Options
2004
Doctoral Thesis
Titel
Laser-Emissionsspektrometrie für die Partikelanalyse von Prozessgasen bei der Roheisenerzeugung
Abstract
Der industrielle Einsatz der Laser-Emissionsspektroskopie für die Partikelanalyse von Prozessgasen oberhalb Atmosphärendruck stellt eine messtechnische Herausforderung dar, da der im Gichtgas vorliegende Druck von bis zu 4 bar die analytische Sensitivität des Verfahrens erniedrigt. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Simulationen zeigen, dass bei Vergrößerung des Gasdrucks die Elektronentemperatur sowie die Elektronendichte durch Stoß- und Relaxationsprozesse erhöht werden. Die Änderung dieser Plasmaeigenschaften führt nachweislich zu einer Erniedrigung der Linienintensität, zu Linienprofiländerungen und zu einer Verringerung des Signal-zu-Untergrund-Verhältnisses, d.h. der Gasdruck beeinflusst die Dynamik des Plasmas und stellt einen wichtigen Parameter für die Analyse von Gasen und Partikeln dar. Die beobachtete Linienprofiländerung konnte in Modellrechnungen über die Stark-Effekt-Verbreiterung und Stark-Effekt-Verschiebung unter Annahme eines Schalenmodells des Plasmas mit kern- und schalenabhängiger Elekronentemperatur beschrieben werden. Um die Linienintensität der LIBS Spektren zu erhöhen und die druckbedingte Linienprofiländerung einzuschränken, wird das zu analysierende Plasma durch Doppelpulse mit Interpulsabständen im ns-Bereich angeregt. Die Doppelpuls-Anregung führt zu einer Erhöhung des Signal-zu-Untergrund-Verhältnisses der Spektren und reduziert so die druckbedingten Änderungen des Linienprofils. Auf Basis der in den Labor-Untersuchungen gewonnenen Ergebnisse wurde für Feldtests am Hochofen ein Aufbau entwickelt, der an unterschiedlichen europäischen Hochöfen zur Multi- Element-Analyse eingesetzt wurde. Durch die Doppelpuls-Anregung konnte das Signal-zu- Untergrund-Verhältnis der Emissionslinien verbessert werden und erleichterte so die Analyse der im Gichtgas vorliegenden Konzentration der Kreislaufstoffe von wenigen ppm. Die Reduktion der druckbedingten Linienverbreiterung und -verschiebung machte zudem eine Reprofilierung des Gerätes aufgrund der am Hochofen vorhandenen Druckschwankungen überflüssig. Mit Hilfe des Aufbaus konnten die Kreislaufstoffe Na, K, Zn und Pb im Gichtstaub Online, simultan und kontinuierlich über einen Zeitraum von bis zu 10 Stunden überwacht werden.
;
The industrial use of laser emission spectrometry for particle analysis in gas at overpressure is a metrological challenge due to a reduction of analytical sensitivity caused by a top gas pressure of up to four bar. In the scope of this work it is shown that an increase of the gas pressure affects the electron pressure as well as the electron density due to collison and relaxation processes. Plasma properties are changed which lead to a decrease of line intensity, line broadening and to a decrease of signal-to-backround ratio. Consequently the gas pressure has an impact on the plasma dynamics and must be considered as a relevant parameter for the analysis of gas and particles in gas. Model calculations proof that the observed change of the emission line profil can by described by Stark-Effekt-braodening and Stark-Effekt-shift using a plasma model with core- and shell- specific electron temperatures. Double pulses with interpulse separation in the ns region are used to increase the line intensity of the LIBS spectra and to avoid the impact of overpressure on the emission line profil, thus leading to an enhanced signal-to-backround ratio of the spectral emission lines. Based on the laboratory results a laser set-up for field tests in steel industry was developed and tested on-site for muli-element analysis at different European blast furnaces. Signal-to-background ratio was optimised by double pulse excitation to allow the analysis of low-concentrated cirulting elements in top gas covering a few ppm. Line broadening and spectral shift is in a way reduced which makes a re-profilation of the laser-based set-up due to variations in top gas pressure no longer necessary. A simultaneous and continous on-line monitoring of the circulating elements Na, K, Zn und Pb was demonstrated successfully by performing daily measurements at a maximum duration of up to 10 hours.
ThesisNote
Aachen, TH, Diss., 2004
Verlagsort
Aachen