Selektive In-Situ Gas-Analyse bis 1600°C
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Das neuartige „In-Situ“ LaserGas-Meßsystem zur Analyse von gasförmigen Emissionen bei Industrieprozessen gewinnt dabei mehr und mehr an Bedeutung und hat sich bereits bei vielen kritischen Anwendungen bewährt. (Bild 1: Einsatzbeispiel)
Meßprinzip
Die LaserGas-Monitore sind optische Instrumente, bei denen ein Infrarotstrahl von einem temperaturgeregelten Diodenlaser zu einem gegenüberliegenden Empfänger geleitet wird. Dabei arbeitet die Laserdiode etwa bei Raumtemperatur.
Konventionelle Infrarotanalysatoren weisen generell Querempfind- lichkeiten zu anderen Gasen auf. Dieses Problem macht sich umso deutlicher bemerkbar, je tiefer die Meßbereiche liegen. Im Gegensatz zu dieser herkömmlichen Technik, die mit Breitband-Spektralfiltern arbeitet, kommt bei dem LaserGas-Monitor die sogenannte „Einlinien- spektroskopie“ im nahen Infrarotbereich (NIR) zum Einsatz.
Typisches Gasabsorptionsspektrum:
Die „Einlinienspektroskopie“ basiert auf der Selektion einer einzigen Absorptionslinie im nahen Infrarotbereich des zu messenden Gases. Basis für die Auswahl der Linie ist eine spektroskopische Analyse der auftretenden Gaskomponenten, um sicherzustellen, daß keine weitere Komponente eine Absorptionsbande bei der gewählten Wellenlänge hat und damit keine Querempfindlichkeit verursachen kann. Die Frequenz der Laserdiode wird dann so justiert, daß sie mit der gewählten Wellenlänge korrespondiert. Dabei erfolgt die Justage durch Veränderung der Temperatur und des Stromes durch die Laserdiode. Die spektrale Breite des Laserstrahls ist bedeutend schmaler als die spektrale Breite der Absorptionslinie des gewählten Gases. Durch Verändern des Diodenstromes wird die gewählte Absorptionslinie über einen bestimmten Bereich (l) abgetastet (Bild 2: Absorptions-spektrum von Sauerstoff).
Die Intensität des Laserstrahls, die vom Empfänger aufgenommen wird, ändert sich als Funktion der Wellenlänge nur bei Anwesenheit der spezifischen Gasmoleküle zwischen Sender und Empfänger. Die so detektierte Form und das Absorptionsmaximum wird dann zur Berechnung der Konzentration herangezogen. Da die Absorptionsbande so gewählt ist, daß kein weiteres anwesendes Gas eine Strahlabschwächung bewirken kann, gibt es auch keine Querempfindlichkeiten auf andere Gase.
Die LaserGas-Systeme reagieren nicht auf Staubpartikel im Prozessgas oder auf den optischen Fenstern. Dies wird dadurch erreicht, daß die Berechnung der Konzentration relativ zur Form und Größe der Absorptionslinie erfolgt. Dadurch ist eine zuverlässigere Messung gewährleistet, mit einer beträchtlichen Reduzierung der Wartungsintervalle. (Bild 3: Prinzip der Einlinienspektroskopie)
Die LaserGas Technologie ist für folgende Gase einsetzbar:
|
Gas |
Auflösung |
Minimaler Meßbereich |
|
O2 |
0,01 % |
0-1 % (N2 gespült) |
|
HCl |
0,07 mg/m3 |
0-7 mg/m3 |
|
HF |
0,01 mg/m3 |
0-1 mg/m3 |
|
NH3 |
0,1 mg/m3 |
0-10 mg/m3 |
|
CO |
30,0 mg/m3 |
0-3000 mg/m3 |
|
CO2 |
0,6 mg/m3 |
0-60 mg/m3 |
|
H2O |
0,03 mg/m3 |
0-3 mg/m3 |
|
H2S |
3 mg/m3 |
0-300 mg/m3 |
|
HCN |
0,2 mg/m3 |
0-20 mg/m3 |
|
NO |
10 mg/m3 |
0-1000 mg/m3 |
|
CH4 |
0,2 mg/m3 |
0-20 mg/m3 |
|
C2H2 |
0,1 mg/m3 |
0-10 mg/m3 |
|
C2H4 |
1,0 mg/m3 |
0-100 mg/m3 |
|
CH3OH |
0,1 % |
0-10 % |
|
Staub |
0,5 mg/m3 |
0-25 mg/m3 |
|
Staub |
0,5 mg/m3 |
0-25 mg/m3 |
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Die LaserGas Monitore sind auch für andere Gase wie N2O, HBr und andere Kohlenwasserstoffverbindungen erhältlich. Alle LaserGas Monitore können als Dual Path-Versionen geliefert werden. |
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Aufbau
Der LaserGas-Monitor (Bild 4) ist durch seine kompakte und robuste Bauweise leicht zu montieren. Er besteht im wesentlichen aus drei Basiseinheiten:
- einem Sender mit Spülluftanschluß, Ausrichtmechanismus und DN50-Flansch
- einem Empfänger mit Spülluftanschluß, Kalibrationsgasanschluß, Ausrichtmechanismus und DN50-Flansch
- einer Elektronikeinheit mit Konzentrations- und Statusanzeige.
Der Sender und der Empfänger werden direkt auf einen DN50/PN10- oder PN16-Flansch montiert, die an dem Abgaskanal oder -Rohr angeschweißt sind (siehe Bild 3 und Bild 4). Andere Flansche sind optional lieferbar. Die notwendigen Einstellungen während der Installation erfolgen mit Hilfe eines normalen PC´s oder Notebooks.
Die optischen Fenster, die Edelstahlflansche und die Spülgasanschlüsse bilden die Schnittstelle zwischen dem Prozessgas und dem LaserGas-Monitor. Um größere Ansammlungen von Staub oder anderen Partikeln an den optischen Fenstern zu verhindern, werden diese mit trockener, ölfreier Luft oder Stickstoff kontinuierlich gespült.
Die Ausrichtung des Systems erfolgt durch Justage der beiden Flansche auf Sender- und Empfängerseite. Um Leckagen während der Installation oder bei Wartungsarbeiten zu vermeiden, können optional Kugelhähne zwischen dem LaserGas-Monitor und dem Prozess montiert werden. Diese Kugelhähne können auch eine übermäßige Verschmutzung der opt. Fenster verhindern, falls die Spülung ausfällt.
Zusammenfassung
Die LaserGas-Systeme zeichnen sich besonders dadurch aus, daß auch unter rauhen Industriebedingungen und hohen Gastemperaturen Inline, d.h. in Echtzeit und ohne aufwendige Probennahmesysteme gemessen werden kann.
Damit wird erstmals auch eine Konzentrationsbestimmung in Anwendungen möglich, bei denen keine Taupunktabsenkung erfolgen darf oder dies nur mit großem technischen Aufwand realisiert werden kann.
Die Sauerstoffmessung auf Laserbasis wird beispielsweise durch Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Lösemittel oder Aerosole nicht beeinträchtigt. Verzögerungszeiten durch Meßgaszuführung, Kühlung, Filterung etc. sind hierbei nicht gegeben.
Für den Einsatz in Ex-Bereichen, z.B. für die O2-Messung im Fackelgas oder Inertisierungsanlagen, ist eine ex-zugelassene Version des Systems ebenfalls lieferbar.
Die Ammoniak-Laser-Systeme werden u.a. zur Schlupfmessung in „deNOx-Anlagen“ (SCR und NSCR-Verfahren) eingesetzt. Beeinträchtigungen der Messung durch Wasserdampf oder Schwefeldioxide treten auch hier nicht auf.
Alle LaserGas-Systeme sind selbstüberwachend und besitzen eine umfangreiche Fehlerdiagnostik mit Speicher. Falls erforderlich, können externe Parameter, wie Druck und Temperatur, über skalierbare Eingänge eingelesen und direkt in der Messung mit verarbeitet werden. Die Messungen sind damit sowohl als Volumen-, als auch als Massenkonzentration auswertbar. Die Geräte sind einfach zu installieren und zu bedienen und besitzen eine ausgezeichnete Langzeitstabilität.
Derzeit sind die „In-situ“ LaserGas-Systeme bei führenden chemischen und petrochemischen Firmen, Müllverbrennungsanlagen und zur Überwachung von thermischen Prozessen erfolgreich im Einsatz. Für den Einsatz des HCl-Monitors im Bereich Emissionsschutz besteht eine Zulassung nach der
17. BimSchV.
Bild 1: Einsatzbeispiel
Bild 4: Der LaserGas-Monitor
