WO2020200966A1 - Apparatuses and methods for ascertaining an elemental composition of a material - Google Patents

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WO2020200966A1 PCT/EP2020/058385 EP2020058385W WO2020200966A1 WO 2020200966 A1 WO2020200966 A1 WO 2020200966A1 EP 2020058385 W EP2020058385 W EP 2020058385W WO 2020200966 A1 WO2020200966 A1 WO 2020200966A1
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libs
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elemental composition
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Michael SCHÜNGEL
Daniela VOGT
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Rwe Power Ag
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Definitions

  • the present invention relates to devices and methods for determining an elemental composition of a material.
  • the present invention also relates to a method and a device for determining an amount of CO2 released when a material is burned.
  • the present invention is based on the object of at least partially overcoming the problems known from the prior art and, in particular, of providing devices and methods for determining an element composition of a material with which a particularly high measurement accuracy can be achieved with particularly little effort .
  • a method for determining an element composition of a material includes:
  • step b) analyzing the material conveyed according to step a) by means of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS, and / or by means of X-ray fluorescence analysis, XRF,
  • step c) Analyzing the material conveyed in accordance with step a) by means of the Prompter Gamma Neutron Activation Analysis, PGNAA, and / or Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,
  • the extraction of raw materials can be optimized by systematically recording the quality characteristics required for the respective raw materials online, for example for ores, coal and sediments.
  • the control of power plants and boilers fired with biomass and substitute fuels can be improved.
  • Material heaps, mining operations, industrial operations, Elmtschplatz, logistics operations, disposal operations, construction operations, especially for dismantling, road construction especially using milling machines and recycling operations can be systematically managed with the method described.
  • the method described can also be used in the cement industry for the needs-based metering of input components can be used. Online characterization and / or quality assurance of a wide variety of materials can also be carried out using the method described.
  • the method described is preferably used in the industrial processing of materials.
  • Examples of materials are solid fossil fuels such as lignite or hard coal, biomass, construction waste, substitute fuels such as bagasse, waste wood or plastic, raw materials such as ores, rocks, sediments, soils or pigments, residues and recycling products such as ash, slag, garbage, sewage sludge, and electronic scrap or building rubble, asphalt rubble, recyclables such as metals or materials.
  • the material is preferably a solid.
  • step a) the material is conveyed. This is preferably done with a conveyor device, in particular with a conveyor belt.
  • the elemental composition of the material can be determined during the conveying according to step a).
  • the element composition means the distribution of the chemical elements in the material.
  • the chemical bond state of the elements is not important.
  • the element composition is an important quality parameter in many applications.
  • the determination of the element composition can also be referred to as a multi-element analysis.
  • a combination of PGNAA and / or PFTNA on the one hand and LIBS and / or RFA on the other hand is used to determine the element composition.
  • the PGNAA and / or the PFTNA provide a solid basis for determining the elemental composition of the material. With the PGNAA and / or the PFTNA, however, the precise determination is one Individual elements limited. In order to expand the element spectrum, PGNAA and / or PFTNA are therefore linked with LIBS and / or RFA.
  • step b) the material conveyed according to step a) is analyzed by means of LIBS and / or by means of XRF.
  • LIBS is preferred.
  • the elemental composition of the material can be analyzed using LIBS.
  • LIBS For this purpose, a surface of the material to be analyzed is scanned with a laser. With LIBS, the elemental composition can only be determined on the surface of the material.
  • LIBS is more precise and more sensitive with regard to the determination of element concentrations.
  • PGNAA and PFTNA are limited in particular with regard to the determination of individual elements and their detection limits. Nevertheless, PGNAA and / or PFTNA can also be used to determine the material composition up to a certain penetration depth within the material, which is particularly advantageous for large sample volumes, for example for full flow analyzes on conveyor belt systems.
  • LIBS offers a large selection of chemical elements that can basically be determined. However, there is an uncertainty with this technique in that only the surface of the material is analyzed. In the case of inhomogeneities, only limited representative measurement results can therefore be obtained. This effect can be compensated for by synchronization with the PGNAA.
  • the proportions of particularly relevant elements in the material are preferably determined using both measurement techniques.
  • the result of the LIBS is preferably adapted with the corresponding result of the PGNAA and / or PFTNA as a standardization. With this standardization, the measured concentrations of all elements are adjusted to the measurement results of the PGNAA by the corresponding factor. This can lead to a significantly expanded range of elements, which by linking the measurement methods can in particular also be representative of the entire material conveyed in accordance with step a).
  • the elemental composition of the material can also be analyzed using XRF.
  • the results of the PGNAA and / or the PFTNA are preferably used as a basis for determining the elemental composition and corrected using LIBS and / or RFA.
  • the analyzable element spectrum can thus be expanded and a measurement signal yield can be increased.
  • the representativity of the LIBS analysis or the RFA analysis can be increased because PGNAA and / or PFTNA analyze a larger sample volume can be sated as with LIBS or RFA.
  • step c) the material conveyed according to step a) is analyzed by means of PGNAA and / or PFTNA.
  • PGNAA is preferred. Both of these methods are methods of analysis using neutrons.
  • the neutrons can be emitted into the material from the neutron source, for example a suitable radioactive material. Accordingly, it is preferred that the neutron source is arranged and designed in such a way that the neutrons are introduced into the material from the neutron source when the material is in or on the conveying device.
  • Within the material there is an interaction between the neutrons emitted by the neutron source and the nuclei of the atoms forming the material. During this core interaction, gamma radiation is generated which can be detected by the radiation detector.
  • the radiation detector is accordingly preferably arranged and designed in such a way that the radiation that is sent from the material can be detected with the radiation detector when the material is in or on the conveyor and is acted upon there by neutrons from the neutron source.
  • the device preferably comprises a plurality of radiation detectors and / or a plurality of neutron sources.
  • a neutron source and a plurality of radiation detectors can be used.
  • the use of several neutron sources is preferred, particularly in the case of large material thicknesses, in order to enlarge an excitation area in the material.
  • the elemental composition of the material can be determined.
  • a moisture content of the material is furthermore determined and taken into account when determining the elemental composition of the material.
  • the water content in the material can have an influence on the neutron flux through the material. Knowing the moisture content of the material can therefore improve the accuracy of the PGNAA, PFTNA, LIBS and / or XRF.
  • the moisture in the material can be measured, for example, by means of microwave technology, near-infrared technology, gamma backscattering, measurement of capacitive resistance, or using Terra-Hz measurement technology.
  • step b) is carried out on a part of the material branched off from the material conveyed according to step a).
  • the branching off of part of the material can take place by taking a particularly representative sample from the full flow or by forming a partial flow.
  • the branching takes place preferably without interrupting the conveying of the material according to step a).
  • the diverted amount of the material to be examined is preferably prepared before the analysis. This can in particular include grinding, dividing, comminuting, homogenizing, pouring and / or pressing the material, in particular in the case of taking a sample.
  • the sample taking is preferably carried out in accordance with DIN
  • the LIBS according to step b) is carried out on a branched off part of the material, in particular in the case that only the LIBS but not the XRF is carried out in step b).
  • the material is carried out on the one hand by means of PGNAA and / or PFTNA, preferably in full flow, and on the other hand by means of LIBS after sampling and preferably subsequent sample processing.
  • the sample preparation the sample is preferably especially comminuted, divided representative, homogenized and / or pressed to form a pellet or fed as a loose fill into a measuring chamber of constant geometry. Sampling is preferably carried out in accordance with DIN. This leads to an improvement in the measurement accuracy of the LIBS.
  • the results of the PGNAA and / or PFTNA on the one hand are compared with the results of the LIBS on the other on the one hand linked, especially with regard to selected, particularly relevant elements of the material.
  • the element composition can thus be determined particularly precisely for the entire material conveyed according to step a).
  • a significantly expanded range of elements can also be achieved, which by linking PGNAA and / or PFTNA on the one hand with LIBS on the other hand is representative of the entire material conveyed in accordance with step a) and can also be used for inhomogeneous material flows.
  • the XRF according to step b) is carried out on a branched off part of the material, in particular in the case that only the XRF, but not the LIBS, is carried out in step b).
  • the ash content i.e. the sum of the mineral substances it contains, and the ash composition play a decisive role in the combustion process. Since the mineral substance can partly be present within the coal, but also as part of the sediment that is conveyed, inhomogeneous coal-mineral substance distributions can occur on conveyor belt systems, which in most cases cannot be recorded in a representative manner with automated sampling.
  • step b) is carried out directly on the material conveyed according to step a).
  • step c) is carried out directly on the material conveyed according to step a).
  • LIBS and / or RFA or PGNAA and / or PFTNA are applied directly to the material conveyed in accordance with step a).
  • the combination of both embodiments is preferred, so that LIBS and / or RFA on the one hand and PGNAA and / or PFTNA on the other hand are carried out directly on the material conveyed according to step a).
  • step a means that the material is analyzed in full flow, preferably without contact. This takes place through the described
  • Procedure does not interfere with the rest of the operational process.
  • the method described is non-destructive.
  • the entire material produced is analyzed.
  • not just a partial flow or a sample taken are analyzed.
  • the analysis in the full flow makes it possible in particular to avoid all problems that arise when analyzing a partial flow or a sample, in particular with regard to insufficient representativeness.
  • At least one of the following analyzes is also carried out:
  • an infrared spectroscopy in particular a near infrared spectroscopy, a radar measurement
  • a mass determination an analysis by means of gamma-ray backscatter and absorption, a mass determination.
  • selected components can be recorded separately and contribute to increasing the measurement accuracy.
  • IR in particular NIR
  • selected components can be recorded separately and also contribute to increasing the measurement accuracy.
  • the volume of the material can be determined by linking it to radar measurements.
  • the mass of the material is also measured by means of a balance, so that a bulk density of the material can be determined from the volume and mass of the material.
  • recording the material by means of a camera is considered as an optical analysis.
  • a position of the measurement can be determined in the method by means of GPS and / or via the 5G cellular network.
  • the 5G cellular network is particularly suitable in connection with an autonomously driving vehicle. If several analyzes are carried out at different locations, the individual measurement results can be evaluated depending on the location.
  • a device for determining an element composition of a material comprises:
  • a neutron source arranged in or on the conveyor device, which is set up to introduce neutrons into the material when the material is in or on the conveyor device
  • a radiation detector arranged in or on the conveyor device for detecting radiation that is generated in or on the conveyor device by neutrons introduced into the material
  • a LIBS device for analyzing the material by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS, and / or an XRF device for analyzing the
  • An evaluation unit which is set up to use the radiation detected by the radiation detector in the manner of the prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or the pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA, and based on the results of the laser induced break - down spectroscopy, LIBS, and / or X-ray fluorescence analysis, XRF, to determine the elemental composition of the material.
  • PGNAA prompt gamma neutron activation analysis
  • PFTNA pulsed fast neutron activation analysis
  • LIBS laser induced break - down spectroscopy
  • XRF X-ray fluorescence analysis
  • the described special advantages and design features of the described method for determining the elemental composition of the material are applicable and transferable to the described device for determining the elemental composition of the material, and vice versa.
  • the device described is preferably set up to carry out the method described.
  • the method described is preferably carried out with the device described.
  • the device preferably comprises a plurality of radiation detectors and / or a plurality of neutron sources.
  • a neutron source and a plurality of radiation detectors can be used.
  • the use of several neutron sources is preferred in particular with large material thicknesses in order to enlarge an excitation area in the material.
  • the neutron source and the radiation detector can be arranged in or on the conveying device in various ways. The following embodiments are particularly preferred:
  • the neutron source and the radiation detector are arranged above the conveying device
  • the neutron source and the radiation detector are arranged below the conveyor device
  • the neutron source is arranged below and the radiation detector above the conveyor device
  • the neutron source is arranged above and the radiation detector below the conveyor.
  • the conveying device is preferably designed as a conveyor belt with a belt for receiving the material.
  • the neutron source and the radiation detector are arranged above and below the belt, respectively.
  • At least one neutron source and at least one radiation detector are preferably arranged as described.
  • Another method for determining an element composition of a material is presented as a further aspect.
  • the procedure includes:
  • step C) Determining the elemental composition of the material by analyzing the part of the material branched off according to step B) by means of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS.
  • LIBS laser induced breakdown spectroscopy
  • the element composition of the material can be determined particularly precisely using LIBS.
  • LIBS is sensitive to a particularly large number of different elements.
  • only the surface of the material to be analyzed can be analyzed using LIBS.
  • This disadvantage is compensated for in the present method in that not the full flow of the material to be analyzed is analyzed, but only a homogenized part branched off from it. This part is branched off in step B).
  • a sample can be taken from the full flow or a partial flow can be formed. This is preferably done without interrupting the conveying of the material according to step A).
  • the amount of the material to be examined branched off according to step B) is preferably processed in step B) and before step C).
  • step C) the material is analyzed, whereby the previous branching off of only part of the full flow can at least partially compensate for the disadvantage that only a surface analysis is possible using LIBS. In this way, the material can be spread out for the purpose of analysis, so that a particularly large surface is accessible using LIBS.
  • a carbon content of the material is determined in step C), an amount of CO2 released during combustion of the material being determined from the determined carbon content.
  • a prediction of the CCh emissions due to the incineration is required. This applies in particular to power plants that are subject to the relevant statutory regulations.
  • the maximum possible CCk emissions can be determined directly from the amount of carbon contained in the material, because when a material is burned, no more CCk molecules can be formed than there are carbon atoms in the material. Therefore, according to the present embodiment, the carbon content in the material can be determined and the CCk emissions to be expected can be determined from this by calculation.
  • the carbon content in the material can be determined particularly well using LIBS.
  • the embodiment described enables a precise online direct carbon determination. In this way, existing uncertainties in the determination of CCk quantities can be reduced. This results in many advantages for operators of power plants, for example, especially with regard to the reduction of required CCk certificates. There are also advantages for supervisory authorities, in particular with regard to a more precise measurement of the amount of CCk released.
  • the branching off according to step B) takes place by taking a sample, in particular in accordance with DIN.
  • the sample can be taken from a conveyor belt, for example, by a hammer sampler.
  • the frequency of the hammer blow is preferably flexible and dependent on the amount to be sampled in accordance with legal requirements, for example in accordance with DEHSt.
  • the sample can either be transported on a small conveyor belt or stationary by means of LIBS their carbon content can be analyzed.
  • the sample preparation can in particular comprise grinding, dividing, comminuting, homogenizing, pouring and / or pressing the material. Sampling is preferably carried out in accordance with DIN.
  • the CCk amount per unit of mass can be calculated using the correlation to the measured carbon concentrations.
  • the measurement technology can be expanded to include moisture determination, for example using NIR.
  • step C) an X-ray fluorescence analysis, XRF, is carried out on the part of the material branched off according to step B) and taken into account when determining the elemental composition of the material.
  • XRF X-ray fluorescence analysis
  • the measurement accuracy can be further improved by correlating individual parameters that can be analyzed more precisely with the respective measurement technology.
  • At least one of the following analyzes is also carried out:
  • an infrared spectroscopy especially a near infrared spectroscopy, - a radar measurement
  • a further device for determining an element composition of a material comprises:
  • LIBS laser-induced breakdown spectroscopy
  • An evaluation unit which is set up to determine the elemental composition of the material on the basis of the results of the laser induced breakdown spectroscopy, LIBS.
  • the described special advantages and design features of the two described methods for determining the element composition of the material and the described device for determining the element composition of the material can be applied and transferred to the device described here for determining the element composition of the material, and vice versa.
  • the device described here is preferably set up to carry out the second of the two methods described above.
  • the second of the two methods described above is preferably carried out with the device described.
  • a method for determining an amount of CO2 released when a material is burned is presented. The procedure includes:
  • step a) analyzing the material conveyed according to step a) by means of prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA,
  • step ⁇ Determining a carbon content of the material on the basis of the results from step ⁇ ), the amount of CO2 released when the material is burned being determined from the determined carbon content.
  • a prediction of the CCh emissions due to the incineration is required. This applies in particular to power plants that are subject to the relevant statutory regulations.
  • the maximum possible CCk emissions can be determined directly from the amount of carbon contained in the material, because when a material burns, no more CCh molecules can be formed than C atoms are present in the material.
  • the material is analyzed using PGNAA and / or PFTNA in accordance with the method described above in step ⁇ ). Analysis using PGNAA is preferred.
  • the carbon content of the material in particular is determined. From the coal Substance content in the material is determined in step g) the expected CC emissions when the material is burned. This can be done by calculation.
  • a BGO detector bismuth germanate detector for the PGNAA or PFTNA, for example, can be used in step ⁇ ).
  • this is basically suitable for determining the carbon content, it is limited in terms of resolution.
  • it is therefore preferred to use a lanthanum bromide detector (LaBr3 detector) and / or a pure germanium detector (high puriy germanium detector, HPGe detector), especially in combination with a BGO detector.
  • LaBr3 detector lanthanum bromide detector
  • HPGe detector high puriy germanium detector
  • a moisture content of the material is also determined and taken into account when determining the carbon content of the material.
  • the water content in the material can have an influence on the neutron flux through the material.
  • step ⁇ ) is carried out directly on the material conveyed according to step a).
  • a device for determining an amount of CO 2 released when a material is burned is presented as a further aspect.
  • the device comprises:
  • a neutron source arranged in or on the conveyor device, which is set up to introduce neutrons into the material when the material is in or on the conveyor device,
  • a radiation detector arranged in or on the conveyor device for detecting radiation that is generated in or on the conveyor device by neutrons introduced into the material
  • An evaluation unit which is set up to determine a carbon content of the material from the radiation detected by the radiation detector in the manner of prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA and to determine the amount of CO 2 released when the material is burned from the determined carbon content.
  • the described special advantages and design features of the three described methods and the two previously described devices can be used and transferred to the device described here for determining an amount of CO 2 released when a material is burned, and vice versa.
  • the presently described device is preferably set up for performing the third of the three methods described above.
  • the third of the three methods described above is preferably carried out with the device described.
  • the device preferably comprises a plurality of radiation detectors and / or a plurality of neutron sources.
  • a new ion source and a plurality of radiation detectors can be used.
  • the use of several neutron sources is preferred in particular with large material thicknesses in order to enlarge an excitation area in the material.
  • FIG. 2 a schematic plan view of a first device according to the invention for determining an elemental composition of a material according to the method from FIG. 1,
  • FIG. 3 a schematic side view of the device from FIG. 2
  • FIG. 4 a schematic side view of a second device according to the invention for determining an elemental composition of a material according to the method from FIG. 1,
  • 5 a schematic sequence of a second method according to the invention for determining an elemental composition of a material
  • FIG. 6 a schematic plan view of a device according to the invention for determining an element composition of a material according to the method from FIG. 5,
  • FIG. 7 a schematic side view of the device from FIG. 6,
  • FIG. 8 a schematic sequence of a method according to the invention for
  • FIG. 9 a schematic plan view of a device according to the invention for determining an amount of CO2 released when a material is burned according to the method from FIG. 8, and FIG.
  • FIG. 10 shows a schematic side view of the device from FIG. 9.
  • FIG. 1 shows a schematic sequence of a first method for determining an elemental composition of a material 1.
  • the reference characters used relate to FIGS. 2 to 4.
  • the method comprises:
  • step b) Analyzing the material 1 conveyed according to step a) by means of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS, and / or by means of X-ray
  • step c) Analyzing the material 1 conveyed in accordance with step a) by means of the Prompter Gamma Neutron Activation Analysis, PGNAA, and / or Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, d) Determining the elemental composition of the material 1 on the basis of the results from step b) and c).
  • PGNAA Prompter Gamma Neutron Activation Analysis
  • PFTNA Pulsed Fast Neutron Activation Analysis
  • step b) and / or c) a moisture content of the material 1 is furthermore determined and taken into account when determining the elemental composition of the material 1.
  • Steps b) and c) can be carried out directly on the material 1 conveyed according to step a). This is shown in FIGS. 2 and 3. Alternatively, however, in particular step b) can be carried out on an amount of the material 1 branched off from the material 1 conveyed in accordance with step a). This is shown in FIG.
  • FIG. 2 shows a schematic top view of a device 2 for determining the element composition of a material 1 according to the method from FIG. 1.
  • the device 2 comprises a conveying device 3 for the material 1. With the conveying device 3, the material 1 can be moved as indicated by an arrow indicated to be promoted.
  • the device 2 comprises a neutron source 4 arranged on the conveying device 3, which is set up to introduce neutrons into the material 1 when the material 1 is on the conveying device 3.
  • the device 2 further comprises a radiation detector 5 arranged on the conveyor 3 for detecting radiation that is generated on the conveyor 3 by neutrons introduced into the material 1.
  • a neutron source 4 and a radiation detector 5 are provided.
  • the device 2 comprises a LIBS device 6 for analyzing the material 1 by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS, and an XRF device 7 for analyzing the material than 1 using X-ray fluorescence analysis, XRF.
  • LIBS device 6 and the RFA device 7 are combined as a unit in FIG. 2.
  • the device 2 comprises an evaluation unit 8, which is set up to use the radiation detected by the radiation detector 5 in the manner of the prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or the pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA, and based on to determine the elemental composition of the material 1 from results of the laser induced breakdown spectroscopy, LIBS, and / or the X-ray fluorescence analysis, XRF.
  • the radiation detector 5, the LIBS device 6 and the RFA device 7 are connected to the evaluation unit 8 via cables.
  • the neutron source 4 is also connected to the evaluation unit 8 via a cable, but this is not necessary, for example, when using a radioactive substance as the neutron source 4.
  • the material 1 is analyzed in a full flow 12.
  • FIG. 3 shows a schematic side view of the device from FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a device 2 for determining an elemental composition of a material 1 according to the method from FIG. 1.
  • the device 2 comprises a neutron source 4 and a radiation detector 5, two LIBS devices 6 and an XRF device 7.
  • the material 1 is analyzed on the one hand by means of PGNAA in a full flow 12, on the other hand by means of LIBS and XRF in a partial flow 13.
  • the analysis by LIBS and XRF is carried out on a branched off amount of the material 1.
  • the partial flow 13 can by means of a branching device 10 of the device 2 are branched off from the full stream 12.
  • FIG. 5 shows a schematic sequence of a method for determining an elemental composition of a material 1.
  • the reference symbols used relate to FIGS. 6 and 7.
  • the method comprises:
  • step C) Determining the elemental composition of the material 1 by analyzing the part of the material 1 branched off according to step B) by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS.
  • a carbon content of the material 1 can be determined, where an amount of CO2 released during combustion of the material 1 can be determined from the determined carbon content.
  • an X-ray fluorescence analysis, XRF can also be carried out on the part of the material 1 branched off in accordance with step B) and taken into account when determining the elemental composition of the material 1.
  • the device 9 shows a schematic top view of a device 9 for determining the element composition of the material 1 according to the method from FIG. 5.
  • the device 9 comprises a conveying device 3 for the material 1.
  • the device 9 comprises a branching device 10 for branching off a part of the material 1 conveyed by the conveying device 3.
  • a partial flow 13 can be branched off from a full flow 12 of the material 1.
  • the device 9 further comprises a LIBS device 6 for analyzing the part of the material 1 branched off with the branching device 10 by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS.
  • the device 9 comprises an evaluation unit 8 which is set up to determine the elemental composition of the material 1 on the basis of the results of the laser in cuted breakdown spectroscopy, LIBS.
  • FIG. 7 shows a schematic side view of the device from FIG. 6.
  • FIGS. 9 and 10 shows a schematic sequence of a method for determining an amount of CO2 released when a material 1 is burned.
  • the reference symbols used relate to FIGS. 9 and 10. The method comprises:
  • step a) analyzing the material 1 conveyed in accordance with step a) by means of prompter gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA,
  • step ⁇ Determining a carbon content of the material 1 on the basis of the results from step ⁇ ), the amount of CO2 released during combustion of the material 1 being determined from the determined carbon content.
  • step g) a moisture content of material 1 can also be determined and taken into account when determining the carbon content of material 1.
  • Step ⁇ ) can be carried out directly on the material 1 conveyed according to step a).
  • FIG. 9 shows a schematic top view of a device 11 for determining an element composition of a material 1 according to the method from FIG. 8.
  • the device 11 comprises a conveying device 3 for the material 1.
  • the device 11 comprises a device arranged on the conveying device 3 Neutron source 4, which is set up to introduce neutrons into the material 1 when the material 1 is on the conveyor 3.
  • the device 11 comprises a radiation detector 5 arranged on the conveying device 3 for detecting radiation that is generated on the conveying device 3 by neutrons introduced into the material 1.
  • a neutron source 4 and a radiation detector 5 are provided. However, several neutron sources 4 and / or several radiation detectors can also be used. 5 detectors may be provided.
  • a neutron source 4 and a plurality of radiation detectors 5 are preferably provided.
  • the device 11 comprises an evaluation unit 8 which is set up to convert a carbon from the radiation detected by the radiation detector 5 in the manner of prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA - to determine the content of material 1 and to determine the amount of CO2 released during combustion of material 1 from the specific carbon content.
  • PGNAA prompt gamma neutron activation analysis
  • PFTNA pulsed fast neutron activation analysis

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Abstract

A method for ascertaining an elemental composition of a material (1) comprises: a) conveying the material (1), b) analyzing the material (1), conveyed as per step a), by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS, and/or by means of x-ray fluorescence spectroscopy, XRF, c) analyzing the material (1), conveyed as per step a), by means of prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and/or pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA, d) ascertaining the elemental composition of the material (1) on the basis of the results of steps b) and c). Using the apparatuses (2, 9, 11) and methods described, it is possible to ascertain the elemental composition in a material (1) with a particularly high measurement accuracy by virtue of PGNAA, PFTNA and/or LIBS being applied to a material (1) in or on a conveying device (3).

Description

Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln Devices and methods for determining
einer Elementzusammensetzung eines Materials an elemental composition of a material
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials. Weiterhin betrifft die vorliegen de Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer bei Ver brennung eines Materials freigesetzten Menge CO2. The present invention relates to devices and methods for determining an elemental composition of a material. The present invention also relates to a method and a device for determining an amount of CO2 released when a material is burned.
Bei der industriellen Verarbeitung von Materialien wie fossilen Brennstoffen, Biomasse oder Rohstoffen ist es regelmäßig erforderlich, die genaue Zusammen setzung der Materialien zu kennen, insbesondere aufgrund von einzuhaltenden gesetzlichen Auflagen. In the industrial processing of materials such as fossil fuels, biomass or raw materials, it is regularly necessary to know the exact composition of the materials, in particular due to legal requirements that must be complied with.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Materialien auf Förderbändern zu ver- schiedensten Zwecken zu analysieren. Bei bekannten Verfahren besteht regelmä ßig das Problem einer eingeschränkten Repräsentativität. Das kann insbesondere dadurch der Fall sein, dass nicht-repräsentative Proben analysiert werden. Insbe sondere bei inhomogenen Förderströmen kann es insoweit zu Messungenauigkei ten kommen. It is known from the prior art to analyze materials on conveyor belts for the most varied of purposes. In known methods, there is regularly the problem of limited representativeness. This can be the case in particular because non-representative samples are analyzed. In particular, inhomogeneous flow rates can lead to measurement inaccuracies.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise zu überwin den und insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln einer Ele mentzusammensetzung eines Materials bereitzustellen, mit denen unter besonders geringem Aufwand eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann. Proceeding from this, the present invention is based on the object of at least partially overcoming the problems known from the prior art and, in particular, of providing devices and methods for determining an element composition of a material with which a particularly high measurement accuracy can be achieved with particularly little effort .
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formu lierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinan der kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Be schreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltun- gen der Erfindung dargestellt werden. This object is achieved with the features of the independent claims. Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependently formulated claims. Those in the dependent claims individually listed features can be combined with one another in a technologically sensible manner and can define further embodiments of the invention. In addition, the features specified in the claims are specified and explained in more detail in the description, with further preferred embodiments of the invention being presented.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammenset zung eines Materials vorgestellt. Das Verfahren umfasst: According to the invention, a method for determining an element composition of a material is presented. The procedure includes:
a) Fördern des Materials, a) conveying the material,
b) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder mittels Röntgen-Fluoreszenz- Analyse, RFA, b) analyzing the material conveyed according to step a) by means of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS, and / or by means of X-ray fluorescence analysis, XRF,
c) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials mittels Prompter- Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, c) Analyzing the material conveyed in accordance with step a) by means of the Prompter Gamma Neutron Activation Analysis, PGNAA, and / or Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,
d) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials anhand der Ergebnisse aus Schritt b) und c). d) Determining the elemental composition of the material on the basis of the results from steps b) and 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 Sedi menten. Weiterhin kann mit dem beschriebenen Verfahren die Steuerung von mit Biomassen und Ersatzbrennstoffen gefeuerten Kraftwerken und Kesseln verbes sert werden. Auch können beispielsweise Materialhalden, Bergbaubetriebe, In- dustriebetriebe, Elmschlagplätze, Logistikbetriebe, Entsorgungsbetriebe, Baube triebe insbesondere zum Rückbau, der Straßenbau insbesondere unter Verwen dung von Fräsen und Verwertungsbetriebe mit dem beschriebenen Verfahren sys tematisch 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 erfol gen. 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, Bö den 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. With the method described, the extraction of raw materials can be optimized by systematically recording the quality characteristics required for the respective raw materials online, for example for ores, coal and sediments. Furthermore, with the method described, the control of power plants and boilers fired with biomass and substitute fuels can be improved. Material heaps, mining operations, industrial operations, Elmschlagplatz, logistics operations, disposal operations, construction operations, especially for dismantling, road construction especially using milling machines and recycling operations, can be systematically managed with the method described. The method described can also be used in the cement industry for the needs-based metering of input components can be used. Online characterization and / or quality assurance of a wide variety of materials can also be carried out using the method described. The method described is preferably used in the industrial processing of materials. Examples of materials are solid fossil fuels such as lignite or hard coal, biomass, construction waste, substitute fuels such as bagasse, waste wood or plastic, raw materials such as ores, rocks, sediments, soils or pigments, residues and recycling products such as ash, slag, garbage, sewage sludge, and electronic scrap or building rubble, asphalt rubble, recyclables such as metals or materials. The material is preferably a solid.
In Schritt a) wird das Material gefördert. Das erfolgt vorzugsweise mit einer För dereinrichtung, insbesondere mit einem Förderband. In step a) the material is conveyed. This is preferably done with a conveyor device, in particular with a conveyor belt.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Elementzusammensetzung des Mate rials während des Förderns gemäß Schritt a) ermittelt werden. Unter der Element zusammensetzung 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. With the method described, the elemental composition of the material can be determined during the conveying according to step a). The element composition means the distribution of the chemical elements in the material. The chemical bond state of the elements is not important. The element composition is an important quality parameter in many applications. The determination of the element composition can also be referred to as a multi-element analysis.
Bei dem beschriebenen Verfahren kommt zur Ermittlung der Elementzusammen- Setzung 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 ein- zelner Elemente limitiert. Um das Elementspektrum zu erweitern, werden daher PGNAA und/oder PFTNA mit LIBS und/oder RFA verknüpft. In the method described, a combination of PGNAA and / or PFTNA on the one hand and LIBS and / or RFA on the other hand is used to determine the element composition. The PGNAA and / or the PFTNA provide a solid basis for determining the elemental composition of the material. With the PGNAA and / or the PFTNA, however, the precise determination is one Individual elements limited. In order to expand the element spectrum, PGNAA and / or PFTNA are therefore linked with LIBS and / or RFA.
In Schritt b) wird das gemäß Schritt a) geförderte Material mittels LIBS und/oder mittels RFA analysiert. Bevorzugt ist LIBS. In step b) the material conveyed according to step a) is analyzed by means of LIBS and / or by means of XRF. LIBS is preferred.
Mittels LIBS kann die Elementzusammensetzung des Materials analysiert werden. Dazu wird eine Oberfläche des zu analysierenden Materials mit einem Laser abge tastet. 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 Element konzentrationen. Demgegenüber sind PGNAA und PFTNA insbesondere hin sichtlich der Bestimmung einzelner Elemente und deren Nachweisgrenzen limi tiert. Gleichwohl kann mittels PGNAA und/oder PFTNA die Materialzusammen- Setzung bis zu einer bestimmten Eindringtiefe auch innerhalb des Materials ermit telt werden, was insbesondere bei großen Probenvolumina, beispielsweise bei Vollstrom-Analysen auf Förderbandanlagen von Vorteil ist. The elemental composition of the material can be analyzed using LIBS. For this purpose, a surface of the material to be analyzed is scanned with a laser. With LIBS, the elemental composition can only be determined on the surface of the material. Compared to PGNAA and PFTNA, however, LIBS is more precise and more sensitive with regard to the determination of element concentrations. In contrast, PGNAA and PFTNA are limited in particular with regard to the determination of individual elements and their detection limits. Nevertheless, PGNAA and / or PFTNA can also be used to determine the material composition up to a certain penetration depth within the material, which is particularly advantageous for large sample volumes, for example for full flow analyzes on conveyor belt systems.
LIBS bietet eine große Auswahl an chemischen Elementen, die grundsätzlich be- stimmt werden können. Jedoch besteht bei dieser Technik eine Unsicherheit darin, dass nur die Oberfläche des Materials analysiert wird. Im Falle von Inhomogenitä ten können somit nur eingeschränkt repräsentative Messergebnisse erhalten wer den. 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. LIBS offers a large selection of chemical elements that can basically be determined. However, there is an uncertainty with this technique in that only the surface of the material is analyzed. In the case of inhomogeneities, only limited representative measurement results can therefore be obtained. This effect can be compensated for by synchronization with the PGNAA. In particular, the proportions of particularly relevant elements in the material, in particular those with a relatively large proportion of the material, are preferably determined using both measurement techniques. Because of the lack of representativeness, the result of the LIBS is preferably adapted with the corresponding result of the PGNAA and / or PFTNA as a standardization. With this standardization, the measured concentrations of all elements are adjusted to the measurement results of the PGNAA by the corresponding factor. This can lead to a significantly expanded range of elements, which by linking the measurement methods can in particular also be representative of the entire material conveyed in accordance with step a).
Auch mittels RFA kann die Elementzusammensetzung des Materials analysiert werden. The elemental composition of the material can also be analyzed using XRF.
Die Ergebnisse der PGNAA und/oder der PFTNA werden vorzugsweise als Grundlage für die Ermittlung der Elementzusammensetzung verwendet und mit tels LIBS und/oder RFA korrigiert. Alternativ ist es bevorzugt, die Ergebnisse der LIBS und/oder RFA als Grundlage für die Ermittlung der Elementzusammenset zung 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 Re präsentativität der LIBS-Analyse beziehungsweise der RFA-Analyse erhöht wer den, weil mittels PGNAA und/oder PFTNA ein größeres Probenvolumen analy siert werden kann als mit LIBS beziehungsweise RFA. The results of the PGNAA and / or the PFTNA are preferably used as a basis for determining the elemental composition and corrected using LIBS and / or RFA. Alternatively, it is preferred to use the results of the LIBS and / or RFA as a basis for determining the element composition and to correct them using PGNAA and / or PFTNA. In particular, the analyzable element spectrum can thus be expanded and a measurement signal yield can be increased. In the event that the results of the LIBS and / or RFA are corrected using PGNAA and / or PFTNA, the representativity of the LIBS analysis or the RFA analysis can be increased because PGNAA and / or PFTNA analyze a larger sample volume can be sated as with LIBS or 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, bei- spielsweise 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 be findet. Innerhalb des Materials kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den von der Neutronenquelle ausgesendeten Neutronen und den Kernen der das Material bil denden 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 aus gesendet wird, wenn sich das Material in oder auf der Fördereinrichtung befindet und dort mit Neutronen aus der Neutronenquelle beaufschlagt wird. In step c) the material conveyed according to step a) is analyzed by means of PGNAA and / or PFTNA. PGNAA is preferred. Both of these methods are methods of analysis using neutrons. The neutrons can be emitted into the material from the neutron source, for example a suitable radioactive material. Accordingly, it is preferred that the neutron source is arranged and designed in such a way that the neutrons are introduced into the material from the neutron source when the material is in or on the conveying device. Within the material there is an interaction between the neutrons emitted by the neutron source and the nuclei of the atoms forming the material. During this core interaction, gamma radiation is generated which can be detected by the radiation detector. The radiation detector is accordingly preferably arranged and designed in such a way that the radiation that is sent from the material can be detected with the radiation detector when the material is in or on the conveyor and is acted upon there by neutrons from the neutron source.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren und/oder eine Mehrzahl von Neutronenquellen. Insbesondere können eine Neut ronenquelle und eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren verwendet werden. Ins besondere bei großen Material dicken ist die Verwendung mehrerer Neutronen- quellen bevorzugt, um einen Anregungsbereich im Material zu vergrößern. The device preferably comprises a plurality of radiation detectors and / or a plurality of neutron sources. In particular, a neutron source and a plurality of radiation detectors can be used. The use of several neutron sources is preferred, particularly in the case of large material thicknesses, in order to enlarge an excitation area in the material.
Anhand der detektieren Strahlung kann auf die im Material befindlichen Atome geschlossen werden. Insoweit kann die Elementzusammensetzung des Materials ermittelt werden. Based on the detected radiation, conclusions can be drawn about the atoms in the material. In this respect, the elemental composition of the material can be determined.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt b) und/oder c) weiterhin eine Feuchtigkeit des Materials ermittelt und bei der Ermitt lung 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 Mikrowellen- technik, Nah-Infrarot-Technik, Gammarückstreuung, Messung des kapazitiven Widerstands, oder durch Terra-Hz-Messtechnik ermittelt werden. According to a preferred embodiment of the method, in step b) and / or c) a moisture content of the material is furthermore determined and taken into account when determining the elemental composition of the material. The water content in the material can have an influence on the neutron flux through the material. Knowing the moisture content of the material can therefore improve the accuracy of the PGNAA, PFTNA, LIBS and / or XRF. The moisture in the material can be measured, for example, by means of microwave technology, near-infrared technology, gamma backscattering, measurement of capacitive resistance, or using Terra-Hz measurement technology.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Schritt b) an einem von dem gemäß Schritt a) geförderten Material abgezweigten Teil des Materials durchgeführt. According to a further preferred embodiment of the method, step b) is carried out on a part of the material branched off from the material conveyed according to step a).
Das Abzweigen des Teils des Materials kann durch Entnehmen einer insbesondere repräsentativen Probe aus dem Vollstrom oder durch Bilden eines Teilstroms er- folgen. Das Abzweigen erfolgt vorzugsweise ohne das Fördern des Materials ge mäß 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 Pro- benähme erfolgt vorzugsweise DIN-konform The branching off of part of the material can take place by taking a particularly representative sample from the full flow or by forming a partial flow. The branching takes place preferably without interrupting the conveying of the material according to step a). The diverted amount of the material to be examined is preferably prepared before the analysis. This can in particular include grinding, dividing, comminuting, homogenizing, pouring and / or pressing the material, in particular in the case of taking a sample. The sample taking is preferably carried out in accordance with DIN
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 einer- seits mittels PGNAA und/oder PFTNA, vorzugsweise im Vollstrom, und anderer seits mittels LIBS nach Probenentnahme und einer vorzugsweise folgenden Pro benaufbereitung durchgeführt. Bei der Probenaufbereitung wird die Probe vor zugsweise 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 Probe nahmen zu begegnen, werden bei dem beschriebenen Verfahren die Ergebnisse der PGNAA und/oder PFTNA einerseits mit den Ergebnissen der LIBS anderer- seits 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. It is preferred that the LIBS according to step b) is carried out on a branched off part of the material, in particular in the case that only the LIBS but not the XRF is carried out in step b). In this case, the material is carried out on the one hand by means of PGNAA and / or PFTNA, preferably in full flow, and on the other hand by means of LIBS after sampling and preferably subsequent sample processing. During the sample preparation, the sample is preferably especially comminuted, divided representative, homogenized and / or pressed to form a pellet or fed as a loose fill into a measuring chamber of constant geometry. Sampling is preferably carried out in accordance with DIN. This leads to an improvement in the measurement accuracy of the LIBS. In order to counter existing uncertainties regarding the representativeness of the samples, the results of the PGNAA and / or PFTNA on the one hand are compared with the results of the LIBS on the other on the one hand linked, especially with regard to selected, particularly relevant elements of the material. The element composition can thus be determined particularly precisely for the entire material conveyed according to step a). A significantly expanded range of elements can also be achieved, which by linking PGNAA and / or PFTNA on the one hand with LIBS on the other hand is representative of the entire material conveyed in accordance with step a) and can also be used for inhomogeneous material flows.
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 minerali schen 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- Mineral Substanz -Verteilungen auf Förderbandanlagen auftreten, die mit automati sierten 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 be sonders verlässliche Bestimmung der Elementzusammensetzung des Materials ermöglichen. Um Ungenauigkeiten der Probenahme bei der RFA zu kompensie ren, kann der durch die PGNAA gemessene Aschegehalt als Referenz für die Be wertung 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 Schwe fel 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. It is preferred that the XRF according to step b) is carried out on a branched off part of the material, in particular in the case that only the XRF, but not the LIBS, is carried out in step b). In the online analysis of coals, for example, the ash content, i.e. the sum of the mineral substances it contains, and the ash composition play a decisive role in the combustion process. Since the mineral substance can partly be present within the coal, but also as part of the sediment that is conveyed, inhomogeneous coal-mineral substance distributions can occur on conveyor belt systems, which in most cases cannot be recorded in a representative manner with automated sampling. If the ash content of the material conveyed according to step a) is analyzed using PGNAA and / or PFTNA in full flow, inhomogeneities are also recorded. In this case, in addition to the PGNAA and / or PFTNA, the XRF can enable a particularly reliable determination of the elemental composition of the material. In order to compensate for inaccuracies in sampling during XRF, the ash content measured by the PGNAA can be used as a reference for evaluating the ash composition by the XRF. The ash content is to be understood as the sum of mineral substances in the material, with the exception of organically occurring substances such as sulfur. The ash composition is understood to mean the mineral composition. According to a further preferred embodiment of the method, step b) is carried out directly on the material conveyed according to step a).
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Schritt c) unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material durchgeführt. According to a further preferred embodiment of the method, step c) is carried out directly on the material conveyed according to step a).
In diesen Ausführungsformen werden LIBS und/oder RFA beziehungsweise PGNAA und/oder PFTNA unmittelbar auf das gemäß Schritt a) geförderte Mate rial 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. In these embodiments, LIBS and / or RFA or PGNAA and / or PFTNA are applied directly to the material conveyed in accordance with step a). The combination of both embodiments is preferred, so that LIBS and / or RFA on the one hand and PGNAA and / or PFTNA on the other hand are carried out directly on the material conveyed according to step a).
Dass die jeweiligen Messmethoden unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförder ten Material durchgeführt werden, bedeutet, dass das Material im Vollstrom, vor- zugsweise berührungslos, analysiert wird. Dadurch erfolgt durch das beschriebeneThe fact that the respective measuring methods are carried out directly on the material conveyed according to step a) means that the material is analyzed in full flow, preferably without contact. This takes place through the described
Verfahren kein störender Eingriff in den übrigen Betriebsablauf. Insbesondere ist das beschriebene Verfahren zerstörungsfrei. Es wird das gesamte geförderte Mate rial analysiert. Insbesondere werden nicht bloß ein Teilstrom oder eine entnom mene 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. Procedure does not interfere with the rest of the operational process. In particular, the method described is non-destructive. The entire material produced is analyzed. In particular, not just a partial flow or a sample taken are analyzed. The analysis in the full flow makes it possible in particular to avoid all problems that arise when analyzing a partial flow or a sample, in particular with regard to insufficient representativeness.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird weiter hin mindestens eine der folgenden Analysen durchgeführt: According to a further preferred embodiment of the method, at least one of the following analyzes is also carried out:
- eine radiometrische Ascheanalyse, - a radiometric ash analysis,
eine Infrarot-Spektroskopie, insbesondere eine Nah-Infrarot-Spektroskopie, eine Radarmessung, an infrared spectroscopy, in particular a near infrared spectroscopy, a radar measurement,
eine Volumenstrommessung, a volume flow measurement,
eine Ultraschallmessung, eine optische Analyse, an ultrasound measurement, an optical analysis,
eine Analyse mittels Gammastrahlenrückstreuung und -absorption, eine Massebestimmung. Durch die Verknüpfung mit radiometrischen Ascheanalysatoren können ausge wählte Komponenten separat erfasst und zur Erhöhung der Messgenauigkeit bei tragen. Durch die Verknüpfung mit IR, insbesondere NIR, können ausgewählte Komponenten separat erfasst werden und ebenfalls zur Erhöhung der Messgenau igkeit 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 Be tracht. an analysis by means of gamma-ray backscatter and absorption, a mass determination. Through the connection with radiometric ash analyzers, selected components can be recorded separately and contribute to increasing the measurement accuracy. By linking with IR, in particular NIR, selected components can be recorded separately and also contribute to increasing the measurement accuracy. The volume of the material can be determined by linking it to radar measurements. Preferably, the mass of the material is also measured by means of a balance, so that a bulk density of the material can be determined from the volume and mass of the material. In particular, recording the material by means of a camera is considered as an optical analysis.
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 durchge- führt werden, können die einzelnen Messergebnisse ortsabhängig ausgewertet werden. Furthermore, a position of the measurement can be determined in the method by means of GPS and / or via the 5G cellular network. The 5G cellular network is particularly suitable in connection with an autonomously driving vehicle. If several analyzes are carried out at different locations, the individual measurement results can be evaluated depending on the location.
Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzu sammensetzung eines Materials vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst: As a further aspect, a device for determining an element composition of a material is presented. The device comprises:
- eine Fördereinrichtung für das Material, - a conveyor for the 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, - a neutron source arranged in or on the conveyor device, which is set up to introduce neutrons into the material when the material is in or on the conveyor device, - A radiation detector arranged in or on the conveyor device for detecting radiation that is generated in or on the conveyor device by neutrons introduced into the material,
- eine LIBS-Einrichtung zur Analyse des Materials mittels Laser induced Break- down Spectroscopy, LIBS, und/oder eine RFA-Einrichtung zur Analyse des - A LIBS device for analyzing the material by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS, and / or an XRF device for analyzing the
Materials mittels Röntgen-Fluoreszenz -Analyse, RFA, Materials using X-ray fluorescence analysis, XRF,
- 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 Break- down Spectroscopy, LIBS, und/oder der Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA, die Elementzusammensetzung des Materials zu ermitteln. - An evaluation unit which is set up to use the radiation detected by the radiation detector in the manner of the prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or the pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA, and based on the results of the laser induced break - down spectroscopy, LIBS, and / or X-ray fluorescence analysis, XRF, to determine the elemental composition of the material.
Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des be- schriebenen Verfahrens zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materi als sind auf die beschriebene Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammen setzung des Materials anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere ist die beschriebene Vorrichtung vorzugsweise zur Durchführung des beschriebe nen Verfahrens eingerichtet. Insbesondere wird das beschriebene Verfahren vor- zugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung ausgeführt. The described special advantages and design features of the described method for determining the elemental composition of the material are applicable and transferable to the described device for determining the elemental composition of the material, and vice versa. In particular, the device described is preferably set up to carry out the method described. In particular, the method described is preferably carried out with the device described.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren und/oder eine Mehrzahl von Neutronenquellen. Insbesondere können eine Neut ronenquelle und eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren verwendet werden. Ins besondere bei großen Material dicken ist die Verwendung mehrerer Neutronen quellen 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: The device preferably comprises a plurality of radiation detectors and / or a plurality of neutron sources. In particular, a neutron source and a plurality of radiation detectors can be used. The use of several neutron sources is preferred in particular with large material thicknesses in order to enlarge an excitation area in the material. The neutron source and the radiation detector can be arranged in or on the conveying device in various ways. The following embodiments are particularly preferred:
- die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor sind oberhalb der Förderein- richtung angeordnet, - the neutron source and the radiation detector are arranged above the conveying device,
- die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor sind unterhalb der Förderein richtung angeordnet, - the neutron source and the radiation detector are arranged below the conveyor device,
- die Neutronenquelle ist unterhalb und der Strahlungsdetektor oberhalb der För dereinrichtung angeordnet, - the neutron source is arranged below and the radiation detector above the conveyor device,
- die Neutronenquelle ist oberhalb und der Strahlungsdetektor unterhalb der För dereinrichtung angeordnet. - The neutron source is arranged above and the radiation detector below the conveyor.
Insbesondere in diesen vier Ausführungsformen ist die Fördereinrichtung vor zugsweise als ein Förderband mit einem Gurt zur Aufnahme des Materials ausge- bildet. In dem Fall sind die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor oberhalb beziehungsweise unterhalb des Gurtes angeordnet. In these four embodiments in particular, the conveying device is preferably designed as a conveyor belt with a belt for receiving the material. In that case the neutron source and the radiation detector are arranged above and below the belt, respectively.
Sofern eine Mehrzahl von Neutronenquellen und/oder eine Mehrzahl von Strah lungsdetektoren vorgesehen sind, sind vorzugsweise mindestens eine Neutronen- quelle und mindestens ein Strahlungsdetektor wie beschrieben angeordnet. If a plurality of neutron sources and / or a plurality of radiation detectors are provided, at least one neutron source and at least one radiation detector are preferably arranged as described.
Als ein weiterer Aspekt wird ein weiteres Verfahren zum Ermitteln einer Ele mentzusammensetzung eines Materials vorgestellt. Das Verfahren umfasst: Another method for determining an element composition of a material is presented as a further aspect. The procedure includes:
A) Fördern des Materials, A) conveying the material,
B) Abzweigen eines Teils des gemäß Schritt A) geförderten Materials, B) branching off part of the material conveyed according to step A),
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. C) Determining the elemental composition of the material by analyzing the part of the material branched off according to step B) by means of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS. The described particular advantages and design features of the method described above and the corresponding device for determining the elemental composition of the material can be applied and transferred to the method described herein for determining the elemental composition of the material, and vice versa. This applies in particular to the analysis using 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 Homogenisie ren 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 beson ders große Oberfläche mittels LIBS zugänglich ist. The element composition of the material can be determined particularly precisely using LIBS. LIBS is sensitive to a particularly large number of different elements. However, only the surface of the material to be analyzed can be analyzed using LIBS. This disadvantage is compensated for in the present method in that not the full flow of the material to be analyzed is analyzed, but only a homogenized part branched off from it. This part is branched off in step B). For this purpose, a sample can be taken from the full flow or a partial flow can be formed. This is preferably done without interrupting the conveying of the material according to step A). The amount of the material to be examined branched off according to step B) is preferably processed in step B) and before step C). This can in particular include homogenizing the material, in particular in the case of taking a sample. In step C) the material is analyzed, whereby the previous branching off of only part of the full flow can at least partially compensate for the disadvantage that only a surface analysis is possible using LIBS. In this way, the material can be spread out for the purpose of analysis, so that a particularly large surface is accessible using LIBS.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt C) ein Kohlenstoff-Gehalt des Materials bestimmt, wobei aus dem bestimmten Kohlen stoff-Gehalt eine bei Verbrennung des Materials freigesetzte Menge CO2 be stimmt wird. Bei verschiedensten Anwendungen, bei denen ein Material verbrannt wird, ist eine Vorhersage über den CCh-Ausstoß aufgrund der Verbrennung erforderlich. Das gilt insbesondere für Kraftwerke, die entsprechenden gesetzlichen Vorschrif ten unterliegen. Der maximal mögliche CCk-Ausstoß kann unmittelbar aus der im Material enthaltenen Menge Kohlenstoff ermittelt werden, weil bei der Verbren nung eines Materials nicht mehr CCk-Moleküle gebildet werden können als C- Atome in dem Material vorhanden sind. Daher kann gemäß der vorliegenden Aus führungsform der Kohlenstoffanteil in dem Material ermittelt und daraus der zu erwartende CCk-Ausstoß durch Berechnung bestimmt werden. Mittels LIBS kann der Kohlenstoff-Anteil im Material besonders gut ermittelt werden. According to a preferred embodiment of the method, a carbon content of the material is determined in step C), an amount of CO2 released during combustion of the material being determined from the determined carbon content. In a wide variety of applications in which a material is incinerated, a prediction of the CCh emissions due to the incineration is required. This applies in particular to power plants that are subject to the relevant statutory regulations. The maximum possible CCk emissions can be determined directly from the amount of carbon contained in the material, because when a material is burned, no more CCk molecules can be formed than there are carbon atoms in the material. Therefore, according to the present embodiment, the carbon content in the material can be determined and the CCk emissions to be expected can be determined from this by calculation. The carbon content in the material can be determined particularly well using LIBS.
Die beschriebene Ausführungsform ermöglicht eine präzise Online-Kohlenstoff- Direktbestimmung. Damit können bestehende Unsicherheiten bei der Bestimmung von CCk-Mengen reduziert werden. Dadurch ergeben sich viele Vorteile für Be treiber beispielsweise von Kraftwerken, insbesondere hinsichtlich der Reduzie rung von erforderlichen CCk-Zertifikaten. Auch für Aufsichtsbehörden ergeben sich Vorteile, insbesondere hinsichtlich einer präziseren Messung der freigesetz ten CCk-Menge. The embodiment described enables a precise online direct carbon determination. In this way, existing uncertainties in the determination of CCk quantities can be reduced. This results in many advantages for operators of power plants, for example, especially with regard to the reduction of required CCk certificates. There are also advantages for supervisory authorities, in particular with regard to a more precise measurement of the amount of CCk released.
Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das Ab zweigen gemäß Schritt B) durch eine insbesondere DIN-konforme Probenent nahme erfolgt. Die Probe kann beispielsweise durch einen Hammerprobennehmer von einem Förderband entnommen werden. Dabei ist die Frequenz des Hammer schlags vorzugsweise flexibel und abhängig von der gemäß gesetzlicher Vorgabe, beispielsweise gemäß DEHSt, zu beprobenden Menge. In the present embodiment in particular, it is preferred that the branching off according to step B) takes place by taking a sample, in particular in accordance with DIN. The sample can be taken from a conveyor belt, for example, by a hammer sampler. The frequency of the hammer blow is preferably flexible and dependent on the amount to be sampled in accordance with legal requirements, for example in accordance with DEHSt.
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 insbe sondere ein Mahlen, Teilen, Zerkleinern, Homogenisieren, Schütten, und/oder Verpressen des Materials umfassen. Die Probenahme erfolgt vorzugsweise DIN- konform. After the preferably subsequent sample preparation, the sample can either be transported on a small conveyor belt or stationary by means of LIBS their carbon content can be analyzed. The sample preparation can in particular comprise grinding, dividing, comminuting, homogenizing, pouring and / or pressing the material. Sampling is preferably carried out in accordance with DIN.
Zusammen mit einer kalibrierten oder geeichten Waage, beispielsweise einer Bandwaage, kann über die Korrelation zu den gemessenen Kohlenstoffkonzentra tionen die CCk-Menge pro Masseeinheit berechnet werden. Um die Messgenauig keiten der LIBS zu verbessern, kann die Messtechnik um eine Feuchtebestim- mung, beispielsweise mittels NIR, erweitert werden. Together with a calibrated or calibrated scale, for example a belt scale, the CCk amount per unit of mass can be calculated using the correlation to the measured carbon concentrations. In order to improve the measurement accuracy of the LIBS, the measurement technology can be expanded to include moisture determination, for example using NIR.
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. According to a further preferred embodiment of the method, in step C) an X-ray fluorescence analysis, XRF, is carried out on the part of the material branched off according to step B) and taken into account when determining the elemental composition of the material.
Durch die Ergänzung der LIBS durch die RFA kann die Messgenauigkeit durch Korrelation einzelner, mit der jeweiligen Messtechnik genauer analysierbarer Pa rameter weiter verbessert werden. By supplementing the LIBS with XRF, the measurement accuracy can be further improved by correlating individual parameters that can be analyzed more precisely with the respective measurement technology.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird weiter hin mindestens eine der folgenden Analysen durchgeführt: According to a further preferred embodiment of the method, at least one of the following analyzes is also carried out:
eine radiometrische Ascheanalyse, a radiometric ash analysis,
eine Infrarot-Spektroskopie, insbesondere eine Nah-Infrarot-Spektroskopie, - eine Radarmessung, an infrared spectroscopy, especially a near infrared spectroscopy, - a radar measurement,
eine Volumenstrommessung, a volume flow measurement,
eine Ultraschallmessung, an ultrasound measurement,
eine optische Analyse, an optical analysis,
eine Analyse mittels Gammastrahlenrückstreuung und -absorption, eine Massebestimmung. an analysis using gamma-ray backscattering and absorption, a mass determination.
Die zum zuvor beschriebenen Verfahren gemachten Ausführungen in Bezug auf die genannten Messmethoden gelten auch für das vorliegend beschriebene Verfah ren. The statements made on the method described above in relation to the measurement methods mentioned also apply to the method described here.
Als ein weiterer Aspekt wird eine weitere Vorrichtung zum Ermitteln einer Ele mentzusammensetzung eines Materials vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:As a further aspect, a further device for determining an element composition of a material is presented. The device comprises:
- eine Fördereinrichtung für das Material, - a conveyor for the material,
- eine Abzweigeeinrichtung zum Abzweigen eines Teils des mit der Förderein richtung geförderten Materials, - a branching device for branching off part of the material conveyed by the conveying device,
- eine LIBS-Einrichtung zur Analyse einer mit der Abzweigeeinrichtung abge zweigten Teils des Materials mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, - A LIBS device for analyzing a part of the material branched off with the branching device by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS,
- eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, anhand der Ergebnisse der La ser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, die Elementzusammensetzung des Materials zu ermitteln. - An evaluation unit which is set up to determine the elemental composition of the material on the basis of the results of the laser induced breakdown spectroscopy, LIBS.
Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der beiden beschriebenen Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Mate rials und der beschriebenen Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammenset zung des Materials sind auf die vorliegend beschriebene Vorrichtung zum Ermit teln der Elementzusammensetzung des Materials anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere ist die vorliegend beschriebene Vorrichtung vorzugs weise zur Durchführung des zweiten der beiden zuvor beschriebenen Verfahren eingerichtet. Insbesondere wird das zweite der beiden zuvor beschriebenen Ver fahren vorzugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung ausgeführt. Als ein weiterer Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen einer bei Verbren nung eines Materials freigesetzten Menge CO2 vorgestellt. Das Verfahren um fasst: The described special advantages and design features of the two described methods for determining the element composition of the material and the described device for determining the element composition of the material can be applied and transferred to the device described here for determining the element composition of the material, and vice versa. In particular, the device described here is preferably set up to carry out the second of the two methods described above. In particular, the second of the two methods described above is preferably carried out with the device described. As a further aspect, a method for determining an amount of CO2 released when a material is burned is presented. The procedure includes:
a) Fördern des Materials, a) conveying the material,
ß) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials mittels Prompter- Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, ß) analyzing the material conveyed according to step a) by means of prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA,
g) Ermitteln eines Kohlenstoff-Gehalts des Materials anhand der Ergebnisse aus Schritt ß), wobei aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt die bei Verbren- nung des Materials freigesetzte Menge CO2 bestimmt wird. g) Determining a carbon content of the material on the basis of the results from step β), the amount of CO2 released when the material is burned being determined from the determined carbon content.
Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der beiden beschriebenen Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Mate rials 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. The described special advantages and design features of the two described methods for determining the elemental composition of the material and the two described corresponding devices are applicable and transferable to the method described here for determining the elemental composition of the material, and vice versa. This is particularly true with regard to the analysis using PGNAA and / or PFTNA.
Bei verschiedensten Anwendungen, bei denen ein Material verbrannt wird, ist eine Vorhersage über den CCh-Ausstoß aufgrund der Verbrennung erforderlich. Das gilt insbesondere für Kraftwerke, die entsprechenden gesetzlichen Vorschrif ten unterliegen. Der maximal mögliche CCk-Ausstoß kann unmittelbar aus der im Material enthaltenen Menge Kohlenstoff ermittelt werden, weil bei der Verbren nung eines Materials nicht mehr CCh-Moleküle gebildet werden können als C- Atome in dem Material vorhanden sind. Dazu wird das Material gemäß dem vor liegend beschriebenen Verfahren in Schritt ß) mittels PGNAA und/oder PFTNA analysiert. Bevorzugt ist eine Analyse mittels PGNAA. Damit wird gemäß Schritt g) insbesondere der Kohlenstoffgehalt des Materials ermittelt. Aus dem Kohlen- Stoffanteil in dem Material wird in Schritt g) der zu erwartende CC -Ausstoß bei Verbrennung des Materials bestimmt. Das kann durch Berechnung erfolgen. In a wide variety of applications in which a material is incinerated, a prediction of the CCh emissions due to the incineration is required. This applies in particular to power plants that are subject to the relevant statutory regulations. The maximum possible CCk emissions can be determined directly from the amount of carbon contained in the material, because when a material burns, no more CCh molecules can be formed than C atoms are present in the material. For this purpose, the material is analyzed using PGNAA and / or PFTNA in accordance with the method described above in step β). Analysis using PGNAA is preferred. In this way, according to step g), the carbon content of the material in particular is determined. From the coal Substance content in the material is determined in step g) the expected CC emissions when the material is burned. This can be done by calculation.
Bei dem vorliegend beschriebenen Verfahren kann in Schritt ß) beispielsweise ein BGO-Detektor (Bismuth-Germanat-Detektor) für die PGNAA beziehungsweise PFTNA eingesetzt werden. Ein solcher ist zwar für die Bestimmung des Kohlen stoffgehalts grundsätzlich geeignet, allerdings hinsichtlich der Auflösung limitiert. Zur besonders genauen Bestimmung des Kohlenstoffgehalts ist daher die Ver wendung 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. In the method described here, a BGO detector (bismuth germanate detector) for the PGNAA or PFTNA, for example, can be used in step β). Although this is basically suitable for determining the carbon content, it is limited in terms of resolution. For particularly precise determination of the carbon content, it is therefore preferred to use a lanthanum bromide detector (LaBr3 detector) and / or a pure germanium detector (high puriy germanium detector, HPGe detector), especially in combination with a BGO detector. This means that the carbon peak in the measurement result can be viewed in isolation. This means that direct online carbon determination can be carried out in full flow, with which the CO2 determination can be significantly improved.
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. According to a preferred embodiment of the method, a moisture content of the material is also determined and taken into account when determining the carbon content of the material. As described above, the water content in the material can have an influence on the neutron flux through the material. By determining the moisture content of the material, the measurement accuracy can be increased.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Schritt ß) unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material durchgeführt. According to a further preferred embodiment of the method, step β) is carried out directly on the material conveyed according to step a).
Dass die Analyse unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material durchgeführt wird, bedeutet, dass das Material im Vollstrom, vorzugsweise berüh rungslos, analysiert wird. Daraus ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile. Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen einer bei Ver brennung eines Materials freigesetzten Menge CO2 vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst: The fact that the analysis is carried out directly on the material conveyed according to step a) means that the material is analyzed in full flow, preferably without contact. This results in the advantages described above. A device for determining an amount of CO 2 released when a material is burned is presented as a further aspect. The device comprises:
- eine Fördereinrichtung für das Material, - a conveyor for the 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, - a neutron source arranged in or on the conveyor device, which is set up to introduce neutrons into the material when the material is in or on the conveyor device,
- 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, - A radiation detector arranged in or on the conveyor device for detecting radiation that is generated in or on the conveyor device by neutrons introduced into the material,
- 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 freige setzte Menge CO2 zu bestimmen. - An evaluation unit which is set up to determine a carbon content of the material from the radiation detected by the radiation detector in the manner of prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA and to determine the amount of CO 2 released when the material is burned from the determined carbon content.
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 Verbren nung eines Materials freigesetzten Menge CO2 anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere ist die vorliegend beschriebene Vorrichtung vorzugs weise zur Durchführung des dritten der drei zuvor beschriebenen Verfahren einge richtet. Insbesondere wird das dritte der drei zuvor beschriebenen Verfahren vor zugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung ausgeführt. The described special advantages and design features of the three described methods and the two previously described devices can be used and transferred to the device described here for determining an amount of CO 2 released when a material is burned, and vice versa. In particular, the presently described device is preferably set up for performing the third of the three methods described above. In particular, the third of the three methods described above is preferably carried out with the device described.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren und/oder eine Mehrzahl von Neutronenquellen. Insbesondere können eine Neut- ronenquelle und eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren verwendet werden. Ins besondere bei großen Material dicken ist die Verwendung mehrerer Neutronen quellen bevorzugt, um einen Anregungsbereich im Material zu vergrößern. Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Fi guren 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 Fi guren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinie ren. 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: The device preferably comprises a plurality of radiation detectors and / or a plurality of neutron sources. In particular, a new ion source and a plurality of radiation detectors can be used. The use of several neutron sources is preferred in particular with large material thicknesses in order to enlarge an excitation area in the material. The invention and the technical environment are explained in more detail below using the Fi gures. It should be pointed out that the invention is not intended to be restricted by the exemplary embodiments shown. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and to combine them with other components and findings from the present description and / or figures. In particular, it should be noted that the figures and in particular the proportions shown are only schematic. The same reference symbols denote the same objects, so that explanations from other figures can be used in addition, if necessary. Show it:
Fig. 1 : einen schematischen Ablauf eines ersten erfmdungsgemäßen Verfah rens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials, 1: a schematic sequence of a first method according to the invention for determining an elemental composition of a material,
Fig. 2: eine schematische Draufsicht auf eine erste erfmdungsgemäße Vorrich- tung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäß dem Verfahren aus Fig. 1, FIG. 2: a schematic plan view of a first device according to the invention for determining an elemental composition of a material according to the method from FIG. 1,
Fig. 3: eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus Fig. 2, Fig. 4: eine schematische Seitenansicht einer zweiten erfmdungsgemäßen Vor richtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäß dem Verfahren aus Fig. 1, Fig. 5: einen schematischen Ablauf eines zweiten erfindungsgemäßen Verfah rens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials, 3: a schematic side view of the device from FIG. 2, FIG. 4: a schematic side view of a second device according to the invention for determining an elemental composition of a material according to the method from FIG. 1, 5: a schematic sequence of a second method according to the invention for determining an elemental composition of a material,
Fig. 6: eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäß dem Verfahren aus Fig. 5, 6: a schematic plan view of a device according to the invention for determining an element composition of a material according to the method from FIG. 5,
Fig. 7: eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus Fig. 6, Fig. 8: einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum FIG. 7: a schematic side view of the device from FIG. 6, FIG. 8: a schematic sequence of a method according to the invention for
Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials freigesetzten Menge C02, Determination of the amount of C0 2 released when a material is burned,
Fig. 9: eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials freigesetzten Menge CO2 gemäß dem Verfahren aus Fig. 8, und FIG. 9: a schematic plan view of a device according to the invention for determining an amount of CO2 released when a material is burned according to the method from FIG. 8, and FIG
Fig. 10: eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus Fig. 9. Fig. 1 zeigt einen schematischen Ablauf eines ersten Verfahrens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials 1. Die verwendeten Bezugszei chen beziehen sich auf die Fig. 2 bis 4. Das Verfahren umfasst: 10 shows a schematic side view of the device from FIG. 9. FIG. 1 shows a schematic sequence of a first method for determining an elemental composition of a material 1. The reference characters used relate to FIGS. 2 to 4. The method comprises:
a) Fördern des Materials 1, a) conveying the material 1,
b) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials 1 mittels Laser in- duced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder mittels Röntgen-b) Analyzing the material 1 conveyed according to step a) by means of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS, and / or by means of X-ray
Fluoreszenz-Analyse, RFA, Fluorescence analysis, XRF,
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 Ergeb nisse aus Schritt b) und c). c) Analyzing the material 1 conveyed in accordance with step a) by means of the Prompter Gamma Neutron Activation Analysis, PGNAA, and / or Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, d) Determining the elemental composition of the material 1 on the basis of the results from step b) and c).
In Schritt b) und/oder c) wird weiterhin eine Feuchtigkeit des Materials 1 ermittelt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Materials 1 berücksich tigt. In step b) and / or c) a moisture content of the material 1 is furthermore determined and taken into account when determining the elemental composition of the material 1.
Die Schritte b) und c) können unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material 1 durchgeführt werden. Das ist in Fig. 2 und 3 gezeigt. Alternativ kann aber insbesondere Schritt b) an einer von dem gemäß Schritt a) geförderten Mate rial 1 abgezweigten Menge des Materials 1 durchgeführt werden. Das ist in Fig. 4 gezeigt. Steps b) and c) can be carried out directly on the material 1 conveyed according to step a). This is shown in FIGS. 2 and 3. Alternatively, however, in particular step b) can be carried out on an amount of the material 1 branched off from the material 1 conveyed in accordance with step a). This is shown in FIG.
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung 2 zum Ermitteln der Elementzusammensetzung eines Materials 1 gemäß dem Verfahren aus Fig. 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 geför dert werden. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 2 eine an der Fördereinrichtung 3 angeordnete Neutronenquelle 4, die dazu eingerichtet ist, Neutronen in das Mate- rial 1 einzuleiten, wenn sich das Material 1 auf der Fördereinrichtung 3 befindet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 2 einen an der Fördereinrichtung 3 angeordne ten Strahlungsdetektor 5 zum Detektieren von Strahlung, die an der Fördereinrich tung 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 Strahlungsde tektoren 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 Break- down Spectroscopy, LIBS, und eine RFA-Einrichtung 7 zur Analyse des Materi- als 1 mittels Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA. Die LIBS-Einrichtung 6 und die RFA-Einrichtung 7 sind in Fig. 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. FIG. 2 shows a schematic top view of a device 2 for determining the element composition of a material 1 according to the method from FIG. 1. The device 2 comprises a conveying device 3 for the material 1. With the conveying device 3, the material 1 can be moved as indicated by an arrow indicated to be promoted. Furthermore, the device 2 comprises a neutron source 4 arranged on the conveying device 3, which is set up to introduce neutrons into the material 1 when the material 1 is on the conveying device 3. The device 2 further comprises a radiation detector 5 arranged on the conveyor 3 for detecting radiation that is generated on the conveyor 3 by neutrons introduced into the material 1. In the example shown, a neutron source 4 and a radiation detector 5 are provided. However, several neutron sources 4 and / or several Strahlungsde detectors 5 can be provided. A neutron source 4 and a plurality of radiation detectors 5 are preferably provided. Furthermore, the device 2 comprises a LIBS device 6 for analyzing the material 1 by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS, and an XRF device 7 for analyzing the material than 1 using X-ray fluorescence analysis, XRF. The LIBS device 6 and the RFA device 7 are combined as a unit in FIG. 2. Furthermore, the device 2 comprises an evaluation unit 8, which is set up to use the radiation detected by the radiation detector 5 in the manner of the prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or the pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA, and based on to determine the elemental composition of the material 1 from results of the laser induced breakdown spectroscopy, LIBS, and / or the X-ray fluorescence analysis, XRF. For this purpose, the radiation detector 5, the LIBS device 6 and the RFA device 7 are connected to the evaluation unit 8 via cables. The neutron source 4 is also connected to the evaluation unit 8 via a cable, but this is not necessary, for example, when using a radioactive substance as the neutron source 4. In the present embodiment, the material 1 is analyzed in a full flow 12.
Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus Fig. 2. FIG. 3 shows a schematic side view of the device from FIG. 2.
Fig. 4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung 2 zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials 1 gemäß dem Verfahren aus Fig. 1. Die Vorrichtung 2 umfasst eine Neutronenquelle 4 und einen Strahlungsdetek tor 5, zwei LIBS-Einrichtungen 6 und eine RFA-Einrichtung 7. Dadurch wird das Material 1 einerseits mittels PGNAA in einem Vollstrom 12 analysiert, anderer seits mittels LIBS und RFA in einem Teilstrom 13. Insoweit erfolgt die Analyse durch LIBS und RFA an einer abgezweigten Menge des Materials 1. Der Teil- ström 13 kann mittels einer Abzweigeeinrichtung 10 der Vorrichtung 2 vom Voll strom 12 abgezweigt werden. Fig. 5 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials 1. Die verwendeten Bezugszeichen beziehen sich auf die Fig. 6 und 7. Das Verfahren umfasst: 4 shows a schematic side view of a device 2 for determining an elemental composition of a material 1 according to the method from FIG. 1. The device 2 comprises a neutron source 4 and a radiation detector 5, two LIBS devices 6 and an XRF device 7. As a result, the material 1 is analyzed on the one hand by means of PGNAA in a full flow 12, on the other hand by means of LIBS and XRF in a partial flow 13. In this respect, the analysis by LIBS and XRF is carried out on a branched off amount of the material 1. The partial flow 13 can by means of a branching device 10 of the device 2 are branched off from the full stream 12. FIG. 5 shows a schematic sequence of a method for determining an elemental composition of a material 1. The reference symbols used relate to FIGS. 6 and 7. The method comprises:
A) Fördern des Materials 1, A) conveying the material 1,
B) Abzweigen eines Teils des gemäß Schritt A) geförderten Materials 1, B) branching off part of the material 1 conveyed according to step A),
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, wo bei 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 Elementzusammenset- zung des Materials 1 berücksichtigt werden. C) Determining the elemental composition of the material 1 by analyzing the part of the material 1 branched off according to step B) by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS. In step C), a carbon content of the material 1 can be determined, where an amount of CO2 released during combustion of the material 1 can be determined from the determined carbon content. In step C) an X-ray fluorescence analysis, XRF, can also be carried out on the part of the material 1 branched off in accordance with step B) and taken into account when determining the elemental composition of the material 1.
Fig. 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung 9 zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials 1 gemäß dem Verfahren aus Fig. 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 in- duced Breakdown Spectroscopy, LIBS. Außerdem umfasst die Vorrichtung 9 eine Auswerteeinheit 8, die dazu eingerichtet ist, anhand der Ergebnisse der Laser in duced Breakdown Spectroscopy, LIBS, die Elementzusammensetzung des Mate rials 1 zu ermitteln. Fig. 7 zeigt eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus Fig. 6. 6 shows a schematic top view of a device 9 for determining the element composition of the material 1 according to the method from FIG. 5. The device 9 comprises a conveying device 3 for the material 1. Furthermore, the device 9 comprises a branching device 10 for branching off a part of the material 1 conveyed by the conveying device 3. Thus, a partial flow 13 can be branched off from a full flow 12 of the material 1. The device 9 further comprises a LIBS device 6 for analyzing the part of the material 1 branched off with the branching device 10 by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS. In addition, the device 9 comprises an evaluation unit 8 which is set up to determine the elemental composition of the material 1 on the basis of the results of the laser in duced breakdown spectroscopy, LIBS. FIG. 7 shows a schematic side view of the device from FIG. 6.
Fig. 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 Fig. 9 und 10. Das Verfahren umfasst: 8 shows a schematic sequence of a method for determining an amount of CO2 released when a material 1 is burned. The reference symbols used relate to FIGS. 9 and 10. The method comprises:
a) Fördern des Materials 1, a) conveying the material 1,
ß) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials 1 mittels Prompter- Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, ß) analyzing the material 1 conveyed in accordance with step a) by means of prompter gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA,
g) Ermitteln eines Kohlenstoff-Gehalts des Materials 1 anhand der Ergebnisse aus Schritt ß), wobei aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt die bei Ver brennung des Materials 1 freigesetzte Menge CO2 bestimmt wird. g) Determining a carbon content of the material 1 on the basis of the results from step β), the amount of CO2 released during combustion of the material 1 being determined from the determined carbon content.
In Schritt g) kann weiterhin eine Feuchtigkeit des Materials 1 ermittelt und bei der Ermittlung des Kohlenstoff-Gehalts des Materials 1 berücksichtigt werden. Schritt ß) kann unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material 1 durchgeführt werden. In step g), a moisture content of material 1 can also be determined and taken into account when determining the carbon content of material 1. Step β) can be carried out directly on the material 1 conveyed according to step a).
Fig. 9 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung 11 zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials 1 gemäß dem Verfahren aus Fig. 8. Die Vorrichtung 11 umfasst eine Fördereinrichtung 3 für das Material 1. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 11 eine an der Fördereinrichtung 3 angeordne te Neutronenquelle 4, die dazu eingerichtet ist, Neutronen in das Material 1 einzu leiten, wenn sich das Material 1 auf der Fördereinrichtung 3 befindet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 11 einen an der Fördereinrichtung 3 angeordneten Strah lungsdetektor 5 zum Detektieren von Strahlung, die an der Fördereinrichtung 3 durch in das Material 1 eingeleitete Neutronen erzeugt wird. Im gezeigten Bei spiel sind eine Neutronenquelle 4 und ein Strahlungsdetektor 5 vorgesehen. Es können aber auch mehrere Neutronenquellen 4 und/oder mehrere Strahlungsde- tektoren 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 be stimmten Kohlenstoff-Gehalt die bei Verbrennung des Materials 1 freigesetzte Menge CO2 zu bestimmen. Mit den beschriebenen Vorrichtungen 2, 9, 11 und Verfahren kann die Element zusammensetzung in einem Material 1 mit einer besonders hohen Messgenauig keit ermittelt werden, in dem PGNAA, PFTNA und/oder LIBS auf ein Material 1 in oder auf einer Fördereinrichtung 3 angewendet wird. FIG. 9 shows a schematic top view of a device 11 for determining an element composition of a material 1 according to the method from FIG. 8. The device 11 comprises a conveying device 3 for the material 1. Furthermore, the device 11 comprises a device arranged on the conveying device 3 Neutron source 4, which is set up to introduce neutrons into the material 1 when the material 1 is on the conveyor 3. Furthermore, the device 11 comprises a radiation detector 5 arranged on the conveying device 3 for detecting radiation that is generated on the conveying device 3 by neutrons introduced into the material 1. In the case shown, a neutron source 4 and a radiation detector 5 are provided. However, several neutron sources 4 and / or several radiation detectors can also be used. 5 detectors may be provided. A neutron source 4 and a plurality of radiation detectors 5 are preferably provided. Furthermore, the device 11 comprises an evaluation unit 8 which is set up to convert a carbon from the radiation detected by the radiation detector 5 in the manner of prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA - to determine the content of material 1 and to determine the amount of CO2 released during combustion of material 1 from the specific carbon content. With the devices 2, 9, 11 and method described, the element composition in a material 1 can be determined with a particularly high measurement accuracy by applying PGNAA, PFTNA and / or LIBS to a material 1 in or on a conveyor 3.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Material 1 material
2 Vorrichtung 2 device
3 Fördereinrichtung 3 conveyor system
4 Neutronenquelle 4 neutron source
5 Strahlungsdetektor 5 radiation detector
6 LIBS-Einrichtung 6 LIBS facility
7 RFA-Einrichtung 7 RFA facility
8 Auswerteeinheit 8 evaluation unit
9 Vorrichtung 9 device
10 Abzweigeeinrichtung 10 Junction device
11 Vorrichtung 11 device
12 Voll ström 12 full flow
13 Teil ström 13 part stream

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials (1), umfassend: 1. A method for determining an elemental composition of a material (1), comprising:
a) Fördern des Materials (1), a) conveying the material (1),
b) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials (1) mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder mittels Röntgen- Fluoreszenz-Analyse, RFA, b) analyzing the material (1) conveyed according to step a) by means of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS, and / or by means of X-ray fluorescence analysis, XRF,
c) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials (1) mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder c) analyzing the material (1) conveyed according to step a) by means of prompter gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or
Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,
d) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials (1) anhand der Ergebnisse aus Schritt b) und c). d) Determining the elemental composition of the material (1) on the basis of the results from steps b) and c).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt b) und/oder c) weiterhin eine2. The method according to claim 1, wherein in step b) and / or c) further a
Feuchtigkeit des Materials (1) ermittelt und bei der Ermittlung der Element zusammensetzung des Materials (1) berücksichtigt wird. Moisture of the material (1) is determined and taken into account when determining the element composition of the material (1).
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Schritt b) an einer von dem gemäß Schritt a) geförderten Material (1) abgezweigten Menge des3. The method according to any one of the preceding claims, wherein step b) on one of the material (1) conveyed according to step a) amount of the branched off
Materials (1) durchgeführt wird. Materials (1) is performed.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei Schritt b) unmittelbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material (1) durchgeführt wird. 4. The method according to any one of claims 1 or 2, wherein step b) is carried out directly on the material (1) conveyed according to step a).
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Schritt c) unmit telbar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material (1) durchgeführt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein step c) is carried out directly on the material (1) conveyed according to step a).
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei weiterhin mindes tens eine der folgenden Analysen durchgeführt wird: 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein at least one of the following analyzes is also carried out:
eine radiometrische Ascheanalyse, a radiometric ash analysis,
eine Infrarot-Spektroskopie, an infrared spectroscopy,
eine Radarmessung, a radar measurement,
eine Volumenstrommessung, a volume flow measurement,
eine Ultraschallmessung, an ultrasound measurement,
eine optische Analyse, an optical analysis,
eine Analyse mittels Gammastrahlenrückstreuung und -absorption, eine Massebestimmung. an analysis by means of gamma-ray backscatter and absorption, a mass determination.
7. Vorrichtung (2) zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materi als (1), umfassend: 7. Device (2) for determining an elemental composition of a material as (1), comprising:
- eine Fördereinrichtung (3) für das Material (1), - a conveyor (3) for the 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, - a neutron source (4) arranged in or on the conveying device (3) which is set up to introduce neutrons into the material (1) when the material (1) is in or on the conveying device (3),
- einen in oder an der Fördereinrichtung (3) angeordneten Strahlungsdetek tor (5) zum Detektieren von Strahlung, die in oder an der Fördereinrich tung (3) durch in das Material (1) eingeleitete Neutronen erzeugt wird,- A radiation detector (5) arranged in or on the conveyor device (3) for detecting radiation generated in or on the conveyor device (3) by neutrons introduced into the material (1),
- eine LIBS-Einrichtung (6) zur Analyse des Materials (1) mittels Laser in- duced Breakdown Spectroscopy, LIBS, und/oder eine RFA-Einrichtung (7) zur Analyse des Materials (1) mittels Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA, - A LIBS device (6) for analyzing the material (1) by means of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS, and / or an XRF device (7) for analyzing the material (1) by means of X-ray fluorescence analysis, XRF ,
- eine Auswerteeinheit (8), die dazu eingerichtet ist, aus der vom Strah lungsdetektor (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. - An evaluation unit (8) which is set up to use the radiation detected by the radiation detector (5) according to the type of prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or the pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA, and based on the results of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS, and / or X-ray Fluorescence analysis, XRF, to determine the elemental composition of the material (1).
8. Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials (1), umfassend: 8. A method for determining an elemental composition of a material (1), comprising:
A) Fördern des Materials (1), A) conveying the material (1),
B) Abzweigen eines Teils des gemäß Schritt A) geförderten Materials (1), B) branching off part of the material (1) conveyed according to step A),
C) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials (1) durch Analyse des gemäß Schritt B) abgezweigten Teils des Materials (1) mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS. C) Determining the elemental composition of the material (1) by analyzing the part of the material (1) branched off according to step B) by means of 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 be- stimmt wird. 9. The method according to claim 8, wherein in step C) a carbon content of the material (1) is determined, and wherein an amount of CO2 released during combustion of the material (1) is determined from the determined carbon content.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei in Schritt C) weiterhin eine Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA, an dem gemäß Schritt B) abge zweigten Teil des Materials (1) durchgeführt und bei der Ermittlung der Ele- mentzusammensetzung des Materials (1) berücksichtigt wird. 10. The method according to any one of claims 8 or 9, wherein in step C) an X-ray fluorescence analysis, XRF, is carried out on the part of the material (1) branched off according to step B) and when determining the element composition of the Materials (1) is taken into account.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei weiterhin mindestens eine der folgenden Analysen durchgeführt wird: 11. The method according to any one of claims 8 to 10, wherein at least one of the following analyzes is also carried out:
eine radiometrische Ascheanalyse, a radiometric ash analysis,
- eine Infrarot-Spektroskopie, - an infrared spectroscopy,
eine Radarmessung, a radar measurement,
eine Volumenstrommessung, a volume flow measurement,
eine Ultraschallmessung, an ultrasound measurement,
eine optische Analyse, eine Analyse mittels Gammastrahlenrückstreuung und -absorption, eine Massebestimmung. an optical analysis, an analysis by means of gamma-ray backscatter and absorption, a mass determination.
12. Vorrichtung (9) zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materi- als (1), umfassend: 12. Device (9) for determining an elemental composition of a material (1), comprising:
- eine Fördereinrichtung (3) für das Material (1), - a conveyor (3) for the material (1),
- eine Abzweigeeinrichtung (10) zum Abzweigen eines Teils des mit der Fördereinrichtung (3) geförderten Materials (1), - A branch device (10) for branching off part of the material (1) conveyed by the conveyor device (3),
- eine LIBS-Einrichtung (6) zur Analyse einer mit der Abzweigeeinrichtung (10) abgezweigten Teils des Materials (1) mittels Laser induced Break- down Spectroscopy, LIBS, - A LIBS device (6) for analyzing a part of the material (1) branched off with the branching device (10) by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS,
- eine Auswerteeinheit (8), die dazu eingerichtet ist, anhand der Ergebnisse der Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, die Elementzusam mensetzung des Materials (1) zu ermitteln. - An evaluation unit (8) which is set up to determine the element composition of the material (1) based on the results of the laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS.
13. Verfahren zum Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials (1) freige setzten Menge CO2, umfassend: 13. A method for determining an amount of CO2 released when a material (1) is burned, comprising:
a) Fördern des Materials (1), a) conveying the material (1),
ß) Analysieren des gemäß Schritt a) geförderten Materials (1) mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder ß) analyzing the material (1) conveyed according to step a) by means of prompter gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or
Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA,
g) Ermitteln eines Kohlenstoff-Gehalts des Materials (1) anhand der Ergeb nisse aus Schritt ß), wobei aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt die bei Verbrennung des Materials (1) freigesetzte Menge CO2 bestimmt wird. g) Determining a carbon content of the material (1) on the basis of the results from step β), the amount of CO2 released during combustion of the material (1) being determined from the determined carbon content.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei weiterhin eine Feuchtigkeit des Materi als (1) ermittelt und bei der Ermittlung des Kohlenstoff-Gehalts des Materials (1) berücksichtigt wird. 14. The method according to claim 13, wherein a moisture content of the material is also determined as (1) and is taken into account when determining the carbon content of the material (1).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei Schritt ß) unmittel bar an dem gemäß Schritt a) geförderten Material (1) durchgeführt wird. 15. The method according to any one of claims 13 or 14, wherein step β) is carried out directly on the material (1) conveyed according to step a).
16. Vorrichtung (11) zum Bestimmen einer bei Verbrennung eines Materials (1) freigesetzten Menge CO2, umfassend: 16. Device (11) for determining an amount of CO2 released when a material (1) is burned, comprising:
- eine Fördereinrichtung (3) für das Material (1), - a conveyor (3) for the 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, - a neutron source (4) arranged in or on the conveying device (3) which is set up to introduce neutrons into the material (1) when the material (1) is in or on the conveying device (3),
- einen in oder an der Fördereinrichtung (3) angeordneten Strahlungsdetek tor (5) zum Detektieren von Strahlung, die in oder an der Fördereinrich tung (3) durch in das Material (1) eingeleitete Neutronen erzeugt wird,- A radiation detector (5) arranged in or on the conveyor device (3) for detecting radiation generated in or on the conveyor device (3) by neutrons introduced into the material (1),
- eine Auswerteeinheit (8), die dazu eingerichtet ist, aus der vom Strah- lungsdetektor (5) detektierten Strahlung nach Art der Prompten-Gamma-- An evaluation unit (8) which is set up to use the radiation detected by the radiation detector (5) in the manner of the prompt gamma
Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder der Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, einen Kohlenstoff-Gehalt des Mate rials (1) zu ermitteln und aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt die bei Verbrennung des Materials (1) freigesetzte Menge CO2 zu bestimmen. Neutron Activation Analysis, PGNAA, and / or Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, to determine a carbon content of the material (1) and from the determined carbon content the amount of CO2 released when the material (1) is burned to determine.
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