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4/5 | 2015

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Mess- & Leittechnik Zu

Mess- & Leittechnik Zu welchem Zweck industrielle Feuerungsanlagen auch eingesetzt werden – ob zum Heizen, zur Erzeugung von elektrischer Energie, Dampf oder Heißwasser, zur Herstellung beziehungsweise Oberflächenbehandlung bestimmter Materialien oder zur Verbrennung von Abfall- und Altmaterialien – gehört zur bestmöglichen Führung der Verbrennung die Kenntnis der Zusammensetzungen von Brennstoff und Verbrennungsluft sowie deren Verhältnis zueinander. Sogar die Art ihrer Zusammenführung ist entscheidend. Mit mobiler Messtechnik lassen sich alle relevanten Gase analysieren und so optimale Verbrennungsprozesse erreichen. Abgasanalyse in industriellen Anlagen Thomas Hermann und Alexander Schmid Bei jeder Verbrennung ist vordergründig die Wirtschaftlichkeit zu betrachten und die dabei entstehende Rauchgasentwicklung (Emission). Hinzu kommt bei Prozessfeuerungen der direkte Kontakt zwischen Feuerung beziehungsweise heißen Feuerungsgasen und dem thermisch zu behandelnden Gut. Also eine wechselseitige Beeinflussung mit Auswirkungen auf die Produktqualität, die Verbrennung und Abgasentwicklung. So entsteht in verschiedenerlei Hinsicht die Notwendigkeit zur Gasanalyse mit entsprechendem Messequipment. Eine portable und vielseitige Lösung für diese Aufgaben an Industrieanlagen ist das Abgas-Analyse-System testo 350. Service Ingenieure unterschiedlicher Unternehmungen nutzen diese Geräte für Einstellungen an allen Arten von Industriebrennern, um für ihre Kunden ideale Verbrennungsprozesse zu erreichen. Ideale Verbrennung heißt Reduktion von Brennstoff und Emission Neben dem konstruktionsbedingten Ofenwirkungsgrad bestimmt die Effizienz der Verbrennung maßgeblich die Energiebilanz sprich Wirtschaftlichkeit einer Feuerungsanlage. Ziel ist eine optimale, vollständige Verbrennung aller brennbaren Stoffe im Brennstoff. Der dafür erforderliche Sauerstoff wird über die Verbrennungsluft zugeführt und sollte idealerweise der für die Verbrennung erforderlichen Mindestmenge entsprechen. In der Praxis reicht jedoch, unter anderem wegen unvollkommener Vermischung von Brennstoff und Sauerstoff, eine minimale Sauerstoffmenge nicht aus. Es ist mehr Sauerstoff, als unter stöchiometrischen Bedingungen, erforderlich. Man spricht dabei von Luftüberschuss. Ein unnötig hoher Luftüberschuss setzt allerdings die Verbrennungstemperatur herab und erhöht die über die größere Abgasmenge ungenutzt abgeführte Energie. Bei zu klein gewähltem Luftüberschuss entsteht, neben schlechter Brennstoffausnutzung, eine erhöhte Umweltbelastung durch unverbrannte Rückstände im Abgas. Aufschluss über die richtige Luftmenge geben die Konzentrationen der Abgaskomponenten Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO 2 ) und Sauerstoff (O 2 ). Anzustreben ist ein idealer Luftüberschuss für eine optimale Verbrennung, was letztlich die Einsparung von Brennstoffen bedeutet. Erfahrungen in der Praxis zeigen, dass bei Senkung des Sauerstoffüberschusses um einen Prozent-Punkt die Effektivität einer Verbrennungsanlage um 1 Prozent gesteigert und die Brennstoffkosten entsprechend gesenkt werden können. Schon Optimierungen um Zehntel-Prozent bringen enorme Einsparungen. Wird Umgebungsluft als Verbrennungsluft verwendet, enthält diese neben Sauerstoff (20,95 Prozent bei reiner und trockener Luft an der Erdoberfläche) noch 78,07 Prozent Stickstoff (N 2 ) und in geringem Anteil verschiedene Edelgase. Stickstoff und Edelgase sowie die Reaktionsprodukte aus Brennstoff und Verbrennungsluft finden sich mit den unverbrennbaren Anteilen der Brennstoffe im Abgas wieder. Ein ideal ausgewogener Luft- beziehungsweise Sauerstoffüberschuss erfüllt folglich nicht nur wirtschaftliche Gesichtspunkte, sondern führt gleichzeitig zu geringst möglichen Emissionen. Um diese weiter zu senken wird verbreitet Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff als Verbrennungsluft verwendet. Sauerstoffanreicherung von Verbrennungsluft hilft Stickoxid-Emissionen und Brennstoffverbrauch in Feuerungsanlagen wie etwa Glas-, Keramik- und Zementöfen oder Müllverbrennungsanlagen zu reduzieren. Außerdem kann Sauerstoff die Produktqualität erhöhen. Gasanalysen zur Verbrennungsoptimierung tragen vor allem dazu bei, die Zusammensetzung und das Verhältnis von Brennstoff und Brennluft, das Zündverhalten und die Verbrennungstemperatur sowie die Ausgestaltung von Brenner und Verbrennungsraum zu verbessern. Hierfür wird oft robustes und einfach zu transportierendes Messequipment gebraucht. Die passenden Sensoren Das portable Konzept des Abgas-Analysegerätes testo 350 besteht in der Grundausführung aus Control-Unit, Analysebox und einer Abgassonde. Für die Be- 50 UmweltMagazin April - Mai 2015

Mess- & Leittechnik stimmung von Sauerstoff sowie von Schadstoffkomponenten wie Kohlenmonoxid (CO), Schwefeldioxid (SO 2 ) oder von Stickstoffoxiden (NO x ) werden elektrochemische Sensoren verwendet. Sie sind spezifisch für ihre Aufgabe mit einer wässrigen elektrolytischen Flüssigkeit gefüllt, in der zwei oder drei ebenfalls spezifisch zusammengesetzte Elektroden angeordnet sind, zwischen denen ein elektrochemisches Potenzial aufgebaut wird. Nach außen sind die Sensoren mit gasdurchlässigen Membranen abgeschlossen. Detailaufbau und Funktion der Sensoren unterscheiden sich je nach zu messender Gaskomponente. Bei Sauerstoff-Sensoren (Zwei-Elektroden-Sensoren) gelangt das Rauchgas beziehungsweise die darin enthaltenen Sauerstoffmoleküle durch die gasdurchlässige Membran zur Kathode. Auf Grund der stofflichen Zusammensetzung der Kathode findet dort eine chemische Reaktion unter Bildung von OH-Ionen statt. Diese wandern durch die elektrolytische Flüssigkeit zur Anode, wodurch ein zur 0 2 -Konzentration proportionaler Stromfluss entsteht. Der an einem im Stromkreis angeordneten Widerstand bewirkte Spannungsabfall dient dann als Messsignal. Der negative Temperaturkoeffizient des integrierten Widerstands dient zum Ausgleich von Temperatureinflüssen. Er sichert das temperaturstabile Verhalten des Sensors. Bei Drei-Elektroden-Sensoren wie sie für CO, SO 2 oder NO x verwendet werden, gelangen die Gasmoleküle durch die gasdurchlässige Membran zu einer Arbeitselektrode, wo sich in einer chemischen Reaktion H + -Ionen bilden. Diese wandern im elektrischen Feld zur Gegenelektrode, wo in einer weiteren chemischen Reaktion mittels O 2 aus der ebenfalls zugeführten Frischluft im äußeren Stromkreis ein Stromfluss verursacht wird. Die dritte Elektrode (Referenzelektrode) dient zur Stabilisierung des Sensorsignals. Eine Besonderheit ist das präzise CO 2 -Infrarot-Sensormodul Bei Standardbrennstoffen und bekanntem maximalem CO 2 -Wert ist es üblich, den CO 2 -Wert über die O 2 -Messung zu berechnen. Bei Brennstoffen mit wechselnder Qualität stimmt diese Berechnung allerdings nicht mehr mit den tatsächlichen Konzentrationen überein. Auch wenn in Prozessanlagen zusätzlich CO 2 aus dem Prozessgut ausgast, ist eine direkte CO 2 -Messung notwendig. Das Abgas-Analyse-System testo 350 In Feuerungen mit flüssigem Sauerstoff als Verbrennungsluft dient eine CO 2 -Messung der CO 2 -Kompensation und damit der Genauigkeit der O 2 -Bestimmung. Das CO 2 -Messmodul basiert auf Infrarot-Technologie. Der nicht-dispersive Infrarot-Sensor (NDIR) ist eine Testo-Eigenentwicklung und hat einen voll nutzbaren Messbereich von 0 bis 50 Volumen-Prozent CO 2 . Der Sensor arbeitet nach dem Einkanal-Zweistralverfahren. Hierbei sind in einer Miniaturküvette zwei Infrarotempfänger mit zwei unterschiedlichen Filtern (Probe- und Referenzfilter) eingebaut. So kann er durch den Anwender selbst überprüft und mit dem mitgelieferten Absorptionsfilter neu justiert werden. Damit werden Drift und Strahler- Alterung auf einfache Weise eliminiert. Bereits im Einsatz befindliche testo 350 Messgeräte lassen sich jederzeit einfach nachrüsten. Industriesonden für extreme Anforderungen Bei der Abgasanalyse an Industrieanlagen herrschen oftmals extreme Bedingungen, wie hohe Temperaturen, hohe Feuchte oder ein hoher Staubgehalt im Abgas. Die Testo AG hat für diese extremen Anforderungen drei passende Industriesonden-Sets entwickelt. Die „Unverwüstliche“, die „Hitzebeständige“ und die „Hochpräzise“ sind auf die extremen Umgebungsbedingungen zugeschnitten und liefern dort präzise Ergebnisse wo die Anforderungen am schwierigsten sind wie beispielsweise in Zementwerken oder bei der Glas- und Stahlherstellung. Das Abgas-Analysegerät testo 350 wird hauptsächlich für Spotmessungen bei Servicearbeiten oder für turnusmäßige Routineanalysen eingesetzt. Dabei wird größtenteils Geräte-Variante mit NO und NO 2 -Konzentrationen gewählt. NO x -Emissionen sind im Rahmen des Bilder: testo Umweltschutzes von besonderer Bedeutung, was auch durch die engen Grenzwerte im Bundesimmissions-Schutzgesetz (BImSchG) deutlich wird. Diese Anforderungen sind oft nur mit ausgeklügelter Verbrennungstechnologie einzuhalten. Ein probater Weg ist hier die stufenweise Verbrennung durch gestufte Luftzufuhr. In Verbrennungsprozessen verbindet sich der aus dem Brennstoff und bei hohen Temperaturen auch der aus der Verbrennungsluft stammende Stickstoff zu einem gewissen Anteil mit Brennluft- Sauerstoff zunächst zu Stickstoffmonoxid (NO) (Brennstoff-NO und thermisches NO), welches bei Anwesenheit von Sauerstoff noch im Abgaskanal sowie später in der Atmosphäre in einem Schritt zu dem gefährlichen Stickstoffdioxid (NO 2 ) oxidiert wird. Beide Oxide sind giftig. Speziell NO 2 ist ein gefährliches Lungengift und trägt in Verbindung mit Sonnenlicht auch zur Ozonbildung bei. Die gestufte Luftzufuhr ist eine sehr effektive Primärmaßnahme, da sie die Bildung sowohl des Brennstoff-NO als auch des thermischen NO vermindert. Hierbei wird die Luftzufuhr direkt am Brenner (Primärluft) also der Luftüberschuss reduziert. Dadurch nimmt die CO-Bildung zu. Dagegen bleibt der NO x -Gehalt niedrig und wird durch Bildung von stabilen N 2 -Molekülen zusätzlich verringert. Ober- oder unterhalb des Brenners wird über eine zweite Lanze nochmals Brennluft (Ausbrandluft) zugeführt. Diese sorgt für eine weitere Verbrennung. So wird das CO stark verringert und da der Stickstoff bereits in Form stabiler N 2 -Moleküle vorliegt kaum noch NO gebildet. Mit ausgefeilten Einstellungen lassen sich so NO x -Konzentrationen deutlich reduzieren. Hier wird zum Beispiel das Prinzip der gestuften Verbrennung, das in Öfen mit mehreren Brennern schon seit geraumer Zeit praktiziert wird, welches auch in Öfen mit einem Brenner funktioniert, umgesetzt. Durch gezieltes Unterschießen und Dosieren entstehen in der Flamme unterschiedliche Temperaturzonen mit dem gleichen Effekt. Um solche Verbrennungstechnologien umzusetzen, ist das testo 350 ein adäquates Hilfsmittel. Dipl.-Ing. (FH) Thomas Hermann und Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Alexander Schmid, beide Testo AG, Lenzkirch, info@testo.de UmweltMagazin April - Mai 2015 51

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