Analysen-, Mess- und Systemtechnik GmbH Industriestrasse 9 D-69234 Dielheim Tel.+49-6222-788-770 e-mail:[email protected] Fax.+49-6222-788-7720 http://www.ams-dielheim.com

RHADOXTM Das Messsystem für die Bestimmung von Luftbedarf 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 Luftbedarfs 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 Luftbedarfs 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

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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 Luftbedarf und Wobbe-Zahl sind T90-Zeiten von 10-12 Sekunden zu erreichen; für die integrierte Dichtemessung und Heizwertbestimmung sind etwa 25 Sekunden erforderlich. Das RHADOX Basissystem für Luftbedarf und Wobbe-Zahl kann um die Messung der relativen Gasdichte und des Heizwertes erweitert werden. Die Sauerstoffmessung erfolgt mit einem robusten O2-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 Luftbedarfs sowie der Wobbe-Zahl, welche den Energietransport zum Brenner beschreibt: RHADOX 1000. Sie sind um die Messung der relativen Dichte drel des Brenngases (für Luft gilt: drel = 1) und damit des Heizwertes erweiterbar: RHADOX 3000. Für spezielle Anwendungen wird auch ein eichfähiges Messsystem (RHADOX 2000, PTB Prüfbescheinigung 3.14-06703-97) angeboten. Jedes RHADOX-System wird für seine Messaufgabe im AMSPrüflabor parametriert und appliziert.

Der Messvorgang im RHADOX 1000 und RHADOX 3000 - Luftbedarf 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 Luftbedarf werden aus den Kalibrierdaten ermittelt.

RHADOX 3000 - Zusätzlich Gasdichte und Heizwert Die relative Gasdichte drel 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 Luftbedarf sind patentrechtlich geschützt. **) Das Messverfahren zur Dichtebestimmung ist patentrechtlich geschützt.

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Die Bestimmung von Luftbedarf, Wobbe-Zahl und Heizwert

Luftbedarf und Wobbe-Zahl als Funktion des Rest-Sauerstoffs Applikation: Mischgas aus Konvertergas und Koksgas

2,6 2,5

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2,4 2,3

10

2,2 9

2,1 2

8

1,9 1,8

7

1,7

Der stöchiometrische Luftbedarf einer Gasmischung kann durch Gewichtung mit den Volumen-Anteilen der einzelnen Gaskomponenten erhalten werden: 1 m3 1 m3 1 m3 1 m3

H2 erfordert CO erfordert CH4 erfordert C3H8 erfordert

Wobbe-Zahl [MJ/m3]

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2,7

Luftbedarf [ m3 Luft / m3 Gas]

Das Messverfahren zur Bestimmung von Luftbedarf und Wobbe-Zahl des Einsatzgases beruht auf der Messung des Luftbedarfs bei seiner vollständigen Oxidation in einem katalytischen Reaktor im Luftüberschuss. Der verbleibende Rest-Sauerstoff, mit einer ZrO2-Sonde gemessen,. ist dann ein Maß für den Luftbedarf des Messgases bei seiner Oxidation.

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Rest-Sauerstoff [Vol%]

0,5 m3 O2 und daher ca. 2,4 m3 Luft 0,5 m3 O2 und daher ca. 2,4 m3 Luft 2,0 m3 O2 und daher ca. 9,6 m3 Luft 5,0 m3 O2 und daher ca. 23,9 m3 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 Luftbedarf’ (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 ‚DichteKorrigierten Heizwert’ dar. Das Messverfahren des RHADOX führt also die Bestimmung des Dichte-korrigierten Luftbedarfs (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 Luftbedarf 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.

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Die Gasdichtemessung

Die Applikation

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).

Es lassen sich hier drei Phasen unterscheiden:

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.

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Machbarkeitsanalyse Festlegung der Geräteparameter Bestimmung der Kalibriergase .

Zunächst wird der Zusammenhang zwischen der Wobbe-Zahl und dem korrigierten Luftbedarf Ikorr. WI = f (Ikorr.)) ermittelt und erst danach werden die zur prozessmäßigen Analyse des Brenngases wesentlichen Geräteparameter im RHADOXTM-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.

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Die RHADOX-Systeme RHADOX

RHADOX 1000

RHADOX 3000

Messgrößen

Luftbedarf Wobbe-Zahl

Luftbedarf Wobbe-Zahl Relative Gasdichte Heizwert

Ausführungen

Geeignet für Feldinstallationen Für Ex-freie Umgebung Für Ex-Zone 2

Geeignet für Feldinstallationen Für Ex-freie Umgebung Für Ex-Zone 2

Schutzart/ Ex-Schutz

IP55 / IP65 ATEX 3G IIB+H2 T3

IP55 / IP65 ATEX 3G IIB+H2 T3

Abmessungen BxHxT

Montageplatte 1200*1600* 500 mm

Montageplatte 1200*1600* 500 mm

Gewicht, ca. In Ex-Ausführung

160 kg 250 kg

165 kg 260 kg

RHADOX 1000/3000

Technische Daten

Messspannen

Messbereiche applizierbar innerhalb dieser Messspannen: 0.....30 m3 Luft / m3 Gas 0.....120 MJ / m3 0,3.....2,5 0.....100 MJ / m3

Luftbedarf Wobbe-Zahl Relative Dichte Heizwert

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Konformitätserklärungen

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

Messgenauigkeit

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.

Reproduzierbarkeit des Messsignals Luftbedarf Wobbe-Index Relative Dichte Heizwert

0,1% vom Messbereichsendwert 0,15% vom Messbereichsendwert 0,03% vom Messbereichsendwert 0,15% vom Messbereichsendwert

Langzeitdrift für WobbeZahl und Luftbedarf

< 0,2% vom Messbereichsenwert pro Monat

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RHADOX 1000/3000

Technische Daten

Ansprechzeiten Luftbedarf und Wobbe-Zahl

Reaktionszeit T90 - Zeit

3s 10 ... 12 s

Relative Dichte und Heizwert

Reaktionszeit T90 - Zeit

18 s 25 ... 30 s

Digitalanzeige

2*20-stelliges hinterleuchtetes Display Ausgabewerte und Formate entsprechend den anzuwendenden Standards

Überwachungsfunktionen und Alarme

entsprechend den NAMUR-Empfehlungen: Gerätestörung - Kalibrierung aktiv - Service-Anforderung

Analogausgänge für Messwerte

4…20 mA; galvanisch getrennt Rhadox 1000: Wobbe-Zahl und Luftbedarf Rhadox 3000: Wobbe-Zahl und Luftbedarf, rel. Dichte und Heizwert

Serielle Schnittstelle

RS 232 / optional: RS 485

Kalibrierung

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.

Bedarf an

Messgas Instrumentenluft

20 ... 100 Nl/h mit p > 100 mbar 50 ... 500 Nl/h, abhängig vom Luftbedarf des Messgases mit p > 2 bar(g)

Messgas Instrumentenluft Kalibriergase Abgas By-Pass

3 6 3 12 6

Gasanschlüsse Eingänge: Ausgänge:

mm Klemmringverschraubung mm Klemmringverschraubung mm Klemmringverschraubung mm Klemmringverschraubung mm Klemmringverschraubung

Umgebungsbedingungen

-20°C bis +60°C Gegebenenfalls Schrankeinbau mit Heizung bzw. Kühlgerät

Zulässige Innentemperatur des Messschrankes

0°C bis 45°C

Temperatureinfluss

lt. PTB-Bericht Bericht 3.14-06703/97: im Bereich 5°C … 40°C < 0,02% v. Istwert, außerhalb dieses Temperaturbereichs kann der Fehler größer werden.

Spannungsversorgung

230 VAC 48....60 Hz oder 115 VAC 48…60 Hz

Leistungsaufnahme

0,5 kVA

AMS GmbH 8.0/2007 Technische Änderungen vorbehalten

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Texte, Zeichnungen und Layout:

Analytic Journal

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