Analysen-, Mess- und Systemtechnik GmbH Industriestrasse 9 D Dielheim. Anwendungsbereiche

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1 Analysen-, Mess- und Systemtechnik GmbH Industriestrasse 9 D Dielheim Tel Fax info@ams-dielheim.com RHADOX TM Das Messsystem für die Bestimmung von und Wobbe-Zahl in Brenngasen - erweiterbar um eine integrierte Dichtemessung und die Bestimmung des Heizwertes Als kostengünstige Alternative zum Erdgas werden in industriellen Feuerungen zunehmend auch Gase eingesetzt, welche bei anderen Prozessen anfallen: in Chemieanlagen und Raffinerien, in Hochöfen und Kokereien, in Deponien oder in Bioprozessen. Allerdings unterliegt die Zusammensetzung dieser Anfallgase aufgrund ihrer Entstehung starken Schwankungen. Die vollständige und sichere Verbrennung dieser Gase durch Steuerung des s ist jedoch eine absolute Notwendigkeit; die Regelung der Energiezufuhr über die Kenntnis der Wobbe-Zahl ist wirtschaftlich geboten und die damit einhergehende Minimierung der Emissionen ist durchaus wünschenswert. Die zuverlässige und kontinuierliche Messung des s und der Wobbe-Zahl des Einsatzgases ist daher notwendig, um den Verbrennungsprozess an wechselnde Brenngasqualitäten und Betriebsbedingungen anpassen zu können. Anwendungsbereiche Nutzung von Anfallgasen aus Hochöfen Nutzung von Anfallgasen aus Chemieanlagen Nutzung von Anfallgasen aus Raffinerien Nutzung von Anfallgasen aus Klär- und Bioanlagen Steuerung von Verbrennungen in gasgefeuerten Kesselanlagen und Industrieöfen In Anlagen der Energieerzeugung, der chemischen und der petrochemischen Industrie RHADOX-Messsystem (Feldgerät in IP56 und Ex-Zone 2) zur Bestimmung der kalorischen Werte von Raffineriegasen Bei der Erzeugung synthetischer Gase, auch mit sehr niedriger Wobbe-Zahl Die Gasflamme als Werkzeug: Qualitätssicherung in der Glasindustrie 1

2 Systemmerkmale Das Gerät ist auf Grund seines Messprinzips unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen; sodass weder eine Thermostatierung des Messschrankes noch die Einrichtung eines `Kalorimeter-Raumes`erforderlich ist. Die Messung ist unabhängig von Schwankungen des Luftdrucks oder des Messgasdrucks. Das Gerät arbeitet mit einer flammenlosen Oxidation des Messgases; es kann daher auch extreme Schwankungen der Gasqualität oder sehr niedrige Kalorische Werte problemlos erfassen. Das Gerät ist sehr schnell, für und Wobbe-Zahl sind T 90 -Zeiten von Sekunden zu erreichen; für die integrierte Dichtemessung und Heizwertbestimmung sind etwa 25 Sekunden erforderlich. Das RHADOX Basissystem für und Wobbe-Zahl kann um die Messung der relativen Gasdichte und des Heizwertes erweitert werden. Die Sauerstoffmessung erfolgt mit einem robusten O 2 -Sensor. Das Messsystem ist für den kontinuierlichen Betrieb im industriellen Einsatz geeignet. Die RHADOX-Systeme Die RHADOX Messsysteme dienen primär zur Bestimmung des für eine vollständige und sichere Verbrennung erforderlichen Stöchiometrischen s sowie der Wobbe-Zahl, welche den Energietransport zum Brenner beschreibt: RHADOX Sie sind um die Messung der relativen Dichte d rel des Brenngases (für Luft gilt: d rel = 1) und damit des Heizwertes erweiterbar: RHADOX Für spezielle Anwendungen wird auch ein eichfähiges Messsystem (RHADOX 2000, PTB Prüfbescheinigung ) angeboten. Jedes RHADOX-System wird für seine Messaufgabe im AMS- Prüflabor parametriert und appliziert. Der Messvorgang im RHADOX 1000 und RHADOX und Wobbe-Zahl Gas und Luft werden auf gleiche Temperatur und gleichen Druck p gebracht. Die Werte von T und p sind dabei nebensächlich. Gas und Luft werden unter kontrollierten Bedingungen gemischt * ) Das Gasgemisch wird katalytisch oxydiert * ). Der Restsauerstoff wird gemessen. Wobbe-Zahl und werden aus den Kalibrierdaten ermittelt. RHADOX Zusätzlich Gasdichte und Heizwert Die relative Gasdichte d rel wird nach der Methode von Bernoulli ** ) gemessen. Aus Gasdichte und Wobbe-Zahl wird der Heizwert berechnet. *) Die Mischkammer und das Verfahren der katalytischen Oxidation zur Bestimmung von Wobbe-Zahl und sind patentrechtlich geschützt. ** ) Das Messverfahren zur Dichtebestimmung ist patentrechtlich geschützt. 2 2

3 Die Bestimmung von, Wobbe-Zahl und Heizwert Das Messverfahren zur Bestimmung von und Wobbe-Zahl des Einsatzgases beruht auf der Messung des s bei seiner vollständigen Oxidation in einem katalytischen Reaktor im Luftüberschuss. Der verbleibende Rest-Sauerstoff, mit einer ZrO 2 -Sonde gemessen,. ist dann ein Maß für den des Messgases bei seiner Oxidation. Der stöchiometrische einer Gasmischung kann durch Gewichtung mit den Volumen-Anteilen der einzelnen Gaskomponenten erhalten werden: [ m 3 Luft / m 3 Gas] 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2 1,9 1,8 und Wobbe-Zahl als Funktion des Rest-Sauerstoffs Applikation: Mischgas aus Konvertergas und Koksgas 1, Rest-Sauerstoff [Vol%] Wobbe-Zahl [MJ/m 3 ] 1 m 3 H 2 erfordert 0,5 m 3 O 2 und daher ca. 2,4 m 3 Luft 1 m 3 CO erfordert 0,5 m 3 O 2 und daher ca. 2,4 m 3 Luft 1 m 3 CH 4 erfordert 2,0 m 3 O 2 und daher ca. 9,6 m 3 Luft 1 m 3 C 3 H 8 erfordert 5,0 m 3 O 2 und daher ca. 23,9 m 3 Luft Wegen der wesentlich geringeren Dichte fließt Wasserstoff jedoch viel schneller durch die Brennerdüsen und benötigt daher einen entsprechend höheren Zustrom an Luft für die vollständige und sichere Verbrennung. Wir sprechen daher vom Dichte-Korrigierten Stöchiometrischen (engl: Corrected Air Requirement Index: CARI ). Dementsprechend transportieren Gase mit niedrigerer Dichte auch einen höheren Energiestrom zum Brenner als solche mit höherer Dichte und gleichem Heizwert. Der Energietransport zum Brenner wird daher durch die Wobbe-Zahl bemessen; er stellt den Dichte- Korrigierten Heizwert dar. Das Messverfahren des RHADOX führt also die Bestimmung des Dichte-korrigierten s (CARI) und der Wobbe-Zahl auf eine einzige Messung, die des Rest-Sauerstoffs nach der Oxidation zurück. Voraussetzung zur ausreichend genauen und zuverlässigen Bestimmung von und Heizwert mit diesem Messverfahren ist jedoch, den Einfluss der Parameter Druck, Temperatur, Dichte und innere Reibung des Gases auf den Durchfluss der Gase in sehr engen Grenzen konstant zu halten. Konstruktiv wird diese Forderung im RHADOX erfüllt durch eine spezielle Mischkammer für das Messgas und die Oxidationsluft einen Wärmetauscher zur Temperaturangleichung von Messgas und Oxidationsluft sowie eine elektronische Regeleinrichtung zur Druckangleichung von Messgas und Oxidationsluft. 3 3

4 Die Gasdichtemessung Die Bestimmung der Dichte des Messgases relativ zu Luft erfolgt nach einer Methode, welche die Abhängigkeit des Durchflusses eines laminar strömenden Gases durch eine Messblende ausnutzt (Bernoulli 1730). Da im Rhadox bereits Messgas und Oxidationsluft auf gleichen Druck und gleiche Temperatur gebracht sind, kann man in einer zweiten Mischkammer dieses Verhältnis der Durchflüsse von Messgas und Oxidationsluft bestimmen und hieraus sehr einfach und präzise die Gasdichte ermitteln. Hierbei wird entweder die Verdünnung einer Leitkomponente des Messgases durch Luft oder (meist) die Verdünnung des Sauerstoffgehaltes der Luft durch den Zufluss von Messgas unter diesen sehr kontrollierten Bedingungen bestimmt. Eine Referenzmessung kompensiert die Einflüsse von Luftdruck, Temperatur und auch die geringfügigen örtlichen Schwankungen des Sauerstoff-Gehaltes in der Luft. Die Applikation Es lassen sich hier drei Phasen unterscheiden: Machbarkeitsanalyse Festlegung der Geräteparameter Bestimmung der Kalibriergase. Zunächst wird der Zusammenhang zwischen der Wobbe-Zahl und dem korrigierten I korr. WI = f (I korr.) ) ermittelt und erst danach werden die zur prozessmäßigen Analyse des Brenngases wesentlichen Geräteparameter im RHADOX TM -System festgelegt. Im Rhadox 3000 wird dieser Schritt um die Ermittlung der Parameter für das Bestimmen der Gasdichte und damit des Heizwertes ergänzt. Aus bekannten Daten über die Gase werden anschließend in einer Rechnersimulation die Kalibiergemische hergestellt. 4 4

5 Die RHADOX-Systeme RHADOX RHADOX 1000 RHADOX 3000 Messgrößen Ausführungen Schutzart/ Ex-Schutz Abmessungen B x H x T Gewicht, ca. In Ex-Ausführung Wobbe-Zahl Geeignet für Feldinstallationen Für Ex-freie Umgebung Für Ex-Zone 2 IP55 / IP65 ATEX 3G IIB+H2 T3 Montageplatte 1200*1600* 500 mm 160 kg 250 kg Wobbe-Zahl Relative Gasdichte Heizwert Geeignet für Feldinstallationen Für Ex-freie Umgebung Für Ex-Zone 2 IP55 / IP65 ATEX 3G IIB+H2 T3 Montageplatte 1200*1600* 500 mm 165 kg 260 kg RHADOX 1000/3000 Messspannen Wobbe-Zahl Relative Dichte Heizwert Konformitätserklärungen Messgenauigkeit Reproduzierbarkeit des Messsignals Wobbe-Index Relative Dichte Heizwert Langzeitdrift für Wobbe- Zahl und Technische Daten Messbereiche applizierbar innerhalb dieser Messspannen: m 3 Luft / m 3 Gas MJ / m 3 0,3...2, MJ / m 3 CE-Zeichen mit den Prüfungen nach aktiver und passiver EMV-Verträglichkeit Für Ex-geschützte Geräte zusätzlich Prüfungen gemäß Anforderungen der ATEX-Richtlinie und der Prüfbescheinigung Sie wird wesentlich beeinflusst von der Qualität der Prüfgase und auch von der Komplexität der Applikation, wie gut z.b. sich die im Prozess vorkommenden Gase durch die Prüfgase darstellen lassen. Quantitative Angaben sind daher erst nach der Applikation des Systems sinnvoll. 0,1% vom Messbereichsendwert 0,15% vom Messbereichsendwert 0,03% vom Messbereichsendwert 0,15% vom Messbereichsendwert < 0,2% vom Messbereichsenwert pro Monat 5 5

6 RHADOX 1000/3000 Technische Daten Ansprechzeiten und Wobbe-Zahl Relative Dichte und Heizwert Reaktionszeit T 90 - Zeit Reaktionszeit T 90 - Zeit 3 s s 18 s s Digitalanzeige Überwachungsfunktionen und Alarme Analogausgänge für Messwerte 2*20-stelliges hinterleuchtetes Display Ausgabewerte und Formate entsprechend den anzuwendenden Standards entsprechend den NAMUR-Empfehlungen: Gerätestörung - Kalibrierung aktiv - Service-Anforderung 4 20 ma; galvanisch getrennt Rhadox 1000: Wobbe-Zahl und Rhadox 3000: Wobbe-Zahl und, rel. Dichte und Heizwert Serielle Schnittstelle RS 232 / optional: RS 485 Kalibrierung Bedarf an Gasanschlüsse Eingänge: Ausgänge: Messgas Instrumentenluft Messgas Instrumentenluft Kalibriergase Abgas By-Pass Mit 2 Prüfgasen; jeweils eines im unteren und im oberen Drittel des Messbereiches. Ablauf: manuell ausgelöst und automatisch ablaufend. Optional: Automatische Kalibrierung zeit- oder ferngesteuert Nl/h mit p > 100 mbar Nl/h, abhängig vom des Messgases mit p > 2 bar(g) 3 mm Klemmringverschraubung 6 mm Klemmringverschraubung 3 mm Klemmringverschraubung 12 mm Klemmringverschraubung 6 mm Klemmringverschraubung Umgebungsbedingungen Zulässige Innentemperatur des Messschrankes -20 C bis +60 C Gegebenenfalls Schrankeinbau mit Heizung bzw. Kühlgerät 0 C bis 45 C Temperatureinfluss lt. PTB-Bericht Bericht /97: im Bereich 5 C 40 C < 0,02% v. Istwert, außerhalb dieses Temperaturbereichs kann der Fehler größer werden. Spannungsversorgung Leistungsaufnahme 230 VAC Hz oder 115 VAC Hz 0,5 kva 6 AMS GmbH 8.0/2007 Technische Änderungen vorbehalten Texte, Zeichnungen und Layout: Analytic Journal 6