Anwendung der In-situ-Infrarotspektroskopie | 201
In-situ Nachweis bestimmter Substanzen für medizinisch-diagnostische Analysen bis
zur Einzelniolekülempfindlichkeit ermöglicht.
In den bisherigen Arbeiten wurde als Schwerpunkt die In-situ Detektion der
Majoritätsspezies von Verbrennungsprozessen (Methan, Sauerstoff O2, Kohlendioxid
und Wasser) sowie die Messung der Temperatur zur Überwachung und Regelung
großtechnischer Prozesse entwickelt und unter realistischen Bedingungen in unter-
schiedlichen Kraftwerken erprobt. Zur Optimierung der Müllverbrennung hinsicht-
lich der Effizienzsteigerung und Minimierung der Schadstoffemission kommt CO
als Minoritätsspezies der Verbrennung eine Schlüsselfunktion zu. CO ist em Indika-
tor für unvollständige Verbrennung und reduzierende Verbrennungsbedingungen.
Dies führt einerseits zu einer verstärkten Bildung von Schadstoffen und zerstört
andererseits die schützenden Oxidschichten des Brennraums und der Wärmeaustau-
scher. Um diese negativen Einflüsse auf die Standzeit der Verbrennungsanlage zu ver-
hindern, werden derzeit Müllverbrennungsanlagen mit einem hohen Luftüberschuss
betrieben. Dadurch kommt es zu einer Erniedrigung der Gesamteffizienz des Ener-
giegewinns. Die Entwicklung einer schnellen CO-Gasanalyse erlaubt, ein Regelsignal
für die Verbrennungsluft-Zufuhr zur Vermeidung unvollständiger Verbrennung und
reduzierender Bedingungen zu erhalten. Emen geeigneten Ansatz bietet die In-situ-
Detektion von CO mit Hilfe der Absorptionsspektroskopie mit Nahmfrarot-
Diodenlasern, wie sie schon für die Majoritätsspezies von Verbrennungsprozessen in
der Forschungsstelle etabliert worden ist. Zur Absorptionsspektroskopie von CO
sind zwei Absorptionsbanden von generellem Interesse. Hierbei handelt es sich um
den ersten und zweiten Oberton der CO-Streckschwingung im Spektralbereich von
X = 2.3 pm beziehungsweise Xsl.5 pm. Vom experimentellen Standpunkt aus
erscheint die Schwingung des zweiten Obertons aussichtsreich, da in diesem Bereich
technisch ausgereifte Diodenlaser kostengünstig zur Verfügung stehen. Dagegen han-
delt es sich bei dem Diodenlaser für den ersten Oberton um experimentelle Systeme,
die hinsichtlich ihrer spektralen Eigenschaften den 1.5 pm-Lasern unterlegen sind.
Neben der Verfügbarkeit geeigneter Laserdioden müssen bei der Linienauswahl die
Linienstärken bei den zu erwartenden Temperaturen berücksichtigt werden. Hierzu
wurden Berechnungen mit der HITRAN’96/HITEMP-Datenbank durchgeführt,
die auch die Absorption durch die in Verbrennungsprozessen dominierenden Spezies
CO? und H2O berücksichtigen. Als geeignet erwiesen sich für den ersten Oberton
die CO-Linien R18 bei X = 2315 nm beziehungsweise R30 bei X = 2302.1 nm und
für den zweiten Oberton die CO-Linie R24 bei X = 1559.55 nm. Zur CO-Mes-
sung auf dem zweiten Oberton wurde ein Lasermodul eingesetzt, das in einem
Gehäuse eine DFB-Laserdiode (distributed feedback), ein Mikro-Peltierelement zur
Stabilisierung der Lasertemperatur und damit der Emissionswellenlänge, einen opti-
schen Isolator zur Vermeidung optischer Rückkopplungen, sowie eine Einkopplung
in eine Einmoden-Glasfaser, beherbergt. Durch die Verwendung der optischen Faser
kann die Lichtquelle gut geschützt vom Brennraum eingesetzt werden. Die experi-
mentellen Messungen wurden an halbtechnischen Modellfeuerungsanlagen des For-
schungszentrums Karlsruhe durchgeführt. Hierbei wurden zwei unterschiedliche
Messpfade an der Drehrohrofenanlage THERESA sowie an der Rostfeuerung