Diodenlaserbasierte, probennahmefreie Multikomponenten-Gasanalyse in einem 1000 MWth-Gaskraftwerk (Diode-Laser Based In-situ Detection of Multiple Gas Species in a Power Plant)

Abstract

Ein NIR-Diodenlaser-gestütztes Absorptionsspektrometer zum simultanen In-situ- Nachweis mehrerer Spezies und der Temperatur und die erstmalige simultane In-situ- Erfassung aller Majoritätsspezies und der Temperatur im Brennraum eines industriellen Verbrennungsprozesses wird beschrieben. Haupteinsatzzweck des Gerätes ist die aktive Kontrolle chemischer Prozesse oder z.B. die Überwachung der schnellen Lastwechsel in Verbrennungsanlagen. Im Spektrometer werden insgesamt drei Diodenlaser bei 760nm, 812nm und 1,65µm eingesetzt um O2, H2O, CH4 und CO2 innerhalb des gleichen Messvolumens zu erfassen. Die Temperatur wird simultan aus dem Mehrlinienspektrum von Wasser bei 812 nm bestimmt. Um die starken Deformationen der Kesselwände zu korrigieren, wurde zusätzlich ein in-situ-taugliches System zur automatischen Nachführung und Stabilisierung der Laserstrahllage entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Mit diesem Spektrometer gelang es, einen kompletten An- und Abfahrvorgang eines 1000- MWth-Gaskraftwerkes mit einem Brennraumdurchmesser von 10m zu überwachen. Die Zeitauflösung betrug dabei 1,6s, die kleinste nachweisbare molekulare Absorption lag im Bereich von 10–4 bis 10–3 optische Dichte. Methan, das für die schnelle Erfassung von Zündverzögerungen entscheidend ist, konnte unter Verbrennungsbedingungen mit einer Nachweisgrenze unter 100 ppmV und einem dynamischen Bereich von mehr als zwei Größenordnungen nachgewiesen werden.