164

Tätigkeitsberichte

Anlage (DKSF) in Dorsten, die von einem Industrieverbund unter Beteiligung von
PreussenElektra und STEAG betrieben werden. Dazu wurde der im Labor getestete
Aufbau modifiziert und an die industriellen Bedingungen angepasst. Die Modellanla-
gen arbeiteten sowohl bei atmosphärischem Druck, als auch bei 10 bis 12 bar Über-
druck. Die Kaliumatomkonzentration wurde in-situ im Abgastrom unmittelbar nach
dem Heißgasfilter der jeweiligen Anlage bestimmt und im Hinblick auf die Abhän-
gigkeit von verschiedenen Betriebsparametern (Temperatur, Sauerstoffüberschuss,
Kohleart und sonstige Feuerungsparameter) untersucht. Die Messvorrichtung (Laser,
Optik, Detektor) war dabei direkt an den Außenwänden des Abgaskanals befestigt.
Als Quelle wurden verschiedene Diodenlasertypen eingesetzt: Für die AKSF-Mes-
sungen wurden Fabry-Perot-Dodenlaser mit 3mW optischer Leistung eingesetzt. Der
eingeschränkte Abstimmbereich dieses Lasers (typ. 30-60 GHz) war für die Erfassung
der extrem stark verbreiterten Kaliumlinien bei 12 bar Druck nur bedingt geeignet.
Daher wurde trotz der deutlich geringeren Leistung (0.3 mW) erstmals ein extrem weit
stromabstimmbarer VCSEL (Vertical Cavitys Surface Emitting Laser) verwendet
(Abstimmbereich von 0.2 bis 0.5 nm). Dieser besitzt bei geringer Amplitudenmodula-
tion ein hervorragendes Abstimmverhalten und ein enges (10°), kreisrundes, astigma-
tismusfreies Strahlprofil. Die Wellenlängenmodulation der Laser erfolgte mit etwa 1
kHz. Zur Aufnahme des Detektorsignals diente neben einem schnellen Analogver-
stärker eine mehrkanalige 12 Bit/5MS/sec AD-Wandlerkarte. Die Auswertung des
Absorptionsprofiles erfolgte über eine Kurvenanpassung per linearer Regression. Die
unverzichtbare Korrektur der zeitabhängigen Grundtransmission der Messstrecke
gelang durch die Nutzung der spezifischen Amplitudenmodulation des Lasers als Maß
für die Abschwächung. Ähnlich wurde auch mit der schwankenden thermischen Hin-
tergrundstrahlung verfahren. Trotz einer Absorptionsstrecke von lediglich 14 cm
(DKSF) bzw. 17,7 cm (AKSF) war damit ein empfindlicher Kaliumnachweis möglich.
Generell lag die Zeitauflösung je nach Aufbau und verwendeten Parametern zwischen
0,01 bis 5 s. Mit diesem Aufbau konnte das Kaliumsignal trotz der rauen Umge-
bungsbedingungen - auch über Zeiträume von über 50 h - ohne technische Probleme
lückenlos erfasst werden. Im Einzelnen ergaben sich folgende Ergebnisse: Während
der AKSF-Messungen lagen die Kaliumbeladungen im Regelfall um 2 pg/m3 (8-109
Atome/cm3) und im Extremfall zwischen 50 ng/m3 bis 30 pg/m3. Die Nachweisgrenze
lag bei 10 ng/m3.
Aufgrund der hohen Zeitauflösung der Diodenlasermesstechnik können nun auch
dynamische Vorgänge detektiert und untersucht werden, die mit anderen Messmetho-
den in der Regel nicht auflösbar sind. Hierzu gehört auch der Zusammenhang zwi-
schen dem Kaliumsignal und der Restsauerstoffkonzentration im Abgas. Hier besteht
ein deutlich antizyklischer Zusammenhang zwischen den beiden Spezieskonzentratio-
nen, da bei hohen Sauerstoffkonzentrationen Kalium oxidiert wird, während es bei
geringen Konzentrationen vermehrt aus seinen Verbindungen freigesetzt wird. Insbe-
sondere im Hinblick auf die Bestimmung des Gesamtkaliumgehaltes ist die Charakte-
risierung dieser Abhängigkeit von großer Bedeutung und wird derzeit noch genauer
untersucht. Bei den ersten Messungen war nur ein relativ grober Vergleich zwischen
Sauerstoff- und Kaliumkonzentration möglich, da nur relativ langsame probennahme-
basierte Messverfahren (mittels Zirkondioxidsonden oder extraktiv arbeitender para-
magnetischer Sensoren) für das CT-Signal vorlagen, die zu großen nicht definierten
Zeitverzögerungen und Verfälschungen führten. Es wurde daher begonnen, die eben-