DE102016223583B3

DE102016223583B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von Ruß aus Gas

Info

Publication number: DE102016223583B3
Application number: DE102016223583.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Dahle; Wolfgang Maus-Friedrichs; Marina Unseld
Original assignee: Technische Universitaet Clausthal
Current assignee: Technische Universitaet Clausthal
Priority date: 2016-08-11
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2036-11-29

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine für das Verfahren verwendbare Vorrichtung zur Entfernung von Ruß aus Gas beschrieben, das insbesondere Abgas von Verbrennungsmotoren ist. Die Vorrichtung und das damit durchführbare Verfahren haben den Vorteil, in einer Abgasleitung den Strömungswiderstand nicht bzw. nicht wesentlich zu erhöhen, z.B. im Vergleich zu Filtern. Die Vorrichtung und das Verfahren erlauben die Entfernung von Ruß aus Gasströmen mit hohen Partikeldichten und/oder hohen Partikelgrößen mittels eines dielektrisch behinderten Plasmas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine für das Verfahren verwendbare Vorrichtung zur Entfernung von Ruß aus Gas, das insbesondere Abgas von Verbrennungsmotoren ist.
Die Vorrichtung und das damit durchführbare Verfahren haben den Vorteil, in einer Abgasleitung den Strömungswiderstand nicht bzw. nicht wesentlich zu erhöhen, z.B. im Vergleich zu Filtern. Die Vorrichtung und das Verfahren erlauben die Entfernung von Ruß aus Gasströmen mit hohen Partikeldichten und/oder hohen Partikelgrößen. Bevorzugt erlauben die Vorrichtung und das Verfahren auch die Entfernung von kleinen Rußpartikeln und sind daher zur Verwendung bei der Entfernung von Ruß aus Abgasen von Otto- und Dieselmotoren, insbesondere solchen mit Direkteinspritzung geeignet. Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung und des Verfahrens liegt im geringen Energieverbrauch bzw. einer hohen Energieeffizienz und darin, dass keine Oxidations- oder Reduktionsmittel zugesetzt werden. Die Vorrichtung kann in kompakter Bauweise ausgeführt werden und erfordert keine Zuführleitungen oder Vorratsbehälter für ein dem Abgas zuzusetzendes Reaktionsmittel, insbesondere kein Oxidationsmittel, so dass die Vorrichtung in einer beliebigen Stelle einer Abgasleitung angeordnet sein kann.
Stand der Technik
Die WO 2005/083241 A1 beschreibt einen Reaktor zur Erzeugung eines dielektrisch behinderten Plasmas, in dem gleichzeitig mit den Hochspannungsimpulsen, die das Plasma erzeugen, eine Gleichspannung von 1 bis 50 kV angelegt wird, um in Abgas Partikel zu behandeln.
Die DE 43 39 611 A1 beschreibt zur Staubabscheidung beabstandete Dielektrikumselektroden, die zur Plasmaerzeugung mit Wechselspannung beaufschlagt werden und davon getrennte Hochspannungselektroden, die mit 40–80 kV Gleichspannung zur Erzeugung homogener elektrischer Felder beaufschlagt werden. Dabei sind in Strömungsrichtung die Dielektrikumselektroden abwechselnd mit Hochspannungselektroden angeordnet, um abwechselnd ein Plasma bzw. ein Abscheidestrecke zu erzeugen.
Die EP 2 022 953 A1 beschreibt zur Abgasreinigung mittels eines dielektrisch behinderten Plasmas eine Primärspannung von 100–300V bei 600 Hz und eine verstärkende Sekundärspannung von 2–6 kV.
Die DE 103 53 312 A1 beschreibt die Behandlung von Rußpartikeln, die aus dem Abgas von Verbrennungsmotoren in einem Partikelfilter gespeichert sind, mit einem Plasma, um aus den gespeicherten Rußpartikeln ein Reduktionsmittel zur Regeneration eines NO_X-Speicherkatalysators zu erzeugen.
Die DE 10 2005 019 319 A1 beschreibt die Abgasbehandlung mittels eines dielektrisch behinderten Plasmas, wobei Rußpartikel in Kombination mit einem Rußfilter abgebaut werden sollen. Dabei soll das Plasma abhängig von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors gesteuert werden, um oxidative und/oder reduktive Produkte zu erzeugen.
Die US 6,038,854 A beschreibt ein zweistufiges Verfahren zur Abgasbehandlung, bei dem ein Plasma NO mit O₂ zu NO₂ oxidiert und das erzeugte NO₂ abgeschiedenen Ruß zu CO₂ oxidiert und zu N₂ umgesetzt wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine alternative Vorrichtung und ein damit durchführbares alternatives Verfahren zur Entfernung von Ruß aus Abgas bereitzustellen, das insbesondere ohne das Zusetzen von Oxidations- oder Reduktionsmitteln abläuft und weiter bevorzugt einen geringen Energieverbrauch aufweist.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung löst die Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche und insbesondere mit einem Verfahren zur Behandlung von Gas, insbesondere Verbrennungsabgas, das die folgenden Schritte aufweist oder daraus besteht:
Erzeugen eines dielektrisch behinderten Plasmas mit Hochspannungsimpulsen zwischen zumindest zwei Elektroden, von denen zumindest eine, bevorzugt beide von einem Dielektrikum überzogen sind, wobei zwischen den Elektroden das Gas geführt wird, mit Dauern der Hochspannungsimpulse von maximal 1 µs, wobei die Elektroden zwischen den Hochspannungsimpulsen mit Gleichspannung beaufschlagt werden.
Das Gas enthält Sauerstoff, insbesondere in Form einer reaktiven Sauerstoffspezies, insbesondere atomaren Sauerstoff, Sauerstoffradikale, Ozon und/oder OH^–. Bevorzugt ist das Gas Verbrennungsabgas einer Verbrennungskraftmaschine, der bevorzugt im Verhältnis zum Kraftstoff überstöchiometrisch Luft zugeführt wird und die z.B. ein Otto- oder Dieselmotor, eine Turbine oder eine kleine oder mittlere Feuerungsanlage für feste und/oder flüssige Brennstoffe sein kann.
Zur Erzeugung des dielektrisch behinderten Plasmas ist zumindest eine der Elektroden durch ein Dielektrikum vom Gas getrennt, z.B. mit einem Dielektrikum beschichtet. Bevorzugt sind beide Elektroden mit einem Dielektrikum beschichtet.
Die Hochspannungsimpulse haben z.B. eine Frequenz von 5 bis 50 kHz, bevorzugt 20 bis 30 kHz, z.B. 25 kHz, bei einer Dauer von maximal 1 µs, z.B. einer Dauer von 0,1 bis 0,6 µs. Die Hochspannungsimpulse haben z.B. eine Spannung im Bereich von 5 bis 20 kV, bevorzugt 8 bis 15 kV, z.B. 10 bis 12 kV, bevorzugt 11 kV. Die Hochspannungsimpulse haben z.B. eine Gesamtenergie von 1 bis 100 mJ pro Impuls, bevorzugt 15 bis 25 mJ pro Impuls.
Die Gleichspannung liegt bevorzugt im Bereich von 1 bis 250 V, bevorzugt 10 bis 30 V. Die Effektivität des Verfahrens zur Entfernung von Ruß aus Gas wird gegenwärtig darauf zurückgeführt, dass das durch die Hochspannungsimpulse erzeugte dielektrisch behinderte Plasma neben einer Oxidation der Rußpartikel zu CO und/oder CO₂ auch zu einer Ionisierung von Rußpartikeln führt, die durch die Gleichspannung an die Elektroden bewegt werden, so dass die Aufenthaltszeit der Rußpartikel zwischen den Elektroden und damit im Plasma erhöht wird.
Das Verfahren kann bei Temperaturen im Bereich von 10 bis 900 °C ablaufen, bevorzugt im Bereich von 150 bis 500 °C. Bei diesen Temperaturen können die elektrischen Anschlüsse der Elektroden ohne besondere Hitzebeständigkeit ausgeführt sein, z.B. als Kabel mit Kunststoff- oder Silikonmantel. Die Elektroden können aus Metall sein, das Dielektrikum kann eine auf den Elektroden angeordnete Schicht, z.B. aus Keramik, sein. Das Dielektrikum dann durch ein dielektrisches Material gebildet sein, das zumindest eine Wandung des Strömungskanals bildet, optional den Querschnitt des Strömungskanals vollständig umfasst, wobei die Elektroden, insbesondere die mit der Hochspannungsimpulsquelle verbundenen Teilelektroden, auf der Außenseite der Wandung angeordnet sind.
Das Verfahren kann optional bei jeder Abgastemperatur durchgeführt werden, so dass das Verfahren ohne eine Kühlung oder Erwärmung des Abgases durchführbar ist, bzw. die Vorrichtung keine zusätzliche Einrichtung zur Kühlung oder Erwärmung des Abgases aufweist. Entsprechend kann die Vorrichtung an einer beliebigen Stelle einer Abgasleitung angeordnet sein, optional stromaufwärts einer Einrichtung zur Reduktion von Stickoxiden und/oder Kohlenmonoxid.
Die Vorrichtung ist für das Verfahren eingerichtet und entsprechend bezieht sich die Beschreibung der Verfahrensschritte auch auf die Einrichtung der Vorrichtung für die Verfahrensschritte.
Die Vorrichtung weist zumindest zwei Elektroden auf, von denen zumindest eine, bevorzugt beide von einem Dielektrikum überzogen sind und wobei zwischen den Elektroden ein Strömungskanal für das Gas gebildet ist und die Elektroden mit entgegengesetzten Polaritäten einer Hochspannungsimpulsquelle verbunden sind und mit einer Gleichspannungsquelle, die eingerichtet ist, die Elektroden zwischen den Hochspannungsimpulsen mit Gleichspannung zu beaufschlagen, oder besteht daraus.
Alternativ können die Elektroden einer Polarität als zumindest zwei Teilelektroden gleicher Polarität ausbildet sein, von denen die eine Teilelektrode mit der Hochspannungsimpulsquelle verbunden ist und die andere Teilelektrode mit der Gleichspannungsquelle. Die Teilelektroden gleicher Polarität, die auf einer Seite des Strömungskanals angeordnet sind, sind voneinander beabstandet, optional mit einem zwischen den Teilelektroden angeordneten Dielektrikum. In dieser Ausführungsform sind die Teilelektroden gleicher Polarität jeweils auf einer Seite des Strömungskanals angeordnet, so dass der Strömungskanal zwischen den Teilelektroden entgegengesetzter Polarität verläuft. Zumindest eine, vorzugsweise beide der mit der Hochspannungsimpulsquelle verbundenen Teilelektroden sind mit einem Dielektrikum überzogen. Optional ist zusätzlich eine, vorzugsweise beide der mit der Gleichspannungsquelle verbundenen Teilelektroden mit einem Dielektrikum überzogen.
In der Ausführungsform, in der die Elektrode einer Polarität als Teilelektroden ausgebildet ist, von denen die eine mit der Hochspannungsimpulsquelle verbunden ist und die andere mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist, können diese Teilelektroden in Bezug zum Strömungskanal in einer Ebene und/oder hintereinander angeordnet sein, dabei parallel zueinander und/oder versetzt sein.
Die Teilelektroden einer Polarität können z.B. dadurch in Bezug zum Strömungskanal in einer Ebene angeordnet sein, dass sie in Form von Streifen oder Drähten nebeneinander angeordnet sind, z.B. zueinander parallel oder gekreuzt. Dabei ist bevorzugt zumindest die streifenförmige oder drahtförmige Teilelektrode, die mit der Hochspannungsimpulsquelle verbunden ist, mit einem Dielektrikum überzogen. Die Teilelektroden einer Polarität können z.B. dadurch in Bezug zum Strömungskanal zueinander versetzt angeordnet sein, dass sie in zueinander beabstandeten Ebenen angeordnet sind, mit Überdeckung oder ohne Überdeckung in Bezug zum Strömungskanal.
Die Hochspannungsimpulsquelle ist eingerichtet, die Elektroden bzw. die Teilelektroden mit den Hochspannungsimpulsen zu beaufschlagen.
Bevorzugt ist die Vorrichtung in der Abgasleitung einer Verbrennungskraftanlage angeordnet. Dem Verfahren bzw. der Vorrichtung zur Entfernung von Ruß kann ein Verfahrensschritt bzw. eine Vorrichtung zur Reduktion von Stickoxiden (NO_X) zu N₂ nachgeschaltet sein.
Generell bevorzugt weist das Verfahren keinen Schritt des Durchleitens des Abgases durch ein Filtermaterial auf und entsprechend weist die Vorrichtung keine Filtereinrichtung auf, insbesondere keinen Partikelfilter. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Strömungswiderstand einer Abgasleitung nicht durch die Vorrichtung erhöht wird.
Die Erfindung wird nun genauer anhand von Beispielen und mit Bezug auf die Figuren beschrieben, die in
1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
2 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung in Aufsicht, im Schnitt C-C und als vergrößerten Ausschnitt E,
3 schematisch eine erfindungsgemäße Beschaltung der Vorrichtung aus 2,
4 schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung in Aufsicht und im Schnitt A-A,
5 schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung in Aufsicht und im perspektivischen Schnitt B-B,
6 schematisch an einer Vorrichtung anliegende Spannungsverläufe
7 massenspektrometrische Daten in (a) für die Konzentration an CO₂ und in (b) für die Konzentration an O₂ in rußhaltigem Gas mit und ohne Hochspannungsimpulsen,
8 relative Partikelkonzentrationen (
, Teilchenzahldichte im Gasstrom) und mittlere Partikeldurchmesser (
) vor, während und nach eingeschalteter Hochspannungsversorgung, sowie in
9 relative Partikelkonzentrationen (Teilchenzahldichte im Gasstrom) für einen Betrieb mit Hochspannungspulsen ohne Gleichspannung sowie bei einer gleichzeitig anliegenden Gleichspannung von +16 V oder –16 V zeigen.
Die 1 zeigt eine Vorrichtung mit zwei Elektroden 1, 2, auf denen jeweils eine Keramikschicht als Dielektrikum 3, 4 angeordnet ist, die zwischen sich einen Strömungskanal 5 bilden, der von rußhaltigem Gas durchströmt wird. Die Elektroden 1, 2 sind mit den Anschlüssen 6, 7 entgegengesetzter Polarität der Hochspannungsimpulsquelle 8 verbunden und mit den Kontakten 9, 10 einer Gleichspannungsquelle 11. Bevorzugt weisen die Kontakte 9, 10 der Gleichspannungsquelle 11 die entgegengesetzte Polarität auf, wie die Anschlüsse 6, 7 der Hochspannungsimpulsquelle 8. Alternativ können die Kontakte 9, 10 der Gleichspannungsquelle 11 die gleiche Polarität aufweisen, wie die Anschlüsse 6, 7 der Hochspannungsimpulsquelle 8, z.B. durch Reihenschaltung der Gleichspannungsquelle 11 und der Hochspannungsimpulsquelle 8.
Die Gleichspannungsquelle 11 und die Hochspannungsimpulsquelle 8 sind so gesteuert, dass die Elektroden 1, 2 zwischen den Hochspannungsimpulsen mit Gleichspannung beaufschlagt werden. Die Gleichspannungsquelle 11 ist eingerichtet bzw. gesteuert, die Elektroden 1, 2 nur zwischen den Hochspannungsimpulsen mit Gleichspannung zu beaufschlagen. Das rußhaltige Gas wird z.B. durch eine Feuerungsanlage oder einen Verbrennungsmotor 12 erzeugt und, optional mit einem zwischengeschalteten Verdichter 13, in die Einlassöffnung 14 des Strömungskanals 5 geführt. Generell optional kann die Vorrichtung an der Einlassöffnung 14 oder der Auslassöffnung 15 des Strömungskanals 5 einen Sensor 16 bzw. 17 aufweisen, wobei die Hochspannungsimpulsquelle 8 und/oder die Gleichspannungsquelle 11 abhängig von einem Signal von einem oder beiden Sensoren 16, 17 gesteuert sind. Dabei kann der Sensor 16 bzw. 17 direkt mit einer oder beiden von Hochspannungsimpulsquelle 8 und Gleichspannungsquelle 11 über Signalleitungen 18 verbunden sein, oder mit einer gemeinsamen Steuerungseinheit, die wiederum die Hochspannungsimpulsquelle 8 und Gleichspannungsquelle 11 steuert. Der Sensor 16 an der Einlassöffnung 14 und der Sensor 17 an der Auslassöffnung 15 können unabhängig voneinander gleich oder verschieden ein Temperaturfühler, ein Partikelsensor oder ein Sauerstoffsensor sein.
Die 2 zeigt eine technische Zeichnung einer Vorrichtung mit zwei Elektroden 1, 2, zwischen denen als Dielektrikum 3 eine Keramikschicht angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist nur eine Elektrode 1 durch ein Dielektrikum 3 abgedeckt und vom Strömungskanal 5 getrennt, während die andere Elektrode 2 unmittelbar an den Strömungskanal 5 angrenzt. Zwischen dem Dielektrikum 3 der Elektrode 1 und der Elektrode 2 ist ein Strömungskanal 5 gebildet, der von der Einlassöffnung 14 zur Auslassöffnung 15 von rußhaltigem Gas durchströmt wird. Ein ungewolltes Entweichen des Gases wird durch eine Dichtung (nicht dargestellt) in einem Dichtungssitz 19 verhindert. Die Dichtung kann bei Gastemperaturen kleiner als 250°C, bevorzugt kleiner als 200°C, z.B. aus Fluorelastomer-Material bestehen.
3 zeigt ein Schaltbild der Vorrichtung, bei der die Elektroden 1, 2 mit den Anschlüssen 6, 7 entgegengesetzter Polarität der Hochspannungsimpulsquelle 8 verbunden sind und mit den Kontakten 9, 10 einer Gleichspannungsquelle 11.
Die Gleichspannungsquelle 11 und die Hochspannungsimpulsquelle 8 sind so gesteuert, dass die Elektroden 1, 2 zwischen den Hochspannungsimpulsen mit Gleichspannung beaufschlagt werden. Dabei kann die Gleichspannungsquelle 11 eingerichtet sein, die Elektroden 1, 2 kontinuierlich mit Gleichspannung zu beaufschlagen, z.B. mit Überbrückung durch einen Kondensator oder mit einer komplexeren Schutzschaltung 21, um die Einleitung von Hochspannungsimpulsen in die Gleichspannungsquelle 11 zu verhindern. Erfindungsgemäß ist die Gleichspannungsquelle 11 eingerichtet bzw. gesteuert, die Elektroden 1, 2 nur zwischen den Hochspannungsimpulsen mit Gleichspannung zu beaufschlagen. Das rußhaltige Gas wird z.B. durch eine Feuerungsanlage oder einen Verbrennungsmotor 12 erzeugt und, optional mit einem zwischengeschalteten Verdichter 13, in die Einlassöffnung 14 des Strömungskanals 5 geführt. Generell optional kann die Vorrichtung an der Einlassöffnung 14 oder der Auslassöffnung 15 des Strömungskanals 5 einen Sensor 16 bzw. 17 aufweisen, wobei die Hochspannungsimpulsquelle 8 und die Gleichspannungsquelle 11 abhängig von einem Signal von einem oder beiden Sensoren 16, 17 gesteuert sind. Dabei kann der Sensor 16 bzw. 17 direkt mit einer oder beiden von Hochspannungsimpulsquelle 8 und Gleichspannungsquelle 11 über Signalleitungen 18 verbunden sein, oder mit einer gemeinsamen Steuerungseinheit 20, die wiederum die Hochspannungsimpulsquelle 8 und Gleichspannungsquelle 11 steuert. Der Sensor 16 an der Einlassöffnung 14 und der Sensor 17 an der Auslassöffnung 15 können generell unabhängig voneinander gleich oder verschieden ein Temperaturfühler, ein Partikelsensor, ein Sensor für gesamten organischen Kohlenstoff (TOC, total organic carbon, oder THC, total hydrocarbon), ein Kohlendioxidsensor, ein Kohlenmonoxidsensor oder ein Sauerstoffsensor sein.
Die 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Elektrode 1 als Teilelektrode 1a, die mit der Hochspannungsimpulsquelle verbunden ist, und als mit der Gleichspannungsquelle 11 verbundene Teilelektrode 1b ausgebildet ist. Die Elektrode 2 der entgegengesetzten Polarität ist als Teilelektrode 2a, die mit der Hochspannungsimpulsquelle verbunden ist, und als mit der Gleichspannungsquelle 11 verbundene Teilelektrode 2b ausgebildet. In der hier gezeigten Ausführungsform sind die mit den Kontakten 9, 10 entgegengesetzter Polarität der Gleichspannungsquelle 11 verbundenen Teilelektroden 1b, 2b ohne eine optionale Beschichtung mit einem Dielektrikum unmittelbar angrenzend an das Innenvolumen des Strömungskanals 5 angeordnet.
Die mit der Gleichspannungsquelle 11 verbundenen Teilelektroden 1b, 2b können generell, wie hier gezeigt, versetzt zu den mit der Hochspannungsimpulsquelle 8 verbundenen Teilelektroden 1a, 2a angeordnet sein, so dass sie das Gleichspannungsfeld bzw. das dielektrisch behindere Plasma in jeweils benachbarten Abschnitten des Strömungskanals 5 erzeugen. Bevorzugt sind generell, wie auch in 4 gezeigt, jeweils die mit der Gleichspannungsquelle 11 verbundenen Teilelektroden 1b, 2b entgegengesetzter Polarität und jeweils die mit der Hochspannungsimpulsquelle 8 verbundenen Teilelektroden 1a, 2a in entlang des Strömungskanals 5 gleichen Abschnitten angeordnet, so dass sie mit Überdeckung angeordnet sind und das Gleichspannungsfeld bzw. das dielektrisch behinderte Plasma etwa senkrecht zur Längsachse des Strömungskanals 5 ausbilden.
Die mit der Hochspannungsimpulsquelle 8 verbundenen Teilelektroden 1a, 2a können generell dadurch von einem Dielektrikum überzogen sein, dass sie an der Außenwandung des Strömungskanals 5 anliegen. Die mit der Gleichspannungsquelle 11 verbundenen Teilelektroden 1b, 2b können auf der Innenwandung des Strömungskanals 5 anliegen.
Die mit der Hochspannungsimpulsquelle 8 verbundenen Teilelektroden 1a, 2a und die mit der Gleichspannungsquelle 11 verbundenen Teilelektroden 1b, 2b gleicher oder entgegengesetzter Polarität können einander gegenüberliegend am Strömungskanal 5 angeordnet sein, wie in 4 gezeigt ist.
Die 5 zeigt einen Abschnitt eines Strömungskanals 5, an dessen einander gegenüberliegenden Wänden außen streifenförmige Teilelektroden 1a, 2a angeordnet sind, die mit den Anschlüssen der Hochspannungsimpulsquelle 8 entgegengesetzter Polarität 6, 7 verbunden sind. Im Innenvolumen des Strömungskanals 5 sind parallel und versetzt zu den mit der Hochspannungsquelle 8 verbundenen Teilelektroden 1a, 2a mit der Gleichspannungsquelle 11 verbundene Teilelektroden 1b, 2b angeordnet, die sich entlang des Strömungskanals 5 erstrecken. Die mit der Gleichspannungsquelle 11 verbundenen Teilelektroden 1b, 2b können eine geschlossene Oberfläche aufweisen und den Strömungskanal in parallele Teilkanäle unterteilen oder Öffnungen aufweisen, z.B. streifen- oder gitterförmig sein. Dabei sind die Teilelektroden 1b, 2b jeweils abwechselnd mit den Kontakten 9, 10 entgegengesetzter Polarität der Gleichspannungsquelle 11 verbunden.
Die 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform, in der jeweils eine Elektrode 1, 2 mit Hochspannungsimpulsen HV und Gleichspannung Φ gleicher Polarität beaufschlagt wird. Dabei liegen, wie hier gezeigt ist, Hochspannungsimpulse HV und Gleichspannung Φ alternierend an. In dieser Figur weisen die Spannungsverläufe der Hochspannungsimpulse HV sowie des Gleichstroms Φ und die Gasströmung im Strömungskanal 5 dieselbe Zeitachse t auf. Das schematische Volumenelement 22 eines in dem Strömungskanal 5 strömenden Gases, das Rußpartikel 23 enthält, erfährt während des Durchtritts durch den Strömungskanal 5 eine zumindest teilweise Größenreduktion bzw. Vernichtung der Rußpartikel 23, wobei die Gleichspannung Φ für eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Rußpartikel 23 gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit (Pfeilspitze) der Volumenelemente 22 des Gases bzw. für eine Bewegung der Rußpartikel 23 an eine der Elektroden 1, 2 führt, insbesondere an die Kathode K und weg von der Anode A.
Beispiel 1: Entfernung von Gasruß in Luft
Als Gas wurde Luft in Mischung mit pulverförmigem Gasruß als Modellgas stellvertretend für Verbrennungsabgas eingesetzt. Der Gasruß war durch Verbrennung hergestellt, so dass er durch das Herstellungsverfahren eine morphologische Struktur, z.B. ein hohes Oberflächen-Volumenverhältnis, und eine chemische Zusammensetzung aufweist wie Ruß aus Verbrennungsmotoren.
Als Reaktor wurde ein Strömungskanal gemäß 2 verwendet, der zwischen zwei Metallelektroden, davon eine mit einer Keramikschicht von 1 mm Dicke isoliert, eine Höhe zwischen den Keramikschichten von 1 mm und eine Breite von 10 mm aufwies. Die Elektroden wurden zur Erzeugung eines dielektrisch behinderten Plasmas mit Hochspannungsimpulsen von 11,33 kV und einer Frequenz von 25 kHz und einer Impulsdauer von 0,6 µs beaufschlagt.
Der Strömungskanal wurde mit Gasruß befüllt und mit Luft von 1 L/min durchströmt. Das aus dem Strömungskanal austretende, behandelte Modellgas wurde in einem Quadrupolmassenspektrometer analysiert.
Die 7(a) zeigt die gemessenen Konzentrationen von CO₂, die im erfindungsgemäßen Verfahren (•, mit Plasma) und zum Vergleich ohne Hochspannungsimpulse (
, ohne Plasma) bestimmt wurden. In 7 (b) sind die gemessenen Konzentrationen von O₂ gezeigt, die im erfindungsgemäßen Verfahren (•, mit Plasma) und zum Vergleich ohne Hochspannungsimpulse (
, ohne Plasma) bestimmt wurden. Die Ergebnisse machen deutlich, dass durch die Plasmabehandlung die Konzentration an CO₂ erhöht und an Sauerstoff erniedrigt wird. Die Analyse des austretenden, behandelten Modellgases ergab die folgenden Konzentrationsunterschiede durch die Plasmabehandlung gegenüber der eingeleiteten Luft:

Bestandteil Unterschied durch Plasmabehandlung

CO₂ +5,67 %

O₂ –9,97%

CO +9,21%

H₂O +0,04%

H₂ +3,48%
Die Analyse zeigt, dass die Plasmabehandlung zu einer stärkeren Erhöhung des Anteils an CO₂ und CO führt, als der Erniedrigung des Sauerstoffgehalts entspricht. Ein Anteil des Sauerstoffs, der in CO₂ und CO gebunden ist, stammt aus der Desorption und Dissoziation von Wasser im Plasma unter Bildung von Wasserstoff. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Rußpartikel in der Luft als Beispiel für sauerstoffhaltiges Abgas durch das Plasma zu CO₂ und CO oxidiert werden. Generell kann das Verfahren zusätzlich den anschließenden Schritt aufweisen, CO katalytisch zu CO₂ zu oxidieren, z.B. ein übliches Oxy-KAT-Verfahren.
Beispiel 2: Entfernung von Ruß aus Motorabgas
Als Gas wurde das Abgas eines Dieselmotors, der auf einem Prüfstand montiert war, durch eine Vorrichtung entsprechend Beispiel 1 geleitet und das daraus austretende Abgas auf CO₂ und CO analysiert. Der Motor wurde so betrieben, dass das Abgas noch einen Sauerstoffgehalt von ca. 4 Vol.-% aufwies. Die durch die Plasmabehandlung erhöhten Konzentrationen von CO₂ und CO entsprachen im Rahmen der Messgenauigkeit dem Gehalt des unbehandelten Abgases an Rußpartikeln von ca. 40 mg/m³. Dieses Ergebnis zeigt indirekt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Ruß effektiv aus Motorabgas entfernt werden kann.
Beispiel 3: Entfernung von Rußpartikeln, die durch eine Funkenentladung erzeugt wurden, aus einem Luft-Stickstoff-Gemisch
Als Gas wurde Stickstoff mit 1 L/min durch eine Funkenentladung zwischen zwei Graphitelektroden geführt, sodass eine Beladung mit Rußpartikeln stattgefunden hatte, und anschließend mit synthetischer Luft mit 1 L/min zusammengeführt. Dieser kombinierte Gasstrom mit 2 L/min wurde durch eine Vorrichtung entsprechend Beispiel 1 geleitet und das daraus Abgas in einem Mobilitäts-Partikelgrößenspektrometer (SMPS, von engl.: scanning mobility particle sizer) oder in einem Kondensationspartikelzähler (CPC, von engl.: condensation particle counter) ohne vorhergehende Klassifizierung analysiert.
Die 8 zeigt die Ergebnisse einer Messreihe, bei der Hochspannungspulse mit 15 kV und 26 kHz und eine gleichzeitig anliegende, kontinuierliche Gleichspannung von 16 V verwendet wurden. Der zeitliche Drift der Partikelerzeugungsrate im Funkengenerator wurde linear korrigiert und die Werte auf 100 % normiert, um anhand der so erhaltenen relativen Partikelanzahldichte die Wirkung des Plasmas deutlich darzustellen(
). Zusätzlich ist der geometrische Mittelwert der Partikeldurchmesser dargestellt(
). Durch einen vor der Vorrichtung befindlichen Partikelklassifizierer bleiben die mittleren Durchmesser der erzeugten Partikel in der Messung sehr konstant bei 94,2 nm ± 1,7 nm liegen. Diejenigen Partikel jedoch, welche das Plasma durchlaufen sind, wurden auf im Mittel 65,6 nm ± 2,1 nm verkleinert. Dies zeigt, dass die Aufenthaltszeit in der Vorrichtung bei diesen Betriebsparametern zu gering ist, um die Partikel bei der vorhandenen Anregungsenergie vollständig zu entfernen, wohingegen aber eine effektive Umsetzung dazu geführt hat, dass das mittlere Volumen der Partikel auf etwa ein Drittel verringert wurde. Zudem wurde in diesem Versuch die Anzahl der Partikel auf etwa 23 % des Ausgangswertes verringert. Für eine gesteigerte Entfernung der Partikel wird daher generell eine Verweildauer im Strömungskanal 5 zwischen den Elektroden 1, 2 von zumindest 100 ms bevorzugt.
Die 9 zeigt relative Partikelanzahldichten beim Betrieb mit denselben Parametern, jedoch ohne den Einsatz des Partikelklassifizierers im Strömungsweg, sodass die absoluten Partikelanzahldichten größer und die Verteilung der Partikeldurchmesser breiter sind. Dies führt zu größeren Dichten verbliebener Partikel im Abgas und zeigt die Wirkung der Gleichspannung, die zumindest zwischen den Hochspannungsimpulsen an den Elektroden anliegt. Die durch den CPC erhaltenen Werte wurden über etwa 4 Minuten gemittelt, die statistischen Variationen sind anhand der Standardabweichung dargestellt. Es zeigt sich, dass eine positive Gleichspannung mit 33,2% entfernten Partikeln nur einen geringen Einfluss im Vergleich zu 31 % ohne Gleichspannung hat. Durch eine negativ gepolte Gleichspannung, in der die Kontakte 9, 10 der Gleichspannungsquelle 11 die entgegengesetzte Polarität aufweisen, wie die Anschlüsse 6, 7 der Hochspannungsimpulsquelle 8, wurde jedoch mit 42,1 % entfernten Partikeln im Vergleich eine etwa 1,4-mal so große Wirkung erzielt.
Bezugszeichenliste

1, 2: Elektroden,
1a, 2a: Teilelektroden für Hochspannungsimpulse entgegengesetzter Polarität,
1b, 2b: Teilelektroden für Gleichspannung entgegengesetzter Polarität,
3, 4: Dielektrikum
5: Strömungskanal
6, 7: Anschlüsse entgegengesetzter Polarität der Hochspannungsimpulsquelle
8: Hochspannungsimpulsquelle
9, 10: Kontakte der Gleichspannungsquelle
11: Gleichspannungsquelle
12: Feuerungsanlage oder Verbrennungsmotor
13: Verdichter
14: Einlassöffnung des Strömungskanals
15: Auslassöffnung des Strömungskanals
16, 17: Sensor
18: Signalleitung
19: Dichtungssitz
20: Steuerungseinheit
21: Schutzschaltung
22: Gasvolumenelement
23: Rußpartikel
K: Kathode
A: Anode

Claims

Verfahren zur Entfernung von Ruß aus Gas, das Sauerstoff enthält, durch Erzeugen eines dielektrisch behinderten Plasmas mit Hochspannungsimpulsen, deren Dauer maximal 1 µs beträgt, zwischen zwei Elektroden (1, 2), von denen zumindest eine mit einem Dielektrikum (3, 4) überzogen ist und zwischen denen das Gas in einem Strömungskanal (5) strömt, wobei zwischen den Elektroden Gleichspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung nur zwischen den Hochspannungsimpulsen an den Elektroden (1, 2) anliegt und von 10 bis 500 V beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in dem Strömungskanal (5) zwischen den Elektroden (1, 2) eine Temperatur von 10 bis 900 °C aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsimpulse eine Spannung von 5 bis 20 kV und eine Frequenz von 15 bis 35 kHz aufweisen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Elektroden (1, 2) als zumindest zwei voneinander beabstandete Teilelektroden (1a, 2a, 1b, 2b) ausgebildet ist, von denen die eine (1a, 2a) mit einer Hochspannungsimpulsquelle (8) verbunden ist, von denen zumindest eine mit einem Dielektrikum (3, 4) überzogen ist, und die andere (1b, 2b) mit einer Gleichspannungsquelle (11) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide mit der Hochspannungsimpulsquelle (8) verbundenen Teilelektroden (1a, 2a) mit einem Dielektrikum (3, 4) überzogen sind und die mit der Gleichspannungsquelle (11) verbundenen Teilelektroden (1b, 2b) unmittelbar an das Innenvolumen des Strömungskanals (5) angrenzen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Verbrennungsabgas einer Verbrennungskraftmaschine (12) ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas nicht durch einen Partikelfilter strömt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kein Oxidationsmittel oder Reduktionsmittel zugesetzt wird.
Vorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren zur Entfernung von Ruß aus Gas, das Sauerstoff enthält, mit zwei beabstandeten Elektroden (1, 2), von denen zumindest eine von einem Dielektrikum (3, 4) überzogen ist und die Elektroden (1, 2) an einem Strömungskanal (5) für das Gas angeordnet sind, wobei die Elektroden (1, 2) mit entgegengesetzten Polaritäten einer Hochspannungsimpulsquelle (8), die eingerichtet ist, Impulse von maximal 1 µs Dauer zu erzeugen, verbunden sind und mit einer Gleichspannungsquelle (11), die gesteuert ist, die Elektroden (1, 2) nur zwischen den Hochspannungsimpulsen mit Gleichstrom von 10 bis 500 V zu beaufschlagen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsimpulsquelle (8) eingerichtet ist, eine Spannung von 5 bis 20 kV und bei einer Frequenz von 15 bis 35 kHz zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie keinen Partikelfilter aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (5) in der Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine (12) angeordnet ist, die eingerichtet ist, mit Luft im stöchiometrischen Überschuss zum Kraftstoff betrieben zu werden.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (12) ein Ottomotor oder ein Dieselmotor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Elektroden (1, 2) als zumindest zwei voneinander beabstandete Teilelektroden (1a, 2a, 1b, 2b) ausgebildet ist, von denen die eine (1a, 2a) mit der Hochspannungsimpulsquelle (8) verbunden ist, von denen zumindest eine (1a, 2a) mit einem Dielektrikum (3, 4) überzogen ist, und die andere (1b, 2b) mit der Gleichspannungsquelle (11).
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Hochspannungsimpulsquelle (8) verbundenen Teilelektroden (1a, 2a) in Bezug zum Strömungskanal mit Überdeckung in zueinander beabstandeten Ebenen angeordnet sind und dass die mit der Gleichspannungsquelle (11) verbundenen Teilelektroden (1b, 2b) mit Überdeckung zueinander und ohne Überdeckung mit den mit der Hochspannungsimpulsquelle (8) verbundenen Teilelektroden (1a, 2a) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Hochspannungsimpulsquelle (8) verbundenen Teilelektroden (1a, 2a) und die mit der Gleichspannungsquelle verbundenen Teilelektroden (1b, 2b) jeweils gleicher Polarität in einer Ebene und gegenüber den Teilelektroden jeweils entgegengesetzter Polarität angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen des Strömungskanals (5) aus dielektrischem Material (3, 4) bestehen und die mit der Hochspannungsimpulsquelle (8) verbundenen Teilelektroden (1a, 2a) auf der Außenseite des Strömungskanals (5) angeordnet sind und die mit der Gleichspannungsquelle verbundenen Teilelektroden (1b, 2b) auf der Innenseite des Strömungskanals (5) unmittelbar an dessen Innenvolumen angrenzend angeordnet sind.