CO-Messung in explosionsgefährdeten Bereichen: Herausforderungen in RTO-Anlagen
Regenerative Thermische Oxidationsanlagen (RTO) sind in der chemischen Industrie unverzichtbar für die Behandlung von VOC-haltigen Abgasen. Wenn jedoch verschiedene Emissionsströme – beispielsweise aus kryogenen VOC-Prozessen und CO-haltigen Abgasen – in einer gemeinsamen Mischkammer zusammengeführt werden, entstehen besondere messtechnische Anforderungen. Die kontinuierliche CO-Messung bis zur unteren Explosionsgrenze (UEG/LEL) stellt dabei eine sicherheitskritische Messaufgabe dar, die spezialisierte Analysentechnik erfordert.
Wir bei Fresenius Umwelttechnik haben für solche Anwendungen Lösungen entwickelt, die Explosionsschutz, schnelle Ansprechzeiten und zuverlässige Messwerte auch unter anspruchsvollen Prozessbedingungen gewährleisten. In diesem Beitrag zeigen wir, welche technischen Herausforderungen bei der CO-Hochkonzentrationsmessung in RTO-Anlagen bestehen und wie moderne LEL-Analysatoren mit NDIR-Technologie diese meistern.
Prozessanforderungen: Wenn zwei Gasströme zur Herausforderung werden
In der betrachteten Anwendung werden zwei unterschiedliche Emissionsströme in einer Mischkammer zusammengeführt, bevor sie gemeinsam der RTO-Anlage zugeführt werden. Die Emissionsüberwachung erfolgt im gemeinsamen Abgaskanal nach der Mischung mit folgenden charakteristischen Bedingungen:
- Volumenstrom: 3500 Nm³/h
- Prozesstemperatur: normalerweise 35-40°C, maximal bis 60°C
- Druckbereich: 0,7-1,1 bar (Druckkompensation erforderlich)
- CO-Konzentration: bis 12,5 Vol.-% (entspricht 145 g/m³ oder 100% UEG)
Die zentrale Herausforderung liegt in der Messung von CO in explosionsfähigen Konzentrationen. Bei 12,5 Vol.-% befindet sich das Gasgemisch exakt an der unteren Explosionsgrenze von Kohlenmonoxid. Gleichzeitig müssen schnelle Ansprechzeiten realisiert werden, um prozessrelevante Änderungen zeitnah zu erfassen und sicherheitsrelevante Grenzwerte nicht zu überschreiten.
Technische Herausforderungen der CO-Hochkonzentrationsmessung
Kondensatbildung und Probenaufbereitung
Bei der Zusammenführung unterschiedlicher Gasströme – insbesondere wenn kryogene VOC-Prozesse beteiligt sind – kann es zu Temperaturgradienten und damit zur Kondensatbildung kommen. Kondensate verfälschen nicht nur die Messergebnisse, sondern können auch zu Korrosion und Verstopfungen im Analysensystem führen. Eine effektive Gaskühlung und Kondensatabscheidung vor der eigentlichen Messung ist daher unerlässlich.
Schnelle Ansprechzeiten trotz Probenaufbereitung
In sicherheitskritischen Anwendungen sind schnelle Reaktionszeiten entscheidend. Die T90-Zeit – also die Zeit, bis 90% des Endwertes bei einer Konzentrationsänderung erreicht werden – muss auch unter Berücksichtigung der notwendigen Probenaufbereitung möglichst kurz sein. Dies erfordert optimierte Strömungswege und ausreichende Probenvolumenströme für Messverfahren von Arbeitsplatzatmosphären.
Die Lösung: SC300 LEL-Analysator mit NDIR-Zweistrahl-Technologie
Für diese anspruchsvolle Messaufgabe setzen wir den SC300 LEL-Analysator ein, der speziell für die Messung brennbarer Gase in hohen Konzentrationen entwickelt wurde. Das System basiert auf der bewährten NDIR-Zweistrahl-Technologie (Non-Dispersive Infrared) und bietet entscheidende Vorteile für diese Anwendung:
NDIR-Zweistrahl-Technologie für präzise CO-Messung
Die nicht-dispersive Infrarotmessung nutzt die spezifische Absorptionseigenschaft von Kohlenmonoxid im Infrarotbereich. Das Zweistrahlprinzip kompensiert automatisch Verschmutzungen und Alterungseffekte der Infrarotquelle, was zu hoher Langzeitstabilität und geringem Wartungsaufwand führt. Die temperaturstabilisierte Messzelle wird konstant bei 50°C gehalten, um Querempfindlichkeiten durch Temperaturschwankungen zu minimieren – ein entscheidender Vorteil gegenüber katalytischen Pellistor-Sensoren.
Integrierter Explosionsschutz
Der SC300 LEL verfügt über Flammensperren sowohl am Eingang als auch am Ausgang des Analysators. Diese verhindern zuverlässig die Ausbreitung von Flammen oder Explosionen zwischen dem Analysator und dem Prozess. Die Konstruktion entspricht den Anforderungen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen und gewährleistet höchste Sicherheitsstandards.
Leistungsstarke Probengasförderung
Eine integrierte Probengaspumpe fördert kontinuierlich 4 l/min Probengas durch das System. Dieser vergleichsweise hohe Volumenstrom ist entscheidend für die schnelle Ansprechzeit und sorgt dafür, dass repräsentative Proben aus dem Hauptgasstrom entnommen werden. Die Pumpe ist so ausgelegt, dass sie auch bei leichten Druckschwankungen im Prozess (0,7-1,1 bar) einen konstanten Probengasfluss aufrechterhält.
Systemintegration und Probenaufbereitung
Externe Gaskühler zur Kondensatentfernung
Vor dem Eintritt in den Analysator durchläuft das Probengas einen externen Gaskühler. Dieser senkt die Gastemperatur kontrolliert ab und scheidet entstehende Kondensate zuverlässig ab. Die gekühlte und getrocknete Probe erreicht dann die temperaturstabilisierte Messzelle, wo präzise und reproduzierbare Messungen erfolgen können. Diese Probenaufbereitung ist essentiell, um Messfehler durch Feuchtigkeit und Kondensate zu vermeiden.
Druckkompensation für stabile Messwerte
Da der Prozessdruck zwischen 0,7 und 1,1 bar schwanken kann, verfügt der SC300 über eine integrierte Druckkompensation. Diese korrigiert die Messwerte automatisch und gewährleistet auch bei Druckschwankungen präzise Konzentrationsmessungen. Gerade bei Hochkonzentrationsmessungen, wo bereits kleine Abweichungen sicherheitsrelevant sein können, ist diese Funktion unverzichtbar.
Tägliche Nullpunktjustierung
Um höchste Messgenauigkeit zu gewährleisten, wird täglich eine automatische Nullpunktjustierung mit unbelasteter Umgebungsluft durchgeführt. Diese Kalibrierroutine kompensiert Drift-Effekte und stellt sicher, dass die Messung auch über lange Betriebszeiten hinweg zuverlässig bleibt. Die Nullpunktjustierung erfolgt automatisiert und erfordert keinen manuellen Eingriff des Betriebspersonals.
Performance-Merkmale: T90-Zeit und Messbereich
Die Gesamtperformance des Systems wird durch folgende Kennwerte charakterisiert:
| Parameter | Wert / Spezifikation |
| CO-Messbereich | 0 – 12,5 Vol.-% (0 – 145 g/m³, 0 – 100 % UEG) |
| T90-Zeit (inkl. Probenaufbereitung) | 5 Sekunden |
| Probengasvolumenstrom | 4 l/min |
| Messzellentemperatur | 50 °C (stabilisiert) |
| Druckkompensation | 0,7 – 1,1 bar |
| Messgenauigkeit | ±2 % UEG |
Besonders hervorzuheben ist die T90-Zeit von nur 5 Sekunden inklusive der gesamten Probenaufbereitung. Dies ermöglicht eine nahezu echtzeitnahe Überwachung der CO-Konzentration und erlaubt schnelle Reaktionen auf Prozessänderungen. Gerade in sicherheitskritischen Anwendungen, wo die Annäherung an die Explosionsgrenze rechtzeitig erkannt werden muss, ist diese schnelle Ansprechzeit von entscheidender Bedeutung.
Fazit: Sicherheit durch spezialisierte Messtechnik
Die CO-Hochkonzentrationsmessung in RTO-Anlagen mit gemischten Gasströmen stellt eine der anspruchsvollsten Aufgaben in der Prozessgasanalyse dar. Die Kombination aus explosionsfähigen Konzentrationen, unterschiedlichen Emissionsquellen und der Anforderung an schnelle Ansprechzeiten erfordert spezialisierte Analysentechnik, die weit über Standard-Gasanalysatoren hinausgeht.
Mit dem SC300 LEL-Analysator auf Basis der NDIR-Zweistrahl-Technologie bieten wir eine Lösung, die alle sicherheitsrelevanten und messtechnischen Anforderungen erfüllt. Die Integration von Flammensperren, leistungsstarker Probengasförderung, externer Gaskühlung und automatischer Druckkompensation gewährleistet zuverlässige Messwerte auch unter anspruchsvollsten Prozessbedingungen.
Die T90-Zeit von 5 Sekunden inklusive Probenaufbereitung ermöglicht eine quasi-kontinuierliche Überwachung und schnelle Reaktion auf kritische Konzentrationswerte. Dies trägt maßgeblich zur Prozesssicherheit bei und schützt sowohl Anlagen als auch Personal vor den Gefahren explosionsfähiger Gasgemische.
Für Anlagenbetreiber und Verfahrensingenieure, die vor ähnlichen Messaufgaben stehen, bieten wir umfassende Beratung zur Auslegung und Integration von LEL-Analysatoren in bestehende oder neue RTO-Systeme. Kontaktieren Sie uns, um gemeinsam die optimale Lösung für Ihre spezifische Anwendung zu entwickeln.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur CO-Messung in RTO-Anlagen
Warum muss CO bis zur Explosionsgrenze gemessen werden?
Die Messung bis zur unteren Explosionsgrenze (UEG/LEL) ist erforderlich, um explosionsfähige Gasgemische frühzeitig zu erkennen und zu verhindern. Bei CO liegt die UEG bei 12,5 Vol.-%. Unterhalb dieser Grenze besteht kein Zündrisiko, oberhalb kann es bei Vorhandensein einer Zündquelle zu Explosionen kommen. Die kontinuierliche Überwachung ermöglicht rechtzeitige Gegenmaßnahmen gemäß TRGS 722 und schützt Personal und Anlagen.
Welche Zertifizierungen sind für LEL-Analysatoren in RTO-Anlagen erforderlich?
LEL-Analysatoren in explosionsgefährdeten Bereichen benötigen eine ATEX-Zertifizierung nach Richtlinie 2014/34/EU. Zusätzlich muss der Betreiber gemäß ATEX 1999/92/EG eine Zoneneinteilung vornehmen und ein Explosionsschutzdokument nach GefStoffV § 6 Abs. 9 erstellen. Für die Emissionsüberwachung ist die Konformität mit EN 14181 erforderlich.
Warum ist die NDIR-Technologie besser als katalytische Sensoren?
NDIR-Sensoren bieten mehrere Vorteile gegenüber katalytischen Pellistor-Sensoren: Sie sind unempfindlich gegen Katalysatorgifte (z.B. Schwefelverbindungen), haben eine längere Lebensdauer (kein Sensor-Verschleiß), benötigen keine regelmäßige Kalibrierung und liefern präzisere Messwerte bei hohen CO-Konzentrationen. Die Zweistrahl-Technologie kompensiert zudem automatisch Alterungseffekte der Infrarotquelle.
Wie oft müssen LEL-Analysatoren geprüft werden?
Gemäß TRGS 500 und ATEX 1999/92/EG müssen Gaswarneinrichtungen vor Inbetriebnahme, nach wesentlichen Änderungen und in regelmäßigen Intervallen durch befähigte Personen geprüft werden. Die Prüffristen sind in der Gefährdungsbeurteilung festzulegen, typischerweise jährlich. Der SC300 LEL-Analysator führt täglich automatische Nullpunktjustierungen durch, was die Wartungsintervalle verlängert.
Welche CO-Grenzwerte gelten für RTO-Anlagen?
Nach TA Luft gelten für RTO-Anlagen in der chemischen Industrie CO-Emissionsgrenzwerte von typischerweise < 100 mg/Nm³ im gereinigten Abgas. Für die Sicherheitsüberwachung vor der RTO ist jedoch die UEG-Überwachung entscheidend: Bei 12,5 Vol.-% CO (entspricht 145 g/m³ oder 100% UEG) muss die Anlage sofort abgeschaltet werden, um Explosionen zu vermeiden.
