2.3.1 Auswahl der Messstrecke und der Messebene
Für die Durchführung von Emissionsmessungen und die Qualität der dabei erzeugten Messwerte ist eine sorgfältige Auswahl der Messstrecke und der Messebene in der Messstrecke von großer Bedeutung. Die Probenahmestelle für die Messeinrichtungen im Messquerschnitt muss so gewählt werden, dass eine repräsentative Messung zur Bewertung des Emissionsverhaltens der Anlage gegeben ist [18; 30]. Deshalb sollte bei Neuanlagen schon in der Planungsphase ein Fachinstitut für die Festlegung der Messstrecken und Messebenen für die kontinuierliche Emissionsüberwachung und für Einzelmessungen hinzugezogen werden.
Die Verteilung von Abgasgeschwindigkeit und Massenkonzentration des Messobjektes kann über den Messquer-schnitt inhomogen sein. Gegebenfalls kann eine geeignete Messebene erst nach Voruntersuchungen festgelegt werden.
Anforderungen an die Lage und Beschaffenheit von Messstrecke und Messebene werden in den Richtlinien - VDI 2066, Blatt 1 „Messen von Partikeln - Staubmessungen in strömenden Gasen – Gravimetrische
Bestimmung der Staubbeladung - Übersicht“ [34],
- VDI 2066, Blatt 4 „Messen von Partikeln - Staubmessungen in strömenden Gasen - Bestimmung der Staubbeladung durch Messen der optischen Transmission“ [36],
- VDI 2448, Blatt 1 „Planung von stichprobenartigen Emissionsmessungen an geführten Quellen“ [30], - VDI 4200 „Durchführung von Emissionsmessungen an geführten Quellen“ [31],
- VDI 3950, Blatt 1 „Kalibrierung automatischer Emissionsmesseinrichtungen“ [32]
formuliert.
Die wichtigsten Anforderungen betreffen - die Lage und die Form der Messstrecke im Abgaskanal, - die Lage der Messebene in der Messstrecke,
- die Anzahl, Lage und Beschaffenheit der Messöffnungen, - die Beschaffenheit der Messbühne (z.B. Minimalabmessungen,
Witterungsschutz).
In VDI 4200 werden die Anforderungen an den Messquerschnitt folgendermaßen formuliert:
„Im Messquerschnitt sollte eine ungestörte Strömung vorhanden sein. Dies ist erfahrungsgemäß der Fall, wenn der Messquerschnitt innerhalb einer geraden Messstrecke mit gleichbleibender Größe und Form des Querschnitts und störungsfreiem Einlauf und Auslauf angeordnet ist. Umlenkungen, Abzweigungen, Absperrorgane, Ventilatoren und andere Einbauten sowie Querschnittsänderungen, Staubansätze usw. wirken sich störend auf die Strömungsverhältnisse aus.
Die Längen der Ein- und Auslaufstrecken sollen jeweils mindestens das Dreifache des hydraulischen Durch-messers1) des Messquerschnitts betragen. Ist diese Forderung nicht zu erfüllen, so ist die Einlaufstrecke länger zu wählen als die Auslaufstrecke.“
Bei der Wahl der Messebene sind Messebenen stromabwärts vom Saugzugventilator vorzuziehen, da dort eine gleichmäßigere Durchmischung des Abgases wahrscheinlicher ist als stromaufwärts. Die Probenahme für die Messung partikelförmiger Stoffe in horizontalen Abgaskanälen sollte wegen möglicher Sedimentations-erscheinungen entlang einer vertikalen Messachse erfolgen [34].
1) Anm.: Der hydraulische Durchmesser ist das Verhältnis vom vierfachen Umfang zur Fläche des durch das strömende Medium benetzten Kanalquerschnitts.
Die Messbühne muss sicher erreicht werden können. Die Abmessungen der Messbühne müssen für die Messaufgabe ausreichend sein (z.B. Abb. 2.1), d.h.
- Es muss ausreichend Abstellplatz für Geräte vorhanden sein. Bei belegtem Abstellplatz muss sich das Mess-personal noch sicher auf der Messbühne bewegen können.
- Sollen Netzmessungen durchgeführt werden, dann muss ausreichend Traversierraum zum Verschieben der Sonden vorhanden sein. Es ist darauf zu achten, dass Schutzgitter bzw. Geländer das Verschieben der Sonden nicht behindern.
- Die Arbeitshöhe von der Messbühne bis zu den Messachsen sollte ca. 1,2 bis 1,5 m betragen. Das Einführen der Sonden in die Messöffnungen muss gefahrlos möglich sein und darf nicht durch Schutzgitter bzw.
Geländer behindert werden.
Abb. 2.1: Beispiel für eine Messbühne an einem senkrechten Abgaskamin mit zwei Messachsen und vier Messöffnungen für die Durchführung traversierender Messungen (mehrere Messverfahren gleichzeitig möglich) [31]
2.3.2 Netzmessungen
Zur Durchführung einer Netzmessung wird der Messquerschnitt in mehrere flächengleiche Teilflächen aufgeteilt.
Abb. 2.2 zeigt am Beispiel eines rechteckigen und eines runden Kanalquerschnittes die Aufteilung in Teilflächen nach VDI 2066, Bl. 1 [34] bzw. VDI 4200 [31]. Rechteckige Querschnitte werden in ähnliche Teilflächen aufgeteilt, runde Querschnitte in Kreisringe. Die Messpunkte befinden sich auf den Flächenschwerpunkten der Teilflächen (rechteckiger Querschnitt) bzw. auf den Schnittpunkten der Messachsen mit den Schwerelinien der Kreisringe (runder Querschnitt). VDI 2066, Blatt 1 bzw. VDI 4200 gibt eine detaillierte Anleitung zur Auswahl der Messpunkte für Netzmessungen.
Bei runden Querschnittsflächen werden die Abstände der Messpunkte von der Rohrwand nach Gleichung 2.1 in Abhängigkeit der Anzahl i der Teilflächen und der Ordnungszahl n errechnet.
Gl. 2.1
i=Anzahl der Teilflächen n=Ordnungszahl
Abb. 2.2: Lage der Messpunkte im rechteckigen und runden Kanalquerschnitt nach VDI 2066, Bl.1 2.3.3 Extraktive isokinetische Probenahme [34; 41]
Die extraktive Probenahme für die Erfassung von Partikeln, partikelgebundener Stoffe und von Aerosolen muss isokinetisch erfolgen. Dies bedeutet, dass die Entnahme des Messgutes aus dem Abgasvolumenstrom mit der gleichen Geschwindigkeit wie im Abgasvolumenstrom am Messpunkt erfolgt, um Entmischungserscheinungen bei der Probenahme vorzubeugen. Dafür ist eine genaue Kenntnis der Strömungsverhältnisse im Messquerschnitt erforderlich. Es ist bekannt, dass solche Entmischungseffekte bei zu geringer Absauggeschwindigkeit stärker ins Gewicht fallen als bei Überschreitung der erforderlichen Absauggeschwindigkeit. Besteht die Gefahr, dass die erforderliche Absauggeschwindigkeit nicht genau eingeregelt werden kann (z.B. wegen pulsierender geschwindigkeiten), wählt man die Absauggeschwindigkeit über der am Messpunkt ermittelten Strömungs-geschwindigkeit (max 10 %). Den Einfluss einer nicht isokinetischen Absaugung auf die Probenahme von Partikeln und Aerosolen zeigt Abb. 2.3. Durch nicht angepasste Absauggeschwindigkeit wird die Gasströmung vor der Sondenöffnung beeinflusst. Größere (schwerere) Partikel folgen aufgrund ihrer Massenträgheit nicht den Gasstromlinien. Dies bewirkt, dass sie bei zu geringer Absauggeschwindigkeit überproportional (Fall B) und bei zu großer Absauggeschwindigkeit unterproportional (Fall C) erfasst werden.
n
Runder Querschnitt mit zwei Meßachsen und acht Meßpunkten je Meßachse
Messachse
Abb. 2.3: Einfluss von Absaugfehlern (nicht isokinetische Probenahme) auf die Probenahme
Die Probenahme für kontinuierlich arbeitende Messeinrichtungen erfolgt in der Regel punktförmig oder linienförmig entlang einer Messachse im Messquerschnitt. Durch Netzmessungen mit Vergleichsmessverfahren (manuelle Messungen) muss bei der Kalibrierung der Messeinrichtung nachgewiesen werden, dass die Probenahmestelle repräsentativ für das jeweilige Messobjekt in der Messebene ist.
Manuelle Messungen von Partikeln, partikelgebundener Stoffe und von Aerosolen werden in der Regel immer durch Netzmessungen realisiert.
Für die isokinetische Probenahme entsprechend eines zuvor ermittelten Strömungsprofiles (siehe unter 2.3.5) wird an jedem Messpunkt die Absauggeschwindigkeit der zuvor ermittelten Strömungsgeschwindigkeit angepasst. Die Absaugzeit wird für jeden Messpunkt gleichlang gewählt. Eine Wichtung unterschiedlicher Massenkonzentrationen an verschiedenen Messpunkten mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten wird dabei automatisch über das absolute Volumen des abgesaugten Messgutes durchgeführt.
Automatisierte manuelle Staubprobenahmesysteme messen die Strömungsgeschwindigkeit oder die Druck-verhältnisse an der Sonde kontinuierlich und regeln die Absauggeschwindigkeit automatisch (siehe unter 4.2.1).
2.3.4 Extraktive Probenahme für die Gasmessung
Die extraktive Probenahme für die Gasmessung kann entweder in Form einer Netzmessung (querschnitts-integrierend) oder punktförmig durchgeführt werden. Die Probenahme an einem Messpunkt in der Messebene (punktförmige Probenahme) setzt voraus, dass der gewählte Messpunkt hinsichtlich der Massenstromdichte des zu untersuchenden Messobjektes repräsentativ für den gesamten Messquerschnitt ist. Diese Repräsentativität muss nachgewiesen werden. Zum Nachweis bedient man sich in der Regel kontinuierlich aufzeichnender Messverfahren für das Messobjekt oder für eine Leitkomponente. Die Probenahme kann an einem beliebigen Punkt in der Messebene erfolgen, wenn eine ausreichende Homogenität der Messobjekte nachgewiesen wurde.
Wird ein inhomogenes Geschwindigkeits- und Konzentrationsprofil festgestellt, dann müssen die Messwerte in Abhängigkeit vom Probenahmepunkt massenproportional gewichtet werden [31].
Bei der extraktiven Probenahme ist es oft erforderlich, dass das Messgut vor dem eigentlichen Analyseverfahren konditioniert wird. Darunter versteht man z. B. die Entfernung von Partikeln (Filter/Feinstaubfilter) oder von
Feuchte (Messgaskühler/-trockner) aus dem Messgut. Dabei muss sichergestellt sein, dass durch die Konditio-nierung die Messobjekte nicht verändert oder zurückgehalten werden. Einrichtungen zur Messgut-konditionierung sind in die Kalibrierung/ Funktionsprüfung von kontinuierlich arbeitenden Analysegeräten mit einzubeziehen.
2.3.5 Ermittlung der Abgasrandbedingungen
Um den Zustand eines Gasstromes eindeutig beschreiben zu können, ist es erforderlich, folgende Abgasparameter, die als Abgasrandbedingungen bezeichnet werden, festzustellen:
- Abgasdichte
- Feuchte (siehe unter 4.3.3)
- Strömungsgeschwindigkeit und statischer Druck (siehe unter 4.3.4) - Temperatur (siehe unter 4.3.5)
Die Normdichte eines trockenen Gases wird aus der Gaszusammensetzung berechnet. Sie ergibt sich aus der Summe der mit den jeweiligen Volumenanteilen multiplizierten Normdichten der Gaskomponenten.
å × ρ
=
ρ
nr
ni, ni, Gl. 2.2ρn: Normdichte des Gases (trocken)
ρn, i: Normdichte der Gaskomponente i (trocken) rn, i: Volumenanteil der Gaskomponente i (trocken)
Dabei sollten Gaskomponenten berücksichtigt werden, deren Anteil 1 % des Gasvolumens übersteigt. In VDI 2066, Bl. 1 [34] sind die Zahlenwerte für relative Molekülmasse, Molvolumen und Normdichte der wichtigsten luftverunreinigenden Stoffe zusammengestellt. Im Messalltag ist es bis auf wenige Ausnahmen (z.B. CO-Anteil im Hochofengichtgas) ausreichend, die Anteile an Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2), und Kohlendioxid (CO2) zu berücksichtigen. Aus der Normdichte, der Temperatur, der Feuchte und den Druckverhältnissen im Kanal wird die Betriebsdichte (feucht) berechnet.