DE19616197C2 - Verfahren zur Behandlung von Abgas - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Abgas gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß die chemischen Reaktionen in Barrierenentladungen bei Atmosphären­ druck nicht im ganzen Volumen homogen ablaufen, sondern bevorzugt in dünnen Entla­ dungskanälen 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 Kathodendielektrikum, in dem die höchsten elektrischen Feldstärken herrschen und damit die höchste mittlere Elektronenenergie erreicht wird (R. Kling, R. Schruft, O. Wolf, M. Neiger: "Parametrische Untersuchungen und Entwicklung praktischer Simulationsmodelle für Excimer-Barrierenentladungen", BMFT-Abschlußbericht 13N5990, 1994; M. Neiger: Abstract zu "Inkohärente Plasmastrahlungsquellen"; Verh. DPG (VI 31(1996)701., M. Neiger: "Inkohärente Plasmastrahlungsquellen", Vortrag, DPG-Frühjahrstagung Plasmaphysik, Rostock, 21. März 1996). 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 (A. Czernichowski in: Workshop on Plasma Based Environmental Technologies; Berlin, 7. Dezember 1995.). Aufgrund des Strömungsprofils und Temperatur­ profils sowie von Diffusion ist jedoch in dem schmalen, besonders reaktiven Bereich eher eine geringere Konzentration dieser reaktiven Zentren vorhanden.

Aus der DE 40 17 120 A1 ist es bei einer Koronaentladung bekannt, einen herablaufenden Ölfilm auf einer der Elektroden einzusetzen. Aufgrund der Einwirkung der gepulsten Entla­ dung wird der Ölfilm zu einem feinen Nebel aufgebrochen, der, um die Schadstoffemission nicht zu erhöhen, anschließend wieder mühsam aus dem Abgasstrom entfernt werden muß. Zudem tritt bereits nach kurzer Zeit eine Degradation des umgewälzten Öls durch Rußpartikel und Abgaskondensat auf, der zwar durch Trocknung des Abgases vor der Behandlung be­ gegnet wird, die jedoch dennoch einen häufigen Austausch des Öls erfordert. Schließlich ist der eingesetzte Entladungstyp einer Koronaentladung mit einer scharfkantigen Innenelektro­ de, großen Schlagweiten und einer gepulsten Stromversorgung aufgrund des stark inhomo­ genen elektrischen Feldes und der Schaltverluste im Versorgungsgerät deutlich weniger effizi­ ent als die hier vorgeschlagene Barrierenentladung.

In der Entwicklung befinden sich ferner DeNOx-Katalysatoren zur selektiven Reduktion von Stickoxiden in sauerstoffhaltigem Abgas (G. Lepperhoff: "NOx-Reduktion in DeNOx- Katalysatoren durch Kohlenwasserstoffe im Abgas von Ottomotoren" in: Technische Akade­ mie; Esslingen, 8.19. Dezember 1994.), bei denen zum Erzielen guter Umsetzungsgrade der Zusatz eines chemischen Reduktionsmittels zum Abgas erforderlich ist. Als Reduktionsmittel werden Ammoniak, Harnstoff oder Kraftstoff, d. h. unverbrannte Kohlenwasserstoffe, vorge­ schlagen. Prinzipiell könnten diese Zusätze auch in Kombination mit Barriereentladungen ef­ fizienzsteigernd eingesetzt werden. Die Einhaltung einer genauen Dosierung ist aufwendig. Bei ungenauer Regelung ist eine drastische Emissionserhöhung im Instationärbetrieb möglich. Schließlich sind die erforderlichen Zusatzstoffe selbst hochgradig toxische Substanzen, deren Freisetzung, auch die Freisetzung eines geringen Eduktüberschus­ ses, unbedingt zu vermeiden ist.

Eine Vorrichtung zur plasmachemischen Umsetzung, in der gezielt Konfigurationen zur Küh­ lung des Entladungsmediums eingesetzt werden, ist der WO 94/23185 A1 entnehmbar. Zwar scheint der dort angebene Temperaturbereich von umgerechnet 65-150°C in einem thermodynamisch sinnvollen, aber motorisch kaum einzuhaltenden (Vollast!), Bereich zu lie­ gen. Der eingesetzte Entladungstyp einer Bogenentladung läßt jedoch Zweifel an der Wirk­ samkeit angebracht erscheinen. Die Bogenentladung als thermische Gasentladung heizt Elek­ tronen, Ionen und Neutralteilchen gleichermaßen auf mehrere Tausend Grad auf, was die vorgeschlagene gute Wärmeabfuhr durch die Wand bereits erforderlich macht, um eine vor­ zeitige thermische Zerstörung des Reaktors zu verhindern. Eine mögliche Wirkungsgradver­ besserung durch die niedrigere Betriebstemperatur gerät in Anbetracht 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.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Nachbehandlung von Abgas anzugeben, mit dem die Schadstoffumsetzung verbessert und der energetische Wirkungsgrad erhöht wird.

Die Aufgabe wird gemäß den in Anspruch 1 wiedergegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhaf­ te Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben.

Zur Abgasnachbehandlung mit elektrischer Entladung wird unmittelbar im Abgasstrom eine Barriereentladung erzeugt. Dieser Entladungstyp ermöglicht auch im Druckbereich von etwa einer Atmosphäre die Erzeugung eines thermischen Nichtgleichgewichtszustandes, der für die Effizienz der plasmachemischen Umsetzung von Bedeutung ist. Das Entladungsgefäß, im fol­ genden 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 abge­ schlossen 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 dieelektrischen Barriere bedeckt ist, die namensgebend für die Entladung ist. Bei jedem An­ stieg einer hochfrequenten Hochspannung entsteht im Entladungsraum 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 Strea­ merkanäle 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 Span­ nungshalbwelle keine Zündung mehr möglich, so daß die Entladung aus einem Mosaik klei­ ner Kanäle besteht. Bei ausreichendem Abstand zwischen den Spannungshalbwellen zünden die Kanäle in der nächsten Halbwelle wiederum statistisch 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 Re­ gime 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 Strömungsverlauf 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 Strömungs­ grenzschicht eine Temperaturgrenzschicht aus. Diese führt zu einer Anreicherung von Reakti­ onskeimen, Elektronen-Attachment-Zentren und reduzierend wirkenden Kohlenwasserstoffen gerade in dem Bereich, in dem ohnehin aufgrund der Feldstärke die höchste Elektronenener­ gie und damit die stärkste Stimulation plasmachemischer Reaktionen vorherrscht.

Dabei zeigt sich eine deutliche Erhöhung der Schadstoffumsetzung und des energetischen Wirkungsgrades, die nicht alleine auf die Vermeidung von Koronaverlusten zurückzuführen ist. Bei einer geringfügigen weiteren Erhöhung der Kühlleistung an der Elektrode setzt die Kondensation von Kohlenwasserstoffen ein. 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 Konfigu­ rationen, wo in gleicher Weise unter anderem Plattenstapel oder Rohrbündel Verwendung finden. Gegenstand der Erfindung sind dabei alle thermischen oder strömungsmechanischen Maßnahmen, durch die in einzelnen Bereichen des Plasmareaktors 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 beispielsweise ein reduktiver Bereich in ansonsten oxidativem Abgas geschaf­ fen werden.

Damit werden gasdynamische und thermische Effekte zur Einstellung einer günstigeren loka­ len Verteilung der ohnehin im Abgas enthaltenen Reaktionspartner ausgenutzt. Damit kommt das System ohne potentiell schädliche Zusatzstoffe aus und kann gleichwohl eine ähnliche Verbesserung der Umsatzrate bei hoher Energieeffizienz erreichen, wie bekannte Systeme.

Claims (10)

1. Verfahren zur Behandlung von Abgas mittels einer dielektrisch behinderten Gasentladung (Barriereentladung), die transversal zwischen flächigen, einen Reaktor bildenden Elektroden brennt, zwischen denen longitudinal das zu behandelnde Abgas strömt, dadurch gekennzeichnet, daß in einzelnen räumlichen Bereichen des Reaktors eine höhere Konzentration von Kompo­ nenten aus dem Abgas erzeugt wird als im übrigen Reaktor.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die höhere Konzentration durch thermische Maßnahmen erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich des Reaktors, wo die höchste mittlere Elektronenenergie erreicht wird, eine niedrigere Temperatur als im übrigen Reaktor eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden mittels einer Kühlflüssigkeit und/oder einer Luftströmung gekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um das Abgas eines Fahrzeugmotors handelt und die Luftströmung durch den an einem geeignet geformten Auspufftopf angreifenden Fahrtwind hervorgerufen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die höhere Konzentration durch strömungsmechanische Maßnahmen erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem koaxialen Elektrodensystem eine Zyklonströmung erzeugt wird, die eine Anrei­ cherung schwerer Abgaskomponenten im Bereich vor der äußeren Elektrode hervorruft.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas beim Eintritt in den Reaktor eine oder mehrere Düsen durchströmt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen derart eingestellt werden, daß der Abgasstrom auf gekühlte Bereiche des Re­ aktors gerichtet ist, beispielsweise eine der Elektroden.

10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen derart eingestellt werden, daß der Abgasstrom in Richtung des Bereichs mit der elektrischen Entladung geleitet wird.