DE112019005401T5

DE112019005401T5 - Vorrichtung zur Plasmareinigung von Motorabgasen von Stickoxiden

Info

Publication number: DE112019005401T5
Application number: DE112019005401.5T
Authority: DE
Inventors: Alexander Zalmanovich Ponizovsky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2021-07-22
Also published as: RU2689020C1; WO2020091624A1

Abstract

Die Vorrichtung ist zur Reinigung von Abgasen von Brennkraftmaschinen von Stickoxiden mithilfe eines nicht im Gleichgewicht befindlichen Niedertemperaturplasmas, welches durch Frequenz-Nanosekunden-Streamerentladung erzeugt wird, und eines Absorptionsmittels bestimmt. Die Erfindung kann zur Reinigung von Abgasen von stationären Dieselanlagen, Kraftfahrzeugen, Seefahrzeugen sowie stationären und fahrbaren Gasturbinenanlagen verwendet werden. Das technische Ergebnis der Erfindung besteht in der Erhöhung des Reinigungsgrades der Abgase von Brennkraftmaschinen von Stickoxiden. Das genannte Ergebnis wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen von Brennkraftmaschinen von Stickoxiden mithilfe eines nicht im Gleichgewicht befindlichen Niedertemperaturplasmas und eines Absorptionsmittels n aufeinander folgende Module umfasst, die an einen einzigen Impulsspannungsgenerator elektrisch angeschlossen sind, wobei jedes der Module von einer Reaktorkammer und einer Kammer mit Absorptionsmittel gebildet wird, wobei sich die Länge jedes nachfolgenden Moduls gegenüber der Länge des vorhergehenden sukzessive und gleichmäßig verkleinert, während der Durchmesser jedes nachfolgenden Moduls um 1-5% kleiner als der Durchmesser des vorhergehenden ist.

Description

Die Vorrichtung ist zur Reinigung von Abgasen von Brennkraftmaschinen (BKM) von Stickoxiden mithilfe eines Niedertemperaturplasmas, welches durch Frequenz-Nanosekunden-Streamerentladung erzeugt wird, und eines Absorptionsmittels bestimmt. Die Erfindung kann zur Reinigung von Abgasen von stationären Dieselanlagen, Kraftfahrzeugen, Seefahrzeugen sowie stationären und fahrbaren Gasturbinenanlagen verwendet werden.
Die Hauptelemente solcher Vorrichtungen sind ein Hochspannungs-Frequenzgenerator, Reaktorkammern und Kammern mit Sorptionsmittel/Katalysator [1]. Das Funktionsprinzip derartiger Vorrichtungen besteht in Folgendem. In einer Reaktorkammer bildet sich unter der Einwirkung von Frequenz-Hochspannungsimpulsen mit einer bestimmten Amplitude und Dauer, die von einem Impulsspannungsgenerator erzeugt werden, nicht im Gleichgewicht befindliches Niedertemperaturplasma. Der Begriff „nicht im Gleichgewicht befindliches Niedertemperaturplasma“ (nonequilibrium low temperature plasma, NELTP), welches durch eine hohe Elektronenenergie (bis 10-15 eV) und eine Temperatur der Ionen, die der Umgebungstemperatur nahekommt, gekennzeichnet ist, wird auf diesem Gebiet der Technik häufig verwendet. In einem NELTP erfolgt die Umwandlung von Stickstoffmonoxid (NO), welches die Hauptkomponente der Stickoxide (NO_x) in den Abgasen von Motoren ist, in Stickstoffdioxid (NO₂) und andere Stickstoffoxide sowie in Salpetersäure (HNO₃) . Danach erfolgt in den Kammern mit Sorptionsmittel/Katalysator die weitere Reinigung der Abgase von Stickoxiden und Salpetersäure.
Es existiert eine ganze Reihe von Patenten, in welchen Anlagen zur Reinigung von Abgasen von Dieselmotoren beschrieben werden, die eine Reaktorkammer und eine Kammer mit Sorptionsmittel/Katalysator aufweisen (s. z. B. [2-7]). Jedoch wird in allen diesen Anlagen die Tatsache ignoriert, dass ein großer Teil der Stickoxide in der Reaktorkammer nicht in Stickoxide, sondern in Salpetersäure (HNO₃) umgewandelt wird [1], was zur Folge hat, dass der NO_x-Katalysator nicht ausreichend effizient arbeitet. Zur Überwindung dieses Nachteils wird in [6], [7] vorgeschlagen, in den Reinigungsweg Dieselkraftstoff einzuspeisen, was zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs führt.
Am nächsten kommt der vorliegenden technischen Lösung die Vorrichtung gemäß dem Patent [8].
Gemäß dem genannten Patent besteht die Vorrichtung aus zwei ein einziges Modul bildenden Kammern, einer Reaktorkammer und einer Kammer mit Sorptionsmittel. Durch beide Kammern verläuft in der Mitte eine Hochspannungselektrode, die über einen Koaxialanschluss an eine Hochspannungsquelle angeschlossen ist. Während des Reinigungsprozesses strömen die Abgase des Dieselmotors durch die Reaktorkammer, wo Kieselsäure erzeugt wird, wonach sie in der Kammer mit Sorptionsmittel durch eine Schicht Sorptionsmittel strömen. Der Nachteil dieser Vorrichtung ist das Fehlen einer Isolation an der innerhalb des Sorptionsmittels angeordneten Hochspannungselektrode, was die Amplitude der von dem Impulsspannungsgenerator erzeugten Impulse begrenzt, da die in der Reaktorkammer gebildete Salpetersäure die Durchschlagsfestigkeit des Sorptionsmittels erheblich verringert. Die Begrenzung der Amplitude der Impulse des Impulsspannungsgenerators verringert die Energieeffizienz des Betriebs der Vorrichtung [9].
Das technische Ergebnis der Erfindung besteht in der Erhöhung des Reinigungsgrades der Abgase einer Brennkraftmaschine von Stickoxiden.
Das technische Ergebnis wird durch die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine von Stickoxiden mithilfe eines nicht im Gleichgewicht befindlichen Niedertemperaturplasmas und eines Absorptionsmittels, als das γ-Al₂O₃ oder V₂O₅ dienen kann, erreicht, welche n aufeinander folgende Module umfasst, die an einen einzigen Impulsgenerator elektrisch angeschlossen sind, wobei jedes der Module von einer Reaktorkammer und einer Kammer mit Absorptionsmittel gebildet wird, wobei sich die Länge jedes nachfolgenden Moduls gegenüber der Länge des vorhergehenden gleichmäßig verkleinert, während der Durchmesser jedes nachfolgenden Moduls um 1-5% kleiner als der Durchmesser des vorhergehenden ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist eine Hochspannungselektrode, die sich durch das Absorptionsmittel erstreckt, eine keramische Isolierung auf, welche dieselbe Durchschlagsfestigkeit wie der Luftspalt in der Reaktorkammer desselben Moduls aufweist.
Die Konstruktion gewährleistet gute energietechnische Kennwerte der Vorrichtung, da die Einleitung der Energie des Impulsspannungsgenerators in das Plasma mit höheren Werten des Wirkungsgrades durchgeführt wird. Außerdem erhöht das Vorhandensein einer keramischen Isolierung auf der Elektrode innerhalb des Absorptionsmittels die Zuverlässigkeit des Betriebs der Vorrichtung, und es erhöht die Energieeffizienz der Vorrichtung.
Die Konstruktion der vorgeschlagenen Vorrichtung ist in 1 dargestellt. In der Vorrichtung strömen die Emissionen (Abgase) durch eine Stutzen (10) und eine aus mehreren Modulen bestehende Kammer (M₁ ---M_n ), wobei jedes Modul von einer Reaktorkammer (8, 6, 4) und einer Kammer mit Absorptionsmittel (7, 5, 3) gebildet wird, wobei sich die Länge jedes nachfolgenden Moduls gegenüber dem vorhergehenden gleichmäßig verkleinert, während der Durchmesser jedes nachfolgenden Moduls um 1-5% kleiner als das vorhergehende ist. Dabei werden alle Module über einen Koaxialanschluss (1) von einem einzigen Impulsspannungsgenerator (14) gespeist. Die Zentrierung der einzigen Hochspannungselektrode erfolgt durch den Koaxialanschluss (1) und einen Stützisolator (15). Die von Stickoxiden gereinigte Luft wird über einen Stutzen (2) ausgelassen.
Die Reaktorkammern werden von einer äußeren rohrförmigen Elektrode mit niedrigem Potential gebildet, zum Beispiel für das Modul M₁ - (11), die über eine Induktivität (12) am Motorgehäuse (13) geerdet ist, und von einer Hochspannungselektrode (8), die von einer Reihe sternförmiger Scheiben gebildet wird, die mit Zwischenräumen von mindestens 5 mm voneinander angeordnet sind. Das Absorptionsmittel in der Kammer mit Absorptionsmittel (7) ist von der sich durch es hindurch erstreckenden Hochspannungselektrode durch eine keramische Isolierung (9) getrennt, welche dieselbe Durchschlagsfestigkeit wie der Luftspalt in der Reaktorkammer aufweist. Auf diese Weise hat die Entstehung von Zentren der Leitfähigkeit, die sich infolge der Anreicherung des Absorptionsmittels mit Säure während des Prozesses der Plasmareinigung der Abgase der Brennkraftmaschine bilden, keinen Einfluss auf die Durchschlagsfestigkeit der aus mehreren Modulen bestehenden Konstruktion. All dies ermöglicht es, sowohl die energietechnischen Kennwerte der Vorrichtung zu verbessern, als auch die Effizienz der Reinigung der Abgase der Brennkraftmaschine von Stickoxiden zu erhöhen.
Eine Bestätigung der tatsächlichen Effizienz der angemeldeten Vorrichtung sind die Ergebnisse von Versuchen zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen von Stickoxiden mit ein bzw. zwei Module umfassenden Vorrichtungen.
Beispiel 1
Reinigung von Brennkraftmaschinen von Stickoxiden durch eine Anlage mit einzelnen Modulen mit einem Durchmesser von 140 mm (M₁ ) (Positionen 7, 8 in 1) und 120 mm (M₂ ) (Positionen 5, 6 in 1) und durch eine Anlage mit diesen zwei Modulen, die in Strömungsrichtung des Gases in Reihe geschaltet sind (Positionen M₁ , M₂ in 1) und an einen einzigen Hochspannungsimpulsgenerator (Position 14 in 1) angeschlossen sind.
In 2 sind Oszillogramme des Stroms (I), der Spannung (U) und der in das Plasma eingeleiteten Leistung (P = U·I) für das Modul M₁ (a) , für das Modul M₂ (b) und für die Module M₁ und M₂ zusammen, die an ein und denselben Impulsspannungsgenerator (14) angeschlossen sind, dargestellt.
Bei allen Versuchen wurde ein und derselbe Impulsspannungsgenerator mit einer Ausgangskapazität von 2,2 nF verwendet. Bei einer Amplitude des Ausgangsimpulses von 40 kV beträgt die in den Kondensatoren gespeicherte Energie 1,6 J. Bei einer gegebenen Impulsfrequenz von 673 Hz betrug die sowohl von den Modulen M₁ und M₂ einzeln als auch von den gleichzeitig geschalteten beiden Modulen aus dem Netz entnommene Leistung 1070 W.
Die während eines Impulses in das Plasma eingeleitete Energie (W) kann aus den Oszillogrammen als W = ∫P·dt bestimmt werden.
Aus den Oszillogrammen folgt, dass für das Modul M₁ W ≈ 0,3 J ist (2(a)), d. h. der Wirkungsgrad der Energieübertragung vom Impulsspannungsgenerator in das Plasma beträgt 18 %.
Für das Modul M₂ (2(b)) ist W ≈ 0,6 J, d. h. der Wirkungsgrad der Einleitung von Energie in das Gas beträgt 38 %.
Bei gemeinsamer Verwendung der Module M₁ und M₂ (2(c)) ist W ≈ 0,9 J, d. h. der Wirkungsgrad der Einleitung von Energie in das Plasma erhöht sich auf 60 %.

Die Daten zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine mit einer Leistung von 5 kW sind in den Tabellen angegeben: Modul M₁ (Tabelle 1), Modul M₂ (Tabelle 2), Modul M₁ + Modul M₂ (Tabelle 3). Die Durchflussmenge der Abgase der Brennkraftmaschine betrug bei allen Versuchen 24 m³/h. Tabelle 1

Betriebszustand		Nach der Brennkraftmaschine	Ausgang des Moduls	Reinigungsgrad, %
Komponente der Abgase der Brennkraftmaschine	Dimension	Konzentration
O₂	Vol.-%	16,7	16,80
NO	ppm	221	89	60
NO₂	ppm	71	38	38
NO_x	ppm	292	127	56
CO	ppm	832	752

Tabelle 2

Betriebszustand		Nach der Brennkraftmaschine	Ausgang des Moduls	Reinigungsgrad, %
Komponente der Abgase der Brennkraftmaschine	Dimension	Konzentration
O₂	Vol.-% %	16,79	16,98
NO	ppm	248	49	80
NO₂	ppm	76	45	40
NO_x	ppm	324	101	77
CO	ppm	861	728

Tabelle 3

Betriebszustand		Nach der Brennkraftmaschine	Ausgang der Module	Reinigungsgrad, %
Komponente der Abgase der Brennkraftmaschine	Dimension	Konzentration
O₂	Vol.-% %	17,03	16,96
NO	ppm	240	8	97
NO₂	ppm	68	16	41
NO_x	ppm	309	24	92
CO	ppm	718	757

Die Versuchsergebnisse zeigen, dass in den Modulen die folgenden hauptsächlichen plasmachemischen und chemischen Reaktionen ablaufen.
In der Reaktorkammer: O₂ + e^- (5,1eV) → 20 + e (1) NO + O → NO₂ + hv (2) H₂O + e^- (3,1eV) → OH + H (3) NO₂ + OH → HNO₃ (4)
Eine Analyse der Abgase nach der Reaktorkammer zeigte das Vorhandensein von 2,5 % Salpetersäure (HNO₃) .
In der Kammer mit Absorptionsmittel: CO + NO₂ → CO₂ + NO (5) Al₂O₃ + 6HNO₃ → 2Al (NO₃) + 3H₂O (6) 3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO (7)
Am Ausgang der Kammer mit Absorptionsmittel wird kein HNO₃ detektiert, es ist jedoch eine Abnahme von Al₂O₃ zu beobachten.
Somit ermöglichen die zwei in Reihe geschalteten Module mit sich verringerndem Durchmesser, die in das Plasma eingeleitete Energie auf 60% zu erhöhen, gegenüber 18% beim Modul M₁ und 38% für das Modul M₂ . Der Reinigungsgrad mithilfe der zwei in Reihe geschalteten Module M₁ und M₂ beträgt 92%, d. h. erhöht sich um 37% gegenüber dem Modul M₁ und um 15% gegenüber dem Modul M₂ . Hierbei war bei allen Versuchen die aus dem Netz entnommene Energie gleich.
Hierbei bewirkt eine Verringerung des Durchmessers aufeinander folgender Module um mehr als 5% gegenüber dem vorhergehenden eine Verringerung der Effizienz der Reinigung der Abgase der Brennkraftmaschine, weshalb sie als nicht zweckmäßig erscheint.
Beispiel 2
In dem Beispiel wird eine Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine von Stickoxiden durch ein Modul mit einer Länge von 1,2 m und zwei Module mit einer Länge von 0,8 m bzw. 0,4 m, die in Strömungsrichtung des Gases in Reihe geschaltet sind, betrachtet.
In 3 sind Oszillogramme des Stroms (I), der Spannung (U) und der in das Plasma eingeleiteten Leistung (P = U·I) für das Modul mit einer Länge von 1,2 m (3a) und die zwei Module mit einer Länge von 0,8 m und 0,4 mm, die in Strömungsrichtung des Gases in Reihe (3b) und spannungsmäßig in Reihe geschaltet sind, dargestellt. Bei beiden Versuchen wurde ein und derselbe Impulsspannungsgenerator mit einer Ausgangskapazität von 1,5 nF verwendet. Die Amplitude der Impulsspannung betrug 45 kV, die Impulsfrequenz 673 Hz. Die in den Kondensatoren gespeicherte Energie betrug 1,5 J, die aus dem Netz entnommene Leistung 1 kW.
Aus den Oszillogrammen folgt, dass für das Modul mit einer Länge von 1,2 m W ≈ 0,7 J ist (2(a)), d. h. der Wirkungsgrad der Energieübertragung vom Impulsspannungsgenerator in das Plasma beträgt 46%.
Bei gemeinsamer Verwendung der zwei Module (3b) ist W ≈ 0,85 J, d. h. der Wirkungsgrad der Energieübertragung vom Impulsspannungsgenerator in das Plasma beträgt 56%.

In Tabelle 4 sind Daten zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine durch ein Modul mit einer Länge von 1,2 m angegeben, in Tabelle 5 durch zwei Module mit Längen von 0,8 bzw. 0,4 m, die in Reihe geschaltet sind. Tabelle 4

Betriebszustand		Nach der Brennkraftmaschine	Ausgang des Moduls	Reinigungsgrad, %
Komponente der Abgase der Brennkraftmaschine	Dimension	Konzentration
O₂	Vol.-%	16,75	16,87
NO	ppm	230	41	82
NO₂	ppm	72	34	52
NO_x	ppm	303	76	74
CO	ppm	798	756
H₂	ppm	150	170

Tabelle 5

Betriebszustand		Nach der Brennkraftmaschine	Ausgang des Moduls	Reinigungsgrad, %
Komponente der Abgase der Brennkraftmaschine	Dimension	Konzentration
O₂	Vol.-%	16,95	16,81
NO	ppm	244	22	91
NO₂	ppm	75	39	53
NO_x	ppm	320	61	81
CO	ppm	623	725
H₂	ppm	48	120

Aus den Tabellen folgt, dass die Verwendung von zwei Modulen den Reinigungsgrad der Abgase einer Brennkraftmaschine um 7% erhöht, und die in das Plasma eingeleitete Energie um 10%, bei gleicher aus der Quelle entnommener Leistung.
Das in 4 dargestellte Zeitdiagramm der Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine von Stickoxiden veranschaulicht das Niveau der Emissionen bei abgeschalteter (1) und in Betrieb befindlicher (2) Zwei-Module-Anlage mit einer Leistung von 5 kW (Impulsfrequenz f = 800 Hz, Impulsamplitude 45 kV, Ausgangskapazität des Impulsspannungsgenerators 1,5 µF).
Literatur

1. Ponizovskiy A.Z. PhD, Kugel T.V., Smirnov A.S., Rindin I.E. Purification of exhausts of diesel engines from nitrogen oxides using plasma systems nanosecond corona discharge. 11^th Int. Sympos. on Non-Thermal/ Thermal Plasma Pollution Control Tech. & Sust. Energy. Montegrotto Terme, Italy, July 1-5, p. 87.
2. US 6,775,972 B2
3. US 2004/0175305 A1
4. US 6,955,041 B2
5. US 2004/0231321 A1
6. US 7,081,231 B1
7. Patent der Russ. Föderation 2403955
8. Patent der Russ. Föderation Nr. 2361095 vom 19.12.2007
9. Ponizovskiy A.Z., Gosteev S.G., Loktev G.V., Maevskiy V.A., Melnikov V.E., Ponizovskiy L.Z., Filippov S.N. Nanosekunden-Impulskorona als Instrument zur Reinigung von Dieselmotoren von Ruß und Stickoxiden (russ.). 31. Allrussisches Seminar „OZON UND ANDERE ÖKOLOGISCH SAUBERE OXIDATIONSMITTEL. WISSENSCHAFT UND TECHNOLOGIEN", Moskva, 2.-3. Juni 2010, S. 90-105.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6775972 B2 [0033]
US 2004/0175305 A1 [0033]
US 6955041 B2 [0033]
US 2004/0231321 A1 [0033]
US 7081231 B1 [0033]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ponizovskiy A.Z., Gosteev S.G., Loktev G.V., Maevskiy V.A., Melnikov V.E., Ponizovskiy L.Z., Filippov S.N. Nanosekunden-Impulskorona als Instrument zur Reinigung von Dieselmotoren von Ruß und Stickoxiden (russ.). 31. Allrussisches Seminar „OZON UND ANDERE ÖKOLOGISCH SAUBERE OXIDATIONSMITTEL. WISSENSCHAFT UND TECHNOLOGIEN“, Moskva, 2.-3. Juni 2010, S. 90-105 [0033]

Claims

Vorrichtung zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine von Stickoxiden mithilfe eines nicht im Gleichgewicht befindlichen Niedertemperaturplasmas und eines Absorptionsmittels, welche n aufeinander folgende Module umfasst, die an einen einzigen Impulsgenerator elektrisch angeschlossen sind, wobei jedes der Module von einer Reaktorkammer und einer Kammer mit Absorptionsmittel gebildet wird, wobei sich die Länge jedes nachfolgenden Moduls gegenüber der Länge des vorhergehenden sukzessive und gleichmäßig verkleinert, während der Durchmesser jedes nachfolgenden Moduls um 1-5% kleiner als der Durchmesser des vorhergehenden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Hochspannungselektrode, die sich durch das Absorptionsmittel erstreckt, eine keramische Isolierung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die keramische Isolierung dieselbe Durchschlagsfestigkeit wie der Luftspalt in der Reaktorkammer desselben Moduls aufweist.