Möglichkeiten zur Material- und Grenzschichterkennung an Rohstoffen in explosionsgeschützter Atmosphäre auf Basis der laserinduzierten Plasmaspektroskopie
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurden wichtige Grundlagen geschaffen, die zur Ermöglichung von explosionsgeschützten Materialanalysen in explosionsgefährdeten Bereichen unter Tage beitragen. Für die explosionsgeschützte Analyse mit Hilfe der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) müssen Stoffproben unmittelbar nach der Gewinnung in eine Kapselung transportiert werden, in der eine Zündung von möglichem vorhandenen Grubengas in der Atmosphäre durch die Laserenergie nicht möglich ist. Dieses Material kann beispielsweise der während der Gewinnung freigesetzte Staub sein, dessen Zusammensetzung mit dem hereingewonnenen Material korreliert und somit ein Indikator zur Grenzschichterkennung ist. Als Unterscheidungselemente für die Grenzschichterkennung eignen sich Kohlenstoff, Silizium, Eisen, Aluminium und Kalium, wobei die ersten beiden Elemente die deutlichsten Massenunterschiede im Material aufweisen. Je nach Laser ist es jedoch möglich, dass die Kohlenstofflinien, die mit Hilfe von LIBS ermittelt werden können, durch Eisenlinien überlagert werden. Daher bieten sich Eisen, Aluminium und Kalium ebenfalls für eine Unterscheidung an. Wie gut sich Slurries aus Kohle und Nebengestein zur Materialanalyse eigenen, wurde nicht ermittelt. Für die Durchführung dieser Versuche mit einem geeigneten Doppelpuls- Laserverfahren reichte das das Budget nicht aus. Einschlägige Literatur lässt jedoch Rückschlüsse darauf zu, dass die Machbarkeit klar als möglich darstellt. Für den Transport von Slurries in einen gekapselten Analysebereich wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, der aus einer Saugeinheit und einer Materialaufgabe besteht. Dieser lässt bei kontantem Ansaugdruck von 250mbar eine richtungsabhängige Materialaufnahme der Saugeinheit zu. Die Materialaufgabe erfolgt für das Wasser über ein Airbrush-System und für den Staub über eine Vibrationsrinne, die mit konstanter Geschwindigkeit betrieben werden können. Es wurde nachgewiesen, dass die Staubaufnahme des Ansaugsystems richtungsabhängig, jedoch nicht druckabhängig ist, was bedeutet, dass die realen Bedingungen gut wiedergespiegelt werden können. Mit 15-26% Saugerfolg der Kohle bei Ansaugen von oben und etwa 5% Saugerfolg beim Ansaugen von unten wird deutlich, dass generell ausreichend Material vorhanden sein sollte, um eine erfolgreiche Analyse mit LIBS durchzuführen. Eine explosionsgeschützte Kapselung wurde entwickelt und im Versuchsaufbau realisiert. In der Realität muss diese Kapselung Drücken von bis zu 10bar standhalten und darf eine potentielle Explosion im Innenbereich der Kapselung nicht in die Atmosphäre forttragen. Der Laserstrahl wird in einem 45°-Winkel durch eine hochreine Quarzscheibe in die Kapselung eingeleitet. Versuche haben nachgewiesen, dass dieser Winkel geeignet ist, um erfolgreiche LIBS- Analysen an trockenem Material durchzuführen. Eine Zertifizierung der Kapselung wurde nicht durchgeführt. Dies ist dadurch begründet, dass diese deutlich über dem vorhandenen Budget liegen würde. Außerdem wurde die Kapselung, ebenfalls wie die Ansaug-Einheit zwar gebaut, jedoch nur in Versuchsmaßstab und ohne Berücksichtigung aller notwendigen Sicherheitsvorgaben, die unter Tage gelten würden. Die Durchführung von LIBS-Versuchen an trockenen Proben hat jedoch bewiesen, dass die Kapselung sich generell zur Analyse eignet. Der Erkenntnisfortschritt im Laufe des Projektes hat ergeben, dass für die erfolgreiche Umsetzung von LIBS-Analysen an Slurries ein Doppelpulslaser verwendet werden muss, um einen ausreichenden Analysenerfolg zu garantieren. Aufgrund der deutlich höheren Investitionskosten für einen solchen Laser war die Umsetzung von Versuchen nicht möglich. Ein weiteres Schwierigkeitspotential stellte die Aufgabenstellung zur Positionierung der Ansaugung am Walzenlader. Allein dieser Teilaspekt kann den Umfang eines eigenen Projektes füllen.
Publications
- (2013). Investigating laser-induced breakdown spectroscopy - A potential automated method for use in coal extraction processes. Mining, people and the environment - London: Aspermont, 16-17
Nienhaus, Karl; Bartnitzki, Thomas & Fietz, Nina
- (2013). Studies on the feasibility of laser-induced breakdown spectroscopy in explosion proof atmospheres. IFAC MMM 2013 International Symposium: 15th IFAC Symposium on Control, Optimization and Automation in Mining, Mineral and Metal Processing; 25-28 August 2013 in San Diego, Calif. - Laxenburg: IFAC, 22. ISBN: 978-3-902823-36-6
Nienhaus, Karl; Bartnitzki, Thomas & Fietz, Nina
- (2014). LIBS: A new approach on automating extraction machinery in firedamp atmospheres. Mine Planning and Equipment Selection. Proceedings of the 22nd MPES Conference, Dresden, Germany, 14th-19th October 2013 / Carsten Drebenstedt [Hrsg.] - Cham: Springer 2, 1159-1172. ISBN: 978- 3-319-02677-0
Nienhaus, Karl & Fietz, Nina
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-02678-7_113) - (2014). Nutzbarmachung von Staub in Strebbetrieben mit schneidenden Gewinnungsmaschinen. Mining Report Glückauf, Vol 150, Ausgabe 3, June 2014, Pages 120-127, Ernst und Sohn Verlag Berlin
Nienhaus, Karl; Fietz, Nina; Philipp, Matthias
(See online at https://doi.org/10.1002/mire.201400014)
