%0 Generic
%A Ortwein, Pascal
%D 2010
%F heidok:11620
%K Diode laser spectroscopy , gasification , combustion , biomass , high pressure
%R 10.11588/heidok.00011620
%T In situ Laserspektroskopie für Vergasungs- und Verbrennungsprozesse : Direkte Bestimmung absoluter Gaskonzentrationen und neuer Spektralparameter
%U https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/11620/
%X Biomasse wird zunehmend als regeneratives Ausgangsmaterial zur Energie-, Wärme- und Rohstoffgewinnung in Verbrennungs- und Vergasungsprozessen eingesetzt. Für eine optimierte Prozessdurchführung ist die Erfassung der dabei entstehenden, gasförmigen Hauptprodukte eine entscheidende messtechnische Aufgabe. Herkömmliche extraktive Gasanalyseverfahren sind in technischen Verbrennungs- und insbesondere in Vergasungsprozessen aufgrund der hohen Staub- und Kondensatbelastung sowie den Kondensationsschwierigkeiten während der Probennahme nur schwierig einsetzbar. Die Methode der TDLAS (Tuneable Diode Laser Absorption Spectroscopy) dagegen bietet durch den Einsatz abstimmbarer Diodenlaser ausgezeichnete Voraussetzungen für eine probennahmefreie und absolute Messung mit hoher Selektivität, Sensitivität und Skalierbarkeit. Es besteht jedoch ein Mangel an geeigneten Spektrometern für die Prozesskontrolle und -optimierung der genannten Prozesse. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Laserspektrometern zur in situ Bestimmung der zentralen Gasspezies in Biomasse-basierten Vergasungs- und -verbrennungsprozessen. Die dazu für jede Spezies selektierten Diodenlaser und neuartigen, weit abstimmbaren VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) wurden präzise bezüglich ihrer optischen und elektronischen Eigenschaften charakterisiert. Maßgebend war darüber hinaus die Bestimmung und Validierung neuer Spektral-parameter wie Linienstärken, Selbst- und Fremdverbreiterungskoeffizienten, die eine genauere Konzentrationsmessung erlauben. Mittels der VCSEL-Spektrometer konnten für die H35Cl R(3) (2<-0) und CO P(8) (2<-0) Absorptionslinie für die Linienstärken und die Selbstverbreiterungen hohe Genauigkeiten mit relativen Unsicherheiten von maximal 0.9% erreicht werden. Des Weiteren beschreibt diese Arbeit erstmalig die Bestimmung der Fremdverbreiterungskoeffizienten mit H2, O2, CO2, He und N2 für Druckwerte bis zu 1 MPa bei maximalen Unsicherheiten von 0.15%. Der in situ Einsatz der Spektrometer erfolgte unter den Bedingungen einer Vergasung von biomassestämmigen Slurries im technischen Flugstromvergasers REGA am Karlsruher Institut für Technologie. Hierbei konnte die erste absolute Konzentrations-bestimmung von HCl in einer Vergasung mit einer optischen Auflösung (1Sigma) von 2.3•10^-4 und einer Nachweisgrenze von 13 ppm•m bei einer Zeitauflösung von nur 1 s realisiert werden. Weiterhin wurden die Gaskonzentrationen von CO und H2O für Dynamikbereiche bis 1:100000 und Nachweisgrenzen bis 4 ppm•m bestimmt. Die ortsaufgelöste, quantitative Analyse aller zentraler Gasspezies (HCl, H2O, CO, CH4 und CO2) wurde in einem Biomasseofen zur Verbrennung gepresster Holzscheiten durchgeführt. Dabei wurden optische Auflösungen (1Sigma) von 7.3•10^-5 und Nachweis-grenzen bis 9 ppm•m bei einer Zeitauflösung von ebenfalls nur 1 s nachgewiesen. Die Ziele der vorliegenden Arbeit konnten somit erfolgreich umgesetzt werden und dadurch die Grundlage für dauerhaft einsetzbare Laserspektrometer für die selbst-kalibrierende und absolute in situ Gasanalyse in Vergasungs- und Verbrennungs-prozessen sowie für weiterführende Forschungsarbeiten bspw. für die Anwendung in Hochdruckprozessen geschaffen werden.