Als Energieträger werden bei der Verbrennung sogenannte Brenngase verwendet. Diese werden nach ihrer Gewinnung und Zusammensetzung in verschiedene Gruppen unterteilt.Das bedeutendste Brenngas ist Erdgas, das nach der Förderung direkt auf dem Erdgasfeld aufbereitet wird und überwiegend aus Methan besteht. Bei süßen Erdgasen, die frei von Schwefelverbindungen sind, wird vorwiegend Wasserdampf abgetrennt. Bei sauren Erdgasen, die bis zu 20 Prozent Schwefelwasserstoff und organische Schwefelverbindungen enthalten, werden diese Komponenten fast vollständig entfernt. Erdgas aus verschiedenen Lagerstätten wird meistens gemischt, um eine möglichst gleichbleibende Qualität zu gewährleisten. Man unterscheidet vornehmlich zwischen Erdgas L und Erdgas H, wobei Letzteres einen höheren Methangehalt aufweist. Kokereigas wird bei der Kokserzeugung als Nebenprodukt bei der Erwärmung von Steinkohle unter Luftabschluss gewonnen. Zur Ausscheidung der teerigen Bestandteile des Rohgases wird dieses durch Wassereinspritzung abgekühlt. Anschließend wird das Gas von weiteren unerwünschten Bestandteilen wie Benzol, Ammoniak und Schwefelwasserstoff befreit. Die Hauptbestandteile des Kokereigases sind Wasserstoff und Methan. Aufgrund ihres geringen Gehalts an brennbaren Bestandteilen, vornehmlich CO, werden Gichtgase auch als Schwachgase bezeichnet. Sie fallen bei Schachtofenprozessen in der Metallurgie an. Biogas wird bei der anaeroben Zersetzung von Biomasse gebildet. Es besteht aus etwa 50 bis 60 Volumenprozent Methan und 39 bis 49 Volumenprozent Kohlendioxid. Daneben befinden sich im Biogas mit bis zu einem Volumenprozent noch geringe Mengen an Schwefelwasserstoff, Wasserstoff, Ammoniak und anderen Spurengasen. Diese Gase müssen durch Reinigung weitgehend abgetrennt werden.
Zu viel Luft, zu wenig Luft - ein sprunghaftes Verhältnis
Voraussetzung für eine saubere Verbrennung ist das optimal auf die Kraftstoffzusammensetzung abgestimmte Kraftstoff-Luft-Verhältnis, das von der jeweiligen betrieblichen Situation beeinflusst wird. Wird nicht genügend Luft zugeführt, werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe mit dem Abgas ausgestoßen, was die Effizienz der Anlage beeinträchtigt. Wird zu viel Luft zugeführt, wird auch das Stickstoffvolumen erhöht, was zu einer Reduktion der Heizleistung und zu verstärkten NOx-Emissionen führt. Die Hauptursachen für eine Variabilität im Verbrennungsprozess sind schwankende Luft- und Gasströme, zum Beispiel durch Druckschwankungen und Brennwertschwankungen, die durch eine veränderliche Gaszusammensetzung verursacht werden. Diese Effekte treten noch deutlicher auf, wenn zusätzlich zum Erdgas auch Gichtgas, Kokereigas oder Biogas zur Verbrennung kommt, da sich durch �?nderungen in der Zusammensetzung unterschiedliche Brennwerte ergeben.Um die Verbrennung optimal steuern zu können, sollten die Luftmenge, die Gasmenge und der Brennwert des Gases bestimmt werden. Die Luft- und Gasmengen werden derzeit im Allgemeinen volumetrisch gemessen, zum Beispiel mit Blenden- oder Wirbelstrommessungen, deren im Datenblatt genannte Genauigkeit aber keinen Rückschluss auf die anlagenbedingte Systemgenauigkeit zulässt, da die volumetrisch gemessenen Werte über eine Druck- und Temperaturkompensation auf Normbedingungen umgerechnet werden müssen. Durch die zusätzlichen Fehler dieser Messgeräte wird eine Systemgenauigkeit erreicht, die typischerweise im Bereich von 3 bis 5 Prozent liegt.
Optimale Verbrennung durch Coriolis-Technologie
Durch technische Weiterentwicklungen ist es mittlerweile ohne Probleme möglich, die Coriolis-Technologie auch für die Messung von Gasen einzusetzen. Mit Hilfe von Coriolis-Massedurchflussmessern lässt sich durch die direkte Massemessung eine deutlich bessere Aussage über die der Verbrennung zugeführte Energie machen. Das neueste Mitglied der Emerson- Sensorfamilie, der CMFS, bietet für die Messung von Gasen eine Genauigkeit von bis zu 0,25 Prozent und ist somit gut geeignet, um eine optimale Brennersteuerung zu realisieren. In einigen Anlagen werden neben reinem Erdgas weitere Brenngase, wie Gichtgas, Kokereigas oder Biogas genutzt, die mit dem Erdgas gemischt werden. Da die Zusammensetzung des Gasgemisches nicht konstant ist, ist eine Bestimmung des Brennwerts zur optimalen Brennersteuerung notwendig. Ein herkömmlicher Gaschromatograph ist mit einem Messzyklus von mehreren Minuten für eine Regelung nicht geeignet. Eine Möglichkeit zur Anlagenoptimierung ist der Einsatz des Micro Motion 3098 SG Analysators, mit dem die spezifische Dichte eines Gases, ohne die Notwendigkeit einer Druck- und Temperaturkompensation, gemessen wird. Das System misst direkt das Molekulargewicht bzw. das spezifische Gewicht des Gases und kann direkt den Wobbe-Index ausgeben.Der Wobbe-Index (Wo) ist der Quotient aus Brennwert (Bo) und der Wurzel aus der relativen Dichte eines Gases (Wo=Bo/�??SG). Mit dem Wobbe-Index erhält man eine Kennzahl für die Austauschbarkeit von Gasen, da Gase unterschiedlicher Zusammensetzung bei gleichem Wobbe-Index und unter gleichem Druck am Brenner eine annähernd gleiche Wärmebelastung erzeugen. Mit dem 3098 kann die Gasmischung von Erdgas und zusätzlichen Brenngasen so gesteuert werden, dass die Schwankung der Wärmebelastung für den Brenner minimiert wird. Die Kombination des CMFS für den Massedurchfluss und des 3098 SG für den Brennwert erlaubt einem eine direkte Messung der Energiezufuhr zur Verbrennung. Massedurchfluss [kg/h] x Brennwert [kJ/kg] = Energiezufuhr [kJ/h]Dadurch entfallen sonst nötige Druck- und Temperaturkompensationen und die gewünschte Messgröße wird direkt ausgegeben. Um Anforderungen nach Verbrauchs- und Emissionsreduzierung nachzukommen, suchen Anlagenbetreiber nach Wegen, um die vorhandenen Anlagen zu optimieren. Der Einsatz von zusätzlichen oder neuen Messtechniken kann den Betreiber dabei unterstützen, die gesteckten Ziele zu erreichen. Hier macht die direkte Massemessung mit Hilfe von Coriolis-Massedurchflussmessern Sinn, um Fehlerquellen von druck- und temperaturkompensierten Volumenmessungen zu eliminieren. Die hochgenaue Sensorserie Elite CMFS und der 3098 SG von Micro Motion sind dafür bestens geeignet.
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