DE102018214387A1

DE102018214387A1 - Einrichtung zum Reinigen von mit organischen Verbindungen und/oder Stoffen beladener Abluft, Verfahren zum Betreiben der Einrichtung

Info

Publication number: DE102018214387A1
Application number: DE102018214387.0A
Authority: DE
Inventors: Maja Quoll; Roman Meininghaus; Hans Heinrich Pröhl
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2018-08-24
Publication date: 2020-02-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (1) zum Reinigen von mit organischen Verbindungen und/oder Stoffen beladener Abluft, insbesondere einer Lackiererei, mit zumindest einem Abluftkanal (2), mit zumindest einer dem Abluftkanal (2) zugeordneten Plasmaerzeugungseinrichtung (3,4,5), wobei die Plasmaerzeugungseinrichtung (3,4,5) zumindest zwei in dem Abluftkanal (2) einander gegenüberliegend angeordnete Elektroden (12) aufweist, die zwischen sich einen Strömungsweg für die Abluft ausbilden. Es ist vorgesehen, dass mehrere Plasmaerzeugungseinrichtungen (3,4,5) dem Abluftkanal (2) zugeordnet und in Strömungsrichtung hintereinanderliegend angeordnet sind, sodass die Elektroden (12) der vorliegenden Plasmaerzeugungseinrichtungen (3,4,5) in Strömungsrichtung der Abluft gesehen hintereinander in dem Abluftkanal (2) liegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Reinigen von mit organischen Verbindungen und/oder Stoffen beladener Abluft, insbesondere von lösemittelhaltiger Abluft einer Lackiererei, mit zumindest einem Abluftkanal, mit zumindest einer dem Abluftkanal zugeordneten Plasmaerzeugungseinrichtung, wobei die Plasmaerzeugungseinrichtung zumindest zwei in dem Abluftkanal einander gegenüberliegend angeordnete Elektroden aufweist, die zwischen sich einen Strömungsweg für die Abluft ausbilden.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Einrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Einrichtungen der eingangs genannten Art bereits bekannt. So offenbart beispielsweise die Offenlegungsschrift EP 1 161 979 A1 eine Einrichtung zum Reinigen von Abluft der chemischen Industrie, wie beispielsweise von Lackieranlagen oder Tierverwertungsanstalten. Die Einrichtung weist eine Plasmaerzeugungseinrichtung mit zwei Elektroden auf, zwischen denen die Abluft hindurchgefördert wird. Die Elektroden bilden einen Kondensator, der durch ein elektrisches Wechselfeld ein nicht-thermisches Plasma erzeugt, durch welches eine Reaktion zum Abbau der in der Abluft enthaltenen Schadstoffen erfolgt. Durch das elektrische Feld werden Ionen oder Gasradikale, also Teilchen mit einer erhöhten chemischen Reaktivität erzeugt, die mit der Abluft zusammenwirken. Das Plasma weist als Ladungsträger somit Elektroden und chemische Radikale auf, die als hochreaktive Molekülbruchstücke aus den im Gas befindlichen Teilchen per Elektrodenstoß erzeugt werden, sowie Licht, das aufgrund von Spontaner Emission der angeregten Atome und Moleküle entsteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Einrichtung zum Behandeln von Abluft zu schaffen, die kostengünstig realisierbar ist und eine verbesserte Abluft-Reinigung gewährleistet.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere Plasmaerzeugungseinrichtungen, wie sie vorstehend beschrieben wurden, dem Abluftkanal zugeordnet sind, wobei die Elektroden der verschiedenen Plasmaeinrichtungen in Strömungsrichtung der Abluft gesehen hintereinander in dem Abluftkanal angeordnet sind. Dabei sind die Elektroden insbesondere beabstandet hintereinander angeordnet, sodass eine Wegstrecke zwischen den Plasmaerzeugungseinrichtungen besteht, in welchen die Abluft keinem Plasma aussetzbar ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Abluft zunächst durch die in Strömungsrichtung vorneliegende Plasmaerzeugungseinrichtung angeregt werden kann, wobei dann in der Wegstrecke bis zur stromabwärtsliegenden Plasmaerzeugungseinrichtung bereits Reaktionen in der Abluft erfolgen, und die Abluft durch die stromabwärts liegende Plasmaerzeugungseinrichtung erneut angeregt wird. Es hat sich gezeigt, dass durch diesen Prozess eine verbesserte Behandlung der Abluft erfolgt, durch welche die Abluft mit deutlich verringerten Schadstoffemissionen die Einrichtung verlässt. Durch das erneute Anregen der Atome/Moleküle der Abluft wird diese zeitversetzt nochmal behandelt, wodurch eine vorteilhafte Nachbehandlung und Emissionsreduzierung gewährleistet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind bei mehr als zwei vorhandenen Plasmaerzeugungseinrichtungen in Strömungsrichtung benachbarte Plasmaerzeugungseinrichtungen jeweils gleich zueinander beabstandet angeordnet. Dadurch ergibt sich eine einfache Ansteuerung der Elektroden und eine einfache und sichere Durchführung der Abluftnachbehandlung. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass bei Vorhandensein von mehr als zwei Plasmaerzeugungseinrichtungen benachbarte Plasmaerzeugungseinrichtungen unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen. Dadurch werden die Wegstrecken zwischen den hintereinanderliegenden Plasmaerzeugungseinrichtungen unterschiedlich gewählt, wodurch die Gesamtstrecke optimal auf das Ansteuerungsverhalten und den gewünschten Effekt der Nachbehandlung anpassbar ist. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt zwischen benachbarten Plasmaerzeugungseinrichtungen, die stromaufwärts liegen ein größerer Abstand vor als zwischen stromaufwärtsliegenden Plasmaerzeugungseinrichtungen. Hierdurch wird erreicht, dass insbesondere die Wegstrecke zwischen der ersten und der darauffolgenden stromaufwärtsliegenden zweiten Plasmaerzeugungseinrichtung verhältnismäßig lang ist, um dort eine Reaktionszeit im erstmalig angeregten Abluftstrom vorteilhaft auszunutzen.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die jeweilige Plasmaerzeugungseinrichtung als Plasmamodul ausgebildet ist, das ein einen Strömungskanal für die Abluft bildendes oder mitbildendes Gehäuse aufweist, in welchem die zumindest zwei Elektroden angeordnet sind. Durch die Ausbildung als Plasmamodul ist die Plasmaerzeugungseinrichtung einfach handhabbar und auch montierbar. Insbesondere erlaubt der modulartige Aufbau der Plasmaerzeugungseinrichtung, einen einfachen Austausch der Plasmaerzeugungseinrichtung, beispielsweise zu Wartungszwecken. Darüber hinaus ist das Plasmamodul insbesondere derart ausgebildet, dass es mit weiteren Plasmamodulen gleicher Art einfach verbindbar, insbesondere formschlüssig verbindbar ist, um aus mehreren Plasmamodulen eine Plasmaerzeugungseinheit aufzubauen. Insbesondere weist eine Plasmaerzeugungseinheit mehrere in Strömungsrichtung der Abluft nebeneinander und/oder hintereinander liegend angeordnete Plasmamodule auf, die insbesondere formschlüssig miteinander verbunden sind. Die Plasmaerzeugungseinheit ist in dem Abluftkanal angeordnet, wobei der Durchströmungsquerschnitt der Plasmaerzeugungseinheit groß ausfällt und damit ein großer Abluftstrom behandelbar ist. Durch die formschlüssige Verbindung benachbarter Plasmamodule miteinander ist eine sichere und einfache Gestaltung der Plasmaerzeugungseinheit und insbesondere auch eine Anpassung der Plasmaerzeugungseinheit an unterschiedliche Randbedingungen beziehungsweise unterschiedliche Abluftkanäle einfach durchführbar.
Bevorzugt sind die Elektroden in dem Gehäuse des jeweiligen Plasmamoduls austauschbar angeordnet beziehungsweise gehalten. Dadurch ist ein einfacher Wechsel der Elektroden, insbesondere bei einem Schadensfall oder zu Wartungszwecken möglich.
Besonders bevorzugt ist in dem Strömungsweg zwischen den benachbarten Elektroden jeweils eine Glasscheibe angeordnet. Die Glasscheibe wirkt in vorteilhafter Weise als Isolator zwischen den benachbarten Elektroden, sodass die von den Elektroden jeweils erzeugten Plasmen nicht miteinander reagieren. Hierdurch wird die Effizienz der Einrichtung weiter erhöht. Insbesondere ist die jeweilige Glasscheibe mit einer Katalysatorschicht, insbesondere eine MangandioxidBeschichtung, versehen, um in vorteilhafter Weise insbesondere Ozon zu zersetzen, was eine verbesserte Nachbehandlung der Abluft mit sich bringt. Zweckmäßigerweise sind die Elektroden beabstandet zu der jeweiligen Glasplatte angeordnet, um für die Abluft einen Strömungsweg freizuhalten.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Plasmamodule und/oder Plasmaerzeugungseinheiten durch ein Steuergerät unabhängig voneinander angesteuert werden oder ansteuerbar sind. Dadurch wird erreicht, dass die Nachbehandlung der Abluft durch die Plasmamodule oder beziehungsweise -einheiten individuell gestaltbar ist. Insbesondere erlaubt die vorteilhafte Ausbildung eine zeitversetzte Ansteuerung der Plasmamodule oder Elektroden, um eine optimale Nachbehandlung des Abluftstroms zu gewährleisten.
Insbesondere ist das Steuergerät speziell dazu hergerichtet, das im Folgenden beschriebene Verfahren durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 hat den Vorteil, dass eine besonders vorteilhafte Nachbehandlung der Abluft erfolgt, durch welche die Schadstoffemissionen in der Abluft, insbesondere der Lösungsmittelanteil, vorteilhaft reduziert werden. Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass zumindest eine der Plasmaerzeugungseinrichtungen dauerhaft und zumindest eine andere der Plasmaerzeugungseinrichtungen nur zeitweise angesteuert wird, um jeweils kaltes Plasma an den Elektroden zu erzeugen. Durch die dauerhafte Ansteuerung wird erreicht, dass der Abluftstrom insgesamt nachbehandelt wird und kein Abluftvolumen entsteht, das vollkommen unbehandelt die Einrichtung durchströmt. Durch die nur zeitweise Ansteuerung der anderen Plasmaerzeugungseinrichtung wird gewährleistet, dass Teile des Plasmas durch die betroffene Plasmaerzeugungseinrichtung erregt werden, und nicht der gesamte Abluftstrom, wodurch sich ein vorteilhaftes Reaktionsverhalten insbesondere in einem bevorzugt stromabwärts der Plasmaerzeugungseinrichtungen in dem Abluftkanal angeordneten Katalysator ergibt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die in Strömungsrichtung vorneliegende erste Plasmaerzeugungseinrichtung dauerhaft angesteuert und zumindest eine stromabwärts der ersten Plasmaerzeugungseinrichtung liegende zweite Plasmaerzeugungseinrichtung nur zeitweise. Dadurch wird erreicht, dass der Abluftstrom durch die erste Plasmaerzeugungseinrichtung durchgängig mit Plasma behandelt wird, und stromabwärts nur zeitweise durch die zweite Plasmaerzeugungseinrichtung, wodurch sich die vorteilhafte Emissionsreduktion, wie zuvor bereits beschrieben, gewährleistet ist.
Besonders bevorzugt wird die zweite Plasmaerzeugungseinrichtung regelmäßig angesteuert, sodass der Abluftstrom regelmäßig auch durch die zweite Plasmaerzeugungseinrichtung angesteuert wird.
Sind mehrere Plasmaerzeugungseinrichtungen stromabwärts der ersten Plasmaerzeugungseinrichtung angeordnet, insbesondere in Strömungsrichtung hintereinander gesehen, so werden diese bevorzugt abwechselnd oder zeitgleich angesteuert, derart, dass der Abluftstrom insgesamt zwei Mal durch das Plasma behandelt wird, um ein optimales Nachbehandlungsergebnis zu erzielen.
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen

1 eine vorteilhafte Einrichtung zum Behandeln von schadstoffbelasteter Abluft,
2A und 2B eine vorteilhafte Plasmaerzeugungseinrichtung der Einrichtung aus 1 in unterschiedlichen Darstellungen, und
3A bis 3C eine vorteilhafte Weiterbildung der Einrichtung.

1 zeigt in einer vorteilhaften Darstellung eine Einrichtung 1 zum Reinigen von Abluft, die beispielsweise von einer Lackiererei aus der Automobilherstellung kommt. Die Einrichtung 1 weist einen Abluftkanal 2 auf, durch welchen die Abluft gemäß eingezeichneter Pfeile hindurchströmt. In dem Abluftkanal 2 sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mehrere Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4 und 5 in Strömungsrichtung der Abluft gesehen hintereinanderliegend angeordnet. Optional ist den Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5 ein Filter 6 vorgeschaltet und/oder ein Katalysator 7 nachgeschaltet. Optional ist der Katalysator 7 nun auch vor den Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5 oder zwischen diesen angeordnet.
Die Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5 sind mit einem Steuergerät 8 verbunden, das eine Leistungsendstufe 9 zum Ansteuern der Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5 aufweist. Die Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5 sind dazu ausgebildet, ein Plasma in der Abluft zu erzeugen, um eine Reaktion und Abbau der in der Abluft enthaltenen Schadstoffe zu bewirken.
Die Behandlung beruht auf dem Transport von mit Lösungsmittel beladener Abluft durch die Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5, wobei in diesen die Abluft gereinigt, das heißt zu kleineren Molekülen gespaltet und oxidiert wird. Idealerweise verbleiben als Endprodukt Kohlendioxid und Wasser. In der Plasmazone finden Dissoziation, Anregung und Ionisation von im Plasma befindlichen Gasteilchen (Moleküle, Atome) statt. Auch eine Synthese zu höher molekularen Verbindungen ist unter bestimmten Umständen möglich (gezielte Synthese von Nanoteilchen). Das von dem Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5 erzeugte Plasma beinhaltet Ladungsträger (Elektronen und Ionen), also chemische Radikale beziehungsweise hochreaktive Molekülbruchstücke, die aus den im Gas befindlichen Teilchen per Elektronenstoß erzeugt werden und Licht, das aufgrund von spontanter Emission der angeregten Atome und Moleküle entsteht.
Insbesondere sind die hier erzeugten Plasmen derart gestaltet, dass sie sich fernab vom thermischen Gleichgewicht befinden, sodass die leichten und somit schnellen Elektroden, die Energie aus dem angelegten elektrischen Feld aufnehmen können, ihre Energie nicht oder nur unvollständig an die Schwerteilchen (Atome und Moleküle) weitergeben, weil diese Weitergabe mittels elastischen Stößen erfolgt, die gezielt in diesen Plasmen auf einem geringen Niveau gehalten werden, um das Entstehen von Lichtbögen zu vermeiden. Dies hat zur Folge, dass die Elektronen „Temperaturen“ im Bereich einiger 10.000 Kelvin besitzen, die Schwerteilchen hingegen im Bereich der Zimmertemperatur (350 Kelvin bis 450 Kelvin) liegen. Die Reaktivität dieser Plasmen rührt also von der hohen mittleren Elektrodenenergie her, nicht von der hohen Schwerteilchenenergie. Weil die auf einem Substrat als thermische Belastung empfundene Temperatur jedoch von dem Schwerteilchen vermittelt wird, sind die Plasmen kalt und können zum Beispiel auch für die Behandlung menschlicher Haut verwendet werden. Es ist daher auch von einem „kalten Plasma“ die Rede.
Vorliegend erfolgt die Anregung des kalten Plasmas insbesondere durch elektromagnetische Energie aus einem Generator der Leistungselektronik 9 in Form von bevorzugten Mittelfrequenz-Hochspannung unterschiedlicher Signalformen. Das Spannungssignal wird durch das Steuergerät 8 und die Leistungselektronik 9 den Elektroden der Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5 zugeführt.
2A und 2B zeigen den grundsätzlichen Aufbau der Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5, die zumindest im Wesentlichen gleich ausgebildet sind, sodass im Folgenden stellvertretend auf die Plasmaerzeugungseinrichtung 3 Bezug genommen wird. 2A zeigt die Plasmaerzeugungseinrichtung 3 in einer perspektivischen Ansicht und 2B in einer Draufsicht in Strömungsrichtung der Abluft gesehen.
Die Plasmaerzeugungseinrichtung 3 ist als Plasmamodul 10 ausgebildet, das ein Gehäuse 11 aufweist, in welchem mehrere plattenförmige Elektroden 12 parallel und beabstandet zueinander gehalten sind. Wie 2B in der Draufsicht zeigt, sind die plattenförmigen Elektroden 12 in dem Gehäuse 11 austauschbar gehalten. Dazu weist das Gehäuse 11 für jede Elektrode 12 einen Einschub 13 auf, der von zwei einander gegenüberliegend ausgebildeten Schiebevertiefungen 14 in dem Gehäuse gebildet wird, sodass die Elektroden 12 einfach in das Gehäuse 11 einschiebbar oder aus diesem herausziehbar sind. Die Schiebevertiefungen 14 sind dabei insbesondere als Nuten in einander gegenüberliegenden Gehäusewänden des Gehäuses 11 ausgebildet. Vorliegend weist die jeweilige Elektrode 12 insbesondere eine Länge von 190 mm und eine Breite von 88 mm bei einer Materialstärke von 0,635 mm oder 1 mm auf.
Zwischen zwei benachbarten Elektroden 12 ist außerdem jeweils eine Glasplatte 15 parallel und beabstandet zu den Elektroden 12 in dem Gehäuse 11 gehalten. Insbesondere ist auch die jeweilige Glasplatte 15 in dem Gehäuse 11 austauschbar gehalten, wozu das Gehäuse 11 bevorzugt auf die Glasplatten 15 jeweils einen Einschub 13 aufweist. Die Glasplatten 15 wirken als Isolator zwischen den zwei einander gegenüberliegenden Elektroden 12. Die jeweilige Glasplatte 15 weist bevorzugt eine katalytische Beschichtung 23 auf, die dazu führt, dass bei Plasmaerzeugung Ozon entsteht, das dann mit der Abluft und insbesondere den darin enthaltenen Lösemitteln reagiert, um diese zu reduzieren. Insbesondere ist dazu die katalytische Beschichtung 23 der Glasplatte 15 als Mangandioxidbeschichtung ausgebildet.
Die jeweilige Elektrode 12 ist aus einem flächigen, rechteckförmigen Dielektrikum als Trägersubstrat 16 gebildet, das beispielsweise aus Aluminiumoxid gefertigt ist, und auf seinen beiden voneinander abgewandten Oberflächen mit einer metallischen Gitterstruktur 17 bedruckt ist. Die Gitterstruktur 17 ist insbesondere als Leiterbahnenstruktur aus Nickel und Molybdän aufgedruckt oder gesputtert. Das Muster der Leiterbahnen der Gitterstruktur 17 kann hierbei variiert werden. Vorliegend ist die Ausführung des Gittermusters gewählt, wobei auch ein Streifenmuster oder Rautenmuster verwendet werden kann. Vorliegend sind die Leiterbahnen der Gitterstruktur 17 mit einer Breite von 0,45 mm aufgebracht und die Maschenweite des Gitters beträgt 10 mm. Die eingesetzte Keramik und die gewählte Metallbeschichtung zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich in den Versuchen mit den bislang verwendeten Abluft-Gemischen in der Art verhalten. Wird zwischen die beiden Gitterstrukturen 17 eine elektrische Spannung von beispielsweise 10 bis 15 kV und eine Frequenz von etwa 1 bis 100 kHz angelegt, so entsteht ein elektrisches Feld, das auf beiden Seiten an der Oberfläche zur Plasmaanregung geeignet ist. Aufgrund der dielektrischen Abschirmung durch die dielektrische Platte beziehungsweise das Trägersubstrat 16 wird dieser Typ von Entladung auch Dielectric-Barrier-Discharge (DBD) genannt. Weil die Anordnung im vorliegenden Fall dazu führt, dass nur auf der Oberfläche des jeweiligen Substrats 16 eine Entladung generiert wird, nennt man das auch Surface-DBD beziehungsweise Oberflächen-DBD, die im Gegensatz zu Volumen-DBD nicht zwischen zwei Elektroden brennt.
Die zu reinigende, organisch beladende warme Abluft, die beispielsweise 50°C aufweisen kann, wird seitlich an den Elektronen 12 entlang geleitet und reagiert mit dem von diesen erzeugten Plasma und gebildeten reaktiven Molekülen wie zuvor beschrieben zu Kohlendioxid und Wasser. Ein nicht vollständig zu Kohlendioxid und Wasser durchoxidiertes Abgas kann optional nachhaltlich mittels des Katalysators 7, insbesondere aus Metalloxid oder Manganoxid und einer Aktivkohle nachoxidiert werden.
Wird die Plasmaerzeugungseinrichtung 3 mit feuchter Abluft betrieben, so erhält man Elektronen, Ionen und viele verschiedene Radikale, wie zum Beispiel O₂, O₃, OH, NO, HNO und viele weitere, in völlig unterschiedlichen Mengen, die auch teilweise nur als kurzlebige Zwischenstufen in andere Moleküle umgebaut werden. Langlebige Moleküle, wie beispielsweise Ozon entstehen hierbei in großen Mengen als Endprodukt und können auch außerhalb der eigentlichen Plasmazone, nämlich insbesondere in der Wegstrecke zwischen zwei benachbarten Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4 oder 4, 5 genutzt werden. Da die freien Weglängen vieler Spezies im Normaldruck extrem kurz sind, sind diese außerhalb der Plasmazone nicht nachweisbar. Dies gilt insbesondere für Ladungsträger, die nach kurzer Distanz rekombinieren. Sollen nun unterschiedliche Spezies zur Abreinigung genutzt werden, so müssen die Reichweiten der wesentlichen Spezies berücksichtigt werden. Dies wird in vorteilhafter Weise durch die Einrichtung 1 erfüllt.
Ist der Katalysator 7 hinter den Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5 in dem Abluftkanal 2 angeordnet, so wird deutlich, dass nur reichweitige Radikale, wie beispielsweise Ozon, zu Reaktion mit dem Katalysator 7 gebracht werden können. Dabei wird Ozon auf der Katalysatoroberfläche zu atomarem Sauerstoff und molekularem Sauerstoff umgewandelt, wobei der atomare Sauerstoff hochreaktiv ist und vorhandene Lösemittel in der Abluft unmittelbar oxidiert. Ozon ist also ein Transportmolekül, das am Ort des Geschehens atomaren Sauerstoff freisetzt, der dann seine Wirkung entfaltet. Da Ozon an alle Oberflächen gelangt, kann die Anwesenheit eines Katalysators 7 dann in all diesen Oberflächen zur Freisetzung atomaren Sauerstoffs führen. In der aktiven Zone der jeweiligen Plasmaerzeugungseinrichtung 3, 4, 5, also im direkten Plasmakontakt, können jedoch sehr viel mehr Spezies wirken. Dies sind neben den hochenergetischen Elektronen auch kurzlebige Radikale und Licht, also insbesondere UV-Photonen. Während die Elektronen jedes Molekül effizient zerlegen oder fragmentieren, reagieren diese kurzlebigen Radikale effizient mit diesen Fragmenten. Die UV-Photonen sind ihrerseits in der Lage, geeignete Katalysatoren zu aktivieren, wenn deren Strahldichte genügend hoch ist. Damit wird deutlich, dass die In-Plasmakatalyse effizienter ist als eine Post-Plasmakatalyse. Um allerdings die gesamte beladene Abluft in den Genuss des aktiven Plasmas kommen zu lassen, ist es notwendig, den gesamten durchströmten Querschnitt der jeweiligen Plasmaerzeugungseinrichtung 3, 4, 5 mit Plasma zu füllen. Dies ist bisher aufwendig und schwierig, da dann die benötigten Spalte für die Zündung einer Volumen-DBD den Luftstrom stark begrenzen beziehungsweise Druckabfall über die Reinigungsstrecke enorm erhöhen. Daher ist die Post-Plasmaanordnung des Katalysators 7, wie in 1 gezeigt, für viele Anwendungen sinnvoller und praktikabler, obwohl dadurch die Effizienz etwas eingeschränkt wird.
Im Betrieb werden die Plasmaerzeugungseinrichtung 3, 4, 5 beziehungsweise die Elektroden 12 der jeweiligen Plasmaerzeugungseinrichtung 3, 4, 5 durch die Leistungsendstufe 9 mit einem Hochspannungstransformator zur Verstärkung angesteuert. Ein Signalgenerator 18 des Steuergeräts 8 gibt ein bestimmtes elektrisches Signal vor, das in der Leistungsendstufe 9 auf die gewünschte Amplitude hochgesetzt wird, beispielsweise 7 bis 11 kV_pp. Das Zeitsignal ist vorteilhafterweise gepulst, beispielsweise mit 4 kHz, und der Duty-Cycle ist bevorzugt einstellbar. Wird nun ein Puls an die gegenüberliegenden Metallisierungen auf beiden Seiten der jeweiligen Elektrode 12 angelegt, so wird ein Resonanzkreis besteht aus der Induktivität des Hochspannungstransformators und der Kapazität der Elektrode 12 angeregt. Diese Oszillationen liegen typischerweise im Bereich einiger 10 kHz bis einige 100 kHz, je nach verwendeten Bauteilen beim Hochspannungstransformator und den Elektroden 12. Die Einhüllende dieser Schwingung ist der angelegte und damit vorgegebene Puls. Mit der fallenden Flanke des Pulses stoppt auch die Oszillation, da diese mehr oder weniger stark gedämpft ist. Im plasmafreien Zeitraum ist das System nicht aktiv, da die gebildeten langlebigen Spezies im Luftstrom transportiert werden und damit ihre Aktivität entfalten. Typische Duty-Cycle-Werte liegen bevorzugt bei 10 %, das heißt die plasmafreie Zeit überwiegt die plasmaaufweisende Zeit. Im Stromverlauf sieht man auf der typischen gedämpften Oszillation zeitlich kurze Nadeln, die allerdings nur bei den größeren, das heißt den ersten Oszillationen der Stromamplitude sichtbar sind. Dies sind die Signale der Plasmazündung, die nur etwa 15 bis 20 ns je Nadel dauern und insbesondere auf den Verschiebungsstromsignalen aufmoduliert sind. Von diesen Nadeln gibt es typischerweise pro Stromamplitude sehr viele.
Bevorzugt wird daher zur sinnvollen Ausgestaltung der Einrichtung 1 die lange plasmafreie Zeit genutzt und die Vielzahl der vorhandenen Elektroden 12 zeitversetzt angesteuert. Es wird mit anderen Worten ein sogenanntes Muliplexing-Verfahren durchgeführt.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die stromabwärts liegende Plasmaerzeugungseinrichtung 3 dazu angesteuert wird, das Plasma dauerhaft zu erzeugen, sodass der Abluftstrom 2 durchgehend durch das Plasma angeregt wird und keine Plasmastromabschnitte entstehen, die nicht behandelt wurden. Die stromabwärts liegenden Plasmaerzeugungseinrichtungen 4, 5 werden vorteilhafterweise nur zeitweise, wie vorstehend beschrieben, angesteuert, um jeweils ein Plasma zu erzeugen. Dadurch wird erreicht, dass der einmal durch die Plasmaerzeugungseinrichtung 3 angeregte Abluftstrom bis zum Erreichen der stromabwärts liegenden Plasmaerzeugungseinrichtung 4 bereits eine erste Nachbehandlung erfahren hat, die zu einer Schadstoffreduktion führt, und anschließend der so bereits vorbehandelte Abluftstrom durch die stromabwärts liegende Plasmaerzeugungseinrichtung 4 erneut angeregt wird. Durch die phasenversetzte elektrische Ansteuerung der Plasmamodule erhöht sich der Energieeintrag in das System. Wodurch teiloxidierte Lösemittelreste erneut mit hoher Energiedichte durchoxidiert werden können.
Vorteilhafterweise sind die Abstände zwischen den Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4 und 5 jeweils gleich gewählt, um eine einfachere Ansteuerung zu gewährleisten. Wird jedoch eine größere Wegstrecke benötigt, um eine ausreichende Reaktion im Abluftstrom vor Erreichen der stromabwärts liegenden weiteren Plasmaerzeugungseinrichtung 4 oder 5 zu gewährleisten, werden die Abstände bevorzugt auch unterschiedlich gewählt.
Durch die vorteilhafte Ansteuerung wird auch die Momentanleistung bei konstanter mittlerer Leistung der Stromspannungsversorgung vermindert und damit die Baugröße der Einrichtung 1 insgesamt klein gehalten. Bevorzugt werden die hohen elektrischen Leistungen unmittelbar vor Ort erzeugt, um elektrische Verluste zu vermeiden und elektromagnetische Störungen zu vermeiden. Aus diesem Grund wird die Hochtransformation der Spannung unmittelbar an der jeweiligen Plasmaerzeugungseinrichtung 3, 4 oder 5 selbst erzeugt. Dazu ist die Leistungsendstufe 9 vorteilhafterweise an dem Gehäuse 11 der jeweiligen Plasmaerzeugungseinrichtung 3, 4, 5 direkt angeordnet, wie beispielsweise auch in 3A gezeigt.
Bevorzugt sind die Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5 als Plasmaerzeugungseinheiten 19, 20, 21 ausgebildet, die jeweils ein oder mehrere Plasmamodule 22 aufweisen. Zweckmäßigerweise sind die Plasmamodule 22 derart in den Abluftkanal 2 integrierbar, dass der gesamte Abluftstrom durch die Plasmamodule 22 hindurchgeleitet wird.
Das jeweilige Plasmamodul 22 ist insbesondere wie die Plasmaerzeugungseinrichtung 3 in 2A gezeigt ausgebildet. Bevorzugt weist das Plasmamodul 22 außerdem, wie zuvor bereits erwähnt, den Hochspannungstransformator beziehungsweise die Leistungsendstufe 9 auf, um die Hochspannung direkt in unmittelbarer Nähe zu den Elektroden 12 zu erzeugen. Während gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel das Gehäuse 11 an den Seiten offen ist, ist es alternativ bevorzugt, wie in 2B gezeigt, an den Seiten, also in Umfangsrichtung gesehen, geschlossen ausgebildet. Das Gehäuse 11 ist dabei vorzugsweise aus Glas oder eloxiertem Aluminium gefertigt und bildet den Strömungskanal 2 zumindest mit. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist jedes Plasmamodul 22 zehn parallel zueinander angeordnete Elektroden 12 auf, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen in den Figuren weniger Elektroden 12 dargestellt sind. Ein derartigen Plasmamodul 22 ist eine eigenständige Einheit zur Elektrodenaufnahme mit dem dafür geeigneten Gehäuse 11, und weist bevorzugt auch die entsprechenden insbesondere lösbaren elektrische Kontakte für die jeweilige Elektrode 12 sowie Mittel für deren definierte Halterung in einem sinnvollen Abstand zur benachbarten Elektrode 12 oder zu einer Seitenwand des Moduls auf. So beträgt der Abstand zur Seitenwand oder zu der benachbarten Elektrode beispielsweise 16 mm. Die Mittel zur Halterung umfassen insbesondere die zuvor bereits genannten Einschübe 13, die endseitig einen Anschlag aufweisen, bis zu welchen die Elektroden 12 und die Glasscheiben 15 einschiebbar sind, wobei der Anschlag in Strömungsrichtung hinten liegt, sodass sich die Elektroden 12 und Glasscheiben 15 durch den Abluftstrom nicht aus dem Einschub 13 lösen können.
Der aktive Querschnitt des jeweiligen Plasmamoduls 22 ergibt sich aus der Breite des Plasmamoduls 22, die sich aus der Anzahl und Größe der Elektroden sowie deren Abstand zueinander ergibt. Dieser Querschnitt definiert dann auch bei vorgegebenem Abluftstrom die Strömungsgeschwindigkeit, die beispielsweise bei 1 m/s liegt. Von der Strömungsgeschwindigkeit und der Beladung des Abluftstroms mit Lösemittel (mg/m³) hängt der Abbaugrad beziehungsweise der Grad der Schadstoffreduzierung ab. Überschreitet die Strömungsgeschwindigkeit einen Grenzwert, so nimmt der Abbaugrad ab, weil die Kontaktzeit der Abluft mit den reaktiven Spezies abnimmt.
Wird ein größerer Querschnitt der jeweiligen Plasmaerzeugungseinrichtung 3, 4, 5 aufgrund des hohen Abgasstroms notwendig, so werden bevorzugt mehrere Plasmamodule 22 in einer Plasmaerzeugungseinrichtung 3, 4, 5 parallel geschaltet.
3B und 3C zeigen hierzu beispielhaft die Ausbildung einer der Plasmaerzeugungseinheiten 19, 20, 21 aus mehreren Plasmamodulen 22. Vorteilhafterweise sind die Gehäuse 11 der Plasmamodule 22 derart ausgebildet, dass die benachbarten Plasmamodule 22 formschlüssig miteinander verbindbar sind. Dazu können beispielsweise die Plasmamodule 22, wie in 3B gezeigt, auf einer Ebene nebeneinander angeordnet werden, sodass sich der Gesamtdurchströmungsquerschnitt aus der Summe der Einzelquerschnitte der Plasmamodule 22 ergibt, wobei sich hierdurch eine Gesamtanzahl von vier Plasmamodulen 22 in der Plasmaerzeugungseinrichtung 3 ergibt. Vorteilhafterweise weist jedes der Plasmamodule 22, wie zuvor bereits erwähnt, eine eigne Leistungsendstufe 9 auf. Die formschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch ineinandergreifende Vorsprünge und Vertiefungen benachbarter Plasmamodule 22 erzielt werden, die ein einfaches Zusammensetzen oder - stecken erlauben.
Gemäß 3C ist vorgesehen, dass außerdem in Strömungsrichtung gesehen zumindest zwei Plasmamodule 22 hintereinanderliegend angeordnet sind, um die Aktivierungsstrecke durch die Plasmamodule 22 der Plasmaerzeugungseinrichtung 3 zu vergrößern, wobei dann zwei in Strömungsrichtung der Abluft gesehen zwei hintereinanderliegende Plasmamodule 22 nacheinander von der Abluft durchströmt werden. Damit entstehen in dem Ausführungsbeispiel von 3C in der Plasmaerzeugungseinrichtung 3 zwei Ebenen von hintereinanderliegenden Plasmamodulen 22, wobei sich hierbei eine Gesamtzahl von acht Plasmamodulen 22 ergibt.
Die vorstehend beschriebene Ausbildung der Plasmaerzeugungseinrichtung 3 beziehungsweise der Plasmaerzeugungseinheit 19 aus mehreren Plasmamodulen 22 kann ebenso auf die Plasmaerzeugungseinrichtung 4 und 5 beziehungsweise auf die Plasmaerzeugungseinheiten 20 und 21 übertragen werden. Vorzugsweise weisen die Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5 in zumindest derselben Ebene die gleiche Anzahl von Plasmamodulen 22 auf. Die Anzahl der Ebenen von hintereinanderliegenden Plasmamodulen 22 unterscheiden sich voneinander oder sind identisch.
Während gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 3 Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5 vorhanden sind, können auch nur zwei Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4 oder mehr als drei Plasmaerzeugungseinrichtungen 3, 4, 5 vorhanden sein. Dies ergibt sich aus den Anforderungen an die Abluftnachbehandlungen und die Schadstoffbelastung beziehungsweise Lösemittelbelastung der erwarteten Abluft. Durch die Modulbauweise der Plasmamodule 22 ergibt sich eine einfache Skalierung der Einrichtung an unterschiedliche Anforderungen, sodass die Einrichtung vielseitig durch die Auswahl der Plasmamodule 22 anwendbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Einrichtung
2: Abluftkanal
3: Plasmaerzeugungseinrichtung
4: Plasmaerzeugungseinrichtung
5: Plasmaerzeugungseinrichtung
6: Filter
7: Katalysator
8: Steuergerät
9: Leistungsendstufe
10: Plasmamodul
11: Gehäuse
12: Elektrode
13: Einschub
14: Schiebevertiefung
15: Glasplatte
16: Trägersubstrat
17: Gitterstruktur
18: Signalgenerator
19: Plasmaerzeugungseinheit
20: Plasmaerzeugungseinheit
21: Plasmaerzeugungseinheit
22: Plasmamodul
23: Beschichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1161979 A1 [0003]

Claims

Einrichtung (1) zum Reinigen von mit organischen Verbindungen und/oder Stoffen beladener Abluft, insbesondere einer Lackiererei, mit zumindest einem Abluftkanal (2), mit zumindest einer dem Abluftkanal (2) zugeordneten Plasmaerzeugungseinrichtung (3,4,5), wobei die Plasmaerzeugungseinrichtung (3,4,5) zumindest zwei in dem Abluftkanal (2) einander gegenüberliegend angeordnete Elektroden (12) aufweist, die zwischen sich einen Strömungsweg für die Abluft ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Plasmaerzeugungseinrichtungen (3,4,5) dem Abluftkanal (2) zugeordnet und in Strömungsrichtung hintereinanderliegend angeordnet sind, sodass die Elektroden (12) der vorliegenden Plasmaerzeugungseinrichtungen (3,4,5) in Strömungsrichtung der Abluft gesehen hintereinander in dem Abluftkanal (2) liegen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung benachbarte Plasmaerzeugungseinrichtungen (3,4,5) beabstandet zueinander angeordnet sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Plasmaerzeugungseinrichtung (3,4,5) als ein Plasmamodul (22) ausgebildet ist, das ein einen Strömungskanal für die Abluft bildendes oder mitbildendes Gehäuse (11) aufweist, in welchem die zumindest zwei Elektroden (12) angeordnet sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Plasmaerzeugungseinrichtung (3,4,5) mehrere eine Plasmaerzeugungseinheit (19,20,21) bildende Plasmamodule (22) aufweist, die von der Abluft nacheinander und/oder parallel zueinander durchströmbar sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (12) in dem Gehäuse (11) austauschbar angeordnet sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strömungsweg zwischen benachbarten Elektroden (12) jeweils eine Glasscheibe (15) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasscheibe (15) eine katalytische Beschichtung (23), insbesondere eine Mangandioxidbeschichtung aufweist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmamodule (22) und/oder die Plasmaerzeugungseinheiten (19,20,21) durch ein Steuergerät (8) unabhängig voneinander angesteuert sind/ansteuerbar sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Plasmamodul (22) eine insbesondere durch das Steuergerät (8) ansteuerbare Leistungsendstufe (9) aufweist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsendstufe (9) an dem Gehäuse des Plasmamoduls (22) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben der Einrichtung (1) zum Reinigen von Abluft gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Plasmaerzeugungseinrichtungen (3) dauerhaft und zumindest eine andere der Plasmaerzeugungseinrichtungen (4,5) nur zeitweise angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strömungsrichtung vorneliegende erste Plasmaerzeugungseinrichtung (3) dauerhaft angesteuert wird und zumindest eine stromabwärts der ersten Plasmaerzeugungseinrichtung (3) liegende zweite Plasmaerzeugungseinrichtung (4,5) nur zeitweise.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Plasmaerzeugungseinrichtung (4,5) regelmäßig, insbesondere in Abhängigkeit des Abstands zu der ersten Plasmaerzeugungseinrichtung (3) angesteuert wird.