Sauerstoffmessung im Klärgas – zuverlässige Überwachung von Biogas- und Faulgasprozessen

Klärgas entsteht in kommunalen und industriellen Kläranlagen bei der anaeroben Behandlung von Klärschlamm. Es besteht hauptsächlich aus Methan und Kohlendioxid und wird häufig zur Energieerzeugung, Gasaufbereitung oder Einspeisung weiterverwendet.

Die Sauerstoffmessung im Klärgas dient der sicheren und zuverlässigen Überwachung des Gasprozesses. Je nach Anlage wird der Sauerstoffgehalt zur Prozesskontrolle, zur Überwachung von Fremdluftzutritt, zum Schutz nachgeschalteter Anlagenteile oder als Bestandteil eines Sicherheitskonzeptes eingesetzt.

Die besondere Herausforderung liegt dabei weniger in der eigentlichen Sauerstoffmessung, sondern in den Randbedingungen des Messgases: Klärgas ist feucht, kann kondensieren und enthält je nach Prozess Schwefelwasserstoff, Siloxane, Kohlendioxid, Spurenstoffe und wechselnde Gaszusammensetzungen.

Typische Anwendungen der Sauerstoffmessung im Klärgas

• Kläranlagen und Faulgasprozesse
  • Faulturm und Faulbehälter
  • Klärgasleitungen
  • Gasverdichter und Gebläse
  • Gasaufbereitung
  • Aktivkohlefilter
  • BHKW-Versorgung
  • Gasspeicher und Gasregelstrecken
• Biogas- und Sonderanwendungen
  • Rohbiogasleitungen
  • Gasreinigung
  • Überwachung vor und nach Filtern
  • Überwachung von Fremdluftzutritt
  • Prozessüberwachung bei biologischer Entschwefelung
  • Sicherheitsgerichtete Abschaltungen

Warum Sauerstoff im Klärgas gemessen wird

In vielen Klärgas- und Biogasanlagen ist Sauerstoff unerwünscht. Ein erhöhter Sauerstoffgehalt kann auf Fremdluftzutritt, Undichtigkeiten oder ungünstige Betriebszustände hinweisen. Außerdem kann Sauerstoff nachgeschaltete Prozesse beeinflussen, zum Beispiel bei Aktivkohlefiltern, Gasaufbereitung, BHKW-Betrieb oder sicherheitsgerichteten Überwachungen.

Typische Anforderungen sind:

• kontinuierliche Überwachung der O₂-Konzentration
• Anzeige niedriger Sauerstoffgehalte im Klärgas
• Alarm- und Voralarmgrenzen
• 4…20 mA Ausgangssignal
• Relaiskontakte oder Grenzwertauswertung
• regelmäßige Funktionsprüfung mit Prüfgas oder Umgebungsluft
• optional sicherheitsgerichtete Auswertung je nach Anlagenkonzept

Besondere Herausforderung: Feuchtigkeit und Kondensat

Klärgas ist in der Regel wasserdampfgesättigt oder enthält hohe Restfeuchten. Schon geringe Temperaturunterschiede in Rohrleitungen, Armaturen oder Messstellen können zur Kondensation führen. Kondensat ist für Sauerstoffsensoren und Messsysteme besonders kritisch und muss zuverlässig vom Sensor ferngehalten werden.

Mögliche Auswirkungen von Kondensat:

• Benetzung von Membranen und Schutzfiltern
• verlangsamte Ansprechzeit
• blockierte Gasdiffusion zum Sensor
• Korrosion oder Verschmutzung in der Messstrecke
• instabile Messwerte
• erhöhter Wartungsbedarf

Entscheidend ist deshalb ein geeignetes Messkonzept. Je nach Anwendung kann eine direkte Messung mit geeigneter Einbaulage ausreichend sein. In kritischeren Anwendungen ist eine extraktive Probengasaufbereitung mit Kondensatabscheidung, Filtration und definierter Gasführung sinnvoll.

Direkte Messung im Klärgas

Bei geeigneten Prozessbedingungen kann der Sauerstoffsensor direkt an der Klärgasleitung installiert werden. Dabei ist die Einbausituation entscheidend. Der Sensor darf nicht an einer Stelle montiert werden, an der Kondensat in Richtung Sensor laufen oder sich dauerhaft Flüssigkeit sammeln kann.

Bewährt haben sich konstruktive Maßnahmen wie:

• senkrechte oder schräg ansteigende Messstutzen
• ausreichend langer Messstutzen oberhalb der Gasleitung
• Montage außerhalb direkter Kondensatwege
• hydrophobe Schutzmembran vor dem Sensor
• beheizte oder wettergeschützte Einhausung bei Außenmontage
• regelmäßige Kontrolle der Schutzmembran

Eine direkte Messung ist immer dann besonders attraktiv, wenn die Messstelle gut gewählt ist, keine Flüssigkeit zum Sensor gelangen kann und der Betreiber die Einbausituation sowie die regelmäßige Kontrolle der Membran sicherstellt.

Extraktive Messung mit Probengasaufbereitung

Bei wechselnden Temperaturen, hoher Kondensatgefahr oder anspruchsvollen Gasbedingungen ist eine extraktive Messung häufig die robustere Lösung. Dabei wird eine kleine Gasmenge aus der Klärgasleitung entnommen, aufbereitet und anschließend dem Sauerstoffsensor zugeführt.

Ein typisches Probengassystem kann bestehen aus:

• Entnahmestelle an der Klärgasleitung
• beheizter oder isolierter Probengasleitung
• Kondensatabscheider oder Coalescing-Filter
• Feinfilter zum Schutz des Sensors
• Durchflussüberwachung
• definierter Probengasführung
• Sauerstoffsensor mit Messumformer
• Rückführung oder sichere Ableitung des Messgases

Der Vorteil liegt in der kontrollierten Gasführung. Kondensat, Tropfen und Partikel können vor dem Sensor abgeschieden werden. Dadurch erhöht sich die Betriebssicherheit insbesondere bei nassen oder im Außenbereich installierten Messstellen.

Messstelle richtig auswählen

Die Auswahl der Messstelle hat großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Messung. Eine ungünstig platzierte Messstelle kann zu Kondensateintrag, verschmutzten Filtern oder träger Messwertreaktion führen. Besonders kritisch sind tiefliegende Leitungsabschnitte, nicht entwässerte Rohrstücke und Bereiche mit stark wechselnden Temperaturen.

Für die Auslegung sind unter anderem folgende Informationen wichtig:

• Messstelle in der Anlage
• Rohrleitungsdurchmesser und Einbaulage
• Gasdruck und Druckschwankungen
• Gastemperatur und Umgebungstemperatur
• erwarteter Sauerstoffmessbereich
• typische und maximale Feuchtebelastung
• Kondensatgefahr in Leitung und Messstutzen
• H₂S-Belastung und weitere Gasbestandteile
• Innen- oder Außenaufstellung
• ATEX-Zone, falls vorhanden

Schwefelwasserstoff, Siloxane und Spurenstoffe

Klärgas kann Schwefelwasserstoff, Siloxane und weitere Begleitstoffe enthalten. Diese Stoffe sind bei der Auswahl von Sensor, Filterung und Werkstoffen zu berücksichtigen. In vielen Anlagen befinden sich deshalb Aktivkohlefilter oder andere Gasreinigungsstufen im Prozess.

Wird die Sauerstoffmessung hinter einer geeigneten Gasreinigung angeordnet, können sich die Bedingungen für die Messtechnik deutlich verbessern. Gleichzeitig muss geprüft werden, ob die Messstelle dort noch die gewünschte Prozessinformation liefert.

Feuchte- und Taupunktmessung im Klärgas

Neben der Sauerstoffmessung kann auch die Feuchte- oder Taupunktmessung im Klärgas sinnvoll sein. Sie hilft dabei, den Zustand des Gases vor oder nach Trocknung, Kühlung oder Aktivkohlefiltration zu beurteilen.

Typische Fragestellungen sind:

• Wie feucht ist das Klärgas an der Messstelle?
• Besteht Kondensatgefahr in nachgeschalteten Anlagenteilen?
• Ist die Gastrocknung ausreichend wirksam?
• Wie stark werden Aktivkohlefilter durch Feuchtigkeit belastet?
• Welche Bedingungen liegen am Sauerstoffsensor tatsächlich vor?

Für eine zuverlässige Feuchtemessung sind Messgasdruck, Gastemperatur, erwarteter Feuchtebereich und die Kondensationsbedingungen besonders wichtig. Auch hier muss die Messstelle so gewählt werden, dass keine Flüssigkeit auf den Sensor gelangt.

Messbereiche und Grenzwerte

Die benötigten Messbereiche hängen stark von der jeweiligen Anlage und der Aufgabenstellung ab. Häufig werden niedrige Sauerstoffkonzentrationen im Bereich weniger Volumenprozent überwacht. In anderen Anwendungen stehen Grenzwerte, Alarmfunktionen oder sicherheitsgerichtete Abschaltungen im Vordergrund.

Typische Auslegungsfragen sind:

• Welcher normale Sauerstoffwert wird erwartet?
• Welcher maximale Sauerstoffwert darf nicht überschritten werden?
• Wird ein enger Messbereich, zum Beispiel 0…2 Vol.-% O₂, benötigt?
• Ist ein größerer Bereich, zum Beispiel 0…6 Vol.-% O₂, sinnvoller?
• Welche Alarmgrenzen sollen ausgegeben werden?
• Ist eine sicherheitsgerichtete Messung erforderlich?

Die tatsächlichen Grenzwerte müssen immer passend zur Anlage, zum Prozess und zum Sicherheitskonzept festgelegt werden.

Sicherheitsgerichtete Sauerstoffmessung

In bestimmten Anwendungen wird die Sauerstoffmessung in ein übergeordnetes Sicherheitskonzept eingebunden. Dabei kann es erforderlich sein, Grenzwerte sicher auszuwerten, Alarmkontakte im Failsafe-Prinzip zu betreiben oder regelmäßige Funktionsprüfungen zu dokumentieren.

Wichtig ist, dass eine sicherheitsgerichtete Sauerstoffmessung nicht nur aus Sensor und Messumformer besteht. Entscheidend sind auch Probengasführung, Durchflussüberwachung, Wartungskonzept, Prüfgasaufgabe und die korrekte Einbindung in die bauseitige Steuerung oder Sicherheitssteuerung.

Wartung und Funktionsprüfung

Auch bei sorgfältiger Auslegung bleibt Klärgas eine anspruchsvolle Anwendung. Feuchte, Kondensat, Schwefelverbindungen und Verschmutzungen können die Messung beeinflussen. Deshalb sind regelmäßige Prüfungen und ein an die Anlage angepasstes Wartungskonzept unverzichtbar.

Empfohlen werden:

• regelmäßige Sichtprüfung der Messstelle
• Kontrolle von Membranen, Filtern und Kondensatabscheidern
• Funktionsprüfung mit Prüfgas oder Umgebungsluft
• Dokumentation der Prüfergebnisse
• Austausch verschmutzter Filterelemente
• Überprüfung des Probengasdurchflusses
• Anpassung der Wartungsintervalle an die realen Betriebsbedingungen

In neuen Anlagen ist es sinnvoll, zunächst kürzere Kontrollintervalle festzulegen und diese nach den ersten Betriebserfahrungen anzupassen.

Praxisnahe Auslegung statt Standardlösung

Klärgasanwendungen unterscheiden sich deutlich voneinander. Eine Messstelle hinter einem Gastrockner stellt andere Anforderungen als eine Rohgasmessung im Außenbereich. Auch die Frage, ob direkt im Prozess oder extraktiv gemessen wird, muss anhand der tatsächlichen Randbedingungen entschieden werden.

Eine zuverlässige Auslegung berücksichtigt deshalb immer:

• Prozessgaszusammensetzung
• Feuchte und Kondensatrisiko
• Temperaturverlauf bis zur Messstelle
• Einbausituation
• Wartungszugänglichkeit
• erforderlichen Messbereich
• Alarm- und Sicherheitsfunktionen
• Umgebungsbedingungen im Innen- oder Außenbereich

Zusammenfassung

Die Sauerstoffmessung im Klärgas ist eine wichtige Messaufgabe für Prozessüberwachung, Anlagenschutz und Sicherheit. Entscheidend für eine zuverlässige Messung sind nicht nur Sensor und Messumformer, sondern vor allem Messstelle, Einbaulage, Feuchtemanagement, Probengasführung und Wartungskonzept.

INTECH unterstützt Betreiber, Anlagenbauer und Planer bei der Auswahl und Auslegung geeigneter Sauerstoffmesssysteme für Klärgas- und Biogasanwendungen – von der einfachen Messstelle bis zur extraktiven Probengasaufbereitung mit definierter Auswertung.