DE19717887C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schadstoffabbau in Verbrennungsabgasen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abbau von Schadstoffen in Abgasen aus Verbrennungsmotoren und Verbrennungsanlagen, bei dem das Abgas einer Plasmabehandlung mit einer nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung arbeitenden Vorrichtung unterzogen wird.

Die Einsatzmöglichkeit von dielektrisch behinderten Entladungen (oft auch als stille Entladungen bezeichnet) zum Abbau giftiger Komponenten aus Abgasen ist seit längerem bekannt. Solche Entladungen werden auch zur Erzeugung von Ozon, UV- und VUV-Strahlung und für Sichtanzeigezwecke eingesetzt.

In dem erfindungsgemäßen Einsatzgebiet wird die Tatsache ausgenutzt, daß mit dielektrisch behinderten Entladungen plasmachemische Prozesse ausgelöst werden können, d. h. chemische Verbindungen erzeugt bzw. vernichtet werden können.

Dielektrisch behinderte Entladungen sind dadurch gekennzeichnet, daß Entladungen in einem Gasvolumen mit Wechselspannungen erzeugt werden, wobei mindestens eine der beiden Elektroden mit einer Isolierstoffschicht bedeckt ist oder zwischen den Elektroden ein Dielektrikum angeordnet ist, so daß sich die Entladung nach der Zündung selbständig begrenzt. Für plasmachemische Anwendungen werden mehrere Entladungen nebeneinander und teilweise gestapelt zu einem Plasmareaktor angeordnet, so daß großflächige und großvolumige Behandlungen möglich sind. Solche Plasmareaktoren können koaxiale oder planare Formen haben.

In der DE-OS 37 08 508 wird eine Vorrichtung zur Verminderung von Schadstoffen in Verbrennungsgasen mit einem im Abgaskanal befindlichen Reaktionsraum beschrieben. Dabei ist der Reaktionsraum aus metallischen, parallelen Platten oder konzentrischen Rohren gebildet, wobei mindestens eine Platte oder ein Rohr mit einer dielektrischen Isolationsschicht überzogen ist.

Es wurde auch vorgeschlagen, beispielsweise in DE-OS 195 25 754 A1 und DE-OS 195 25 749 A1, das Reaktorvolumen in räumlich periodische Strukturen zu unterteilen, so daß in Flußrichtung Entladungszonen und entladungsfreie Zonen entstehen. Die Formgebung weist dabei im Bereich der Entladungszonen Mittel zur Feldüberhöhung auf. In DE-OS 195 25 749 A1 ist dabei ferner vorgesehen, chemisch wirksame Materialien im Bereich der Oberflächen der Strukturen einzubringen.

In der DE-OS 195 34 950 A1 wird ein Reaktor beschrieben, der aus mehreren Modulen mit einer Vielzahl von parallelen und räumlich voneinander getrennten Kanälen in einem dielektrischen Körper mit darin eingebrachten Elektroden besteht.

Eine weitere Version für den Aufbau einer dielektrisch behinderten Entladung ist in der Patentschrift DE 43 02 456 C1 vorgeschlagen worden. Dabei besteht mindestens eine Elektrode aus einem spannungsangeregten Plasma.

Eine andere Möglichkeit zum Betreiben einer dielektrisch behinderten Entladung, beschrieben z. B. in der US- PS 4 954 320, besteht darin, zwischen den metallischen Elektroden eine lose Schüttung von dielektrischen Isolationskörpern, beispielsweise bestehend aus Keramikkugeln, einzubringen. Eine ähnliche Variante wird in der DE-OS 44 16 676 A1 beschrieben, indem der Raum zwischen plattenförmigen Elektroden mit Isolierstoffkörpern ausgefüllt ist, die auf ihrem gesamten Querschnitt von Kanälen durchzogen sind, oder daß der Isolierstoffkörper Poren enthält.

Zur Beeinflussung von plasmachemischen Reaktionsabläufen wurde auch bereits vorgeschlagen, dem zu behandelnden Abgas bestimmte Additive zuzuführen. So wird beispielsweise in der DE 42 31 581 A1 einer Vorrichtung zur Abgasreinigung eine Zuführung für Beimischungen zugeordnet. Bei dem Verfahren nach DE-OS 37 08 508 sind ähnliche Zuführungen für Luft oder Ammoniak in der Abgaszuleitung enthalten.

Dem Stand der Technik nach ist der zu behandelnde Abgasstrom so gerichtet, daß dieser eine Vielzahl von sich zwischen den Elektroden ausbildenden kleinen Entladungen passiert, unabhängig von der Art der oben beschriebenen Formen der Vorrichtungen. So wird der Abgasstrom mit oder ohne Additive entsprechend der räumlichen Ausdehnung des Reaktors durch eine mehr oder minder große Zahl von einzelnen Entladungen hindurchgeführt, bevor er das Reaktorvolumen verläßt. Einerseits wird dadurch erreicht, daß ein möglichst großer Teil des Abgases durch die Entladungen geführt und behandelt wird. Andererseits ist dabei aber auch nicht zu vermeiden, daß schon zuvor behandelte Teile des Abgases erneut einer Entladung ausgesetzt werden. Das führt zu einem erhöhten Energieverbrauch für die Reinigung. Weiterhin können in dem bereits gereinigten Teil des Abgases durch eine erneute Behandlung Produkte entstehen, die die gewünschten Reaktionen zum Schadstoffabbau negativ beeinflussen, so daß die Effektivität des Reinigungsprozesses abgesenkt wird. Ähnlich verhält es sich mit den Additiven, deren Wirksamkeit eingeschränkt ist.

Erfindungsgemäße Aufgabe ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zu schaffen und ein Verfahren anzugeben, wodurch eine Mehrfachbehandlung von Abgas in den einzelnen dielektrisch behinderten Entladungen vermieden wird, so daß der erforderliche Energieeinsatz gesenkt wird und unerwünschte komplexe plasmachemische Reaktionen vermieden werden. Ferner soll die Wirksamkeit bei Zugabe von Additiven verbessert werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung und ein Verfahren so gestaltet sind, daß das Abgas im wesentlichen nur durch eine einzelne Entladung behandelt wird und dann den Behandlungsraum verläßt, ohne noch durch weitere andere Entladungen hindurchströmen zu müssen. Dadurch wird der Wirkungsgrad wesentlich verbessert und unerwünschte Reaktionen in dem schon behandeltem Abgas werden vermieden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Entladungsraum für eine dielektrisch behinderte Entladung derart gestaltet, daß eine Elektrode durchgehende Bohrungen geeigneter Größe aufweist, d. h. als Lochelektrode ausgebildet ist, und diesen Bohrungen gegenüber die andere Elektrode angeordnet ist, so daß eine einzelne Entladung sich zwischen der Öffnung der Bohrung und der gegenüberliegenden Elektrode ausbildet. Dabei ist diese gegenüberliegende Elektrode ihrerseits von einer Durchlaßöffnung oder mehreren zur Durchströmung des zu behandelnden Abgases oder zur Abführung des behandelten Abgases umgeben.

Die Umgebung der durchgehenden Bohrung der einen Elektrode und der obere Teil der Innenseite dieser Bohrung wirken dabei als Elektrodenfläche, da im Elektrodenbereich die einzelne dielektrisch behinderte Entladung aufgeweitet ist, so daß die Funktion der Bohrung mit seiner Umgebung als Elektrode erhalten bleibt.

Für die Verbesserung der Wirksamkeit von Beimischungen ist in einer speziellen Ausführung eine der gegenüberliegenden Elektroden mit einem Kanal, durch den Luft oder andere Additive zugeführt werden können, ausgestattet. Dadurch wird im unmittelbaren Bereich des Austritts des Additivs aus der Elektrode aus diesem ein Plasma erzeugt, welches im Fall von Luft beispielsweise reaktiven Stickstoff enthält. Das Abgas wird seitlich diesem Entladungsbereich zugeleitet und kann mit dem reaktiven Stickstoff aus der Luft zur Reaktion gebracht werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Lochelektrode aus Metall ausgeführt sein und die gegenüberliegende mit einem dielektrischen Isolationsmaterial versehen sein, oder auch umgekehrt, oder es können beide Elektroden mit einer Isolationsschicht versehen sein.

Der Prozeß der Reinigung des Abgases kann auch durch den Einsatz von katalytischen Materialien, sowohl als Metallelektrode als auch als Isolationsschicht, unterstützt sein und vorteilhaft durchgeführt werden.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu reinigende Abgas durch die eine Elektrode umgebende Öffnung oder mehrere Öffnungen geleitet, durchströmt den Entladungsraum in Richtung gegenüberliegender Lochelektrode und verläßt diese dann durch die durchgehende Bohrung. Der Gasstrom kann auch in umgekehrter Weise geführt werden, ohne den erfindungsgemäßen Gebrauch zu verändern. Im Fall von Additiven kann die oben beschriebene Variante gewählt werden. Die Entladung wird in üblicher Weise mit Wechselspannungen geeigneter Frequenz und Amplitude, wobei diese Wechselspannungen sinus- oder rechteckförmig sein können, herbeigeführt.

Zur Optimierung der Behandlung in der Entladung sind die Frequenz der Unterhaltsspannung (gegebenenfalls das Puls-Pausen-Verhältnis) und die Durchströmungsgeschwindigkeit aufeinander abgestimmt. Insbesondere ist im vorliegenden Fall vorgesehen, daß alle Gasteilchen innerhalb einer Zeit zweier aufeinanderfolgender Halbperioden beim Durchströmen der Vorrichtung der Entladung ausgesetzt sind. Strömen beispielsweise Gaspartikel an einer Elektrodenseite in den Volumenbereich ein, in dem eine Entladung zur Behandlung erzeugt wird, so werden diese entsprechend der Pulsdauer der Entladung dort ca. 100 bis 200 ns im Plasma sein und dann als modifizierte Komponenten an der gegenüberliegenden Elektrode den Entladungsbereich verlassen. Andere nachströmende Gasteilchen sollen mit der nachfolgenden Halbperiode der Wechselspannung gleichfalls einer Entladung ausgesetzt sein, bevor sie ebenfalls den Entladungsbereich verlassen. Auf diese Art ist gesichert, daß kein Schlupf unbehandelten Gases entsteht, aber auch keine unnötige Mehrfachbehandlung.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen verdeutlicht anhand von Zeichnungen das Prinzip und Vorteile der Erfindung als auch weitere Einzelheiten. Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung im Vertikalschnitt und

Fig. 2a bis Fig. 5b fünf weitere Ausführungen von Elektrodenanordnungen, wobei dargestellt sind in

Fig. 2a ein Vertikalschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine Elektrodenanordnung in der Perspektive mit zwei Entladungszellen der Vorrichtung, in

Fig. 2b ein Vertikalschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine Elektrodenanordnung in der Perspektive mit zwei Entladungszellen der Vorrichtung und mit zusätzlichen Gaszuführungen für Additive in den Elektroden, in

Fig. 3a eine vierte Ausführung einer Elektrodenanordnung in der Perspektive, in

Fig. 3b ein Schnitt der Fig. 3a entlang der Linie AA, in

Fig. 4a eine Draufsicht einer fünften Elektrodenanordnung, in

Fig. 4b ein Schnitt der Fig. 4a entlang der Linie BB, in

Fig. 5a eine Draufsicht einer sechsten Elektrodenanordnung mit zwei Entladungszellen und in

Fig. 5b ein Schnitt der Fig. 5a entlang der Linie CC.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufhau einer Vorrichtung anhand eines vertikalen Schnittes dargestellt. Diese besteht aus einem Gehäuse 1, in welches durch einen Gaseinlaß 2 das zu behandelnde Abgas einströmt und durch einen Gasauslaß 3 das behandelte Abgas ausströmt. Gaseinlaß 2 und Gasauslaß 3 können auch miteinander vertauscht sein. Durch das Gehäuse 1 ist eine elektrisch leitende Stabelektrode 4, die von einem Isolierstoff 5 umgeben ist und so eine isolierte Elektrode bildet, durchgeführt. Die isolierte Elektrode, gebildet aus 4 und 5, ist an einen Ausgang eines Wechselspannungsgenerators 8 angeschlossen. In Front zu dieser Elektrode ist eine andere Elektrode in Form einer Lochelektrode 6 aus elektrisch leitendem Material mit einer durchgehenden Bohrung 7 in der Weise angeordnet, daß die Bohrung 7 den Enden der isolierten Elektrode zentrisch gegenübersteht. Die Lochelektrode 6 ist ihrerseits an den anderen Ausgang eines Wechselspannungsgenerators 8 angeschlossen. Durch die stabförmige Ausformung der isolierten Elektrode (4, 5) und die gegenüberliegende Lochelektrode 6 wird erreicht, daß die Entladung sich an einem definierten Ort ausbildet, durch den das Abgas strömen muß. Diese Anordnung definiert ein Entladungsvolumen, welches sich von der Stirnfläche der isolierten Elektrode (4, 5) bis zum Lochkreis der Bohrung in der Lochelektrode 6 erstreckt.

Die Form der stabförmigen isolierten Elektrode ändert dabei nicht den erfindungsgemäßen Gebrauch. Diese Form kann im Querschnitt radial, rechteckig oder anderweitig ausgeführt sein, oder kann insbesondere an den Enden zu einer Spitze ausgeformt oder konusförmig sein.

Auch die Wahl der Materialien für das Gehäuse 1, den Isolierstoff 5 und die Lochelektrode 6 ist für das erfindungsgemäße Prinzip nicht wesentlich. Die Wirkung kann aber unterstützt werden, indem für 5 und 6 katalytisch wirkende Materialien eingesetzt werden.

Die in der in Fig. 1 beschriebene prinzipielle Ausführung als auch weitere Ausführungen können für größere Abgasmengen mit mehreren strömungsmäßig parallel betrieben werden, so daß eine großflächige Vorrichtung entsteht.

Weitere Beispiele von Elektrodenanordnungen sollen andere Möglichkeiten von Ausführungen verdeutlichen. In diesen Ausführungsbeispielen sind insbesondere verschiedene Elektrodenkonfigurationen veranschaulicht. Die nach Fig. 1 dargestellte Unterbringung in einem Gehäuse 1 mit geeignetem Gaseinlaß 2 und Gasauslaß 3 sowie der Anschluß an einen Wechselspannungsganerator 8 bleibt erhalten und ist nicht weiter dargestellt.

Die Fig. 2 zeigt einen Vertikalschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine Elektrodenanordnung in der Perspektive. Es sind zwei Zellen der Vorrichtung dargestellt. In Fig. 2 steht den aus elektrisch leitendem Material bestehenden stabförmigen Elektroden 11 eine Isolierstoffplatte 9 mit durchgehenden Bohrungen 12 gegenüber, wobei die Bohrungen 12 und die Stabelektroden 11 zentrisch zueinander angeordnet sind. In die Isolierstoffplatte 9 ist ein elektrisch leitendes Material 10 eingebettet, so daß zusammen mit der Bohrung 12 eine lochförmige isolierte Elektrode ausgebildet ist. Auf diese Weise stehen Stabelektroden 11 isolierten Lochelektroden, gebildet aus 9, 10 und 12, gegenüber, wodurch sich definierte Entladungsvolumina ergeben. Das Abgas strömt durch die Bohrungen 12 und an den Stabelektroden 11 vorbei oder ist umgekehrt gerichtet.

Die Fig. 2b veranschaulicht bei fast gleichem Aufbau wie in Fig. 2a die vorteilhafte Einbringungsmöglichkeit von Additiven, inbesondere Luft. Zu diesem Zweck ist die Stabelektrode 11 aus Fig. 2a mit einem Kanal 11b versehen, durch welchen ein Additiv in den Entladungsraum strömen kann. Die Stabelektrode besteht in diesem Fall aus dem elektrisch leitenden Material 11a und dem darin befindlichen Kanal 11b. Bei dieser Ausführung strömt das Additiv durch den Kanal 11b in die Bohrungen 12, das Abgas hingegen an dem Teil 11a der Stabelektrode vorbei. Auf diese Weise bildet sich eine Art Plasmafackel aus, deren Kern im Bereich der Stabelektrode (11a, 11b) durch das Plasma des Additivs geprägt ist und in den Randbereichen und in der Bohrung 12 durch das Abgas.

In Fig. 3a ist eine vierte Ausführung einer Elektrodenanordnung in der Perspektive gezeigt, in Fig. 3b ein Schnitt entlang der Linie AA. Eine aus elektrisch leitendem Material bestehende stabförmige Elektrode 13 ist in eine Isolierstoffplatte 14, beispielsweise Keramik, eingebracht, so daß dieser Stab an der Stirnfläche den Isolierstoff nicht durchragt und eine Isolation bestehen bleibt, wie aus Fig. 3b ersichtlich. In die Isolierstoffplatte 14 sind durchgehende Öffnungen 15 zur Durchströmung mit dem Abgas eingebracht. Gegenüber dieser so ausgebildeten isolierten Elektrode befindet sich wiederum die Gegenelektrode, bestehend aus einem elektrisch leitenden Material 16 und einer durchgehenden Bohrung 17 zur Abführung des behandelten Abgases. Die Bohrung 17 ist der stabförmigen Elektrode 13 wiederum zentrisch gegenüber angeordnet. In Fig. 3a sind vier Öffnungen 15 eingezeichnet, deren Zahl verändert aber nicht das Prinzip.

In Fig. 4a ist eine Draufsicht und in Fig. 4b ein Schnitt entlang einer Linie BB von einer fünften Elektrodenanordnung dargestellt. Bei dieser Ausführung ist ein elektrisch leitendes Material 18 in Form von sich kreuzenden Bändern in eine Isolierstoffplatte 19 eingebracht, so daß die Kreuzungspunkte einen Elektrodenbereich zusammen mit der Isolierstoffschicht aus 19 bilden. Die Isolierstoffplatte 19 enthält ferner Öffnungen 20 zur Durchströmung mit dem Abgas. Der Elektrodenbereich steht wiederum einer anderen Elektrode 22 mit Bohrungen 23 gegenüber, wobei diese zentrisch zu den Kreuzungspunkten positioniert sind. Zusätzlich ist auf der Elektrode 22 eine Isolierstoffplatte 21 auf der Gasentladungsseite angebracht, die ihrerseits durchgehende Bohrungen 24 enthält, wobei deren Durchmesser größer ist als der von 23, so daß die Elektrode 22 gegenüber der Bohrung 24 etwas vorsteht und zur gegenüberliegenden Elektrodenanordnung eine ringförmige Elektrode bildet. Die Entladung positioniert sich in der Öffnung 24 und dem darüberliegenden Gasraum. Durch die Lochplatte 21 wird der Gasstrom besser geführt und eine Strömung in seitliche Bereiche vermieden.

In der Fig. 5a ist die Draufsicht einer sechsten Ausführung einer Elektrodenanordnung dargestellt, ein dazugehöriger Schnitt in der Fig. 5b, wobei jeweils der Ausschnitt von zwei Entladungszellen wiedergegeben ist. In dieser Ausführung ist ein stabförmiges elektrisch leitendes Material 25 von einer Isolierstoffschicht 26 umgeben, wodurch eine isolierte Elektrode gebildet ist. Diese steht zentrisch der durchgehenden Bohrung in einer Isolierstoffplatte 28 gegenüber. Darunter befindet sich mit einer gleichen Bohrung eine Platte 29 aus elektrisch leitendem Material, welche die Gegenelektrode zu der aus 25 und 26 gebildeten darstellt. Die isolierte Elektrode, bestehend aus 25 und 26, ragt in eine Öffnung 30, die in eine Isolierstoffplatte 27 eingebracht ist. Durch die Isolierstoffplatte 27 werden benachbarte Elektroden strömungsmäßig voneinander getrennt, so daß der Gasstrom besser geführt wird. Durch die Anordnung wird auch eine bessere potentialmäßige Trennnung zwischen benachbarten Entladungszellen erreicht. In der Fig. 5b ist die Öffnung 30 kreisförmig ausgebildet, es sind aber auch andere Formen, etwa rechteckig, möglich.

Claims (11)

1. Verfahren zum Schadstoffabbau in Verbrennungsabgasen, dadurch gekennzeichnet, daß man das zu behandelnde Abgas in einer großflächigen Vorrichtung nur durch eine einzelne dielektrisch behinderte Entladung führt und vermeidet, daß schon behandeltes Abgas durch weitere Entladungen hindurchströmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man alle in einen Entladungsraum einströmenden Gasteilchen innerhalb einer Zeit zweier aufeinanderfolgender Halbperioden beim Durchströmen der Vorrichtung mindestens einmal einem Entladungspuls aussetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Frequenz und/oder das Puls- Pausenverhältnis der Unterhaltsspannung mit der Strömungsgeschwindigkeit aufeinander abstimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Strömungsgeschwindigkeit durch die Zahl der Parallelschaltungen von Einzelentladungsanordnungen regelt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man durch eine Elektrode ein Additiv, beispielsweise Luft, in den Entladungsraum strömen läßt und dieses Additiv weder vor dem Einströmen in einen einzelnen Entladungsraum noch nach der Wirkung im Entladungsraum in andere Entladungsräume oder Entladungsbereiche strömt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens entsprechend den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Behandlungsraum mit einem Entladungsvolumen als eine dielektrisch behinderte Entladung mit zwei Elektroden gestaltet ist, von denen mindestens eine als Lochelektrode (6 oder 9/10 oder 16 oder 21/22 oder 28/29) ausgeführt ist, so daß zu behandelndes Abgas in den Behandlungsraum durch eine Elektrode ein- oder ausströmen kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode als Stabelektrode (4/5 oder 11 oder 11a oder 25/26) ausgebildet ist, an der Abgas vorbeiströmen kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine isolierte Elektrode (13/14 oder 18/19) von Öffnungen (15 oder 20) zur Durchströmung mit dem Abgas umgeben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom durch Isolierstoffplatten (21 oder 27 und 28) geführt wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode Kanäle 11b für das Einströmen von Additiven in den Behandlungsraum aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflächen mit katalytisch wirkenden Materialien belegt sind.