreuung ist das neu entwickelte Staubmessgerät D-R 320der DuragGmbH. Es eignetsichfür den Nachweis vonkleinsten Staubkonzentrationen. Die Messung erfolgt kontinuierlich in-situ innerhalb des strömenden Abgases. Eine rote Laserdiode beleuchtetdie Staubpartikel im Messvolumendes Abgaskanals. Mit einem hochempfindlichen Detektor wird das von den Staubpartikeln in Rückwärtsrichtung gestreute Licht erfasstund ausgewertet. Damit das Messergebnis nicht durch Hintergrundlicht beeinflusst wird, das vomLaser-Messstrahl durch mehrfache Reflexionen im Abgaskanal entsteht, gibt esverschiedene Lösungswege. Die Bilder (2) und Grafik: Durag GmbH gängige Praxis ist die Installation einer Lichtfalle in der gegenüberliegenden Kanalwand, was mit hohen Installationskosten verbunden ist. Ebenfalls üblichist die Verwendung einesseparaten Kontrollempfängers zur Detektion des Hintergrundlichtes. Dies erfordert eine präzise Ausrichtung der Strahlengänge. Das D-R 320 der Durag GmbH verwendet zur Hintergrundlicht-Kompensation einspeziellesoptischesSystemmit einem Doppeldetektor. Der Vorteil dieses Prinzips ist eine Installation ohne Lichtfalle und ohne manuelle Ausrichtung derStrahlengänge. Es istzuerwarten, dass sichder Trend zu immerkleinerenGrenzwerten fürdie Emission von Staub sowie die Verbesserung von Abgasreinigungsanlagen weiterfortsetzt.Herausforderung für die Hersteller ist somit die kontinuierliche Verbesserung der Empfindlichkeit und Genauigkeitder Messgeräte. Sarah Lühmann, Durag GmbH, Hamburg, sarah.luehmann@durag.de UmweltMagazin Dezember 2013 17

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