Messsystem Wartung leicht gemacht mit automatisiertem pH-Messsystem

Autor / Redakteur: Dr. Dirk Steinmüller / Dipl.-Ing. (FH) Tobias Hüser

Verkrustungen, Verstopfungen und starke Belagbildung – mit solchen Problemen müssen pH-Elektroden kämpfen, wenn sie bei der Rauchgasentschwefelung in industriellen Verbrennungsanlagen den sauren oder basischen Prozesscharakter kontrollieren. Eine raffinierte pH-Messstellenlösung trotzt Übeltätern wie schlammhaltigen Materialien und basischen Lösungen, die bei der Rauchgaswäsche anfallen. Sie reinigt und kalibriert Elektroden ganz automatisch und senkt so die Betriebskosten.

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Elektroden-Probleme ade – eine pH-Messstellenlösung von Knick reinigt und kalibriert die Sensoren ganz automatisch.
Elektroden-Probleme ade – eine pH-Messstellenlösung von Knick reinigt und kalibriert die Sensoren ganz automatisch.
(Bild: Knick)

Die in industriellen Verbrennungsanlagen entstehenden Rauchgase setzen nicht nur unserer Gesundheit und Umwelt zu. Auch für Messstellen, die bei der Reinigung der schadstoffbelasteten Rauchgase zum Beispiel in Abgaswäschern zum Einsatz kommen, stellen stark saure und basische Stoffe sowie Ablagerungen eine große Belastung dar. Kurze Standzeiten und erhöhter Wartungsaufwand sind die Folge. Eine automatisierte Reinigung und Kalibrierung scheiterte bislang oft an den verwendeten Armaturen. Metallische Kugelhahn- oder Wechselarmaturen korrodierten, und bewegliche Teile blockierten unter schweren Verkrustungen. Kunststoffarmaturen hingegen waren den mechanischen und thermischen Belastungen nicht gewachsen.

Eine robuste Systemlösung zur pH-Messung, mit der sich trotz aller Widrigkeiten die regelmäßige Reinigung und Kalibrierung automatisieren lassen, bietet Knick Elektronische Messgeräte. Eine wesentliche Verbesserung des pH-Messsystems für Rauchgasentschwefelungsanlagen liegt im Wartungszugang – dieser ist für Anwender auch während des laufenden Prozesses möglich. Die Geräteeinheit besteht aus der Wechselarmatur Ceramat WA 150, dem Analysenmessgerät Protos 3400 und dem automatischen Reinigungs- und Kalibriersystem Unical 9000.

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Nasswäsche „entschwefelt“

Als effektivste Methode zur Rauchgasentschwefelung gilt die Nasswäsche. Das in Deutschland meistgenutzte Verfahren erreicht für Schwefeloxide einen Abscheidegrad von mehr als 95 Prozent. Zur Absorption des Schwefeldioxids wird häufig Kalkwasser als basische Lösung eingesetzt. Im sogenannten Absorberturm – oder Wäscher – wird das Abgas nach oben geleitet, während gleichzeitig in Wasser gelöster Kalk von oben in den Wäscher gesprüht wird und das Schwefeldioxid größtenteils absorbiert. Bei der Reaktion entsteht eine Lauge, die in Gips umgewandelt in der Bauwirtschaft verwendet wird. Die gereinigten Rauchgase werden abgeleitet.

Die Leiden der pH-Sensoren

In der Regel wird die Rauchgaswäsche in zwei getrennte Waschstufen und eine chemische Behandlung des Abwassers untergliedert. Der pH-Wert wird dabei an drei Messstellen kontrolliert. Die Prozessbedingungen in einem Gaswäscher stellen extreme Herausforderungen an die pH-Messstellen: Der Feststoffanteil liegt bei zwei bis 15 Prozent, das schlammige Prozessmaterial wirkt korrosiv und abrasiv und die basische Waschlösung begünstigt Belagbildung, Verstopfungen und Verkrustungen. In der ersten Stufe werden im Vorwäscher Chlorwasserstoff, Fluorwasserstoff und Schwermetalle abgeschieden. Eine Bindung des Schwefeldioxids erfolgt hier noch nicht.

Um das zu erreichen, wird das heiße Rauchgas durch Eindüsen von Kalkmilch abgekühlt und der pH-Wert, kontrolliert durch die erste Messkette, nur leicht auf einen Wert zwischen 1 und 2 angehoben. Die zweite Messstelle liegt in der Rückflusszirkulationsleitung des Calciumsulfit-/Gipsschlammes und misst die Wirksamkeit des zweiten Waschgangs. Durch weitere Kalkzugabe im Hauptwäscher erhöht sich der pH-Wert auf 5,5 bis 6,0 – dabei wird das Schwefeldioxid am effektivsten gebunden. Eine kontinuierliche pH-Messung bildet dabei die Grundlage für die präzise Kalkmilchdosage. Mit der dritten Messstelle wird der pH-Wert des stark basischen Abwassers überwacht. Das beim Abscheiden des Gipses verbleibende Überschusswasser wird neutralisiert, indem ihm zur Bindung des Kalküberschusses Schwefelsäure zugegeben wird.

Weg mit dem Belag

Auf den pH-Sensoren bildet sich häufig ein Belag, weshalb Anwender die Messgeräte häufig reinigen müssen. Zudem verkürzt die aggressive Waschlösung die Standzeiten der Elektroden. Diese Probleme soll eine automatisierte pH-Messstelle von Knick lösen, die vor allem den Wartungsaufwand deutlich verringert. Das Herzstück des Systems ist die Sensorschleuse Ceramat WA 150, die den Sensor eigenständig reinigt und kalibriert. Um die Elektroden zu schonen und die Standzeiten zu verlängern, kann der Messfühler in der Spülkammer der Sensorschleuse bleiben und zur Messung nur kurzzeitig, z.B. jede Minute für zehn Sekunden, in das Prozessmedium eingefahren werden.

Die Sonde ist dabei besonders wartungsfreundlich: Sensoren und pneumatischer Antrieb lassen sich unter vollem Prozessdruck vor Ort austauschen. Alle relevanten Dichtungen und die Spülkammer sind ohne Spezialwerkzeug zugänglich. Die Sensorschleuse hat sich bereits in schwierigen Prozessen bewährt, in denen standardmäßige O-Ring-Abdichtungen versagen. Sie besteht aus einer praktisch unzerstörbaren, drehenden Keramik und einem korrosionsbeständigen, carbonverstärkten, nicht bewegten (PEEK-)Kunststoffgehäuse. Mit geläppten und polierten Dichtflächen erreicht das System eine konstante Dichtigkeit. Dank der Härte der Keramik verschleißen die planen Dichtflächen selbst in abrasiven Medien nicht.

Richtig gesteuert

Als Antrieb zum Ein- und Ausfahren des Sensors dient die elektropneumatische Steuerung Unical 9000. Sie steuert die Pumpen für die Puffer- und Reinigungslösungen, überwacht den Vorrat dieser Lösungen und löst gegebenenfalls Alarm aus. Die Kalibrierung der Messkette erfolgt vollautomatisch mit einem vorgegebenen oder anlagenspezifischen Programmablauf. Auch dadurch gelingt es Anwendern, den Wartungsaufwand zu senken.

Die Steuerung verfügt außerdem über ein zuverlässiges Pumpensystem mit drei separaten Pumpen für Puffer-, Reinigungs- und Spülflüssigkeit. Damit werden die Verschleppung von Medien – insbesondere auch von Pufferlösungen – und das sonst erforderliche, aufwändige Freispülen der Leitungen vermieden. Nicht zuletzt garantiert dies eine höhere Genauigkeit der Messung und einen sparsamen Umgang mit den Medien. Für zusätzliche Betriebssicherheit sorgen die integrierten Reedkontakte zur berührungslosen Endlagenerkennung.

Alle Daten auf einem Blick

Protos 3400 versorgt die Steuerung nicht nur mit Hilfsenergie, das Analysenmessgerät stellt auch alle Prozessdaten auf einem Monitor dar. Eine Profibus-Schnittstelle ermöglicht die digitale Anbindung an die Leittechnik. Das Messgerät verfügt über drei Steckplätze für die verschiedenen Mess- und Zusatzmodule; in der hier beschriebenen Anwendung verwaltet das Gerät zentral die Daten zweier pH-Messstellen. Mit Hilfe einer Smart Media Card können bis zu fünf Parametersätze gespeichert werden. Die Kapazität des integrierten Messwertrecorders und des Logbuchs lassen sich über Speicherkarten erweitern.

Die Bedienoberfläche ist sehr übersichtlich strukturiert – sie nutzt eingängige Piktogramme sowie Klartextmenüs und -erläuterungen in einer von sechs wählbaren Sprachen. Dank der grafischen Darstellung in Form eines Sensor-Netzdiagramms sind alle wichtigen Sensordaten wie Steilheit, Nullpunkt, Bezugsimpedanz und Glasimpedanz auf einen Blick zu erfassen. Natürlich sind die genauen Werte auch einzeln abrufbar. Protos erlaubt es außerdem, individuell zugängliche und mit Passcodes gesicherte Bedienebenen zu definieren. Jeder Nutzer sieht damit nur die Gerätefunktionen, die seinen Aufgabenbereich betreffen, was der Bedien- und Funktionssicherheit zugute kommt.

Das gesamte System kann bei Bedarf in ein Profibus-PA-Netzwerk integriert werden. Durch den Serviceschalter mit Rückmeldung der tatsächlichen Sondenstellung und die getrennte Medienführung, die für einen minimalen Pufferverbrauch sorgt und Medienrückvermischungen ausschließt, werden die Sicherheit erheblich erhöht und der Wartungsaufwand minimiert.

Fazit

Erst wenn Messstellen unempfindlich gegenüber Verschmutzungen sind und ihnen problematische Medien nichts anhaben können, ist die Automatisierung der Geräte in rauen Einsatzfeldern wie der Rauchgasreinigung sinnvoll. Geringer Wartungsaufwand, Prozesssicherheit und längere Standzeiten sind die Folge. Die keramische Abdichtung der Kalibrierkammer, das Pumpensystem, aber auch die modulare Auslegung des Analysenmessgeräts und viele Detaillösungen tragen dazu bei, dass Anwender mit dem Kalibrier- und Reinigungssystem von Knick Betriebskosten einsparen.

* Der Autor ist Leiter Marketing/Vertrieb bei Knick Elektronische Messgeräte GmbH & Co. KG.Kontakt: Tel. +49 (0) 30 / 8 01 91 - 2 39

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