DE102019109051A1 - Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials - Google Patents

Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials (1), umfassend:a) Fördern des Materials (1),b) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials (1) mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder mittels Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA,c) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials (1) mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,d) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials (1) anhand der Ergebnisse aus Schritt b) und c).Mit den beschriebenen Vorrichtungen (2, 9, 11) und Verfahren kann die Elementzusammensetzung in einem Material (1) mit einer besonders hohen Messgenauigkeit ermittelt werden, in dem PGNAA, PFTNA und/oder LIBS auf ein Material (1) in oder auf einer Fördereinrichtung (3) angewendet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials freigesetzten Menge CO2.
  • Bei der industriellen Verarbeitung von Materialien wie fossilen Brennstoffen, Biomasse oder Rohstoffen ist es regelmäßig erforderlich, die genaue Zusammensetzung der Materialien zu kennen, insbesondere aufgrund von einzuhaltenden gesetzlichen Auflagen.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Materialien auf Förderbändern zu verschiedensten Zwecken zu analysieren. Bei bekannten Verfahren besteht regelmäßig das Problem einer eingeschränkten Repräsentativität. Das kann insbesondere dadurch der Fall sein, dass nicht-repräsentative Proben analysiert werden. Insbesondere bei inhomogenen Förderströmen kann es insoweit zu Messungenauigkeiten kommen.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials bereitzustellen, mit denen unter besonders geringem Aufwand eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
    1. a) Fördern des Materials,
    2. b) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder mittels Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA,
    3. c) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,
    4. d) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials anhand der Ergebnisse aus Schritt b) und c).
  • Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Gewinnung von Rohstoffen optimiert werden, indem die für die jeweiligen Rohstoffe erforderlichen Qualitätsmerkmale systematisch online erfasst werden, beispielsweise bei Erzen, Kohlen und Sedimenten. Weiterhin kann mit dem beschriebenen Verfahren die Steuerung von mit Biomassen und Ersatzbrennstoffen gefeuerten Kraftwerken und Kesseln verbessert werden. Auch können beispielsweise Materialhalden, Bergbaubetriebe, Industriebetriebe, Umschlagplätze, Logistikbetriebe, Entsorgungsbetriebe, Baubetriebe insbesondere zum Rückbau, der Straßenbau insbesondere unter Verwendung von Fräsen und Verwertungsbetriebe mit dem beschriebenen Verfahren systematisch bewirtschaftet werden. Das beschriebene Verfahren kann weiterhin in der Zementindustrie zur bedarfsgerechten Dosierung von Einsatzkomponenten eingesetzt werden. Auch kann mittels des beschriebenen Verfahrens eine Online-Charakterisierung und/oder Qualitätssicherung verschiedenster Materialien erfolgen.
  • Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise bei der industriellen Verarbeitung von Materialien eingesetzt. Beispiele für Materialien sind feste fossile Brennstoffe wie Braunkohle oder Steinkohle, Biomassen, Bauschutt, Ersatzbrennstoffe wie Bagasse, Altholz oder Kunststoff, Rohstoffe wie Erze, Gesteine, Sedimente, Böden oder Pigmente, Reststoffe und Recyclingprodukte wie Aschen, Schlacken, Müll, Klärschlamm, Elektroschrott oder Bauschutt, Asphaltschutt, Wertstoffe wie Metalle oder Werkstoffe. Das Material ist vorzugsweise ein Feststoff.
  • In Schritt a) wird das Material gefördert. Das erfolgt vorzugsweise mit einer Fördereinrichtung, insbesondere mit einem Förderband.
  • Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Elementzusammensetzung des Materials während des Förderns gemäß Schritt a) ermittelt werden. Unter der Elementzusammensetzung ist die Verteilung der chemischen Elemente in dem Material zu verstehen. Auf den chemischen Bindungszustand der Elemente kommt es dabei nicht an. Die Elementzusammensetzung ist bei vielen Anwendungen ein wichtiger Qualitätsparameter. Die Ermittlung der Elementzusammensetzung kann auch als Multielement-Analyse bezeichnet werden.
  • Bei dem beschriebenen Verfahren kommt zur Ermittlung der Elementzusammensetzung eine Kombination von PGNAA und/oder PFTNA einerseits und LIBS und/oder RFA andererseits zum Einsatz. Die PGNAA und/oder die PFTNA bieten eine solide Basis für das Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials. Bei der PGNAA und/oder die PFTNA ist allerdings die präzise Bestimmung einzelner Elemente limitiert. Um das Elementspektrum zu erweitern, werden daher PGNAA und/oder PFTNA mit LIBS und/oder RFA verknüpft.
  • In Schritt b) wird das gemäß Schritt a) geförderte Material mittels LIBS und/oder mittels RFA analysiert. Bevorzugt ist LIBS.
  • Mittels LIBS kann die Elementzusammensetzung des Materials analysiert werden. Dazu wird eine Oberfläche des zu analysierenden Materials mit einem Laser abgetastet. Mit LIBS kann die Elementzusammensetzung nur an der Oberfläche des Materials ermittelt werden. Im Vergleich zu PGNAA und PFTNA ist LIBS aber genauer und sensitiver hinsichtlich der Bestimmung von Elementkonzentrationen. Demgegenüber sind PGNAA und PFTNA insbesondere hinsichtlich der Bestimmung einzelner Elemente und deren Nachweisgrenzen limitiert. Gleichwohl kann mittels PGNAA und/oder PFTNA die Materialzusammensetzung bis zu einer bestimmten Eindringtiefe auch innerhalb des Materials ermittelt werden, was insbesondere bei großen Probenvolumina, beispielsweise bei Vollstrom-Analysen auf Förderbandanlagen von Vorteil ist.
  • LIBS bietet eine große Auswahl an chemischen Elementen, die grundsätzlich bestimmt werden können. Jedoch besteht bei dieser Technik eine Unsicherheit darin, dass nur die Oberfläche des Materials analysiert wird. Im Falle von Inhomogenitäten können somit nur eingeschränkt repräsentative Messergebnisse erhalten werden. Durch die Synchronisation mit der PGNAA kann dieser Effekt kompensiert werden. Insbesondere die Anteile von besonders relevanten Elementen in dem Material, insbesondere von solchen mit verhältnismäßig großem Anteil an dem Material, werden vorzugsweise mit beiden Messtechniken bestimmt. Dabei wird das Ergebnis der LIBS aufgrund der fehlenden Repräsentativität vorzugsweise mit dem entsprechenden Ergebnis der PGNAA und/oder PFTNA als Standardisierung angepasst. Mit dieser Standardisierung können die gemessenen Konzentrationen aller Elemente um den entsprechenden Faktor an das Messergebnisse der PGNAA angeglichen werden. Das kann zu einem deutlich erweiterten Elementspektrum führen, welches durch die Verknüpfung der Messmethoden insbesondere auch repräsentativ für das gesamte gemäß Schritt a) geförderte Material sein kann.
  • Auch mittels RFA kann die Elementzusammensetzung des Materials analysiert werden.
  • Die Ergebnisse der PGNAA und/oder der PFTNA werden vorzugsweise als Grundlage für die Ermittlung der Elementzusammensetzung verwendet und mittels LIBS und/oder RFA korrigiert. Alternativ ist es bevorzugt, die Ergebnisse der LIBS und/oder RFA als Grundlage für die Ermittlung der Elementzusammensetzung zu verwenden und mittels PGNAA und/oder PFTNA zu korrigieren. Damit kann insbesondere das analysierbare Elementspektrum erweitert werden und eine Messsignalausbeute erhöht werden. In dem Fall, dass die Ergebnisse der LIBS und/oder RFA mittels PGNAA und/oder PFTNA korrigiert werden, kann die Repräsentativität der LIBS-Analyse beziehungsweise der RFA-Analyse erhöht werden, weil mittels PGNAA und/oder PFTNA ein größeres Probenvolumen analysiert werden kann als mit LIBS beziehungsweise RFA.
  • In Schritt c) wird das gemäß Schritt a) geförderte Material mittels PGNAA und/oder PFTNA analysiert. Bevorzugt ist die PGNAA. Bei beiden genannten Verfahren handelt es sich um Methoden zur Analyse unter Verwendung von Neutronen. Die Neutronen können ausgehend von der Neutronenquelle, beispielsweise einem geeigneten radioaktiven Material, in das Material ausgesendet werden. Entsprechend ist bevorzugt, dass die Neutronenquelle derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Neutronen von der Neutronenquelle in das Material eingeleitet werden, wenn sich das Material in oder auf der Fördereinrichtung befindet.
  • Innerhalb des Materials kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den von der Neutronenquelle ausgesendeten Neutronen und den Kernen der das Material bildenden Atome. Bei dieser Kernwechselwirkung wird Gammastrahlung erzeugt, die von dem Strahlungsdetektor detektiert werden kann. Der Strahlungsdetektor ist entsprechend vorzugsweise derart angeordnet und ausgebildet, dass mit dem Strahlungsdetektor die Strahlung erfasst werden kann, die von dem Material ausgesendet wird, wenn sich das Material in oder auf der Fördereinrichtung befindet und dort mit Neutronen aus der Neutronenquelle beaufschlagt wird.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren und/oder eine Mehrzahl von Neutronenquellen. Insbesondere können eine Neutronenquelle und eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren verwendet werden. Insbesondere bei großen Materialdicken ist die Verwendung mehrerer Neutronenquellen bevorzugt, um einen Anregungsbereich im Material zu vergrößern.
  • Anhand der detektieren Strahlung kann auf die im Material befindlichen Atome geschlossen werden. Insoweit kann die Elementzusammensetzung des Materials ermittelt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt b) und/oder c) weiterhin eine Feuchtigkeit des Materials ermittelt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Materials berücksichtigt.
  • Der Wassergehalt im Material kann einen Einfluss auf den Neutronenfluss durch das Material haben. Durch Kenntnis der Feuchtigkeit des Materials kann daher die Genauigkeit der PGNAA, der PFTNA, der LIBS und/oder der RFA verbessert werden. Die Feuchtigkeit des Materials kann beispielsweise mittels Mikrowellentechnik, Nah-Infrarot-Technik, Gammarückstreuung, Messung des kapazitiven Widerstands, oder durch Terra-Hz-Messtechnik ermittelt werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Schritt b) an einem von dem gemäß Schritt a) geförderten Material abgezweigten Teil des Materials durchgeführt.
  • Das Abzweigen des Teils des Materials kann durch Entnehmen einer insbesondere repräsentativen Probe aus dem Vollstrom oder durch Bilden eines Teilstroms erfolgen. Das Abzweigen erfolgt vorzugsweise ohne das Fördern des Materials gemäß Schritt a) zu unterbrechen. Vorzugsweise wird die abgezweigte Menge des zu untersuchenden Materials vor der Analyse aufbereitet. Das kann insbesondere ein Mahlen, Teilen, Zerkleinern, Homogenisieren, Schütten, und/oder Verpressen des Materials umfassen, insbesondere im Falle einer Probenentnahme. Die Probenahme erfolgt vorzugsweise DIN-konform.
  • Es ist bevorzugt, dass die LIBS gemäß Schritt b) an einem abgezweigten Teil des Materials durchgeführt wird, insbesondere in dem Fall, dass in Schritt b) nur die LIBS, nicht aber die RFA durchgeführt wird. In dem Fall wird das Material einerseits mittels PGNAA und/oder PFTNA, vorzugsweise im Vollstrom, und andererseits mittels LIBS nach Probenentnahme und einer vorzugsweise folgenden Probenaufbereitung durchgeführt. Bei der Probenaufbereitung wird die Probe vorzugsweise insbesondere zerkleinert, repräsentativ geteilt, homogenisiert und/oder zu einem Pressling verpresst oder als lose Schüttung in eine Messkammer mit gleichbleibender Geometrie geführt. Die Probenahme erfolgt vorzugsweise DIN-konform. Das führt zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit der LIBS. Um weiterhin bestehenden Unsicherheiten bezüglich der Repräsentativität der Probenahmen zu begegnen, werden bei dem beschriebenen Verfahren die Ergebnisse der PGNAA und/oder PFTNA einerseits mit den Ergebnissen der LIBS andererseits verknüpft, insbesondere hinsichtlich ausgewählter, besonders relevanter Elemente des Materials. Somit kann für das gesamte gemäß Schritt a) geförderte Material die Elementzusammensetzung besonders genau bestimmt werden. Auch kann dabei ein deutlich erweitertes Elementspektrum erzielt werden, das durch die Verknüpfung von PGNAA und/oder PFTNA einerseits mit LIBS andererseits repräsentativ für das gesamte gemäß Schritt a) geförderte Material ist und darüber hinaus auch bei inhomogenen Stoffströmen eingesetzt werden kann.
  • Es ist bevorzugt, dass die RFA gemäß Schritt b) an einem abgezweigten Teil des Materials durchgeführt wird, insbesondere in dem Fall, dass in Schritt b) nur die RFA, nicht aber die LIBS durchgeführt wird. Bei der Online-Analyse von Kohlen spielen beispielsweise der Aschegehalt, also die Summe der enthaltenen mineralischen Substanz, und die Aschezusammensetzung eine entscheidende Rolle bei der Feuerung. Da die mineralische Substanz teilweise innerhalb der Kohle, aber auch als mitgeförderter Sedimentanteil vorliegen kann, können inhomogene Kohle-Mineralsubstanz-Verteilungen auf Förderbandanlagen auftreten, die mit automatisierten Probenahmen meist nicht repräsentativ erfasst werden können. Wird der Aschegehalt des gemäß Schritt a) geförderten Materials mittels PGNAA und/oder PFTNA im Vollstrom analysiert, werden Inhomogenitäten mit erfasst. Die RFA kann insbesondere in dem Fall zusätzlich zur PGNAA und/oder PFTNA eine besonders verlässliche Bestimmung der Elementzusammensetzung des Materials ermöglichen. Um Ungenauigkeiten der Probenahme bei der RFA zu kompensieren, kann der durch die PGNAA gemessene Aschegehalt als Referenz für die Bewertung der Aschezusammensetzung durch die RFA verwendet werden. Unter dem Aschegehalt ist die Summe mineralischer Substanzen in dem Material zu verstehen, wobei organisch vorkommende Substanzen wie beispielsweise Schwefel ausgenommen sind. Unter der Aschezusammensetzung ist die mineralische Zusammensetzung zu verstehen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Schritt b) unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material durchgeführt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Schritt c) unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material durchgeführt.
  • In diesen Ausführungsformen werden LIBS und/oder RFA beziehungsweise PGNAA und/oder PFTNA unmittelbar auf das gemäß Schritt a) geförderte Material angewendet. Bevorzugt ist die Kombination beider Ausführungsformen, so dass LIBS und/oder RFA einerseits und PGNAA und/oder PFTNA andererseits unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material durchgeführt werden.
  • Dass die jeweiligen Messmethoden unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material durchgeführt werden, bedeutet, dass das Material im Vollstrom, vorzugsweise berührungslos, analysiert wird. Dadurch erfolgt durch das beschriebene Verfahren kein störender Eingriff in den übrigen Betriebsablauf. Insbesondere ist das beschriebene Verfahren zerstörungsfrei. Es wird das gesamte geförderte Material analysiert. Insbesondere werden nicht bloß ein Teilstrom oder eine entnommene Probe analysiert. Durch die Analyse im Vollstrom können insbesondere alle Probleme umgangen werden, die bei einer Analyse eines Teilstroms oder einer Probe entstehen, insbesondere hinsichtlich mangelnder Repräsentativität.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird weiterhin mindestens eine der folgenden Analysen durchgeführt:
    • - eine radiometrische Ascheanalyse,
    • - eine Infrarot-Spektroskopie, insbesondere eine Nah-Infrarot-Spektroskopie,
    • - eine Radarmessung,
    • - eine Volumenstrommessung,
    • - eine Ultraschallmessung,
    • - eine optische Analyse,
    • - eine Analyse mittels Gammastrahlenrückstreuung und -absorption,
    • - eine Massebestimmung.
  • Durch die Verknüpfung mit radiometrischen Ascheanalysatoren können ausgewählte Komponenten separat erfasst und zur Erhöhung der Messgenauigkeit beitragen. Durch die Verknüpfung mit IR, insbesondere NIR, können ausgewählte Komponenten separat erfasst werden und ebenfalls zur Erhöhung der Messgenauigkeit beitragen. Durch Verknüpfung mit Radarmessungen kann das Volumen des Materials bestimmt werden. Vorzugsweise wird mittels einer Waage zudem die Masse des Materials gemessen, so dass aus Volumen und Masse des Materials eine Schüttdichte des Materials bestimmt werden kann. Als optische Analyse kommt insbesondere eine Erfassung des Materials mittels einer Kamera in Betracht.
  • Weiterhin kann bei dem Verfahren mittels GPS und/oder über das 5G-Mobilfunknetz eine Position der Messung bestimmt werden. Das 5G-Mobilfunknetz eignet sich insbesondere im Zusammenhang mit einem autonom fahrenden Fahrzeug. Sofern mehrere Analysen an verschiedenen Orten durchgeführt werden, können die einzelnen Messergebnisse ortsabhängig ausgewertet werden.
  • Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:
    • - eine Fördereinrichtung für das Material,
    • - eine in oder an der Fördereinrichtung angeordnete Neutronenquelle, die dazu eingerichtet ist, Neutronen in das Material einzuleiten, wenn sich das Material in oder auf der Fördereinrichtung befindet,
    • - einen in oder an der Fördereinrichtung angeordneten Strahlungsdetektor zum Detektieren von Strahlung, die in oder an der Fördereinrichtung durch in das Material eingeleitete Neutronen erzeugt wird,
    • - eine LIBS-Einrichtung zur Analyse des Materials mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder eine RFA-Einrichtung zur Analyse des Materials mittels Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA,
    • - eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, aus der vom Strahlungsdetektor detektierten Strahlung nach Art der Prompten-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder der Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, sowie anhand von Ergebnissen der Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder der Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA, die Elementzusammensetzung des Materials zu ermitteln.
  • Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des beschriebenen Verfahrens zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials sind auf die beschriebene Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere ist die beschriebene Vorrichtung vorzugsweise zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet. Insbesondere wird das beschriebene Verfahren vorzugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung ausgeführt.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren und/oder eine Mehrzahl von Neutronenquellen. Insbesondere können eine Neutronenquelle und eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren verwendet werden. Insbesondere bei großen Materialdicken ist die Verwendung mehrerer Neutronenquellen bevorzugt, um einen Anregungsbereich im Material zu vergrößern.
  • Die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor können auf verschiedene Weisen in oder an der Fördereinrichtung angeordnet sein. Bevorzugt sind insbesondere folgende Ausführungsformen:
    • - die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor sind oberhalb der Fördereinrichtung angeordnet,
    • - die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor sind unterhalb der Fördereinrichtung angeordnet,
    • - die Neutronenquelle ist unterhalb und der Strahlungsdetektor oberhalb der Fördereinrichtung angeordnet,
    • - die Neutronenquelle ist oberhalb und der Strahlungsdetektor unterhalb der Fördereinrichtung angeordnet.
  • Insbesondere in diesen vier Ausführungsformen ist die Fördereinrichtung vorzugsweise als ein Förderband mit einem Gurt zur Aufnahme des Materials ausgebildet. In dem Fall sind die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor oberhalb beziehungsweise unterhalb des Gurtes angeordnet.
  • Sofern eine Mehrzahl von Neutronenquellen und/oder eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren vorgesehen sind, sind vorzugsweise mindestens eine Neutronenquelle und mindestens ein Strahlungsdetektor wie beschrieben angeordnet.
  • Als ein weiterer Aspekt wird ein weiteres Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
    1. A) Fördern des Materials,
    2. B) Abzweigen eines Teils des gemäß Schritt A) geförderten Materials,
    3. C) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials durch Analyse des gemäß Schritt B) abgezweigten Teils des Materials mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS.
  • Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des zuvor beschriebenen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials sind auf das vorliegend beschriebene Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Das gilt insbesondere in Bezug auf die Analyse mittels LIBS.
  • Mittels LIBS kann die Elementzusammensetzung des Materials besonders genau ermittelt werden. LIBS ist für besonders viele verschiedene Elemente sensitiv. Allerdings kann mittels LIBS nur die Oberfläche des zu analysierenden Materials analysiert werden. Dieser Nachteil wird bei dem vorliegenden Verfahren dadurch ausgeglichen, dass nicht der Vollstrom des zu analysierenden Materials analysiert wird, sondern nur ein davon abgezweigter homogenisierter Teil. Dieser Teil wird in Schritt B) abgezweigt. Dazu kann eine Probe aus dem Vollstrom entnommen werden oder es kann ein Teilstrom gebildet werden. Das erfolgt vorzugsweise ohne das Fördern des Materials gemäß Schritt A) zu unterbrechen. Vorzugsweise wird die gemäß Schritt B) abgezweigte Menge des zu untersuchenden Materials in Schritt B) und vor Schritt C) aufbereitet. Das kann insbesondere ein Homogenisieren des Materials umfassen, insbesondere im Falle einer Probenentnahme. In Schritt C) wird das Material analysiert, wobei durch die vorherige Abzweigung nur eines Teils des Vollstroms der Nachteil zumindest teilweise ausgeglichen werden kann, dass mittels LIBS nur eine Oberflächenanalyse möglich ist. So kann das Material zum Zwecke der Analyse ausgebreitet werden, so dass eine besonders große Oberfläche mittels LIBS zugänglich ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt C) ein Kohlenstoff-Gehalt des Materials bestimmt, wobei aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt eine bei Verbrennung des Materials freigesetzte Menge CO2 bestimmt wird.
  • Bei verschiedensten Anwendungen, bei denen ein Material verbrannt wird, ist eine Vorhersage über den CO2-Ausstoß aufgrund der Verbrennung erforderlich. Das gilt insbesondere für Kraftwerke, die entsprechenden gesetzlichen Vorschriften unterliegen. Der maximal mögliche CO2-Ausstoß kann unmittelbar aus der im Material enthaltenen Menge Kohlenstoff ermittelt werden, weil bei der Verbrennung eines Materials nicht mehr CO2-Moleküle gebildet werden können als C-Atome in dem Material vorhanden sind. Daher kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Kohlenstoffanteil in dem Material ermittelt und daraus der zu erwartende CO2-Ausstoß durch Berechnung bestimmt werden. Mittels LIBS kann der Kohlenstoff-Anteil im Material besonders gut ermittelt werden.
  • Die beschriebene Ausführungsform ermöglicht eine präzise Online-Kohlenstoff-Direktbestimmung. Damit können bestehende Unsicherheiten bei der Bestimmung von CCh-Mengen reduziert werden. Dadurch ergeben sich viele Vorteile für Betreiber beispielsweise von Kraftwerken, insbesondere hinsichtlich der Reduzierung von erforderlichen CO2-Zertifikaten. Auch für Aufsichtsbehörden ergeben sich Vorteile, insbesondere hinsichtlich einer präziseren Messung der freigesetzten CO2-Menge.
  • Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das Abzweigen gemäß Schritt B) durch eine insbesondere DIN-konforme Probenentnahme erfolgt. Die Probe kann beispielsweise durch einen Hammerprobennehmer von einem Förderband entnommen werden. Dabei ist die Frequenz des Hammerschlags vorzugsweise flexibel und abhängig von der gemäß gesetzlicher Vorgabe, beispielsweise gemäß DEHSt, zu beprobenden Menge.
  • Nach der sich vorzugsweise anschließenden Probenaufbereitung kann die Probe entweder auf einem kleinen Förderband oder stationär mittels LIBS hinsichtlich ihres Kohlenstoffgehalts analysiert werden. Die Probenaufbereitung kann insbesondere ein Mahlen, Teilen, Zerkleinern, Homogenisieren, Schütten, und/oder Verpressen des Materials umfassen. Die Probenahme erfolgt vorzugsweise DIN-konform.
  • Zusammen mit einer kalibrierten oder geeichten Waage, beispielsweise einer Bandwaage, kann über die Korrelation zu den gemessenen Kohlenstoffkonzentrationen die CO2-Menge pro Masseeinheit berechnet werden. Um die Messgenauigkeiten der LIBS zu verbessern, kann die Messtechnik um eine Feuchtebestimmung, beispielsweise mittels NIR, erweitert werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt C) weiterhin eine Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA, an dem gemäß Schritt B) abgezweigten Teil des Materials durchgeführt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Materials berücksichtigt.
  • Durch die Ergänzung der LIBS durch die RFA kann die Messgenauigkeit durch Korrelation einzelner, mit der jeweiligen Messtechnik genauer analysierbarer Parameter weiter verbessert werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird weiterhin mindestens eine der folgenden Analysen durchgeführt:
    • - eine radiometrische Ascheanalyse,
    • - eine Infrarot-Spektroskopie, insbesondere eine Nah-Infrarot-Spektroskopie,
    • - eine Radarmessung,
    • - eine Volumenstrommessung,
    • - eine Ultraschallmessung,
    • - eine optische Analyse,
    • - eine Analyse mittels Gammastrahlenrückstreuung und -absorption,
    • - eine Massebestimmung.
  • Die zum zuvor beschriebenen Verfahren gemachten Ausführungen in Bezug auf die genannten Messmethoden gelten auch für das vorliegend beschriebene Verfahren.
  • Als ein weiterer Aspekt wird eine weitere Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:
    • - eine Fördereinrichtung für das Material,
    • - eine Abzweigeeinrichtung zum Abzweigen eines Teils des mit der Fördereinrichtung geförderten Materials,
    • - eine LIBS-Einrichtung zur Analyse einer mit der Abzweigeeinrichtung abgezweigten Teils des Materials mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS,
    • - eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, anhand der Ergebnisse der Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, die Elementzusammensetzung des Materials zu ermitteln.
  • Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der beiden beschriebenen Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials und der beschriebenen Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials sind auf die vorliegend beschriebene Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere ist die vorliegend beschriebene Vorrichtung vorzugsweise zur Durchführung des zweiten der beiden zuvor beschriebenen Verfahren eingerichtet. Insbesondere wird das zweite der beiden zuvor beschriebenen Verfahren vorzugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung ausgeführt.
  • Als ein weiterer Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials freigesetzten Menge CO2 vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
    • a) Fördern des Materials,
    • β) Analysieren des gemäß Schritt α) geförderten Materials mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,
    • γ) Ermitteln eines Kohlenstoff-Gehalts des Materials anhand der Ergebnisse aus Schritt β), wobei aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt die bei Verbrennung des Materials freigesetzte Menge CO2 bestimmt wird.
  • Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der beiden beschriebenen Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials und der beiden beschriebenen entsprechenden Vorrichtungen sind auf das vorliegend beschriebene Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Das gilt insbesondere in Bezug auf die Analyse mittels PGNAA und/oder PFTNA.
  • Bei verschiedensten Anwendungen, bei denen ein Material verbrannt wird, ist eine Vorhersage über den CO2-Ausstoß aufgrund der Verbrennung erforderlich. Das gilt insbesondere für Kraftwerke, die entsprechenden gesetzlichen Vorschriften unterliegen. Der maximal mögliche CO2-Ausstoß kann unmittelbar aus der im Material enthaltenen Menge Kohlenstoff ermittelt werden, weil bei der Verbrennung eines Materials nicht mehr CO2-Moleküle gebildet werden können als C-Atome in dem Material vorhanden sind. Dazu wird das Material gemäß dem vorliegend beschriebenen Verfahren in Schritt β) mittels PGNAA und/oder PFTNA analysiert. Bevorzugt ist eine Analyse mittels PGNAA. Damit wird gemäß Schritt γ) insbesondere der Kohlenstoffgehalt des Materials ermittelt. Aus dem Kohlenstoffanteil in dem Material wird in Schritt γ) der zu erwartende CO2-Ausstoß bei Verbrennung des Materials bestimmt. Das kann durch Berechnung erfolgen.
  • Bei dem vorliegend beschriebenen Verfahren kann in Schritt β) beispielsweise ein BGO-Detektor (Bismuth-Germanat-Detektor) für die PGNAA beziehungsweise PFTNA eingesetzt werden. Ein solcher ist zwar für die Bestimmung des Kohlenstoffgehalts grundsätzlich geeignet, allerdings hinsichtlich der Auflösung limitiert. Zur besonders genauen Bestimmung des Kohlenstoffgehalts ist daher die Verwendung eines Lanthan-Bromid-Detektors (LaBr3-Detektor) und/oder eines Reinst-Germanium-Detektors (High-Puriy-Germanium-Detector, HPGe-Detektor) bevorzugt, insbesondere in Kombination mit einem BGO-Detektor. Damit kann der Kohlenstoffpeak im Messergebnis isoliert betrachtet werden. Somit kann im Vollstrom eine Online-Kohlenstoff-Direktbestimmung erfolgen, mit der die CO2-Bestimmung signifikant verbessert werden kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird weiterhin eine Feuchtigkeit des Materials ermittelt und bei der Ermittlung des Kohlenstoff-Gehalts des Materials berücksichtigt.
  • Der Wassergehalt im Material kann, wie zuvor beschrieben, einen Einfluss auf den Neutronenfluss durch das Material haben. Durch Ermittlung der Feuchtigkeit des Materials kann somit die Messgenauigkeit erhöht werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Schritt β) unmittelbar an dem gemäß Schritt α) geförderten Material durchgeführt.
  • Dass die Analyse unmittelbar an dem gemäß Schritt α) geförderten Material durchgeführt wird, bedeutet, dass das Material im Vollstrom, vorzugsweise berührungslos, analysiert wird. Daraus ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile.
  • Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials freigesetzten Menge CO2 vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:
    • - eine Fördereinrichtung für das Material,
    • - eine in oder an der Fördereinrichtung angeordnete Neutronenquelle, die dazu eingerichtet ist, Neutronen in das Material einzuleiten, wenn sich das Material in oder auf der Fördereinrichtung befindet,
    • - einen in oder an der Fördereinrichtung angeordneten Strahlungsdetektor zum Detektieren von Strahlung, die in oder an der Fördereinrichtung durch in das Material eingeleitete Neutronen erzeugt wird,
    • - eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, aus der vom Strahlungsdetektor detektierten Strahlung nach Art der Prompten-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder der Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, einen Kohlenstoff-Gehalt des Materials zu ermitteln und aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt die bei Verbrennung des Materials freigesetzte Menge CO2 zu bestimmen.
  • Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der drei beschriebenen Verfahren und der beiden zuvor beschriebenen Vorrichtungen sind auf die vorliegend beschriebene Vorrichtung zum Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials freigesetzten Menge CO2 anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere ist die vorliegend beschriebene Vorrichtung vorzugsweise zur Durchführung des dritten der drei zuvor beschriebenen Verfahren eingerichtet. Insbesondere wird das dritte der drei zuvor beschriebenen Verfahren vorzugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung ausgeführt.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren und/oder eine Mehrzahl von Neutronenquellen. Insbesondere können eine Neutronenquelle und eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren verwendet werden. Insbesondere bei großen Materialdicken ist die Verwendung mehrerer Neutronenquellen bevorzugt, um einen Anregungsbereich im Material zu vergrößern.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:
    • 1: einen schematischen Ablauf eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials,
    • 2: eine schematische Draufsicht auf eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäß dem Verfahren aus 1,
    • 3: eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus 2,
    • 4: eine schematische Seitenansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäß dem Verfahren aus 1,
    • 5: einen schematischen Ablauf eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials,
    • 6: eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäß dem Verfahren aus 5,
    • 7: eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus 6,
    • 8: einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials freigesetzten Menge CO2,
    • 9: eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials freigesetzten Menge CO2 gemäß dem Verfahren aus 8, und
    • 10: eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus 9.
  • 1 zeigt einen schematischen Ablauf eines ersten Verfahrens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials 1. Die verwendeten Bezugszeichen beziehen sich auf die 2 bis 4. Das Verfahren umfasst:
    1. a) Fördern des Materials 1,
    2. b) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials 1 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder mittels Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA,
    3. c) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials 1 mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,
    4. d) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials 1 anhand der Ergebnisse aus Schritt b) und c).
  • In Schritt b) und/oder c) wird weiterhin eine Feuchtigkeit des Materials 1 ermittelt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Materials 1 berücksichtigt.
  • Die Schritte b) und c) können unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material 1 durchgeführt werden. Das ist in 2 und 3 gezeigt. Alternativ kann aber insbesondere Schritt b) an einer von dem gemäß Schritt a) geförderten Material 1 abgezweigten Menge des Materials 1 durchgeführt werden. Das ist in 4 gezeigt.
  • 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung 2 zum Ermitteln der Elementzusammensetzung eines Materials 1 gemäß dem Verfahren aus 1. Die Vorrichtung 2 umfasst eine Fördereinrichtung 3 für das Material 1. Mit der Fördereinrichtung 3 kann das Material 1 wie durch einen Pfeil angedeutet gefördert werden. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 2 eine an der Fördereinrichtung 3 angeordnete Neutronenquelle 4, die dazu eingerichtet ist, Neutronen in das Material 1 einzuleiten, wenn sich das Material 1 auf der Fördereinrichtung 3 befindet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 2 einen an der Fördereinrichtung 3 angeordneten Strahlungsdetektor 5 zum Detektieren von Strahlung, die an der Fördereinrichtung 3 durch in das Material 1 eingeleitete Neutronen erzeugt wird. Im gezeigten Beispiel sind eine Neutronenquelle 4 und ein Strahlungsdetektor 5 vorgesehen. Es können aber auch mehrere Neutronenquellen 4 und/oder mehrere Strahlungsdetektoren 5 vorgesehen sein. Bevorzugt sind eine Neutronenquelle 4 und mehrere Strahlungsdetektoren 5 vorgesehen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 2 eine LIBS-Einrichtung 6 zur Analyse des Materials 1 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und eine RFA-Einrichtung 7 zur Analyse des Materials 1 mittels Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA. Die LIBS-Einrichtung 6 und die RFA-Einrichtung 7 sind in 2 als eine Einheit zusammengefasst. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 2 eine Auswerteeinheit 8, die dazu eingerichtet ist, aus der vom Strahlungsdetektor 5 detektierten Strahlung nach Art der Prompten-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder der Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, sowie anhand von Ergebnissen der Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder der Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA, die Elementzusammensetzung des Materials 1 zu ermitteln. Dazu sind der Strahlungsdetektor 5, die LIBS-Einrichtung 6 und die RFA-Einrichtung 7 über Kabel mit der Auswerteeinheit 8 verbunden. Auch die Neutronenquelle 4 ist über ein Kabel mit der Auswerteeinheit 8 verbunden, was aber beispielsweise bei Verwendung einer radioaktiven Substanz als Neutronenquelle 4 nicht erforderlich ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Material 1 in einem Vollstrom 12 analysiert.
  • 3 zeigt eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus 2.
  • 4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung 2 zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials 1 gemäß dem Verfahren aus 1. Die Vorrichtung 2 umfasst eine Neutronenquelle 4 und einen Strahlungsdetektor 5, zwei LIBS-Einrichtungen 6 und eine RFA-Einrichtung 7. Dadurch wird das Material 1 einerseits mittels PGNAA in einem Vollstrom 12 analysiert, andererseits mittels LIBS und RFA in einem Teilstrom 13. Insoweit erfolgt die Analyse durch LIBS und RFA an einer abgezweigten Menge des Materials 1. Der Teilstrom 13 kann mittels einer Abzweigeeinrichtung 10 der Vorrichtung 2 vom Vollstrom 12 abgezweigt werden.
  • 5 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials 1. Die verwendeten Bezugszeichen beziehen sich auf die 6 und 7. Das Verfahren umfasst:
    1. A) Fördern des Materials 1,
    2. B) Abzweigen eines Teils des gemäß Schritt A) geförderten Materials 1,
    3. C) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials 1 durch Analyse des gemäß Schritt B) abgezweigten Teils des Materials 1 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS.
  • In Schritt C) kann ein Kohlenstoff-Gehalt des Materials 1 bestimmt werden, wobei aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt eine bei Verbrennung des Materials 1 freigesetzte Menge CO2 bestimmt werden kann. In Schritt C) kann weiterhin eine Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA, an dem gemäß Schritt B) abgezweigten Teil des Materials 1 durchgeführt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Materials 1 berücksichtigt werden.
  • 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung 9 zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials 1 gemäß dem Verfahren aus 5. Die Vorrichtung 9 umfasst eine Fördereinrichtung 3 für das Material 1. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 9 eine Abzweigeeinrichtung 10 zum Abzweigen eines Teils des mit der Fördereinrichtung 3 geförderten Materials 1. Somit kann von einem Vollstrom 12 des Materials 1 ein Teilstrom 13 abgezweigt werden. Die Vorrichtung 9 umfasst weiterhin eine LIBS-Einrichtung 6 zur Analyse des mit der Abzweigeeinrichtung 10 abgezweigten Teils des Materials 1 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS. Außerdem umfasst die Vorrichtung 9 eine Auswerteeinheit 8, die dazu eingerichtet ist, anhand der Ergebnisse der Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, die Elementzusammensetzung des Materials 1 zu ermitteln.
  • 7 zeigt eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus 6.
  • 8 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials 1 freigesetzten Menge CO2. Die verwendeten Bezugszeichen beziehen sich auf die 9 und 10. Das Verfahren umfasst:
    • a) Fördern des Materials 1,
    • β) Analysieren des gemäß Schritt α) geförderten Materials 1 mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,
    • γ) Ermitteln eines Kohlenstoff-Gehalts des Materials 1 anhand der Ergebnisse aus Schritt β), wobei aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt die bei Verbrennung des Materials 1 freigesetzte Menge CO2 bestimmt wird.
  • In Schritt γ) kann weiterhin eine Feuchtigkeit des Materials 1 ermittelt und bei der Ermittlung des Kohlenstoff-Gehalts des Materials 1 berücksichtigt werden. Schritt β) kann unmittelbar an dem gemäß Schritt α) geförderten Material 1 durchgeführt werden.
  • 9 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung 11 zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials 1 gemäß dem Verfahren aus 8. Die Vorrichtung 11 umfasst eine Fördereinrichtung 3 für das Material 1. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 11 eine an der Fördereinrichtung 3 angeordnete Neutronenquelle 4, die dazu eingerichtet ist, Neutronen in das Material 1 einzuleiten, wenn sich das Material 1 auf der Fördereinrichtung 3 befindet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 11 einen an der Fördereinrichtung 3 angeordneten Strahlungsdetektor 5 zum Detektieren von Strahlung, die an der Fördereinrichtung 3 durch in das Material 1 eingeleitete Neutronen erzeugt wird. Im gezeigten Beispiel sind eine Neutronenquelle 4 und ein Strahlungsdetektor 5 vorgesehen. Es können aber auch mehrere Neutronenquellen 4 und/oder mehrere Strahlungsdetektoren 5 vorgesehen sein. Bevorzugt sind eine Neutronenquelle 4 und mehrere Strahlungsdetektoren 5 vorgesehen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 11 eine Auswerteeinheit 8, die dazu eingerichtet ist, aus der vom Strahlungsdetektor 5 detektierten Strahlung nach Art der Prompten-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder der Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, einen Kohlenstoff-Gehalt des Materials 1 zu ermitteln und aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt die bei Verbrennung des Materials 1 freigesetzte Menge CO2 zu bestimmen.
  • Mit den beschriebenen Vorrichtungen 2, 9, 11 und Verfahren kann die Elementzusammensetzung in einem Material 1 mit einer besonders hohen Messgenauigkeit ermittelt werden, in dem PGNAA, PFTNA und/oder LIBS auf ein Material 1 in oder auf einer Fördereinrichtung 3 angewendet wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Material
    2
    Vorrichtung
    3
    Fördereinrichtung
    4
    Neutronenquelle
    5
    Strahlungsdetektor
    6
    LIBS-Einrichtung
    7
    RFA-Einrichtung
    8
    Auswerteeinheit
    9
    Vorrichtung
    10
    Abzweigeeinrichtung
    11
    Vorrichtung
    12
    Vollstrom
    13
    Teilstrom

Claims (16)

  1. Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials (1), umfassend: a) Fördern des Materials (1), b) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials (1) mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder mittels Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA, c) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials (1) mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, d) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials (1) anhand der Ergebnisse aus Schritt b) und c).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt b) und/oder c) weiterhin eine Feuchtigkeit des Materials (1) ermittelt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Materials (1) berücksichtigt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Schritt b) an einer von dem gemäß Schritt a) geförderten Material (1) abgezweigten Menge des Materials (1) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei Schritt b) unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material (1) durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Schritt c) unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material (1) durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei weiterhin mindestens eine der folgenden Analysen durchgeführt wird: - eine radiometrische Ascheanalyse, - eine Infrarot-Spektroskopie, - eine Radarmessung, - eine Volumenstrommessung, - eine Ultraschallmessung, - eine optische Analyse, - eine Analyse mittels Gammastrahlenrückstreuung und -absorption, - eine Massebestimmung.
  7. Vorrichtung (2) zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials (1), umfassend: - eine Fördereinrichtung (3) für das Material (1), - eine in oder an der Fördereinrichtung (3) angeordnete Neutronenquelle (4), die dazu eingerichtet ist, Neutronen in das Material (1) einzuleiten, wenn sich das Material (1) in oder auf der Fördereinrichtung (3) befindet, - einen in oder an der Fördereinrichtung (3) angeordneten Strahlungsdetektor (5) zum Detektieren von Strahlung, die in oder an der Fördereinrichtung (3) durch in das Material (1) eingeleitete Neutronen erzeugt wird, - eine LIBS-Einrichtung (6) zur Analyse des Materials (1) mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder eine RFA-Einrichtung (7) zur Analyse des Materials (1) mittels Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA, - eine Auswerteeinheit (8), die dazu eingerichtet ist, aus der vom Strahlungsdetektor (5) detektierten Strahlung nach Art der Prompten-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder der Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, sowie anhand von Ergebnissen der Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder der Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA, die Elementzusammensetzung des Materials (1) zu ermitteln.
  8. Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials (1), umfassend: A) Fördern des Materials (1), B) Abzweigen eines Teils des gemäß Schritt A) geförderten Materials (1), C) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials (1) durch Analyse des gemäß Schritt B) abgezweigten Teils des Materials (1) mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei in Schritt C) ein Kohlenstoff-Gehalt des Materials (1) bestimmt wird, und wobei aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt eine bei Verbrennung des Materials (1) freigesetzte Menge CO2 bestimmt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei in Schritt C) weiterhin eine Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA, an dem gemäß Schritt B) abgezweigten Teil des Materials (1) durchgeführt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Materials (1) berücksichtigt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei weiterhin mindestens eine der folgenden Analysen durchgeführt wird: - eine radiometrische Ascheanalyse, - eine Infrarot-Spektroskopie, - eine Radarmessung, - eine Volumenstrommessung, - eine Ultraschallmessung, - eine optische Analyse, - eine Analyse mittels Gammastrahlenrückstreuung und -absorption, - eine Massebestimmung.
  12. Vorrichtung (9) zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials (1), umfassend: - eine Fördereinrichtung (3) für das Material (1), - eine Abzweigeeinrichtung (10) zum Abzweigen eines Teils des mit der Fördereinrichtung (3) geförderten Materials (1), - eine LIBS-Einrichtung (6) zur Analyse einer mit der Abzweigeeinrichtung (10) abgezweigten Teils des Materials (1) mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, - eine Auswerteeinheit (8), die dazu eingerichtet ist, anhand der Ergebnisse der Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, die Elementzusammensetzung des Materials (1) zu ermitteln.
  13. Verfahren zum Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials (1) freigesetzten Menge CO2, umfassend: a) Fördern des Materials (1), β) Analysieren des gemäß Schritt α) geförderten Materials (1) mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, γ) Ermitteln eines Kohlenstoff-Gehalts des Materials (1) anhand der Ergebnisse aus Schritt β), wobei aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt die bei Verbrennung des Materials (1) freigesetzte Menge CO2 bestimmt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei weiterhin eine Feuchtigkeit des Materials (1) ermittelt und bei der Ermittlung des Kohlenstoff-Gehalts des Materials (1) berücksichtigt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei Schritt β) unmittelbar an dem gemäß Schritt α) geförderten Material (1) durchgeführt wird.
  16. Vorrichtung (11) zum Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials (1) freigesetzten Menge CO2, umfassend: - eine Fördereinrichtung (3) für das Material (1), - eine in oder an der Fördereinrichtung (3) angeordnete Neutronenquelle (4), die dazu eingerichtet ist, Neutronen in das Material (1) einzuleiten, wenn sich das Material (1) in oder auf der Fördereinrichtung (3) befindet, - einen in oder an der Fördereinrichtung (3) angeordneten Strahlungsdetektor (5) zum Detektieren von Strahlung, die in oder an der Fördereinrichtung (3) durch in das Material (1) eingeleitete Neutronen erzeugt wird, - eine Auswerteeinheit (8), die dazu eingerichtet ist, aus der vom Strahlungsdetektor (5) detektierten Strahlung nach Art der Prompten-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder der Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, einen Kohlenstoff-Gehalt des Materials (1) zu ermitteln und aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt die bei Verbrennung des Materials (1) freigesetzte Menge CO2 zu bestimmen.
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