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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Plasmareaktor, eine Elektrodendichtungsanordnung und ein Betriebsverfahren für einen Plasmareaktor.
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Hintergrund
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Aus
WO 2013/091879 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen bekannt, bei dem ein Schritt das Aufspalten eines kohlenwasserstoffhaltigen Fluids zu einem H
2/C-Aerosol aus Kohlenstoff C und Wasserstoff H
2 in einem Plasmareaktor aufweist. Ein solcher Plasmareaktor erzeugt im Betrieb hohe Temperaturen und kann beispielsweise Metall-Elektroden oder Graphit-Elektroden aufweisen. Je nach Höhe der Betriebstemperaturen müssen Metall-Elektroden gekühlt werden, während Graphit-Elektroden gegen hohe Temperaturen unempfindlich sind. Allerdings hat sich herausgestellt, dass Graphit-Elektroden zumindest bei dem oben genannten technischen Gebiet einem starken Verschleiß unterworfen sind und mit der Zeit erodieren. Dies macht den Betrieb der Plasmareaktors aufwändig, und es sind Unterbrechungen nötig.
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In einem entfernt liegenden technischen Gebiet, der Metallurgie (Eisen, Aluminium, Silizium), werden nachführbare Graphit-Elektroden verwendet. Dadurch wird ein kontinuierlicher Betrieb der Anlage möglich. In der Metallurgie wird das Graphit der Elektrode meist als Reduktionsmittel eingesetzt und erodiert dann gewollt. Diese metallurgischen Prozesse werden meist unter atmosphärischem Druck betrieben und die Dichtheit des Reaktors ist kein Problem, da eventuelle Leckagen durch Ableitungs- und Absaugvorrichtungen beherrscht werden können. Insbesondere in den elektrischen Schmelzöfen der Stahlindustrie hat sich daher ein Typus einer Graphitelektrode etabliert, bei dem Segmente am hinteren Ende aufgeschraubt werden können. Beispielsweise offenbart
DE 43 42 511 A1 einen Elektroreduktionsofen mit einem Gefäß zum Aufnehmen eines Schlackebades und einem Deckel, der das Gefäß von oben verschließt. Eine stabförmige Elektrode ist an einer Bühne oberhalb des Deckels aufgehängt und mittels Regulierungszylindern relativ zur Bühne und zum Schlackebad nachführbar. Die Elektrode ist von der Bühne aus frei zugänglich und wird gegenüber dem Deckel durch eine Elektrodendichtungseinheit aus einem elastisch verformbaren Material abgedichtet.
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Diese nachführbaren Graphit-Elektroden, bei denen Segmente am hinteren Ende aufgeschraubt werden, können jedoch nicht einfach bei dem oben genannten Plasmareaktor eingesetzt werden, da dort Wasserstoff bei 1600°C und einem Druck von bis zu 20 bar entsteht. Dabei stellt der Wasserstoff wegen seines geringen Moleküldurchmessers schon an sich hohe Anforderungen an die Dichtheit des Materials. Bei 1600°C hat Wasserstoff zudem ein hohes Verpuffungsrisiko bei Kontakt mit Sauerstoff oder Luft. Da die nachführbaren Elektroden notwendigerweise das Reaktorgehäuse durchqueren müssen, um so an ihrem äußeren Ende verlängert werden zu können, wird eine bewegliche Trennfuge notwendig, die unter den gegebenen Bedingungen (Druck, Temperatur, etc.) nur sehr schwer bzw. gar nicht abgedichtet werden kann. Die mechanischen Eigenschaften des Graphits erleichtern diese Aufgabe nicht. Graphit ist spröde und nicht sehr zugfest, kann also relativ leicht brechen, besonders wenn es verkantet. Überdies gibt es nur wenige Materialien, die im entsprechenden Temperaturbereich (in der Spitze bis 3000°C) nicht mit Graphit reagieren (Carbidbildung bei Metalldichtungen) und einen geeigneten kleinen Ausdehnungskoeffizienten haben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erosionsrate ist nach Erkenntnissen des Erfinders abhängig von der Temperatur der Elektrode, der Stromdichte, der Effektivität der Kühlung (z. B. Plasmagas) und stabilisierenden Faktoren.
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Zur Lösung der oben genannten Probleme wird ein Plasmareaktor vorgeschlagen, der Folgendes aufweist: einen Reaktorraum; ein Reaktorgehäuse, das den Reaktorraum umgibt und wenigstens eine Elektrodenöffnung aufweist, über die eine stabförmige Elektrode in den Reaktorraum eingeführt werden kann; eine Elektrodendichtungsanordnung, mit einem ersten Dichtungsring an der Elektrodenöffnung, der zum Durchführen einer stabförmigen Elektrode geeignet ist, und mit einer Abschlusskappe, welche von außen am Reaktorgehäuse derart lösbar und gasdicht befestigbar ist, dass sie die Elektrodenöffnung abdeckt und dabei außerhalb des Reaktorraums einen Aufnahmeraum für einen Teil der stabförmigen Elektrode bildet. Zusammenfassend kann man sagen, dass die nachführbare Elektrode durch einen Flansch geführt wird und in dieser Führung mit einem Dichtungsring abgedichtet wird. Die Abdichtung durch den Dichtungsring ist bei den herrschenden Bedingungen (Wasserstoff, 1600°C, 20 bar) nicht 100%-ig dicht. Etwas Wasserstoff tritt durch. Der durchtretende Wasserstoff wird aber in einem Aufnahmeraum eingefangen, der zumindest teilweise durch die Abschlusskappe umschlossen ist.
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In einer Ausführung des Plasmareaktors weist das Reaktorgehäuse ein äußeres Reaktorgehäuseteil und ein inneres Reaktorgehäuseteil auf, und der erste Dichtungsring wird durch einen Teil des inneren Reaktorgehäuseteils gebildet. Dabei ist das innere Reaktorgehäuseteil vorzugsweise aus Graphit und dient als Isolierung zwischen dem Reaktorraum und dem äußeren Reaktorgehäuseteil. Zwischen dem äußeren Reaktorgehäuseteil und dem inneren Reaktorgehäuseteil kann auch eine Dämpfungsschicht angeordnet sein, beispielsweise feines Schüttgut oder Granulat aus hitzebeständigem Material. Das äußere Reaktorgehäuseteil bilden einen Mantel um das innere Reaktorgehäuseteil und stützt es gegen Druck im Reaktorraum. Wenn das innere Reaktorgehäuseteil aus sprödem Graphit ist, ist das äußere Reaktorgehäuseteil aus einem zugfesten Material, beispielsweise aus Metall oder faserverstärktem Werkstoff.
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Vorzugsweise ist der erste Dichtungsring durch eine Halterung an dem Reaktorgehäuse befestigt. So kann der Dichtungsring aus einem anderen Material sein als das innere Reaktorgehäuseteil, und er kann bei Verschleiß oder Abrieb durch die nachgeschobene Elektrode leichter ersetzt werden. Die Halterung kann den Dichtungsring auch stabilisieren. Bei dieser Ausführung kann die Abschlusskappe direkt mit dem Reaktorgehäuse verbunden sein, jedoch vorzugsweise ist die Abschlusskappe mit der Halterung verbunden und mittels der Halterung am Reaktorgehäuse befestigt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung des Plasmareaktors weist der Aufnahmeraum einen Einlass und/oder einen Auslass für ein Gas auf. Über einen Einlass für Gas kann beispielsweise Argon oder jedes andere ungiftige und unter den gegebenen Bedingungen inerte Gas in den Aufnahmeraum geleitet werden. Über einen Auslass kann Luft, die während des Verlängerns der Elektrode eintritt, oder ein Teil des eingeleiteten Gases ausgelassen werden.
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Bevorzugt weist die Elektrodendichtungsanordnung einen zweiten Dichtungsring auf, der zum Durchführen einer stabförmigen Elektrode geeignet ist und in Längsrichtung der stabförmigen Elektrode in Richtung der Abschlusskappe vom ersten Dichtungsring beabstandet ist. Die Elektrodendichtungsanordnung weist in diesem Fall einen Dichtungsraum auf; der wenigstens teilweise von dem ersten und dem zweiten Dichtungsring begrenzt wird und einen Einlass und/oder einen Auslass für ein Gas aufweist. Über einen solchen Einlass für Gas kann beispielsweise Argon oder jedes andere geeignete inerte Gas in den Dichtungsraum geleitet werden. Wasserstoff, der aus dem Reaktorraum leckt, tritt in den Dichtungsraum ein und kann durch den Auslass abgeleitet werden (und gegebenenfalls zusammen mit dem Argon oder inerten Gas ausgespült werden). Bei dieser Ausführung weist der Aufnahmeraum vorzugsweise nur einen Auslass für ein Gas auf.
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Bei allen Ausführungsformen ist der Dichtungsring vorteilhafterweise ein wärmebeständiger Gleitdichtungsring. Der Dichtungsring ist aus hitzebeständigem Material hergestellt, beispielsweise Graphit oder Keramik (jeweils möglicherweise faserverstärkt).
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Ein kontinuierlicher und störungsfreier Betrieb eines Plasmareaktors nach einer der vorhergehenden Ausführungen wird durch ein Verfahren erreicht, welches folgende Schritte aufweist: Lösen und Abnehmen der Abschlusskappe; Verlängern der stabförmige Elektrode mit einem Elektrodensegment; und Befestigen und Abdichten der Abschlusskappe. Eine geringe Menge des Wasserstoffs wird durch den oder die Dichtungsringe austreten, kann jedoch abgesaugt werden. Um die Menge des austretenden Wasserstoffs noch weiter zu verringern wird optional ein im Reaktorraum herrschender Betriebsdruck verringert. Das Verringern des Betriebsdruckes wird vorzugsweise vor oder während dem Lösen und Abnehmen der Abschlusskappe ausgeführt.
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Wenn der Plasmareaktor eine Elektrodendichtungsanordnung mit wenigstens zwei Dichtungsringen und einen Dichtungsraum dazwischen aufweist; der wenigstens teilweise von den Dichtungsringen begrenzt wird und einen Einlass und/oder einen Auslass für ein Gas aufweist, kann das Verfahren alternativ oder zusätzlich den Schritt aufweisen, zwischen dem Lösen und dem Abdichten der Abschlusskappe den Druck des Gases in dem Dichtungsraum zu erhöhen. Dadurch wird das Austreten von Wasserstoff aus dem Reaktorraum während des Verlängerns der Elektroden weiter verringert oder vermieden.
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Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten und Vorteile derselben wird bzw. werden nachfolgend an bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Darstellung eines Plasmareaktors mit einer Elektrodendichtungsanordnung gemäß einer ersten Ausführung;
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2 ist eine Darstellung eines Plasmareaktors mit einer Elektrodendichtungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführung;
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3 ist eine Darstellung eines Plasmareaktors mit einer Elektrodendichtungsanordnung gemäß einer dritten Ausführung; und
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4 ist eine Darstellung eines Plasmareaktors mit einer Elektrodendichtungsanordnung gemäß einer vierten Ausführung.
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Detaillierte Beschreibung
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In der folgenden Beschreibung beziehen sich die Ausdrücke oben, unten, rechts und links sowie ähnliche Angaben auf die in den Figuren dargestellten Ausrichtungen bzw. Anordnungen und dienen nur zur Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Diese Ausdrücke können bevorzugte Anordnungen zeigen, sind jedoch nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen. Mit dem Ausdruck ”lösbar befestigt” ist hier gemeint, dass eine Verbindung zerstörungsfrei lösbar ist, beispielsweise eine Gewinde- oder Schraubenverbindung, ein Bajonettverschluss oder Spannverschluss.
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1 zeigt einen Plasmareaktor 1, der Folgendes aufweist: einen Reaktorraum 2; ein Reaktorgehäuse 4, das den Reaktorraum 2 umgibt und eine Elektrodenöffnung 6 aufweist, über die eine stabförmige Elektrode 8 in den Reaktorraum 2 eingeführt werden kann. Eine Elektrodendichtungsanordnung hat einen Dichtungsring 10 an der Elektrodenöffnung 6, der zum Durchführen einer stabförmigen Elektrode 8 geeignet ist. Eine Abschlusskappe 12 ist von außen am Reaktorgehäuse 4 derart lösbar und gasdicht befestigbar, dass sie die Elektrodenöffnung 6 abdeckt und dabei außerhalb des Reaktorraums 2 einen Aufnahmeraum 14 für einen Teil der stabförmigen Elektrode 8 bildet. Die Abschlusskappe 12 hat die Form eines halboffenen Rohrs, dessen offenes Ende am Reaktorgehäuse 4 befestigt und abgedichtet ist. Die rohrförmige Abschlusskappe 12 umschließt einen über das Reaktorgehäuse 4 vorstehenden Teil der nachführbaren Elektrode 8 vollständig. In der Ausführung der 1 des Plasmareaktors 1 weist das Reaktorgehäuse 4 ein äußeres Reaktorgehäuseteil 4a und ein inneres Reaktorgehäuseteil 4b auf, und der erste Dichtungsring 10 wird durch einen Teil des inneren Reaktorgehäuseteils 4b gebildet.
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Die 2, 3 und 4 zeigen Ausführungen, bei denen der erste Dichtungsring 10 durch eine Halterung 16 an dem Reaktorgehäuse befestigt ist. Die Halterung 16 kann den Dichtungsring 10 stabilisieren und vereinfacht die Montage des Plasmareaktors 1.
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Bei den Ausführungen der 1 und 4 ist die Abschlusskappe 12 direkt mit dem Reaktorgehäuse 4 verbunden. Bei den Ausführungen der 2 und 3 ist die Abschlusskappe 12 mit der Halterung 16 verbunden und mittels der Halterung 16 am Reaktorgehäuse 4 befestigt.
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Bei allen Ausführungen des Plasmareaktors 1 kann der Aufnahmeraum 14 einen Einlass 18 und/oder einen Auslass 20 für ein Gas aufweisen (zur besseren Übersichtlichkeit nur in 2 gezeigt). Über einen Einlass 18 für Gas kann beispielsweise Argon oder jedes andere ungiftige und unter den gegebenen Bedingungen inerte Gas in den Aufnahmeraum 14 geleitet werden. Über einen Auslass 20 kann Luft ausgelassen werden, die während des Verlängerns der Elektrode 8 eintritt.
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Die 2 und 3 zeigen Elektrodendichtungsanordnungen mit einem ersten 10a und einem zweiten Dichtungsring 10b. Der zweite Dichtungsring 10b ist ebenfalls zum Durchführen einer stabförmigen Elektrode 8 geeignet und in Längsrichtung der stabförmigen Elektrode 8 in Richtung der Abschlusskappe 12 vom ersten Dichtungsring 10a beabstandet. Die Elektrodendichtungsanordnung weist in diesem Fall einen Dichtungsraum 22 auf; der von dem ersten und dem zweiten Dichtungsring 10a, 10b und der Halterung 16 begrenzt wird (3 und 4). Der Dichtungsraum 22 kann bei allen Ausführungen einen Einlass 18 und/oder einen Auslass 20 für ein Gas aufweisen (zur besseren Übersichtlichkeit nur in 3 gezeigt). Über einen solchen Einlass 18 für Gas kann beispielsweise Argon oder jedes andere geeignete inerte Gas in den Dichtungsraum 22 geleitet werden. Wasserstoff, der aus dem Reaktorraum leckt, tritt in den Dichtungsraum 22 ein und kann durch den Auslass 20 abgeleitet werden (gegebenenfalls zusammen mit dem Argon oder inerten Gas). Wenn der Dichtungsraum 22 mit inertem Gas gefüllt wird, weist der Aufnahmeraum 14 vorzugsweise nur einen Auslass 20 für ein Gas auf.
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4 zeigt eine Ausführung, bei der das Reaktorgehäuse 4 eine rohrförmige Verlängerung hat, in die die Halterung 16 eingesetzt ist. Die Halterung 16 kann einen oder mehrere Dichtungsringe 10, 10a, 10b aufweisen.
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Folgende Merkmale sind bei allen Ausführungen möglich:
- – Die hier erwähnten Dichtungsringe 10 können auch eine Anordnung von mehreren hintereinander angeordneten Dichtungsringen 10 aufweisen, z. B. eine Dichtungspackung von zwei oder mehr Dichtungsscheiben.
- – Der Dichtungsring 10 ist vorteilhafterweise ein wärmebeständiger Gleitdichtungsring. Der Dichtungsring 10 ist aus hitzebeständigem Material hergestellt, beispielsweise Graphit oder Keramik (jeweils möglicherweise faserverstärkt).
- – Das Reaktorgehäuse 4 weist ein äußeres Reaktorgehäuseteil 4a und ein inneres Reaktorgehäuseteil 4b auf, und das innere Reaktorgehäuseteil 4b ist vorzugsweise aus Graphit und dient als Isolierung zwischen dem Reaktorraum 2 und dem äußeren Reaktorgehäuseteil 4b. Zwischen dem äußeren Reaktorgehäuseteil 4a und dem inneren Reaktorgehäuseteil 4b kann auch eine Dämpfungsschicht angeordnet sein, beispielsweise feines Schüttgut oder Granulat aus hitzebeständigem Material.
- – Abhängig von der Form der Elektrode 8 und der Form des Reaktorgehäuses 4 kann die Abschlusskappe 12 langgestreckt (1 bis 3) oder flach (4) sein.
- – Die Elektrode 8 kann einen runden oder eckigen Querschnitt haben.
- – Verlängerungssegmente 8' zum Verlängern der Elektrode 8 werden beispielsweise geschraubt oder geklebt.
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Im Betrieb befindet sich im Reaktorraum 2 Wasserstoff (vermischt mit Kohlenstoff in Form von C-Partikeln) bei einer Temperatur von 1000 bis 1800°C und einem Druck von 5 bis 25 bar. Bei diesen Betriebsbedingungen wird die Elektrode 8 durch Erosion abgetragen und durch eine in den Fig. nicht gezeigte Nachführvorrichtung entsprechend der Erosionsrate nachgeschoben. Die stabförmige Elektrode 8 ist gegenüber dem Dichtungsring 10 leicht verschiebbar, hat jedoch nicht viel Spiel, so dass eine gute Abdichtung vorgesehen wird. Die Nachführvorrichtung ist an einer Stelle angeordnet, wo sie von den Betriebsbedingungen im Reaktorraum 2 abgeschirmt ist. Die Nachführvorrichtung kann beispielsweise im Dichtungsraum 22 oder im Aufnahmeraum 14 angeordnet sein und wird dort durch eingeleitetes inertes Gas gekühlt und geschützt. Falls kein Gas eingeleitet wird, können der Dichtungsraum 22 und/oder der Aufnahmeraum 14 von außen durch Gas oder Flüssigkeit gekühlt werden.
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Während die Elektrode 8 durch den Dichtungsring 10 geführt wird, ist die Abdichtung durch den Dichtungsring 10 bei den oben genannten Bedingungen nicht vollständig dicht. Etwas Wasserstoff tritt durch, aber der durchtretende Wasserstoff wird im Aufnahmeraum 14 eingefangen.
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Wenn die Elektrode 8 um ein nennenswertes Stück nachgeführt wurde, wird beim laufenden Betrieb des Plasmareaktors 1 die Abschlusskappe 12 gelöst und abgenommen. Danach wird die stabförmige Elektrode 8 mit einem Elektrodensegment 8' verlängert. Während die Abschlusskappe 12 gelöst ist, wird eine geringe Menge des Wasserstoffs durch den oder die Dichtungsringe 10, 10a 10b austreten, kann jedoch abgesaugt werden. Um die Menge des austretenden Wasserstoffs noch weiter zu verringern wird optional der im Reaktorraum 2 herrschende Betriebsdruck verringert, z. B. auf 5 bis 10 bar. Das Verringern des Betriebsdruckes wird vorzugsweise vor oder während dem Lösen und Abnehmen der Abschlusskappe 12 ausgeführt. Bei den Ausführungen mit mehreren Dichtungsringen 10 und einem dazwischen liegenden Dichtungsraum 22 wird alternativ oder zusätzlich der Druck des Gases erhöht, das in den Dichtungsraum 22 eingeleitet wird. Das Verlängern der Elektrode 8 kann beispielsweise mittels automatischer Handhabungsgeräte ausgeführt werden. Nach dem Verlängern der Elektrode 8 wird die Abschlusskappe 12 wieder befestigt und abgedichtet.
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Die Spülung mit Argon oder inertem Gas erfolgt vorzugsweise mit leichtem Überdruck gegenüber dem Druck im Reaktorraum 2. Argon ist deutlich schwerer als Wasserstoff und Luft. Dadurch lässt sich nach der Verlängerung der Elektrode 8 die gesamte Luft aus dem Aufnahmeraum 14 und/oder Dichtungsraum 22 spülen. Die Abwesenheit von Sauerstoff erhöht die Sicherheit. Der leichte Überdruck versiegelt die Abdichtung durch die bewegliche Trennfuge zwischen Elektrode 8 und Dichtungsring 10, 10a, 10b. Eventuell in den Reaktorraum 2 eindringendes Argon stört im Plasmareaktor 1 nicht.
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Der Dichtungsraum 22 zwischen den zwei Dichtungen 10 kann unter Argon-Druck gehalten werden, und wenn die Abschlusskappe 12 gelöst wird, um die Elektrode 8 zu verlängern, bleibt der Plasmareaktor 1 aufgrund des Gegendrucks des Argons oder inerten Gases im Dichtungsraum 22 immer noch dicht. Dann tritt kein Wasserstoff nach Außen aus, sondern nur inertes Gas, das weder für die Umwelt noch für das Bedienungspersonal gefährlich ist.
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Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungen beschrieben, wobei die einzelnen Merkmale der beschriebenen Ausführungen frei miteinander kombiniert werden können und/oder ausgetauscht werden können, sofern sie kompatibel sind. Ebenso können einzelne Merkmale der beschriebenen Ausführungen weggelassen werden, sofern sie nicht zwingend notwendig sind. Für den Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich und offensichtlich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
