🌿 Ammoniak (NH₃) im Abgas — manuelles Absorptionsverfahren

Umwelt PN-EN ISO 21877

Übersicht

Die Ammoniakemissionen stammen zu einem großen Teil aus der Landwirtschaft, aus chemischen Prozessen (z. B. der Düngemittelherstellung), aus Kraftwerken, Zementwerken und Abfallverbrennungsanlagen mit SCR- und Nicht-SCR-Reaktoren (Ammoniakschlupf). ISO 21877:2019 legt ein manuelles Messverfahren — die Probenahme und verschiedene Analysenverfahren — zur Bestimmung der Massenkonzentration von Ammoniak im Abgas industrieller Anlagen fest, z. B. von Feuerungsanlagen oder landwirtschaftlichen Anlagen. Das Verfahren bestimmt alle bei der Probenahmetemperatur flüchtigen Verbindungen, die bei der Absorption unter Bildung von Ammoniumionen dissoziieren — also den flüchtigen Ammoniakgehalt im Gas. Es ist ein unabhängiges Messverfahren (in EN 14181 als Standardreferenzverfahren bezeichnet), das in Feldversuchen im Bereich von etwa 8–65 mg/m³ unter Normbedingungen validiert wurde; die untere Grenze ergab sich aus den Betriebsbedingungen der Versuchsanlage, und das Verfahren kann je nach Probenahmedauer und -volumen sowie der Nachweisgrenze der Analyse auch bei niedrigeren Konzentrationen angewendet werden. Es dient der periodischen Überwachung sowie der Kalibrierung und Validierung fest installierter automatischer Messsysteme für Ammoniak (in Verbindung mit ISO 17179). In Polen gilt die Norm als PN-EN ISO 21877:2020-03.

Prinzip der Methode

Eine repräsentative Probe wird über eine festgelegte Zeit mit einem festgelegten Volumenstrom aus dem Gasstrom entnommen; enthält das Gas Tröpfchen, so ist eine isokinetische Probenahme erforderlich. Die Sonde wird auf eine Temperatur beheizt, die das Verdampfen der Tröpfchen und das Ausbleiben einer Wasserdampfkondensation sicherstellt; die Partikel hält ein festgelegter Filter zurück — im Schornstein (bei nichtisokinetischer Probenahme bevorzugt, weil er keine eigene Beheizung erfordert) oder außerhalb des Schornsteins, dann auf die vorgegebene Temperatur beheizt. Der den Filter passierende Ammoniak wird in einem mit H₂SO₄ angesäuerten Absorptionssystem gesammelt (Lösung 0,05 M, bei hohen NH₃-Konzentrationen kann die Konzentration erhöht werden), und die NH₄⁺-Masse wird nach der Probenahme mit einem der Analysenverfahren aus Abschnitt 9 bestimmt (Spektrometrie nach ISO 7150-1, Fließanalyse CFA/FIA nach ISO 11732, Ionenchromatographie nach ISO 14911). Das Gasvolumen wird mit einem Gaszähler gemessen; die Massenkonzentration ist der Quotient aus der Ammoniakmasse in der Lösung (mg) und dem Gasvolumen (m³), mit dem Umrechnungsfaktor NH₄⁺→NH₃ fN = 0,944. Probenahmesystem: beheizte Sonde mit einem Einlass aus Titan, Quarz, Borosilicatglas oder PTFE; Planfilter aus Quarz; zwei Fritten-Waschflaschen (Porosität D1 oder feiner) bei kleinen Volumenströmen oder Impinger bei großen; Pumpe, Volumenstromregler, Gaszähler mit Thermometer und Manometer, wahlweise ein Trockenturm; alle Teile korrosionsbeständig; die Leitung bis zu den Waschflaschen wird mindestens 15 K über den Taupunkt des Gases beheizt, die Verweilzeit wird möglichst kurz gehalten. In Gegenwart halbflüchtiger Ammoniumsalze beeinflusst die Probenahmetemperatur das Gleichgewicht Gas/Feststoff; die Staubanalyse (Gesamtammoniak) ist nicht Gegenstand der Norm.

Anwendungen

• Messung des Ammoniakschlupfs (ammonia slip) hinter SCR-/SNCR-Anlagen in Kraftwerken, Zementwerken und Abfallverbrennungsanlagen
• Ammoniakemissionen aus Chemiebetrieben (Düngemittelherstellung) und landwirtschaftlichen Anlagen
• Kalibrierung und Validierung fest installierter automatischer Messsysteme für Ammoniak (ISO 17179, EN 14181)
• Periodische Messungen für integrierte Genehmigungen und die Emissionsberichterstattung
• Parallele Probenahme mit anderen Komponenten in den Nebensträngen eines isokinetischen Systems

Schlüsselparameter

Norm

Normnummer

PN-EN ISO 21877:2020-03 (ISO 21877:2019)

Titel (PL)

Emisja ze źródeł stacjonarnych — Oznaczanie stężenia masowego amoniaku — Metoda manualna

Title (EN)

Stationary source emissions — Determination of the mass concentration of ammonia — Manual method

Schritt-für-Schritt-Verfahren

1. Planung

   Lege den Messplatz und die Messpunkte fest (EN 15259), prüfe das Vorhandensein von Tröpfchen (→ isokinetische Probenahme) sowie die erwartete NH₃-Konzentration und die Probenahmedauer so, dass die NH₄⁺-Masse die Bestimmungsgrenze der Analyse überschreitet.

2. Aufbau des Systems

   Baue die beheizte Sonde, den Filter (im Schornstein oder beheizt), zwei Waschflaschen mit 0,05 M H₂SO₄, die Schutzflasche, den Trockenturm (bei trockenem Gaszähler), die Pumpe, den Durchflussmesser und den Gaszähler zusammen; beheize die Leitung bis zu den Waschflaschen mindestens 15 K über den Taupunkt; prüfe die Dichtheit.

3. Probenahme

   Entnimm die Probe über eine festgelegte Zeit mit einem festgelegten Volumenstrom (bei Isokinetik — mit einem Nebenstrang mit konstantem Stromverhältnis oder ohne ihn); zeichne Volumen, Temperatur und Druck am Gaszähler auf. Bereite eine Feldblindprobe vor.

4. Rückgewinnung der Proben

   Gieße die Lösungen aus beiden Waschflaschen einzeln in Flaschen aus Glas, PP oder PE um, spüle die Teile hinter dem Filter mit demineralisiertem Wasser aus und füge die Spüllösungen hinzu; beurteile die Wirksamkeit der Absorption anhand des Anteils der zweiten Waschflasche.

5. Analyse

   Bestimme NH₄⁺ mit dem gewählten Verfahren (Spektrometrie, CFA/FIA oder Ionenchromatographie) gegen die Kalibrierkurve, unter Berücksichtigung der Verdünnung und der Blindproben.

6. Berechnungen

   Berechne die NH₃-Masse (fN = 0,944), das Gasvolumen unter Normbedingungen, die Massenkonzentration in mg/m³ bezogen auf trockenes Gas und nach der Korrektur auf den Bezugssauerstoffgehalt; erstelle das Unsicherheitsbudget (≤ 20 % des Bezugswerts).

Erforderliche Geräte und Apparatur

Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien

Arbeitsschutz und Sicherheit

• Schwefelsäurelösung — Augen- und Handschutz; die Lösungen nach der Probenahme enthalten Ammoniumsalze und können saure Abgasbestandteile enthalten
• Die beheizte Sonde und der Filter können Verbrennungen verursachen; Arbeit auf der Schornsteinbühne mit Absturzsicherung
• Ammoniak im Gas und an undichten Messöffnungen reizt die Atemwege — Atemschutz beim Öffnen der Messöffnungen

Häufige Fragen