Langzeit-Aerosol-Ueberwachung mit einem kalibrierfreien, kompensierten Streulichtfotometer - LUKAS Abschlussbericht

Zur Messung geringer Massenkonzentrationen und der Partikelgroessenverteilung unter hohen Druck- und Temperaturrandbedingungen, wie sie z.B. bei der Ueberwachung des Gasstromes in der Druckwirbelschichtfeuerung oder in der Druckkohlestaubfeuerung vorkommen, wurde ein neuartiges Messverfahren, ein sogenanntes kompensiertes Streulichtphotometer, vorgeschlagen. Es werden Streulicht- und Transmissionswerte eines Partikelkollektives erfasst und miteinander verknuepft. Die Vorteile dieses Messprinzips bestehen darin, dass es im Vergleich zu konventionellen Photometern unempfindlich gegenueber Verschmutzung und Alterung von Komponenten ist. Ausserdem ermoeglicht es mittels spektraler Messungen und dem Einsatz eines speziellen Invertierungsverfahren die Bestimmung der Partikelgroessenverteilung. Der geringe Kalibrieraufwand und das Kompensationsprinzip lassen eine ueberdurchschnittliche Langzeittauglichkeit erwarten. Ziel der im vorliegenden Abschlussbericht beschriebenen Arbeiten war es, in einer ersten Stufe den prinzipiellen, experimentellen Nachweis der Vorteile des Kompensationsprinzips zu erbringen, sowie rechnerisch zu zeigen, dass mit einer geeigneten Invertierungsmethode aus spektralen Streulicht- bzw. Transmissionsmessungen die Bestimmung einer Partikelgroessenverteilung auch unter nichtidealisierten Bedingungen moeglich ist. Mit den Versuchen konnte fuer einen Transmissionsbereich >75% der theoretisch erwartete Vorteil des Kompensationsprinzips auch experimentell nachgewiesen werden. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass ein geeignetes Invertierungsverfahren zur Verfuegung steht, mit dem aus spektralen Messungen eine Partikelgroessenverteilung zuverlaessig ermittelt werden kann. Weiterhin wurden theoretische Untersuchungen zum thermischen Strahlungshintergrund bei verschiedenen Temperaturbereichen und dessen Auswirkungen hinsichtlich der optischen Signale abgeschaetzt. Die aus den experimentellen Erkenntnissen fuer die prinzipielle Gestaltung eines Messkopfes vorgeschlagene Technik sieht ein vollkommen passives System vor, welches ueber Fiberoptik von Sende und Empfangseinheit entkoppelt wird. Die technischen Erfolgschancen einer Realisierung eines solchen Messsystems fuer Temperaturen bis ca. 1170 K werden positiv eingeschaetzt. (orig.)For monitoring low mass concentrations and particle size distributions under high pressure and temperature conditions e.g. in pressurized fluidized bed combustion or pressurized pulverized coal combustion processes a new measuring technique was proposed, a so called compensating light-scattering photometer. Light scattering signals measured for a particle collective are normalized with respect to light transmission data. The main advantage of the new principle is a less sensitive response concerning ageing and contamination of components. Further, by means of spectral measurements and a specific retrieval algorithm the respective particle size distribution can be determined. Low calibration efforts and the compensation principle promises an excellent long term behaviour. The objective of the work described in the present report was to prove and demonstrate experimentally and in principle the advantage of the compensation technique and to show by means of calculations, that applying advanced inversion methods particle size distribution can be retrieved from spectral transmission respectively light scattering data even under non-idealized conditions. The experiments performed proved the expected advantages of the compensation principle for transmissions >75%. Further it could be demonstrated that particle size spectra can be retrieved reliably from spectral measurements. Theoretical investigations on the impact of thermal radiation background at various temperatures have been performed and the consequences with respect of detection limits have been estimated. Basing on the test results a sensor head design was proposed entirely passive, fibercoupled with transmitter and receiver. The conversion of the new technique into a suitable sensor is expected to be feasible for applications in temperatures up to 1170 K. (orig.)SIGLEAvailable from TIB Hannover: RR 2035(40087) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekBundesministerium fuer Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie, Bonn (Germany)DEGerman