Taupunktmessung Überwachung von Säuretaupunkten in Abgasströmen

Schwefelemissionen sind nicht nur umweltschädlich, sondern greifen durch Korrosion auch Anlagen an. Um solchen Problemen Herr zu werden, sind Anlagenbetreiber auf die praktische Kenntnis des Säuretaupunkts und dessen Auswirkung auf Schwefelemissionen angewiesen. Dieser Artikel beschreibt portable und kontinuierliche Überwachungsgeräte.

Anbieter zum Thema

WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG

EagleBurgmann Germany GmbH & Co. KG

Emerson Process Management GmbH & Co.OHG

AMETEK Process Instruments

Die Chemie- und Prozessindustrie hat seit einigen Jahren ihrem Image als Dreckschleuder den Kampf angesagt. Im Zuge solcher Maßnahmen werden auch Schwefeldioxidemissionen (SO2-Emissionen) überwacht und eingedämmt, da sie zur Bildung von saurem Regen beitragen. Probleme, die mit dem Ausstoß von Schwefeltrioxid (SO3) und Schwefelsäure (H2SO4) verbunden sind, werden jedoch im Allgemeinen weniger beachtet. Es ist auch weniger bekannt, dass der Schwefelsäureanteil in Gichtgasen schädlich für die Umwelt ist und zu ernsthaften Wartungsproblemen beiträgt.

Bei Verbrennung von schwefelhaltigen Kraftstoffen wird der Schwefel zu SO2 oxidiert. Wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist, oxidiert dieses SO2 weiter zu SO3. Kommt noch Wasser ins Spiel, kann dies mit dem SO3 in einer reversiblen Reaktion zu H2SO4 reagieren. Die Trennreaktion wird bei höheren Temperaturen begünstigt. Bei niedrigen Temperaturen, d.h. unterhalb von 200 °C, ist das gesamte SO3 als H2SO4 vorhanden. Oberhalb von 500 °C handelt es sich dagegen ausschließlich um freies SO3. Der Gleichgewichtspunkt richtet sich auch nach der Konzentration von Wasserdampf bei einer gegebenen Temperatur. Bei hoher Wasserkonzentration ist das anfängliche SO3 verstärkt als H2SO4 vorhanden.

Bei der Bildung von Schwefelsäure wird die Menge des in den Gichtgasen vorhandenen freien SO3 und H2SO4 durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst. Der Anteil ist höher, wenn der Kraftstoff Substanzen wie Vanadium enthält, das eine Katalysatorwirkung bei der Bildung von SO3 besitzt. Kraftstoffe auf Erdölbasis enthalten in der Regel mehr Vanadium als Kohle, sodass die SO3-Konzentration beim Verbrennen von Öl im Allgemeinen höher als bei Kohle ist.

Umwelt- und Korrosionsschäden

SO3 in Gichtgasen ist in vielerlei Hinsicht ein Problem: Es begünstigt beispielsweise gesundheitsschädliche PM2.5-Emissionen und bildet korrosive Staubteile. Zudem kondensiert Schwefelsäure bei Temperaturen weit über 100 °C. Sinkt die Gastemperatur unter den Säuretaupunkt ab, entsteht Schwefelsäurenebel und ein Film von Schwefelsäure bildet sich auch auf allen freiliegenden Flächen mit einer Temperatur unter dem Taupunkt. Die Nebeltröpfchen sind sehr klein, typischerweise etwa 1 µm im Durchmesser, sodass sie Licht sehr wirksam streuen. Ist Schwefelsäure in den Gasen am Schachtausgang vorhanden, bildet der kondensierende Nebel so genannten „Blaurauch“. Einmal gebildet, sind derartige Rauchfahnen sehr hartnäckig und können die Sichtverhältnisse über weite Strecken ab der Quelle beeinträchtigen.

Die schwerwiegendsten Folgen für Anlagenbetreiber treten auf, wenn die Gase innerhalb des Prozesses unter den Taupunkt fallen. Korrosion ist unweigerlich die Folge, wenn sich heiße Schwefelsäure auf einer Metallfläche ablagert. Glasbeschichtete Oberflächen wären eine Abhilfe, sind aber sehr teuer zu installieren. In der Regel ist es günstiger, die Temperatur über dem Taupunkt zu halten. Das ist jedoch keineswegs einfach, da die Erhöhung der Schachtaustrittstemperatur zu einer Senkung des thermischen Wirkungsgrads der Anlage und damit zu höheren Kraftstoffkosten führt. Es besteht eindeutig eine optimale Betriebs-temperatur – in sicherem Abstand vom Taupunkt, aber dennoch so nah daran, wie sich praktisch einrichten lässt.

Messung des Säuretaupunkts

Ein Säuretaupunkttemperatursensor dagegen kann wirksam zur kontinuierlichen oder regelmäßigen Überwachung der Schwefelsäurekonzentration verwendet werden. Der Sensor besteht aus einem Edelmetall-Thermoelement und einer Ringelektrode eingebettet in einem Glaskolben.

Abbildung 1 zeigt eine schematische Ansicht des Sensors. Das Thermoelement misst die Oberflächentemperatur, während das Innere des Glaskolbens durch einen Luftstrom gekühlt wird. Beim Abkühlen des Sensors unter den Säuretaupunkt bildet sich ein Schwefelsäurefilm auf dem Sensor. Die Säure ist sehr leitfähig, sodass die Leitfähigkeit zwischen der Ringelektrode und dem Thermoelement eine Anzeige für die Filmdicke ergibt. Befindet sich der Sensor auf der Säuretaupunkttemperatur, halten sich Verdunstung und Ablagerung die Waage, sodass die Filmdicke und somit die Leitfähigkeit konstant sind.

Ein moderner, tragbarer Säuretaupunktmonitor wie der in Abbildung 2 dargestellte Lancom 200 besteht aus einer Sonde mit einem Sensor an der Spitze und einem tragbaren Bedienteil mit Luftstromregler und Elektronik zur Messung der Leitfähigkeit und der Thermoelementtemperatur. Die Daten aufeinanderfolgender Messungen können protokolliert und ausgedruckt werden, sodass sie für eine spätere Analyse genutzt werden können. Ein weiterer Vorteil: Der Bediener kann zunächst mehrere verschiedene Punkte einer Prozessanlage erfassen und die Daten in Echtzeit speichern, bevor sie zur anschließenden Analyse auf einen PC geladen werden.

Das Gerät ist handlich und leicht (10 kg), aber stabil genug für regelmäßigen Einsatz selbst in rauesten industriellen Umgebungen. Erforderlich ist lediglich eine örtliche Druckluftversorgung und eine geeignete Sondeneinführposition zur Messerfassung. Zur Messung werden keine speziellen Fertigkeiten benötigt, und das Gerät kann über 10 000 Messungen speichern.

Saubere Messung

Die Sauberkeit des Taupunktsensors ist sehr wichtig. Partikelstoffe, die die Frontseite des Sensors verschmutzen, führen zu einer Veränderung der Leitfähigkeitsmessung und machen es unmöglich zu erkennen, ob der Taupunkt erreicht ist. Bei einem tragbaren Analyzer ist dies kein Problem. Der Bediener kann den Sensor einfach nach jeder Messung abwischen. Bei einer laufenden Taupunktmessung ist es weitaus schwieriger, den Sensor sauber zu halten. Die Verwendung eines Waschwassersystems wäre denkbar. Ohne sorgfältige Kontrolle besteht jedoch die Möglichkeit, dass der Sensor durch den Thermoschock des kalten Waschwassers auf der heißen Glasfläche platzen könnte. Die folgende Vorgehensweise hat bisher gute Ergebnisse geliefert:

1. Abkühlen des Sensors durch den maximal zur Verfügung stehenden Kühlluftstrom;

2. Weitere Abkühlung des Sensors durch Luft-Wasser-Nebel unter niedrigem Druck;

3. Reinigung des Sensors durch Luft-Wasser-Strahl unter hohem Druck.

Durch Anwendung dieser Kühltechnik kann die praktische Einbauzeit für einen Säuretaupunktmonitor von wenigen Stunden auf viele Monate erhöht werden, bevor eine manuelle Reinigung erforderlich wird. Dem Anlagenbetreiber stehen damit sowohl portable als auch stationäre Messgeräte zur Verfügung, um den Säuretaupunkt kontinuierlich und zuverlässig überwachen zu können.

Der Autor ist Produktmanager bei Ametek Process and Analytical Instruments, Pittsburgh, PA/USA.

(ID:244383)