Diodenlaser-gestützter In-situ-Nachweis von O 2 und Alkaliatomen zur Optimierung der Hochtemperaturkohlenstaub- und Sondermüllverbrennung sowie der Brandbekämpfung
Direkte Absorptionsspektroskopie mit abstimmbaren Diodenlasern (TDLAS) diente dem kalibrationsfreien quantitativen Analyse gasförmiger Stoffe, deren Nachweis mit extraktiven Methoden nicht oder nur eingeschränkt möglich ist. Verschiedene Diodenlasertypen (Fabry-Pérot (FPDL), Distributed Feedback (DFB), External Cavity (ECDL) und Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)) wurden eingesetzt, charakterisiert und verglichen. Die In-situ-Meßtechnik wurde für drei Anwendungsbereiche optimiert: (1.) Für die Bewertung der Wirksamkeit verschiedener Feuerlöschsysteme wurde in Zusammenarbeit mit dem Naval Research Laboratory (Washington, DC, USA) ein Spektrometer im Multireflex-Freistrahl-Aufbau (Herriott-Design: 1,8 m Absorptionsweg, 30 cm Basislänge) zur Ermittlung des In-situ-Sauerstoffgehalts bei Feuerlöschübungen im Realmaßstab entwickelt. Ein DFB-Diodenlaser (761 nm) erlaubte auch zum Zeitpunkt der Wassernebelfreisetzung mit starken Transmissionsschwankungen eine Meßgenauigkeit von besser als 1 vol\%. Im Vergleich mit extraktiven Sensoren konnte die Verdrängung von Sauerstoff durch Wasserdampf quantifiziert werden. (2.) Für die Entwicklung eines Kalium-Schwellwertsensors wurden hochreaktive freie Kaliumatome, die unter den Bedingungen der Kohlestaubverbrennung in geringen Mengen aus den im Brennstoff enthaltenen Verbindungen freigesetzt werden, empfindlich (10 ppt) in situ unter industriellen Bedingungen nachgewiesen. Bei der Druckkohlenstaubverbrennung herrschten bis zu 1600 K, 12 bar, starke thermische Strahlung sowie schnelle und große breitbandige Transmissionsschwankungen vor. Durch Ausnutzung der schnellen und weiten Abstimmbarkeit (>15 Wellenzahlen) der VCSEL konnten die stark druckverbreiterten D-Linien von Kalium (767 nm, 770 nm) vollständig erfaßt und charakterisiert werden. Die erreichte Nachweisgrenze bei einer Absorptionsstrecke von 14 cm lag bei 10 ng/m³ i.N. und Konzentrationen bis zu 10 mg/m³ i.N. wurden beobachtet. Die Abhängigkeit der Kaliumatom-Konzentration von den Anlagenparametern, besonders der Temperatur, dem Sauerstoffgehalt und der korrosionsfördernden Kaliumverbindungs-Konzentration wurde untersucht. Dazu wurde simultan die Sauerstoffkonzentration in situ mittels Time Domain Multiplexing oder extraktiv bestimmt. (3.) Der Alkaliatomnachweis anhand der D-Linien wurde auf Lithium, Rubidium und Cäsium ausgedehnt und damit - in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Karlsruhe - eine neue Methode zur Ermittlung von Verweilzeiten in Hochtemperaturprozessen erfunden. In einem halbtechnischen Drehrohrofen (THERESA, 3\/~MW) wurden geringe Mengen gelöste Alkalisalze (~100 mg) eingedüst und die Konzentration der freien Alkaliatome (Dissoziationsrate 1 bis 100ppm) bei einer Zeitauflösung von 0,4 s verfolgt. Aus den Verweilzeitverteilungen wurden je nach Betrieb und Anlagenabschnitt mittlere Verweilzeiten von 6 s bis 16 s erfolgreich bestimmt.
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