WO2017157625A1 - Device and method for generating a non-thermal plasma for the gasification of a mass using a pulse generator - Google Patents

Device and method for generating a non-thermal plasma for the gasification of a mass using a pulse generator Download PDF

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WO2017157625A1
WO2017157625A1 PCT/EP2017/053948 EP2017053948W WO2017157625A1 WO 2017157625 A1 WO2017157625 A1 WO 2017157625A1 EP 2017053948 W EP2017053948 W EP 2017053948W WO 2017157625 A1 WO2017157625 A1 WO 2017157625A1
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pulse
center electrode
electrodes
plasma
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PCT/EP2017/053948
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Manfred Baldauf
Robert Fleck
Thomas Hammer
Martin Hergt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/12—Heating the gasifier
    • C10J2300/123—Heating the gasifier by electromagnetic waves, e.g. microwaves
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Definitions

  • the present invention relates to a device according to the preamble of the main claim and a method according to the preamble of the independent claim.
  • the present invention contributes to Realisie ⁇ tion of a C02-emission energy supply system, the security of supply based on renewable energy can make ⁇ guaranteed. In order to ensure security of supply, need
  • Fossil-fueled power plants have the disadvantage of high CO 2 emissions and are therefore no longer sustainable. Hydropower plants can make a significant contribution to a sustainable energy system in some regions of the world, but are not feasible in other regions, for example due to climatic or geological conditions. Power plants powered by biogenic fuels are an option here whose acceptance depends on whether enough biogenic residues are available for operating the biomass power plants. If this is not the case, there may be conflicts of interest between energy supply and food supply. Biogenic residual substances, on the other hand, often have a low volumetric calorific value, which, under sustainability aspects, barely permits transport over distances of more than 25 km and has an unfavorable effect on the efficiency of power plants. To- Biogenic residues without treatment often do not allow any clean combustion. Biomass-fueled steamer ⁇ producers often have problems because of corrosion a short service life. Therefore, the production of clean high calorific fuel gases by thermal gasification of biomass has been considered with various concepts and reactors.
  • the thermal plasma offers the possibility of heat supply independently of combustion ⁇ processes, for example, with air. Therefore, the entste- rising product gas has a high hydrogen content and can be used much ⁇ TION CAREFULLY.
  • the plasma process can use renewable electricity as an energy source for the gasification process. Kon ⁇ tionally this energy is taken out of the heating value of about ⁇ forgot to send bulk or other fuels supplied. Therefore, the plasma gasification process can also act as a sink be used for renewable electricity, in particular at times when electricity is cheaply available due to high feed-in of renewable electricity generation.
  • the generation of large-volume medium-temperature plasmas is known, in contrast, allows the gasification of biomass at such low temperatures that the ash does not melt and thus no slags gebil ⁇ det are. In contrast to the thermal plasma just mentioned, this is a non-thermal plasma, which can also be called non-equilibrium plasma.
  • Gasification is similar in both plasmas, but energy consumption is significantly higher in thermal plasma than in non-thermal gasification, where the energy barrier is overcome by the production of radicals in the plasma.
  • the generation of a non ⁇ thermal plasma is carried out in various systems, which differ in the design of the reactor, the applied ⁇ pressure, which is usually atmospheric, and the voltage source.
  • 2000 ⁇ Re ⁇ 15000 is crucial for the operation of a large-volume medium-temperature plasma operated at 50Hz AC. In fact, this is just one of several necessary conditions.
  • the operation of extended high temperature thermal plasmas under the aforementioned flow conditions is known.
  • Reforming means here in particular air and / or Dampfre ⁇ formation as the conversion of a hydrocarbon gas with addition of air and / or water vapor mixture into a combustible gas.
  • an apparatus for producing a combustible gas from a mass, in particular a biomass, by means of a non ⁇ thermal plasma provided in a reactor is proposed, wherein an electrical butterversor- device controlled by a control device temporal pulse pattern courses at electrodes one in the reactor a trained electrode system, wherein the power supply device is an inductive voltage adder having voltage pulse generator.
  • a method for producing a combustible gas from a mass, in particular a biomass, by means of a non-combustible gas generated in a reactor is disclosed.
  • an electrical power supply device controlled by a control device applies temporal pulse pattern profiles to electrodes of an electrode system formed in the reactor, wherein the power supply device is a voltage pulse generator having an inductive voltage adder.
  • the invention is based on a voltage source with a novel topology in which the electrode system of the reactor is integrated. With this arrangement, short pulses with ⁇ -second durations can be generated at high repetition rates, which can efficiently generate large volume non-thermal plasmas of high power density, that is, electrical power per reactor volume.
  • the high power density allows the construction of compact Verga ⁇ sungsreaktoren in which with adjusted throughput of biomass or suitable waste or coal or mixtures thereof, and water vapor, the specific energy, which is the electrical power per mass flow of biomass and What ⁇ serdampf set can that a complete conversion of biomass can be achieved.
  • a mass flow supplied to the reactor and formed from the fuel to be gasified, for example biomass, organic wastes, coal and the like, and water vapor is called educt mass flow in the following, the mass flow converted by the plasma and discharged from the reactor being called the product mass flow.
  • the plasma energy is supplied pulsed to the educt mass flow, a substantial fraction of it is used for ionization and dissociation of molecules, for example of water vapor, this being referred to below as radical formation. Only a smaller fraction leads directly to a heating of the Eduktmassenstroms.
  • the Radika ⁇ le conduct efficient gasification reactions on the surface of biomass or organic waste or coal particles and Reforming reactions of organic gases or vapors, which would otherwise run fast only at high temperature.
  • the moderate increase by the plasma gas tempera ⁇ ture causes the free radicals formed in the plasma preferred attack organic gas molecules and solids and are not lost by recombination.
  • the inductive voltage adder can provide pulse lines up to the kilowatt / range, in pulse lengths of up to about 50 ys, and pulse repetition rates of up to about 500 kHz for a secondary side.
  • a plurality of secondary windings may be arranged parallel to the primary winding of the primary side of the transformer on the secondary side and connected electrically in series.
  • an electrical insulator can be electrically connected to each secondary winding, attenuating or absorbing waves reflected by electrode pairs of the electrode system.
  • a respective delay element can be electrically connected to each electrical insulator for designing the pulse pattern courses.
  • the characteristic impedances of the secondary winding of the electrical insulator, the delay element and the controlled at ⁇ electrodes of the electrode system may be the same in each strand.
  • the electrode system may have a plurality of circulating electrodes extending spatially around it along an axial center electrode.
  • a voltage pulse pattern course can be applied to each circulation electrode with respect to the center electrode, wherein each voltage pulse can generate a plasma filament between a respective circulation electrode and the center electrode.
  • Plasma refers to a particular particle mixture on ato ⁇ mar-molecular level, the components of which are partially charged components, ions, and electrons. This means that a plasma contains free charge carriers.
  • Filament refers in particular to a fibrous elongated spatial configuration.
  • a voltage pulse pattern course can be applied to all circulating electrodes with respect to the center electrode, wherein a plasma filament circulating the center electrode can be generated between a respective circulating electrode and the center electrode.
  • control device with the voltage and current values of each set a plasma filament generating impulses or control the temperature of the plasma.
  • a volume between circulation electrode and center electrode can be adjustable.
  • pulse rise times in the range from 50 ns to 200 ns can be set by means of semiconductor switches.
  • the mass can be around the center electrode around strö ⁇ men, in particular in the circumferential direction of Plasmafilaments, ge ⁇ additionally leads turbulent.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a conventional
  • Figure 2 shows a second embodiment of a conventional
  • FIG. 3 shows a first embodiment of an inventive device ⁇ SEN
  • FIG. 4 shows a first embodiment of an inventive ⁇ SEN electrode system
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a pulse pattern embodiment according to the invention
  • Figure 6 is a further illustration of the firststrasbei ⁇ play of an electrode system according to the invention.
  • 7 shows a first embodiment of an inventive method ⁇ SEN;
  • FIG. 8 shows a second exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a conventional device.
  • the generation of voltage pulses is conventionally achieved, for example, with a pulse generator according to FIG.
  • FIG. 1 shows a pulse generator with a power supply source 2 and a charging capacitor 4, as are electrically connected to a reactor 12 via a semiconductor switch 6.
  • FIG. 1 shows a conventional pulse generator.
  • the semiconductor switch 6 the charging capacitor 4 is connected to the reactor 12.
  • the breakdown voltage of the semiconductor switch 6 must be greater than the charging voltage of the charging capacitor 6.
  • the current In the case of ignition of the plasma between the electrode 8 and anode 10 in the chamber, the current must not exceed the maximum allowable current of the semiconductor switch 6.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a herkömm ⁇ handy device.
  • a DC link capacitance 4 is electrically connected to a reactor 12 by means of a full bridge with switches or semiconductor switches 6.
  • switches or semiconductor switches 6 By means of the switch A to D as an embodiment of a semiconductor switch 6 can be generated advantageous ⁇ exemplary pulse pattern. Basically, however, there are similar restrictions in terms of current and voltage according to the first embodiment shown in Figure 1.
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a device OF INVENTION ⁇ to the invention.
  • a so-called inductive voltage adder (IVA) [1] Bluhm 2006 "Pulsed Power Systems, Principles and Applications; Hansjoachim Bluhm, Springer Verlag 2006 be ⁇ written , the basis for a pulse generator according to the present invention.
  • IVA inductive voltage adder
  • Figure 3 shows a block diagram of egg ⁇ nes pulse generator according to the invention, which is integrated in a reactor 3 for particular reforming process.
  • Figure 3 shows a device I for producing a combustible gas from a mass M, in particular a biomass, by means of a established in a reactor 3 non-thermal plasma, wherein a 7 temporal pulse pattern waveforms to electrodes in a by means of a control device 5 gesteu ⁇ erte electric power supply device Reactor 3 forms ⁇ formed electrode system, wherein the sauversor ⁇ supply device 7 is an inductive voltage adder 11 exhibiting voltage pulse generator.
  • the inductive voltage adder 11 provides a transformer element, wherein parallel to a primary winding 13 of the primary side of the transformer on the secondary side of this transformer, a plurality are arranged n of secondary windings 15 and electrically connected in series.
  • an electrical insulator 17 is electrically connected.
  • Such an insulator 17 can attenuate or absorb waves reflected by electrodes or electrode pairs of the electrode system.
  • a delay element 19 for Ge ⁇ staltung of pulse pattern curves electrically connected electrically connected. In any beach the characteristic impedances of the secondary ⁇ winding 15, the electrical insulator 17, the delay ⁇ element 19 and the driven electrodes 9 of the electric ⁇ densystems should be made the same in the reactor.
  • the inductivelysaddie ⁇ rer 11 is a defined pulse power, pulse length and Pulsrepetitionsraten connected to the primary side of the transformer operated.
  • secondary windings 15 are electrically connected in series.
  • Each secondary winding 15 is provided with an insulator 17 which mars the reflective waves from the individual electrode pairs of the electrode system via an additional resistor.
  • a respective tarry ⁇ approximately element or delay element 19 re can be generated under ⁇ Kunststoffliche pulse pattern used for individual Elektrodenpaa-. It is important to ensure that the
  • Characteristic impedance between the individual components are adapted to each other.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of an electrode system according to the invention.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a possible electrode configuration of electrodes 9 in an electrode system which is formed in a reactor 3.
  • FIG. 4 shows a plurality of circulatory electrodes 23 extending along an axial center electrode 21 around them.
  • the circulating electrodes 23 are numbered 1 to 6.
  • the center electrode 21 in the middle of this cross-section is advantageous ⁇ a ground electrode. Together with the common ground electrode or center electrode 21, according to FIG. 4, six electrode pairs can be formed.
  • Figure 4 shows an electrode configuration of six electrodes 9 to which each have a common ground electrode or the middle ⁇ electrode 21, a high voltage is applied.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a voltage pulse pattern curve according to the invention.
  • 5 shows an execution ⁇ example of a pulse pattern, which can be applied to electrodes 9 according to the Fi gur ⁇ . 4
  • the electrode pairs according to FIG. 4 can be activated by way of example.
  • FIG. 5 shows a pulse pattern associated with FIG. 4, wherein in each case individual pairs of electrodes are driven, so that a plasma filament can be ignited at the corresponding electrodes 9.
  • FIG. 5 shows, for each of the six circulating electrodes 23, a time course of one to the respective one Circulating electrode 23 applied voltage, which is applied in the form of pulses.
  • the upper span ⁇ Vietnamese spaszeitverlaufskurve refers to the first circulation electrode 23, the second representation of the second circulation electrode 23 and so on to the lower representation of the voltage waveform at the sixth circulation electrode 23.
  • a voltage difference can always be generated with respect to the center electrode 21 who ⁇ the.
  • the individual electrodes 9, namely the circulation electrodes 23 with the numbers 1 to 6 with the common counterelectrode, which is the center electrode 23, can be ignited one after the other.
  • the electrodes 9 can basically be ignited arbitrarily.
  • the electrodes 23 fire also to the next angeordne- th revolution electrode 23rd This, however, is dependent on the Matters ⁇ th pulse pattern which is predetermined by the delay elements 19th From the technical point of view, the ignition of the plasma via a plurality of electrodes 23 is possible at the same time because the insulators 17 absorb the returning electrical power to the inductive voltage adder. According to the pulse pattern and the resulting plasmas, a large volume between the electrodes can be used for a reforming process. The aim is to fill a possibly large volume with generated plasma by means of a suitable pulse pattern.
  • Figure 6 shows a longitudinal section of the exemplary embodiment ge ⁇ Gurss Figure 4 is to be constant, since the ratio between the electric field strength based on the volume in a reactor 3 at each temperature, the shape of the electric must ⁇ 9 depending on the temperature gradient according to the form and Distance to be adapted to the electrodes 9.
  • Figure 6 shows an embodiment of an electrode geometry in the longitudinal ⁇ cut example of an electrode arrangement according to Figure 4.
  • Figure 6 shows an axial center electrode 21, and an order ⁇ continuous electrode 23.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • Figure 4 shows a time sequence of an on ⁇ control of an electrode system according to Figure 4.
  • Figure 4 shows in each case a center electrode 21, electrodes 23 and circulation generated in accordance with a control Plasmafilêt 25.
  • a drive may here, for example, be 5 are ⁇ leads FIG.
  • a non-thermal plasma is formed between respectively adjacent electrodes 23 and 21, wherein the non-thermal plasma in the form of plasma filaments 25 runs in a circle around the central ground electrode or center electrode 21.
  • the VELOCITY ⁇ ness of this circular motion of the plasma 25 depends on the length of the individual pulses. For a ho possible ⁇ nous implementation of Eduktmassenstromes highest possible circular velocity is advantageous.
  • the heating of the educt mass flow through the plasma can be efficiently controlled by means of parameters which can be set on the power supply or on the control device 5. Compared to an external electrical heating results in the advantage that the heating is practically ⁇ table inertia by means of the plasma. Since gas temperature and electrical conductivity through the above-described mechanism are gekop ⁇ pelt, the electric conductivity in each ac- tive plasma channel can be used as parameter for the temperature herangezo ⁇ gen. The electrical conductivity in turn can be determined directly from measurement signals in the inductive voltage adder IVA without additional sensors. This results in an easy way to control the temperature and thus to optimize the gasification.
  • FIG. 4 illustrates a plasma circulating in the counterclockwise direction here.
  • Figure 8 shows a further embodiment of the method according OF INVENTION ⁇ dung. This further embodiment causes ei ⁇ ne particularly efficient implementation of biomass, namely, that in the area of the electrodes 9 a swirl flow, ie a turbulent flow to the center electrode 21 ge ⁇ create.
  • FIG. 8 shows by the circulation arrow the
  • Scalability of the reactor 3 also plays a significant role in the period of ignition of the plasma. This is enced ent ⁇ divorce affect by the rise time of the voltage pulses.
  • These are in commercial semiconductor switches 6, for example Insolated Gate Bipolar Transistor (IGBT) in the range of 100 ns.
  • IGBT Insolated Gate Bipolar Transistor

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Abstract

The invention relates to a device (I) and a method for generating a combustible gas from a mass (M), in particular a biomass, using a non-thermal plasma produced in a reactor (3), wherein an electric power supply system (7) that is controlled by a control system (5) applies pulse patterns over time to electrodes (9) of an electrode system that is provided in the reactor (3). The invention is characterised in that the power supply system (7) is a voltage pulse generator that has an inductive voltage adder (11).

Description

Beschreibung description
Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas zur Massevergasung mittels eines Pulsgenerators Apparatus and method for generating a non-thermal plasma for mass gasification by means of a pulse generator
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs. Die vorliegende Erfindung leistet einen Beitrag zur Realisie¬ rung eines C02-emissionsarmen Energieversorgungssystems, das Versorgungssicherheit auf Basis erneuerbarer Energien gewähr¬ leisten kann. Um Versorgungssicherheit gewährleisten zu können, benötigenThe present invention relates to a device according to the preamble of the main claim and a method according to the preamble of the independent claim. The present invention contributes to Realisie ¬ tion of a C02-emission energy supply system, the security of supply based on renewable energy can make ¬ guaranteed. In order to ensure security of supply, need
Energieversorgungssysteme mit einem hohen Anteil fluktuieren¬ der erneuerbarer Energie aus Windkraft- und Solaranlagen ent¬ weder große Reservekapazitäten in Form konventioneller, mit fossilen Brennstoffen betriebener Kraftwerke, oder besser mit biogenen Brennstoffen und damit C02-emissionsarm betriebenen Kraftwerken, oder Wasserkraftanlagen. Energy supply systems with a high proportion fluctuate ¬ of renewable energy from wind, solar ent ¬ neither large spare capacity in the form of conventional, fossil-fuel-fired power stations, or better with biogenic fuels and C02 emissions-fired power plants, or hydroelectric power plants.
Mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke haben den Nachteil hoher C02-Emissionen und entfallen damit als nach- haltige Lösung. Wasserkraftanlagen können in einigen Regionen der Welt durchaus einen wesentlichen Beitrag zu einem nachhaltigen Energiesystem leisten, sind aber in anderen Regionen beispielsweise aufgrund klimatischer oder geologischer Gegebenheiten nicht realisierbar. Mit biogenen Brennstoffen be- triebenen Kraftwerke sind hier eine Option, deren Akzeptanz davon abhängt, ob genügend biogene Reststoffe zum Betrieb der Biomassekraftwerke verfügbar sind. Wenn das nicht der Fall ist, kann es zu Interessenkonflikten zwischen Energieversorgung und Versorgung mit Nahrungsmitteln kommen. Biogene Rest- Stoffe hingegen haben häufig einen niedrigen volumetrischen Brennwert, der unter Nachhaltigkeitsaspekten einen Transport über Entfernungen von mehr als 25 km kaum zulässt und sich ungünstig auf den Wirkungsgrad von Kraftwerken auswirkt. Zu- dem erlauben biogene Reststoffe ohne Aufbereitung häufig gar keine saubere Verbrennung. Mit Biomasse betriebene Dampfer¬ zeuger haben häufig wegen Korrosionsproblemen eine geringe Standzeit. Deshalb ist die Erzeugung sauberer Brenngase mit hohem Brennwert durch thermische Vergasung von Biomasse mit verschiedenen Konzepten und Reaktoren betrachtet worden. Fossil-fueled power plants have the disadvantage of high CO 2 emissions and are therefore no longer sustainable. Hydropower plants can make a significant contribution to a sustainable energy system in some regions of the world, but are not feasible in other regions, for example due to climatic or geological conditions. Power plants powered by biogenic fuels are an option here whose acceptance depends on whether enough biogenic residues are available for operating the biomass power plants. If this is not the case, there may be conflicts of interest between energy supply and food supply. Biogenic residual substances, on the other hand, often have a low volumetric calorific value, which, under sustainability aspects, barely permits transport over distances of more than 25 km and has an unfavorable effect on the efficiency of power plants. To- Biogenic residues without treatment often do not allow any clean combustion. Biomass-fueled steamer ¬ producers often have problems because of corrosion a short service life. Therefore, the production of clean high calorific fuel gases by thermal gasification of biomass has been considered with various concepts and reactors.
Wirtschaftlicher Betrieb konnte bisher aber lediglich in Ausnahmesituationen nachgewiesen werden. Insbesondere die Erzielung eines hohen spezifischen Brennwertes stellt eine Heraus- forderung dar. Die wirtschaftlich günstigste Lösung ist eine Gasifizierung von Biomasse mit Luft. Das dabei gebildete Pro¬ duktgas besteht aber zu rund 50% aus Luftstickstoff, der durch Verdünnung der brennbaren Gasanteile den spezifischen Brennwert reduziert. Die Nutzung von Sauerstoff als Verga- sungsmittel, der beispielsweise mittels einer Luftzerlegungs- anlage aus der Umgebungsluft gewonnen werden kann, würde die¬ ses Problem zwar lösen, ist aber aufgrund der damit verbunde¬ nen Kosten wirtschaftlich nicht darstellbar. Die Plasmagasifizierung von Biomasse stellt eine mögliche Lö¬ sung dieses Problems dar, weil Wasserdampf als Vergasungsmit¬ tel verwendet werden kann. Das thermische Plasma bietet hier die Möglichkeit der Wärmezufuhr unabhängig von Verbrennungs¬ prozessen, beispielsweise mit Luft. Deshalb hat das entste- hende Produktgas einen hohen Wasserstoffgehalt und kann viel¬ fältig genutzt werden. Nachteilig ist allerdings, dass auf¬ grund der hohen Temperatur des Plasmas, die typischerweise zwischen 5000°C und 15000°C ist, die dabei entscheidende, im Prinzip landwirtschaftlich nutzbare Asche aufschmilzt und Schlacken entstehen, deren Entfernung aus dem Reaktor besondere Vorkehrungen erfordern, die vor allem bei kleinen Anlagen zu unverhältnismäßig hohem Aufwand führen. However, economic operation has so far only been proven in exceptional situations. In particular, the achievement of a high specific calorific value poses a challenge. The most economically advantageous solution is gasification of biomass with air. However, the thus formed Pro ¬ duktgas covers about 50% of atmospheric nitrogen which is reduced by dilution of the combustible gas components to the higher heating value. The use of oxygen as gasification solvents, which can be obtained, for example by means of an air separation plant from the atmosphere, would solve the problem ¬ ses, but is due to the so composites ¬ nen costs can not be represented economically. The Plasmagasifizierung biomass represents a possible Lö ¬ solution to this problem, because water vapor can be used as Vergasungsmit ¬ tel. The thermal plasma offers the possibility of heat supply independently of combustion ¬ processes, for example, with air. Therefore, the entste- rising product gas has a high hydrogen content and can be used much ¬ TION CAREFULLY. A disadvantage, however, that on ¬ due to the high temperature of the plasma, which is typically between 5000 ° C and 15000 ° C, which it melts crucial, for agricultural use, in principle, ash and slag are formed, their removal from the reactor require special precautions that Especially in small systems lead to disproportionate effort.
Außerdem kann durch den Plasmaprozess erneuerbarer Strom als Energiequelle für den Vergasungsprozess genutzt werden. Kon¬ ventionell wird diese Energie aus dem Heizwert der zu verga¬ senden Substanz oder anderen zugeführten Brennstoffen genommen. Deshalb kann der Plasmavergasungsprozess auch als Senke für den erneuerbaren Strom dienen, insbesondere zu Zeiten, wenn der Strom aufgrund von hoher Einspeisung erneuerbarer Stromerzeugung billig zur Verfügung steht. Herkömmlicherweise ist die Erzeugung großvolumiger Mitteltemperaturplasmen bekannt, die demgegenüber die Vergasung von Biomasse bei so niedrigen Temperaturen ermöglicht, dass die Asche nicht aufschmilzt und damit auch keine Schlacken gebil¬ det werden. Im Unterschied zu dem eben erwähnten thermischen Plasma handelt es sich hier um ein nicht-thermisches Plasma, das ebenso Nicht-Gleichgewichtsplasma bezeichnet werden kann. In addition, the plasma process can use renewable electricity as an energy source for the gasification process. Kon ¬ tionally this energy is taken out of the heating value of about ¬ forgot to send bulk or other fuels supplied. Therefore, the plasma gasification process can also act as a sink be used for renewable electricity, in particular at times when electricity is cheaply available due to high feed-in of renewable electricity generation. Conventionally, the generation of large-volume medium-temperature plasmas is known, in contrast, allows the gasification of biomass at such low temperatures that the ash does not melt and thus no slags gebil ¬ det are. In contrast to the thermal plasma just mentioned, this is a non-thermal plasma, which can also be called non-equilibrium plasma.
Der Unterschied zum thermischen Plasma liegt in der Tempera¬ tur des ionisierten Gases und der Energie der Elektronen, die während der Ionisation erzeugt werden. Das Produkt der The difference with the thermal plasma is in the temperature ¬ structure of the ionized gas and the energy of the electrons generated during the ionization. The product of
Gasifizierungsverfahren ist in beiden Plasmen vergleichbar, aber der Energieverbrauch ist bei dem thermischen Plasma deutlich höher als bei der nicht-thermischen Gasifizierung, bei der die Energiebarriere durch die Produktion von Radika- len im Plasma überwunden wird. Die Erzeugung eines nicht¬ thermischen Plasmas wird in verschiedenen Systemen durchgeführt, die sich in der Gestaltung des Reaktores, des ange¬ wandten Drucks, der üblicherweise atmosphärisch ist, und der Spannungsquelle unterscheiden. Gasification is similar in both plasmas, but energy consumption is significantly higher in thermal plasma than in non-thermal gasification, where the energy barrier is overcome by the production of radicals in the plasma. The generation of a non ¬ thermal plasma is carried out in various systems, which differ in the design of the reactor, the applied ¬ pressure, which is usually atmospheric, and the voltage source.
Letztlich bestimmt das Design des Reaktors und der Spannungs¬ quelle die Effizienz des Gasifizierungsverfahrens . Es ist be¬ kannt, dass vor allem die Strömungsführungen im Bereich des Plasmas charakterisiert durch Reynoldszahlen von Ultimately, the design of the reactor and the voltage source ¬ determines the efficiency of the Gasifizierungsverfahrens. It is be ¬ known that especially the flow guides in the region of the plasma characterized by Reynolds numbers
2000<Re<15000 ausschlaggebend für den Betrieb eines großvolu- migen, mit 50Hz Wechselspannung betriebenen Mitteltemperaturplasmas ist. Tatsächlich ist das aber lediglich eine von mehreren notwendigen Bedingungen. Der Betrieb ausgedehnter thermischer Plasmen hoher Temperatur unter vorstehend genannten Strömungsbedingungen ist bekannt. 2000 <Re <15000 is crucial for the operation of a large-volume medium-temperature plasma operated at 50Hz AC. In fact, this is just one of several necessary conditions. The operation of extended high temperature thermal plasmas under the aforementioned flow conditions is known.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Massevergasung, insbesondere Biomasse- ergasung, mit einem großen Wirkungsgrad und Nutzungsgrad be¬ reit zu stellen. Es soll dafür ein nicht-thermisches Plasma stabil und großvolumig erzeugbar sein. Es soll dafür eine wirksame und vollständige Vergasung von Feststoffen und Re- formierung von organischen Gasen oder Dämpfen ausführbar sein . It is the object of the present invention to provide an apparatus and a method for mass gasification, in particular biomass to provide ergasung with a large efficiency and utilization be ¬ riding. It should be stable and large volume generated for a non-thermal plasma. It should be feasible for an effective and complete gasification of solids and reforming of organic gases or vapors.
Erfindungsgemäß wird eine elektrische Energieversorgung und Elektrodenanordnungen vorgeschlagen, mit denen ein nicht- thermisches Plasma stabil großvolumig erzeugt werden kann, wobei die für die effiziente und vor allem vollständige Ver¬ gasung von Feststoffen und Reformierung organischer Gase beziehungsweise Dämpfe erforderliche Erhöhung der Gastemperatur durch Parameter der elektrischen Energieversorgung einge- stellt werden kann. According to an electric power supply and electrode arrangements is proposed with which a non-thermal plasma can be stably generated in large volumes, the required for the efficient and above all full Ver ¬ gasification of solids and reforming organic gases or vapors increase in gas temperature by parameters of electrical Energy supply can be adjusted.
Reformierung meint hier insbesondere Luft- und/oder Dampfre¬ formierung als Umwandlung eines Kohlenwasserstoffgases unter Zugabe von Luft und/oder Wasserdampf zu einem brennbaren Gas- gemisch. Reforming means here in particular air and / or Dampfre ¬ formation as the conversion of a hydrocarbon gas with addition of air and / or water vapor mixture into a combustible gas.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Gases aus einer Masse, insbesondere einer Biomasse, mittels eines in einem Reaktor geschaffenen nicht¬ thermischen Plasmas vorgeschlagen, wobei eine mittels einer Steuerungseinrichtung gesteuerte elektrische Leistungsversor- gungseinrichtung zeitliche Impulsmusterverläufe an Elektroden eines in dem Reaktor ausgebildeten Elektrodensystems anlegt, wobei die Leistungsversorgungseinrichtung ein einen induktiven Spannungsaddierer aufweisender Spannungsimpulsgenerator ist . The object is achieved by a device according to the main claim and a method according to the independent claim. According to a first aspect, an apparatus for producing a combustible gas from a mass, in particular a biomass, by means of a non ¬ thermal plasma provided in a reactor is proposed, wherein an electrical Leistungsversor- device controlled by a control device temporal pulse pattern courses at electrodes one in the reactor a trained electrode system, wherein the power supply device is an inductive voltage adder having voltage pulse generator.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gases aus einer Masse, insbesondere einer Biomasse, mittels eines in einem Reaktor geschaffenen nicht- thermischen Plasmas vorgeschlagen, wobei eine mittels einer Steuerungseinrichtung gesteuerte elektrische Leistungsversorgungseinrichtung zeitliche Impulsmusterverläufe an Elektroden eines in dem Reaktor ausgebildeten Elektrodensystems anlegt, wobei die Leistungsversorgungseinrichtung ein einen Induktiven Spannungsaddierer aufweisender Spannungsimpulsgenerator ist . According to a second aspect, a method for producing a combustible gas from a mass, in particular a biomass, by means of a non-combustible gas generated in a reactor is disclosed. In the case of a thermal plasma, an electrical power supply device controlled by a control device applies temporal pulse pattern profiles to electrodes of an electrode system formed in the reactor, wherein the power supply device is a voltage pulse generator having an inductive voltage adder.
Die Erfindung beruht auf einer Spannungsquelle mit einer neu- artigen Topologie, in die das Elektrodensystem des Reaktors integriert ist. Mit Hilfe dieser Anordnung können kurze Pulse mit Dauern im μ-Sekundenbereich mit hohen Wiederholraten generiert werden, mit denen großvolumige, nicht-thermische Plasmen mit hoher Leistungsdichte, das heißt elektrische Leistung pro Reaktorvolumen, effizient erzeugt werden können. Die hohe Leistungsdichte erlaubt den Aufbau kompakter Verga¬ sungsreaktoren, in denen bei angepasstem Durchsatz an Biomasse oder geeigneten Abfallstoffen oder Kohle oder Gemischen daraus, sowie Wasserdampf die spezifische Energie, das ist die elektrische Leistung pro Massenstrom an Biomasse und Was¬ serdampf, so eingestellt werden kann, dass ein vollständiger Umsatz der Biomasse erreicht werden kann. The invention is based on a voltage source with a novel topology in which the electrode system of the reactor is integrated. With this arrangement, short pulses with μ-second durations can be generated at high repetition rates, which can efficiently generate large volume non-thermal plasmas of high power density, that is, electrical power per reactor volume. The high power density allows the construction of compact Verga ¬ sungsreaktoren in which with adjusted throughput of biomass or suitable waste or coal or mixtures thereof, and water vapor, the specific energy, which is the electrical power per mass flow of biomass and What ¬ serdampf set can that a complete conversion of biomass can be achieved.
Ein dem Reaktor zugeführter, aus dem zu vergasenden Brenn- stoff, beispielsweise Biomasse, organische Abfälle, Kohle und dergleichen, und Wasserdampf gebildete Massenstrom wird im Folgenden Eduktmassenstrom genannt, wobei der durch das Plasma umgesetzte und aus dem Reaktor ausgetragene Massenstrom Produktmassenstrom genannt wird. A mass flow supplied to the reactor and formed from the fuel to be gasified, for example biomass, organic wastes, coal and the like, and water vapor is called educt mass flow in the following, the mass flow converted by the plasma and discharged from the reactor being called the product mass flow.
Da die Plasmaenergie dem Eduktmassenstrom gepulst zugeführt wird, wird ein wesentlicher Bruchteil davon für Ionisation und Dissoziation von Molekülen, beispielsweise des Wasserdampfes, aufgewendet, wobei dies im Folgenden als Radikalbil- dung bezeichnet wird. Lediglich ein kleinerer Bruchteil führt direkt zu einer Aufheizung des Eduktmassenstroms . Die Radika¬ le leiten effizient Vergasungsreaktionen an der Oberfläche von Biomasse oder organischem Abfall- oder Kohlepartikeln und Reformierungsreaktionen an organischen Gasen oder Dämpfen ein, die sonst lediglich bei hoher Temperatur schnell ablaufen würden. Die durch das Plasma moderat erhöhte Gastempera¬ tur bewirkt, dass die im Plasma gebildeten Radikale bevorzugt organische Gasmoleküle und Feststoffe angreifen und nicht durch Rekombination verloren gehen. Since the plasma energy is supplied pulsed to the educt mass flow, a substantial fraction of it is used for ionization and dissociation of molecules, for example of water vapor, this being referred to below as radical formation. Only a smaller fraction leads directly to a heating of the Eduktmassenstroms. The Radika ¬ le conduct efficient gasification reactions on the surface of biomass or organic waste or coal particles and Reforming reactions of organic gases or vapors, which would otherwise run fast only at high temperature. The moderate increase by the plasma gas tempera ¬ ture causes the free radicals formed in the plasma preferred attack organic gas molecules and solids and are not lost by recombination.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindungen mit den Unteransprüchen beansprucht. Further advantageous embodiments are claimed in connection with the subclaims.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der induktive Spannungsaddierer für eine Sekundärseite Pulsleitungen bis zum Kilowatt/Bereich, in Pulslängen bis ca. 50 ys und Pulswiederholungsraten bis ca. 500 kHz bereitstellen. According to an advantageous embodiment, the inductive voltage adder can provide pulse lines up to the kilowatt / range, in pulse lengths of up to about 50 ys, and pulse repetition rates of up to about 500 kHz for a secondary side.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann parallel zur Primärwicklung der Primärseite des Transformators auf der Sekundärseite eine Vielzahl von Sekundärwicklungen angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sein. According to a further advantageous embodiment, a plurality of secondary windings may be arranged parallel to the primary winding of the primary side of the transformer on the secondary side and connected electrically in series.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an jeder Sekundärwicklung ein elektrischer Isolator elektrisch angeschlossen sein, der von Elektrodenpaaren des Elektrodensystems reflektierte Wellen dämpft oder absorbiert. According to a further advantageous embodiment, an electrical insulator can be electrically connected to each secondary winding, attenuating or absorbing waves reflected by electrode pairs of the electrode system.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann an jedem elektrischen Isolator jeweils ein Verzögerungselement zur Gestaltung der Impulsmusterverläufe elektrisch angeschlossen sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können in jedem Strang die Wellenwiderstände der Sekundärwicklung, des elektrischen Isolators, des Verzögerungselementes und der an¬ gesteuerten Elektroden des Elektrodensystems gleich sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Elektrodensystem eine Mehrzahl sich entlang einer axialen Mittenelektrode um diese herum räumlich erstreckenden Umlaufelektroden aufweisen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an jede Umlaufelektrode mit Bezug auf die Mittenelektrode ein Span- nungsimpulsmusterverlauf anlegbar sein, wobei jeder Span- nungsimpuls ein Plasmafilament zwischen einer jeweiligen Umlaufelektrode und der Mittenelektrode erzeugen kann. In accordance with a further embodiment, a respective delay element can be electrically connected to each electrical insulator for designing the pulse pattern courses. According to a further advantageous embodiment, the characteristic impedances of the secondary winding of the electrical insulator, the delay element and the controlled at ¬ electrodes of the electrode system may be the same in each strand. According to a further advantageous embodiment, the electrode system may have a plurality of circulating electrodes extending spatially around it along an axial center electrode. According to a further advantageous embodiment, a voltage pulse pattern course can be applied to each circulation electrode with respect to the center electrode, wherein each voltage pulse can generate a plasma filament between a respective circulation electrode and the center electrode.
Plasma bezeichnet insbesondere ein Teilchengemisch auf ato¬ mar-molekularer Ebene, dessen Bestandteile teilweise geladene Komponenten, Ionen und Elektronen sind. Das bedeutet, dass ein Plasma freie Ladungsträger enthält. Plasma refers to a particular particle mixture on ato ¬ mar-molecular level, the components of which are partially charged components, ions, and electrons. This means that a plasma contains free charge carriers.
Filament bezeichnet insbesondere eine faserförmige längliche räumliche Ausgestaltung. Filament refers in particular to a fibrous elongated spatial configuration.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an alle Umlaufelektroden mit Bezug auf die Mittenelektrode jeweils ein Spannungsimpulsmusterverlauf anlegbar sein, wobei ein die Mittenelektrode umlaufendes Plasmafilament zwischen einer je- weiligen Umlaufelektrode und der Mittenelektrode erzeugbar sein kann. According to a further advantageous embodiment, a voltage pulse pattern course can be applied to all circulating electrodes with respect to the center electrode, wherein a plasma filament circulating the center electrode can be generated between a respective circulating electrode and the center electrode.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Größe eines jeweiligen elektrischen Spannungsimpulses According to a further advantageous embodiment, the size of a respective electrical voltage pulse
und/oder die zeitliche Spannungsimpulsmusterverläufe zueinan¬ der derart einstellbar sein, dass zusätzlich Lichtbögen zwischen der jeweiligen Umlaufelektrode und zu benachbarten Umlaufelektroden erzeugbar sind. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann dieand / or the temporal Spannungsimpulsmusterverläufe zueinan ¬ be adjusted so that in addition arcs between the respective circulation electrode and adjacent circulation electrodes can be generated. According to a further advantageous embodiment, the
Masse entlang der Mittenelektrode strömen und in dieser Strö¬ mungsrichtung kann der Abstand einer jeweiligen Umlaufelektrode zu der Mittenelektrode mit einem Proportionalitätsfaktor sich vergrößern geschaffen sein. Mass along the center electrode flow and in this Strö ¬ tion direction, the distance of a respective circulation electrode to the center electrode with a proportionality factor can be created to increase.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuerungseinrichtung mit den Spannungs- und Stromwerten der jeweils ein Plasmafilament erzeugenden Impulse die Temperatur des Plasmas einstellen bzw. steuern. According to a further advantageous embodiment, the control device with the voltage and current values of each set a plasma filament generating impulses or control the temperature of the plasma.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels der Größe eines jeweiligen elektrischen Spannungsimpulses für ein Plasmafilament ein Volumen zwischen Umlaufelektrode und Mittenelektrode einstellbar sein. According to a further advantageous embodiment, by means of the size of a respective electrical voltage pulse for a plasma filament, a volume between circulation electrode and center electrode can be adjustable.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mittels Halbleiterschaltern Impulsanstiegszeiten im Bereich von 50 ns bis 200 ns einstellbar sein. According to a further advantageous embodiment, pulse rise times in the range from 50 ns to 200 ns can be set by means of semiconductor switches.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Masse zusätzlich turbulent um die Mittenelektrode herum strö¬ men, insbesondere in Umlaufrichtung des Plasmafilaments , ge¬ führt sein. According to a further advantageous embodiment, the mass can be around the center electrode around strö ¬ men, in particular in the circumferential direction of Plasmafilaments, ge ¬ additionally leads turbulent.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen: The invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments in conjunction with the figures. Show it:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Figure 1 shows a first embodiment of a conventional
Vorrichtung;  Contraption;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Figure 2 shows a second embodiment of a conventional
Vorrichtung;  Contraption;
Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä¬ ßen Vorrichtung; 3 shows a first embodiment of an inventive device ¬ SEN;
Figur 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä¬ ßen Elektrodensystems; 4 shows a first embodiment of an inventive ¬ SEN electrode system;
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Im- pulsmusterver1aufs ; FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a pulse pattern embodiment according to the invention;
Figur 6 eine weitere Darstellung zum ersten Ausführungsbei¬ spiel eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems; Figur 7 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens; Figure 6 is a further illustration of the first Ausführungsbei ¬ play of an electrode system according to the invention; 7 shows a first embodiment of an inventive method ¬ SEN;
Figur 8 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä- ßen Verfahrens . FIG. 8 shows a second exemplary embodiment of a method according to the invention.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer herkömmli¬ chen Vorrichtung. Die Generierung von Spannungsimpulsen wird herkömmlicherweise beispielsweise mit einem Pulsgenerator ge- mäß Figur 1 gelöst. Figur 1 zeigt einen Pulsgenerator mit einer Leistungsversorgungsquelle 2 und einer Ladekapazität 4, wie über einen Halbleiterschalter 6 an einen Reaktor 12 elektrisch angeschlossen sind. Figur 1 zeigt einen herkömmlichen Pulsgenerator. Mittels des Halbleiterschalters 6 wird die Ladekapazität 4 an dem Reaktor 12 angeschlossen. Dabei muss die Durchbruchspannung des Halbleiterschalters 6 größer sein als die Ladespannung der Ladekapazität 6. Im Falle der Zündung des Plasmas zwischen Elektrode 8 und Anode 10 in der Kammer darf der Strom den maximal zulässigen Strom des Halb- leiterschalters 6 nicht überschreiten. FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a conventional device. The generation of voltage pulses is conventionally achieved, for example, with a pulse generator according to FIG. FIG. 1 shows a pulse generator with a power supply source 2 and a charging capacitor 4, as are electrically connected to a reactor 12 via a semiconductor switch 6. FIG. 1 shows a conventional pulse generator. By means of the semiconductor switch 6, the charging capacitor 4 is connected to the reactor 12. In this case, the breakdown voltage of the semiconductor switch 6 must be greater than the charging voltage of the charging capacitor 6. In the case of ignition of the plasma between the electrode 8 and anode 10 in the chamber, the current must not exceed the maximum allowable current of the semiconductor switch 6.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer herkömm¬ lichen Vorrichtung. Gemäß Figur 2 ist in einem Längszweig eine Zwischenkreiskapazität 4 mittels einer Vollbrücke mit Schaltern oder Halbleiterschaltern 6 an einen Reaktor 12 elektrisch angeschlossen. Mittels der Schalter A bis D als Ausführungsform eines Halbleiterschalters 6 können vorteil¬ hafte Pulsmuster generiert werden. Grundsätzlich bestehen aber ähnliche Einschränkungen bezüglich Strom und Spannung gemäß dem in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel . Figure 2 shows a second embodiment of a herkömm ¬ handy device. According to FIG. 2, in a longitudinal branch, a DC link capacitance 4 is electrically connected to a reactor 12 by means of a full bridge with switches or semiconductor switches 6. By means of the switch A to D as an embodiment of a semiconductor switch 6 can be generated advantageous ¬ exemplary pulse pattern. Basically, however, there are similar restrictions in terms of current and voltage according to the first embodiment shown in Figure 1.
Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung. Die neuartige Topologie des erfin- dungsgemäßen Pulsgenerators und des erfindungsgemäßen Reaktors 3 die gemäß der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt, stellt Figur 3 dar. Gemäß der vorliegenden Erfindung bildet ein sogenannter induktiver Spannungsaddierer (IVA), wie er in [1] Bluhm 2006 „Pulsed Power Systems, Principles and Applications; Hansjoachim Bluhm, Springer Verlag 2006 be¬ schrieben ist, die Grundlage für einen Pulsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein derartiger Pulsgenerator be- wirkt zahlreiche Vorteile für die erfindungsgemäße Anwendung, insbesondere im Vergleich zur Art der Impulserzeugung gemäß dem Stand der Technik. Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild ei¬ nes erfindungsgemäßen Pulsgenerators, der in einen Reaktor 3 für insbesondere Reformierungsverfahren integriert ist. Figur 3 zeigt eine Vorrichtung I zur Erzeugung eines brennbaren Gases aus einer Masse M, insbesondere einer Biomasse, mittels eines in einem Reaktor 3 geschaffenen nicht-thermischen Plasmas, wobei eine mittels einer Steuerungseinrichtung 5 gesteu¬ erte elektrische Leistungsversorgungseinrichtung 7 zeitliche Impulsmusterverläufe an Elektroden in einen Reaktor 3 ausge¬ bildeten Elektrodensystems anlegt, wobei die Leistungsversor¬ gungseinrichtung 7 ein einen induktiven Spannungsaddierer 11 aufweisender Spannungsimpulsgenerator ist. Der induktive Spannungsaddierer 11 stellt ein Transformatorelement bereit, wobei parallel zu einer Primärwicklung 13 der Primärseite des Transformators auf der Sekundärseite dieses Transformators eine Vielzahl n von Sekundärwicklungen 15 angeordnet und elektrisch zueinander in Reihe geschaltet sind. An jeder Sekundärwicklung 15 ist ein elektrischer Isolator 17 elektrisch angeschlossen. Ein derartiger Isolator 17 kann von Elektroden bzw. von Elektrodenpaaren des Elektrodensystems reflektierte Wellen dämpfen oder absorbieren. An jedem elektrischen Isolator 17 ist hier jeweils ein Verzögerungselement 19 zur Ge¬ staltung von Impulsmusterverläufen elektrisch angeschlossen. In jedem Strand sollten die Wellenwiderstände der Sekundär¬ wicklung 15, des elektrischen Isolators 17, des Verzögerungs¬ elementes 19 und der angesteuerten Elektroden 9 des Elektro¬ densystems im Reaktor 3 gleich ausgeführt sein. Je nach Aus¬ legung der erfindungsgemäßen Vorrichtung I können Pulsleis- tungen bis zu mehreren 100 W bei Pulslängen bis zu 50 ys und einer Pulsrepetitionsrate, je nach Kühlung von Schaltern 6, bis 400 kHz realisiert werden. Der induktive Spannungsaddie¬ rer 11 wird einer definierten Pulsleistung, Pulslänge und Pulsrepetitionsraten angeschlossen an die Primärseite des Transformators betrieben. Auf der Sekundärseite des Transfor¬ mators sind n-Sekundärwicklungen 15 in Reihe elektrisch verschaltet. Jede Sekundärwicklung 15 ist mit einem Isolator 17 versehen, der die reflektierenden Wellen von den einzelnen Elektrodenpaaren des Elektrodensystems über einen zusätzlichen Widerstand sumpft. Mit Hilfe eines jeweiligen Verzöge¬ rungsgliedes oder Verzögerungselementes 19 können unter¬ schiedliche Pulsmuster für einzelne verwendete Elektrodenpaa- re generiert werden. Dabei ist darauf zu achten, dass dieFigure 3 shows a first embodiment of a device OF INVENTION ¬ to the invention. The novel topology of the pulse generator according to the invention and of the reactor 3 according to the invention which is used according to the present invention is shown in FIG. 3. According to the present invention, a so-called inductive voltage adder (IVA), [1] Bluhm 2006 "Pulsed Power Systems, Principles and Applications; Hansjoachim Bluhm, Springer Verlag 2006 be ¬ written , the basis for a pulse generator according to the present invention. Such a pulse generator brings numerous advantages for the application according to the invention, in particular in comparison to the type of pulse generation according to the prior art. Figure 3 shows a block diagram of egg ¬ nes pulse generator according to the invention, which is integrated in a reactor 3 for particular reforming process. Figure 3 shows a device I for producing a combustible gas from a mass M, in particular a biomass, by means of a established in a reactor 3 non-thermal plasma, wherein a 7 temporal pulse pattern waveforms to electrodes in a by means of a control device 5 gesteu ¬ erte electric power supply device Reactor 3 forms ¬ formed electrode system, wherein the Leistungsversor ¬ supply device 7 is an inductive voltage adder 11 exhibiting voltage pulse generator. The inductive voltage adder 11 provides a transformer element, wherein parallel to a primary winding 13 of the primary side of the transformer on the secondary side of this transformer, a plurality are arranged n of secondary windings 15 and electrically connected in series. At each secondary winding 15, an electrical insulator 17 is electrically connected. Such an insulator 17 can attenuate or absorb waves reflected by electrodes or electrode pairs of the electrode system. At each electrical insulator 17 is here in each case a delay element 19 for Ge ¬ staltung of pulse pattern curves electrically connected. In any beach the characteristic impedances of the secondary ¬ winding 15, the electrical insulator 17, the delay ¬ element 19 and the driven electrodes 9 of the electric ¬ densystems should be made the same in the reactor. 3 Depending from ¬ interpretation of the device I according to the invention can be realized Pulsleis- to 400 kHz output of up to several 100 W with pulse lengths up to 50 ys and a pulse repetition rate, depending on the cooling of switches 6. The inductive Spannungsaddie ¬ rer 11 is a defined pulse power, pulse length and Pulsrepetitionsraten connected to the primary side of the transformer operated. On the secondary side of the transfor ¬ mators n secondary windings 15 are electrically connected in series. Each secondary winding 15 is provided with an insulator 17 which mars the reflective waves from the individual electrode pairs of the electrode system via an additional resistor. With the aid of a respective tarry ¬ approximately element or delay element 19 re can be generated under ¬ schiedliche pulse pattern used for individual Elektrodenpaa-. It is important to ensure that the
Wellenwiderstände zwischen den einzelnen Komponenten untereinander angepasst sind. Characteristic impedance between the individual components are adapted to each other.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems. Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine mögliche Elektrodenkonfiguration von Elektroden 9 in einem Elektrodensystem, das in einem Reaktor 3 ausgebildet ist. Figur 4 zeigt eine Mehrzahl sich entlang einer axialen Mittenelektrode 21 um diese herum räumlich erstreckende Umlauf- elektroden 23. Die Umlaufelektroden 23 sind von 1 bis 6 num- meriert. Die Mittenelektrode 21 in der Mitte dieses Quer¬ schnitts ist vorteilhaft eine Masseelektrode. Zusammen mit der gemeinsamen Masseelektrode bzw. Mittenelektrode 21 können gemäß Figur 4 sechs Elektrodenpaare gebildet werden. Figur 4 zeigt eine Elektrodenkonfiguration mit sechs Elektroden 9, an die jeweils über eine gemeinsame Masseelektrode bzw. Mitten¬ elektrode 21 eine Hochspannung anlegbar ist. FIG. 4 shows an exemplary embodiment of an electrode system according to the invention. FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a possible electrode configuration of electrodes 9 in an electrode system which is formed in a reactor 3. FIG. 4 shows a plurality of circulatory electrodes 23 extending along an axial center electrode 21 around them. The circulating electrodes 23 are numbered 1 to 6. The center electrode 21 in the middle of this cross-section is advantageous ¬ a ground electrode. Together with the common ground electrode or center electrode 21, according to FIG. 4, six electrode pairs can be formed. Figure 4 shows an electrode configuration of six electrodes 9 to which each have a common ground electrode or the middle ¬ electrode 21, a high voltage is applied.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spannungsimpulsmusterverlaufs . Figur 5 zeigt ein Ausführungs¬ beispiel eines Pulsmusters, das an Elektroden 9 gemäß der Fi¬ gur 4 anlegbar ist. Mit einem Pulsmuster gemäß Figur 5 können die Elektrodenpaare gemäß Figur 4 beispielhaft angesteuert werden. Figur 5 zeigt ein zu Figur 4 zugehöriges Pulsmuster, wobei jeweils einzelne Elektrodenpaare angesteuert werden, so dass an den entsprechenden Elektroden 9 ein Plasmafilament gezündet werden kann. Figur 5 zeigt für jede der sechs Umlaufelektroden 23 einen Zeitverlauf einer an die jeweilige Umlaufelektrode 23 angelegten Spannung, die in Form von Pulsen angelegt wird. Entsprechend bezieht sich die obere Span¬ nungszeitverlaufskurve auf die erste Umlaufelektrode 23, die zweite Darstellung auf die zweite Umlaufelektrode 23 und so weiter bis zur unteren Darstellung des Spannungsverlaufs an der sechsten Umlaufelektrode 23. Eine Spannungsdifferenz kann dabei immer mit Bezug auf die Mittenelektrode 21 erzeugt wer¬ den. Durch das Anlegen eines jeweiligen Pulsmusters können die einzelnen Elektroden 9, und zwar die Umlaufelektroden 23 mit der Nummer 1 bis 6 mit der gemeinsamen Gegenelektrode, die die Mittenelektrode 23 ist, nacheinander gezündet werden. Durch das dazugehörige Pulsmuster können die Elektroden 9 grundsätzlich beliebig gezündet werden. Je nach Potentialdif¬ ferenz können die Elektroden 23 ebenso zur nächst angeordne- ten Umlaufelektrode 23 zünden. Dies ist aber von dem angeleg¬ ten Pulsmuster abhängig, welches durch die Verzögerungselemente 19 vorgegeben wird. Vom technischen her ist die Zündung des Plasmas über mehrere Elektroden 23 gleichzeitig möglich, weil da die Isolatoren 17 die rücklaufende elektrische Leis- tung zum induktiven Spannungsaddierer (inductive voltage adder) absorbiert. Entsprechend dem Pulsmuster und der damit entstehenden Plasmen kann ein großes Volumen zwischen den Elektroden für einen Reformierungsvorgang genutzt werden. Ziel ist es, mittels eines geeigneten Pulsmusters, ein mög- liehst großes Volumen mit generiertem Plasma auszufüllen.FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a voltage pulse pattern curve according to the invention. 5 shows an execution ¬ example of a pulse pattern, which can be applied to electrodes 9 according to the Fi gur ¬. 4 With a pulse pattern according to FIG. 5, the electrode pairs according to FIG. 4 can be activated by way of example. FIG. 5 shows a pulse pattern associated with FIG. 4, wherein in each case individual pairs of electrodes are driven, so that a plasma filament can be ignited at the corresponding electrodes 9. FIG. 5 shows, for each of the six circulating electrodes 23, a time course of one to the respective one Circulating electrode 23 applied voltage, which is applied in the form of pulses. Accordingly, the upper span ¬ nungszeitverlaufskurve refers to the first circulation electrode 23, the second representation of the second circulation electrode 23 and so on to the lower representation of the voltage waveform at the sixth circulation electrode 23. A voltage difference can always be generated with respect to the center electrode 21 who ¬ the. By applying a respective pulse pattern, the individual electrodes 9, namely the circulation electrodes 23 with the numbers 1 to 6 with the common counterelectrode, which is the center electrode 23, can be ignited one after the other. By the associated pulse pattern, the electrodes 9 can basically be ignited arbitrarily. Depending Potentialdif ¬ ference, the electrodes 23 fire also to the next angeordne- th revolution electrode 23rd This, however, is dependent on the Matters ¬ th pulse pattern which is predetermined by the delay elements 19th From the technical point of view, the ignition of the plasma via a plurality of electrodes 23 is possible at the same time because the insulators 17 absorb the returning electrical power to the inductive voltage adder. According to the pulse pattern and the resulting plasmas, a large volume between the electrodes can be used for a reforming process. The aim is to fill a possibly large volume with generated plasma by means of a suitable pulse pattern.
Mittels Pulsdauern von einigen ys je Impuls bzw. Spannungsimpuls und einer hohen Pulsrepetition bis zu 400 kHz kann eine hohe Effizienz im Vergleich zur herkömmlichen Methoden der Reformierung bewirkt werden. By means of pulse durations of a few ys per pulse or voltage pulse and a high pulse repetition up to 400 kHz, a high efficiency can be achieved in comparison with the conventional methods of reforming.
Für einen Reformierungsvorgang ist es notwendig, das einströmende Gas bzw. die einströmende Biomasse bis zum Ort der Re¬ formierung auf eine Temperatur von ungefähr 1000°C zu erhitzen. Anders als bei herkömmlichen, thermischen Gasifizie- rungsanlagen geschieht dies hier weder durch insbesondere exotherme Verbrennungsreaktionen der Biomasse, noch in Folge äußerer Beheizung, sondern mittels des nicht-thermischen Plasmas selbst. Der Anteil der Plasmaleistung, der direkt zur Gasaufheizung führt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung mittels der Pulsdauer und der Pulswiederholungsrate einge¬ stellt. Längere Pulse führen zu höheren Ionisationsgraden im Plasma und damit zu einer höheren elektrischen Leitfähigkeit. Dies führt zu einem sinkenden Spannungsabfall im Plasma und damit zu einer sinkenden elektrischen Feldstärke. Damit steigt der Anteil der Plasmaleistung, der direkt zur Gasaufheizung führt. Mit einer großen Pulswiederholungsrate sinkt der Ionisationsgrad zwischen aufeinanderfolgenden Plasmapul- sen weniger stark ab, als bei einer kleinen Pulswiederholungsrate. Damit steigt der mittlere Ionisationsgrad eben¬ falls und der Anteil der Plasmaleistung, der zur Aufheizung der Biomasse bzw. des Biogases führt, steigt ebenfalls an. Figur 6 zeigt einen Längsschnitt zum Ausführungsbeispiel ge¬ mäß Figur 4. Da das Verhältnis zwischen der elektrischen Feldstärke bezogen auf das Volumen in einem Reaktor 3 bei jeder Temperatur konstant sein soll, muss die Form der Elektro¬ den 9 je nach dem Temperaturgradienten entsprechend Form und Abstand auf die Elektroden 9 angepasst werden. Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Elektrodengeometrie im Längs¬ schnitt beispielsweise einer Elektrodenanordnung gemäß Figur 4. Figur 6 zeigt eine axiale Mittenelektrode 21 und eine Um¬ laufelektrode 23. In Figur 6 ist mit dem Pfeil die Strömungs- richtung der zu behandelnden Masse M dargestellt. Figur 6 zeigt das entlang dieser Strömungsrichtung der Abstand der Umlaufelektrode 23 zu der Mittenelektrode 21 mit einem Pro¬ portionalitätsfaktor sich vergrößernd ausgebildet worden ist. Da die Temperatur im Plasma proportional mit der dem Masse- ström M zugeführten Energie ansteigt, ist es vorteilhaft den Abstand zwischen der Mittenelektrode 21 und der Umlaufelekt¬ rode 23 linear zu vergrößern. Hierzu ist am Eingang eines Stroms einer Masse M ein Abstand von 5 und am Ausgang ein Ab¬ stand von 20 geschaffen worden. Da der Quotient aus elektri- scher Feldstärke und Gasdichte über den erzeugten Temperaturgradienten konstant sein soll, wird bei einem Temperaturanstieg um den Faktor 4 vom Anfang des Massenstroms bis zum Ende des Massenstroms im Elektrodensystem das hier dargestellte Elektrodenpaar in Form und Anordnung derart ausgeführt, dass der Abstand ebenso um den Faktor 4 von 5 auf 20 vergrößert ausgebildet ist. Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 4 zeigt eine zeitliche Abfolge einer An¬ Steuerung eines Elektrodensystems gemäß Figur 4. Figur 4 zeigt jeweils eine Mittenelektrode 21, Umlaufelektroden 23 sowie entsprechend einer Ansteuerung erzeugte Plasmafilamente 25. Eine Ansteuerung kann hier beispielsweise Figur 5 ausge¬ führt werden. Mittels eines Zeitverzuges der einzelnen Hoch¬ spannungsimpulse an den entsprechenden Elektroden 23 entsteht ein nicht-thermisches Plasma zwischen jeweils benachbarten Elektroden 23 und 21, wobei das nicht-thermische Plasma in Form von Plasmafilamenten 25 kreisförmig um die zentrale Masseelektrode bzw. Mittenelektrode 21 läuft. Die Geschwindig¬ keit dieser kreisförmigen Bewegung des Plasmas 25 ist von der Länge der einzelnen Impulse abhängig. Für eine möglichst ho¬ mogene Umsetzung eines Eduktmassenstromes ist eine möglichst hohe kreisförmige Geschwindigkeit vorteilhaft. For a reforming process, it is necessary to heat the inflowing gas or the inflowing biomass up to the place of re ¬ formation to a temperature of about 1000 ° C. In contrast to conventional thermal gasification systems, this is done neither by exothermal combustion reactions of the biomass, nor by external heating, but by means of the non-thermal plasma itself. The proportion of plasma power directly to the Gas heating leads is, according to the present invention by means of the pulse duration and the pulse repetition rate ¬ sets. Longer pulses lead to higher degrees of ionization in the plasma and thus to a higher electrical conductivity. This leads to a sinking voltage drop in the plasma and thus to a decreasing electric field strength. This increases the proportion of plasma power that leads directly to gas heating. With a high pulse repetition rate, the degree of ionization between successive plasma pulses decreases less than at a low pulse repetition rate. Thus, the average degree of ionization increases just ¬ case and the proportion of plasma power, which leads to the heating of the biomass or the biogas, also increases. Figure 6 shows a longitudinal section of the exemplary embodiment ge ¬ Mäss Figure 4 is to be constant, since the ratio between the electric field strength based on the volume in a reactor 3 at each temperature, the shape of the electric must ¬ 9 depending on the temperature gradient according to the form and Distance to be adapted to the electrodes 9. Figure 6 shows an embodiment of an electrode geometry in the longitudinal ¬ cut example of an electrode arrangement according to Figure 4. Figure 6 shows an axial center electrode 21, and an order ¬ continuous electrode 23. In Figure 6, the flow direction shown by the arrow of the mass M to be treated. Figure 6 shows the flow along this direction of the spacing of the wraparound electrode 23 to the center electrode 21 with a Pro ¬ portionalitätsfaktor has been formed is enlarging. Since the temperature in the plasma increases in proportion to the mass M Ström the energy supplied, it is advantageous for the distance between the center electrode 21 and the Umlaufelekt ¬ rode 23 to increase linearly. For this purpose, the input of a current of a mass M, a distance of 5 and at the output has been created by a 20 From ¬ stand. Since the quotient of electric field strength and gas density should be constant over the generated temperature gradient, the temperature increase by a factor of 4 from the beginning of the mass flow to the end of the mass flow in the electrode system is shown here Electrode pair executed in the form and arrangement such that the distance is also increased by a factor of 4 from 5 to 20. FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention. Figure 4 shows a time sequence of an on ¬ control of an electrode system according to Figure 4. Figure 4 shows in each case a center electrode 21, electrodes 23 and circulation generated in accordance with a control Plasmafilamente 25. A drive may here, for example, be 5 are ¬ leads FIG. By means of a time delay of the individual high-voltage pulses at the corresponding electrodes 23, a non-thermal plasma is formed between respectively adjacent electrodes 23 and 21, wherein the non-thermal plasma in the form of plasma filaments 25 runs in a circle around the central ground electrode or center electrode 21. The VELOCITY ¬ ness of this circular motion of the plasma 25 depends on the length of the individual pulses. For a ho possible ¬ nous implementation of Eduktmassenstromes highest possible circular velocity is advantageous.
Die Aufheizung des Eduktmassenstroms durch das Plasma ist mittels Parameter, die am Netzteil bzw. an der Steuerungseinrichtung 5 eingestellt werden können, effizient steuerbar. Gegenüber einer äußeren elektrischen Beheizung ergibt sich der Vorteil, dass die Aufheizung mittels des Plasmas prak¬ tisch trägheitslos erfolgt. Da Gastemperatur und elektrische Leitfähigkeit durch den oben beschrieben Mechanismus gekop¬ pelt sind, kann die elektrische Leitfähigkeit im jeweils ak- tiven Plasmakanal als Kenngröße für die Temperatur herangezo¬ gen werden. Die elektrische Leitfähigkeit wiederum kann ohne zusätzliche Sensoren direkt aus Mess-Signalen im induktiven Spannungsaddierer IVA ermittelt werden. Damit ergibt sich eine einfache Möglichkeit die Temperatur zu steuern und so die Gasifizierung zu optimieren. The heating of the educt mass flow through the plasma can be efficiently controlled by means of parameters which can be set on the power supply or on the control device 5. Compared to an external electrical heating results in the advantage that the heating is practically ¬ table inertia by means of the plasma. Since gas temperature and electrical conductivity through the above-described mechanism are gekop ¬ pelt, the electric conductivity in each ac- tive plasma channel can be used as parameter for the temperature herangezo ¬ gen. The electrical conductivity in turn can be determined directly from measurement signals in the inductive voltage adder IVA without additional sensors. This results in an easy way to control the temperature and thus to optimize the gasification.
Figur 4 stellt ein hier entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufendes Plasma dar. Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiels eines erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens. Diese weitere Ausführung bewirkt ei¬ ne besonders effiziente Umsetzung von Biomasse, und zwar da- durch, dass im Bereich der Elektroden 9 eine Drallströmung, d.h. eine turbulente Strömung um die Mittenelektrode 21 ge¬ schaffen sind. Figur 8 zeigt durch den Umlaufpfeil die FIG. 4 illustrates a plasma circulating in the counterclockwise direction here. Figure 8 shows a further embodiment of the method according OF INVENTION ¬ dung. This further embodiment causes ei ¬ ne particularly efficient implementation of biomass, namely, that in the area of the electrodes 9 a swirl flow, ie a turbulent flow to the center electrode 21 ge ¬ create. FIG. 8 shows by the circulation arrow the
Drallkomponente einer Strömung einer Masse M. Je nach Anwendung können die Anforderungen an die Größe des Volumens un- terschiedlich sein, dass mit dem generierten Plasma ausgefüllt ist. Mittels der Amplitude der Impulsspannung kann der Abstand zwischen den Elektroden und somit die Größe des Volu¬ mens des Reaktors skaliert werden. Bedingt durch den modula- ren Aufbau des induktiven Spannungsaddierers kann eine Im- pulsspannung von mehreren 100 kV erzeugt werden. Neben derSpin component of a flow of a mass M. Depending on the application, the requirements for the size of the volume may be different, that is filled with the generated plasma. By means of the amplitude of the pulse voltage, the distance between the electrodes and thus the size of the Volu ¬ mens of the reactor can be scaled. Due to the modular design of the inductive voltage adder, an impulse voltage of several 100 kV can be generated. In addition to the
Skalierbarkeit des Reaktors 3 spielt ebenso die Zeitdauer der Zündung des Plasmas eine wesentliche Rolle. Dies wird ent¬ scheiden durch die Anstiegszeit der Spannungsimpulse beein- flusst. Diese liegen bei kommerziellen Halbleiterschaltern 6 beispielsweise Insolated Gate Bipolar Transistors (IGBT) im Bereich von 100 ns . Scalability of the reactor 3 also plays a significant role in the period of ignition of the plasma. This is enced ent ¬ divorce affect by the rise time of the voltage pulses. These are in commercial semiconductor switches 6, for example Insolated Gate Bipolar Transistor (IGBT) in the range of 100 ns.
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Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (I) zur Erzeugung eines brennbaren Gases aus einer Masse (M) , insbesondere einer Biomasse, mittels eines in einem Reaktor (3) geschaffenen nicht-thermischen Plasmas, wobei eine mittels einer Steuerungseinrichtung (5) gesteuerte elektrische Leistungsversorgungseinrichtung (7) zeitliche Impulsmusterverläufe an Elektroden (9) eines in dem Reaktor (3) ausgebildeten Elektrodensystems anlegt, 1. Device (I) for generating a combustible gas from a mass (M), in particular a biomass, by means of a non-thermal plasma created in a reactor (3), wherein an electrical power supply device (7) controlled by means of a control device (5) applies temporal pulse pattern courses to electrodes (9) of an electrode system formed in the reactor (3),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Leistungsversorgungseinrichtung (7) ein einen Induktiven Spannungsaddierer (11) aufweisender Spannungsimpulsgenerator ist . the power supply device (7) is a voltage pulse generator having an inductive voltage adder (11).
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2. Device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Induktive Spannungsaddierer (11) für eine Sekundärseite Pulsleistungen bis zum KW-Bereich, Impulslängen bis circa 50ys und Pulswiederholungsraten bis circa 500KHz bereit- stellt. the inductive voltage adder (11) for a secondary side provides pulse powers up to the KW range, pulse lengths up to approx. 50 s and pulse repetition rates up to approx. 500 kHz.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, 3. Apparatus according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
parallel zu einer Primärwicklung (13) der Primärseite eines Transformators auf der Sekundärseite eine Vielzahl (n) von Sekundärwicklungen (15) angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Parallel to a primary winding (13) of the primary side of a transformer on the secondary side a plurality (s) of secondary windings (15) are arranged and electrically connected in series.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, 4. Apparatus according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
an jeder Sekundärwicklung ein elektrischer Isolator (17) elektrisch angeschlossen ist, der von Elektrodenpaaren des Elektrodensystems reflektierte Wellen dämpft oder absorbiert. On each secondary winding, an electrical insulator (17) is electrically connected, which attenuates or absorbs waves reflected from electrode pairs of the electrode system.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, 5. Apparatus according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet, dass an jedem elektrischen Isolator jeweils ein Verzögerungselement (19) zur Gestaltung der Impulsmusterverläufe elektrisch angeschlossen ist. characterized in that a delay element (19) is electrically connected to each electrical insulator for designing the pulse pattern courses.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, 6. Apparatus according to claim 5,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
in jedem Strang die Wellenwiderstände der Sekundärwicklung, des elektrischen Isolators, des Verzögerungselements und der angesteuerten Elektroden (9) des Elektrodensystems gleich sind. in each strand the characteristic impedances of the secondary winding, the electrical insulator, the delay element and the driven electrodes (9) of the electrode system are the same.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that
das Elektrodensystem eine Mehrzahl sich entlang einer axialen Mittenelektrode (21) um diese herum räumlich erstreckende Um¬ laufelektroden (23) aufweist. the electrode system a plurality along an axial center electrode (21) therearound having spatially extending To ¬ running electrodes (23).
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, 8. Apparatus according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
an jede Umlaufelektrode (23) mit Bezug auf die Mittenelektro¬ de ein Spannungsimpulsmusterverlauf anlegbar ist, wobei jeder Spannungsimpuls ein Plasmafilament (25) zwischen einer jewei¬ ligen Umlaufelektrode und der Mittenelektrode erzeugt. to each circulation electrode (23) with respect to the center electric ¬ en a voltage pulse pattern history, can be placed wherein each voltage pulse generates a Plasmafilament (25) between a jewei ¬ time wraparound electrode and the center electrode.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, 9. Device according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
an alle Umlaufelektroden mit Bezug auf die Mittenelektrode jeweils ein Spannungsimpulsmusterverlauf anlegbar ist, wobei ein die Mittenelektrode umlaufendes Plasmafilament zwischen einer jeweiligen Umlaufelektrode und der Mittenelektrode erzeugbar ist. a voltage pulse pattern profile can be applied to all circulation electrodes with respect to the center electrode, wherein a plasma filament circulating around the center electrode can be generated between a respective circulation electrode and the center electrode.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, 10. Apparatus according to claim 8 or 9,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Größe eines jeweiligen elektrischen Spannungsimpulses und/oder die zeitlichen Spannungsimpulsmusterverläufe zuei¬ nander derart einstellbar ist/sind, dass zusätzlich Lichtbö- gen (25) zwischen der jeweiligen Umlaufelektrode (23) und zu dieser benachbarten Umlaufelektroden (23) erzeugbar sind. the size of a respective electrical voltage pulse and / or the temporal Spannungsimpulsmusterverläufe zuei ¬ nander is so adjustable / are that in addition Lichtbö- gene (25) between the respective circulation electrode (23) and to this adjacent circulation electrodes (23) can be generated.
11. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, 11. Device according to one of the preceding claims 7 to 10,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Masse (M) entlang der Mittenelektrode (21) strömt und in dieser Strömungsrichtung der Abstand einer jeweiligen Umlaufelektrode (23) zu der Mittenelektrode (21) mit einem Propor- tionalitätsfaktor sich vergrößernd geschaffen ist. the mass (M) flows along the center electrode (21) and, in this flow direction, the distance between a respective circulation electrode (23) and the center electrode (21) is increased with a proportionality factor.
12. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, 12. Device according to one of the preceding claims 8 to 10,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Steuerungseinrichtung (5) mittels Spannungs- und Strom¬ werten der jeweils ein Plasmafilament (25) erzeugenden Impul¬ se die Temperatur des Plasmas steuert. the control means (5) by means of voltage and current values of each ¬ a Plasmafilament (25) generating Impul ¬ se controls the temperature of the plasma.
13. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, 13. Device according to one of the preceding claims 8 to 12,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
mittels der Größe eines jeweiligen elektrischen Spannungsimpulses für ein Plasmafilament (25) ein Volumen (27) zwischen Umlaufelektrode und Mittenelektrode einstellbar ist. by means of the size of a respective electrical voltage pulse for a plasma filament (25) a volume (27) between the circulation electrode and the center electrode is adjustable.
14. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that
mittels Halbleiterschaltern (27) Impulsanstiegszeiten im Bereich von 50ns bis 200ns einstellbar sind. By means of semiconductor switches (27) pulse rise times in the range of 50ns to 200ns are adjustable.
15. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, 15. Device according to one of the preceding claims 11 to 14,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Masse (M) zusätzlich turbulent um die Mittenelektrode herum strömend, insbesondere in Umlaufrichtung des Plasmafi- laments, geführt ist. the mass (M) additionally turbulent flowing around the center electrode around, in particular in the circumferential direction of the plasma filament is guided.
16. Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gases aus einer Masse, insbesondere einer Biomasse, mittels eines in einem Reaktor geschaffenen nicht-thermischen Plasmas, wobei eine mittels einer Steuerungseinrichtung gesteuerte elektrische Leistungsversorgungseinrichtung zeitliche Impulsmusterverläufe an Elektroden eines in dem Reaktor ausgebildeten Elektrodensystems anlegt, 16. A method for producing a combustible gas from a mass, in particular a biomass, by means of a non-thermal plasma created in a reactor, wherein an electrical power supply device controlled by a control device applies temporal pulse pattern courses to electrodes of an electrode system formed in the reactor,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Leistungsversorgungseinrichtung ein einen Induktiven Spannungsaddierer aufweisender Spannungsimpulsgenerator ist. the power supply device is a voltage pulse generator having an inductive voltage adder.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, 17. The method according to claim 16,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Induktive Spannungsaddierer für eine Sekundärseite Puls- leistungen bis zum KW-Bereich, Impulslängen bis circa 50ys und Pulswiederholungsraten bis circa 500KHz bereitstellt. The inductive voltage adder for a secondary side provides pulse power up to the HF range, pulse lengths up to approx. 50 s and pulse repetition rates up to approx. 500 kHz.
18. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, 18. The method according to claim 16 or 17,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das Elektrodensystem eine Mehrzahl sich entlang einer axialen Mittenelektrode um diese herum räumlich erstreckende Umlauf¬ elektroden aufweist und an jede Umlaufelektrode mit Bezug auf die Mittenelektrode ein Spannungsimpulsmusterverlauf angelegt wird, wobei jeder Spannungsimpuls ein Plasmafilament zwischen einer jeweiligen Umlaufelektrode und der Mittenelektrode er¬ zeugt . the electrode system comprises a plurality along an axial center electrode therearound spatially extending circulation ¬ electrodes and is applied to each wraparound electrode with respect to the center electrode, a voltage pulse pattern history, each voltage pulse it ¬ demonstrates a Plasmafilament between a respective revolving electrode and the center electrode.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, 19. The method according to claim 18,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
(Sl) ein die Mittenelektrode umlaufendes Plasmafilament zwi¬ schen einer jeweiligen Umlaufelektrode und der Mittenelektro¬ de erzeugt wird. (SI) is generated, the center electrode circulating Plasmafilament Zvi ¬ rule of a respective revolving electrode and the mid electric ¬ de.
20. Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, 20. The method according to claim 18 or 19,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Größe eines jeweiligen elektrischen Spannungsimpulses und/oder die zeitlichen Spannungsimpulsmusterverläufe zuei¬ nander derart eingestellt werden, dass zusätzlich Lichtbögen zwischen der jeweiligen Umlaufelektrode und benachbarten Umlaufelektroden erzeugt werden. the size of a respective electrical voltage pulse and / or the temporal voltage pulse pattern curves zuei ¬ nander be set such that in addition arcs be generated between the respective circulation electrode and adjacent circulation electrodes.
21. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 20, 21. The method according to any one of the preceding claims 16 to 20,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Masse entlang der Mittenelektrode strömend geführt wird. the mass is flowing along the center electrode.
22. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 21, 22. The method according to any one of the preceding claims 16 to 21,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Steuerungseinrichtung mittels Spannungs- und Stromwerten der jeweils ein Plasmafilament erzeugenden Impulse die Tempe¬ ratur des Plasmas steuert. the control device by means of voltage and current values of each of a Plasmafilament generating pulses controls the Tempe ¬ temperature of the plasma.
23. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 22, 23. The method according to any one of the preceding claims 16 to 22,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
mittels Halbleiterschaltern Impulsanstiegszeiten im Bereich von 50ns bis 200ns erzeugt werden. Pulse rise times in the range of 50ns to 200ns are generated by means of semiconductor switches.
24. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 21 bis 23, 24. The method according to any one of the preceding claims 21 to 23,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Masse zusätzlich turbulent um die Mittenelektrode herum strömend, insbesondere in Umlaufrichtung des Plasmafilaments , geführt wird. the mass is additionally turbulent flowing around the center electrode around, in particular in the direction of rotation of the plasma filament is performed.
PCT/EP2017/053948 2016-03-15 2017-02-21 Device and method for generating a non-thermal plasma for the gasification of a mass using a pulse generator WO2017157625A1 (en)

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