Gasanalysen auf Nass- und Trockenbasis können nicht austauschbar in eine Stoffbilanz eingesetzt werden. Die Zusammensetzung auf Nassbasis enthält Wasserdampf im Gesamtgas, während eine Orsat-Analyse auf Trockenbasis Wasser nach Kondensation oder Absorption ausschließt. Da das Entfernen von Wasser den Nenner jedes verbleibenden Molenbruchs verändert, müssen Ingenieure sowohl die Gaszusammensetzung als auch die Durchflussrate auf eine gemeinsame Basis umrechnen, bevor sie Verbrennungsleistung, Umsatz, Emissionen oder Energiebilanzen berechnen.

Wichtigste Erkenntnis: Ein Orsat-Ergebnis auf Trockenbasis beschreibt die Zusammensetzung des feuchtigkeitsfreien Gases, während ein Abgasstrom normalerweise das gesamte feuchte Gas darstellt. Der Wassergehalt muss daher separat gemessen oder berechnet werden, um die analytische Zusammensetzung mit der tatsächlichen Stoffbilanz abzugleichen.

Warum sich die beiden Analysebasen unterscheiden

Die Zusammensetzung auf Nassbasis enthält Wasserdampf

Für einen feuchten Gasstrom gilt für die Molenbrüche:

[ \sum_i y_{i,\text{wet}} + y_{\mathrm{H_2O},\text{wet}} = 1 ]

Das Wasser kann aus der Oxidation von Wasserstoff im Brennstoff, der Verdampfung von Feuchtigkeit im Einsatzstoff, der Befeuchtung oder dem Kontakt mit einem wässrigen Prozessstrom stammen.

Die Zusammensetzung auf Trockenbasis schließt Wasser aus

Ein Orsat-Analysator entfernt normalerweise kondensierbares Wasser, bevor Komponenten wie Kohlendioxid, Sauerstoff und Kohlenmonoxid gemessen werden. Seine berichtete Zusammensetzung erfüllt:

[ \sum_i y_{i,\text{dry}} = 1 ]

Das Trockenergebnis ist daher über die verbleibenden Gase normiert. Es bedeutet nicht, dass im ursprünglichen Abgas kein Wasser vorhanden war.

Kondensation verändert die scheinbaren Konzentrationen

Angenommen, das feuchte Gas enthält 10 Mol-% Wasser und 9 Mol-% Kohlendioxid. Auf Trockenbasis wird die Kohlendioxidkonzentration:

[ y_{\mathrm{CO_2},\text{dry}}

\frac{0.09}{1-0.10}

0.10 ]

Die Menge an Kohlendioxid hat nicht zugenommen. Sein ausgewiesener Prozentsatz ist gestiegen, weil Wasser aus dem Nenner entfernt wurde.

Umrechnung von Gaszusammensetzungen

Umrechnung von Nassbasis in Trockenbasis

Wenn der Wasser-Molenbruch auf Nassbasis bekannt ist, wird jede wasserfreie Komponente wie folgt umgerechnet:

[ y_{i,\text{dry}}

\frac{y_{i,\text{wet}}}{1-y_{\mathrm{H_2O},\text{wet}}} ]

Enthält ein feuchtes Rauchgas beispielsweise 8 Mol-% Sauerstoff und 12 Mol-% Wasser:

[ y_{\mathrm{O_2},\text{dry}}

\frac{0.08}{1-0.12}

0.0909 ]

Die entsprechende Sauerstoffkonzentration auf Trockenbasis beträgt ungefähr 9,09 Mol-%.

Umrechnung von Trockenbasis in Nassbasis

Wenn die Zusammensetzung auf Trockenbasis und der Wasseranteil auf Nassbasis bekannt sind:

[ y_{i,\text{wet}}

y_{i,\text{dry}} \left(1-y_{\mathrm{H_2O},\text{wet}}\right) ]

Wenn stattdessen das molare Verhältnis von Wasser zu Trockengas bekannt ist, (r_{\mathrm{H_2O}/\mathrm{dry}}), gilt:

[ y_{i,\text{wet}}

\frac{y_{i,\text{dry}}} {1+r_{\mathrm{H_2O}/\mathrm{dry}}} ]

Der Wasseranteil selbst beträgt:

[ y_{\mathrm{H_2O},\text{wet}}

\frac{r_{\mathrm{H_2O}/\mathrm{dry}}} {1+r_{\mathrm{H_2O}/\mathrm{dry}}} ]

Messung des Wassergehalts

Der Wassergehalt kann durch eine Feuchtemessung, die Bestimmung des Taupunkts, eine psychrometrische Berechnung oder eine direkte Kondensatmessung ermittelt werden. Die Methode muss derselben Probenahmestelle und denselben Betriebsbedingungen wie die Gasanalyse entsprechen.

Wie die Unterscheidung Stoffbilanzen verändert

Der gesamte molare Durchfluss muss den richtigen Nenner verwenden

Sei (F_{\text{wet}}) der gesamte molare Durchfluss des feuchten Gases und (F_{\text{dry}}) der feuchtigkeitsfreie Durchfluss. Dann gilt:

[ F_{\text{dry}}

F_{\text{wet}} \left(1-y_{\mathrm{H_2O},\text{wet}}\right) ]

und:

[ F_{\text{wet}}

\frac{F_{\text{dry}}} {1-y_{\mathrm{H_2O},\text{wet}}} ]

Eine Orsat-Zusammensetzung auf Trockenbasis, die direkt mit einem feuchten Abgasdurchfluss multipliziert wird, liefert falsche Komponenten-Durchflussraten. Das Ergebnis kann die tatsächlichen Mengen je nach verwendeter Basis für Durchfluss und Zusammensetzung über- oder unterschätzen.

Komponenten-Durchflussraten erfordern eine übereinstimmende Basis

Für die Komponente (i) gilt:

[ \dot n_i

F_{\text{dry}}y_{i,\text{dry}}

F_{\text{wet}}y_{i,\text{wet}} ]

Beide Ausdrücke sind nur dann gleichwertig, wenn Zusammensetzung und Gesamtdurchfluss auf übereinstimmenden Basen angegeben werden.

Dies ist insbesondere für Kohlendioxid, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenmonoxid wichtig, die häufig zur Ableitung der Verbrennungsstöchiometrie und der Prozessleistung verwendet werden.

Wasser muss in Massenbilanzen als explizite Komponente berücksichtigt werden

In einer Verbrennungsbilanz erzeugt der Wasserstoff im Brennstoff Wasser, während Feuchtigkeit auch mit dem Brennstoff oder der Verbrennungsluft eintreten kann. Der austretende Wasserstrom sollte daher explizit berechnet werden:

[ \dot n_{\mathrm{H_2O,out}}

\dot n_{\mathrm{H_2O,formed}} + \dot n_{\mathrm{H_2O,in}}

\dot n_{\mathrm{H_2O,condensed}} ]

Eine Orsat-Analyse auf Trockenbasis misst dieses austretende Wasser nicht direkt. Wird es weggelassen, kann eine scheinbar geschlossene Bilanz nur dadurch entstehen, dass Fehler auf andere Komponenten oder auf die abgeleiteten Luft- und Brennstoffströme verlagert werden.

Auch volumenbasierte Durchflüsse sind betroffen

Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck ist das Gasvolumen proportional zum gesamten molaren Durchfluss. Folglich stellen ein feuchtes Abgasvolumen und ein trockenes Normvolumen nicht dieselbe Gasmenge dar.

Die Umrechnung muss sowohl die Entfernung von Feuchtigkeit als auch die angegebenen Referenzbedingungen berücksichtigen. Wird beispielsweise eine Schadstoffkonzentration auf Trockenbasis mit einem feuchten Volumenstrom verwendet, entsteht bei der Berechnung der Massenemissionsrate ein Basismismatch.

Auswirkungen auf Verbrennung und die Bewertung von Pilotanlagen

Berechnung des Luftüberschusses

Die Sauerstoffkonzentration wird häufig zur Abschätzung des Luftüberschusses verwendet. Der Orsat-Sauerstoffwert auf Trockenbasis eignet sich für eine Verbrennungsberechnung auf Trockenbasis, muss jedoch mit Daten zu trockenem Kohlendioxid, Stickstoff und Kohlenmonoxid sowie einer geeigneten Trockengasbilanz kombiniert werden.

Die Verwendung von Sauerstoff auf Nassbasis mit Stickstoff oder Kohlendioxid auf Trockenbasis führt zu einer intern inkonsistenten Berechnung.

Theoretischer Luftbedarf und Rauchgasprognose

Der theoretische Luftbedarf wird aus der Brennstoffzusammensetzung und der Stöchiometrie bestimmt, nicht daraus, ob der Analysator feuchtes oder trockenes Gas ausgibt. Die gemessenen Rauchgaskonzentrationen müssen jedoch auf die ausgewählte Basis umgerechnet werden, bevor sie mit theoretischen Vorhersagen verglichen werden.

Feuchtigkeit beeinflusst die scheinbaren Konzentrationen von Sauerstoff und Kohlendioxid und kann daher die abgeleitete Luftleckage, Brennstoffumsetzung oder Vollständigkeit der Verbrennung verfälschen.

Schadstoffemissionen

Schadstoffkonzentrationen können auf Nassbasis, Trockenbasis oder auf eine korrigierte Referenzsauerstoffbasis bezogen angegeben werden. Die Berichterstattungsbasis muss genannt werden, da sich die numerische Konzentration ändert, wenn Wasser entfernt wird.

Für einen aussagekräftigen Vergleich zwischen Pilotversuchen oder mit gesetzlichen Grenzwerten müssen für jedes Ergebnis dieselbe Feuchtekorrektur, Sauerstoffkorrektur, Temperatur, Druck- und Durchflussreferenz verwendet werden.

Energie- und Enthalpiebilanzen

Wasser hat einen erheblichen Einfluss auf die Enthalpie des Gasstroms, da es als Dampf, als flüssiges Kondensat oder in beiden Formen vorliegen kann. Eine trockene Zusammensetzung allein reicht zur Berechnung der tatsächlichen Enthalpie des feuchten Gases nicht aus.

Die Energiebilanz muss den Wasserstrom und seinen thermodynamischen Zustand einschließlich fühlbarer und, sofern relevant, latenter Wärme berücksichtigen.

Auswahl einer konsistenten Berechnungsbasis

Zuerst die Prozessbasis festlegen

Für eine kontinuierliche Pilotanlage ist eine Basis wie eine Betriebsstunde meist zweckmäßig. Für einen Batchbetrieb kann die Basis eine Beschickung oder ein vollständiger Batch sein.

Die Basis sollte vor der Umrechnung der Analysedaten festgelegt werden, damit alle Zu-, Ab-, Kondensat- und Reaktionsströme konsistent berücksichtigt werden.

Für reagierende Systeme Elementbilanzen verwenden

Verbrennung ist ein reaktiver Vorgang, daher ist eine einfache Gesamtmolenbilanz im Allgemeinen nicht ausreichend. Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffbilanzen liefern zusammen mit der Reaktionsstöchiometrie und dem gemessenen Umsatz den richtigen Rahmen.

Die Nass-/Trocken-Umrechnung liefert konsistente Stromzusammensetzungen; sie ersetzt nicht die Reaktionsbilanz.

Kondensation bei Bedarf als separaten Strom behandeln

Wenn Wasser in einem Kühler, einer Probenahmeleitung, einem Wärmetauscher oder einem nachgeschalteten Wäscher kondensiert, muss das Kondensat als austretender Strom berücksichtigt werden. Ein Ergebnis des Trockenanalysators kann das Gas nach der Kondensation und nicht die Gaszusammensetzung am Prozessausgang widerspiegeln.

Dieser Unterschied ist wichtig, wenn die Bilanzgrenze die Probenahme- oder Kühleinrichtung einschließt.

Die Zielkonflikte verstehen

Die Analyse auf Trockenbasis ist leichter vergleichbar

Eine Analyse auf Trockenbasis ist nützlich, weil sie eine stark schwankende Komponente entfernt. Gasanalysatoren, die mit Wasser oder wässrigen Lösungen arbeiten, liefern außerdem häufig Messwerte, die praktisch feuchtigkeitsfrei sind.

Dadurch eignen sich trockene Daten gut zum Vergleich von Verbrennungsbedingungen, sofern der Wassergehalt separat beibehalten wird.

Die Analyse auf Trockenbasis beschreibt nicht den vollständigen Abgasstrom

Ein Orsat-Ergebnis auf Trockenbasis kann allein weder den gesamten feuchten Gasstrom, den Wasseraustrag, die Enthalpie des feuchten Gases noch die vollständige Wasserstoffbilanz bestimmen. Diese Größen erfordern eine unabhängige Feuchtemessung oder eine begründete Prozessberechnung.

Die Behandlung des Trockenergebnisses als vollständige Abgasanalyse ist eine häufige Ursache für Fehler in Stoffbilanzen.

Feuchtemessungen führen zu Unsicherheiten

Der Wasseranteil kann sich mit Temperatur, Druck, Luftleckage, Feuchtigkeit im Einsatzstoff und Kondensation in Probenahmeleitungen ändern. Ungenaue oder ungünstig platzierte Feuchtemessungen können daher erhebliche Unsicherheiten bei umgerechneten Durchflussraten und Emissionen verursachen.

Probenahmesysteme sollten unbeabsichtigte Kondensation verhindern, wenn das Prozessgas charakterisiert werden soll, oder sie ausdrücklich berücksichtigen, wenn das zum Analysator gelangende Gas charakterisiert werden soll.

Basisfehler können wie Prozessänderungen aussehen

Eine Änderung des ausgewiesenen Sauerstoff- oder Kohlendioxidgehalts kann auf eine Änderung des Feuchtigkeitsgehalts und nicht auf eine Änderung der Verbrennungsbedingungen zurückzuführen sein. Der Vergleich eines Ergebnisses auf Nassbasis aus einem Versuch mit einem Ergebnis auf Trockenbasis aus einem anderen kann fälschlicherweise Änderungen des Luftüberschusses, des Umsatzes oder der Reaktorleistung nahelegen.

Basis, Referenzbedingungen, Probenahmestelle und Feuchtekorrektur sollten jede angegebene Gaszusammensetzung begleiten.

So wenden Sie dies auf Ihre Pilotanlage an

Das zuverlässigste Vorgehen besteht darin, eine Basis auszuwählen, jede Gasmessung darauf umzurechnen und anschließend die Stoff- und Energiebilanzen durchzuführen.

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Abschluss der Stoffbilanz liegt: Berechnen Sie die Komponentenströme aus übereinstimmenden Basen für Gesamtstrom und Zusammensetzung und berücksichtigen Sie Wasserdampf sowie jegliches Kondensat als explizite Ströme.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Verbrennungseffizienz liegt: Verwenden Sie Orsat-Daten auf Trockenbasis mit einer stöchiometrischen Trockengasbilanz und berücksichtigen Sie den gemessenen Feuchtigkeitsgehalt separat, um feuchte Ströme und die Wasserstoffbilanz zu bestimmen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Emissionsüberwachung liegt: Geben Sie an, ob die Konzentrationen auf Nass- oder Trockenbasis angegeben sind, und standardisieren Sie Feuchte-, Sauerstoff-, Temperatur-, Druck- und Volumenstromkorrekturen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Energieleistung liegt: Wandeln Sie die trockene Analyse in einen vollständigen feuchten Gasstrom um und berücksichtigen Sie Wasserdampf oder Kondensat in der Enthalpieberechnung.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Vergleich von Pilotversuchen liegt: Halten Sie Analysebasis und Referenzbedingungen konstant oder rechnen Sie alle Versuche auf dieselbe Basis um, bevor Sie Schlussfolgerungen ziehen.

Eine Umrechnung zwischen Nass- und Trockenbasis ist keine kosmetische Anpassung der Berichterstattung, sondern der Schritt, der die Gasanalyse mit einer physikalisch korrekten Bilanz der Pilotanlage kompatibel macht.

Zusammenfassungstabelle:

Wichtiger Bereich	Erforderlicher Ansatz	Risiko eines Basismismatches
Gaszusammensetzung	Nasse und trockene Molenbrüche auf eine gemeinsame Basis umrechnen	Falsche Komponentenprozentsätze
Durchflussrate	Den gesamten feuchten oder trockenen Durchfluss mit der entsprechenden Zusammensetzung abstimmen	Falsche Komponenten-Durchflussraten
Wasserbilanz	Wasserbildung als Dampf, Eintrittsfeuchtigkeit und Kondensat berücksichtigen	Unvollständige Wasserstoffbilanz
Verbrennungsanalyse	Orsat-Daten auf Trockenbasis mit einer konsistenten stöchiometrischen Trockengasbilanz verwenden	Verzerrte Ergebnisse zum Luftüberschuss
Emissionen	Feuchte-, Sauerstoff-, Temperatur-, Druck- und Durchflussreferenzen standardisieren	Irreführende Emissionsvergleiche
Energiebilanz	Wasserdampf, Kondensat, fühlbare Wärme und latente Wärme berücksichtigen	Ungenaue Enthalpieberechnungen

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