Methoden der mobilen und stationären Gasanalytik anhand von Fallbeispielen

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1 Fachseminar Gas- und Wasseranalytik prozess- und praxisorientiert Methoden der mobilen und stationären Gasanalytik anhand von Fallbeispielen Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

2 Welche (unbekannten) Gase sollen wo gemessen werden? Die Messverfahren richten sich nach: - Art der Gaskomponente und Messbereich (Vol.%, ppb, ppm, ) - Zusammensetzung des Gasgemisches (inkl. Staub, Feuchtigkeit) - Ort der Messung (Kamin, Abgas-/Abluftkanal, Produktionshalle, im Freien, ) - Messbedingungen (Temperatur und Druck des zu messenden Gases, Strömungsverhältnisse und Abgasgeschwindigkeit, Zugänglichkeit, Aussentemperaturen, Sicherheitsbestimmungen (z.b. Explosionsschutz), ) - Dauer der Messung (temporär (Min., h), stationär (7 Tage, 24h) - Präzisionsanforderungen (Emissionsmessung, Prozessüberwachung/-steuerung, Grenzwertüberwachung/Gaswarnung, Umgebungs-/Raumluft ) Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

3 Abkürzungen für typische Messverfahren Abk. Beschreibung CLD Chemilumineszenz-Detektor EC Elektrochemischer Sensor FID Flammenionisationsdetektor FTIR Fourier-Transform-Infrarot GC Gaschromatographie (auch GC-MS) MS Massenspektroskopie NC Nasschemisch NDIR Nicht-disperses Infrarot NDUV Nicht-disperses Ultraviolet PID WLD ZrO 2 Photoionisationsdetektor Wärmeleitfähigkeitsdetektor Zirkonoxid-Sensor/Sonde Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

4 Staub «Ein Blick in die Gasfamilie mit Schwerpunkt Emissionen» O 2 CO (2) NO x NH 3 1. Anorganische Gaskomponenten und typische Messverfahren >> Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickoxide, Ammoniak, Schwefeldioxid 2. Physikalische Grössen >> Temperatur, Druck, Abgasgeschwindigkeit, Volumenstrom 3. Organische Gaskomponenten und typische Messverfahren, auch in Kombination mit anorganischen Komponenten >> Methan, Erdöldestillate, Lösungsmittel, 4. Staub >> (Feinst-) Partikel in Abgasen, Tunnelluft, Werkshallen, Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

5 1. Anorganische Gaskomponenten und typische Messverfahren Komponenten Typische Messverfahren CO Kohlenmonoxid NDIR, FTIR, Laser, EC CO 2 Kohlendioxid NDIR, FTIR, Laser, Halbleiter NO Stickstoffmonoxid NDIR, CLD, FTIR, Laser, EC NO 2 Stickstoffdioxid NDUV, CLD + Konverter, FTIR, Laser, EC N 2 O Distickstoffmonoxid (Lachgas) NDIR, FTIR, Laser NH 3 Ammoniak FTIR, Laser, EC, NC Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

6 Komponenten Typische Messverfahren SO 2 Schwefeldioxid NDUV, NDIR, FTIR, Laser, EC, NC H 2 S Schwefelwasserstoff EC, Laser SF 6 Schwefelhexafluorid NDIR, FTIR HCl Chlorwasserstoff FTIR, NC, Laser HF Fluorwasserstoff FTIR, NC, Laser H 2 O Wasserdampf NDIR (teilweise), FTIR, Laser, kapazitiv O 2 Sauerstoff elektrochemisch, paramagnetisch, ZrO 2 O 3 Ozon UV 254nm (ppb), elektrochemisch (sub-ppm), FTIR (sub-ppm) Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

7 Komponenten Typische Messverfahren H 2 Wasserstoff WLD, EC Ar Argon WLD He Helium WLD Cl 2 Chlor NDUV, EC Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

8 Fallbeispiel 1 : KVA CO, CO2, NO Reingas Kamin Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

9 Fallbeispiel 1 KVA Reingas Linie 1 - CO (NDIR, mg/m 3 ) - NO (NDIR, mg/m 3 ) - CO 2 (NDIR, 0 20 Vol.%) - O 2 (paramagn., 0 25 Vol.%) Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

10 Chopper Detector Electronics Analysis Cell Source Filter Cell NDIR-/NDUV-Messtechnik Fachseminar Gas- und Wasseranalytik 10

11 Messung von Sauerstoff (O 2 ) [ppm] bis [Vol.%] Messprinzip Paramagnetisch EC EC Laser ZrO 2 Funktionsweise O 2 als magnetischer Dipol O 2 -Ionen durch 300 C ZrO2- Membran Redoxreaktion (z.b. PbO) optisch, 1-Linien- Spektroskopie im nahen IR Messbereich 0.1 Vol.% 100 Vol.% 0.1 ppm 25 Vol.% 0.1 ppm 25 Vol.% 0.01 Vol.% 100 Vol.% Querempfindlichkeit? sehr klein brennbare Gase (CO, H 2, VOC) gering (CO 2 ) keine Heisses Messgas? nein ja (z.b. Lambda- Sonde) nein ja Verschleiss? nein bedingt ja nein Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

12 Gasentnahme Gasaufbereitung Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

13 Gasentnahme / Gasaufbereitung 1 Entnahmerohr 2 beheizter Filter 3 (beheizte) Messleitung 4 Messgaskühler (4a Kondensatpumpe) 5 Säurefilter 6 Feinfilter (mit Kondensatwächter) 7 Messgaspumpe im Messgerät 4a 7 Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

14 Fallbeispiel 2 KVA II - Prozessregelung (Trockenadsorption mit Hydrogenkarbonat (NaHCO 3 ) statt Wäscher) «LASER» = Diodenlaserspektrometer (TDLS = tunable diode laser spectroscopy) - In-situ-Gasanalyse - kurze Ansprechzeit (1 2 s), damit kurze Verzögerung bzgl. Prozessregelung (NaHCO 3 -Dosierung) - hohe Selektivität auch in staubhaltigem Gas, 1 (max. 2) Gaskomponente(n) pro Laser Chlorwasserstoff (HCl) im Rohgas vor Adsorberstufe z.b mg/m 3 Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

15 Fallbeispiel 3 Stickoxide (NO x ) in der Umgebungsluft [µg/m 3 ] «Immissionen» Das Nationale Beobachtungsnetz für Luftfremdstoffe (NABEL) misst kontinuierlich die Luftverschmutzung an 16 Standorten mit unterschiedlicher Belastungssituation in der Schweiz. hemen/luft/zustand/daten/luftbelastung-- aktuelle-daten/grafiken-zur-aktuellenluftbelastung-nabel.html Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

16 Messung von Stickoxiden (NO x ) [ppb] vs. [ppm] [µg/m 3 ] vs. [mg/m 3 ] CLD = Chemilumineszenz-Detektor CLD NDIR NDUV [µg/m 3 ] als NO 2 NO 0 10, [mg/m 3 ] als NO 2 [mg/m 3 ] als NO 2 [mg/m 3 ] als NO 2 0 2, , NO 2 mit integriertem NO 2 -Konverter, vgl. NO 0 50, Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

17 Messprinzip CLD Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

18 2. Physikalische Grössen Von der Gaskonzentration (mg/nm 3 ) zur Fracht (kg/h), 1) Temperatur (T) (Widerstandsthermometer, Thermoelement Ni-Cr-Ni, ) 2) Druck (p) (piezoresistiver Drucktransmitter, ) >> Umrechnung auf Normbedingungen (T = 0 C, p = 1013 hpa) «ideale Gasgleichung: pv = nrt» Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

19 2. Physikalische Grössen Von der Gaskonzentration (mg/nm 3 ) zur Fracht (kg/h), 3) Abgasgeschwindigkeit (v, m/s) (Prandtl-Rohr, Vortex, Flügelradanemometer, Ultraschall ) Betriebs-Volumenstrom (m 3 /h bei T(Betrieb) und p(betrieb) = v(m/s) x Querschnitt Abgasrohr(m 2 ) x (3600s/h) >> Umrechnung auf Norm-Volumenstrom (T = 0 C, p = 1013 hpa) 4) Massenfracht (g/h, kg/h) = Norm-Volumenstrom x Gaskonzentration (Normbedingungen) Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

20 3. Organische Gaskomponenten und typische Messverfahren, auch in Kombination mit anorganischen Komponenten Komponenten Typische Messverfahren VOC Flüchtige organische Kohlenwasserstoffe (volatile organic carbon) Methan, Ethan, Propan, Butan, Ethylen, Acetylen Erdöldestillate wie Benzin, Benzol, Toluol, Lösungsmittel wie Ethanol, Aceton, Formaldehyd als Summenparameter: FID, PID, Pellistoren als Einzelparameter: FTIR, GC, GC-MS, Laser Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

21 Fallbeispiel 4 Schleifpapierherstellung UEG-Überwachung in Trocknerstufen (Leitkomponente: Phenol) UEG = Untere Explosionsgrenze FID Gesamtkohlenwasserstoffanalysator Brenn- und Prüfgas (Kalibration nach jedem Neustart mit Null-Luft und 80 ppm C 3 H 8 in N 2 ) Typische Messstelle, Kupferrohr AD 6mm isoliert, beheizte Messleitung (180 C), Filtersonde mit Teflonfilter (nicht sichtbar) Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

22 FID - Funktionsprinzip Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

23 Fallbeispiel 4 Schleifscheibenherstellung UEG-Überwachung und toxische Gase in komplexen Gasgemischen Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

24 Schleifscheiben-Herstellung schematisch Fallbeispiel 4 Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

25 Fallbeispiel 4 Ziele des Messeinsatzes: - Optimale Prozessführung und Produktionskapazität durch besseres Prozessverständnis - Optimale Sicherheit für Betriebspersonal - UEG-Überwachung - Vermeiden «unangenehmer Nebenkomponenten» im Abgas - Einhalten von LRV-Limiten im Abgas der Nachverbrennung Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

26 Messpunkt Rohgas vor Nachverbrennung Fallbeispiel 4 Multikomponenten-Gasanalyse mit FTIR-Spektroskopie Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

27 Was kann mit FTIR gemessen werden? (FTIR = Fourier Transform Infrarot) >> alle bei 180 C gasförmigen Komponenten, ausser: - Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe) - symmetrische 2-atomige Moleküle (H 2, O 2, N 2, Cl 2, ) - Schwefelwasserstoff (H 2 S) Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

28 FTIR = Fourier-Transform-Infrarot Multikomponenten-Spektroskopie in der Gasphase Messzeiten: 1sec. 5 min. 28

29 Fallbeispiele 5 Gefährliche, toxische, geruchsintensive Gase in der Umgebung Gassensorik vs. FTIR Mobilität vs. Informationsgehalt ca. 500 g vs. ca. 13 kg Messzelle: 30 C Lithium-Akku zahlreiche Einsatzgebiete Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

30 Feuerwehr Chemiewehr Fallbeispiel 5a - FTIR >> Brandgase, giftige Dämpfe, Kühlmittel, chemische Kampfstoffe, Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

31 Fallbeispiel 5b - FTIR Salzsäure (HCl) in Schwefelsäuretank (H 2 SO 4 ) gepumpt >> «erst das Wasser, dann die Säure» MAK-Wert (HCl) = 2 ppm MAK-Wert (SO 2 ) = 0.5 ppm Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

32 Umweltanalytik - Arbeitshygiene Fallbeispiel 5c - FTIR >> Lösungsmitteldämpfe am Arbeitsplatz, gasförmige Emissionen aus Baustoffen, gasförmige Emissionen aus Reinigungsmitteln, Deponiegase, Altlasten: Austritt unbekannter Gase in einer Baugrube Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

33 Fallbeispiel 5d - Gassensorik Detektion geruchsintensiver und/oder toxischer Gase im ppb/ppm-bereich (flüchtige, diffuse Emissionen) Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

34 Drohnen, bestückt mit einigen Gassensoren zusätzliche Probenahme mittels Gasbeutel möglich, evtl. anschliessende Laboranalytik (z.b. GC-MS (Gaschromatographie/Massenspektroskopie)) Datentransfer (inkl. GPS Position) mittels Android-Mobiltelefon Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

35 4a. Staub [Emission, mg/m 3 ] generell: in trockenem Gas (< 95% r.f., nicht kondensierend, [typische Daten] Transmission Sichttrübung mg/m 3 Taupunkt 200 C Messstrecke: m Licht: LED 0 15 km-1 Extinktionskoeffizient C Messstrecke: m Licht: LED weiss Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

36 Staub, Emission Vorwärtsstreuung Rückwärtsstreuung 0 5 / 200 mg/m 3 > Taupunkt 500 C Kanal-d: > 0.3 m 8 m Licht: Laserdiode rot 0 5 / 200 mg/m 3 > Taupunkt 600 C Kanal-d: > 0.7 m 20 m Licht: Laserdiode rot Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

37 Staub, Emission triboelektrisch (Filterwächter) gravimetrisch (manuell) [Kalibration der optischen und triboelektrischen Verfahren] 1 25 / / mg/m 3-20 C C, 20 80% r.f. Kanal-d: > 0.15 m 4 m Abgasgeschwindigkeit: 7 40 m/s mg/m 3 > Taupunkt 500 C Kanal-d: > 0.35 m 6 m Abgasgeschwindigkeit: 2 39 m/s Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

38 4b. Staub [Immission, µg/m 3 ] Beispiel Feinstaub stationär Absorption von Beta-Strahlung µg/m 3-20 C - 50 C Option beheiztes Sondenrohr Gesamtstaub - VDI 2463 Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

39 4b. Staub [Immission, µg/m 3 ] Beispiel Feinstaub mobil Laser-Streulicht- Messzelle µg/m 3 4 C - 40 C, < 95% r.f. 31 Grössenkanäle, u.a. PM10/PM2.5/PM1 (Grimm Mini-LAS 11-R) Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich

40 ielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Klaus Holtzhauer CH-8623 Wetzikon Fachseminar Gas- und Wasseranalytik, Zürich