DE19635231A1 - Vorrichtung zur plasmachemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von Schadstoffen - Google Patents

Vorrichtung zur plasmachemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von Schadstoffen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur plasma­ chemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von Schadstoffen, insbesondere zur Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren oder anderen mit fossilem Treibstoff betriebenen Maschinen, wobei die Schadstoffe als Abgasstrom eine mit dielektrisch behin­ derten ("stillen") Entladungen beaufschlagte Strecke in einem Reaktorvolumen durchlaufen, das eine planparallele Elektro­ denanordnung aus wenigstens einer ersten dielektrisch be­ schichteten Elektrode und einer zweiten metallischen Elek­ trode enthält, zwischen denen bei vorgegebenem Abstand ("Schlagweite") eine Hochspannung vorgebbarer Frequenz zur Aktivierung von Entladungen anlegbar ist.

Wegen der überwiegend im Sommer in bodennahen Luft schichten auftretenden Ozonbildung aus Stickoxiden besteht dringender Bedarf an Maßnahmen, die die Stickoxide aus den Abgasen von Verbrennungsmotoren wirkungsvoll beseitigen. Für den mit der Luftzahl Λ=1 laufenden Ottomotor entfernt der 3-Wege-Kataly­ sator neben den Stickoxiden auch unverbrannte Kohlenwasser­ stoffe und Kohlenmonoxid. Für den Dieselmotor und den Mager­ motor, d. h. einen mit Luftzahlen Λ < 1 arbeitenden Ottomotor, kann dieser Katalysator wegen des hohen Sauerstoffgehaltes im Abgas nicht eingesetzt werden, und bis jetzt gibt es noch keine für solche Abgase einsetzbaren Katalysatortyp mit hin­ reichender Schadstoff-Abbaurate und Lebensdauer.

Mit den vorveröffentlichten DE-A-42 31 581 und WO-A-44/6676 sind bereits Plasmaverfahren zur Reinigung solcher Abgase mit hohem Sauerstoffgehalt vorgeschlagen worden. Zum Teil wurde in den nichtvorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen DE-AO-195 25 749.9 und DE-AO-195 25 779.0 auch die Kombina­ tion von Gasentladung und katalytisch wirksamen Wandmateria­ lien vorbeschrieben, um gute Energieeffizienz der Schadstoff­ zersetzung zu erreichen. Diese Kombination könnte auch des­ halb sinnvoll sein, weil nach neueren Erkenntnissen zu ver­ muten ist, daß Stickoxide in stillen Entladungen oder anderen geeigneten Plasmaverfahren überwiegend zu HNO₂ und HNO₃ oxi­ dieren statt in die gewünschten Produkte N₂ und O₂ reduziert zu werden.

Gute Möglichkeiten für die Kombination von Stiller Entladung und katalytischen oder reduzierenden Feststoffen bieten hier die in der DE-AO-195 25 749.9 vorgeschlagenen koaxialen Reak­ torgeometrien mit feldstärkeüberhöhenden Strukturen: Zwischen die feldstärkeerhöhenden Elektrodenscheiben lassen sich z. B. ringförmige Bauteile aus katalytischen oder reduzierenden Materialien bringen, die elektrisch isolierend oder auch leitfähig sein können. Nachteilig an dieser Konstruktion ist aber, daß bei Untersuchungen unterschiedlicher Materialien der Aufwand für deren Bereitstellung in Ringform und für den Wechsel der einzelnen Ringe sehr hoch ist. Außerdem sind Mehrfachanordnungen in einem Reaktorgehäuse nicht einfach zu realisieren. Mehrfachanordnungen können aber dann von Inte­ resse sein, wenn bei gegebenem Volumenstrom die Verweilzeit des Abgases im Reaktor erhöht oder die mittlere Leistungs­ dichte dielektrisch behinderter Entladungen im Abgas bei konstanter mittlerer Gesamtleistung gesenkt werden sollen. In den bisher von uns durchgeführten Experimenten hat sich ge­ zeigt, daß niedrige mittlere Leistungsdichten vorteilhaft für eine energieeffiziente Stickoxid-Reduktion sind.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, die Vorrich­ tungen des Standes der Technik zu verbessern.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei der Erfindung sind die oben genannten Nachteile dadurch weitgehend vermieden, daß statt einer koaxialen Geometrie eine planare Anordnung eingesetzt wird, die aus in Rahmen gehaltenen feldstärkeerhöhenden Strukturen als Elektroden und von mit isolierenden Dielektrika bedeckten Gegenelektroden besteht. Dabei sind die feldstärkeerhöhenden Strukturen senkrecht zur Flußrichtung des Abgases ausgerichtet, um eine sich wiederholende Unterteilung des Reaktorvolumens in Ent­ ladungs- und entladungsfreie Zonen zu erreichen.

Wesentlich ist weiterhin, daß die anregende sinus- oder pulsförmige Wechselspannung mit Frequenzen im Bereich von typischerweise einigen hundert Herz bis zu einigen hundert kHz eine Amplitude hat, die ausreicht, um den Entladungsspalt bis zum Dielektrikum mit Entladungsfilamenten auszufüllen. Begrenzend auf die Entladung wirken nämlich Oberflächen­ ladungen, die durch den Filamentstrom lokal auf dem Dielek­ trikum gesammelt werden, nicht Raumladungen, die die Ent­ wicklung der Filamente schon vor Erreichen des Dielektrikums beenden würden. Die Abstände der z. B. durch dünne Drähte oder Elektrodenstäbe realisierten feldstärkeerhöhenden Strukturen sind daher so zu wählen, daß die räumlichen Feldverteilungen benachbarter Drähte oder Stäbe sich möglichst wenig beein­ flussen. Für den Abstand der Strukturen in Flußrichtung des Abgas es wird vorzugsweise

dz < 2·(dG+dDr)

gewählt mit der Schlagweite dG zum Dielektrikum, der Dicke dD des Dielektrikums und der relativen Permittivität εr. Nur in diesem Fall erhält man eine aus Gründen der chemischen Kine­ tik wünschenswerte Unterteilung in Entladungs- und ent­ ladungsfreie Zonen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs­ beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patent­ ansprüchen. Es zeigen

Die Fig. 1 bis 3 konstruktiv unterschiedlich ausgebildete Anordnungen von Elementen zur Behandlung von Abgasen und

Fig. 4 einen Ausschnitt aus einer vorteilhaft ausgebildeten Reaktorwand bei der Anordnung gemäß Fig. 3.

In den Figuren sind identische Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen im allgemeinen Elektrodengeome­ trien für die Unterteilung des Volumens planarer Reaktoren in Entladungs- und entladungsfreie Zonen. Dabei ist jeweils mit 1 eine erste Elektrode und jeweils mit 2 eine zweite Elek­ trode bezeichnet, wobei wenigstens eine der Elektroden mit einer dielektrischen Schicht 3 versehen ist.

Speziell in Fig. 1 ist eine planare Reaktorgeometrie aus einer Mehrfachanordnung mit dielektrisch behinderter Plat­ tenelektrode dargestellt. Im einzelnen bedeuten GF der Gas­ fluß und DIE die dieelektrische Barriere, welche gegebenen­ falls katalytisch wirksam sein kann.

Im Beispiel gemäß der Fig. 1 wird die metallische Elektrode durch die in einem Rahmen 10 parallel gespannten Drähte 11, 12, . . . realisiert. Diese Drähte bewirken gleichermaßen Feldstärkeerhöhungen, so daß Entladungs- und entladungsfreie Zonen gebildet werden.

Besonderheit dieser Anordnung ist, daß nur die plattenförmige Elektrode 2 mit einem evtl. katalytisch wirkenden Dielek­ trikum bedeckt ist. Mehr Flexibilität erhält man, wenn der nicht zwingend elektrisch isolierende Rahmen gemäß Fig. 2 beidseitig mit feldstärkeerhöhenden Strukturen versehen ist:
Jetzt können auch in den Rahmen katalytisch wirksame Mate­ rialien - z. B. in Form von Filzplatten - gebracht werden. Im Prinzip können diese Materialien sogar elektrisch leitfähig sein. Damit ergibt sich ein Vorteil, den insbesondere die beim Stand der Technik verwendeten sog. Packed-Bed-Reaktoren nicht haben.

Aus Fig. 2 ergibt sich eine Elektrodengeometrie mit Zwi­ schenraum für die Aufnahme katalytisch wirksamer Materialien KM. Dabei ist wiederum eine Mehrfachanordnung mit einer di­ elektrisch behinderten Plattenelektrode 2, 3 möglich, wobei GF wiederum den Gasfluß und DIE die elektrische Barriere bedeuten, die eventuell wiederum katalytisch wirksam sein kann.

Bei elektrisch leitfähigen Katalysatormaterialien oder sol­ chen mit hohem εr geht jedoch der Vorteil der Feldstärkeer­ höhung verloren und eine sichere Unterteilung in Entladungs- und entladungsfreie Zonen ist nicht mehr gewährleistet. Dieses kann durch eine schneidenförmige Elektrodenstruktur vermieden werden. Gute lokale Feldstärkeerhöhung erhält man, wenn der Abstand der Schneide zu Rahmen und katalytischem Material größer als der elektrostatisch wirksame Abstand der Schneide zur plattenförmigen Gegenelektrode ist, also dR < dG + dDr gilt. Die Feldstärkeerhöhung in unmittelbarer Nähe der Schneide kann noch erhöht werden, indem die Schneide gezähnt wird. Dadurch wird die Anordnung weniger empfindlich auf Abweichungen der Schlagweite zwischen den einzelnen Entladungsbereichen sowie auf Fehler in der Parallelität der Elektroden. Die Schneidenelektrode muß seitlich abgeschrägt werden, damit die Entladungsfilamente nicht bevorzugt an den Reaktorwänden brennen.

Die Fig. 3 zeigt eine Abwandlung zu Fig. 2, bei der wieder­ um ein Zwischenraum für die Aufnahme katalytisch wirksamer Materialien KM beliebiger relativer Permittivität und Leit­ fähigkeit gegeben ist. Wiederum ist als mögliche Reaktor­ geometrie eine Mehrfachanordnung mit dielektrisch behinderter Plattenelektrode 2, 3 gezeigt, bei der die dazwischen liegen­ de Struktur 30 senkrecht zum Gasfluß stehende Schneiden 31, 32, . . . aufweist. Die Schneiden 31, 32, . . . können gezähnt sein. Eine derartige Zahnstruktur 311 an einer Schneide be­ wirkt insbesondere eine verstärkte Feldüberhöhung und fördert die dielektrisch behinderte Entladung.

Um Oberflächenentladungen an den Wänden - vor allem bei Verunreinigung durch Ruß, Wasser und andere Substanzen, die die Isolationsfähigkeit des Wandmaterials herabsetzen - zu vermeiden, kann als zusätzliche Maßnahme der Weg zwischen Schneidenelektroden und gegenüberliegendem Dielektrikum entlang der Reaktorwand durch Einfügen von Strukturen wie Stegen und Nuten verlängert werden.

Die Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 3 im Bereich der Reaktorwand, die dort nur angedeutet ist. Hierbei ist die Reaktorwand 40, die Ausfräsungen zur Halterung von Elektrode oder Elektrodenrahmen, Gegenelektroden und plattenförmigen, nicht fest mit den Gegenelektroden verbundenen Dielektrika enthalten kann, mit Nuten 41 versehen. Eine solche Struktu­ rierung der Reaktorwand dient der Vermeidung parasitärer Entladungen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur plasmachemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von Schadstoffen, insbesondere zur Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren oder anderen mit fossilem Treibstoff betriebenen Maschinen, wobei die Schadstoffe als Abgasstrom eine mit dielektrisch behinderten ("stillen") Entladungen beaufschlagte Strecke in einem Reaktorvolumen durchlaufen, das eine planparallele Elektrodenanordnung aus wenigstens einer ersten dielektrisch beschichteten Elektrode und einer zweiten metallischen Elektrode enthält, zwischen denen bei vorgegebenem Abstand ("Schlagweite") eine Hochspannung vor­ gebbarer Frequenz zur Aktivierung von Entladungen anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrisch beschichtete Elektrode (2) planar und die metallische Gegenelektrode (1) mit feldstärkeerhöhende Strukturen (10, 20, 30) versehen ist, wobei die feldstärke­ erhöhenden Strukturen (10, 20, 30) senkrecht zum Abgasstrom (GF) ausgerichtet sind, um eine sich wiederholende Untertei­ lung des Reaktorvolumens (50) in Entladungs- und entladungs­ freie Zonen zu erreichen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für den Abstand (dz) der die feldstärkeerhöhenden Strukturen gilt dz < 2·(dG + dPr)gilt, wobei dG die Schlagweite zum Dielektrikum, dD die Dicke des Elektrikums und εr die Permeabilität (Dielektrizitäts­ konstante) darstellen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Abstand der feldstärkeerhöhenden Strukturen dz < VGas·τRadikal,gilt, wobei VGas die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im Reaktor und τRadikal die Lebensdauer der in der Gasentladung gebildeten, die Abgasreinigung bewirkenden Radikale dar­ stellen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die feld­ stärkeerhöhenden Strukturen durch dünne Drähte (11, 12, . . .) in einem elektrisch leitenden Rahmen (100) gebildet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die feld­ stärkeerhöhenden Strukturen durch Elektrodenstäbe (21, 22, . . .) in einem elektrisch leitenden Rahmen realisiert sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei Reihen von Drähten (11, 12, . . ., 11′, 12′, . . .) zur Realisierung der feldstärkeerhöhenden Strukturen vorhanden sind, wobei die Drähte (11, 12, . . ., 11′, 12′, . . .) zusammen mit dem Rahmen (100) katalytisch wirksame Materialien (150) umschließen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektrodenstäbe (31, 32, . . .) als vorzugsweise gezähnte Schneiden ausgebildet sind, die beidseitig auf einem katalytisch wirksamen Material (150) aufsitzen und zusammen mit dem sie elektrisch verbindenden Rahmen die feldstärkeerhöhenden Strukturen (30) realisieren.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Elektrodenstrukturen haltende, elektrisch isolierende Reaktorinnenwand (40) zur Verhinderung elektrischer Oberflächenentladungen mit Struk­ turen (41, 42, . . .) versehen ist, die den Entladungsweg zwischen dielektrisch beschichteter Elektrode (2) und metallischer Gegenelektrode (1) verlängern.
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