DE19534950C2 - Vorrichtung zur plasmachemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von Schadstoffen - Google Patents
Vorrichtung zur plasmachemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von SchadstoffenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur plasma
chemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von Schadstoffen,
insbesondere zur Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren oder
anderer mit fossilem Treibstoff betriebenen Maschinen, wobei
die Schadstoffe als Abgasstrom eine mit dielektrisch behin
derten Entladungen beaufschlagte Strecke in einem Reaktor
durchlaufen, mit einer Elektrodenanordnung aus wenigstens
einer ersten dielektrisch beschichteten Elektrode und einer
zweiten Elektrode als Gegenelektrode, zwischen denen bei
vorgegebenem Abstand eine Hochspannung vorgebbarer Frequenz
zur Aktivierung von Entladungen anlegbar ist.
Die direkte Abgasnachbehandlung in dielektrisch behinderten
Gasentladungen, die auch als "stille" Entladungen oder Bar
riereentladungen bezeichnet werden, ist ein vielversprechen
der Weg zum Bau von Schadstoffminderungselementen, welche
eine Verringerung der Emission gesundheitsschädlicher Abgase
erlauben. Dabei können die Abgase sowohl von stationären
Anlagen, wie beispielsweise Kraftwerken, als auch von mobil
betriebenen Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise Otto
motoren, Dieselmotoren, Zweitaktmotoren, emittiert werden.
Ein solches Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung ist aus
der DE 42 31 581 A1 vorbekannt.
Der Betrieb eines Abgasminderungselementes im Abgasstrang
eines Fahrzeuges erfordert zusätzliche Leistung, welche von
der Kraftmaschine aufgebracht werden muß. Die zusätzlich
benötigte Leistung führt zu einem zusätzlichen Kraftstoff
verbrauch.
Speziell Dieselmotoren haben gegenüber Ottomotoren den Vor
teil eines um 10 bis 15% geringeren Kraftstoffverbrauches
pro abgegebener mechanischer Kilowattstunde. Allerdings er
lauben Dieselmotoren nicht den Einsatz geregelter Dreiwege
katalysatoren wie beim Ottomotor, wodurch sie einen gegenüber
Ottomotoren mit Katalysator deutlich höheren Ausstoß an NOX
haben. Die Nachbehandlung dieses NOX-Anteils muß daher beim
Dieselmotor energetisch so effizient vorgenommen werden, daß
der Vorteil im Kraftstoffverbrauch möglichst wenig geschmä
lert wird. Dies bedeutet, daß bei Verwendung von Abgasminde
rungselementen nach dem Prinzip der Barriereentladung der
Wirkungsgrad deutlich verbessert werden muß, wozu die ver
fahrenstechnischen Parameter einerseits und die apparativen
Parameter andererseits veränderbar sein müssen.
Aus der DE 43 17 964 A1 ist weiterhin eine Einrichtung zur
plasmachemischen Bearbeitung von Schadstoffen bekannt, bei
der bei Durchlaufen eines Schadstoffstromes durch die Bar
riereentladung das Produkt p.d an die Aktivierungsenergie der
gewünschten chemischen Reaktionen anpaßbar ist und räumlich
und/oder zeitlich unterschiedliche Werte annimmt, wobei p der
Gasdruck im Reaktorvolumen und d die sogenannte Schlagweite
ist. Konkret bedeutet dies für eine diesbezügliche Vorrich
tung, daß die Elektroden und/oder der dielektrische Körper
ein Entladungsgefäß mit lokal unterschiedlichen Schlagweiten
bilden.
Mit der älteren, nichtvorveröffentlichten DE 195 25 749 A1
wird schließlich eine Vorrichtung der eingangs genannten Art
vorbeschrieben, mit einem Reaktor zum Betreiben der Entladung
in einer solchen räumlichen Struktur, bei der das Gesamt
reaktorvolumen sich wiederholend in Entladungszonen einer
seits und in entladungsfreie Zonen andererseits unterteilt
ist, und mit Mitteln zu sich in Flußrichtung des Abgasstromes
wiederholenden Feldüberhöhungen im Bereich der Entladungs
zonen. Damit soll der Wirkungsgrad der Entladung verbessert
und insbesondere die Möglichkeit der Kombination mit chemi
schen Reaktionen an der Oberfläche der Strukturen, beispiels
weise katalytischer Art, eröffnet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung
zu schaffen, die mit einer einfachen Geometrie unter Anwen
dung der bereits oben vorgeschlagenen Prinzipien einen pra
xisgerechten Aufbau eines Abgasreinigungselementes ermög
licht.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Reaktor aus
wenigstens einem Modul mit einer Vielzahl paralleler, räum
lich voneinander getrennter Kanäle in einem dielektrischen
Körper besteht, wobei die Elektroden jeweils gruppenweise für
mehrere Kanäle zusammengefaßt sind. Vorzugsweise ist der di
elektrische Körper durch einen solchen Isolationskörper aus
geeignetem Material gebildet, in dem die Elektroden fest ein
gebracht sind.
Im Rahmen der Erfindung kann ein einzelnes Modul eine stan
dardmäßig vorgegebene Dicke aufweisen. Dies hat den Vorteil,
daß einzelne Module hintereinanderschaltbar sind. Sie können
dabei unmittelbar aneinandergereiht oder mit Abstand hinter
einander angeordnet sein, wobei beispielsweise zwischen die
Module Filter anordenbar sind. Wesentlich ist aber, daß die
Elektroden jeweils mechanisch fest in den Isolationskörper
integriert sind.
Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung mit der Vielzahl
paralleler, räumlich voneinander getrennten Kanäle im Dielek
trikum, daß neben der dielektrisch behinderten Entladung eine
große Oberfläche für katalytische und nichtkatalytische
Reaktionen, bei denen der Materialverbrauch vernachlässigbar
ist, zur Verfügung steht. Dabei ergibt sich jeweils ein ein
facher Aufbau der Anordnung, wobei sich die Abmessungen sowie
das Material des Dielektrikums, und weiterhin die Form, die
Abmessungen und die Anzahl der einzelnen Entladungszellen an
den jeweiligen Bedarf anpassen läßt.
Durch die Anordnung der Vorrichtung aus einzelnen Blöcken,
die sich modulartig hintereinander schalten lassen, kann der
jeweilige Zwischenraum je nach Erfordernis frei wählbar sein.
Dadurch ergibt sich beispielsweise die Möglichkeit, zwischen
einzelnen Stufen der Abgasbehandlung durch stille Entladungen
zusätzliche Maßnahmen vorzunehmen, die den Reinigungsvorgang
verbessern. Neben dem bereits erwähnten Einsatz von Filtern
ist die Zugabe von Additiven, sowie chemische, mechanische,
elektrische oder andere Maßnahmen zur Konzentrationserhöhung
bzw. zur Trennung von bereits behandelten und noch nicht be
handelten Molekülen des Abgases möglich. Daneben lassen sich
die einzelnen Blöcke unabhängig voneinander betreiben, so daß
beispielsweise in einem einzigen System Entladungen mit un
terschiedlichen Charakteristiken hinsichtlich Frequenz und/oder
Pulsformen der Entladungen simultan brennen können.
Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung, daß durch die
Integration der Elektroden im Isolationskörper ein mechanisch
robuster Reaktor mit langzeitstabilen Betriebsbedingungen
entsteht, was insbesondere für den praktischen Einsatz in
Kraftfahrzeugen von Bedeutung ist. Es ist weiterhin möglich,
eine Heizmöglichkeit vorzusehen, mit der die optimale Be
triebstemperatur des Abgasreinigungselementes bei Inbetrieb
nahme des Fahrzeuges sofort erreicht werden kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei
spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Un
teransprüchen. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung
Fig. 1 die Vorderansicht eines in einer geschlossenen Kammer
angeordneten Abgasreinigungsmoduls,
Fig. 2 einen Schnitt durch das Reinigungsmodul gemäß
Fig. 1,
Fig. 3 eine alternative Anordnung zur Fig. 1,
Fig. 4 eine besondere Anordnung der Elektroden bei einer
Anordnung gemäß Fig. 1, die
Fig. 5 bis 7 unterschiedliche Anordnungen von Elektroden
in der Seitenansicht des Abgasmoduls gemäß Fig. 2,
Fig. 8 und 9 Anordnungen mit der Integration von Heiz
elementen in die Elektroden und
Fig. 10 eine Zusammenschaltung einer Anzahl von Modulen nach
einem der Fig. 1 bis 9 zu einem kompletten Reak
tor.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
In der Fig. 1 ist mit 1 die Umrandung einer Kammer bezeich
net, die beispielhaft ein einzelnes Entladungsmodul 10 trägt.
Die Kammer 1 ist innen mit einer Elektrodenabdeckung 2 ver
sehen.
Das Entladungsmodul 10 besteht aus einem Grundkörper 15 aus
dielektrischen Material, beispielsweise Teflon. In den Körper
15 aus dielektrischem Material sind im Abstand zeilen- bzw.
spaltenförmig neben- und und übereinander Keramikrohre 11
eingebracht, beispielsweise fünf Zeilen mit je vier Keramik
rohren 11, welche je einen Brennraum als Kanal umschließen.
Zur Aktivierung von dielektrisch behinderten Entladungen in
den einzelnen Brennräumen der Keramikrohre 11 sind im Dielek
trikum 15 zwischen den einzelnen Zeilen Elektroden fest ein
gebracht und zwar jeweils alternierend eine Elektrode 12 für
niedriges Potential ("low") und eine Elektrode 13 für hohes
Potential ("high"). Die einzelnen Elektroden 12 bzw. 13 sind
jeweils in den Körper 15 aus dem dielektrischen Material
integriert und haben jeweils an ihren außenstehenden Enden
Leitungsanschlüsse für gemeinsame Stromzuführungen 16 bzw.
17.
Aus der Schnittdarstellung der Fig. 2 ergibt sich, daß die
einzelnen Kanäle der Rohre 11 mit anderen Materialien als dem
des Isolationskörpers 15 ausgekleidet sind, beispielsweise
mit katalytisch wirksamer Keramik oder mit Metalloxid
beschichtungen. Die Elektroden 12 und 13 haben beispielsweise
runden Querschnitt und sind jeweils für einen gewissen Be
reich längs des Brennraumes wirksam. Dadurch, daß die Elek
troden 12 und 13 jeweils alternierend senkrecht von der Seite
in den Körper eingeführt sind, ist eine gute Trennung der
Potentiale gewährleistet. Auch bei den verwendeten Wechsel
spannungen von beispielsweise 10 bis 20 kV ergibt sich somit
keine Gefahr von Überschlägen an den Elektrodenanschlüssen
außerhalb des Isolationskörpers. Die Elektroden 12, 13 selbst
liegen bei Fig. 1 und 2 voll im Isolationskörper 15, wobei in
diesem Fall im Brennraum eine beidseitig behinderte dielek
trische Entladung innerhalb der Rohre 11 entsteht.
In Fig. 3 ist ein Entladungsmodul 30 gegenüber Fig. 1 durch
Formgebung dahingehend abgewandelt, daß der Querschnitt des
Brennraumes eine Langlochgeometrie hat. Der Querschnitt kann
bei weiteren Ausführungsformen auch recht eckig oder sternför
mig sein. Speziell durch letztere Geometrie ergibt sich eine
vergrößerte Oberfläche des Brennraumes.
In Fig. 4 ist ein Entladungsmodul 40 mit Entladungskanal
gegenüber den Fig. 1 und 3 in der Weise abgewandelt, daß
jeweils eine von zwei gegenüberliegenden Elektroden 42, 43
unterschiedlicher Polarität unmittelbar in den Kanal 41 her
einragt. Damit liegt eine einseitig behinderte dielektrische
Entladung vor. Dabei kann insbesondere die freie Elektrode
schneidenförmig ausgeführt sein, wodurch sich eine beacht
liche Feldstärkeüberhöhung in diesem Bereich des Brennraumes
ergibt. Dadurch kommt es zu einer besseren Energieeffizienz
bei der Zersetzung der Schadstoffe, was bei der bereits er
wähnten älteren DE 195 25 749 A1 bereits vorgeschlagen wurde.
Die Anordnung der Elektroden in Relation zum Entladungsraum
dann unterschiedlich sein. Neben der symmetrischen Anordnung
der Elektroden 12, 13 in Fig. 2 ist in Fig. 5 in bezug auf
die Tiefe eines Modules 50 eine unsymmetrische Anordnung
gleich ausgebildeter Elektroden 12, 13 vorgeschlagen. Bei
einer solchen Anordnung können sich durch entsprechende Be
schichtung des nachfolgenden Reaktionsraumes Vorteile für die
Reaktion des die dielektrische Entladung durchlaufenen Ab
gases mit dem Wandmaterial ergeben.
In alternativer Ausbildung können gemäß Fig. 6 in Richtung
der Tiefenausdehnung eines Moduls 60 jeweils mehrere Elektro
den 12, 12', 12'' bzw. 13, 13', 13'' vorhanden sein. Bei ge
eigneten Modulen ist es möglich, daß das Abgas nach Durch
laufen einer ersten dielektrisch behinderten Entladung einer
definierten chemische Reaktion unterzogen wird und daß an
schließend eine zweite und gegebenenfalls auch dritte Ent
ladung erfolgt. Entsprechendes ergibt sich aus Fig. 7, bei
dem in einem Modul 70 unterschiedliche Elektroden 72 und 73
jeweils als größere strukturierte Einheit ausgeführt sind und
in vorgegebenem Abstand beispielsweise einzelne Schneiden
72a, b, c bzw. 73a, b, c bilden.
Die Elektroden müssen nicht zwangsläufig aus massivem Mate
rial bestehen. Sie können vielmehr auch als nach innen iso
lierte Hohlkörper 82 bzw. 83 mit leitender Außenfläche gemäß
Fig. 8 ausgebildet sein. In solche Hohlelektroden 82 und 83
lassen sich einzelne Heizelemente 84 einschieben, mit denen
eine vorgegebene Betriebstemperatur des gesamten Abgasreini
gungselementes eingestellbar ist.
In Fig. 9 ist eine Modulanordnung 90 mit Heizung derart aus
gestaltet, daß die Elektroden 92 bzw. 93 gleichermaßen einer
seits zur Speisung der Entladung und andererseits zur Heizung
dienen. An die Elektroden 92 und 93 wird dazu von einem
Wechselspannungsgenerator 95 die Entladungsspannung mit
höherer Frequenz, beispielsweise 10 kHz, und zusätzlich eine
Heizspannung mit davon abweichender Frequenz, beispielsweise
Wechselspannung von 50 Hz oder insbesondere Gleichspannung
von einem Gleichspannungsgenerator 96, angelegt. Eine uner
wünschte Rückwirkung beider Spannungsquellen 95 und 96 auf
einander kann dabei durch entsprechende Beschaltung mit
Kondensatoren 97 und Drosseln 98 ausgeschlossen werden.
In Fig. 10 sind mehrere Module entsprechend den anhand der
Fig. 1 bis 9 beschriebenen Modulen 10 bis 90 hinterein
andergeschaltet. Beispielhaft sind rechteckige Module 10 in
einem rechteckigen Strömungskanal aneinandergereiht und
bilden einen kompletten Reaktor. Die Module lassen sich
natürlich auch an andere Kanalgeometrien, insbesondere runde
oder ovale Rohre, anpassen.
Außer dem Aneinanderreihen einzelner gleicher Module, bei
spielsweise in Fig. 10 mehrerer Module 10 zu einer Gesamt
anordnung, die elektrisch gemeinsam betrieben wird, lassen
sich auch unterschiedliche Module, beispielsweise ein Modul
10 und ein Modul 40, miteinander kombinieren. In jedem Fall
kann der jeweilige Zwischenraum nach dem vorliegenden Erfor
dernis gewählt oder variiert werden. Insbesondere ergibt sich
dabei die Möglichkeit, zwischen den einzelnen Modulen und
diesbezüglichen einzelnen Stufen der Abgasbehandlung durch
stille Entladungen zusätzliche Maßnahmen vorzusehen. In Fig.
10 ist beispielhaft zwischen zwei gleich aufgebauten Modulen
10 ein Filter 110 angeordnet.
Durch elektrisch unabhängiges Betreiben einzelner Module las
sen sich in einem einzigen System Entladungen mit unter
schiedlichen Charakteristiken, beispielsweise verschiedener
Frequenzen oder Pulsformen, simultan miteinander kombinieren.
Claims (11)
1. Vorrichtung zur plasmachemischen Zersetzung und/oder Ver
nichtung von Schadstoffen, insbesondere zur Abgasreinigung
von Verbrennungsmotoren oder anderer mit fossilem Treibstoff
betriebenen Maschinen, bei der die Schadstoffe als Abgasstrom
eine mit dielektrisch behinderten Entladungen beaufschlagte
Strecke in einem Reaktor durchlaufen, mit einer Elektroden
anordnung aus wenigstens einer ersten dielektrisch beschich
teten Elektrode und einer zweiten Elektrode als Gegenelek
trode, zwischen denen bei vorgegebenem Abstand eine Hoch
spannung vorgebbarer Frequenz zur Aktivierung der Entladungen
anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Reaktor aus wenigstens einem Modul (10, . . ., 90) mit
einer Vielzahl paralleler, räumlich voneinander getrennter
Kanäle (11, 41) in einem dielektrischen Körper (15) besteht,
wobei die Elektroden (12, 13; . . ., 92, 93) jeweils gruppen
weise für mehrere Kanäle (11, 41) zusammengefaßt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der dielektrische Körper
durch einen Isolationskörper (15) gebildet ist, in denen die
Elektroden (12, 13, . . . 92, 93) fest eingebracht sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß mehrere Module (10, . . ., 90)
hintereinander angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß unterschiedlich aufgebaute
Module (10, . . ., 90) hintereinander geschaltet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, da
durch gekennzeichnet, daß einzelne
Module (10, . . ., 90) mit Abstand zueinander angeordnet sind
und daß zwischen einzelne Module (10, . . ., 90) Filter (110)
geschaltet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Querschnitt der Kanäle
(11, 41) rund, rechteckig oder sternförmig ist oder daß die
Kanäle im Querschnitt ein Langloch bilden.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Kanäle (11, 41) mit einem die Schadstoffzersetzung fördernden
Material, mit einer katalytisch wirksamen Keramik oder mit
einer Metalloxidbeschichtung ausgekleidet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß wenigstens eine der Elek
troden (42 ) eine schneidenförmige Struktur hat und in die
Kanäle (41) hineinragt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel
(84; 96, 98) zur Beheizung der Isolationskörper vorhanden
sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Elektroden (92, 93)
gleichermaßen die Heizung bilden.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß bei einem
Modul (60) vorgegebener Dicke mit einer bestimmten Anzahl von
Kanälen, welche symmetrisch angeordnet sind, mehrere Elektro
den (12, 12', 12'', 13, 13', 13'') im Abstand hintereinander
angeordnet sind.
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DE1995134950 DE19534950C2 (de) | 1995-09-20 | 1995-09-20 | Vorrichtung zur plasmachemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von Schadstoffen |
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