einer Elementzusammensetzung eines Materials

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials.

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.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Materialien zu verschiedensten Zwe cken zu analysieren. Bei bekannten Verfahren besteht regelmäßig das Problem einer eingeschränkten Repräsentativität. Das kann insbesondere dadurch der Fall sein, dass nicht-repräsentative Proben analysiert werden. Insbesondere bei inho mogenen Förderströmen kann es insoweit zu Messungenauigkeiten kommen.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise zu 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.

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.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammen setzung eines Materials vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:

- einen Sammelbehälter für das Material,

- eine in oder an dem Sammelbehälter angeordnete Neutronenquelle, die dazu eingerichtet ist, Neutronen in den Sammelbehälter einzuleiten,

- einen in oder an dem Sammelbehälter angeordneten Strahlungsdetektor zum Detektieren von Strahlung, die im Sammelbehälter durch in das Material einge leitete Neutronen erzeugt wird, und

- 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, die Elementzusammensetzung des Materials zu ermitteln.

Mit der beschriebenen Vorrichtung 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 der beschriebenen Vorrichtung die Steuerung von mit Biomassen und Ersatzbrennstoffen gefeuerten Kraftwerken und Kesseln verbes sert werden. Auch können beispielsweise Materialhalden, Bergbaubetriebe, In dustriebetriebe, Umschlagplätze, Logistikbetriebe, Entsorgungsbetriebe, Baube triebe insbesondere zum Rückbau, der Straßenbau insbesondere unter Verwen dung von Fräsen und Verwertungsbetriebe mit der beschriebenen Vorrichtung systematisch bewirtschaftet werden. Die beschriebene Vorrichtung kann weiterhin in der Zementindustrie zur bedarfsgerechten Dosierung von Einsatzkomponenten eingesetzt werden. Auch kann mittels der beschriebenen Vorrichtung eine Online- Charakterisierung und/oder Qualitätssicherung verschiedenster Materialien erfol gen.

Die beschriebene Vorrichtung wird vorzugsweise bei der industriellen Verarbei- tung von Materialien eingesetzt. Beispiele solcher Materialien sind feste fossile Brennstoffe wie Braunkohle oder Steinkohle, Biomassen, 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.

Die Vorrichtung umfasst den Sammelbehälter für das Material. Unter einem Sammelbehälter ist in diesem Zusammenhang ein Behälter zu verstehen, in den, durch den und/oder aus dem Material gefördert werden kann. Das Material ist vorzugsweise ein Feststoff. Beispielsweise kann das Material im Laufe eines in dustriellen Prozesses in den, durch den und/oder aus dem Sammelbehälter geför dert werden. Auch kann das Material beispielsweise Bauschutt oder Biomasse sein. Der Sammelbehälter kann dazu dienen, das Material aufzunehmen und/oder bereitzustellen. Es ist auch möglich, dass das Material in dem Sammelbehälter behandelt oder bearbeitet wird. Der Sammelbehälter kann abgeschlossen oder offen ausgebildet sein. Ein offen ausgestalteter Sammelbehälter kann insbesonde re dazu eingerichtet sein, von dem Material durchströmt zu werden. Beispiele für einen Sammelbehälter sind ein Silo, Trichter, ein Brecher, eine Dosiereinrichtung, eine Siebanlage oder Kombinationen aus den genannten Elementen.

Mit der beschriebenen Vorrichtung kann die Elementzusammensetzung des Mate rials ermittelt werden. Damit ist die Verteilung der chemischen Elemente in dem Material gemeint. 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.

Die Elementzusammensetzung kann mit der beschriebenen Vorrichtung mittels PGNAA und/oder PFTNA ermittelt werden. Bevorzugt ist die PGNAA. Bei bei den genannten Verfahren handelt es sich um Methoden zur Analyse unter Ver wendung von Neutronen. Die Neutronen können ausgehend von der Neutronen quelle, beispielsweise einem geeigneten radioaktiven Material, in das Material ausgesendet werden. Entsprechend ist bevorzugt, dass die Neutronenquelle derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Neutronen von der Neutronenquelle in das Material eingeleitet werden, wenn sich das Material in dem Sammelbehälter befindet.

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 dem Sammelbehälter befindet und dort mit Neutronen aus der Neutronenquelle beaufschlagt wird.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren und/oder eine Mehrzahl von Neutronenquellen. Insbesondere können eine 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. Anhand der detektieren Strahlung kann auf die im Material befindlichen Atome geschlossen werden. Insoweit kann die Elementzusammensetzung des Materials ermittelt werden. Dazu dient die Auswerteeinheit. Mittels PGNAA und/oder PFTNA kann insbesondere ein Kohlenstoffgehalt des Materials ermittelt werden. Aus diesem kann eine bei einer Verbrennung des Ma terials freigesetzte Menge CO2 bestimmt werden. Bei verschiedensten Anwen dungen, bei denen ein Material verbrannt wird, ist eine Vorhersage über den CO2- Ausstoß aufgrund der Verbrennung erforderlich. Das gilt insbesondere für Kraft- werke, die entsprechenden gesetzlichen Vorschriften unterliegen. Der maximal mögliche CCk-Ausstoß kann unmittelbar aus der im Material enthaltenen Menge Kohlenstoff ermittelt werden, weil bei der Verbrennung eines Materials nicht mehr CCh-Moleküle gebildet werden können als C-Atome in dem Material vor handen sind. Daher kann der Kohlenstoffanteil in dem Material mittels PGNAA und/oder PFTNA ermittelt und daraus der zu erwartende CCh-Ausstoß durch Be rechnung bestimmt werden.

Mit der PGNAA und/oder der PFTNA integriert in oder an dem Sammelbehälter können unterschiedliche Materialien größeren Volumens hinsichtlich ihrer Ele- mentzusammensetzung insbesondere während des Durchsatzes in den, durch den und/oder aus dem Sammelbehälter analysiert werden. Es ist auch möglich, die Analyse in einem statischen Zustand durchzuführen, in dem sich das Material nicht bewegt. Die bevorzugte Anordnung der Neutronenquelle und des Strah lungsdetektors in oder an dem Sammelbehälter variieren mit der Größe und der Geometrie des Sammelbehälters sowie mit dem Volumen und den Eigenschaften des zu analysierenden Materials.

Bevorzugt umfasst die Vorrichtung weiterhin ein Förderband, mit dem das Mate rial aus dem Sammelbehälter abtransportiert werden kann. In dem Fall ist es be- vorzugt, dass an dem Förderband mindestens eine zusätzliche LIBS-Einrichtung und/oder mindestens eine zusätzliche Neutronenquelle und mindestens ein zusätz licher Strahlendetektor vorgesehen ist, mit denen das auf dem Förderband geför derte Material mittels LIBS beziehungsweise PGNAA und/oder PFTNA analy- siert werden kann. Die so gewonnenen Ergebnisse können mit den wie zuvor be schriebenen Ergebnissen verglichen und zu einem Gesamtergebnis zusammenge führt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind die Neutronen- quelle und/oder der Strahlungsdetektor in und/oder an einer Seitenwand des Sammelbehälters angeordnet.

Vorzugsweise sind sowohl die Neutronenquelle als auch der Strahlungsdetektor in und/oder an einer Seitenwand des Sammelbehälters angeordnet. Unter einer Sei- tenwand des Sammelbehälters ist insbesondere eine Wand zu verstehen, die bei Durchsatz des Materials in den, durch den und/oder aus dem Sammelbehälter seit lich des Material Stroms angeordnet ist und diesen insoweit begrenzt.

Die vorliegende Ausführungsform ist besonders für PGNAA geeignet. Die An- Ordnung der Neutronenquelle und/oder des Strahlungsdetektors gemäß der vorlie genden Ausführungsform ist besonders für asymmetrische Sammelbehälter geeig net. Nichtsdestotrotz kann die vorliegende Ausführungsform aber auch auf anders ausgestaltete Sammelbehälter angewendet werden. Das zu analysierende Material kann beispielsweise mit einem LKW angeliefert und über eine Schurre in einen Trichter als Sammelbehälter geschüttet werden. Die Ermittlung der Elementzu sammensetzung erfolgt vorzugsweise während des Schüttens des Materials in den Trichter. Um gleichbleibende Material dicken bei der Schüttung zu gewährleisten, weist der Trichter vorzugsweise Abstreifer auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind die Neutronenquelle und/oder der Strahlungsdetektor innerhalb des Sammelbehälters angeordnet.

5 Vorzugsweise sind sowohl die Neutronenquelle als auch der Strahlungsdetektor innerhalb des Sammelbehälters angeordnet. Unter einer Anordnung innerhalb des Sammelbehälters ist zu verstehen, dass sich die Neutronenquelle beziehungsweise der Strahlungsdetektor im Innern des Sammelbehälters befinden, sodass das zu analysierenden Material um die Neutronenquelle beziehungsweise den Strah lt) lungsdetektor herum strömen kann. Die Anordnung innerhalb des Sammelbehäl ters ist also insbesondere in Abgrenzung zu einer Anordnung in und/oder an einer Seitenwand des Sammelbehälters zu sehen.

Die vorliegende Ausführungsform ist besonders für PGNAA geeignet. Die vorlie- 15 gende Ausführungsform wird bevorzugt bei symmetrischen Sammelbehältern angewendet, insbesondere bei großen symmetrischen Sammelbehältern. Durch die Anordnung der Neutronenquelle und/oder des Strahlungsdetektors innerhalb des Sammelbehälters kann besonders viel Material analysiert werden. So kann das Material insbesondere in der sogenannten 4 -Geo etrie ringförmig von der Mitte 20 des Sammelbehälters aus analysiert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Neutronenquelle innerhalb des Sammelbehälters und der Strahlungsdetektor in und/oder an einer Seitenwand des Sammelbehälters angeordnet.

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Je nach zu analysierendem Material und je nach Größe des Sammelbehälters kann es vorteilhaft sein, die Neutronenquelle und den Strahlungsdetektor voneinander beabstandet anzuordnen. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Neutronen quelle innerhalb des Sammelbehälters angeordnet und der Strahlungsdetektor in der Seitenwand. Das kann die Konstruktion der beschriebenen Vorrichtung er leichtern, insbesondere wenn als Neutronenquelle eine radioaktive Substanz ver wendet wird. Eine derartige Neutronenquelle muss nicht über Kabel mit Energie versorgt werden. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die Neutronenquelle und nicht etwa der Strahlungsdetektor im Inneren des Sammelbehälters angeordnet ist. Eine Anbindung des Strahlungsdetektors über Kabel ist an der Seitenwand mit geringerem Aufwand zu realisieren als im Innern des Sammelbehälters. Aus Strahlenschutzgründen kann es gleichwohl aber sinnvoll sein, eine Kabelverbin dung auch zur Neutronenquelle vorzusehen, durch welche die Neutronenquelle bei Nichtgebrauch in einen inaktiven Zustand gebracht werden kann, beispiels weise indem eine radioaktive Substanz in eine Abschirmung verfahren wird.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Strahlungsdetektor inner halb des Sammelbehälters und die Neutronenquelle in und/oder an einer Seiten- wand des Sammelbehälters angeordnet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Sammelbehälter ein Trichter. Der Trichter hat einen Einlass und einen Auslass, wobei ein für das Material ver fügbarer Querschnitt des Trichters an dessen Einlass größer als an dessen Auslass ist. Vom Einlass zum Auslass hin nimmt der Querschnitt vorzugsweise kontinu ierlich ab. Bei dem Trichter handelt es sich vorzugsweise um einen solchen, der zur Verarbeitung industriellen Materials bestimmt und eingerichtet ist, insbeson- dere hinsichtlich der Dimension und des Materials des Trichters. Für den Trichter sind alle Materialien geeignet, die für das von dem Trichter aufzunehmende Mate rial resistent sind. So ist es insbesondere bevorzugt, dass der Trichter aus Stahl gefertigt ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind die Neutronenquelle und/oder der Strahlungsdetektor in einem kegelförmigen Ab schnitt des Trichters angeordnet. Der kegelförmige Abschnitt des Trichters schließt vorzugsweise unmittelbar an den Einlass des Trichters an. Durch eine Verjüngung des Durchmessers des Trich ters im kegelförmigen Abschnitt wird erreicht, dass der Trichter am Auslass einen geringeren Durchmesser als am Einlass hat. Zwischen dem kegelförmigen Ab schnitt und dem Auslass des Trichters weist der Trichter vorzugsweise ein Aus- lassrohr mit im Wesentlichen konstantem Durchmesser, vorzugsweise konstantem Durchmesser, auf.

Vorzugsweise sind sowohl die Neutronenquelle als auch der Strahlungsdetektor in dem kegelförmigen Abschnitt des Trichters angeordnet. Die vorliegende Ausfüh- rungsform ist besonders für PGNAA geeignet.

Bevorzugt sind die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor in dieser Ausfüh rungsform innerhalb des Trichters angeordnet. Das ist bevorzugt bei symmetri schen Sammelbehältern der Fall, insbesondere bei großen symmetrischen Sam- melbehältem. Durch die Anordnung der Neutronenquelle und/oder des Strah lungsdetektors innerhalb des Sammelbehälters kann besonders viel Material ana lysiert werden. So kann das Material insbesondere in der sogenannten 4p- Geometrie ringförmig von der Mitte des Sammelbehälters aus analysiert werden. Alternativ ist es in dieser Ausführungsform bevorzugt, dass die Neutronenquelle innerhalb des Trichters und der Strahlungsdetektor in und/oder an einer Seiten wand des Trichters angeordnet ist. Das kann wie zuvor beschrieben die Konstruk tion der beschriebenen Vorrichtung erleichtern, insbesondere wenn als Neutro nenquelle eine radioaktive Substanz verwendet wird. Der Grund für unterschiedli- che Anordnungen von Strahlungsdetektor und Neutronenquelle liegt insbesondere in dem Funktionsprinzip von PGNAA beziehungsweise PFTNA. Die Neutronen dringen in das Material ein und wechselwirken mit den Kernen der Atome des Materials. Dabei entsteht Gammastrahlung. Die Gammastrahlung muss auf dem Weg zum Strahlungsdetektor das Material passieren und wird dabei teilweise durch das Material absorbiert. Je nach Anordnung des Strahlungsdetektors kann mithin mehr oder weniger der erzeugten Gammastrahlung detektiert werden. Bei einem langen Weg durch das Material und/oder bei einem für Gammastrahlung stark absorbierenden Material kann mit dem Strahlungsdetektor nur ein schwa- ches Messsignal aufgenommen werden.

Aus Strahlenschutzgründen kann es sinnvoll sein, dass die Neutronenquelle bei Nichtgebrauch in einen inaktiven Zustand gebracht werden kann, beispielsweise indem eine radioaktive Substanz in eine Abschirmung verfahren wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind die Neutronenquelle und/oder der Strahlungsdetektor an einem Auslassrohr des Trich ters angeordnet.

Vorzugsweise sind sowohl die Neutronenquelle als auch der Strahlungsdetektor an dem Auslassrohr des Trichters angeordnet. Die vorliegende Ausführungsform ist besonders für PGNAA geeignet.

Bevorzugt sind die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor in dieser Ausfüh rungsform innerhalb des Trichters angeordnet. Alternativ ist es in dieser Ausfüh- rungsform bevorzugt, dass die Neutronenquelle innerhalb des Trichters und der Strahlungsdetektor in und/oder an einer Seitenwand des Trichters angeordnet ist.

Alternativ ist es in dieser Ausführungsform bevorzugt, dass sowohl die Neutro nenquelle als auch der Strahlungsdetektor in und/oder an einer Seitenwand des Trichters angeordnet sind. Eine derartige Anordnung kann gewählt werden, wenn der verfügbare Platz für die Neutronenquelle, den Strahlungsdetektor und für ge gebenenfalls erforderliche weitere Elektronik ausreicht. Die Multielementanalyse erfolgt in dieser Ausgestaltung bei gleichbleibender Geometrie des Trichters. Das ist hinsichtlich der Messgenauigkeit vorteilhaft. Die Analyse kann während eines Materialdurchsatzes in den, durch den und/oder aus dem Trichter oder statisch in einem gefüllten Zustand des Trichters erfolgen.

Vorzugsweise sind sowohl die Neutronenquelle als auch der Strahlungsdetektor unmittelbar am Auslass des Trichters angeordnet. Die Materialien, die üblicher weise in Trichtern gesammelt und optional zusätzlich darin gebrochen und/oder gesiebt werden, werden in der Regel über ein oder mehrere kleine Förderbänder abtransportiert. Mit der Positionierung der Neutronenquelle und des Strahlungsde tektors am Auslass des Trichters kann das Material kontinuierlich während des Durchsatzes durch den und/oder aus dem Trichter analysiert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung wei terhin ein zentral im Trichter angeordnetes Verteilelement auf, wobei die Vorrich tung derart ausgebildet ist, dass das Material beim Durchsatz in den, durch den und/oder aus dem Sammelbehälter durch das Verteilelement um die Neutronen quelle und/oder den Strahlungsdetektor herum verteilt wird.

Das Verteilelement ist vorzugsweise als Kegel ausgebildet. Insbesondere durch das Verteilelement kann in der sogenannten 4 -Geo etrie gemessen werden. Da bei ist es bevorzugt, dass die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor inner halb des Trichters angeordnet sind. Die Neutronenquelle und der Strahlungsdetek tor können dabei im kegelförmigen Abschnitt des Trichters oder am Auslassrohr angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Neutronenquelle in dem, insbesondere als Kegel ausgeführ ten, Verteilelement angeordnet. In dem Fall ist es besonders bevorzugt, dass eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren an der Seitenwand des kegelförmigen Ab schnitts des Trichters angeordnet ist. Das Material kann dann durch die Neutro- nenquelle kreisförmig von innen heraus angeregt werden und die Strahlung kann außen radial am Trichter gemessen werden. Damit kann einerseits eine besonders hohe Signalstärke bei der Strahlungsdetektion erhalten werden. Andererseits kann die Elementkonzentration durch die beschriebene Anordnung richtungsabhängig bestimmt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine LIBS-Einrichtung auf zur Analyse einer Oberfläche des Materials mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, wenn sich das Material im Sammelbe hälter befindet.

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 Elementkonzentrationen. Demgegenüber sind PGNAA und PFTNA insbesondere hinsichtlich der Bestim mung einzelner Elemente und deren Nachweisgrenzen limitiert. Gleichwohl kann mittels PGNAA und/oder PFTNA die Materialzusammensetzung bis zu einer be stimmten Eindringtiefe auch innerhalb des Materials ermittelt werden, was insbe- sondere bei großen Probenvolumina von Vorteil ist.

Die Ergebnisse der PGNAA und/oder der PFTNA werden daher vorzugsweise als Grundlage für die Ermittlung der Elementzusammensetzung verwendet und mit tels LIBS korrigiert. Alternativ ist es bevorzugt, die Ergebnisse der LIBS als Grundlage für die Ermittlung der Elementzusammensetzung zu verwenden und mittels PGNAA und/oder PFTNA zu korrigieren. Damit kann insbesondere das analysierbare Elementspektrum erweitert werden und eine Messsignalausbeute erhöht werden. In dem Fall, dass die Ergebnisse der LIBS mittels PGNAA und/oder PFTNA korrigiert werden, kann die Repräsentativität der LIBS-Analyse erhöht werden, weil mittels PGNAA und/oder PFTNA ein größeres Probenvolu men analysiert werden kann als mit LIBS.

Mittels LIBS kann die Oberfläche des Materials während einer Schüttung oder am Auslass eines Trichters am Übergang zu einem Austragungs-Förderband analy siert werden. Auch kann die LIBS-Einrichtung an einem Teleskoparm montiert sein, so dass die Oberfläche des Materials je nach Stellung des Teleskoparms wahlweise während der Schüttung in den Trichter, während des Durchsatzes durch den Trichter und/oder am Auslass des Trichters analysiert werden kann.

Als ein weiterer Aspekt wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusam mensetzung eines Materials vorgestellt. Das Verfahren umfasst:

a) Fördern des Materials in einen, durch einen und/oder aus einem Sammelbe hälter,

b) Ermitteln der Elementzusammensetzung des gemäß Schritt a) geförderten Materials mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA.

Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der Vor- richtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials sind auf das beschriebene Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere ist die be schriebene Vorrichtung vorzugsweise zur Durchführung des beschriebenen Ver- fahrens eingerichtet. Insbesondere wird das beschriebene Verfahren vorzugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung ausgeführt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Analyse in Schritt b) berührungslos während des Förderns gemäß Schritt a).

Durch die berührungslose Analyse mittels PGNAA und/oder PFTNA erfolgt durch das beschriebene Verfahren kein störender Eingriff in den übrigen Betriebs ablauf. Insbesondere ist das beschriebene Verfahren zerstörungsfrei. Schritt b) erfolgt vorzugsweise im Vollstrom. Das bedeutet, dass das gesamte geförderte Material analysiert wird. Insbesondere werden nicht bloß ein Teilstrom oder eine entnommene Probe analysiert. Durch die Analyse im Vollstrom können insbeson dere alle Probleme umgangen werden, die bei einer Analyse eines Teilstroms oder einer Probe entstehen, insbesondere hinsichtlich mangelnder Repräsentativität.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt b) weiterhin eine Analyse einer Oberfläche des Materials mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, durchgeführt, wobei die dabei gewon nenen Ergebnisse bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Materials berücksichtigt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt b) 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 und/oder der PFTNA verbessert werden. Die Feuchtig keit des Materials kann beispielsweise mittels Mikrowellentechnik, Nah-Infrarot- Technik, Gammarückstreuung, Messung des kapazitiven Widerstands, oder durch Terra-Hz-Messtechnik ermittelt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Material in Schritt a) in einen, durch einen und/oder aus einem an einem Fahrzeug montierten als Trichter ausgebildeten Sammelbehälter gefördert.

Dass der Trichter als„an“ einem Fahrzeug montiert beschrieben ist, schränkt die Art und Position der Anordnung des Trichters an dem Fahrzeug nicht ein. So ist von dem Begriff„an“ insbesondere umfasst, dass der Trichter auf, unter, in, vorne an, hinten an oder seitlich an dem Fahrzeug befestigt ist.

In der vorliegenden Ausführungsform kann das Material besonders effizient ana lysiert werden, insbesondere wenn ein autonom fahrendes Fahrzeug verwendet wird. Wird beispielsweise Material durch eine Straßenbaufräse oder mittels eines Surface-Miners aufgenommen, kann es mit einem parallel mitgefahrenen Trichter aufgenommen und optional über ein Austragsband direkt in einen mitfahrenden LKW geladen werden. Das Material kann dabei in Echtzeit hinsichtlich der Ele mentzusammensetzung charakterisiert werden.

Als ein weiterer Aspekt wird ein weiteres Verfahren zum Ermitteln einer Ele mentzusammensetzung eines Materials vorgestellt. Das Verfahren umfasst:

A) Fördern des Materials in einen, durch einen und/oder aus einem Sammelbe hälter,

B) Abzweigen eines Teils des gemäß Schritt A) geförderten Materials,

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 der Vor richtung und des zuvor beschriebenen Verfahrens zum Ermitteln einer Elementzu sammensetzung eines Materials sind auf das vorliegend beschriebene Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.

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. 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.

Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das Ab zweigen gemäß Schritt B) durch eine insbesondere DIN-konforme Probenent nahme erfolgt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt C) weiterhin mindestens eine der folgenden Analysen durchgeführt:

- eine radiometrische Ascheanalyse,

- eine Infrarot-Spektroskopie, IR, insbesondere eine Nah-Infrarot- Spektroskopie, NIR,

- eine Radarmessung,

- eine Volumenstrommessung,

- eine Ultraschallmessung,

- eine optische Analyse,

- eine Analyse mittels Gammastrahlenrückstreuung und -absorption,

- eine Röntgen-Fluoreszenz -Analyse, RFA,

- eine Massebestimmung.

Diese Ausführungsform ist eine bevorzugte Ausführungsform für beide beschrie benen Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials. 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 die Verknüpfung mit RFA können Elemente, die mittels RFA präziser erkannt werden können, separat erfasst werden. Insbesondere durch Korrelation mit den übrigen Messergebnissen kann dies ebenfalls zur Erhöhung der Messgenauigkeit beitragen. Durch Verknüpfung mit Radarmessungen kann das Volumen des Materials bestimmt werden. Vorzugsweise wird mittels einer Waage zudem die Masse des Materials gemessen, so dass aus Volumen und Mas se des Materials eine Schüttdichte des Materials bestimmt werden kann. Als opti sche Analyse kommt insbesondere eine Erfassung des Materials mittels einer Ka mera in Betracht. Weiterhin kann bei dem Verfahren mittels GPS und/oder über das 5G- Mobilfunknetz eine Position der Messung bestimmt werden. Das 5G- Mobilfunknetz eignet sich insbesondere im Zusammenhang mit einem autonom fahrenden Fahrzeug. Sofern mehrere Analysen an verschiedenen Orten durchge führt werden, können die einzelnen Messergebnisse ortsabhängig ausgewertet werden.

Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzu sammensetzung eines Materials vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:

- einen Sammelbehälter für das Material,

- eine Abzweigeeinrichtung zum Abzweigen eines Teils von in den, durch den und/oder aus dem Sammelbehälter geförderten Materials,

- eine LIBS-Einrichtung zur Analyse einer Oberfläche von mit der Abzweigeein richtung abgezweigtem Material mittels Laser induced Breakdown Spectros- copy, LIBS. Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der weiter oben beschriebenen Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials und der beiden beschriebenen Verfahren zum Ermitteln der Ele mentzusammensetzung des Materials sind auf die vorliegend beschriebene Vor richtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere ist die vorliegend beschriebene Vorrichtung vorzugsweise zur Durchführung des zweiten der zuvor beschriebenen Verfahren eingerichtet. Insbesondere wird das zweite der zuvor beschriebenen Verfahren vorzugsweise mit der vorliegend beschriebenen Vorrichtung ausge führt.

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:

Fig. 1 : einen schematischen Ablauf eines ersten erfindungsgemäßen Verfah rens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials,

Fig. 2: eine schematische Seitenansicht einer ersten erfindungsgemäßen Vor richtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäß dem Verfahren aus Fig. 1,

Fig. 3: eine schematische Seitenansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Vor richtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäß dem Verfahren aus Fig. 1, Fig. 4: eine schematische Seitenansicht einer dritten erfindungsgemäßen 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, und

Fig. 6: eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäß dem Verfahren aus Fig. 5. Fig. 1 zeigt einen schematischen Ablauf eines ersten Verfahrens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials 2. Die verwendeten Bezugszei chen beziehen sich auf die Fig. 2 bis 4. Das Verfahren umfasst:

a) Fördern des Materials 2 in einen, durch einen und/oder aus einem Sammelbe- hälter 3, der als ein an einem Fahrzeug montierter Trichter 8 ausgebildet sein kann,

b) Ermitteln der Elementzusammensetzung des gemäß Schritt a) geförderten Materials 2 mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, wobei diese vorzugsweise berührungslos während des Förderns gemäß Schritt a) er folgt. Dabei wird vorzugsweise weiterhin eine Analyse einer Oberfläche des Materials 2 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, durchge führt, wobei die dabei gewonnenen Ergebnisse bei der Ermittlung der Ele mentzusammensetzung des Materials 2 berücksichtigt werden. Auch wird vorzugsweise weiterhin eine Feuchtigkeit des Materials 2 ermittelt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Materials 2 berücksichtigt.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials 2. Die Vorrichtung 1 kann insbesondere zur Durchführung des Verfahrens aus Fig. 1 eingesetzt werden. Die Vorrichtung 1 umfasst einen als Trichter 8 ausgebildeten Sammelbehälter 3 für das Material 2. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 zwei Neutronenquellen 4, die in beziehungsweise an dem Sammelbehälter 3 angeordnet sind und die dazu eingerichtet sind, Neutronen in den Sammelbehälter 3 einzuleiten. Die obere der beiden Neutronenquellen 4 ist innerhalb des Trichters 8 angeordnet, die untere der beiden Neutronenquellen 4 in und/oder an einer Seitenwand 7 des Trichters 8. Zudem umfasst die Vorrichtung 1 zwei an dem Sammelbehälter 3 angeordnete Strahlungsdetektoren 5 zum Detek- tieren von Strahlung, die im Sammelbehälter 3 durch in das Material 2 eingeleite te Neutronen erzeugt wird. Beide Detektoren 5 sind in der Seitenwand 7 des Trichters angeordnet. Die Strahlungsdetektoren 5 sind an eine Auswerteeinheit 6 angeschlossen, die dazu eingerichtet ist, aus der von den Strahlungsdetektoren 5 detektierten Strahlung nach Art der Prompten-Gamma-Neutronen-Aktivierungs- Analyse, PGNAA, und/oder der Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, die Elementzusammensetzung des Materials 2 zu ermitteln.

Der Trichter 8 weist einen kegelförmigen Abschnitt 9 und ein Auslassrohr 10 auf. Der kegelförmige Abschnitt 9 ist an einen Einlass 13 des Trichters 8 anschließend angeordnet. Das Auslassrohr 10 ist an einen Auslass 14 des Trichters 8 anschlie- ßend angeordnet.

Die obere der beiden Neutronenquellen 4 und der obere der beiden Strahlungsde tektoren 5 sind in dem kegelförmigen Abschnitt 9 des Trichters 8 angeordnet. Die untere der beiden Neutronenquellen 4 und der untere der beiden Strahlungsdetek- toren 5 sind an dem Auslassrohr 10 des Trichters 8 angeordnet.

Weiterhin weist der Trichter 8 ein kegelförmig ausgebildetes, zentral im Trich ter 8 angeordnetes Verteilelement 11 auf. Die Vorrichtung 1 ist derart ausgebildet, dass das Material 2 beim Durchsatz in den, durch den und/oder aus dem Trichter 8 durch das Verteilelement 11 um die obere der beiden Neutronenquellen 4 herum verteilt wird.

Weiterhin weist die Vorrichtung 1 eine LIBS -Einrichtung 12 auf zur Analyse ei ner Oberfläche des Materials 2 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, wenn sich das Material im Trichter 8 befindet. Die LIBS-Einrichtung 12 ist ebenfalls an die Auswerteeinheit 6 angebunden. Über einen Teleskoparm 17 der Vorrichtung 1 kann die LIBS-Einrichtung 12 bewegt werden. Fig. 3 zeigt eine weitere Vorrichtung 1 zum Ermitteln einer Elementzusammen setzung eines Materials 2. Die Vorrichtung 1 aus Fig. 3 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 aus Fig. 2 lediglich dadurch, dass gemäß Fig. 3 die Neutronenquel le 4 nicht neben, sondern in dem Verteilelement 11 angeordnet ist.

Fig. 4 zeigt eine weitere Vorrichtung 1 zum Ermitteln einer Elementzusammen setzung eines Materials 2. Die Vorrichtung 1 umfasst einen als Trichter 8 ausge bildeten Sammelbehälter 3 für ein Material 2. Das aus dem Trichter 8 austretende Material 2 kann über ein Förderband 18 der Vorrichtung 1 abtransportiert werden. Die Vorrichtung 1 umfasst zwei LIBS -Einrichtungen 12 und drei Neutronenquel len 4 und drei Strahlungsdetektoren 5 zur PGNAA. Aus den Ergebnissen der LIBS und der PGNAA, die jeweils als ein Messsignal angedeutet sind, kann die Elementzusammensetzung des Material 2 ermittelt werden. Das ist über Pfeile dadurch angedeutet, dass die einzelnen Messsignale zu einem Ergebnis zusam- mengefasst werden.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Ablauf eines zweiten Verfahrens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials 2. Die Bezugszeichen beziehen sich auf Fig. 6. Das Verfahren umfasst:

A) Fördern des Materials 2 in einen, durch einen und/oder aus einem Sammelbe hälter 3,

B) Abzweigen eines Teils des gemäß Schritt A) geförderten Materials 2,

C) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials 2 durch Analyse des gemäß Schritt B) abgezweigten Teil des Materials 2 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, wobei ein Kohlenstoff-Gehalt des Materials

2 bestimmt werden kann, und wobei aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt eine bei Verbrennung des Materials 2 freigesetzte Menge CO2 bestimmt wer den kann. Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 15 zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials 2. Die Vorrichtung 15 kann ins besondere zur Durchführung des Verfahrens aus Fig. 5 eingesetzt werden. Die Vorrichtung 15 umfasst einen Trichter 8 als einen Sammelbehälter 3 für das Mate- rial 2. Der Trichter 8 umfasst wie auch bei Fig. 2 und 3 einen Einlass 13, einen Auslass 14, einen kegelförmigen Abschnitt 9 und ein Auslassrohr 10. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 15 eine Abzweigeeinrichtung 16 zum Abzweigen eines Teils von in den, durch den und/oder aus dem Sammelbehälter 3 geförderten Ma terials sowie eine LIBS -Einrichtung 12 zur Analyse einer Oberfläche von mit der Abzweigeeinrichtung 16 abgezweigtem Material 2 mittels Laser induced Break- down Spectroscopy, LIBS. Die LIBS-Einrichtung 12 ist an eine Auswerteeinheit 6 angebunden.

Mit den beschriebenen Vorrichtungen 1, 15 und Verfahren kann die Elementzu- sammensetzung in einem Material 2 mit einer besonders hohen Messgenauigkeit ermittelt werden, in dem PGNAA, PFTNA und/oder LIBS auf ein Material 2 in einem Sammelbehälter 3 angewendet wird.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Material

3 Sammelbehälter

4 Neutronenquelle

5 Strahlungsdetektor

6 Auswerteeinheit

7 Seiten wand

8 Trichter

9 kegelförmiger Abschnitt

10 Auslassrohr

11 Verteilelement

12 LIBS-Einrichtung

13 Einlass

14 Auslass

15 Vorrichtung

16 Abzweigeeinrichtung

17 Teleskoparm

18 Förderband