DE102022126660A1 - Plasma electrode arrangement and plasma lysis device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Plasmaelektrodenanordnung umfassend eine zylindrische hohle Außenelektrode, eine ringförmige von der Außenelektrode elektrisch isoliert und beabstandet angeordnete Zündelektrode und eine innerhalb der Außenelektrode und der Zündelektrode beabstandet angeordnete Innenelektrode, wobei die Zündelektrode (100) mit einer Hochspannungsquelle verbindbar ist.The invention relates to a plasma electrode arrangement comprising a cylindrical hollow outer electrode, an annular ignition electrode which is electrically insulated from the outer electrode and arranged at a distance therefrom, and an inner electrode which is arranged at a distance therefrom within the outer electrode and the ignition electrode, wherein the ignition electrode (100) can be connected to a high-voltage source.
Description
Die Erfindung betrifft eine Plasmaelektrodenanordnung sowie eine Plasmalysevorrichtung mit einer solchen Plasmaelektrodenanordnung.The invention relates to a plasma electrode arrangement and a plasma lysis device with such a plasma electrode arrangement.
Es ist bekannt Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Methan, Erdgas, Biogas oder Schweröl, mittels des Kvaerner-Verfahrens in einem Plasmabrenner bei etwa 1600 °C in Kohlenstoff und Wasserstoff zu trennen. Ferner ist grundsätzlich auch die Plasmavergasung fester oder flüssiger organischer Ausgangsstoffe bekannt. Dabei nutzt Kvaerner wie beispielsweise in
Hier setzt die Erfindung an, die eine Verbesserung einer solchen Plasmaelektrodenanordnung zum Ziel hat.This is where the invention comes in, which aims to improve such a plasma electrode arrangement.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Plasmaelektrodenanordnung umfassend eine zylindrische hohle Außenelektrode, eine ringförmige von der Außenelektrode elektrisch isoliert und beabstandet angeordnete Zündelektrode und eine innerhalb der Außenelektrode und der Zündelektrode beabstandet angeordnete Innenelektrode, wobei die Zündelektrode mit einer Hochspannungsquelle verbindbar ist.According to a first aspect, the invention relates to a plasma electrode arrangement comprising a cylindrical hollow outer electrode, an annular ignition electrode which is electrically insulated from the outer electrode and arranged at a distance therefrom, and an inner electrode arranged at a distance therefrom within the outer electrode and the ignition electrode, wherein the ignition electrode can be connected to a high-voltage source.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass die Nutzung einer separaten Zündelektrode es erlaubt, den Abstand zwischen Innen- und Außenelektrode zu vergrößern und so eine höhere Leistung einer mit der Plasmaelektrodenanordnung ausgestatteten Plasmalysevorrichtung erlaubt. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Erkenntnis zu Grunde, dass die Verwendung einer Zündelektrode auch die Nutzung unterschiedlicher Plasmagase erlaubt.The invention includes the finding that the use of a separate ignition electrode allows the distance between the inner and outer electrodes to be increased and thus allows a higher performance of a plasma lysis device equipped with the plasma electrode arrangement. In addition, the invention is based on the finding that the use of an ignition electrode also allows the use of different plasma gases.
Mit Hilfe einer anliegenden Hochspannung wird bei einer Zündung ein Lichtbogen zwischen Zündelektrode und Innenelektrode aufgebaut, der bis in einen Plasmazwischenraum zwischen Innen- und Außenelektrode reicht und die Ausbildung eines Plasmas zwischen Innen- und Außenelektrode initiiert.With the help of an applied high voltage, an arc is built up between the ignition electrode and the inner electrode during ignition, which extends into a plasma gap between the inner and outer electrodes and initiates the formation of a plasma between the inner and outer electrodes.
Mit der erfindungsgemäßen Plasmaelektrodenanordnung können daher größere Elektrodensysteme stabil zur Dissoziation von kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoffen bei geringeren Kosten in molekularen Wasserstoff und Kohlenstoff verwendet werden.With the plasma electrode arrangement according to the invention, larger electrode systems can therefore be used stably for the dissociation of hydrocarbon-containing starting materials into molecular hydrogen and carbon at lower costs.
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Plasmaelektrodenanordnung beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können zur Bildung weiterer Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, es sei denn, sie sind in der Beschreibung ausdrücklich als Alternativen zueinander beschrieben.Advantageous embodiments of the plasma electrode arrangement according to the invention are described below. The additional features of the embodiments can be combined with one another to form further embodiments, unless they are expressly described in the description as alternatives to one another.
Als Plasmagas wird bevorzugt Stickstoff und/oder Wasserstoff eingesetzt. Auch die Verwendungen weiterer Gase wie Ammoniak oder Edelgase oder Gasgemische ist möglich.Nitrogen and/or hydrogen are preferred as plasma gases. The use of other gases such as ammonia or noble gases or gas mixtures is also possible.
In einer Ausführungsform der Plasmaelektrodenanordnung ist die Zündelektrode an einer zur Außenelektrode weisenden Seite abgeflacht ausgebildet. Dieser Aufbau begünstigt eine Erstreckung und Bewegungsführung des Lichtbogens bis in einen Plasmazwischenraum zwischen Innen- und Außenelektrode.In one embodiment of the plasma electrode arrangement, the ignition electrode is flattened on a side facing the outer electrode. This structure facilitates the extension and movement of the arc into a plasma gap between the inner and outer electrodes.
Bevorzugt nimmt eine Dicke der Zündelektrode von einer von der Außenelektrode abgewandten Seite zu einer zur Außenelektrode weisenden Seite ab. Auch dieser Aufbau begünstigt eine Erstreckung des Lichtbogens bis in einen Plasmazwischenraum zwischen Innen- und Außenelektrode.Preferably, the thickness of the ignition electrode decreases from a side facing away from the outer electrode to a side facing the outer electrode. This structure also promotes an extension of the arc into a plasma gap between the inner and outer electrodes.
Bevorzugt ist die Zündelektrode im Wesentlichen als hohler Kegelstumpf ausgebildet. Darüber kann sowohl die abnehmende Dicke der Zündelektrode in einer einfach herzustellenden Geometrie gewährleistet werden als auch die Aufnahme der Innenelektrode im Hohlraum der Zündelektrode.Preferably, the ignition electrode is essentially designed as a hollow truncated cone. This ensures both the decreasing thickness of the ignition electrode in a geometry that is easy to produce and the accommodation of the inner electrode in the cavity of the ignition electrode.
In einer Ausführungsform weist die Zündelektrode einen Befestigungsbereich auf, mit dem sie über isolierende Distanzhalter mit der Außenelektrode mechanisch verbunden ist. Damit ist eine einfache Montage der Plasmaelektrodenanordnung möglich, bei der über die isolierenden Distanzhalter sowohl die Isolierung als auch die Einhaltung eines Abstandes zwischen Zünd- und Außenelektrode gewährleistet wird.In one embodiment, the ignition electrode has a fastening area with which it is mechanically connected to the outer electrode via insulating spacers. This enables simple assembly of the plasma electrode arrangement, with the insulating spacers ensuring both insulation and maintaining a distance between the ignition and outer electrodes.
Bevorzugt weist ein Zündzwischenraum zwischen Zünd- und Innenelektrode eine Breite im Bereich von 4 bis 20 mm auf.Preferably, an ignition gap between the ignition electrode and the inner electrode has a width in the range of 4 to 20 mm.
Ein Plasmazwischenraum zwischen Außen- und Innenelektrode weist bevorzugt eine Breite von mehr als 20 mm auf. Mit einem derart großen Abstand ist eine höhere Spannung bei der Aufrechterhaltung des Plasmas möglich und damit eine höhere Ausbeute.A plasma gap between the outer and inner electrodes preferably has a width of more than 20 mm. With such a large distance, a higher voltage is possible when maintaining the plasma and thus a higher yield.
Bevorzugt weisen die Außenelektrode und/oder die Zündelektrode und/oder die Innenelektrode Graphit auf oder bestehen aus Graphit. Graphit ist als Elektrodenwerkstoff besonders gut geeignet, der er gute Leitfähigkeitswerte aufweist und einfach formbar ist. Darüber hinaus werden bei Nutzung von Graphitelektroden in den hier zu Grunde liegenden Prozessen auch bei Abnutzung der Elektroden Verunreinigungen des entstehenden Kohlenstoffs vermieden.Preferably, the outer electrode and/or the ignition electrode and/or the inner electrode comprise graphite or consist of graphite. Graphite is particularly suitable as an electrode material because it has good conductivity values and is easy to form. In addition, when using graphite electrodes in the here underlying The processes prevent contamination of the carbon produced even when the electrodes wear out.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Plasmaelektrodenanordnung weiter eine auf einer der Außenelektrode abgewandten Seite der Zündelektrode und von dieser beabstandet angeordnete Gasführungsvorrichtung, wobei die Gasführungsvorrichtung Kanäle und/oder Rillen zur Führung von Gas umfasst und die Kanäle und/oder Rillen insbesondere konzentrisch angeordnet sind. Eine mit Hilfe der Gasführungsvorrichtung zusätzlich zur ringförmigen Zündelektrode gerichtete Strömung des einströmenden Plasmagases begünstigt eine Erstreckung des Lichtbogens der Zündung bis in einen Plasmazwischenraum zwischen Innen- und Außenelektrode und bieten eine Unterstützung beim Ausbilden des Plasmas in Form eines Bogens oder einer Fackel .In a further embodiment, the plasma electrode arrangement further comprises a gas guide device arranged on a side of the ignition electrode facing away from the outer electrode and spaced therefrom, wherein the gas guide device comprises channels and/or grooves for guiding gas and the channels and/or grooves are arranged in particular concentrically. A flow of the incoming plasma gas directed with the aid of the gas guide device in addition to the annular ignition electrode promotes an extension of the ignition arc into a plasma gap between the inner and outer electrodes and offers support in the formation of the plasma in the form of an arc or a torch.
Bevorzugt umfasst die Gasführungsvorrichtung mindestens einen Gasführungsring mit Kanälen und/oder Rillen, die in einem Gehäuse, bevorzugt einem Keramikrohr angeordnet ist.Preferably, the gas guiding device comprises at least one gas guiding ring with channels and/or grooves, which is arranged in a housing, preferably a ceramic tube.
Die Innenelektrode ist bevorzugt hohl ausgebildet ist. So kann sowohl Plasmagas als auch in bestimmten Anwendungen ein zu prozessierendes Ausgangsstoffgas durch die Innenelektrode zugeführt werden.The inner electrode is preferably hollow. This means that both plasma gas and, in certain applications, a starting material gas to be processed can be fed through the inner electrode.
Bevorzugt umfasst die Plasmaelektrodenanordnung ein Elektrodenwechselsystem umfassend eine Mehrzahl von Innenelektroden in einer Trommelanordnung eines Revolversystems, wobei das Elektrodenwechselsystem ausgebildet ist, genau eine Innenelektrode in einen Innenraum der Außenelektrode abzusenken und nach einer vorbestimmten Zeit oder auf ein Steuersignal hin, die abgesenkte Innenelektrode hochzuziehen, die Trommel um mindestens eine Position weiterzudrehen und eine weitere Innenelektrode in den Innenraum abzusenken. Mit Hilfe eines solchen Elektrodenwechselsystems können die Innenelektroden, die sich im Prozess regelmäßig abnutzen einfach getauscht werden. Ein derartiges Elektrodenwechselsystem kann auch in Plasmaelektrodenanordnungen ohne Zündelektrode Anwendung finden.The plasma electrode arrangement preferably comprises an electrode changing system comprising a plurality of inner electrodes in a drum arrangement of a turret system, wherein the electrode changing system is designed to lower exactly one inner electrode into an interior of the outer electrode and, after a predetermined time or in response to a control signal, to raise the lowered inner electrode, to rotate the drum by at least one position and to lower another inner electrode into the interior. With the help of such an electrode changing system, the inner electrodes, which regularly wear out during the process, can be easily replaced. Such an electrode changing system can also be used in plasma electrode arrangements without an ignition electrode.
Es ist weiter bevorzugt, dass die Plasmaelektrodenanordnung einen Bajonettanschluss zum Anschluss an einen Bajonettsockel in einer Öffnung eines Reaktionsraumes umfasst, wobei Außenelektrode und Zündelektrode mechanisch mit dem Bajonettanschluss verbunden sind.It is further preferred that the plasma electrode arrangement comprises a bayonet connection for connection to a bayonet base in an opening of a reaction chamber, wherein the outer electrode and ignition electrode are mechanically connected to the bayonet connection.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Plasmalysevorrichtung zur Spaltung eines Ausgangsstoffs in mindestens ein Produktgas und mindestens ein Beiprodukt umfassend eine Plasmaelektrodenanordnung nach dem ersten Aspekt der Erfindung zumindest teilweise angeordnet in einem Reaktionsraum und mindestens eine Ausgangsstoffzuführung im Reaktionsraum sowie eine mit der Außenelektrode verbundene Gleichstromquelle. Eine Plasmalysevorrichtung kann auch als Elektrolyse- oder Plasma-Elektrolysevorrichtung bezeichnet werden.According to a second aspect, the invention relates to a plasma lysis device for splitting a starting material into at least one product gas and at least one by-product, comprising a plasma electrode arrangement according to the first aspect of the invention at least partially arranged in a reaction chamber and at least one starting material feed in the reaction chamber and a direct current source connected to the external electrode. A plasma lysis device can also be referred to as an electrolysis or plasma electrolysis device.
Der Ausgangsstoff kann gasförmig, fest oder flüssig sein. Es kann sich auch um eine Mischung verschiedener Ausgangsstoffe handeln. Der Ausgangsstoff umfasst bevorzugt mindestens einen Kohlenwasserstoff und wird bevorzugt in zumindest molekularen Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten. Der feste oder flüssige Ausgangsstoff kann auch Sauerstoff-Verbindungen enthalten, die dann zu auch die Bildung von Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid begünstigen, soweit erwünscht.The starting material can be gaseous, solid or liquid. It can also be a mixture of different starting materials. The starting material preferably comprises at least one hydrocarbon and is preferably split into at least molecular hydrogen and solid carbon. The solid or liquid starting material can also contain oxygen compounds, which then also promote the formation of carbon monoxide or carbon dioxide, if desired.
Der Ausgangstoff kann beispielsweise Methan enthalten. Zum Beispiel kann der Ausgangsstoff über 75 % Methan, bevorzugt über 90 % Methan, beispielsweise zwischen 90% und 99 % Methan enthalten. Das Methan wird im Plasma in Wasserstoff und elementaren Kohlenstoff gespalten, insbesondere findet die chemische Reaktion n CH4 -> n C (s) + 2n H2 statt, wobei n C (s) verschiedene feste Kohlenstoffstrukturen enthalten kann, z.B. eine oder mehrere Kohlenstoffstrukturen Ck mit k kleiner oder gleich n. Kohlenstoffstrukturen können beispielsweise elementare Kohlenstoffpartikel, Kohlenstoffnanoröhren, Fullerene, Kohlenstoffnanokegel oder andere Kohlenstoffstrukturen sein. Die elementaren Kohlenstoffpartikel können beispielsweise eine Größe zwischen 50 µm und 180 µm haben. Es können sich auch Kohlenstoffschichten ausbilden. Dies ermöglicht ein effizientes Erzeugen von molekularem Wasserstoff und elementarem Kohlenstoff aus Methan.The starting material can contain methane, for example. For example, the starting material can contain over 75% methane, preferably over 90% methane, for example between 90% and 99% methane. The methane is split in the plasma into hydrogen and elemental carbon, in particular the chemical reaction n CH 4 -> n C (s) + 2n H 2 takes place, where n C (s) can contain various solid carbon structures, e.g. one or more carbon structures C k with k less than or equal to n. Carbon structures can be, for example, elemental carbon particles, carbon nanotubes, fullerenes, carbon nanocones or other carbon structures. The elemental carbon particles can, for example, have a size between 50 µm and 180 µm. Carbon layers can also form. This enables efficient production of molecular hydrogen and elemental carbon from methane.
Weitere Beispiele für kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsstoffe sind Naptha aber auch Flaregas, Deponiegas aber auch reine Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise reines Propan.Other examples of hydrocarbon-containing starting materials are naphtha, flare gas, landfill gas and pure hydrocarbons such as pure propane.
Der Ausgangsstoff kann beispielsweise Erdgas sein. Erdgas kann beispielsweise die folgenden Stoffe enthalten:
- - zwischen 30 % und 99 % Methan, z.B. zwischen 75 % und 99 % Methan, insbesondere zwischen 90 % und 99 % Methan,
- - zwischen 0 % und 15 % Ethan, z.B. zwischen 1 % und 15 % Ethan, insbesondere zwischen 1 % und 3 % Ethan,
- - zwischen 0 % und 10 % Propan, z.B. zwischen 1 % und 10 % Propan, insbesondere zwischen 0,3 % und 0,5 % Propan,
- - zwischen 0 % und 1 % Butane, insbesondere zwischen 0,1 % und 0,2 % Butane,
- - zwischen 0 % und 1 % Ethen,
- - zwischen 0 % und 1 % Pentane, insbesondere zwischen 0,01 % und 0,03 % Pentane
- - zwischen 0 % und 1 % Hexan, insbesondere zwischen 0,001 % und 0,02 % Hexan,
- - zwischen 0 % und 35 % Schwefelwasserstoff,
- - zwischen 0 % und 70 % Stickstoff, z.B. zwischen 0 % und 15 % Stickstoff, insbesondere zwischen 0,5 % und 1 % Stickstoff,
- - zwischen 0 % und 10 % Kohlenstoffdioxid, insbesondere zwischen 0,1 % und 0,3 % Kohlenstoffdioxid.
- - between 30 % and 99 % methane, e.g. between 75 % and 99 % methane, in particular between 90 % and 99 % methane,
- - between 0 % and 15 % ethane, e.g. between 1 % and 15 % ethane, in particular between 1 % and 3 % ethane,
- - between 0 % and 10 % propane, e.g. between 1 % and 10 % propane, in particular between 0.3 % and 0.5 % propane,
- - between 0 % and 1 % butane, in particular between 0.1 % and 0.2 % butane,
- - between 0 % and 1 % ethylene,
- - between 0% and 1% pentanes, in particular between 0.01% and 0.03% pentanes
- - between 0 % and 1 % hexane, in particular between 0.001 % and 0.02 % hexane,
- - between 0 % and 35 % hydrogen sulphide,
- - between 0 % and 70 % nitrogen, e.g. between 0 % and 15 % nitrogen, in particular between 0.5 % and 1 % nitrogen,
- - between 0% and 10% carbon dioxide, in particular between 0.1% and 0.3% carbon dioxide.
Erdgas kann zusätzlich Spuren von Sauerstoff, z.B. zwischen 0,001 % und 0,01 % Sauerstoff enthalten. Erdgas kann auch Edelgase, wie Helium, Argon, Neon, Krypton oder Xenon, beispielsweise mit einem jeweiligen Mengenanteil zwischen 0 % und 15 % enthalten.Natural gas can also contain traces of oxygen, e.g. between 0.001% and 0.01% oxygen. Natural gas can also contain noble gases such as helium, argon, neon, krypton or xenon, for example with a respective proportion between 0% and 15%.
Ein weiterer bevorzugter Ausgangsstoff ist Biogas. Dieses kann insbesondere zur Erzeugung von Syngas genutzt werden. So kann beispielsweise bei einer Biogaszusammensetzung von bei Zuführung von 50% CH4 und 50% CO2 erzeugen im Verhältnis 1:14 H2 und CO.Another preferred starting material is biogas. This can be used in particular to produce syngas. For example, with a biogas composition of 50% CH 4 and 50% CO 2 , a feed of 1:14 H 2 and CO can be produced.
Als feste oder flüssige Ausgangsstoffe kommen weiter insbesondere Abfälle in Frage, aus denen so kostengünstig Wasserstoff und nutzbare Beiprodukte gewonnen werden können und zusätzlich die Last an zu deponierendem Abfall deutlich gesenkt oder sogar ganz eliminiert werden kann. Insbesondere Klärschlamm, Biomasse, wie Speisereste, Mist, Haushaltsabfälle, Medikamentenabfälle, Autoreifen, Kunststoffabfälle, Verpackungsmüll, Industrieabfälle, RESH (brennbare, geschredderte Abfälle aus der Automobilindustrie RESH besteht aus folgenden Materialgruppen, wobei die genaue Zusammensetzung variieren kann: Kunststoffe 62 % (darunter 29 % Elastomere), Autoglas, Sand 16 % , Lackstaub, Rost etc. 11 % Textilien, Leder 6 %, Holzfaser, Pappe 4 %, Metalle 1 %), Abfallprodukte umfassend glasfaserverstärkte Kohlenstoffe wie Glasfaserkabel oder Rotorblätter, beispielsweise von Windenergieanlagen sind in erfindungsgemäßen Plasmalysevorrichtung nutzbar. Auch kommunale oder industrielle Abwasser, Holzgaskondensatwasser, Fettwasser, Zellulosewasser, Brüdenwasser, Zentratwasser, Presswasser, Prozesswasser aus einer Klärschlammbehandlung, Deponiesickerwasser, Waschwasser beispielsweise aus der Rauchgasreinigung, veröltes Wasser, Bergbauabwasser, Abwasser aus der Ölgewinnung (beispielsweise aus Fracking, von Bohrplattformen), Ammoniakwasser, Gülle (beispielsweise Schweine-, Rinder- oder Geflügelgülle), flüssigen Gärreste oder aus diesen gewonnene Prozesswasser kommen als Ausgangsstoff in Frage. Statt Abfallprodukten oder Abfällen können auch nachwachsende Rohstoffe, beispielweise Biomasse aus zum Beispiel Pflanzen oder Pflanzenteile als Ausgangstoffe genutzt werden oder wasserstoffenthaltende Flüssigkeiten wie zum Beispiel Cyclohexan, Heptan, Toluol, Benzin, JP-8 oder Diesel.Other possible solid or liquid starting materials include waste, from which hydrogen and usable by-products can be obtained cost-effectively and, in addition, the load of waste to be landfilled can be significantly reduced or even eliminated entirely. In particular, sewage sludge, biomass such as food scraps, manure, household waste, pharmaceutical waste, car tires, plastic waste, packaging waste, industrial waste, RESH (combustible, shredded waste from the automotive industry RESH consists of the following material groups, although the exact composition can vary: plastics 62% (including 29% elastomers), car glass, sand 16%, paint dust, rust etc. 11% textiles, leather 6%, wood fiber, cardboard 4%, metals 1%), waste products comprising glass fiber reinforced carbons such as glass fiber cables or rotor blades, for example from wind turbines, can be used in the plasmalysis device according to the invention. Municipal or industrial wastewater, wood gas condensate water, grease water, cellulose water, vapour water, centrate water, press water, process water from sewage sludge treatment, landfill leachate, wash water, for example from flue gas cleaning, oily water, mining wastewater, wastewater from oil production (for example from fracking, from drilling platforms), ammonia water, liquid manure (for example pig, cattle or poultry manure), liquid fermentation residues or process water obtained from these can also be used as starting materials. Instead of waste products or waste, renewable raw materials, for example biomass from plants or parts of plants, can also be used as starting materials, or hydrogen-containing liquids such as cyclohexane, heptane, toluene, petrol, JP-8 or diesel.
Besonders bevorzugt sind Ausgangsstoffe, die als wasserstoffenthaltende Feststoffe und/oder Flüssigkeiten solche umfassen, die Kohlenwasserstoffverbindungen aufweisen. Dann entsteht bei der Plasmalyse fester Kohlenstoff, (C(s)), wobei C (s) verschiedene feste Kohlenstoffstrukturen enthalten kann, z.B. eine oder mehrere Kohlenstoffstrukturen. Kohlenstoffstrukturen können beispielsweise elementare Kohlenstoffpartikel, Kohlenstoffnanoröhren, Fullerene, Kohlenstoffnanokegel oder andere Kohlenstoffstrukturen sein. Die elementaren Kohlenstoffpartikel können beispielsweise eine Größe zwischen 50 µm und 180 µm haben. Es können sich auch Kohlenstoffschichten ausbilden. Dies ermöglicht ein effizientes Erzeugen von molekularem Wasserstoff und elementarem Kohlenstoff aus den Ausgangsstoffen. Insbesondere wird dadurch eine kosten- und energieeffiziente Möglichkeit geschaffen, aus Abfallprodukten hochwertigen Wasserstoff und elementaren Kohlenstoff zu erzeugen.Particularly preferred starting materials are those which, as hydrogen-containing solids and/or liquids, comprise those which contain hydrocarbon compounds. Solid carbon (C(s)) is then formed during plasmalysis, where C(s) can contain various solid carbon structures, e.g. one or more carbon structures. Carbon structures can be, for example, elementary carbon particles, carbon nanotubes, fullerenes, carbon nanocones or other carbon structures. The elementary carbon particles can, for example, have a size between 50 µm and 180 µm. Carbon layers can also form. This enables efficient production of molecular hydrogen and elemental carbon from the starting materials. In particular, this creates a cost- and energy-efficient way of producing high-quality hydrogen and elemental carbon from waste products.
Bei der Nutzung von Ausgangsstoff mit Kohlenwasserstoffen ist insbesondere die Erzeugung niederkettigerer Kohlenwasserstoffe beispielsweise als gasförmige weitere Beiprodukte möglich.When using starting materials containing hydrocarbons, it is particularly possible to produce lower-chain hydrocarbons, for example as additional gaseous by-products.
Die Plasmalysevorrichtung umfasst bevorzugt eine mit Zündelektrode verbundene separate Hochspannungsquelle. Die Hochspannungsquelle kann sowohl eine Hochfrequenzals auch eine Niederfrequenzspannungsquelle sein. Die Hochspannungsquelle ist bevorzugt ein Generator, der über ein Anpassnetzwerk mit der Zündelektrode verbunden ist. Dies ermöglicht lange Lichtbögen und stabilisiert den Gleichstromplasmabogen beim Start der Plasmalysevorrichtung bis die Außenelektrode und die sie umgebende Atmosphäre heiß sind (z.B. 3 s). Als Niederfrequenzquelle wird ein Trafo zusammen mit dem Generator verwendet. Zu Einstellung einer geeigneten Bogenlänge wird bevorzugt ein Trafo mit mindestens 6kV verwendet.The plasma lysis device preferably comprises a separate high-voltage source connected to the ignition electrode. The high-voltage source can be either a high-frequency or a low-frequency voltage source. The high-voltage source is preferably a generator that is connected to the ignition electrode via a matching network. This enables long arcs and stabilizes the direct current plasma arc when the plasma lysis device is started until the outer electrode and the atmosphere surrounding it are hot (e.g. 3 s). A transformer is used as a low-frequency source together with the generator. A transformer with at least 6 kV is preferably used to set a suitable arc length.
Bevorzugt ist die Zündelektrode über eine Kontaktierungsvorrichtung, beispielsweise einen Draht oder Graphitstab, mit der Hochspannungsquelle verbunden.Preferably, the ignition electrode is connected to the high-voltage source via a contacting device, for example a wire or graphite rod.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Plasmalysevorrichtung eine Plasmagaszuleitung für Plasmagas verbunden mit der Gasführungsvorrichtung.In a further embodiment, the plasma lysis device comprises a plasma gas supply line for plasma gas connected to the gas guide device.
Bevorzugt umfasst die Plasmalysevorrichtung weiter eine Magnetspule, die außen um den Reaktionsraum angeordnet und ausgebildet ist ein Magnetfeld zu erzeugen, in dem zumindest ein von der Zündelektrode abgewandtes Ende der Außenelektrode angeordnet ist. Über ein derartiges Magnetfeld kann die Ausbreitung des Plasma beeinflusst werden und insbesondere ein Überschlag des Plasmas an eine Wand des Reaktionsraumes verhindert werden.Preferably, the plasma lysis device further comprises a magnetic coil which is arranged outside the reaction chamber and is designed to generate a magnetic field in which at least one end of the outer electrode facing away from the ignition electrode is arranged. The spread of the plasma can be influenced via such a magnetic field and in particular a flashover of the plasma onto a wall of the reaction chamber can be prevented.
Eine Ausgangsstoffzuführung ist im Reaktionsraum bevorzugt unterhalb der Plasmaelektrodenanordnung angeordnet. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Behandlung des Ausgangsstoffs. Des Weiteren ermöglicht die Ausgangsstoffzuführung unterhalb der Plasmaelektrode bei gasförmigen Ausgangsstoffen spezielle Gasführungen eine Verweilzeit des gasförmigen Ausgangsstoffs, eine gleichzeitige Kühlung der Reaktorinnenwand und auch eine bevorzugte Strömungsgeschwindigkeit von mehr 18 m/s an der Gasausleitung sicherzustellen. Dies beugt einer Versottung der Kammer und nachgelagerter Systeme wie Rohre und Wärmetauscher bis zu einem möglichen Kohlenstoffabscheider vor.A feedstock feed is preferably arranged in the reaction chamber below the plasma electrode arrangement. This enables uniform treatment of the feedstock. Furthermore, in the case of gaseous feedstocks, the feedstock feed below the plasma electrode enables special gas guides to ensure a residence time of the gaseous feedstock, simultaneous cooling of the reactor inner wall and also a preferred flow velocity of more than 18 m/s at the gas outlet. This prevents sooting of the chamber and downstream systems such as pipes and heat exchangers up to a possible carbon separator.
Bevorzugt ist der Reaktionsraum in einen Plasmaerzeugungsbereich und einen Spaltungsbereich aufgeteilt, wobei beide Bereiche durch eine Verengung voneinander getrennt sind. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Ausgangsstoffzuführung im Spaltungsbereich angeordnet ist. Die Trennung in beide Bereiche bedeutet nicht, dass eine Spaltung zwangsläufig ausschließlich im Spaltungsbereich stattfindet, viel mehr kann sie auch teilweise im Plasmaerzeugungsbereich auftreten.Preferably, the reaction space is divided into a plasma generation area and a fission area, with both areas being separated from one another by a constriction. It is particularly advantageous if the feed of starting material is arranged in the fission area. The separation into the two areas does not mean that fission necessarily takes place exclusively in the fission area; rather, it can also occur partially in the plasma generation area.
Die Plasmalysevorrichtung weist bevorzugt mindestens eine Gasableitung für ein erzeugtes Produktgas, insbesondere für molekularen Wasserstoff sowie gasförmige Beiprodukte auf sowie eine Ableitung für wenigstens ein festes Beiprodukt aus dem Reaktionsraum. Feste Beiprodukte, wie beispielsweise fester Kohlenstoff können beispielsweise in Pulverform vorliegen. Das Abführen der festen Beiprodukte aus dem Reaktionsraum verbessert die Prozesseffizienz verbessern, da diese den Spaltungsprozess nicht mehr stören können und sorgt für einen kontinuierlichen Prozess. Feste Beiprodukte können beispielsweise für den Fall, dass der Ausgangstoff Methan ist, pulverförmiger Kohlenstoff in unterschiedlichen Modifikationen sein. Bevorzugt kann ein Kohlenstoffabscheider mit der Gasableitung verbunden sein, beispielsweise ein Zyklon oder Filtersäcke. Mit diesem kann im Gasstrom vorhandenen Kohlenstoff vom Produktgas getrennt werden, um eine Verstopfung von nachfolgenden Membranen oder Adsorbern zu verhindern.The plasma lysis device preferably has at least one gas outlet for a generated product gas, in particular for molecular hydrogen and gaseous by-products, as well as an outlet for at least one solid by-product from the reaction chamber. Solid by-products, such as solid carbon, can be in powder form, for example. Removing the solid by-products from the reaction chamber improves process efficiency, as they can no longer disrupt the splitting process and ensures a continuous process. Solid by-products can be powdered carbon in various modifications, for example if the starting material is methane. A carbon separator, for example a cyclone or filter bags, can preferably be connected to the gas outlet. This can be used to separate carbon present in the gas stream from the product gas in order to prevent clogging of subsequent membranes or adsorbers.
Die Plasmalysevorrichtung kann eine oder mehrere Membranen und/oder einen oder mehrere Adsorber aufweisen, um gasförmiges Beiprodukt aus einem Gasstrom der Gasableitung für den molekularen Wasserstoff herauszufiltern. Diese können beispielsweise innerhalb der Gasableitung für den molekularen Wasserstoff oder an einem Ende der Gasableitung für den molekularen Wasserstoff angeordnet sein. Es können zum Beispiel Polymermembranen zur Trennung von molekularem Wasserstoff und gasförmigen Beiprodukt, eingesetzt werden. Als Adsorber können beispielsweise keramische Werkstoffe mit großer Oberfläche und hoher Adsorptionskapazität für ein entsprechendes gasförmiges Beiprodukt verwendet werden, insbesondere sogenannte Molekularsiebe. Neben Zeolithen, also kristallinen Alumosilikaten können dies auch Kohlenstoffmolekularsiebe sein. Es können zum Beispiel Kieselgel (Silica-Gel) oder aktiviertes Aluminiumoxid als Adsorber eingesetzt werden. Als Adsorber kann auch beispielsweise Zeolite Socony Mobil-5 (ZSM-5), ein synthetischer high-silica Alumosilicat-Zeolith eingesetzt werden. Dies ermöglicht es gasförmiges Beiprodukt vom molekularen Wasserstoff abzutrennen. Des Weiteren kann das gasförmige Beiprodukt wieder über die Zuleitung in den Reaktionsraum zugeführt werden. Dies kann die Ausbeute an molekularen Wasserstoff erhöhen.The plasma lysis device can have one or more membranes and/or one or more adsorbers to filter out gaseous by-products from a gas stream of the gas outlet for the molecular hydrogen. These can be arranged, for example, within the gas outlet for the molecular hydrogen or at one end of the gas outlet for the molecular hydrogen. For example, polymer membranes can be used to separate molecular hydrogen and gaseous by-products. Ceramic materials with a large surface area and high adsorption capacity for a corresponding gaseous by-product, in particular so-called molecular sieves, can be used as adsorbers. In addition to zeolites, i.e. crystalline aluminosilicates, these can also be carbon molecular sieves. For example, silica gel or activated aluminum oxide can be used as adsorbers. Zeolite Socony Mobil-5 (ZSM-5), a synthetic high-silica aluminosilicate zeolite, can also be used as adsorbers. This makes it possible to separate gaseous by-products from molecular hydrogen. Furthermore, the gaseous byproduct can be fed back into the reaction chamber via the feed line. This can increase the yield of molecular hydrogen.
Ferner kann die Membran oder der selektive Adsorber auch selektiv in die Gasableitung für den molekularen Wasserstoff eingeführt werden, um eine Zusammensetzung des die Gasableitung für den molekularen Wasserstoff durchströmenden Gasstroms einzustellen. Beispielsweise kann entsprechend den Anforderungen an einen Methan-Wasserstoff-Treibstoff gezielt im Gasstrom verbleibendes Methan in einem vorbestimmten Verhältnis mit dem molekularen Wasserstoff gemischt werden. Dies kann es ermöglichen einen synthetischen Treibstoff, insbesondere ein synthetisches Gas bereitzustellen.Furthermore, the membrane or the selective adsorber can also be selectively introduced into the gas outlet for the molecular hydrogen in order to adjust a composition of the gas stream flowing through the gas outlet for the molecular hydrogen. For example, in accordance with the requirements of a methane-hydrogen fuel, methane remaining in the gas stream can be specifically mixed with the molecular hydrogen in a predetermined ratio. This can make it possible to provide a synthetic fuel, in particular a synthetic gas.
Insbesondere feste Beiprodukte mit geringen Partikelgrößen, wie beispielsweise elementarer Kohlenstoff, können auch zunächst über die Gasableitung abgeführt werden und anschließend abgetrennt werden.In particular, solid by-products with small particle sizes, such as elemental carbon, can also be initially discharged via the gas discharge line and then separated.
Neben derartigen pulverförmigen festen Beiprodukten können auch feste oder fest-flüssige Schlacken oder Reste entstehen, für die neben der Ableitung auch eine zusätzliche Restableitung vorgesehen sein kann. Die Schlacken oder Reste können aber als Beiprodukte auch über die eine gemeinsame Ableitung mit weiteren Beiprodukten geführt werden und dann erst in einer weiteren Vorrichtung aufgetrennt werden.In addition to such powdery solid by-products, solid or solid-liquid slags or residues can also be produced, for which an additional residual discharge can be provided in addition to the discharge. The slags or residues can also be led as by-products via a common discharge with other by-products. and then separated in another device.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung und des Verfahrens anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
1 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Plasmaelektrodenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung in einer Schnittdarstellung; -
2 Eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels einer Plasmaelektrodenanordnung gemäß1 in einer perspektivischen Ansicht; -
3 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Plasmalysevorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
-
1 A schematic representation of an embodiment of a plasma electrode arrangement according to the first aspect of the invention in a sectional view; -
2 A schematic representation of the embodiment of a plasma electrode arrangement according to1 in a perspective view; -
3 A schematic representation of an embodiment of a plasmalysis device according to the second aspect of the invention.
In der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen beziehen sich ähnliche Bezugszeichen in der Regel auf ähnliche Elemente.In the following description of embodiments, similar reference numerals generally refer to similar elements.
Die Zündelektrode 100 ist ringförmig aufgebaut und von der Außenelektrode 200 elektrisch isoliert und beabstandet angeordnet. Die Zündelektrode 100 ist des Weiteren mit einer Hochspannungsquelle verbindbar, hier über eine Kontaktierungsvorrichtung 120. In der gezeigten Ausführungsform ist die Zündelektrode 100 an einer zur Außenelektrode 200 weisenden Seite abgeflacht ausgebildet und ihre Dicke nimmt von einer von der Außenelektrode 200 abgewandten Seite zu einer zur Außenelektrode weisenden Seite ab. Die Zündelektrode 100 ist hier mithin im Wesentlichen als hohler Kegelstumpf ausgebildet, an den sich ein Befestigungsbereich 110 anschließt. Über den Befestigungsbereich 110 ist die Zündelektrode über isolierende Distanzhalter 210 mit der Außenelektrode 200 mechanisch verbunden. Zündelektrode 100, Außenelektrode 200 und Innenelektrode 300 sind hier bevorzugt aus Graphit gefertigt.The
Oberhalb der Zündelektrode 100 sind über weitere isolierende Distanzhalter zwei Gasführungsringe 410 einer Gasführungsvorrichtung 400 angeordnet. Die Gasführungsringe 410 und mit ihnen die Gasführungsvorrichtung 400 weisen in der gezeigten Ausführungsform Kanäle zur Führung von Gas auf. Auf diese wird in
Die Plasmaelektrodenanordnung 1000 umfasst weiter einen Bajonettanschluss 500 zum Anschluss an einen Bajonettsockel in einer Öffnung eines Reaktionsraumes. Der Bajonettanschluss 500 weist dabei Bajonettstifte 510 zum Eingriff in entsprechende Öffnungen des Bajonettsockels auf. Die Außenelektrode 200 und die Zündelektrode 100 sind mechanisch mit dem Bajonettanschluss 500 verbunden. In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich die Außenelektrode innerhalb des Bajonettanschlusses und von diesem ausgehend weiter in den hier nur angedeuteten Reaktionsraum. The
Die Plasmaelektrodenanordnung 1000 umfasst hier eine Zündelektrode 100, eine Außenelektrode 200 sowie eine Innenelektrode 300. Des Weiteren umfasst sie eine Gasführungsvorrichtung 400. Ein Plasmagas kann über die Plasmagaszuleitung 2800 zugeführt werden, welche mit der Gasführungsvorrichtung verbunden ist.The
Eine Ausgangsstoffzuführung 2100 ist hier im Spaltungsbereich 2020, also unterhalb der Plasmaelektrodenanordnung 1000 angeordnet.A starting
Die Plasmalysevorrichtung 2000 weist weiter eine mit der Außenelektrode 200 verbundene Wechselstromquelle 2400 auf. Die Zündelektrode 100 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer separaten Hochspannungsquelle 2300 verbunden. Die Hochspannungsquelle 2300 kann sowohl eine Hochfrequenz- als auch eine Niederfrequenzspannungsquelle sein.The
Die Plasmalysevorrichtung 2000 umfasst weiter eine Magnetspule 2600, die außen um den Reaktionsraum 2005 angeordnet und ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, in dem zumindest ein von der Zündelektrode 100 abgewandtes Ende der Außenelektrode 200 angeordnet ist.The
Die Plasmalysevorrichtung 2000 weist hier auch eine Gasableitung 2200 für ein erzeugtes Produktgas, insbesondere für molekularen Wasserstoff sowie gasförmige Beiprodukte auf sowie eine Ableitung 2700 für wenigstens ein festes Beiprodukt aus dem Reaktionsraum.The
Die Plasmaelektrodenanordnung 1000 weist ein Elektrodenwechselsystem 2500 umfassend eine Mehrzahl von Innenelektroden 300 in einer Trommelanordnung eines Revolversystems auf. Dabei ist das Elektrodenwechselsystem 2500 ausgebildet, genau eine Innenelektrode in einen Innenraum der Außenelektrode 200 abzusenken und nach einer vorbestimmten Zeit oder auf ein Steuersignal hin, die abgesenkte Innenelektrode 300 hochzuziehen, die Trommel um mindestens eine Position weiterzudrehen und eine weitere Innenelektrode in den Innenraum abzusenken.The
BezugszeichenReference symbols
- 100100
- ZündelektrodeIgnition electrode
- 110110
- BefestigungsbereichMounting area
- 120120
- KontaktierungsvorrichtungContacting device
- 200200
- AußenelektrodeOuter electrode
- 210210
- DistanzhalterSpacers
- 300300
- InnenelektrodeInner electrode
- 400400
- GasführungsvorrichtungGas guide device
- 410410
- GasführungsringeGas guide rings
- 420420
- Kanälechannels
- 450450
- GehäuseHousing
- 500500
- BajonettanschlussBayonet connection
- 510510
- BajonettstifteBayonet pins
- 10001000
- PlasmaelektrodenanordnungPlasma electrode arrangement
- 20002000
- PlasmalysevorrichtungPlasma lysis device
- 20052005
- ReaktionsraumReaction chamber
- 20102010
- PlasmaerzeugungsbereichPlasma generation area
- 20152015
- VerengungConstriction
- 20202020
- SpaltungsbereichCleavage area
- 21002100
- AusgangsstoffzuführungRaw material supply
- 22002200
- GasableitungGas discharge
- 23002300
- HochspannungsquelleHigh voltage source
- 24002400
- WechselstromquelleAC source
- 25002500
- ElektrodenwechselsystemElectrode exchange system
- 26002600
- MagnetspuleMagnetic coil
- 27002700
- AbleitungDerivation
- 28002800
- PlasmagaszuleitungPlasma gas supply
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- WO 9320152 [0002]WO 9320152 [0002]
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