WO2003047727A1 - Verfahren zur gasreinigung - Google Patents

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Jörg Höschele
Jürgen STEINWANDEL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
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    • B01J19/122—Incoherent waves
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    • Y10S588/90—Apparatus

Definitions

  • the invention relates to a method for gas purification according to the preamble of patent claim 1.
  • EP 0 785 016 A1 describes a complex process for removing pollutant-containing exhaust air by combining a biological cleaning stage with a non-thermal plasma cleaning stage. Another disadvantage of the process described in EP 0 785 016 A1 is that the non-thermal plasma only partially oxidizes the pollutants, which means that toxic constituents can be formed. For the cleaning of these components, the use of further moderators is used, which means a further construction effort.
  • thermal plasmas are used for cleaning gases.
  • the gas to be cleaned is fed into the between two electrodes e.g. generated by an arc burner thermal plasma.
  • the disadvantage here is that due to the high gas velocity of the plasma and the high density gradient, the gas to be cleaned can only penetrate insufficiently into the hot plasma zones.
  • the gas to be cleaned is passed through a thermal plasma, the plasma being generated by electrodeless ignition of a process gas, so that the pollutants contained in the gas to be cleaned are converted into environmentally neutral, fully oxidized substances by means of the thermal plasma.
  • An advantage of the method according to the invention is that due to the high plasma temperatures, which are in the range of a few 10,000 K, the pollutants, which usually consist of long-chain CH compounds, are split into individual environmentally compatible CH fragments, which is also referred to as cracking.
  • Another advantage is that no further filters or moderators are necessary. As a result, the method according to the invention is simpler and less expensive than conventional methods.
  • the plasma is generated without electrodes in the method according to the invention, no wearing parts such as e.g. the electrodes of an arc torch. This also prevents any reactions of the pollutants with the electrodes, which would lead to the formation of toxic constituents, particularly in tungsten electrodes in conventional arc burners.
  • the process gas required to ignite the plasma contains oxygen and / or nitrogen. Air can expediently be used as the process gas, but it is also possible to use process gases with other stoichiometric ratios.
  • the thermal plasma can be ignited by means of resonant coupling of high-frequency microwaves to the process gas. Such an ignition is known for example from DE 195 13 250 A1.
  • the method according to the invention can be used in particular in the cleaning of gases and vapors which arise in the bath care in electroplating or degreasing baths.
  • the method according to the invention can also be used in other fields of application in which the purification of exhaust air containing pollutants or harmful to health is required.
  • Fig. 1 shows a sectional view of a first exemplary embodiment of the method according to the invention, wherein the process gas is ignited by means of microwaves.
  • Fig. 2 shows a sectional view of a second exemplary embodiment of the method according to the invention, wherein the process gas is ignited by means of radio waves.
  • a first exemplary device for performing the method according to the invention is shown in a sectional view.
  • a dielectric microwave-transparent tube 1 with a gas inlet opening 2 and a gas outlet opening 3 is advantageously present.
  • the process gas P is advantageously introduced into the pipe 1 through the gas inlet opening 2, the process gas P being introduced in such a way that it advantageously has a tangential and an axial flow component directed in the direction of the gas outlet opening 3.
  • a metallic expansion nozzle 4 is advantageously attached to the gas outlet opening 3 of the tube 1.
  • the tube 1 is expediently in a waveguide 5, in which the microwaves, which are generated by a microwave source, not shown, are transported. By absorption of microwave energy, a thermal microwave plasma 7 is ignited in the area 6 in which the tube 1 is located in the waveguide 5.
  • the microwave source can be operated continuously or pulsed.
  • the gas RG to be cleaned is advantageously passed through the gas inlet opening 2 into the pipe 1 and thus through the region 6 in which the plasma 7 burns.
  • the cleaning of the pollutant-containing gas RG takes place in this area 6, the pollutants being cracked into individual environmentally compatible fragments.
  • This gas mixture consisting of the plasma 7, the cleaned gas G and the fragments, flows through the expansion nozzle 4 at the gas outlet opening 3 of the tube 1.
  • the gas mixture is expanded, thereby preventing, in particular, recombination of the fragments present in the gas mixture into toxic substances becomes.
  • FIG. 2 essentially corresponds to the embodiment shown in FIG. 1. 2, the tube 1 is wrapped with a coupling coil 8, however. Furthermore, the tube 1 is advantageously transparent to radio waves. Thus, according to the embodiment in FIG. 1, a thermal rf plasma 7 is generated in the region 6 by means of absorption of radio energy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Gasen, insbesondere zur Reinigung von mit Umwelt-Schadstoffen verunreinigten Gasen (RG) mittels Plasmaentladung. Erfindungsgemäß wird das zu reinigende Gas (RG) durch ein thermisches Plasma (7) geleitet, welches mittels elektrodenlosem Zünden eines Prozeßgases (P) erzeugt wird, so dass mittels des thermischen Plasmas (7) die in dem zu reinigenden Gas (G) enthaltenen Schadstoffe in umweltneutrale volloxidierte Substanzen umgewandelt werden.

Description

VERFAHREN ZUR GASREINIGUNG MITTELS PLASMAENTLADUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasreinigung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Mit der zunehmenden Bedeutung des Umweltschutzes hat sich in den letzten Jahren eine Reihe von Verfahren zur Entfernung von Schadstoffen (Emissionen), z.B. von organischen Lösemitteln, in Abluft etabliert. In EP 0 785 016 A1 wird ein aufwendiges Verfahren zur Entfernung von schadstoffhaltiger Abluft durch Kombination einer biologischen Reinigungsstufe mit einer nicht-thermischen Plasmareinigungsstufe beschrieben. Ein weiterer Nachteil des in EP 0 785 016 A1 beschriebenen Verfahrens ist, dass durch das nicht-thermische Plasma die Schadstoffe nur teiloxidiert werden, wodurch toxische Bestandteile gebildet werden können. Es werden zur Reinigung dieser Bestandteile der Einsatz weiterer Moderatoren eingesetzt, die einen weiteren baulichen Aufwand bedeuten.
Es sind des weiteren Verfahren bekannt, bei denen zur Reinigung von Gasen thermische Plasmen verwendet werden. Hierbei wird das zu reinigende Gas in das zwischen zwei Elektroden z.B. eines Bogenbrenners erzeugte thermische Plasma geleitet. Der Nachteil hierbei ist, dass das zu reinigende Gas aufgrund der hohen Gasgeschwindigkeit des Plasmas und des hohen Dichtegradienten nur unzureichend in die heißen Plasmazonen eindringen kann.
Ein weiteres Verfahren, bei dem zur Abluftreinigung ein Plasma mit einem Katalysator kombiniert wird, ist aus dem PLASMACAT® - Verfahren der Fa. Up-To-Date Umwelttechnik AG bekannt. Ein weiteres Verfahren zur Gasreinigung mittels dielektrisch behinderter Entladung wird in US 5,387,775 beschrieben. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine gegenüber dem Stand der Technik einfachere und effektivere Reinigung von schadstoffhaltiger Luft möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird das zu reinigende Gas durch ein thermisches Plasma geleitet, wobei das Plasma mittels elektrodenlosem Zünden eines Prozeßgases erzeugt wird, so dass mittels des thermischen Plasmas die in dem zu reinigenden Gas enthaltenen Schadstoffe in umweltneutrale volloxidierte Substanzen umgewandelt werden.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass aufgrund der hohen Plasmatemperaturen, welche im Bereich von einigen 10000 K liegen, die Schadstoffe, welche üblicherweise aus langkettigen CH-Verbindungen bestehen, in einzelne umweltverträgliche CH-Fragmente gespalten werden, was auch als Cracken bezeichnet wird.
Ein weiterer Vorteil ist, dass keine weiteren Filter oder Moderatoren notwendig sind. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren einfacher und kostengünstiger.
Da in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Plasma elektrodenlos erzeugt wird, werden keine Verschleißteile wie z.B. die Elektroden eines Bogenbrenners benötigt. Somit werden auch etwaige Reaktionen der Schadstoffe mit den Elektroden, welche insbesondere bei Wolframelektroden in herkömmlichen Bogenbrennem zur Bildung von toxischen Bestandteilen führen würden.
In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das zur Zündung des Plasmas benötigte Prozeßgas Sauerstoff- und/oder stickstoffhaltig. Zweckmäßig kann hierbei als Prozeßgas Luft verwendet werden, es ist aber auch möglich, Prozeßgase mit anderen stöchiometrischen Verhältnissen einzusetzen. Das thermische Plasma kann in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung mittels resonanter Kopplung von hochfrequenten Mikrowellen an das Prozeßgas gezündet werden. Eine derartige Zündung ist z.B. aus DE 195 13 250 A1 bekannt.
Es ist aber in einer anderen vorteilhaften Ausführung der Erfindung auch möglich, das thermische Plasma mittels induktiver Kopplung von Radiowellen an das Prozeßgas zu zünden. Ein derartiges Verfahren ist aus der nicht vorveröffentlichen DE 101 40 298.8 bekannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei der Reinigung von Gasen und Dämpfen, die bei der Badpflege bei Galvanik- oder Entfettungsbädern entstehen, eingesetzt werden. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in anderen Anwendungsgebieten, in denen die Reinigung von schadstoffhaltiger oder gesundheitsschädlicher Abluft erforderlich ist, eingesetzt werden.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden im weiteren anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in Schnittdarstellung eine erste beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Prozeßgas mittels Mikrowellen gezündet wird.
Fig. 2 in Schnittdarstellung eine zweite beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Prozeßgas mittels Radiowellen gezündet wird.
In Fig. 1 ist in Schnittdarstellung eine erste beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Vorteilhaft ist ein dielektrisches mikrowellentransparenten Rohr 1 mit einer Gaseintrittsöffnung 2 und einer Gasaustrittsöffnung 3 vorhanden. Das Prozeßgas P wird vorteilhaft durch die Gaseintrittsöff- nung 2 in das Rohr 1 eingeleitet, wobei die Einleitung des Prozeßgases P derart erfolgt, dass es vorteilhaft eine tangentiale und eine in Richtung der Gasaustrittsöffnung 3 gerichtete axiale Strömungskomponente aufweist. An der Gasaustrittsöffnung 3 des Rohrs 1 ist vorteilhaft eine metallische Expansionsdüse 4 angebracht. Das Rohr 1 befindet sich zweckmäßig in einem Wellenleiter 5, in dem die Mikrowellen, welche von einer nicht dargestellten Mikrowellenquelle erzeugt werden, transportiert werden. Durch Absorption von Mikrowellenenergie wird in dem Bereich 6, in dem sich das Rohr 1 in dem Wellenleiter 5 befindet, ein thermisches Mikrowellenplasma 7 gezündet. Die Mikrowellenquelle kann dabei kontinuierlich oder gepulst betrieben werden.
Das zu reinigende Gas RG wird vorteilhaft durch die Gaseintrittsöffnung 2 in das Rohr 1 und somit durch den Bereich 6, in dem Plasma 7 brennt, geleitet. In diesem Bereich 6 findet die Reinigung des schadstoffhaltigen Gases RG statt, wobei die Schadstoffe in einzelne umweltverträgliche Fragmente gecrackt werden. Dieses, aus dem Plasma 7, dem gereinigten Gas G und den Fragmenten bestehende Gasgemisch, strömt durch die Expansionsdüse 4 an der Gasaustrittsöffnung 3 des Rohrs 1. Das Gasgemisch wird dabei expandiert, wodurch insbesondere eine Rekombination der in dem Gasgemisch vorhandenen Fragmente zu toxischen Substanzen verhindert wird.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführung entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Ausführung. In Fig. 2 ist das Rohr 1 allerdings mit einer Koppelspule 8 umwickelt. Des weiteren ist das Rohr 1 vorteilhaft radiowellentransparent. Somit wird, entsprechend der Ausführung in Fig. 1 , mittels Absorption von Radioenergie im Bereich 6 ein thermisches rf-Plasma 7 erzeugt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Reinigung von Gasen, insbesondere zur Reinigung von mit Umwelt-Schadstoffen verunreinigten Gasen (RG) mittels Plasmaentladung, dadurch gekennzeichnet, dass das zu reinigende Gas (RG) durch ein thermisches Plasma (7) geleitet wird, welches mittels elektrodenlosem Zünden eines Prozeßgases (P) erzeugt wird, so dass mittels des thermischen Plasmas (7) die in dem zu reinigenden Gas (RG) enthaltenen Schadstoffe in umweltneutrale volloxidierte Substanzen umgewandelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Prozeßgas (P) sauerstoffhaltig und/oder stickstoffhaltig ist.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (7) mittels resonanter Kopplung von hochfrequenten Mikrowellen an das Prozeßgas (P) gezündet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Plasma (7) mittels induktiver Kopplung von Radiowellen an das Prozeßgas (P) gezündet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (7) in einem dielektrischen, mikrowellen- oder radiowel- lentransparenten sowie eine Gaseintritts-(2) und Gasaustrittsöffnung (3) aufweisenden Rohr (1) gezündet wird, wobei das Prozeßgas (P) derart durch die Gaseintrittsöffnung (2) in das Rohr (1) eingespeist wird, dass das Prozeßgas (P) eine tangentiale Strömungskomponente aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zu reinigende Gas (RG) durch die Gaseintrittsöffnung (2) des Rohrs (1) in das Plasma eingeleitet wird. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (7) und das durch das Plasma (7) gereinigte Gas (G) durch eine an der Gasaustrittsöffnung (3) vorhandenen metallischen Expansionsdüse (4) geleitet werden.
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