Prozessautomatisierung und -optimierung durch Online-Feuchtemessung Process Automation and Optimization with Online Moisture Measurement

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1 Prozessautomatisierung und -optimierung durch Online-Feuchtemessung Johannes Mergl Eine gleichmäßige Materialfeuchte ist für die meisten Produktionsprozesse von größter Bedeutung. Bei dem Online-Feuchtemesssystem der Firma ACO wird das Material über eine Sonde geführt, oder umgekehrt, und in Echtzeit gemessen. Da das Messsignal sofort verfügbar ist, können damit Prozesse überwacht, gesteuert und optimiert werden. Neben der Systemdarstellung werden zwei praktische Einsatzbeispiele vorgestellt: die Online-Messung in einem Dachziegelwerk und in einer REA-Gipsanlage. 1 Einführung Jedes Material besitzt eine Feuchte bzw. Restfeuchte, sei es beispielsweise die Grubenfeuchte von Tonen/Lehmen oder Feuchte, die von der Luftfeuchtigkeit oder dem gezielten Wasserzusatz herrührt. Der Feuchtegehalt eines Materials ist wichtig für viele Verfahrensschritte einer Produktion. Bei rieselfähigen Gütern beispielsweise wirkt sich die Feuchte auf die Lagerfähigkeit, das Fließverhalten beim Abfüllen bis hin zum Verarbeiten aus. Auch Konsistenz, Rezepturreproduzierbarkeit, Weiterverarbeitung und die gleich bleibend hohe Qualität des Produkts resultieren aus dem Wasseranteil. Es gibt zwar noch keine perfekten Feuchtemesssysteme am Markt und häufig wird ein Kompromiss in Bezug auf Qualität, Preis, Langlebigkeit und Bedienerfreundlichkeit geschlossen, aber es hat sich doch einiges in der jüngsten Zeit auf diesem Gebiet bewegt. Dieser Beitrag versucht in einer einfachen Weise, die Zusammenhänge und die Ergebnisse des Einsatzes eines einfachen, aber sehr praxistauglichen Feuchtemesssystems aufzuzeigen. Das nachfolgend beschriebene System überwacht den Zustand des zu messenden Rohstoffes bzw. Produktes und ist Voraussetzung für die Regulierung und Steuerung des Wasseranteils. 2 Anwendungsgebiete Feuchtemessverfahren zur Bestimmung und Steuerung des Feuchtegehaltes in Schüttgütern aller Art werden bereits in folgenden Industriezweigen eingesetzt: Beton-, Glas-, Keramik-, Gips-, Nahrungsmittel-, Ziegelei- und chemische Industrie. Einige Beispiele für die gemessenen Materialien sind Sand, Quarzsand, Kalk, Kies, Erz, Klärschlamm, Getreide, Zuschlagmittel für Beton, Zucker, Reis, Milchprodukte, Chemikalien, Gips, Waschmittel, Silikate, kurz gesagt: so ziemlich alles, wo die Feuchte einen Einfluss auf Qualität, Weiterverarbeitung und Folgekosten hat (Trockner, Wasser, Energie, Gewicht etc.). Process Automation and Optimization with Online Moisture Measurement A uniform material moisture content is extremely important for most production processes. With the online moisture measurement system from ACO, the material is passed over a sensor, or vice versa, and its moisture content measured in real time. As the measurement signal is available instantly, the system can be used to monitor, control and optimize processes. In addition to a description of the system, this report presents two case studies online measurement in a roof tile factory and in a FGD gypsum plant. 1 Introduction Every material has a moisture or residual moisture content, for example the pit moisture of clays/loams or moisture that stems from air humidity or the specific addition of water. The moisture content of a material is important for many process steps in production operations. Moisture in free-flowing solids, for instance, influences its storability, its flow behaviour during filling to processing of the material. Moreover, the consistency, formula reproducibility, further processing and the consistent high quality of the product are the result of its water content. There may not yet be a perfect moisture measurement system on the market, and often a compromise must be made in respect of quality, price, durability and user friendliness, but some progress has been made in this field in recent years. This report aims to show simply the background to and the results of the application of a simple moisture measurement system, which, however, is ideally suitable for use in the field. The system described below monitors the condition of the raw material or product to be measured and is a precondition for regulating and controlling its water content. 2 Applications Moisture measurement systems for the determination and control of the moisture content in all types of bulk solids are ZI 7/2005 1

2 Bild 1: Das Herzstück eines Feuchtemesssystems ist der Feuchtemesssensor des Typs MMS Dieser ist anschließbar an jede vorhandene oder neue Steuerung, SPS oder PC mit einem Eingang von 0-10VDC oder 4-20mA Fig. 1: The core component in the moisture measurement system is the moisture measurement sensor of the type MMS This can be connected to any existing or new control system, PLC or PC with an input of 0-10VDC or 4-20mA. Aber auch bei tonhaltigen Rohstoffen kann die Online- Feuchtemessung inzwischen erfolgreich eingesetzt werden. 3 Online-Feuchtemesssystem Im Laufe der Jahre wurde das von ACO entwickelte Online-Feuchtemesssystem ständig weiter optimiert. Mit dem hochfrequenzkapazitiven Feuchtemessverfahren (HFK-Prinzip) kann die Produktfeuchte in verschiedensten Materialien bestimmt und gesteuert werden (Bilder 1 und 2). In vielen Betrieben sind bereits Kosteneinsparungen durch Einsatz von Feuchtemesssystemen zwischen 20 % und % erreicht worden, und eine Amortisationszeit von einer Woche ist in einigen Industriezweigen keine Seltenheit. Die Vorteile beim Einsatz dieses Feuchtemesssystems sind: n Durch permanente (Online-)Feuchtemessung kann eine deutliche Qualitätssteigerung und -sicherung erreicht werden n Poduktionsabläufe werden kontinuierlich überwacht, sodass Laborzeiten für ständige Stichproben gespart und das Durchrutschen von schlechten Chargen verhindert werden können n Prozesse können über die Feuchte geregelt und gesteuert werden, wie z. B. bei der Granulation für reproduzierbare Bild 2: Grobschema eines Feuchtemesssystems als Insellösung mit übergeordnetem Prozessleitsystem Fig. 2: Rough schematic showing a moisture measurement system as an island solution with a higher level process control system already used in the following industrial sectors: the concrete, glass, ceramics, gypsum, foodstuffs, brick and tile and chemical industries. Some examples of the materials measured include sand, silica sand, lime, gravel, ore, sewage sludge, cereals, concrete aggregates, sugar, rice, dairy products, chemicals, gypsum, washing powder, silicates, in short: just about everything in which moisture influences quality and further processing and incurs follow-on costs (dryer, water, energy, weight, etc.). But online moisture measurement can now be effectively used for clay raw materials too. 3 Online Moisture Measurement System Over the years the online moisture measurement system developed by ACO has been steadily optimized. With the high-frequency and capacitive moisture measurement method (HFC principle), the product moisture of a wide range of materials can be determined and controlled (Figs. 1 and 2). In many plants, cost savings between 20% and % have already been achieved following the introduction of moisture measurement systems, and a payback period of one week is not unusual in some industrial sectors. The advantages of the application of this moisture measurement system are: n With permanent (online) moisture measurement, quality can be substantially improved and assured n Production flows are monitored continuously so that laboratory time for constant random sampling is reduced and sub-quality batches are prevented from slipping through n Processes can be regulated and controlled based on the moisture content, e.g. granulation for reproducible cut-off points, finish points: in addition, automatic process controllers can be used to set specific curves for the moisture content n Formulas for every possible sector and blends can be produced in a reproducible process and corrected depending on the moisture content of the different components n With the control of the moisture content of the product, savings are made in drying processes and water consumption n The moisture content can be logged and the data analysed for process validation n With the selective addition of moisture, it is possible to compensate for any losses as a result of drying out during processing (e.g. seed treatment) within the process itself. 3.1 Operation and principle of measurement Every material has a dielectric constant or relative permittivity, which is important for the principle of measurement (highfrequency, dielectric) applied by ACO. For better understanding of the principle of operation, a very simplified explanation follows: Water has a relative permittivity ε r of around 80, most other materials an ε r of around 1 to 10. The ε r of sand, for example, lies between 3 and 4. This means that there is a large measurable difference between the relative permittivity ε r of water (80) and that of the material to be measured (1 to 10). This difference can be measured and correlated to a direct moisture value. The moisture is then output in the form of a standard signal (0-10VDC or 0-20 ma) as a value for the moisture content in mass percent. In other words: the more water or moisture is contained in the material, the closer the value of its relative permittivity ε r is to 80 (Fig. 3). 2 ZI 7/2005

3 Abschaltpunkte, Endpunkte, außerdem können über so genannte Programmregler bestimmte Verläufe für die Feuchte vorgegeben werden n Rezepturen für alle möglichen Bereiche und Mischungen können reproduzierbar hergestellt und je nach Feuchtegehalt der einzelnen Komponenten korrigiert werden n Durch die Kontrolle der Produktfeuchte werden Einsparungen bei Trocknungsvorgängen und beim Wasserverbrauch erreicht n Die Feuchte kann protokolliert und die Daten für eine Prozessvalidierung können erfasst werden n Durch gezielte Befeuchtung können Verluste durch Austrocknung während der Verarbeitung (z. B. Saatgutaufbereitung) im Prozess ausgeglichen werden 3.1 Funktionsweise und Messprinzip Jedes Material besitzt eine Dielektrizitätskonstante, die für das von der Firma ACO angewendete Messprinzip (hochfrequenz, dielektrisch) von Bedeutung ist. Zum besseren Verständnis für die Funktionsweise folgt hier eine sehr vereinfachte Darstellung: Wasser hat eine Dielektrizitätskonstante ε r von ca. 80, die meisten anderen Materialien heben eine ε r von ca. 1 bis 10. Bei Sand zum Beispiel liegt ε r zwischen 3 und 4. Dies bedeutet eine große messbare Differenz zwischen den Dielektrizitätskonstanten ε r von Wasser (80) und dem Messmaterial (1 bis 10). Diese Differenz kann gemessen und einem direkten Feuchtewert zugeordnet werden. Die Feuchte wird dann in Form eines Einheitssignals (0-10VDC oder 0-20 ma) als Wert für die Feuchte in Masseprozent ausgegeben. Mit anderen Worten: Je mehr Wasser bzw. Feuchte im Material enthalten ist, desto mehr geht der Wert der Dielektrizitätskonstanten ε r gegen 80 (Bild 3). Bei der Onlinemessung handelt es sich um eine Echtzeitmessung. Das Material wird über die Sonde geführt, oder umgekehrt, und das Messsignal ist sofort auch bei schnell fließenden Produkten verfügbar. Auch Messungen von Festkörpern sind möglich. Das analoge Ausgangsmesssignal der Feuchtemesssonde von 0/ VDC bzw. 0/ ma kann direkt in einem Prozessablauf (Steuerung, PC oder SPS) verarbeitet und angeschlossen werden. Je nach Material und Beschaffenheit erreicht die Sonde eine Messtiefe von ca. 100 mm bis 150 mm in das Material hinein. Dabei wird die Gesamtproduktfeuchte, d. h. sowohl die Kernfeuchte als auch die Oberflächenfeuchte des Materials, erfasst. Verschmutzungen und kleine Ablagerungen auf der Messfläche sind daher durch die hohe Eindringtiefe unerheblich. 3.2 Eigenschaften der Sonden Die sehr robusten Sonden bestehen aus hochwertigem Edelstahl. Sie sind für härteste Anwendungen konzipiert und mit geringem mechanischem Aufwand auch nachträglich leicht an bestehenden Anlagen zu installieren. Des Weiteren ist die Messung unabhängig von der Farbe des Materials, den enthaltenen Mineralien, vom PH-Wert oder von Salzzusätzen. Ein Vollverguss der Sonden garantiert Schlag- und Wasserfestigkeit sowie höchste Betriebssicherheit auch bei starken Vibrationen. Die Handhabung der Messsonden ist bei den meisten Schüttgütern einfach und problemlos, es ist lediglich ein einmaliger Abgleich auf das Messgut erforderlich. Das Ausgangssignal der Feuchtemesssonden wird auf den Anfangs- und Endwert des gewünschten Messbereichs eingestellt (z. B. 2 % Feuchte = 0 VDC und 18 % Feuchte = 10 VDC). Dielektrizitätszahl Relative permittivity Luft/Air Messbare Differenz zwischen Wasser und Material Measurable difference between water and material Paraffin Paraffin Bakelit Bakelite Schiefer Slate Bild 3: Prinzip des dielektrischen Verfahrens Fig. 3: Principle of the relative-permittivity-based method Material Material Wasser Water The online measurement is a real-time measurement. The material is passed over the sensor, or vice versa, and the measurement signal is available instantly even when fastflowing products are measured. The measurement of solid bodies is also possible. The analogue output measurement signal of the moisture measurement sensor of 0/ VDC or 0/ ma can be processed directly in a process sequence and connected to a control, PC or PLC system. Depending on the material and its properties, the measuring probe reaches a measurement depth of around 100 mm to 150 mm into the material. The total product moisture, i.e. the core moisture as well as the surface moisture of the material, is analysed. On account of this high penetration depth, soiling and minor deposits on the measurement surface are insignificant. 3.2 Properties of the sensors The very rugged sensors are made of high-grade stainless steel. They are designed for the toughest applications and can be retrofitted in existing plants with limited mechanical effort. Furthermore, the measurement is independent of the colour of the material, the minerals it contains, the ph value and salt additions. A solid casting of the probes guarantees impact strength and water resistance as well as exceptional operating reliability even when exposed to strong vibrations. Handling of the measurement sensors is easy and unproblematic in most bulk solids, only a one-time calibration to match the material to be measured is necessary. The output signal of the moisture sensor is set to the initial and final value of the required measurement range (e.g. 2% moisture = 0 VDC and 18% moisture = 10 VDC). With its precise reproducibility, the sensor is often used for deviation control. Here, as with a deviation display, the value for acceptable output material is set to any output value (e.g. for good output material 7 VDC or 15 ma). If the actual value deviates from the set output setting, a downstream PLC or PC takes over the regulating or control functions or triggers appropriate alarms, etc. 3.3 Notes on installation This is a very important topic. The best sensor is useless if it is installed in the wrong place. In practice, misplacement of sensors accounts for 85% of measurement problems! Some examples of typical installation points for moisture probes are in the bin discharge slope, on transfer plates in belt conveyor systems, mounted on a sled on belt conveyors, in screw conveyors, in bypass and guide plates (Figs. 4 and ZI 7/2005 3

4 ACO-Feuchtesonde MMS/ACO MMS moisture sensor Sondenschlitten Sensor sled Bild 4: Schema eines Installationsbeispieles für die MMS-Sonde Fig. 4: Schematic showing the typical installation of the MMS sensor Durch die hohe Reproduziergenauigkeit wird die Sonde häufig auch für eine Abweichungsregelung eingesetzt. Hier wird, wie bei einer Abweichungsanzeige, der Wert bei gutem Ausgangsmaterial auf einen beliebigen Ausgangswert eingestellt (z. B. bei gutem Ausgangsmaterial 7 VDC oder 15 ma). Weicht der Istwert von dem eingestellten Ausgangswert ab, übernimmt eine nachgeschaltete SPS oder ein PC die Regel- bzw. Steueraufgaben oder entsprechende Alarmfunktionen etc. 3.3 Einbauhinweise Diesem Thema kommt eine ganz besondere Bedeutung zu. Der beste Sensor taugt nichts, wenn er am falschen Ort installiert ist. In der Praxis machen dies 85 % der Messprobleme aus! Einige Beispiele für typische Einbauorte der Feuchtesonden: in der Siloauslaufschräge, auf Übergabeblechen bei Förderbändern, auf Förderbändern mittels eines Anpressschlittens, in Schneckenförderanlagen, in Umleit- und Gleitblechen (Bilder 4 und 5). Auslässe und Gitter von Stranggussanlagen und bei Wirbelstromtrocknern im Sammelraum sind weitere Einbaumöglichkeiten. Dies sind nur einige wenige Beispiele, in denen die Sonde installiert werden kann. Für die Installation müssen lediglich ein Loch für die Sonde (ca. 76 mm Durchmesser) und 3 Bohrungen für 6 mm Schraubbefestigung vorgesehen werden. Durch die oben genannten Einbauvorschläge ermöglichen wir gleiche Messbedingungen. 3.4 Optionen Der modulare Aufbau des ganzen Feuchtemesssystems macht Bild 5: Installationsbeispiel: Messung der Feuchte von pulverförmigem Material auf einem Förderband Fig. 5: Typical installation: measuring the moisture content of powder material on a belt conveyor 5). Discharges and grids of extruders and in the collecting chamber of eddy current dryers are other options for installation. These are just a few examples of installation points for the sensor. For installation, only a hole for the sensor (approx. 76 mm in diameter) and 3 bore holes for the 6-mm screw fastening are necessary. With installation points proposed above, constant measurement conditions are enabled. 3.4 Options The modular design of the entire moisture measurement system makes it a complete, flexible and user-oriented modular system. From this, a selection is made to meet the specific requirements of the application; in a straightforward case, the solution may be a single sensor for direct connection to a PLC, or alternatively a ready-to-use pre-wired PID control system with integrated averaging function (plug and play) may be necessary. Extensive accessories round off the product range, e.g.: laboratory devices, evaluation instruments, self-optimizing process controllers with RS 485 interface, calibration curve memory for 19 materials, analogue and digital displays, microprocessor-controlled averagers, high-temperature sensors for up to 200 C and mechanical accessories such as sleds and calibrating plates. In addition, sensors to 180 C are available for air and gas humidity. Many options and accessories can be supplied, e.g. temperature and wear protection sensor, highly wear-resistant ceramic, Teflon or rubber measuring surface as well as special models for a wide range of applications. 4 ZI 7/2005

5 es zu einem kompletten, flexiblen und anwenderorientierten Baukastensystem. Daraus wird nach den tatsächlichen Bedürfnissen für die Anwendung ausgewählt: sei es im einfachen Fall eine einzelne Sonde für den Direktanschluss an eine SPS oder ein gebrauchsfertig vorverdrahtetes PID-Regelsystem mit integrierter Mittelwertbildung (plug and play). Das umfangreiche Zubehör, wie z. B. Laborgeräte, Auswertegeräte, selbstoptimierende Prozessregler mit Schnittstelle RS 485, Kalibrierkurvenabspeichergeräte für 10 verschiedene Materialien, analoge u. digitale Anzeigen, mikroprozessorgesteuerte Mittelwertbildner, Hochtemperatursonden bis 200 C und auch mechanisches Zubehör wie Gleitschlitten und Kalibrierscheiben rundet das Programm ab. Des Weiteren stehen auch für die Luft- und Gasfeuchte Sensoren bis 180 C zur Verfügung. Es sind viele Optionen und Zubehör erhältlich, z. B. Temperatur- und Verschleißschutzsensor, hochverschleißfeste Keramik, Teflon- oder Gummimessfläche, sowie die speziellen Bauformen für die unterschiedlichen Einsatzzwecke. 4 Beispiele für die Online-Feuchtemessung 4.1 Tonfeuchtemesseinrichtung TFM 1 Das Gerät wird zur Online-Feuchtemessung von Materialien mit hoher Kapillarwirkung eingesetzt und zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus: n Gleich bleibend hohe Verdichtung bis 250 bar einstellbar n Messraum aus Edelstahl n Ansteuerung über Mini-SPS n HFK-Feuchtemessprinzip (hochfrequenzkapazitiv ACO) n Genauigkeit +/ 0,5 % vom Endwert n Mittelwertbildung n Externe Kalibrierung, manueller Offset möglich n Einheitssignalausgang, mit jeder SPS oder Regelung kombinierbar Beschreibung Die TFM 1 wurde speziell für die Messung von Ton und Lehm entwickelt, da diese eine sehr hohe Kapillarwirkung besitzen. Das führt dazu, dass die gemessenen Feuchtewerte, die bei einer normalen Feuchtesonde je nach Verdichtung des Materials mit den herkömmlichen Messverfahren erfasst werden, verfälscht sind. Die patentierte elektromechanische Vorrichtung verdichtet das Material immer mit einem konstanten Druck, sodass der 4 Examples of Online Moisture Measurement 4.1 TFM 1 clay moisture measurement device This device is used for the online moisture measurement of materials with a high capillary action and has the following characteristics: n Consistently high compression to 250 bar can be defined n Stainless steel measurement chamber n Actuated by a mini PLC n HFC moisture measurement principle (high-frequency capacitive ACO) n Accuracy +/ 0.5% from final value n Averaging function n External calibration, manual offset possible n Standard signal output, can be connected to any PLC or control system Description The TFM 1 was specially developed for the measurement of clay and loam as these demonstrate a very high capillary action. As a result, the moisture values measured with a normal moisture sensor operating based on a conventional measurement principle are distorted depending on the compaction of the material. The patented electromechanical device compresses the material with a constant pressure each time so that the measured value is reproducible. The output signal of the moisture measurement sensor (standard signal 0/2-10VDC or 0/4-20mA) is averaged and formatted so that it can be processed as a control and measurement signal by all conventional control systems. The objective of this system is to keep the moisture content in the clay or loam body as constant as possible in the production process. With the TFM 1, this objective can be achieved fully automatically (Figs. 6 and 7) Field report of Erlus AG on the ACO moisture measurement system Following separate comminution and metering, the clays and loams are mixed and then homogenized at the preparation station, before the clay bodies are sent to shaping. To guarantee the shape and dimensional stability of the manufactured roof tiles, it is important that the moisture content (mixing water) of the ready-to-use body is as constant as possible despite the seasonal variations in the consistency of the raw materials. Bilder 6a und 6b: Tonfeuchtemesseinrichtung Typ TFM 1, speziell für die Messung von Tonen und Lehmen Figs. 6a and 6b: Clay moisture measurement device type TFM 1, specially developed for analysing clays and loams ZI 7/2005 5

6 Bilder 7a und 7b: Die patentierte elektromechanische Vorrichtung der TFM 1 verdichtet das Material immer mit einem konstanten Druck Figs. 7a and 7b: The patented electromechanical device of the TFM 1 compresses the material with a constant pressure each time gemessene Wert reproduzierbar ist. Das Ausgangssignal der Feuchtemesssonde (Einheitssignal 0/2-10VDC oder 0/4-20mA) wird gemittelt und aufbereitet, sodass es an allen herkömmlichen Regelungen oder Steuerungen als Steuer- und Messsignal verarbeitbar ist. Ziel dieser Anlage ist es, die Feuchte der Ton- oder Lehmmasse im Produktionsprozess möglichst konstant zu halten. Mit der TFM 1 kann dieses Ziel vollautomatisch erreicht werden (Bilder 6 und 7) Praxisbericht der Firma Erlus AG zur ACO-Feuchtemesseinrichtung In der Aufbereitung werden nach der getrennten Zerkleinerung und Dosierung die Tone und Lehme vermischt und anschließend homogenisiert, bevor die Massen zur Formgebung gelangen. Um die Form- und Maßhaltigkeit der zu fertigenden Dachziegel zu gewährleisten, ist es wichtig, dass die Fertigmasse eine möglichst konstante Feuchte (Anmachwassergehalt), trotz jahreszeitlich unterschiedlich schwankenden Rohstoffkonsistenzen, besitzt. Bisher wurden in bestimmten Zeitabständen Stichproben entnommen und deren Feuchte mittels einer Feuchtewaage bestimmt. Entsprechend den ermittelten Werten werden vom Personal der Aufbereitung die Sollwerte für die Regelung der Wasserzugabe (erfolgt entsprechend der Stromaufnahme von Kollergang und Mischern sowie installierten Wasserventilen) eingestellt, wodurch der Masse mehr oder weniger Wasser zugemischt wurde. Die Ermittlung der Feuchte mittels Feuchtewaage dauert ca. 15 Minuten, wodurch wenige Messwerte und somit wenig Absicherung zur kontinuierlichen Erfassung bzw. Einstellung bei einem Massedurchsatz von ca. 80 t/h möglich sind. Die Aufgabenstellung des Projektes bestand darin, die Feuchte des Massestromes sowie die weiteren Parameter (Stromaufnahme Kollergang, Mischer und Ventilstellungen der Wasserzugabe der einzelnen Aggregate) kontinuierlich zu erfassen und grafisch untereinander zur Zeitachse darzustellen, um dem Bedienpersonal ein Instrument zur möglichst gesicherten Feuchteeinstellung zur Verfügung zu stellen. Durch Vorversuche mit den Firmen ACO und Systech wurden die hierzu notwendigen Parameter wie Messsonde, Messgeräteaufnahme und Installationsort ermittelt und Mitte Dezember 2004 installiert. Seit dieser Zeit ist diese Einrichtung kontinuierlich in Betrieb. Die eingestellten Feuchtewerte werden sehr gut eingehalten. Für das Bedienpersonal ist es vielfach einfacher, die Zusammenhänge auf einen Blick zu erkennen und dem- Up to now, random samples were taken at certain time intervals and their moisture content determined with a moisture balance. Depending on the values determined, the operatives at the preparation station enter the set values for control of water addition (control is based on the power consumption of the pan mill and mixers as well as installed water valves), as a result of which more or less water is added to the body. Determination of the moisture content by means of a moisture balance takes around 15 minutes, which, at a mass throughput of around 80 t/h, means only few measured values and therefore less assurance are available for continuous analysis or adjustment. The objective of the project was the continuous analysis of the moisture content of the mass flow as well as the other parameters (power consumption of the pan mill, mixers and valve settings of the water addition of the different machines) and their graphic display versus a time axis to provide the operatives with an instrument for assured moisture content adjustment. In preliminary tests involving the companies ACO and Systech, the necessary parameters, such as measurement sensors, measuring device recording and installation point, were determined and the relevant equipment installed in mid-december The system has been in continuous operation since then. With this system, the material complies effectively with the set moisture values. For the operatives, it is much simpler to identify Bild 8: Digitale Feuchtemesssonde DMMS mit Auswerte- und Übergabeeinheit Fig. 8: Digital moisture measurement sensor DMMS with evaluation and transfer unit 6 ZI 7/2005

7 entsprechend zu reagieren. Ein weiterer Vorteil ist auch, dass die ermittelten Werte über einen unbegrenzten Zeitraum elektronisch gespeichert werden und, wenn gewünscht, online, an weitere Terminals übertragen werden können. 4.2 Feuchtemessung von REA-Gips mit dem ACO-DMMS-Feuchtemesssystem am Vakuumbandfilter des Kraftwerkes Lippendorf Problematik Der in den Absorbern der Rauchgasentschwefelungsanlagen erzeugte REA-Gips wird auf Vakuumbandfiltern entwässert. Hierbei wird der Gipssuspension das Filtrat entzogen. Danach durchläuft das Gipshaufwerk eine Wäsche. Auf der verbleibenden Filterstrecke wird dem Gips möglichst viel Restfeuchte entzogen. Die Restfeuchte am Abwurf des Bandfilters soll < 10 Masse-% betragen, was aber nicht durchgängig eingehalten werden kann. Zeitweise wird der Grenzwert von 12 Masse-% überschritten. Bisher wurde die Restfeuchte des erzeugten Gipses an einer Tagesmischprobe gemessen. Diese setzt sich aus mehreren Proben zusammen, die über den Tag verteilt aus dem gesamten Gipshaufwerk vom Transportband entnommen und vereinigt werden. Die Beprobung erfolgt durchgängig, das Labor ist jedoch nur von Montag bis Freitag besetzt. Aus der Tagesmischprobe können keine Rückschlüsse auf Schwankungen der Restfeuchte über den Tagesverlauf gezogen werden. Um Unregelmäßigkeiten oder Grenzwertüberschreitungen beurteilen zu können, müssen die Einzelproben untersucht werden. Treten Probleme an einzelnen Bandfiltern auf, ist diese Methode ungeeignet, da der Gips aus dem Gesamthaufwerk stammt. Um eine spezifische Aussage erhalten zu können, müssen Einzelproben an den Bandfiltern genommen und analysiert werden. Neben dem zeit- und personalintensiven Aufwand stellt die beschriebene Problemsuche, die zudem in der Regel immer während der Tagschicht stattfindet, eine nachgeschaltete Methode dar. Die Nachteile dieser Vorgehensweise werden insbesondere immer dann deutlich, wenn das Labor nicht besetzt ist und Überschreitungen der Restfeuchte auftreten, die dann vom Betreiberpersonal aber nicht erkannt werden können Zielstellung Es sollte ein Messverfahren eingesetzt werden, das kontinuierlich die am Bandfilter-Abwurf vorliegende Restfeuchte misst, auswertet und zur Anzeige bringt. Um die Bandfilter einzeln bewerten und in einem weiteren Schritt die Bandfilter-Fahrweise zu optimieren, ist eine Fernübertragung der Messwerte in die Blockleittechnik erforderlich. Die online ermittelten Messwerte sollen die Laboranalytik nicht ersetzen. Für die Beurteilung des Zustandes im Bereich der Bandfilter wird eine Messgenauigkeit bzw. Differenz zwischen Online- und Laborwert von kleiner ± 1,0 Masse-% als ausreichend betrachtet Versuchsaufbau und erste Versuchsreihe Es wurde das ACO-DMMS-Feuchtemesssystem verwendet (Bild 8). Den prinzipiellen Versuchsaufbau stellt Bild 9 dar. Der auf dem Vakuumbandfilter liegende Gips ist über die Bandbreite ungleichmäßig verteilt und hat unterschiedliche Schichtdicken. Je nach Verschmutzungsgrad des Filtertuches neigt der Gips zu einer Art Schuppenbildung und hat dadurch keine glatte Oberfläche. Zusätzlich installierte Schichtdickenmessung Additionally installed layer thickness measurement Feuchte-Sensor auf Schlitten, gewichtsbelastet Moisture sensor o sled, weighted Bild 9: Aufbau der Versuchsmessung in der REA-Gips-Anlage Fig. 9: Measurement test set-up in the FGD gypsum plant the different relationships at a glance and respond accordingly. Another advantage is that the values determined can be stored electronically over an unlimited period of time and, if required, transferred online to other terminals. 4.2 Moisture measurement of FGD gypsum with the ACO-DMMS moisture measurement system installed in the vacuum belt filter of Lippendorf Power Plant Problem The FGD gypsum produced in the absorbers of flue gas desulphurization plants is dewatered on vacuum belt filters. The filtrate is removed from the gypsum suspension. The recovered gypsum is then washed. On the remaining filter belt, as much as possible of the residual moisture is removed from the gypsum. The residual moisture content at the belt filter discharge should be < 10 mass %, but it is not always possible to meet this limit. Sometimes the limit of 12 mass % is exceeded. Up to now, the residual moisture of the gypsum produced has been measured based on a daily composite sample. This consists of several samples that are taken at intervals throughout the day from the total gypsum material on the belt and combined. Sampling is done continuously, but the laboratory is only manned from Monday to Friday. From the daily composite sample, no conclusions can be drawn on variations in the residual moisture over the course of the day. To assess irregularities or results that exceed the limit, the single samples must be analysed. If problems arise on individual belt filters, this method is not appropriate as the gypsum comes from the total material. To obtain specific data, single Feuchte Gips in Ma-% Gypsum moisture in mass % Abstand Sensor vom Rand (Laufrichtung rechts = 0) Distance of sensor from edge (moving direction right = 0) Feuchte-Sensor Moisture sensor Feuchte-Labor Moisture lab Bild 10: Ergebnisse der 1. Versuchsreihe in der REA-Gips-Anlage: Differenzen Feuchte über Bandbreite Fig. 10: Results of the first series of tests in the FGD gypsum plant: differences in moisture content over the belt width Differenz-Labor Sensor Lab-sensor difference Diff. Labor Sensor in Ma-% Lab-sensor difference in mass % ZI 7/2005 7

8 Feuchte Gips in Ma-% Gypsum moisture in mass % Unter dem Gipshaufwerk befinden sich das Filtertuch und darunter der Tragegurt des Tuches. Der Tragegurt läuft auf einem mit Schleißplatten ausgelegten Tisch. Der Tragegurt hat mittig ca. 50 mm Langlöcher. Um die grundsätzliche Eignung der ACO-Messung unter den vorherrschenden Bedingungen zu prüfen, wurde in der ersten Versuchsreihe nur ein Sensor verwendet. Dieser konnte in eine beliebige Stellung quer über das Band verschoben werden, um so die Einflüsse über die Bandbreite erfassen zu können. Der Vergleich der online mit dem Sensor gemessenen Werte (jeweils Mittelwert über 5 s) mit den Werten der zeitgleich genommenen Probe (im Labor ausgewertet) zeigt unterschiedliche Ergebnisse. Insbesondere im Mittenbereich, wo die Schuppenbildung des Gipshaufwerkes besonders ausgeprägt war, liegen relativ große Differenzen zwischen den Werten vor. Als Ursache dafür wurde das nicht flächige Aufliegen des Sensors erkannt. Aber auch im (linken) Randbereich bestätigt sich die allgemeine Feststellung, dass hier höhere Feuchten vorliegen. Bei der Beurteilung der Ergebnisse muss berücksichtigt werden, dass auch bei größter Sorgfalt die Probenahme mit Fehlern behaftet ist. Durch die Schuppenbildung liegen Täler vor, in die vermehrt Schmutzpartikel gelangen und die deshalb schlechter entwässerbar sind, was Schwankungen der Restfeuchte im Prozentbereich verursachen kann. Die Versuche haben gezeigt, dass in dem Fall, in dem eine Vielzahl von Einzelwerten eines Sensors über eine entsprechend lange Zeit gemittelt werden, ein Mittelwert zu erwarten ist, der nicht stark schwankt. Es kann aber nicht davon ausgegangen werden, mit nur einem Sensor die Gesamtbreite des Bandfilters zu erfassen. Bild 10 verdeutlicht diese Aussage. Vernachlässigt man zunächst die relativ starken Abweichungen in der Mitte und am Rand, so kann man unter Berücksichtigung der o. g. Randbedingungen der Online-Feuchtemessung eine ausreichend gute Qualität attestieren. Differenzen von nur einem halben Prozent in den unproblematischen Bereichen sind für die Online-Beurteilung eines Bandfilters völlig in Ordnung. Trotz vorgefundener Differenzen konnte deshalb von einer positiven ersten Versuchsreihe ausgegangen werden Abstand Sensor vom Rand (Laufrichtung rechts = 0) Distance of sensor from edge (moving direction right = 0) Feuchte Ref.-Sensor Moisture ref. sensor Differenz Labor-Ref.-Sensor Lab-ref. sensor difference Feuchte Sensor 2 Moisture sensor 2 Differenz Ref.-Sensor Sensor 2/Ref. sensor sensor 2 difference Diff. in Ma-% Difference in mass % Bild 11: Ergebnisse der 2. Versuchsreihe in der REA-Gips-Anlage: Differenzen Feuchte über Bandbreite Fig. 11: Results of the second series of tests in the FGD gypsum plant: differences in moisture content over the belt width Zweite Versuchsreihe In einer weiteren Versuchsreihe sollten Erkenntnisse zur Komsamples have to be taken from the belt filters and analysed. Besides the time and labour expense involved, the trouble shooting described, which is generally done during the day shift, is a secondary method. The disadvantages of this procedure are particularly clear when the laboratory is not manned and the results exceed the residual moisture limit without the operatives being able to detect this Objective A measurement process was to be introduced that continuously measures the residual moisture at the belt filter discharge, and evaluates and displays the results. To evaluate the belt filters individually and, in a subsequent step, to optimize operation of the belt filters, the teletransmission of the measured data to the unit control system is necessary. The measured data determined online are not intended to replace laboratory analysis. For the evaluation of the material condition in the belt filter area, a measurement accuracy or difference between the online and the laboratory value smaller than ± 1.0 mass % is considered acceptable Test set-up and first test series The ACO-DMMS moisture measurement system was used (Fig. 8). The basic test set-up is shown in Fig. 9. The gypsum lying on the vacuum belt filter is spread unevenly over the width of the belt and has varying layer thicknesses. Depending on the soiling of the filter cloth, the gypsum tends to flake and, as a result of this, it does not have a smooth surface. Below the gypsum material is the filter cloth, and below that the support belt. The support belt runs on a bench fitted with wear plates. The support belt has around 50-mm slots along its centre. To test the basic suitability of the ACO measurement system under the application conditions, in the first test series only one sensor was used. This could be moved across the belt into any position to analyse the influences over the belt width. The comparison of the values measured online with the sensor (average value over 5 s in each case) with the values of the sample taken at the same time (evaluated in the laboratory) shows different results. Particularly at the centre, where flaking of the gypsum material is particularly pronounced, there are relatively large differences between the values. The cause identified for this was the fact that the sensor was unable to lie flat on the material. But the generally assumed high moisture content in the area on the (left) edge was also confirmed. In evaluation of the results, allowance must be made for the fact that sampling, even when performed with the utmost care, is subject to error. As a result of the flaking, valleys are formed in which dirt particles accumulate, making them more difficult to dewater, which can cause variations in the residual moisture percentages. The tests showed that when a large number of single values of a sensor are averaged over a correspondingly long period, the expected average value does not vary widely. It cannot, however, be assumed that it is possible to analyse the entire width of the belt filter with just one sensor. Fig. 10 illustrates this finding clearly. If the relatively wide deviations at the centre and at the edge are initially neglected taking the above general conditions into account an acceptably high quality can be attested for online moisture measurement. Differences of just half a percent in the non-problematic areas are completely acceptable for the online assessment of a belt filter. Despite the estab- 8 ZI 7/2005

9 pensierung der festgestellten Probleme gewonnen werden. Durch den Einsatz eines 2. Sensors sollte zeitgleich die Differenz zwischen einem Referenzpunkt (in Längsachse Bandfilter unter Schichtdickenmessung) und weiteren Punkten über die gesamte Bandbreite bestimmt werden. Der Referenzsensor befand sich in einem Bereich, bei dem in der Regel, d. h. auch bei verschmutztem Filtertuch, der Gips die niedrigsten Restfeuchten aufweist. Die Versuche sollten Aufschluss darüber geben, wie viele Sensoren zur Erzielung einer qualitativ hochwertigen Aussage bezüglich Feuchteverteilung über die Bandbreite notwendig sind. Vor der 2. Versuchsreihe wurde an Bandfilter 1 notwendigerweise das bis dahin in Betrieb befindliche, aber stark verschmutzte Filtertuch gegen ein neues Tuch ausgetauscht. Dieser Tuchwechsel hatte eine Minimierung der in der 1. Versuchsreihe ersichtlichen Feuchteschwankungen über die Bandbreite zur Folge. Die sichtbar stärkeren Abweichungen hatten wie bereits bei der 1. Versuchsreihe ihre Ursache in der vorliegenden Schuppenbildung, die das vollflächige Aufliegen des Sensors verhindert hat. Nach Modifikation im Aufgabebereich (Einbau einer vergleichmäßigenden Schürze) traten die größeren Abweichungen nicht mehr auf. Zu beachten ist, dass die zuletzt gemachte Aussage streng genommen nur für den Referenzsensor gilt. Bezogen auf die Differenzen zwischen Referenz- und 2. Sensor kann aber davon ausgegangen werden, dass die ermittelten Differenzen nicht durch unterschiedliche Schuppenbildung hervorgerufen wurden, sondern überwiegend die realen Unterschiede am Bandfilter widerspiegeln. Wie bereits oben ausgeführt, kann die Schuppenbildung nicht gänzlich unterbunden werden, zumal dann nicht, wenn die Filtertücher längere Zeit im Einsatz sind. Denkbar ist jedoch, dass durch eine Vorrichtung, die wie ein Schaber arbeitet, das Gipshaufwerk vor der Sonde so geglättet werden kann, dass die Sonde weitestgehend flächig aufliegt. Die 2. Versuchsreihe hat bestätigt, dass grundsätzlich nicht auf die Verwendung von mehreren Sensoren verteilt über die Bandbreite verzichtet werden kann. Selbst bei quasi optimalen Bedingungen mit einem neuen Filtertuch ist eine Ungleichverteilung der Feuchte in den an sich unproblematischen Bereichen von ± 0,5 Masse-% vorzufinden. Über die Bandbreite gesehen sind Abweichungen bis ± 1,5 Masse-% durchaus normal (s. a. Bild 11, Kurve Differenz Ref.-Sensor Sensor 2 ). Bild 12 zeigt beispielhaft den Verlauf der durch die Sonde 2 gleichzeitig gemessenen Restfeuchte und Guttemperatur. Es ist zu erkennen, dass trotz kontinuierlichen Betriebs bei unveränderten Einstellungen am Bandfilter selbst die Feuchte (damit auch die Guttemperatur) über längere Zeiträume hinweg schwankt. Weiterhin ist die doch recht große Spreizung zwischen unmittelbar aufeinander folgenden Messwerten zu sehen. Dieser Sachverhalt ist den nicht konstanten Verhältnissen am Bandfilter und der zeitweise nicht flächig aufliegenden Sonde zuzuordnen. Die Darstellung spricht für die Sonde, die damit den Nachweis erbringt, dass Veränderungen auch erfasst und zeitnah wiedergegeben werden Fazit Die ACO-Digital-Feuchtemesssonde ist zur Bestimmung der Restfeuchte am Bandfilterabwurf sehr gut geeignet. Unter den teilweise schwierigen Bedingungen am Bandfilter kann nach den bisherigen Erfahrungen die Restfeuchte zumindest auf ± 0,5 Masse-%, nach diversen Optimierungen ggf. noch genauer, gemessen werden. Feuchte [Ma-%] Moisture [mass %] :00:18 00:30:18 01:00:18 01:30:18 02:00:18 02:30:18 03:00:18 03:30:18 04:00:18 04:30:18 05:00:18 05:30:18 06:00:18 06:30:26 07:00:26 07:30:26 08:00:26 08:30:26 09:10:26 09::26 10:10:26 10::26 11:10:26 11::26 Zeitachse/Time axis Gips-Temperatur [ C] Gypsum temperature Feuchte Moisture Bild 12: 2. Versuchsreihe in der REA-Gips-Anlage: Online-Messwerte Fig. 12: 2nd test series in the FGD plant: online measured values lished differences, the findings of the first test series were regarded as positive Second test series In a further test series, solutions to compensate for the established problems were to be obtained. With the use of a second sensor, the difference between one reference point (in the longitudinal axis of the belt filter with layer thickness measurement) and further points over the total belt width was to be determined at the same time. The reference sensor was positioned in an area in which the gypsum generally exhibits the lowest residual moisture values, even when the filter cloth is soiled. The tests were to provide information about how many sensors are necessary to achieve high-quality results for the moisture distribution over the belt width. Prior to the second series of tests, the heavily soiled filter cloth in belt filter 1 that had been in use until then was replaced with a new cloth. This cloth change resulted in a minimization of the moisture variations over the belt width that had been evident in the first series of tests. The visibly stronger deviations were as already established in the first series of tests caused by flaking of the material, which prevented the sensor from lying flat on the surface. After modifications in the feed area (installation of a homogenizing apron), the larger deviations were no longer recorded. It should be noted that the last statement strictly only applies to the reference sensor. With regard to the differences between the reference and second sensor, it can be assumed that the differences determined were not caused by varying flake formation, but reflect the real differences on the belt filter. As explained above, flaking cannot be prevented completely, especially if the filter cloths are in use for longer periods. Feasible, however, is the use of a scraper-like device that smoothes the gypsum prior to application of the sensor so that the sensor can lie relatively flat on the surface. The second series of tests confirmed that it is generally not possible to manage without more than one sensor distributed across the belt width. Even with quasi optimal conditions including a new filter cloth, an uneven distribution of the moisture content in the range of ± 0.5 mass % can be detected even in unproblematic areas. Over the width of the belt, deviations to ± 1.5 mass % are entirely normal (see also Fig. 11, curve Difference Ref. Sensor Sensor 2 ). By way of Gips-Temperatur [ C] Gypsum temperature [ C] ZI 7/2005 9

10 Während bisher nur in relativ großen Zeitabständen entnommene Stichproben die Beurteilung der Vorgänge an den Bandfiltern gestatteten, ist bei Einsatz der Online-Messtechnik eine durchgängige Überwachung jedes einzelnen Bandfilters, bei Einsatz mehrerer Sonden je Bandfilter sogar einzelner Bereiche, möglich. Die Verarbeitung der Messwerte in der Leittechnik sowie die Darstellung auf dem OM-Bild würden den Anlagenbetreiber in die Lage versetzen, sehr schnell auf negative Veränderungen an einzelnen Bandfiltern zu reagieren. Entsprechend der Zielstellung insbesondere dann, wenn zwischen Uhr und Uhr, an Wochenenden oder Feiertagen keine Bestimmung der Restfeuchte durch das Labor erfolgt. Feuchtemesssysteme und Industriekomponenten Industriestraße 2 D Wutöschingen-Horheim Tel.: +49/ Fax: +49/ aco.mail@t-online.de example, Fig. 12 shows the curve of the residual moisture and material temperature measured simultaneously by Sensor 2. It can be seen that despite continuous operation with unchanged settings of the belt filter itself the moisture content (and consequently also the material temperature) varies over longer periods. Further, a quite large spread between the immediately consecutive measurement values can be seen. This can be attributed to the non-constant conditions on the belt filter and the fact that the sensor cannot always lie flat. This curve speaks in favour of the sensor, proving that it records and displays any changes in real time Conclusion The ACO digital moisture measurement sensor is very suitable for determining the residual moisture at a belt filter discharge. Despite the sometimes difficult conditions on the belt filter, experience so far has shown that the residual moisture can be measured with an accuracy of ± 0.5 mass %, or even more accurately following various optimizations. While random samples taken at relatively long intervals allowed evaluation of the processes on the belt filter, the use of the online measuring system enables continuous monitoring of each belt filter, and, with the use of several sensors per belt filter, even the monitoring of individual areas. Processing of the measured data in the control system and display on the OM image would enable the plant operator to respond very fast to adverse changes on the individual belt filter, particularly when between 3 p.m. and 7 a.m. and on weekends and bank holidays, the residual moisture is not determined by the laboratory. 10 ZI 7/2005