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In-situ-Sauerstoffsensoren

In-situ-Sauerstoffsensoren für Prozessanwendungen

06.03.2009 | Redakteur: Dr. Jörg Kempf

Industrielle Sauerstoffsonden sind so aufgebaut, dass meist über Jahre ein ungestörter Betrieb selbst bei Anwesenheit korrosiver Chemikalien bzw. Gase möglich ist – im Bild der X-Stream O2-Analysator von Rosemount Analytical (Bilder: Emerson Process Management).
Industrielle Sauerstoffsonden sind so aufgebaut, dass meist über Jahre ein ungestörter Betrieb selbst bei Anwesenheit korrosiver Chemikalien bzw. Gase möglich ist – im Bild der X-Stream O2-Analysator von Rosemount Analytical (Bilder: Emerson Process Management).

Gassensoren auf Basis von Zirkoniumdioxid werden in einer steigenden Anzahl industrieller Prozessanwendungen eingesetzt. Dazu gehören die Energieerzeugung, Anwendungen in Raffinerien, in der Petrochemie sowie in Brennöfen. Sie sind besonders gefragt, wenn es darum geht, diese Prozesse zu optimieren.

Der Gasanalyse mit elektrochemischen Sensoren wird in vielen Anwendungen mehr und mehr an Bedeutung beigemessen. Dazu gehören Anwendungen zur Senkung des Energieverbrauchs, zur Einsparung von Rohstoffen, zur Steigerung der Effektivität industrieller Prozesse sowie zur Luftreinhaltung. Die für industrielle Anwendungen verfügbaren Sauerstoffsensoren basieren auf einem einseitig geschlossenen Rohr aus Zirkoniumdioxid oder einer Scheibe, die gasdicht auf das Ende eines Rohres aus Aluminiumoxid oder Metall angebracht wurde.

Rohre aus Zirkoniumdioxid oder ein fingerhutartiger industrieller Aufbau liefern eine gute Messleistung, sind aber – aufgrund der komplizierten keramischen Form mit Flansch und der daraus resultierenden thermischen Beanspruchung entlang des Rohres – weniger robust. Die thermische Balance entlang der elektrochemisch aktiven Fläche ist bei diesem Zellenaufbau ebenfalls nicht optimal.

Scheibenförmige Keramiken aus Zirkoniumdioxid werden in eine metallische Halterung gelötet und verfügen über den Vorteil einer deutlich geringeren Temperaturdifferenz entlang der Dicke der Scheibe, ausgehend von der Referenzseite in Richtung Prozessseite oder in umgekehrter Richtung. Durch diese Bauform wird gleichzeitig die thermische Beanspruchung der Zirkoniumdioxidkeramik verringert, da alle Bauteile über einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verfügen.

Weiterhin wurde eine hoch poröse Platin-Zirkoniumdioxid Cermet-Elektrode entwickelt, um eine möglichst große Zahl von Dreiphasengrenzen für die elektrochemische Reaktion an der Elektrode zu schaffen und dadurch die Ansprechgeschwindigkeit zu verringern und die Betriebszeit zu verlängern.

Industrielle Sauerstoffanalysatoren auf Basis von Zirkoniumdioxidmesszellen werden zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Im Rauchgas sollte nach einer perfekten Verbrennung die CO2-Konzentration den maximal möglichen Wert aufweisen. Dagegen sollte die O2-Konzentration nahe dem Wert Null liegen. Weil eine perfekte Verbrennung aufgrund der unvollständigen Durchmischung des Brennstoffs mit der Luft praktisch unmöglich ist, werden die meisten Verbrennungsprozesse mit einer geringen Menge an überschüssiger Luft betrieben.

Typische Werte sind zwei bis drei Volumenprozent O2 bei Gasbrennern sowie zwei bis sechs Volumenprozent bei Dampferzeugern und Ölbrennern. Je niedriger die Rauchgastemperatur ist, desto größer ist die Effizienz des Verbrennungsprozesses. Eine Verbrennung ist bei einem Sauerstoffüberschuss von 0,75 bis zwei Volumenprozent am effizientesten. Wird der überschüssige Sauerstoff im Rauchgas nur um ein Prozent verringert, so lassen sich in Abhängigkeit vom Prozess und der Rauchgastemperatur ein bis drei Prozent des Brennstoffes einsparen.

Staub belastet die Messung

Anders als in Rauchgasen von Gas- oder Ölfeuerungen enthalten die Rauchgase kohlegefeuerter Kesselanlagen eine große Menge an Staub, z.B. Flugasche, Schwefel und Schwefeldioxid (SO2). In-situ-O2/CO-Messungen sind bei solchen Prozessbedingungen zuverlässiger im Vergleich zu extraktiven Systemen, bei denen häufig Probleme durch Verstopfungen und Kondensatbildung auftreten. Obwohl eine gute Verbrennungsregelung nur allein schon über die Sauerstoffmessung im Rauchgas möglich wäre, können die Verbrennungseffizienz und die Prozessstabilität durch die gleichzeitige Messung von Kohlenmonoxid (CO) verbessert werden.

Die Überwachung und die Regelung der Sauerstoff- und Kohlenmonoxidkonzentration durch Analysatoren auf Basis einer Zirkoniumdioxidmesszelle führen ebenfalls zu geringeren Konzentrationen an Stickoxiden (NOX) und Schwefeldioxid (SO2) im Rauchgas. Dies wird durch eine Feuerführung nahe dem stöchiometrischen Punkt bei einem Sauerstoffüberschuss im Rauchgas von ein bis zwei Volumenprozent erreicht.

Die Balance halten

Bedingt durch Prozesstemperaturänderungen wird auch der O2-Analysator signifikanten Temperaturänderungen während der Überwachung und Regelung unterworfen. Um eine zuverlässige Genauigkeit und Signalstabilität auch bei sich ändernden Prozessbedingungen, besonders der Temperatur, zu erzielen, sollten die O2-Analysatoren auf Zirkoniumdioxidbasis thermisch ausbalanciert sein, um den Einfluss temperaturabhängiger Thermoketten auf das Sensorsignal zu eliminieren (bis zu 10 mV bei einigen auf dem Markt verfügbaren O2-Analysatoren), um Ungenauigkeiten bei der Sauerstoffmessung zu verhindern.

Veränderungen der Prozesstemperatur haben beim neuen Modell X-Stream O2 von Rosemount Analytical nur einen geringen Einfluss auf die Empfindlichkeit und die Konstante. Fehler durch die Veränderung der Prozesstemperatur sind zwischen 25 und 600 °C Prozesstemperatur kleiner als ±0,025 Volumenprozent O2. Dieser neue O2-Analysator für industrielle Anwendungen liefert eine stabile und genaue Sauerstoffmessung in einem weiten Sauerstoffkonzentrationsbereich. In Luft resultieren leicht höhere Fehler durch die Änderung der Feuchtigkeit, deren Einfluss auf den Sauerstoffpartialdruck und durch die logarithmische Abhängigkeit von der Konzentration.

Bessere Regelung

Moderne Anwendungen zur Verbrennungsregelung können durch eine Echtzeitregelung verbessert werden. Bei der aktiven Verbrennungsregelung wird der Controllerausgang beispielsweise dazu verwendet, die Menge des zugeführten Brennstoffes anzupassen. Mit dieser Art der Regelung konnte in zahlreichen Fällen eine Verbesserung der Regelung erzielt werden, z. B. bei laminaren Flammenbrennern oder in turbulenten Brennkammern. Eine mager vorgemischte Verbrennung ist eine der effektivsten Maßnahmen zur Reduzierung der Stickoxide durch eine niedrige Flammentemperatur.

Bedauerlicherweise hat dieser Vorteil auch zwei erhebliche Mankos: Ausbläser und eine instabile Regelung. Um auch hier den Anforderungen einer aktiven Verbrennungsregelung zu genügen, muss das Sensorsystem in der Lage sein, den Zustand der Verbrennung schnell und genau zu erfassen. Instabilitäten bei der Verbrennung entstehen mit Frequenzen von weniger als 500 Hz, sodass eine Ansprechzeit des Sensors im kHz erforderlich ist, um ein effektives Regelsignal zu erzeugen.

Bei der Arbeitspunktregelung wird die Brennstoffeindüsung reguliert, um verschiedene Flammenparameter einzuhalten. Weil die in die Brennkammer einfließende Luftmenge nicht mit hinreichender Genauigkeit bekannt ist, basiert die Arbeitspunktregelung nur auf begrenzten Informationen über die Flammeneigenschaften und einer überschlägig abgeschätzten Luftmenge. Auch hier sorgt die Messung der Sauerstoffkonzentration im Rauchgas für eine präzise Einstellung des gewünschten Brennstoff/Luft-Verhältnisses.

Der Beitrag basiert auf dem Artikel „Zirconia Oxygen Sensor for the Process Application: State-of-the-Art“ von Pavel Shuk, Ed Bailey und Ulrich Guth, erschienen im Sensors & Transducers Journal, Vol. 90, Special Issue, April 2008, pp. 174-184.

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