Forscher
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Dr. Ralf Boback
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Ein Inline-Messgerät zur Erfassung der zentralen Messgrößen zur Steuerung einer Gaswäsche
Ein Inline-Messgerät zur Erfassung der zentralen Messgrößen zur Steuerung einer GaswäscheWaschlösungen im richtigen ZustandGrundlegende Voraussetzung zur Nutzung von Biogas als Erdgassubstitut ist die Abtrennung von CO2. Dazu können Gaswäschen mit aminhaltigen Waschlösungen eingesetzt werden. Der Beladungsgrad der Waschflüssigkeit mit CO2 ist für den Betrieb einer Gaswaschanlage gemeinsam mit anderen Parametern entscheidend. Biogas besteht aus den Hauptkomponenten Methan (CH4), Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O). Zur Aufbereitung des Biogases in ein einspeisefähiges Erdgassubstitut ist neben der Trocknung des Gases die Abtrennung von CO2 wesentlich. Dazu bieten sich Gaswäschen an, die mit wässrigen aminhaltigen Waschmitteln arbeiten. Diese binden saure Gaskomponenten, somit auch Kohlendioxid (CO2), aus dem Biogas durch eine exotherme chemische Reaktion, die Absorption. Dabei geht das Gas in die Flüssigphase über, wobei sich in der Flüssigphase abhängig vom Partialdruck des Gases ein Gleichgewicht einstellt. Wenn die zunächst nur physikalisch gelösten Gaskomponenten mit Bestandteilen der Flüssigphase chemisch reagieren, wird die Aufnahmekapazität des Waschmittels erhöht. Dieser Prozess wird als chemische Absorption bezeichnet und besitzt in der Regel eine hohe Selektivität für einzelne Gasbestandteile. Chemisorptive Verfahren zeichnen sich durch Spitzenwerte in der erzielbaren Produktqualität aus und bei der Biogasaufbereitung zusätzlich durch sehr gute Werte beim Methanschlupf. Sie bieten sich insbesondere dann an, wenn vorhandene Wärmequellen zur Regeneration des Waschmittels, d.h. zur Desorption des CO2, genutzt werden können, die durch eine Erwärmung und Strippung mit Wasserdampf erfolgt. Inline-Messgerät Für den Betrieb einer Gaswaschanlage ist der Beladungsgrad der Waschflüssigkeit mit z.B. CO2 eine der zentralen Messgrößen, die für die Steuerung des Ab- und Desorptionsprozesses ausschlaggebend ist. Des Weiteren sind Veränderungen der Waschmittelzusammensetzung (Amin- zu Wassergehalt) und Alterungsprozesse des Waschmittels entscheidende Faktoren. Die Aufgabe, zur Erfassung dieser Messgrößen ein Inline-Messgerät zu entwickeln, es zu testen und als marktfähiges System zu präsentieren, wurde und wird im Rahmen eines Forschungsvorhabens von IUTA e.V., der Dr. Licht GmbH, IGM – Industrie Generatoren Maschinenbau GmbH und dem UFZ gelöst (Abb.1). Das Forschungsvorhaben wird im Rahmen des Programms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) – Fördermodul Kooperationsprojekte – vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Abb.1 Inline-Messgerät.
Beladung des Aminwaschmittels mit CO2 Das in wässrigen Aminlösungen ab- bzw. chemisorbierte CO2 wird durch die Zugabe einer Mineralsäure freigesetzt. In einem geschlossenen Gefäß kann somit ein Druckanstieg verzeichnet werden, der proportional zum CO2-Gehalt ist. Der Nachweis erfolgt quantitativ und kann durch die folgende einfache Reaktionsgleichung beschrieben werden. CO32- + 2 H3O+ –> CO2 + 3 H2O Für das Inline-Messgerät wurde die Zugabe der Mineralsäure in kleinen Schritten gewählt, sodass die aus der Messung resultierende Kurve einer Titrationskurve gleicht (Abb.2). Aus dem relativen Druckanstieg unter Berücksichtigung von Temperatureffekten (exotherme Reaktion) und Wassergehalt des Aminwaschmittels wird der CO2-Gehalt berechnet und auf der Bedieneroberfläche des im Messgerät integrierten Rechners angezeigt.
Abb.2 Titrationskurven verschiedener Waschmittelproben zur CO2-Bestimmung.
Wassergehalt Neben dem CO2-Gehalt ist die Zusammensetzung der wässrigen Aminlösung, d.h. der genaue Wasser- und der Amingehalt, zu erfassen. Basierend auf diesen Informationen wird Wasser oder frische Aminlösung ergänzt. Da sich die betrachteten Waschmittellösungen nur aus Wasser und Aminen zusammensetzen, ist es ausreichend, den Wasser- oder den Amingehalt zu erfassen. Dazu ist es möglich, spektroskopische Methoden einzusetzen. Abbildung 3 zeigt UV/VIS/NIR-Spektren verschiedener Aminlösungen. Die Absorption im Wellenlängenbereich um 980nm ist durch Obertöne von Molekülschwingungen (hier OH-Molekülschwingung) gekennzeichnet, die vom Wassermolekül ausgehen. Damit kann aus der Absorption bei 980?nm der Wassergehalt der Waschmittellösung bestimmt werden.
Abb.3 UV-VIS/NIR-Spektren verschiedener Aminwaschlösungen aus der Aminwäsche einer Biogasanlage. Quelle: Abschlußbericht zum FNR Verbundvorhaben: Spektroskopische Qualitätssicherung von Biogaswaschmittellösungen, FNR FZK: 22008410 & 22008511, 09/2013
Auf der Basis dieser Voruntersuchungen ist in das Inline-Messgerät eine spektroskopische Messzelle (UV/VIS/NIR) eingebaut worden, durch die eine Probe des Aminwaschmittels geführt wird. So ist es möglich, in kurzer Zeit mit geringem Aufwand den Wasser- und den CO2-Gehalt sowie indirekt auch den Amingehalt einer Waschmittellösung zu erfassen. Ausreißerbereinigt wird der Wassergehalt auf der Basis separat erstellter Kalibrierungen berechnet und neben dem CO2-Gehalt auf dem Bildschirm des eingebauten Industriecomputers sowohl als Zahlenwert ausgegeben als auch in 3-D-Graphiken für einen frei wählbaren Untersuchungszeitraum dargestellt (vgl. Abb.4).
Abb.4 Ergebnisdarstellung am Inline-Messgerät.
Der Prototyp des Messgeräts wurde im IUTA e.V. als Laborversion mit verschiedenen Aminwaschmitteln (MEA-Monoethylamin, DGA-Diglykolamin und einem Gemisch aus MDEA-Methyldiethanolamin und Piperazin) erfolgreich getestet. Eine Überführung der Laborversion in ein Inline-Messgerät wird von IGM – Industrie Generatoren Maschinenbau GmbH bis zum Projektabschluss (Dezember 2014) angestrebt. Bild: © istockphoto.com|BARBA |
C&M 6 / 2014Das komplette Heft zum kostenlosen Download finden Sie hier: zum Download Die Autoren:Weitere Artikel online lesenNewsAhlborn GmbH: Hochgenaue Temperaturmessung mit digitalen FühlernBei über 80 % aller industriellen Messaufgaben werden Temperaturen gemessen. Wichtig ist das Zusammenspiel von Messgerät und Fühler sowie die verwendete Technologie. Aus der Präzisionsschmiede, der Firma Ahlborn aus Holzkirchen bei München, kommt jetzt ein Messsystem für hochgenaue Temperaturmessung, das nicht nur im Labor verwendet werden kann.© Ahlborn Mess- und Regelungstechnik GmbH |