DE69610523T2

DE69610523T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Zerstören von gasförmigen Schadstoffen mit einer eigenresonanten Koronaentladung

Info

Publication number: DE69610523T2
Application number: DE69610523T
Authority: DE
Inventors: Eun-Hee Cirlin; Franklin A. Dolezal; Robin J. Harvey; Weldon S. Williamson
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1995-05-25
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 2001-05-17
Anticipated expiration: 2016-05-18
Also published as: EP0744802B1; EP0744802A3; DE69610523D1; JPH0999211A; JP2702105B2; KR960043397A; US5843383A; EP0744802A2; US5695619A; US5855855A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schadstoffvernichtungssystem mit einer kapazitiven Korona-Entladungskammer, die eine innere und eine äußere Elektrode aufweist, die einen Kondensator bilden, und einen Strömungspfad für ein schadstoffenthaltendes Fluid aufweist und erregbar ist, um eine schadstoffunschädlich machende Korona-Entladung zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Schadstoffvernichtungsverfahren, das das obige Schadstoffvernichtungssystem verwenden kann.
Allgemein betrifft die Erfindung die Vernichtung bzw. Zerstörung von in Fluiden enthaltenen Schadstoffen durch Korona- Entladungen.
Es ist ein bekanntes Verfahren zum Entfernen der Schadstoffe aus einem Gas, ein Schadstoffe mit sich tragendes Gas durch einen Korona-Entladungsort zu führen. Ein allgemeiner Überblick über diese Technik wird vermittelt in "Toxic Gas Decompensition by Surface Discharge" von Puchkarev et al. in Proceedings of the 1994 International Conference on Plasma Science, 6.-8. Juni 1994, Santa Fe, Neumexiko, Paper No. 1E6, Seite 88, in dem gezeigt ist, daß die zur Vernichtung erforderliche Energie generell in dem Bereich von 300-1000 Joules/Liter liegt. Auch für Flüssigkeiten ist eine Korona- Schadstoffvernichtung vorgeschlagen worden, wie es offenbart ist in dem US-Patent mit der Nr. 5,549,795 und dem Titel "Corona Source for Producing Corona Discharge and Fluid Waste Treatment with Corona Discharge".
Bei einem System, das beschrieben ist in "Decomposition of Volatile Organic Compounds by a Packed Bed Reactor and a Pulsed-Corona Plasma Reactor" von Yamamoto et al. in Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control, NATO ASI-Reihe, Band G34, Teil B, editiert von B. M. Penetrante und S. E. Schultheis, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1993, Seiten 87-89, werden kurze Hochspannungsimpulse mit Dauern von etwa 120-130 Nanosekunden an den Mittelleiter eines koaxialen Korona-Reaktors angelegt, durch den ein Gas strömt. Jeder Impuls erzeugt eine Korona-Entladung, die von dem Mitteldraht ausgeht und das Innenvolumen des Reaktors mit energetischen Elektronen von etwa 5 -10 keV flutet. Ein ähnliches System ist beschrieben in dem US-Patent mit der Nr. 4,695,358, bei welchem Impulse einer positiven Gleichspannung einer Gleichstrom-Vorspannung überlagert werden, um eine Strahl-Korona ("streamer corona") zum Entfernen von SOx und NOx aus einem Gasstrom zu erzeugen. Diese Prozesse arbeiten mit relativ geringen Energie-Wirkungsgraden. Bei den ausgewählten Reaktor-Geometrien ist es notwendig, sehr kurze Impulse abzugeben, um einen Bogendurchschlag zwischen den Elektroden und folglich Schäden zu vermeiden. Die die Impulse bildende Schaltung verliert etwa die Hälfte der von einer Hochspannungsversorgung kommende Leistung in einem Ladewiderstand und zusätzliche Energie wird in einer Doppelfunkenstrecke verschwendet. Darüber hinaus muß die kapazitive Last des koaxialen Korona-Reaktors geladen werden; diese Ladeenergie ist typischerweise sehr viel größer als die Energie, die tatsächlich bei der Korona-Reaktion verwendet wird, und zerfällt schlichtweg nach jedem Impuls in Wärme, ohne zu der Schadstoffvernichtung beizutragen.
Ein ähnlicher Ansatz, jedoch mit einer unterschiedlichen Reaktor-Geometrie, wird verfolgt in "Treatment of Hazardous Organic Wastes Using Silent-Discharge Plasmas" von Rosocha et al. in Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control, NATO ASI-Reihe, Band G34, Teil B, editiert von B. M. Penetrante und S. E. Schultheis, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1993, Seiten 79-80, wobei die Korona-Entladung eingerichtet wird zwischen parallelen Platten. Dieses System leidet auch an einer geringen spezifischen Energie aufgrund ineffizienter Impulsbildung und aufgrund mangelnder Rückgewinnung von Reaktor- Ladeenergie.
Die vorliegende Erfindung trachtet danach, ein System und ein Verfahren zum Unschädlichmachen von in Fluiden enthaltenen Schadstoffen bereitzustellen, wobei das System und das Verfahren signifikant weniger Energie als in der Vergangenheit benötigen, ohne die Vernichtungsfähigkeiten herabzusetzen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Schadstoffvernichtungssystem gelöst, indem das System aufweist ein induktives Element, das mit den Elektroden der Entladungskammer elektrisch gekoppelt ist, um einen Schwingkreis einzurichten, und eine Leistungsversorgung, die angeschlossen ist, um dem Schwingkreis intermittierende Erregungssignale zuzuführen, um Korona-Entladungen mittels der Kammer zu induzieren, wobei der Schwingkreis auf die Erregungssignale anspricht, indem zwischen den Erregungssignalen zusätzliche Korona-Entladungen mittels der Entladungskammer initiiert werden.
Die obige Aufgabe wird ferner durch das eingangs genannte Schadstoffvernichtungsverfahren gelöst, mit den Schritten: Anlegen eines Erregungssignals, um eine Korona-Entladung mittels einer kapazitiven, schadstoffunschädlichmachenden Korona- Entladungskammer einzuleiten, die eine innere und eine äußere Elektrode aufweist, die einen Kondensator bilden, der elektrisch mit einem induktiven Element verbunden ist, um einen Eigenschwingkreis einzurichten und um eine Selbstoszillation mittels der Schaltung zu initiieren, Beenden des Erregungssignals und Zulassen, daß der Kreis von selbst oszilliert und zusätzliche Korona-Entladungen als Ergebnis der Selbstoszillation erzeugt.
Die obige Aufgabe wird generell gelöst, indem eine kapazitive Korona-Entladungskammer in einem Schwingkreis mit einem induktiven Element verbunden wird. Von außen kommende Erregungsimpulse werden an die Schaltung nur nach Notwendigkeit angelegt, um die Erzeugung von Korona-Impulsen aufrechtzuerhalten, wobei Korona-Impulse zwischen den externen Signalen durch die eigene Resonanz der Schaltung selbst erzeugt werden. Es können verschiedene Schwingkreiskonfigurationen verwendet werden, wie eine einzelne Korona-Entladungskammer und ein induktives Element, die in einer Schleife verbunden sind, ein wenig gedämpfter Schwingkreis ("ringing circuit") zwischen einem induktiven Element und einem Paar von Entladungskammern, und ein induktives Element, das parallel mit mehreren Entladungskammern angeschlossen ist.
Die Entladungskammer ist vorzugsweise implementiert als eine dielektrische Hülle mit einer verteilten Elektrode außerhalb der Hülle und einer länglichen Elektrode im Inneren. Die innere Elektrode, vorzugsweise ein isolierter Draht, kann sich entweder entlang einer zentralen Achse der Kammer erstrecken oder kann gegenüber der zentralen Achse versetzt angeordnet sein. Im letzteren Fall erstreckt sich die innere Elektrode vorzugsweise entlang einer inneren Wand der Kammer; wenn die Kammer eine Polygon-Form besitzt, erstreckt sich die innere Elektrode vorzugsweise entlang von einem der Polygon-Scheitel.
Um den Strömungspfad zu vergrößern, können mehrere Korona- Entladungskammern in einem Array angeordnet werden, wobei Strömungspfade benachbart zueinander liegen und wobei das induktive Element in einem Schwingkreis mit jeder der Entladungskammern verbunden ist.
Zur Steuerung des Anlegens von Erregungs-Impulsen an den Eigenschwingkreis bzw. die Selbstresonanzschaltung können verschiedene Mechanismen verwendet werden. Diese Mechanismen beinhalten die Zufuhr von Erregungssignalen in Antwort auf die sensierte Beendigung von Korona-Entladungen innerhalb der Kammer, das Modulieren der Erregungssignalrate in Antwort auf den Schadstoffpegel in dem Fluidstrom, und, wenn die Entladungskammer dazu verwendet wird, Schadstoffe aus Abgasen einer Maschine bzw. eines Motors zu entfernen, das Variieren der Erregungssignalrate mit der Maschinenbeschleunigung.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für Fachleute aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Schadstoffvernichtungssystems gemäß der Erfindung, wobei alternative Steuermechanismen zum Anlegen von Erregungssignalen an eine eigenschwingende Korona-Entladungsschaltung dargestellt sind;
Fig. 2 ein Diagramm von Spannung über Zeit, das einen Zyklus der eigenschwingenden Korona-Entladungsschaltung darstellt, und den Teil des Zyklus, währenddessen der Schaltung ein Erregungsimpuls von außen zugeführt wird;
Fig. 3 ein Diagramm von Spannung über Zeit, das das intermittierende Anlegen von Erregungssignalen an die eigenschwingende Schaltung darstellt;
Fig. 4 ein Diagramm von Spannung über Zeit, das das Entladungsspannungsmuster der Schaltung darstellt;
Fig. 5a, 5b und 5c Diagramme des Stromes, der Spannung bzw. der Phase sind, die die Spannung-Strom-Beziehung der Korona- Kammer während einer Korona-Entladung darstellen;
Fig. 6 eine Schnittansicht der Korona-Kammer, wobei eine Korona-Entladung dargestellt ist;
Fig. 7a, 7b und 7c Schnittansichten einer Korona-Entladungskammer, wobei das Aufladen der Kammerwand während einer Entladung dargestellt ist;
Fig. 8a, 8b und 8c Diagramme des dielektrischen elektrostatischen Potentials der Entladungskammer entsprechend der Entladungssequenz, die in den Fig. 7a, 7b bzw. 7c dargestellt ist;
Fig. 9 eine Schnittansicht einer Korona-Entladungskammer, wobei eine Konfiguration einer inneren Elektrode versetzt gegenüber der Mitte dargestellt ist;
Fig. 10 eine Schnittansicht einer polygonförmigen Korona- Entladungskammer mit einer gegenüber der Mitte versetzt angeordneten inneren Elektrode;
Fig. 11 eine Schnittansicht eines Arrays von parallelen Entladungskammern des in Fig. 10 gezeigten Typs;
Fig. 12 und 13 schematische Diagramme von wenig gedämpften und parallelen Eigenschwingkreisen mit mehreren Korona- Entladungskammern; und
Fig. 14 ein Diagramm der Vernichtung von partikelförmigen Schadstoffen bei einer Demonstration der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Weg bereit, um organische Schadstoffe in Luftströmen zu zerstören, indem das Gas bombardiert wird mit energetischen Elektronen, die durch eine Korona-Emission erzeugt werden. Die Mechanismen zum Zerstören von Schadstoffen durch ein Elektronenbombardement beinhalten das herkömmliche Aufbrechen von Verbindungen durch direkten Elektronenaufschlag auf ein Schadstoffmolekül und die Oxidation von Schadstoffmolekülen durch freie Radikale, die durch Elektronenaufschlag auf andere Bestandteile des Gasstromes gebildet werden. Die Erfindung weist eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten auf, wie das Reinigen von flüchtigen organischen Verbindungen in Gicht- und Rauchgasen, das Reinigen von kontaminierter Luft wie sie vorhanden ist in "schadstoffbelasteten Gebäuden" oder Kraftfahrzeugen, die in Smogbelasteten Gebieten fahren, das Ersetzen oder Ergänzen von katalytischen Wandlern, die dazu verwendet werden, die Abgase von Fahrzeugen oder anderen Motoren bzw. Maschinen zu behandeln, und das Reinigen der Luft in Luftzirkulationssystemen, wie sie sich finden lassen in Flugzeugen und Krankenhäusern.
Obgleich die Erfindung bekannten Impulskorona-Reaktoren in gewisser Hinsicht ähnlich ist, erfordert die Erfindung eine spezifische Energie (Energie, die notwendig ist, um ein vorgegebenes Luftvolumen bei Standardtemperatur und -druck zu behandeln), die wenigstens um eine Größenordnung kleiner ist als die zuvor veröffentlichten besten Ergebnisse. Im Gegensatz zu einer spezifischen Energie von 148 J/Liter, wie es von Yamamoto et al. erzielt wird, wie oben genannt, auf der Grundlage einer rotierenden Funkenstrecke, die dazu verwendet wird, eine gepulste Korona-Entladung auszulösen, hat man herausgefunden, daß die Erfindung lediglich 13 J/Liter benötigt, um einen repräsentativen Schadstoff, Toluoldampf, bei einer Konzentration von etwa 100 ppm zu zerstören. Herkömmliche Technologie wie Veraschungs- Einrichtungen und Abfackelungs-Einrichtungen erfordern für eine äquivalente Zerstörungs- und Entfernungs-Effizienz (Destruction and Removal Efficiency DRE) 1.900-11.000 J/Liter.
Fig. 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Format eines vereinfachten Blockdiagrammes dar. Eine Korona-Entladungskammer oder ein Reaktor 2 ist gebildet aus einem hohlen dielektrischen Zylinder 4, wobei ein Maschendraht oder eine solide Elektrode an der Außenseite des Zylinders vorgesehen ist, wobei es sich bei der soliden Elektrode um ein solides Metallrohr oder um eine dünne elektroplattierte oder aufgedampfte Beschichtung handeln kann, und aus einer leitenden Drahtelektrode 8, die sich axial durch das Innere des Reaktors hindurch erstreckt. Das für die Reaktorwand verwendete Dielektrikum ist vorzugsweise ein Material mit einem geringen Verlustfaktor, wie Keramik oder Glas; bei einer Demonstration der Erfindung wurde Silica verwendet. An den Enden der äußeren Elektrode 6 sind vorzugsweise Korona-Ringe 10 vorgesehen, um eine Korona in diesen Bereichen zu unterdrücken. Die innere Elektrode 8 weist einen Durchmesser auf, der klein genug ist, vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 50 Mikrometern, um an seiner Oberfläche elektrische Felder zu erzeugen, die groß genug sind, um eine Korona-Emission zuzulassen. Der Reaktor weist einen Einlaßkanal 12 auf, durch den mit Schadstoffen versetztes Gas in das Innere des Zylinders emittiert wird, und einen Auslaßkanal 14, durch den das Gas austritt, nachdem seine Schadstoffe durch eine Korona-Entladungsbehandlung unschädlich gemacht worden sind.
Die Reaktorzellen bilden einen Kondensator, über dem eine Induktivität 16 angeschlossen ist, um einen LC-Schwingkreis einzurichten; die entgegengesetzten Enden der Induktivität 16 sind an der inneren bzw. der äußeren Elektrode 8 bzw. 16 des Reaktors angeschlossen. Der Schwingkreis wird erregt durch einen einfachen Hochspannungspulsator, der als eine Hochspannungs-Leistungsversorgung 18 (vorzugsweise etwa 10 kV) gezeigt ist, die seriell mit dem Schwingkreis und einem Schalter 20 verbunden ist, der durch eine Vakuumtetrode oder andere Mittel implementiert sein kann. Ein Steuerelement, das als ein Impulsgenerator 22 dargestellt ist, legt zeitlich beabstandete Impulse zum Schließen des Schalters 20 an, wobei der Schalter zwischen aufeinander folgenden Impulsen offen bleibt. Bei jedem Impuls fließt Strom in die Kapazität des Reaktors, wodurch dieser auf den Spannungspegel der Leistungsversorgung aufgeladen wird und ein Korona-Entladungsimpuls innerhalb des Reaktors eingeleitet wird.
Die Resonanzschaltung bzw. der Schwingkreis weist eine Resonanzfrequenz im RF-Bereich auf, wobei der Schalter geschlossen wird, um einen Erregungsimpuls während eines Abschnittes eines halben Zyklus der Resonanzperiode zuzuführen. Während des nächsten Halbzyklus der LC-Resonanzperiode, die gleich 1/2π LC ist), ist der Schalter geöffnet und Strom fließt aus der Kapazität des Reaktors in die Induktivität 16. Eine weitere Halbperiode später fließt der Strom zurück in die Kapazität des Reaktors, was einen weiteren Korona-Entladungsimpuls einleitet, ohne daß aus der Leistungsversorgung zusätzliche Energie abgezogen wird, da der Schalter offen verbleibt. Diese Oszillation, bei der während jeder weiteren Halbperiode eine Korona- Entladung erzeugt wird, setzt sich fort, bis die Spannung unter die Schwelle zum Einleiten einer Entladung abnimmt. Dann wird ein weiterer Impuls von der Leistungsversorgung bereitgestellt, um den Selbstoszillationsprozess zu reaktivieren.
Die gesamte Energie des Impulses der Leistungsversorgung (mit der Ausnahme sehr kleiner Schaltungsverluste) wird folglich in dem Reaktor eingesetzt. Die Energie wird zwischen dem Reaktor und der Induktivität vor- und zurückgeschleift, bis die Korona-Wirkung nachläßt, und die Restenergie verbleibt in der Schaltung, wenn der nächste Erregungsimpuls vorgelegt wird, um die Schaltung zurück auf Korona-Erzeugungspegel zu treiben.
Die Eigenfrequenz des Schwingkreises liegt vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 1 MHz, wobei die wirksame Ladezeit des Reaktors, während der die Reaktorkapazität aufgeladen wird, sich typischerweise nur über etwa 10-20 Nanosekunden erstreckt; die Korona-Entladung dauert nur für diese Ladeperiode an.
Eine Eigenfrequenz von etwa 1 MHz ist geeignet zum Behandeln von gasförmigen Strömungsraten in der Größenordnung von 100 cm³/Minute (bei einer Korona-Entladungskammer mit einer Länge von etwa 1/4 m). Für höhere Gasströmungsraten wäre generell eine höhere Frequenz wünschenswert. Die Eigenfrequenz des Systems kann gesteigert werden, indem man die Wände der Kammer dicker ausgestaltet und dadurch deren Kapazität verringert, indem man die Induktivität kleiner macht, oder durch beide Maßnahmen.
Zum Steuern der Zeitgabe der Erregungsimpulse von der Leistungsversorgung 18 zu dem Korona-Reaktor können verschiedene Mechanismen verwendet werden. In sämtlichen Fällen werden Erregungsimpulse intermittierend bzw. absatzweise angelegt, wobei zwischen Impulsen Intervalle liegen, die die Dauer der Impulse selbst beträchtlich überschreiten. Ein Ansatz besteht darin, den Impulsgenerator 22 den Schalter 20 lediglich in periodischen Intervallen durch einen Impuls schließen zu lassen, wie einmal alle 5 oder 10 Selbstresonanzperioden der Korona-Entladungsschaltung. Dies kann jedoch zu einem Energiewirkungsgrad führen, der kleiner ist als das Optimum, selbst wenn die Schaltung hinreichend Restenergie aus dem vorherigen Impuls besitzt, um die Korona-Entladungen durch Selbstresonanz fortzusetzen, oder zu einer Schadstoffvernichtung, die nicht vollständig ist, wenn die Korona-Entladungen zu lang vor dem nächsten Erregungsimpuls geendet haben.
Es können verschiedene Rückkopplungsmechanismen vorgesehen werden, um eine aktivere Steuerung der Zeitgabe der Erregungsimpulse einzurichten. Beispielsweise kann ein Sensor 24 am Ausgang des Reaktors angeordnet werden, um die verbleibende Konzentration von Schadstoffen zu sensieren, und in Antwort darauf eine Steuerschaltung 26 zu aktivieren, die einen Impuls von dem Impulsgenerator 22 einleitet, um den Schalter 20 zu schließen und dadurch einen weiteren Erregungsimpuls bereitzustellen. Alternativ hierzu könnte ein Sensor 27 dazu verwendet werden, den Pegel an Schadstoffen innerhalb des Gasstromes zu sensieren, der in den Reaktor eintritt, wobei die Steuerschaltung 26 die Frequenz der Erregungsimpulse für höhere Schadstoffpegel erhöht und für niedrigere Pegel reduziert. Wenn der Reaktor dazu verwendet wird, Schadstoffe aus dem Abgas von einer Maschine 28 wie in einem Kraftfahrzeug unschädlich zu machen, steigt der Schadstoffpegel bei Maschinenbeschleunigungen an. In diesem Fall kann statt einer direkten Sensierung des Schadstoffpegels in dem Abgasstrom eine Drosselöffnung als ein Signal von der Steuereinheit 30 der Maschine identifiziert werden, wobei der Ausgang der Steuereinheit 30 an die Steuerschaltung 26 angelegt wird, um die Frequenz der Erregungsimpulse während Beschleunigungen zu erhöhen.
Fig. 2 stellt den Kontrast zwischen der Resonanzperiode τ der Reaktorschaltung und der Periode dar, während der eine Korona-Entladung auftritt, und zwar aufgetragen gegen das Spannungsdifferential zwischen den zwei Reaktorelektroden. Eine Korona-Entladung beginnt nicht, bis die Spannung die Entladungsschwelle Vth überschreitet, und dauert so lange, bis die Kapazität des Reaktors aufgeladen ist. Diese Entladungsperiode 32 ist in Fig. 2 durch eine Schraffur dargestellt und beträgt, wie oben erwähnt, typischerweise etwa 10-20 Nanosekunden, im Gegensatz zu einer Resonanzperiode von vielleicht einer Mikrosekunde.
Fig. 3 stellt eine Anwendung dar, bei der ein Erregungsimpuls an die Resonanzschaltung des Reaktors jeden dritten Resonanzzyklus angelegt wird (sich verändernde Pegel des Spitzenwertes der Spannung sind in dieser Zeichnung nicht gezeigt). Ein Erregungsimpuls, der durch einen quer schraffierten Balken 34 gezeigt ist, lädt die Schaltung und leitet eine Selbstresonanz ein, die darauffolgende Korona-Entladungen erzeugt (gezeigt durch quer schraffierte Balken 36 und 38). Diesen folgen ein weiterer Erregungsimpuls 34' und Selbstresonanzimpulse 36' und 38', und so weiter.
Eine realistischere Darstellung der intermittierenden Erregungsimpulsabgabe ist in Fig. 4 gezeigt. Ein durch einen Pfeil 40 gezeigter Erregungsimpuls lädt die Spannungshülle bzw. Hüllkurve 42 der Reaktorschaltung hoch bis zu einem Spitzenpegel 44. Die Reaktorschaltung oszilliert dann von selbst, wie es gezeigt ist durch eine oszillierende Spannungskurve 46, und zwar entlang einer abnehmenden Hüllkurve, die bei 48 einen Minimalpegel erreicht, und zwar direkt vor dem Anlegen des nächsten Ladeimpulses 50. Während jedes Resonanzzyklus wird eine kurze Korona-Entladung erzeugt, wobei die Erregungsimpulse vorzugsweise zeitlich so gewählt werden, daß sie die Schaltung kurz vor Beendigung von Korona-Entladungen aufgrund der Spannungsabnahme wieder neu erregen. Die Frequenz, mit der die Erregungsimpulse angelegt werden, beträgt generell deutlich weniger als die Hälfte der Eigenfrequenz der Reaktorschaltung, wobei jeder Erregungsimpuls generell eine Dauer von weniger als 10% der Resonanzperiode besitzt. Alternativ hierzu kann die Schaltung angesteuert werden durch eine kontinuierliche RF- Quelle ("cw rf source"), die an die Reaktor-Induktivitätslast impedanzangepaßt ist und eine adäquat hohe Spannung bereitstellt.
Die Frequenz, die Phase und die Amplituden der Spannungs- und Strom-Signalverläufe des Reaktors variieren jeweils während der abnehmenden Oszillation. Die Spannung und der Strom sind nahezu π/2 Grad im Bogenmaß phasenverschoben zueinander, was eine überwiegend reaktive (Imaginär-)Leistung ergibt, mit der Ausnahme einer kurzen Periode in den Abschnitten hoher Amplitude von jedem Zyklus, während derer reelle Leistung abgegeben wird. Man nimmt an, daß dieses Verhalten verursacht wird durch Positionieren der zylindrischen Elektrode außerhalb der Entladungskammer, so daß sie mit der Kapazität des Reaktors selbst einen Reihenkondensator bildet. Dieses Phänomen ist in den Fig. 5a, 5b und 5c dargestellt. Die Signalverläufe von Strom und Spannung in den Fig. 5a und 5b sind generell um 90º phasenverschoben zueinander, mit der Ausnahme der Ladeperiode, die in Fig. 5a durch einen schraffierten Bereich 52 angedeutet ist. Während dieser Zeitspanne eilt der Strom in der Phase etwas nach und wird zu einem Betriebsstrom, der reelle Leistung abgibt. Die Veränderung der Phase (A) während dieses Intervalls ist in Fig. 5c gezeigt.
Fig. 6 stellt eine Korona-Entladung innerhalb des Reaktors dar, wobei sich fraktal-artige ("fractal-like") Strahlen ("streamers") 54 aufbauen und von der inneren Elektrode 8 hin zu dem dielektrischen Zylinder 4 erstrecken, der von der äußeren Elektrode 6 umgeben ist. Das Aufladen des Dielektrikums ist in den Fig. 7a, 7b und 7c dargestellt, wobei das sich ergebende elektrostatische Potential über dem Dielektrikum in den Fig. 8a, 8b und 8c dargestellt ist. Während des Beginns von jedem Korona-Zyklus, und zwar während das Dielektrikum aufgeladen wird, wird reelle Leistung in die Korona-Entladung abgegeben. Sobald das Dielektrikum aufgeladen ist, wird die Leistung reaktiv bzw. zu Blindleistung und die Entladung endet. Dieser Prozess, der allgemein charakteristisch ist für kapazitiv gekoppelte Entladungen, hat den vorteilhaften Effekt, daß der reelle Leistungsimpuls, also der Wirk-Leistungsimpuls verkürzt wird. Kürzere Leistungsimpulse sind wichtig hinsichtlich einer Verbesserung der spezifischen Energie, da ein langer Impuls in seinem niedrigenergetischen Endstück Energie beim Erwärmen des Gases verschwendet. Mit der Selbstresonanz-Schaltungstopologie der vorliegenden Erfindung werden kurze Impulse erzielt, ohne komplexe Schaltkreise oder das Verschwenden von Leistung.
Fig. 7a-7c zeigen in der Sequenz das Laden des Dielektrikums des Reaktors während eines Entladevorgangs, wohingegen die Fig. 8a-8c das entsprechende elektrostatische Potential φ als Funktion der radialen Koordinate r des Reaktors darstellen. Zu Beginn einer Entladung (Fig. 7a und 8a) liegt an der mittleren Elektrode 8 relativ zu der metallischen äußeren zylindrischen Elektrode 6 ein hohes negatives elektrostatisches Potential vor. Die Anwesenheit des Dielektrikums 4 verhindert die Bogenbildung, da die Korona-Impulse typischerweise kürzer sind als die Bogenbildungszeiten; die Entladung wird folglich als stille Entladung ("silent discharge") bezeichnet. Elektronen 56 bewegen sich hin zu dem Dielektrikum und beginnen es aufzuladen; das elektrostatische Potential am Dielektrikum ist vor diesem Ladevorgang Null.
Mit dem Fortschreiten der Korona-Entladung lädt sich das Dielektrikum progressiv auf und sein elektrostatisches Potential steigt, wie es in den Fig. 7b und 8b dargestellt ist. Die Entladung endet, wenn das elektrostatische Potential an der inneren Oberfläche des Dielektrikums sich jenem an der inneren Elektrode nähert, zu welchem Zeitpunkt das Dielektrikum maximal aufgeladen ist, wie es in den Fig. 7c und 8c dargestellt ist.
Wir haben herausgefunden, daß die Funktionalität des Korona-Reaktors nicht abnimmt, selbst wenn die innere Elektrode gegenüber der zentralen Achse des Reaktors versetzt angeordnet ist, bis hin zu dem Fall, daß sie an der Innenwand des Reaktors anliegt, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Für diesen Fall ist gezeigt, daß der innere Elektrodendraht 58 am Boden der zylindrischen Entladungskammer 4 anliegt. Es wird angenommen, daß der Korona-Entladungsimpuls die Form einer sich bewegenden Welle annimmt, die die benachbarten höchsten Feldbereiche des Dielektrikums zuerst auflädt und dann die als nächstes folgenden ungeladenen Regionen überstreicht, bis der Ladevorgang insgesamt um das Dielektrikum herum fortgeschritten ist. Die Ladesequenz braucht typischerweise etwa 10-20 Nanosekunden. Diese Art von Geometrie hat wichtige praktische Vorteile dahingehend, daß sie eine verläßliche mechanische Lagerung für die innere Elektrode bietet; ferner dient die Masse des Dielektrikums als Wärmesenke für die Elektrode.
Es ist herausgefunden worden, daß als innere Elektrode am besten ein nicht-isolierter Draht arbeitet, obgleich auch andere Konfigurationen verwendet werden können. Eine dünne längliche Klinge, die sich durch eine Wand der Korona-Kammer hindurch in den Reaktor hinein erstreckt, arbeitete nicht so gut, da sie die Gesamtkapazität erhöhte und zum Aufladen mehr Energie benötigte, während gleichzeitig die Feldkonzentration verringert wurde und somit höhere Spannungen erforderlich waren. Der innere Elektrodendraht sollte glattflächig sein, um lokale Entladungsstellen zu vermeiden, die mit der gewünschten gleichförmigen Entladung entlang der Länge der Elektrode interferieren.
Eine alternative Reaktorgeometrie ist in Fig. 10 gezeigt, bei der die Entladungskammer 60 den Querschnitt eines regelmäßigen Polygons besitzt, in diesem Fall ein Sechseck. Die innere Elektrode 62 ist fest an Ort und Stelle gehalten, indem sie entlang des unteren Scheitels 64 angebondet ist. Ein Array derartiger sechseckiger Reaktoren ist in Fig. 11 gezeigt, wobei die Reaktoren eng benachbart zueinander gepackt und so orientiert sind, daß sie parallele Gasströme unterstützen. Dies führt zu einer festen mechanischen Matrix, bei der die einzelnen Reaktoren jeweils eine niedrigere Ladespannung benötigen, als sie bei einem einzelnen großen Reaktor erforderlich wäre, der eine Querschnittsfläche für den gleichen Gesamtgasstrom besitzt. Die Induktivität wird vorzugsweise implementiert als eine einzelne Spule aus Draht 66, die sich aus Gründen einer kompakten Anordnung um den Gesamtarray herum erstrecken kann.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung ist eine einfache Resonanzschaltung bzw. ein einfacher Schwingkreis, bei dem eine einzelne Kapazität in einer Schleife verbunden ist mit der Induktivität. Es sind andere Schaltungskonfigurationen möglich, wenn mehrfache Entladungskammer gewünscht sind. Beispielsweise zeigt Fig. 12 einen wenig gedämpften Schwingkreis ("ringing circuit"), bei dem ein Paar von Korona-Reaktoren, die als kapazitive Elemente 68a und 68b dargestellt sind, in Reihe an gegenüberliegenden Seiten einer Induktivität 70 angeschlossen sind. In Fig. 13 ist gezeigt, daß drei Reaktoren 72a, 72b, 72c parallel zu einer Induktivität 74 angeschlossen sind; nach Wunsch könnten zusätzliche Reaktoren vorgesehen werden.
Eine Demonstration der Erfindung ist durchgeführt worden mit einem Korona-Reaktor, durch den man vorab gemischte Gase strömen ließ, die repräsentative Schadstoffe in Luft enthielten, mit Konzentrationen, die von etwa 100 ppm bis über 1000 ppm variierten. Die getesteten Schadstoffe beinhalteten Benzol, Toluol, Xylol, Butan, Propan, Perchlorethylen, Trichorethylen, Aceton, NO&sub2;, NO und Abgase aus einem tragbaren Viertaktgenerator. In jedem Fall wurde eine zunehmende Zerstörung der Schadstoffe mit zunehmender Reaktorleistung beobachtet, bis die Stammlinie des Schadstoffes auf Werte unterhalb der Erfassungsschwelle der Meßinstrumente verschwand. Es ist wichtig, daß die Zerstörung der Schadstoffe ohne jeden Nachweis der Bildung von Stickstoffoxiden erfolgte; wir haben ferner die Zerstörung von Nox gezeigt, das in den Korona-Reaktor eingeführt wurde.
Die Reaktorkammer war ein Zylinder aus Silica mit einer Länge von 254 mm, einer Dicke von 2 mm und einem Innendurchmesser von 22 mm. Die Kammer zeigte eine Kapazität von 7 pF, und wurde in der Schaltung verbunden mit einer Induktivität von 16 microH. Der Durchmesser des Drahtes der Innenelektrode betrug 50-130 Mikrometer und die Strömungsrate des Gases betrug 50 cm²/min, wobei eine Leistungsversorgung von 4 kV eine Energie von 25 microJ/pro Impuls lieferte. Fig. 14 zeigt die Zerstörung bzw. Vernichtung von Toluol und Benzol in dem Korona- Reaktor; es wurden mehr als drei Größenordnungen (99,9%) von DRE erzielt. Für die anderen getesteten Verbindungen wurden vergleichbare Ergebnisse erhalten, wobei die Energieanforderungen mit der Strömungsrate und der Schadstoffkonzentration anstiegen. Es wurde herausgefunden, daß Benzol von allen getesteten Verbindungen die größte Energiezufuhr benötigte, möglicherweise als Ergebnis der Stabilität, die durch seine aromatische Ringstruktur verliehen wird.
Nachstehend werden einige bestimmte Anwendungsbeispiele für die Erfindung diskutiert. Bei der Steuerung von schadstoffbelasteten Abgasen aus den Maschinen von Kraftfahrzeugen und dergleichen sind derzeit verfügbare katalytische Konverter an ihre Leistungsgrenzen bei 85-90% DRE gestoßen; sie sind nachteilig dahingehend, daß sie zulassen, daß große Mengen an volatilen organischen Verbindungen (VOCs) in dem Abgas verbleiben, und zwar sowohl während Kaltstarts als auch dann, wenn der Fahrer stark Gas gibt. Zusätzlich üben typische katalytische Konverter einen starken Rückdruck auf den Motor aus, wodurch der Motor in einem schmutzigeren Betriebsbereich betrieben wird und signifikant Leistung verbraucht wird, um die Abgase durch den Konverter zu zwingen.
Es ist offensichtlich, daß ein Korona-Reaktor, wie er durch die vorliegende Erfindung gelehrt wird, den herkömmlichen katalytischen Konverter ersetzen könnte und bessere Werte von DRE sowohl für VOCs als auch NOX erzielen kann und ferner einen Großteil der Leistung eliminieren kann, die erforderlich ist, um Abgase durch derzeitige Konverter hindurch zu zwingen. Verglichen mit einem Leistungspegel von etwa 2,6 Brems- Pferdestärken ("brake horsepower, bhp"), der erforderlich ist, um Abgase bei Konstantfahrtbedingungen durch den katalytischen Konverter eines Fahrzeugs mittlerer Größe zu zwingen, wird erwartet, daß der vorliegende Korona-Reaktor etwa 1,3 bhp erfordern würde, um die Abgase bei Spitzenleistung des Motors unschädlich zu machen. Es ist vielleicht sogar wichtiger, daß die neue Korona-Reaktorschaltung gedrosselt werden kann, d. h. ihre Leistung kann in Echtzeit eingestellt werden, um zusätzliche Vernichtungsleistung (durch Steigern der Wiederholrate und/oder Amplitude der Erregungsimpulse) während starker Beschleunigungsvorgänge oder anderer schadstofferzeugender Aktivitäten bereitzustellen, und um zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauches während der Konstantfahrt heruntergedrosselt werden zu können. Die Schaltung könnte sogar Signale von einer intelligenten Schnellstraße empfangen, um beim Eintritt in bestimmte Zentren mit hoher Smogbelastung die Schadstoffvernichtung zu steigern, und das System könnte durch das Bereitstellen von Sensoren in dem Abgasstrom geregelt werden, so daß die Erregungsimpulsrate erhöht wird, wenn ein Anstieg im Schadstoffpegel erfaßt wird.
Firmen, die im Halbleiterbereich arbeiten, sind derzeit strikten Grenzen der täglichen Emission von photoaktiven organischen Verbindungen unterworfen. Um innerhalb dieser Grenze zu bleiben, sind kostenaufwendige Prozeduren notwendig, die das Wiegen von Lösungsmittelflaschen und Lösungsmittelabfallbehältern des Morgens und Nachts erfordern, das Eintragen von Gewichtsveränderungen und das Berechnen des Gewichts an verloren gegangenem Lösungsmittel, und zwar täglich. Kostenaufwendige Maßnahmen zur Behandlung sind für diese Firmen erforderlich, die ansonsten größere Mengen an Lösungsmitteln emittieren würden. Eine derartige Behandlungsmaßnahme ist das Veraschen, was das Verbrennen großer Mengen Erdgas zur Verbrennung der Abfalllösungsmittel beinhaltet. Eine weitere Maßnahme ist es, die Lösungsmittel an Kohlenstoff zu adsorbieren und dann den Kohlenstoff vom Werksgelände weg zu verbringen, zur Rückgewinnung oder Veraschung. Ein Standort, der diesen Ansatz verwendet, muß bei der Annahme von außerordentlich moderaten 125 cfm (Kubikfuß pro Minute) von Luft mit 300 ppm von VOCs Kosten von etwa $ 11.000 pro Monat bei derzeitigen Tagespegeln tragen. Im Gegensatz hierzu würde der neue Korona-Reaktor, der mit 13 J/Liter arbeitet, etwa $ 55 pro Monat kosten, wenn man Elektrizitätskosten von 10 Cent pro Kilowattstunde annimmt. Wenn halogenisierte Lösungsmittel verwendet werden, müßte sowohl im Falle der Erfindung als auch im Falle einer Veraschung nach dem Behandlungsprozeß ein Naßreiniger ("aqueous scrubber") folgen.
Viele Kraftwerke verbrennen Kraftstoffe mit hohem Schwefelanteil, was zu einer Schadstoffbelastung mit Oxiden von Stickstoff und Schwefel (SOx und NOx) führt. Die derzeit überwiegend angewandte Fortschrittstechnologie zur Behandlung von SOx und Nox, beschrieben in "Mechnism of Pulse Corona Induced Plasma Chemical Process for Removal of NOx und Sox from Combustion Gases" von Chang et al. in Conference Record of the IEEE Industry Applications Society, 1988, Seiten 1628-1635, beinhaltet die Verwendung von Ammoniak-Injektionen und Elektronenstrahlanregung des Ausflusses. Der Elektronenstrahl katalysiert eine Reaktion zwischen dem SOx und NOx und dem NH&sub3;, wobei das sich ergebende Ammoniumnitrat und Ammoniumsulfat gesammelt und als Dünger verwendet wird. Es wird erwartet, daß die Erfindung in der Lage ist, diese Schadstoffe sehr viel kostengünstiger unschädlich zu machen. In Staaten mit harten Luftqualitätsgesetzen, wie Kalifornien, verbrennen die Kraftwerke natürliches Gas bzw. Erdgas, um die SOx-Schadstoffe zu vermeiden; diese Anlagen erzeugen VOCs und NOx, die mit dem vorliegenden Reaktor günstig zu behandeln sind.
Die Gasvernichtung ist ferner wichtig für geschlossene oder halbgeschlossene Bereiche, in denen die Luft umgewälzt wird. Beispielsweise ist ein Großteil der Oberfläche von Böden, Wänden und Decken in modernen Gebäuden mit Kunststoffen bedeckt, die kontinuierlich Weichmacher und andere Verbindungen ausgasen. Die toxischen Pegel dieser VOCs können sich in Gebäuden, die eine nicht hinreichende Frischluftzirkulation besitzen, akkumulieren, was empfindliche Individuen nachteilig beeinträchtigen kann. Autos können durch die Abgase anderer Fahrzeuge auf der Straße leiden und in Flugzeugen setzt die umgewälzte Luft die Passagiere wechselseitig mit ihren in der Luft enthaltenen Viren aus. Sämtliche dieser Probleme lassen sich durch die Erfindung günstig behandeln, wobei die Behandlung Viren und Bakterien bis hinunter zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidieren sollte. Da die Konzentrationen dieser Schadstoffe nicht so hoch sind wie beispielsweise in den Abgasen von Fahrzeugen, wäre nur eine relativ geringe Leistungsdichte erforderlich, um sie zu zerstören. In einem Fahrzeug, das bereits mit einem elektronischen katalytischen Konverter ausgestattet ist, könnte ein zweiter Korona-Reaktor gemäß der Erfindung aus derselben Leistungsversorgung mit Leistung versorgt werden.
Obgleich einige illustrative Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ergeben sich für Fachleute eine Vielzahl von Variationen und alternativen Ausführungsformen. Obgleich die Erfindung in Verbindung mit der Zerstörung von Schadstoffen in Gasströmen beschrieben worden ist, ist sie beispielsweise auch anwendbar auf das Entfernen von gewissen Abfällen in flüssigen Strömungen. Derartige Variationen und alternative Ausführungsformen lassen sich erdenken und können vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
Zusammenfassend verbindet ein Schadstoffvernichtungssystem eine kapazitive Korona-Entladungskammer 2; 60; 68a, 68b; 72a, 72b, 72c in einem Schwingkreis mit einem induktiven Element 16; 66; 70; 74. Aus einer Leistungsversorgung 18, 20, 22 werden intermittierende Erregungssignale 34, 34', 40, 50 bereitgestellt, um Korona-Entladungen 54 innerhalb der Kammer zu induzieren, wobei der Schwingkreis auf die Erregungssignale anspricht, indem zusätzliche Korona-Entladungen zwischen den Erregungssignalen 34, 34', 40, 50 zur Schaffung eines energetisch hochwirksamen Betriebs eingeleitet werden. Eine oder mehrere Entladungskammern 2; 60; 68a, 68b; 72a, 72b, 72c können in dem Schwingkreis enthalten sein, wobei jede Entladungskammer eine dielektrische Hülle 4 mit einer verteilten Elektrode 6; 66 an ihrer Außenseite und eine längliche Elektrode 8; 58; 62 im Inneren der Hülle aufweist. Die innere Elektrode 8; 58; 62 kann sich entweder entlang der Kammerachse oder zur besseren Lagerung und Wärmeabführung entlang der inneren Kammerwand erstrecken. Die Frequenz der Erregungsimpulse kann auf verschiedene Art gesteuert werden, wie als Antwort auf eine Beendigung von Korona- Entladungen 54, durch einen Anstieg in der Schadstoffkonzentration oder eine Beschleunigung eines Motors 28, dessen Abgase behandelt werden, oder die Impulse können mit einer festen Rate angelegt werden.

Claims

1. Schadstoffvernichtungssystem mit:

einer kapazitiven Corona-Entladungskammer (2; 60; 68a, 68b; 72a, 72b, 72c), die eine innere (8; 58; 62) und eine äußere (6) Elektrode, die einen Kondensator bilden, und einen Strömungspfad (12, 4, 16) für ein schadstoffenthaltendes Fluid aufweist und erregbar ist, um eine schadstoffunschädlichmachende Corona-Entladung (54) zu erzeugen, gekennzeichnet durch

ein induktives Element (16; 66; 70; 74), das mit den Elektroden (6, 8) der Entladungskammer (2; 60; 68a, 68b; 72a, 72b, 72c) elektrisch gekoppelt ist, um einen Schwingkreis einzurichten, und

eine Leistungsversorgung (18, 20, 22), die angeschlossen ist, um dem Schwingkreis intermittierende Erregungssignale (34, 34', 40, 50) zuzuführen, um Corona-Entladungen (54) mittels der Kammer (2; 60; 68a, 68b; 72a, 72b, 72c) zu induzieren, wobei der Schwingkreis auf die Erregungssignale (34, 34', 40, 50) anspricht, indem zusätzliche Corona-Entladungen (36, 38, 36', 38', 46) mittels der Entladungskammer (2; 60; 68a, 68b; 72a, 72b, 72c) zwischen den Erregungssignalen (34, 34', 40, 50) initiiert werden.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis eine Resonanzfrequenz (1/τ) aufweist und daß die Leistungsversorgung (18, 20, 22) die Erregungssignale (34, 34', 40, 50) mit einer Frequenz zuführt, die kleiner ist als die halbe Resonanzfrequenz (1/τ).

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungskammer (2; 60) eine dielektrische Umhüllung (4) aufweist, wobei eine verteilte Elektrode (16; 66; 70; 74) außerhalb der Umhüllung (4) und eine längliche Elektrode (8; 58; 62) innerhalb der Umhüllung (4) vorgesehen sind.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungskammer (2; 60) eine Innenwand aufweist und daß sich die längliche Elektrode (58; 62) entlang der Innenwand erstreckt.

5. System nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis eine Resonanzperiode (x) aufweist und daß die Erregungssignale (34, 34', 40, 50), die von der Leistungsversorgung (18, 20, 22) bereitgestellt werden, Zeitdauern (32) von weniger als 10% der Resonanzperiode (τ) aufweisen.

6. Schadstoffvernichtungsverfahren, gekennzeichnet durch:

Anlegen eines Erregungssignals (34, 40), um eine Corona- Entladung (54) mittels einer kapazitiven, schadstoffunschädlichmachenden Corona-Entladungskammer (2; 60, 68a, 68b; 72a, 72b, 72c) einzuleiten, die eine innere (8; 58; 62) und eine äußere (6) Elektrode aufweist, die einen Kondensator bilden, der elektrisch mit einem induktiven Element (16; 66; 70; 74) verbunden ist, um einen Eigenschwingkreis einzurichten und um eine Selbstoszillation mittels der Schaltung zu initiieren,

Beenden des Erregungssignals (34, 40) und

Zulassen, daß der Kreis von selbst oszilliert und zusätzliche Corona-Entladungen als Ergebnis der Selbstoszillation erzeugt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den Schritt, an die Entladungskammer (2; 60; 68a, 68b; 72a, 72b, 72c) zusätzliche Erregungssignale (34', 50) anzulegen, wobei die Erregungssignale (34, 34', 40, 50) zeitlich wechselseitig um wenigstens eine selbstoszillierende Corona-Entladung beabstandet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungskammer (2; 60; 68a, 68b; 72a, 72b, 72c) dazu angeordnet ist, das Abgas von einer Maschine (28) zu empfangen, und daß das Anlegen der zusätzlichen Erregungssignale (34', 50) gemäß Beschleunigungsvorgängen der Maschine (28) variiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch den Schritt, die Schadstoffe in einem Fluid zu sensieren (24), das durch die Entladungskammer (2; 60; 68a, 68b; 72a, 72b, 72c) strömt, wobei das Anlegen der Erregungssignale (34, 34', 40, 50) gemäß den sensierten Schadstoffen variiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, mit den weiteren Schritten, das Ende der Corona-Entladungen (54) mittels der Entladungskammer (2; 60; 68a, 68b; 72a, 72b, 72c) zu sensieren und die zusätzlichen Erregungssignale (34', 50) in Antwort auf ein sensiertes Ende von Corona-Entladungen (54) anzulegen.