-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stickoxid
als Ausgangsstoff zur Herstellung von Ammoniak als Reduktionsmittel
für die selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden im
Abgas einer Verbrennungsquelle, insbesondere einer Brennkraftmaschine,
wobei das Stickoxid aus einem sauerstoff- und stickstoffhaltigem
Gas in einem Plasma einer Stickoxid-Erzeugungseinheit hergestellt
wird und wobei die Stickoxid-Erzeugungseinheit als Plasmareaktor
mit einer koaxial angeordneten, isolierten Hochspannungselektrode
und einer geerdeten Gegenelektrode ausgeführt ist. Die
Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren.
-
Im
Zusammenhang mit künftigen gesetzlichen Vorgaben bezüglich
der Stickoxidemission von Kraftfahrzeugen ist eine entsprechende
Abgasnachbehandlung erforderlich. Die selektive katalytische Reduktion
(SCR) kann zur Verringerung der NOx-Emission
(Entstickung) von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren,
mit zeitlich überwiegend magerem, d. h. sauerstoffreichem
Abgas eingesetzt werden. Hierbei wird dem Abgas eine definierte
Menge eines selektiv wirkenden Reduktionsmittels zugegeben. Dies
kann beispielsweise in Form von Ammoniak sein, welches direkt gasförmig zudosiert
wird oder auch aus einer Vorläufersubstanz in Form von
Harnstoff oder aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL)
gewonnen wird.
-
In
der
DE 10139142 A1 ist
ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine beschrieben,
bei dem zur Verringerung der NO
x-Emission
ein SCR-Katalysator eingesetzt ist, der die im Abgas enthaltenen
Stickoxide mit dem Reagenzmittel Ammoniak zu Stickstoffreduziert.
Das Ammoniak wird in einem stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator
angeordneten Hydrolyse-Katalysator aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung
(HWL) gewonnen. Der Hydrolyse-Katalysator setzt den in der HWL enthaltenen Harnstoff
zu Ammoniak und Kohlendioxid um. In einem zweiten Schritt redu ziert
das Ammoniak die Stickoxide zu Stickstoff, wobei als Nebenprodukt Wasser
erzeugt wird. Der genaue Ablauf ist in der Fachliteratur hinreichend
beschrieben worden (vgl.
WEISSWELLER in CIT (72), Seite
441–449, 2000). Die HWL wird in einem Reagenzmitteltank
bereitgestellt.
-
Nachteilig
bei diesem Verfahren ist, dass HWL beim Betrieb der Brennkraftmaschine
verbraucht wird. Dabei liegt der Verbrauch bei 2–4% des Kraftstoffverbrauchs.
Die Versorgung mit Harnstoff-Wasser-Lösung müsste
entsprechend großflächig, zum Beispiel an Tankstellen,
sichergestellt sein. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens liegt
in dem notwendigen Betriebstemperaturbereich. Die Thermolysereaktion
der Harnstoff-Wasser-Lösung findet erst ab Temperaturen
um 130°C statt und die Hydrolysereaktion zur Umsetzung
von Wasserstoffund Stickoxid am Hydrolysekatalysator zu Ammoniak
erst im Bereich von 200°C bis 220°C. Diese Temperaturen im
Abgas werden beispielsweise bei Dieselmotoren erst nach längerer
Betriebsdauer erreicht. Aufgrund von Abscheidungen kann es bei Temperaturen
unterhalb von 200°C zu Verstopfungen an der Dosiereinheit
kommen, welche die Zufuhr der Harnstoff-Wasser-Lösung in
den Abgastrakt zumindest behindern. Weiterhin kann eine Zudosierung
der Harnstoff-Wasser-Lösung bei Temperaturen unter 200°C
auf Grund einer Polymerisation des Zwischenproduktes Isocyansäure
zur Hemmung der notwendigen katalytischen Eigenschaften am Hydrolysekatalysator
oder am SCR-Katalysator führen. Auch der relativ hohe Gefrierpunkt
der Harnstoff-Wasser-Lösung von –11°C
ist für den Einsatz in Kraftfahrzeugen kritisch.
-
In
der
DE 199 22 961
C2 ist eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases
einer Verbrennungsquelle, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors,
wenigstens von darin enthaltenen Stickoxiden mit einem Ammoniakerzeugungskatalysator
zur Erzeugung von Ammoniak unter Verwendung von Bestandteilen wenigstens
eines Teils des von der Verbrennungsquelle emittierten Abgases während
Ammoniakerzeugungs-Betriebsphasen und einem dem Ammoniakerzeugungskatalysator
nachgeschalteten Stickoxidreduktionskatalysator zur Reduktion von
im emittierten Abgas der Verbrennungsquelle enthaltenen Stickoxiden
unter Verwendung des erzeugten Ammoniaks als Reduktionsmittel beschrieben.
Dabei ist eine verbrennungsquellenexterne Stickoxid-Erzeugungseinheit
zur Anreicherung des dem Ammoniakerzeugungskatalysator zugeführten
Abgases mit von ihr erzeugtem Stickoxid während der Ammoniakerzeugungs-Betriebsphasen
vorgesehen. Als Stickoxid-Erzeugungseinheit ist beispielsweise ein
Plasmagenerator zur plasmatechnischen Oxidation von in einem zugeführten
Gasstrom enthaltenem Stickstoff in Stickoxid vorgeschlagen. Der
zur Ammoniakerzeugung benötigte Wasserstoff wird während
der Am moniakerzeugungs-Betriebsphasen durch den Betrieb der Verbrennungsquelle mit
einem fetten, d. h. kraftstoffreichen Luftverhältnis erzeugt.
-
Ein
plasmachemisches Verfahren zur Erzeugung einer wasserstoffreichen
Gasmischung ist in der
WO
01/14702 A1 beschrieben. Dabei wird in einem Lichtbogen
eine fette Kraftstoff-Luft-Mischung, vorzugsweise unter POx-Bedingungen,
behandelt.
-
Um
den Energieverbrauch zur Ammoniak-Erzeugung zu senken, wurde inzwischen
in einer noch unveröffentlichten Schrift der Anmelderin
ein Plasmaverfahren zur On-Board-Generierung von Reduktionsmitteln
vorgeschlagen. Dabei wird der zur Reduktion der Stickoxide notwendige
Ammoniak aus Luft, Abgas und Kraftstoff bedarfsgerecht im Fahrzeug
hergestellt und anschließend dem SCR-Prozess zugeführt.
Eine bezüglich des Kraftstoffverbrauchs akzeptable Lösung
bietet dabei ein diskontinuierlich betriebenes Verfahren zur Ammoniakerzeugung,
wie dies ebenfalls in dieser Schrift vorgeschlagen wird.
-
In
der
DE 102 58 185
A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Stickoxiden mittels
eines plasmagestützten Verfahrens aus Luft, Abgas und/oder
einem anderen Sauerstoff und Stickstoff enthaltenden Gasgemisch
zur Erzeugung von Ammoniak als Reduktionsmittel für eine
nach dem SCR-Verfahren (Selective Catalytic Reduktion) arbeitenden
Abgasreinigung bei einer Verbrennungskraftmaschine in mobilen Anlagen,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug, beschrieben. Dabei wird das
Betriebsgas mit einem Massenstrom, der klein gegenüber
dem Abgasmassestrom der Verbrennungskraftmaschine ist, in einer Gasentladung
auf Temperaturen über 2000 K, insbesondere über
2800 K, erhitzt und molekularer Stickstoff und Sauerstoff werden
durch nichtthermische, plasmainduzierte Stoßprozesse mit
hochenergetischen Elektronen elektronisch angeregt, dissoziiert und/oder
ionisiert und es werden durch Reaktion von elektronisch angeregten
Molekülen, Molekülbruchstücken und Ionen
Stickoxide, insbesondere NO, gebildet, wobei die durch das Gasentladungsplasma
erzeugte NO
x-Konzentration im Bereich von
2 bis 5% liegt. Dabei ist vorgeschlagen, dass die spezifische Energiedichte
des Gasentladungsplasmas zwischen 1 kJ/m
3 und
50 kJ/m
3, vorzugsweise zwischen 2 kJ/m
3 und 10 kJ/m
3, im
Gasentladungsvolumen beträgt.
-
Nachteilig
bei diesem Verfahren ist, dass die angegebene NOx-Konzentration
von 2 bis 5% mit der angegebenen Energiedichte des Gasentladungsplasmas
von 1 kJ/m3 bis 50 kJ/m3 nicht
erreichbar ist. Auch die für die Stickoxid-Erzeugung notwendigen Temperaturen
von 2000 K oder besser 2800 K sind mit den angegebenen spezifischen
Energien nicht erreichbar. So kann 1 m3 Luft
als Betriebsgas mit einer zugeführten Energie von 50 kJ
lediglich auf eine Temperatur von ca. 340 K aufgeheizt werden. Die
benötigten hohen Temperaturen sind mit der angegebenen
Energie also nur erreichbar, wenn lediglich ein kleiner Teil des
zugeführten Betriebsgases aufgeheizt wird. Dieser Anteil
liegt für das Betriebsgas Luft in der Größenordnung
10 bis 20%. Werden jedoch nur 10 bis 20% des Betriebsgases auf Temperaturen über
2000 K aufgeheizt, kann die genannte Stickoxid-Konzentration von
2–5% nicht erreicht werden. Um in diesen Bereich zu gelangen,
missten zumindest 36 bis 90% des Betriebsgases auf 3500 K aufgeheizt
werden und dieser Anteil müsste die maximale Stickoxid-Gleichgewichtskonzentration
von ca. 5,5% voll erreichen.
-
In
der
DE 102 58 185
A1 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung
des beschriebenen Verfahrens unter Verwendung eines Plasmaverfahrens,
wozu ein Plasmareaktor mit Einlass für ein Betriebsgas
und Auslass für ein Prozessgas vorhanden ist, vorgeschlagen.
Dabei sind im Plasmareaktor eine elektrisch isolierte Stiftelektrode
als Hochspannungselektrode und eine geerdete, mit einem zentrischen Loch
vorgegebenen Durchmessers (D) versehene Gegenelektrode vorhanden,
wobei zwischen den Elektroden sich eine Plasmazone für
Gasentladungen befindet.
-
Nachteilig
hierbei ist der relativ hohe fertigungstechnisch Aufwand zur Herstellung
einer isolierten Stiftelektrode als Hochspannungselektrode.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstig herzustellende
Vorrichtung zur Herstellung von Stickoxid nach einem Plasmaverfahren
bereitzustellen.
-
Es
ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen,
welches die plasmachemische Herstellung von Stickoxid als Ausgangsprodukt für
die Synthese eines Reduktionsmittels zur selektiven katalytischen
Reduktion von im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxiden
in ausreichender Menge ermöglicht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorteile der Erfindung
-
Diese
Aufgabe wird bei der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches
1 und bei dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.
-
Die
die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst,
dass die Hochspannungselektrode mit der zugehörigen Isolation
aus einer modifizierten Zündkerze gebildet ist. Zündkerzen werden
als Massenprodukt sehr kostengünstig hergestellt. Dabei
sind die verwendeten Materialien sowohl der Stromführung
als auch der Isolation auf den Einsatz unter heißen Umgebungsbedingungen
ausgelegt, wobei die Isolation zusätzlich für
hohe Spannungen ausgelegt ist. Die Anforderungen, die eine Zündkerze
erfüllt, decken sich somit mit den an eine isolierte Hochspannungselektrode
für einen Plasmareaktor zu stellenden Anforderungen.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung
ist es vorgesehen, dass die Hochspannungselektrode mit der zugehörigen Isolation
aus dem die Hochspannung führenden Teil der Zündkerze
und dem umgebenden Isolator gebildet ist. Es wird somit lediglich
der so genannte Zündkerzenstöpsel, also eine Zündkerze
ohne Gehäuse und Masseelektrode, verwendet. Das so erhaltene Bauteil
entspricht in seinem Aufbau sowohl bezogen auf die Geometrie als
auch auf die verwendeten Materialien sehr gut den für eine
koaxial angeordnete Hochspannungselektrode eines Plasmareaktors
geltenden Anforderungen. Die Gegenelektrode kann zum Beispiel durch
das geerdete Gehäuse des Plasmareaktors bebildet sein.
Gehäuse und Hochspannungselektrode sind durch die Isolation
der Zündkerze elektrisch getrennt.
-
Eine
einfache und kostengünstige Montage der modifizierten Zündkerze
in den Plasmareaktor lässt sich dadurch erreichen, dass
die Hochspannungselektrode mit der Isolation in den Plasmareaktor
eingeschrumpft ist und/oder dass die Hochspannungselektrode mit
dem Isolator mit einer Überwurfmutter gasdicht mit dem
Plasmareaktor verbunden ist.
-
Entsprechend
einer bevorzugten Vorrichtungsvariante ist dem Plasmareaktor von
einer Fördereinheit ein sauerstoff- und stickstoffhaltiges
Gas, vorzugsweise Luft und/oder Abgas, zugeführt und der
Strömungsquerschnitt ist vor und/oder nach dem Plasmabereich
verjüngt. Das zugeführte Gas wird durch die Verjüngung
des Strömungsquerschnittes vor und/oder hinter dem Plasmabereich
und durch die Erwärmung im Plasma stark beschleunigt. Dadurch
wird dessen Druck herabgesetzt, was sich positiv auf die Stabilität
des Plasmas auswirkt. Die Verwendung von Luft oder Abgas als Ausgangsstoff
für die Herstellung des Stickoxids ermöglicht
eine mobile Anwendung der Vorrichtung, ohne zusätzliche
Betriebsstoffe mitführen zu müssen.
-
Um
eine für typische SCR-Anwendungen ausreichende Menge an
Stickoxid zu erzeugen ist eine Plasmaleistung bezogen auf einen
durch den Plasmareaktor geleiteten Gasvolumenstrom von 400 kJ/m3 bis 2000 kJ/m3 vorgesehen.
Dadurch werden im Produktgas Stickoxidkonzentrationen bis ca. 1% erreicht.
-
Eine
verbesserte Vermischung von behandeltem und unbehandeltem Gas wird
dadurch erreicht, dass dem Gasstrom in dem Plasmareaktor durch eine
oder mehrere tangential angeordnete Gaszuführungen eine
radiale Geschwindigkeitskomponente aufgeprägt ist. Mit
der Maßnahme kann das Ungleichgewicht im Plasma erhöht
werden und durch die erzielte Drallströmung kann verhindert
werden, dass der Plasmabereich mit der Wand des Plasmareaktors in
Berührung kommt.
-
In
einer konkreten Ausführungsvariante ist die Stickoxid-Erzeugungseinheit
Teil eines Reduktionsmittel-Generierungs-Systems, welches zumindest
eine Wasserstoff-Erzeugungseinheit und eine Stickoxid-Speicher-/Ammoniak-Erzeugungseinheit zur
Speicherung des Stickoxides und zur Bildung des Ammoniaks umfasst,
wobei das Ammoniak pulsartig erzeugt und dem Abgas in einem Abgasstrang
der Verbrennungsquelle in Strömungsrichtung vor einem SCR-Katalysator
zugeführt ist. Bei einer solchen diskontinuierlichen Ammoniakerzeugung
sind die mit dem beschriebenen Plasmareaktor erreichten niedrigen
Stickoxid-Konzentrationen im Bereich von 0,2 bis 1% für
das Gesamtsystem energetisch akzeptabel. Dabei ist zu berücksichtigen,
dass geringe Stickoxid-Konzentrationen plasmachemisch allgemein
mit günstigerem Energieaufwand hergestellt werden als hohe
Stickoxid-Konzentrationen.
-
Um
größere Mengen Stickoxid energetisch günstig,
also in bezogen auf das zugeführte Prozessgas geringer
Konzentration, herstellen zu können kann es vorgesehen
sein, dass in dem Reduktionsmittel-Generierungs-System mehrere Plasmareaktoren
vorgesehen sind. Diese können je nach Stickoxid-Bedarf
gleichzeitig oder einzeln betrieben werden.
-
Die
das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst,
dass das Verhältnis aus Plasmaleistung und dem dem Plasmareaktor
zugeführten Gasvolumenstrom zwischen 400 kJ/m3 und
2000 kJ/m3 liegt. Hierdurch werden im Produktgasstrom,
der den Plasmareaktor verlässt, Stickoxidkonzentrationen
bis ca. 1% erreicht, was die Synthese einer ausreichenden Menge
an Ammoniak zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden
im Abgas der Brennkraftmaschine ermöglicht.
-
Aus
der erreichten Stickoxidkonzentration von bis zu 1% im Produktgasstrom
können ausreichende Mengen an Ammoniak dadurch erzeugt
werden, dass die Stickoxid-Erzeugungseinheit Teil eines Reduktionsmittel-Generierungs-Systems
ist, wobei das gewonnene Stickoxid einer Stickoxid-Speicher-/Ammoniak-Erzeugungseinheit
zugeführt und dort gespeichert wird, wobei von einer Wasserstoff-Erzeugungseinheit
Wasserstoff hergestellt und der Stickoxid-Speicher-/Ammoniak-Erzeugungseinheit
zugeführt wird und wobei in der Stickoxid-Speicher-/Ammoniak-Erzeugungseinheit
das eingespeicherte Stickoxid und der Wasserstoff zu Ammoniak umgesetzt
werden.
-
Eine
zusätzliche Energieeinsparung lässt sich dadurch
erreichen, dass während der Synthese von Ammoniak das Plasma
nicht betrieben wird. Diese Vorgehensweise eignet sich insbesondere
bei der diskontinuierlichen Ammoniak-Synthese in einem Reduktionsmittel-Generierungssystem
an einer Stickoxid-Speicher-/Ammoniak-Erzeugungseinheit während
der Betriebsphase, in der der Stickstoff bereits eingespeichert
ist und der benötigte Wasserstoff in der Wasserstoff-Erzeugungseinheit
hergestellt wird.
-
Die
beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren lassen sich
bevorzugt bei Dieselmotoren oder Magermotoren anwenden, die ein Reduktionsmittel-Generierungssystem
aufweisen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung des technischen Umfelds, in dem die Erfindung
eingesetzt wird,
-
2 in
schematischer Darstellung einen Plasmareaktor.
-
Ausführungsformen
der Erfindung
-
1 zeigt
schematisch das technische Umfeld am Beispiel eines Dieselmotors,
in dem das erfindungsgemäße Verfahren und die
erfindungsgemäße Vorrichtung angewendet werden
können. Dargestellt ist eine Abgasnachbehandlungsanlage
für eine Brennkraftmaschine 20, deren Abgase über
einen Abgasstrang 30 geführt werden, wobei in
Strömungsrichtung des Abgases ein Dieseloxidationskatalysator 31 (DOC),
ein Partikelfilter 32 und ein nachgeschalteter SCR-Katalysator 33 vorgesehen
sind. Zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas der Brennkraftmaschine 20 ist
vor dem SCR-Katalysator 33 von einem Reduktionsmittel-Generierungssystem 10 Ammoniak
als Reduktionsmittel zuführbar. SCR-Katalysatoren 33 arbeiten
dabei nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion, bei
dem mittels des Reduktionsmittels Ammoniak in sauerstoffhaltigen Abgasen
Stickoxide zu Stickstoff und Wasser reduziert werden.
-
Der
Brennkraftmaschine 20 ist über einen Ansaugtrakt 21 Frischluft
zugeführt.
-
Das
Reduktionsmittel-Generierungssystem 10 weist entlang eines
Gasweges 13 eine Stickoxid-Erzeugungseinheit 40,
eine Oxidationsreformierungseinheit 11 (POx) sowie eine
kombinierte Stickoxid-Speicher-/Ammoniak-Erzeugungseinheit 12 auf.
-
Die
Stickoxid-Erzeugungseinheit 40 ist mit einem Plasmareaktor 50 realisiert.
Dem Plasmareaktor 50 ist eine Luftzuführung 41 und
eine Kraftstoffzuführung 42 sowie ein Stickoxid-Ausgang 56,
welcher mit der Oxidationsreformierungseinheit 11 verbunden ist,
zugeordnet.
-
Während
Stickoxid-Erzeugungsphasen wird von der Stickoxid-Erzeugungseinheit 40 aus
Luft oder Abgas, welches dem Plasmareaktor 50 zugeführt
ist, Stickoxid hergestellt und über den Stickoxid-Ausgang 56,
die Oxidationsreformierungseinheit 11 und über
den Gasweg 13 zu der Stickoxid-Speicher-/Ammoniak-Erzeugungseinheit 12 geleitet,
in welcher das Stickoxid gespeichert wird.
-
Während
Wasserstoff-Erzeugungsphasen wird in der als Wasserstoff-Erzeugungseinheit
dienenden Oxidationsreformierungseinheit 11 aus zugeführtem
Kraftstoff Wasserstoff und Kohlenmonoxid erzeugt und der Stickoxid-Speicher-/Ammoniak-Erzeugungseinheit 12 zugeführt,
wo aus dem eingespeicherten Stickoxid und dem zugeführten
Wasserstoff Ammoniak erzeugt und dem Abgasstrang 30 vor dem
SCR-Katalysator 33 zugeführt wird.
-
Die
Erzeugung des Stickoxids erfolgt in einem Plasma. Dabei kann es
sich um ein stromgetragenes Bogenentladungsplasma oder ein stromgetragenes
Glimmentladungsplasma handeln. Vorteilhaft ist der Einsatz von Plasmen
mit großer geometrische Ausdehnung, wie sie beispielsweise
durch mikrowellenangeregte Plasmen erzeugt oder durch kapazitive oder
induktive Radiofrequenz-Entladungen erreicht werden können.
-
2 zeigt
in schematischer Darstellung einen Plasmareaktor 50, in
dem erfindungsgemäß eine modifizierte Zündkerze 60 eingebaut
ist. Der Plasmareaktor 50 besteht aus einem Gehäuse 51,
dem über eine tangential angeordnete Luftzuführung 55 Luft zugeführt
werden kann. Das Gehäuse 51 ist so ausgebildet,
dass in Strömungsrichtung des Gases vor dem Stickoxid-Ausgang 56 eine
Verjüngung 54 des Strömungsquerschnittes
ausgeformt ist.
-
Die
modifizierte Zündkerze 60, bestehend aus einem
Isolator 61, einem Anschluss 62 und einer Hochspannungselektrode 63,
ist mit Hilfe einer Überwurfmutter 53 gasdicht
an einer Aufnahme 52 des Plasmareaktors 50 montiert,
so dass die Hochspannungselektrode 63 zentrisch in das
Gehäuse 51 des Plasmareaktors 50 ragt
während der Anschluss 62 außerhalb des
Gehäuses 51 angeordnet ist. Gegebenenfalls notwendige
Dichtelemente sind in der schematischen Darstellung nicht aufgeführt.
Die Zündkerze 63 ist mit der Überwurfmutter 53 an
dem Isolator 61 gehalten, so dass keine elektrische Verbindung
zwischen den spannungsführenden Teilen Anschluss 62 und
Hochspannungselektrode 63 und dem Gehäuse 51 des
Plasmareaktors 50 besteht.
-
Während
Stickoxid-Erzeugungsphasen wird über den Anschluss 62 eine
Hochspannung an die Hochspannungselektrode 63 der Zündkerze 60 gelegt
und ein Plasma zwischen der Hochspannungselektrode 63 und
dem geerdeten Gehäuse 51 gezündet. Die
Hochspannung kann dabei eine Gleichspannung, eine Wechselspannung
oder eine getaktete Spannung sein. In dem Plasma wird aus dem Stickstoff
der über die tangentiale Luftzuführung zugeführten
Luft Stickoxid erzeugt und über den Stickoxid-Ausgang 56 der
in 1 dargestellten Oxidationsreformierungseinheit 11 und
der Stickoxid-Speicher-/Ammoniak-Erzeugungseinzeit 12 zugeführt.
-
Neben
der Hochspannung kann über die Hochspannungselektrode 63 der
modifizierten Zündkerze 60 auch eine Mikrowelle
zur Erzeugung eines mikrowellenangeregten Plasmas eingekoppelt werden.
-
Durch
die Verwendung der hochspannungsführenden Komponenten einer
serienmäßig hergestellten Zündkerze als
Hochspannungselektrode des Plasmareaktors 50 ohne die für
eine Zündkerze notwendigen Bauteile Gehäuse und
Masseelektrode kann der Plasmareaktor 50 sehr kostengünstig
hergestellt werden.
-
Dem
Gasstrom im Plasmareaktor 50 kann durch tangential angeordnete
Gaszuführung 55 eine radiale Geschwindigkeitskomponente
aufgeprägt werden. Dieser Drall führt zu einer
besseren Vermi schung von behandeltem und unbehandeltem Gas, wodurch
das Nichtgleichgewicht im Plasma erhöht werden kann.
-
Hinter
dem eigentlichen Plasmabereich verjüngt sich der Strömungsquerschnitt
und das Arbeitsgas wird einerseits durch die Verjüngung 54 des Querschnitts
und andererseits durch die Erwärmung im Plasma stark beschleunigt.
Die Absenkung des Gasdruckes bei der Verjüngung 54 durch
den so genannten Laval-Düsen-Effekt wirkt sich positiv
auf die Stabilität des Plasmas am Ort der Verjüngung 54 aus.
-
Erfindungsgemäß ist
die Plasmaleistung, bezogen auf den Luftvolumenstrom, während
der Stickoxid-Erzeugungsphase auf den Bereich oberhalb 50 kJ/m3 begrenzt. Geeignete Bereiche für
die spezifische Energie liegen zwischen 400 kJ/m3 und
2000 kJ/m3. Während der katalytischen
Umwandlungsphase des in der Stickoxid-Speicher-/Ammoniak-Erzeugungseinheit 12 gespeicherten
Stickoxids kann das Plasma weiter betrieben oder abgeschaltet werden.
-
Mit
der beschriebenen Vorrichtung und der zugehörigen Steuerung
werden Stickoxid-Konzentrationen während der Stickoxid-Erzeugungsphasen von
bis zu 1% erreicht.
-
Zur
Erzeugung einer größeren Menge an Stickoxiden
können mehrere Plasmareaktoren 50 der beschriebenen
Art in einer Stickoxid-Erzeugungseinheit 40 vorgesehen
sein. Dies ist insbesondere durch den kostengünstigen Aufbau
mit einem standardisierten Massenprodukt in Form der modifizierten
Zündkerze 60 möglich.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10139142
A1 [0003]
- - DE 19922961 C2 [0005]
- - WO 01/14702 A1 [0006]
- - DE 10258185 A1 [0008, 0010]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - WEISSWELLER
in CIT (72), Seite 441–449, 2000 [0003]