Anwendungen der Online-Überwachungstechnologie für die Rauchgasfeuchte -2

Ionenfluss (Zirkonoxid)

Auf Grundlage eingehender theoretischer Forschung und zahlreicher Experimente konnte nachgewiesen werden, dass Ionenflusssensoren präzise Feuchtigkeitsmessungen ermöglichen. Die Feuchtigkeitsmessung erfolgt durch Anpassen der Spannung an Kathode und Anode des Sensors. Diese Entdeckung löst das Problem, dass herkömmliche Feuchtigkeitssensoren in Umgebungen mit hohen Temperaturen (z. B. über 100 °C) nicht zuverlässig funktionieren.

Auf beiden Seiten von stabilisiertem ZrO₂ sind Platinelektroden aufgebracht. Die Kathodenseite ist mit einer Abdeckung versehen, die Gasdiffusionslöcher aufweist und so einen Kathodenhohlraum bildet. Bei einer bestimmten Temperatur wird eine spezifische Betriebsspannung an Anode und Kathode des ZrO₂ angelegt. Sauerstoffmoleküle im Hohlraum nehmen an der Kathode Elektronen auf und bilden Sauerstoffionen (O₂⁻). Die O₂⁻ wandern durch Sauerstofffehlstellen im ZrO₂ zur Anode, geben dort Elektronen ab und werden zu Sauerstoffmolekülen, die nach außen entladen werden. Dieses Phänomen wird als elektrochemische Pumpe bezeichnet. Auf diese Weise wird der Sauerstoff im Kathodenhohlraum kontinuierlich durch den ZrO₂-Elektrolyten aus dem Hohlraum herausgepumpt, und Sauerstoffionen fließen von der Kathode durch das ZrO₂ zur Anode, wodurch ein Sauerstoffionenstrom entsteht. Bei konstanter Sauerstoffkonzentration in der Messatmosphäre steigt der Ausgangsstrom des Zirkonoxidsensors mit zunehmender angelegter Spannung nicht weiter an, sondern erreicht einen konstanten Wert. Dieser konstante Stromwert wird als Grenzstromwert für diese Sauerstoffkonzentration bezeichnet und als erster Grenzstromwert (siehe Abbildung 1-A) bezeichnet. Gemäß diesem Funktionsprinzip führt eine Erhöhung der angelegten Betriebsspannung bei wasserdampfhaltiger Messatmosphäre zur Ionisierung des Wasserdampfs in Sauerstoffionen. Bei konstanter Wasserdampfkonzentration in der Messatmosphäre gibt der Zirkonoxidsensor analog dazu einen konstanten Stromwert aus, den sogenannten zweiten Grenzstromwert (siehe Abbildung 1-B). Der erste Grenzstromwert I₁ und der zweite Grenzstromwert I₂ sind proportional zum Sauerstoffpartialdruck bzw. zum Sauerstoffpartialdruck in der wasserdampfhaltigen Atmosphäre.

Der Sauerstoffgehalt im Rauchgas lässt sich anhand des ersten Grenzstroms berechnen, die Rauchgasfeuchte hingegen anhand der Differenz zwischen dem zweiten und dem ersten Grenzstrom. Daher bieten Feuchtigkeitsmessgeräte, die auf dem Grenzstromprinzip mit Zirkonoxid basieren, einen deutlichen Vorteil gegenüber Geräten mit anderen Messprinzipien. Da die Sauerstoffdetektion ihre Kernfunktion ist und die Sauerstoffmessung Voraussetzung für die Feuchtigkeitsmessung darstellt, ist kein separater Sauerstoffanalysator erforderlich. Ein einziges Feuchtigkeitsmessgerät liefert beide Messdatensätze gleichzeitig.

Saugbetriebene Hochtemperatur-Feuchteanalysatoren werden von mehreren Unternehmen in China hergestellt. Hier werden die Produkte von Chang Ai beispielhaft vorgestellt.

Um den Einfluss korrosiver Atmosphären auf Sensorelektroden zu minimieren, hat Chang Ai die Zirkonoxid-Platin-Katalysatorelektrodenmaterialien verbessert und ein neuartiges Elektrolytmaterial mittels nanochemischer Synthese entwickelt. Dieses Verfahren behebt Elektrodenkorrosion und verkürzte Lebensdauer in SO₂-reichen Rauchgasen aus Müllverbrennungsanlagen, Erzverhüttungsanlagen, Keramikfabriken und Kraftwerken. Aufbauend auf der Technologie von Strombegrenzungssensoren gelang Chang Ai zudem eine bahnbrechende Innovation: Zwei Sauerstoffsensoren wurden gemeinsam auf einem Chip gesintert. Damit wurde die Herausforderung gelöst, dass ein einzelner Sauerstoffsensor nicht gleichzeitig dynamischen und elektrolytisch gelösten Sauerstoff messen kann.

Das 3D-Ionenflussmessgerät verwendet eine duale Ionenflusssensoreinheit. Eine Einheit misst den Gehalt an Wasserdampf und Sauerstoff, die andere den Gehalt an reinem Sauerstoff. Durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen werden Sauerstoffionen ionisiert und mit Wasserdampf vermischt. Der Gehalt an Sauerstoffionen und Wasserdampf lässt sich dann mittels Strommessung bestimmen. Dank seiner hohen Temperaturbeständigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen arbeitet dieser Sensor auch in anspruchsvollen Gasumgebungen zuverlässig. Funktionsprinzip und Aufbau sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung (4) Aufbau eines Ionenfluss-Feuchtigkeitssensors

Der 3D-Ionenfluss-Feuchteanalysator CI-PC196 besteht aus einer Hochtemperatur-Probenahmesonde und der Steuereinheit (siehe Abbildung 5). Die Steuereinheit unterstützt automatische Rückspülung und automatische Kalibrierung. Die Sonde verfügt über eine Begleitheizung, um Kondenswasserbildung im Inneren zu verhindern, und ist an ihrem Ende mit einem Sinter-Edelstahl- oder Keramikfilter versehen.

Abbildung (5) CI-PC196 Hochtemperatur-Hygrometer

Die Sonde umfasst einen im Abgasrohr eingeführten Primärfilter, ein Probenahmerohr, eine Spüleinheit und einen Sensor am außerhalb des Abgasrohrs liegenden, temperaturarmen Ende. Hochtemperiertes Abgas wird mittels einer druckluftbetriebenen Ejektorpumpe aus dem Abgasrohr abgesaugt. Das Abgas tritt durch den Sensoreinlass ein und tritt durch den Luftauslass aus. Durch Steuerung von Druck und Durchflussrate der Druckluft lässt sich die Durchflussrate des angesaugten Gases regulieren. Die Sonde ist ein strombasierter Sauerstoffsensor, dessen Funktionsprinzip sich von dem direkt einführbarer, konzentrationsbasierter Zirkonoxid-Sonden unterscheidet. Unter Hochtemperaturbedingungen wird das Zirkonoxid (ZrO₂) aufgrund der Migration von Sauerstoffionen leitfähig. Ab einer Temperatur von 650 °C wandern die Sauerstoffionen; mit steigender Sauerstoffkonzentration erhöht sich der Strom proportional zum Anstieg des Ionenflusses.

Im Vergleich zu herkömmlichen Feuchtigkeitssensoren auf Polymer-, Elektrolyt- und Keramikbasis unterscheidet sich dieses Gerät grundlegend in Konstruktion, Testmethoden und Funktionsprinzipien und bietet dadurch bemerkenswerte Vorteile: Es zeichnet sich durch hervorragende Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit aus (der Sensor arbeitet bei Temperaturen über 600 °C) und ist somit für den Einsatz in Umgebungen mit hohen Temperaturen über 200 °C geeignet. Die Messung des Feuchtigkeitsgehalts erfolgt über die Zersetzungsmenge des Wasserdampfs unter einer Zersetzungsspannung, was eine hohe Selektivität ermöglicht. Darüber hinaus kann dieses Prinzip die Luftfeuchtigkeit und die Sauerstoffkonzentration gleichzeitig messen. Es findet breite Anwendung im Umweltschutz, in der Druck- und Färbeindustrie, der Holz-, Baustoff-, Papier-, Chemie-, Faser- und Pharmaindustrie sowie in der Verarbeitung und Lagerung von Lebensmitteln, Tabak, Gemüse und Getreide.