DE19616197A1

DE19616197A1 - Vorrichtung mit gekühlten Bereichen zur elektrischen Nachbehandlung von Abgas

Info

Publication number: DE19616197A1
Application number: DE1996116197
Authority: DE
Inventors: Willi Dr Neff; Klaus Pochner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 1997-11-06
Anticipated expiration: 2016-04-24
Also published as: DE19616197C2; WO1997040265A1

Description

Beschreibung der Erfindung

Eine Verbesserung einer bekannten Vorrichtung zur elektrischen Nachbehandlung von Abgas mittels Barrierenentladungen zeigte sich, als die Wände zur Verminde rung von Koronaverlusten an den Elektroden mit Wasser umspült wurden. Weitere Experimente deuteten an, daß der positive Effekt überraschend durch die kühlende Wirkung verursacht wurde. Diese kann auch durch einen Wärmetauscher mit Kühlwasser- oder Ölkreislauf oder durch Kühlrippen im Kontakt mit einer intensi ven Luftströmung erreicht werden.

Technische Anwendungsgebiete

Die plasmachemische Umsetzung in der Gasphase eröffnet die Möglichkeit, Reak tionen, die im thermodynamischen Gleichgewicht eher langsam oder gleichzeitig mit störenden Nebenreaktionen ablaufen, effektiver durchzuführen. Ein wichtiges Anwendungsbeispiel ist die Nachbehandlung von Abgasen aus Verbrennungsmoto ren mit dem Ziel, Stickoxide oder Kohlenwasserstoffe zu vermindern. Insbesondere der Einsatz im Kraftfahrzeug erfordert robuste, kompakte und vor allem effiziente Reaktoren, um nur einen möglichst geringen Teil der vom Motor erzeugten Energie für die elektrische Nachbehandlung des Abgases aufwenden zu müssen.

Die Erfindung kann auch bei der Nachbehandlung von Abgasen aus Bahnantrieben, Stationärmotoren oder Kraftwerken, sowie von toxischen Industrieabgasen einge setzt werden. Daneben sind auch Synthesereaktionen in der chemischen Industrie unter Zuhilfenahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung denkbar.

Nachteile des Standes der Technik

Es ist bekannt, daß die chemischen Reaktionen in Barrierenentladungen bei At mosphärendruck nicht im ganzen Volumen homogen ablaufen, sondern bevorzugt in dünnen Entladungskanälen erfolgen, die statistisch über die Elektrodenfläche verteilt sind. Zudem ist in Querrichtung zu den Elektroden eine zunehmende Effizienz der Reaktionen in einem Bereich von typisch 100 µm Dicke vor den Dielektrika vorhanden. Es gibt dort einen schmalen Bereich vor dem Kathodendi elektrikum, in dem die höchsten elektrischen Feldstärken herrschen und damit die höchste mittlere Elektronenenergie erreicht wird [1, 2, 3]. Weitere positive Effekte werden von der Interaktion von Molekülen oder Radikalen aus der Entladung mit Wasser- oder Ölnebel (Cluster) und mit Partikeln im Abgas erwartet [4]. Aufgrund des Strömungsprofils und Temperaturprofils sowie von Diffusion ist jedoch in dem schmalen, besonders reaktiven Bereich eher eine geringere Konzentration dieser reaktiven Zentren vorhanden.

Von einer japanischen Gruppe werden diverse Versuche mit einer Koronaentladung durchgeführt, in der ein herablaufender Ölfilm auf einer der Elektroden eingesetzt wird [5]. Die verwendete Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß aufgrund der Einwirkung der gepulsten Entladung der Ölfilm zu einem feinen Nebel aufgebro chen wird, der, um die Schadstoffemission nicht zu erhöhen, anschließend wieder mühsam aus dem Abgasstrom entfernt werden muß. Zudem tritt bereits nach kur zer Zeit eine Degradation des umgewälzten Öls durch Rußpartikel und Abgaskon densat auf, der zwar durch Trocknung des Abgases vor der Behandlung begegnet wird, die jedoch dennoch einen häufigen Austausch des Öls erfordert. Schließ lich ist der eingesetzte Entladungstyp einer Koronaentladung mit einer scharfkan tigen Innenelektrode, großen Schlagweiten und einer gepulsten Stromversorgung aufgrund des stark inhomogenen elektrischen Feldes und der Schaltverluste im Versorgungsgerat deutlich weniger effizient als die hier vorgeschlagene Barrieren entladung.

In der Entwicklung befinden sich ferner DeNOx-Katalysatoren zur selektiven Re duktion von Stickoxiden in sauerstoffhaltigem Abgas [6], bei denen zum Erzie len guter Umsetzungsgrade der Zusatz eines chemischen Reduktionsmittels zum Abgas erforderlich ist. Als Reduktionsmittel werden Ammoniak, Harnstoff oder Kraftstoff, d. h. unverbrannte Kohlenwasserstoffe, vorgeschlagen. Prinzipiell könn ten diese Zusätze auch in Kombination mit Barrierenentladungen effizienzsteigernd eingesetzt werden. Nachteilig ist jedoch der Aufwand zur Einhaltung einer genauen Dosierung und die mögliche drastische Emissionserhöhung bei ungenauer Regelung im Instationärbetrieb. Schließlich sind die erforderlichen Zusatzstoffe selbst hoch gradig toxische Substanzen, deren Freisetzung, auch die Freisetzung eines geringen Eduktüberschusses, unbedingt zu vermeiden ist.

Eine Literaturrecherche ergab ferner eine Vorrichtung zur plasmachemischen Um setzung, in der gezielt Konfigurationen zur Kühlung des Entladungsmediums ein gesetzt werden [7]. Zwar scheint der dort angegebene Temperaturbereich von umgerechnet 65-150°C in einem thermodynamisch sinnvollen, aber motorisch kaum einzuhaltenden (Vollast!), Bereich zu liegen. Der eingesetzte Entladungstyp einer Bogenentladung läßt jedoch Zweifel an der Wirksamkeit angebracht erschei nen. Die Bogenentladung als thermische Gasentladung heizt Elektronen, Ionen und Neutralteilchen gleichermaßen auf mehrere Tausend Grad auf, was die vor geschlagene gute Wärmeabfuhr durch die Wand bereits erforderlich macht, um eine vorzeitige thermische Zerstörung des Reaktors zu verhindern. Eine mögliche Wirkungsgradverbesserung durch die niedrigere Betriebstemperatur gerät in Anbe tracht des verschwendeten energetischen Aufwands für das Aufheizen des Gases zur akademischen Frage. Die gezielte Einstellung transversaler Temperaturgradienten im Entladungsbereich ist aus der Anmeldung nicht ersichtlich.

Literaturverzeichnis

[1] R. KLING, R. SCHRUFT, O. WOLF, M. NEIGER: Parametrische Unter suchungen und Entwicklung praktischer Simulationsmodelle für Excimer- Barrierenentladungen. BMFT-Abschlußbericht 13N5990, 1994.

[2] M. NEIGER: Abstract zu Inkohärente Plasmastrahlungsquellen; Verh. DPG (VI) 31 (1996) 701.

[3] M. NEIGER: Inkohärente Plasmastrahlungsquellen. Vortrag, DPG-Frühjahrs tagung Plasmaphysik, Rostock, 21. März 1996.

[4] A. CZERNICHOWSKI in: Workshop on Plasma Based Environmental Techno logies; Berlin, 7. Dezember 1995.

[5] M. KAKINUMA, Y. IKEDA, S. UCHIDA: Überbrückungsstrom-Koronaentla dungsgenerator. Patentanmeldung DE 40 17 120, 28. Mai 1990.

[6] G. LEPPERHOFF: NO_x-Reduktion in DeNO_x-Katalysatoren durch Kohlen wasserstoffe im Abgas von Ottomotoren in: Technische Akademie; Esslingen, 8./9. Dezember 1994.

[7] B. F. MASTERS, J. M. SELF: Emission Control Device and Method. Patent application WO 94/23185, 29 March 1993.

Erreichte Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik

Versuche mit einer Elektrodenform, die eigentlich die äußeren Verluste der Entla dung vermindern sollte, zeigten überraschend einen temperaturabhängigen Effekt, wenn die Elektrode von Wasser umspült wird. Nach den obigen Überlegungen wird dies nunmehr auf eine Erhöhung der Gasdichte im Wandbereich sowie auf teilweise Auskondensation von Wasser, Öl, un- und teilverbrannten Kohlenwasserstoffen und im Abgas enthaltenen Partikeln zurückgeführt.

Beim verwendeten Reaktor wird aus baulichen Gründen eine innere Massenelek trode und eine koaxiale Außenelektrode mit Dielektrikum verwendet, an die hoch frequente Hochspannung angelegt wird. Zusätzlich zur erwünschten Barrieren entladung im Ringspalt zwischen den beiden Elektroden bildet sich bei höherer Spannung eine unerwünschte Koronaentladung außerhalb des Reaktors an Spitzen und Kanten der Hochspannungselektrode aus. Zur Verminderung der elektrischen Verluste in dieser Koronaentladung wurde die äußere Elektrode in einen Wasser mantel gepackt, der - frei von Kanten - die Koronaentladung fast vollständig unterbindet.

Bei den Experimenten zeigte sich eine deutliche Erhöhung der Schadstoffumsetzung und des energetischen Wirkungsgrades, die nicht alleine auf die Vermeidung von Koronaverlusten zurückzuführen ist. Weitere Versuche ergaben, daß bei einer ge ringfügigen weiteren Erhöhung der Kühlleistung an der Elektrode die Kondensation von Kohlenwasserstoffen einsetzt was den Betrieb des Abgasnachbehandlungssy stems jedoch recht schwierig gestaltet. Der optimale Betriebspunkt wird dann erreicht, wenn durch den Temperaturgradienten im Entladungsbereich lokal die Konzentration von Wasser, Partikeln und Kohlenwasserstoffen erhöht wird, ohne jedoch die Homogenität zu beeinflussen.

Der beschriebene koaxiale Reaktor steht hier nur beispielhaft für weitere mögliche Konfigurationen, wo in gleicher Weise unter anderem Plattenstapel oder Rohrbün del Verwendung finden. Gegenstand der Erfindung sind dabei alle thermischen oder strömungsmechanischen Maßnahmen, durch die in einzelnen Bereichen des Plas mareaktors höhere Konzentrationen bestimmter Stoffe erzielt werden. Ohne die Rohkonzentration dieser Stoffe im Abgas durch Veränderung der Motoreinstellung oder durch nachträgliches Eindüsen zu erhöhen, kann so dennoch lokal beispiels weise ein reduktiver Bereich in ansonsten oxidativem Abgas geschaffen werden.

Grundzüge des Lösungsweges

Zur Abgasnachbehandlung mit elektrischer Entladung wird unmittelbar im Abgas strom eine Barrierenentladung erzeugt. Dieser Entladungstyp ermöglicht auch im Druckbereich von etwa einer Atmosphäre die Erzeugung eines thermischen Nicht gleichgewichtszustandes, der für die Effizienz der plasmachemischen Umsetzung von Bedeutung ist. Das Entladungsgefäß, im folgenden Reaktor genannt, besteht aus einem schmalen Spalt, in dem die Entladung gezündet wird, und zwei flächigen Elektroden, die den Spalt begrenzen. Der Spalt kann seitlich abgeschlossen sein, oder die Elektroden werden zu einem koaxialen Gefäß aufgerollt. Wichtig ist, daß wenigstens eine der Elektroden auf der dem Entladungsgas zugewandten Seite von einer dielektrischen Barriere bedeckt ist, die namensgebend für die Entladung ist.

Bei jedem Anstieg einer hochfrequenten Hochspannung entsteht im Entladungs raum ein elektrisches Feld, das zur Ausbildung von Streamerentladungen führt. Aufgrund der statistischen Natur des Zündvorganges beginnt die Entladung nicht an allen Stellen gleichzeitig. Die durch die Streamerkanäle fließende Ladung kann über das isolierende Dielektrikum nicht auf die Elektroden abfließen und es baut sich dort eine Oberflächenladung auf, die in einer Umgebung um den Streamer das von außen angelegte Feld abschirmt. In diesem Bereich ist in der gleichen Spannungshalbwelle keine Zündung mehr möglich, so daß die Entladung aus ei nem Mosaik kleiner Kanäle besteht. Bei ausreichendem Abstand zwischen den Spannungshalbwellen zünden die Kanäle in der nächsten Halbwelle wiederum sta tistisch über die Fläche verteilt und die Entladung erscheint im zeitlichen Mittel homogen.

Da in dem beschriebenen plasmachemischen Reaktor das Abgas quer durch einen nur wenige Millimeter breiten Spalt geströmt wird, bildet sich ein Strömungsprofil aus, das in der Mitte die höchsten Geschwindigkeiten aufweist. Sobald sich die Gasströmung im turbulenten Regime befindet, wird die Geschwindigkeit in einem breiten mittleren Bereich konstant, der von einer dünnen Wirbelschicht vor beiden Elektroden umgeben ist. Gleichzeitig erwärmt sich das Gas aufgrund von Verlusten der elektrischen Entladung im Bereich der Kanäle, was seinerseits den Strömungs verlauf beeinflußt. Insgesamt wird jedoch der Gasaustausch in der Randschicht langsamer erfolgen als im Gasvolumen.

Wird nun zumindest eine der Elektroden gekühlt, so bildet sich zusätzlich zur Strömungsgrenzschicht eine Temperaturgrenzschicht aus. Diese führt zu einer An reicherung von Reaktionskeimen, Elektronen-Attachment-Zentren und reduzierend wirkenden Kohlenwasserstoffen gerade in dem Bereich, in dem ohnehin aufgrund der Feldstärke die höchste Elektronenenergie und damit die stärkste Stimulation plasmachemischer Reaktionen vorherrscht.

Gegenstand der Erfindung ist die Ausnutzung gasdynamischer und thermischer Ef fekte zur Einstellung einer günstigeren lokalen Verteilung der ohnehin im Abgas enthaltenen Reaktionspartner. Damit kommt das System ohne potentiell schädli che Zusatzstoffe aus und kann gleichwohl eine ähnliche Verbesserung der Umsatz rate bei hoher Energieeffizienz erreichen, wie bekannte Systeme.

Unter den beanspruchten Schutzbereich fallen demnach alle Maßnahmen, die durch Anpassung der Gasströmung oder des Temperaturverlaufs an räumlich bevorzugte Zonen in der Barrierenentladung, oder in anderen ähnlich gearteten Nichtgleichge wichtsgasentladungen, die plasmachemische Umsetzung in Gasen verbessern.

Bezugszeichenliste

10 erste oder Hochspannungselektrode
11 Netzelektrode
12 Wasserfüllung
15 gekühlte Wand
19 beliebige erste Wand
20 erstes Dielektrikum
21 Elektrodengehäuse
30 zweite oder Masseelektrode
31 Masseelektrode mit Kühlrippen
32 Wasserfüllung
3ß Mantelrohr
39 beliebige zweite Wand
40 zweites Dielektrikum, falls vorhanden
50 Hochspannungsgenerator
60 Innenraum des Reaktors
61 Einströmseite
62 Ausströmseite
65 Grenzschicht der Strömung
69 gesamter Reaktor (vereinfacht)
70 Bereich der Gasentladung
71 Filament
72 Fußpunkt
79 Koronaentladung

Claims

1. Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgas mit nichtthermischen elektri schen Entladungen, dadurch gekennzeichnet, daß in einzelnen räumlichen Bereichen Komponenten aus dem Abgas kondensieren oder zumindest mit höherer Dichte vorliegen als im übrigen Reaktorvolumen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in diesen räumlichen Bereichen eine bestimmte Temperatur eingestellt wird.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich der Gasentladung, wo die höchste mittlere Elektrone nenergie erreicht wird, eine niedrigere Temperatur als im übrigen Reaktor eingestellt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung eine Barrierenentladung darstellt, die transversal zwischen flächigen (ebenen oder koaxialen) Elektroden brennt, zwischen denen longi tudinal das zu behandelnde Abgas strömt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der flächigen Elektroden eine Einrichtung zur Wärmeabfuhr aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode von einer Flüssigkeit umspült und dadurch gekühlt wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet daß der zu kühlende Bereich mit einer Luftströmung beaufschlagt wird, die beispielsweise durch den an einem geeignet, geformten Auspufftopf angrei fenden Fahrtwind hervorgerufen wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einzelnen räumlichen Bereichen der Entladung eine strömungsinduzierte Anreicherung bestimmter Komponenten stattfindet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß bei einem koaxialen Elektrodensystem eine Zyklonströmung hergestellt wird, die eine Anreicherung schwerer Abgaskomponenten im Bereich vor der äußeren Elektrode hervorruft.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch schnelle Expansion des Abgasstrahls hinter einer düsenartigen Ausformung eine Abkühlung und gleichzeitige strömungsindu zierte Anreicherung stattfinden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der expan dierende Gasstrom in Richtung des Bereichs mit der elektrischen Entladung geleitet wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeich net, daß der Gasstrom auf eine gekühlte Wand, beispielsweise eine der Elek troden, gerichtet wird.