DE102021114836A1 - Conversion of sulphur-containing compounds in exhaust gases by non-thermal plasma - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung sind eine Abgasreinigungsanlage 12 und ein Verfahren zur Behandlung eines Abgasstroms 6 aus einem Betrieb 1, zum Beispiel einer Tierkörperverwertungsanlage. Dabei wird nichtthermisches Plasma, das Ozon und OH-Radikale in einem Plasma-Gasstrom 7 erzeugt, eingesetzt, um schwefelhaltige Target-Komponenten (Methylmercaptan (CH4S), Dimethylsulfid (C2H6S), Dimethyldisulfid (C2H6S2) und Dimethyltrisulfid (C2H6S3)) im Abgasstrom 6 in einer primären und einer sekundären Reaktion umzusetzen. Die primäre Reaktion findet dabei durch die bloße Zusammenführung von Abgas und Plasma-Gasstrom statt. Die sekundäre Reaktion kann durch den Einsatz eines Katalysators beschleunigt werden. Hierdurch wird die Konzentration der Target-Komponenten signifikant reduziert. Alternativ zum Einsatz eines Katalysators kann durch ein Adsorbens eine weitere Umsetzung der Target-Komponenten und/oder Ozon erfolgen. Besonders bevorzugt wird der dadurch erzeugte zweite Gasstrom 9 in einem Gaswäscher 4 und/oder einem Biofilter 5 nachbehandelt.The invention relates to an exhaust gas cleaning system 12 and a method for treating an exhaust gas flow 6 from a plant 1, for example an animal carcass processing plant. In this case, non-thermal plasma, which generates ozone and OH radicals in a plasma gas stream 7, is used to remove sulphur-containing target components (methyl mercaptan (CH4S), dimethyl sulfide (C2H6S), dimethyl disulphide (C2H6S2) and dimethyl trisulfide (C2H6S3)) in the exhaust gas stream 6 in a primary and a secondary reaction. The primary reaction takes place through the mere combination of exhaust gas and plasma gas flow. The secondary reaction can be accelerated by using a catalyst. This significantly reduces the concentration of the target components. As an alternative to using a catalyst, the target components and/or ozone can be further converted by an adsorbent. The second gas stream 9 generated in this way is particularly preferably post-treated in a gas scrubber 4 and/or a biofilter 5 .
Description
Gegenstand der Anmeldung ist ein Verfahren zum Reinigen eines Abgasstroms, bei dem die Konzentration einer schwefelhaltigen Verbindung wie Methylmercaptan (CH4S), Dimethylsulfid (C2H6S), Dimethyldisulfid (C2H6S2) und Dimethyltrisulfid (C2H6S3) durch eine Behandlung mit einem nichtthermischen Plasma reduziert wird und eine entsprechende Abgasbehandlungsanlage. Die genannten schwefelhaltigen Verbindungen werden im Folgenden als Target-Komponenten bezeichnet.The subject of the application is a process for cleaning an exhaust gas flow, in which the concentration of a sulfur-containing compound such as methyl mercaptan (CH 4 S), dimethyl sulfide (C 2 H 6 S), dimethyl disulfide (C 2 H 6 S 2 ) and dimethyl trisulfide (C 2 H 6 S 3 ) is reduced by treatment with a non-thermal plasma and a corresponding waste gas treatment system. The sulfur-containing compounds mentioned are referred to below as target components.
Abgasreinigungsanlagen werden in vielen Ländern eingesetzt, um die Geruchsbelastung, beispielsweise in der Umgebung von Betrieben, zu reduzieren. Hierbei kann es sich beispielsweise um Tierkörperverwertungsanlagen, Schlachthöfe, Futtermittelhersteller, Klärschlammtrocknungsanlagen oder Tabakfabriken handeln, die Gase emittieren, die einerseits als unangenehm wahrgenommen werden und zum anderen sehr niedrige Geruchsschwellen aufweisen, sodass sehr geringe Konzentrationen in der Atemluft ausreichen, um sie wahrzunehmen. Um die Geruchsbelastung aus solchen Abgasen zu reduzieren, können Anlagen eingesetzt werden, in denen das Abgas über verschiedene Behandlungseinrichtungen geleitet wird, bevor es an die Umgebungsluft abgegeben wird.Exhaust gas cleaning systems are used in many countries to reduce odor pollution, for example in the vicinity of companies. These can be, for example, animal rendering plants, slaughterhouses, animal feed manufacturers, sewage sludge drying plants or tobacco factories that emit gases that are perceived as unpleasant on the one hand and have very low odor thresholds on the other, so that very low concentrations in the breathing air are sufficient to perceive them. In order to reduce the odor pollution from such exhaust gases, systems can be used in which the exhaust gas is passed through various treatment devices before it is released into the ambient air.
Bisher findet eine Behandlung von derartigen Abgasen vorrangig durch Biofilter statt. In einem Biofilter werden chemische Verbindungen durch Mikroorganismen umgesetzt. Als Mikroorganismen werden je nach Bestimmung des Filters spezielle Bakterien oder Pilze eingesetzt. Die chemischen Verbindungen aus den Abgasen, die dem Biofilter zugeführt werden, werden mit Sauerstoff umgesetzt und zu nicht schädlichen Verbindungen, wie Wasser und Kohlendioxid, rekombiniert, deren Geruch zudem nicht als unangenehm empfunden wird oder die geruchsneutral sind. Als Träger für die Mikroorganismen können verschiedene organische Produkte wie Fasern, Hackschnitzel, Wurzelhölzer, Granulate oder Gemische dienen. Die Lebensdauer eines Biofilters kann in Abhängigkeit von den zugeführten Stoffen stark variieren, da diese teilweise die genutzten Mikroorganismen schädigen.To date, such waste gases have primarily been treated by biofilters. In a biofilter, chemical compounds are converted by microorganisms. Depending on the purpose of the filter, special bacteria or fungi are used as microorganisms. The chemical compounds from the exhaust gases that are fed to the biofilter are reacted with oxygen and recombined into non-harmful compounds such as water and carbon dioxide, the odor of which is not perceived as unpleasant or which are odorless. Various organic products such as fibres, wood chips, root wood, granules or mixtures can serve as carriers for the microorganisms. The service life of a biofilter can vary greatly depending on the substances fed in, as these sometimes damage the microorganisms used.
Da es sich bei den Target-Komponenten um für viele Mikroorganismen giftige Gase handelt, eignet sich ein Biofilter nur bedingt zum Umsetzen dieser Verbindungen. Es kann zwar zunächst eine Umsetzung stattfinden, jedoch werden die Mikroorganismen durch die Target-Komponenten stark geschädigt, sodass sich ihre Lebensdauer verkürzt und der Biofilter insgesamt eine reduzierte Standzeit aufweist. Insofern ist die bloße Behandlung derartiger Abgase mittels Biofilter nicht wirtschaftlich.Since the target components are gases that are toxic to many microorganisms, a biofilter is only partially suitable for converting these compounds. Conversion can take place initially, but the microorganisms are severely damaged by the target components, so that their lifespan is shortened and the biofilter has a reduced service life overall. In this respect, the mere treatment of such exhaust gases using biofilters is not economical.
Eine weitere bekannte Maßnahme zur Behandlung von Abgasen, die mindestens eine der Target-Komponenten enthalten, ist die Verwendung eines Gaswäschers. In einem Gaswäscher wird das zu behandelnde Gas mit einer Waschflüssigkeit, dabei kann es sich um Wasser oder mit abbindungsfördernden Stoffen versetztes Wasser handeln, zusammengeführt. Je nach Bauform des Gaswäschers kann das Gas mit der Flüssigkeit besprüht werden oder der Flüssigkeits- und der Gasstrom werden durch eine düsenförmige Geometrie aneinander so vorbeigeführt, dass der Gasstrom auf eine möglichst große Oberfläche der Flüssigkeit trifft.Another known measure for treating exhaust gases containing at least one of the target components is the use of a gas scrubber. In a gas scrubber, the gas to be treated is combined with a scrubbing liquid, which can be water or water mixed with setting-promoting substances. Depending on the design of the gas scrubber, the gas can be sprayed with the liquid or the liquid and gas streams are guided past one another through a nozzle-shaped geometry in such a way that the gas stream hits the largest possible surface of the liquid.
Voraussetzung für eine hohe Umsetzungsrate, also effektive Geruchsminderung, ist eine hohe Wasserlöslichkeit. Diese ist bei den Target-Komponenten nicht gegeben, sodass auch eine Nachbehandlung ausschließlich durch einen Gaswäscher nur geringe Erfolge hinsichtlich der Verminderung der Geruchsbelastung erzielen kann.A prerequisite for a high conversion rate, i.e. effective odor reduction, is high water solubility. This is not the case with the target components, so that post-treatment using only a gas scrubber can only achieve limited success in terms of reducing odor pollution.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden.The object of the present invention is therefore to at least partially overcome the disadvantages known from the prior art.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.This object is solved by the features of the independent claims. The dependent claims are directed to advantageous developments.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Reinigen eines Abgasstroms, der mindestens eine der folgenden Target-Komponenten Methylmercaptan (CH4S), Dimethylsulfid (C2H6S), Dimethyldisulfid (C2H6S2) und Dimethyltrisulfid (C2H6S3) umfasst, wird dem Abgasstrom ein Plasma-Gasstrom zugeführt, in dem vor Zuführung zum Abgasstrom durch ein nichtthermisches Plasma zumindest Hydroxyl-Radikale und Ozon erzeugt werden und sich Abgasstrom und Plasma-Gasstrom dann zu einem ersten Gasstrom vermischen, wobei innerhalb des ersten Gasstroms mindestens eine der Target-Komponenten in einer primären Reaktion mit den Hydroxyl-Radikalen und in einer sekundären Reaktion mit dem Ozon reagiert, wobei ein zweiter Gasstrom gebildet wird, in dem die die Konzentration mindestens einer der Target-Komponenten im Vergleich zur Konzentration der entsprechenden Target-Komponente im Abgasstrom reduziert ist.According to the method according to the invention for cleaning an exhaust gas stream which contains at least one of the following target components methyl mercaptan (CH 4 S), dimethyl sulfide (C 2 H 6 S), dimethyl disulphide (C 2 H 6 S 2 ) and dimethyl trisulfide (C 2 H 6 S 3 ) includes, the exhaust gas flow is supplied with a plasma gas flow, in which at least hydroxyl radicals and ozone are generated by a non-thermal plasma before being fed to the exhaust gas flow and the exhaust gas flow and plasma gas flow then mix to form a first gas flow, wherein within the first gas flow at least one of the target components reacts in a primary reaction with the hydroxyl radicals and in a secondary reaction with the ozone to form a secondary gas stream in which the concentration of at least one of the target components is compared to the concentration of the corresponding target -Component in the exhaust gas flow is reduced.
Bei dem Abgasstrom kann es sich insbesondere um einen Gasstrom handeln, der einem Betrieb beispielsweise durch eine Abluftanlage oder Luftaustauschanlage entzogen wird. Der Abgasstrom enthält einerseits Luft und damit Anteile insbesondere von Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid etc. und andererseits weitere Moleküle, die aus den Prozessen in den jeweiligen Betrieben stammen wie insbesondere eine oder mehrere Target-Komponenten. In der Regel beträgt die Konzentration der Target-Komponenten im Abgasstrom zwischen 10 und 1000 mg/m3.The exhaust gas flow can in particular be a gas flow which is withdrawn from an operation, for example, by an exhaust air system or an air exchange system. On the one hand, the exhaust gas flow contains air and thus parts, in particular of oxygen, nitrogen, carbon dioxide, etc., and on the other hand, other molecules that originate from the processes in the respective companies, such as esp separate one or more target components. As a rule, the concentration of the target components in the exhaust gas flow is between 10 and 1000 mg/m 3 .
Für die Umsetzung der Target-Komponenten wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein nichtthermisches Plasma bereitgestellt. Unter dem Begriff nichtthermisches Plasma wird im Rahmen dieses Dokuments insbesondere ein Plasma verstanden, in dem ein thermisches Ungleichgewicht herrscht. Das nichtthermische Plasma wird bevorzugt durch eine dielektrische behinderte Entladung in einem Plasma-Generator erzeugt. Durch den Kontakt mit Außenluft entstehen unter anderem hochreaktive Hydroxyl-Radikale und Ozon (O3). Unter einer Außenluft wird im Rahmen dieses Dokuments insbesondere eine aus der äußeren Umgebung ansaugbare Frischluft verstanden, die nicht durch beim Produktionsprozess entstehende Gase und Partikel belastet ist.In the method according to the invention, a non-thermal plasma is provided for the conversion of the target components. In the context of this document, the term non-thermal plasma is understood to mean, in particular, a plasma in which there is a thermal imbalance. The non-thermal plasma is preferably generated by a dielectric barrier discharge in a plasma generator. Contact with outside air produces, among other things, highly reactive hydroxyl radicals and ozone (O 3 ). In the context of this document, outside air is understood to mean, in particular, fresh air that can be sucked in from the outside environment and is not polluted by gases and particles occurring during the production process.
Unter dem Begriff Hydroxyl-Radikale wird eine Gruppe umfassend ein Sauerstoff- und ein Wasserstoff-Atom verstanden. Ein Hydroxyl-Radikal weist die chemische Formel OH- auf und trägt eine negative Ladung. Das Hydroxyl-Radikal ist hochreaktiv und reagiert in einer primären Reaktion mit mindestens einer der Target-Komponenten insbesondere nach den folgenden Reaktionsgleichungen, sobald der Plasma-Gasstrom dem Abgasstrom über eine Zuleitung zugeführt wird und sich die Gase an einer Mischstelle vermischt haben:
- Für Methylmercaptan (CH4S), Dimethyldisulfid (C2H6S2) und Dimethyltrisulfid (C2H6S3) kann die primäre Reaktion wie folgt dargestellt werden:
R-S-H + OH- → R-S- + H2O
mit R=CH3 für Methylmercaptan, R= C2H5S für Dimethyldisulfid und R= C2H5S2 für Dimethyltrisulfid. Für Dimethylsulfid (C2H6S) kann die primäre Reaktion dargestellt werden als
- For methyl mercaptan (CH 4 S), dimethyl disulfide (C 2 H 6 S 2 ), and dimethyl trisulfide (C 2 H 6 S 3 ), the primary reaction can be represented as follows:
RSH + OH - → RS - + H2O
with R=CH 3 for methyl mercaptan, R= C 2 H 5 S for dimethyl disulfide and R= C 2 H 5 S 2 for dimethyl trisulfide. For dimethyl sulfide (C 2 H 6 S), the primary reaction can be represented as
Die Lebensdauer der Hydroxyl-Radikale beträgt, in Abhängigkeit der Konzentration der Target-Komponenten, nur wenige Millisekunden (0,05 ms [Millisekunden] bis 2 ms), sodass die primäre Reaktion unmittelbar nach Mischen des Plasma-Gasstroms und des Abgasstroms erfolgt und nach nur wenigen Millisekunden abgeschlossen ist.The lifetime of the hydroxyl radicals is only a few milliseconds (0.05 ms [milliseconds] to 2 ms) depending on the concentration of the target components, so the primary reaction occurs immediately after the mixing of the plasma gas stream and the exhaust stream and after completed in just a few milliseconds.
Ein zweiter Bestandteil des Plasma-Gasstroms ist Ozon (O3). In einer sekundären Reaktion reagiert mindestens eine der Target-Komponenten mit dem Ozon. Dabei wird Ozon zu O und O2 oxidiert. Durch diese Oxidation werden die Target-Komponenten in Produkte umgesetzt, deren Wasserlöslichkeit größer ist als die der Target-Komponenten.A second component of the plasma gas stream is ozone (O 3 ). In a secondary reaction, at least one of the target components reacts with the ozone. In the process, ozone is oxidized to O and O 2 . As a result of this oxidation, the target components are converted into products whose water solubility is greater than that of the target components.
Für Methylmercaptan (CH4S), Dimethyldisulfid (C2H6S2) und Dimethyltrisulfid (C2H6S3) kann die sekundäre Reaktion wie folgt dargestellt werden:
Mit R'= CH4 für Methylmercaptan, R'=C2H6S für Dimethyldisulfid und R'= C2H6S2 bei Dimethyltrisulfid. Wie dargestellt reagieren die Verbindungen R'-S mit Sauerstoff zu Schwefeldioxid, Wasser und Kohlendioxid Bei Dimethylsulfid (C2H6S) läuft folgende sekundäre Reatkion ab:
Auch hier wird das Reaktionsprodukt der sekundären Reaktion weiter zu Stickstoffdioxid, Wasser und Kohlendioxid umgesetzt.Here, too, the reaction product of the secondary reaction is further converted into nitrogen dioxide, water and carbon dioxide.
Für eine effektive Umsetzung der Target-Komponenten wird bevorzugt ein Plasma-Gasstrom bereitgestellt, der bevorzugt zwischen 2 % und 20 %, besonders bevorzugt zwischen 5 % und 15 %, insbesondere etwa 10 %, des Massenstroms des Abgasstroms entspricht und eine Energiedichte von mindestens 1 kW pro 1.000 m3, bezogen auf den Abgasstrom, aufweist. Hierdurch kann beispielsweise eine Reduktion der Konzentration der Target-Komponente Methylmercaptan (CH4S) um mindestens 90 % erreicht werden.For effective conversion of the target components, a plasma gas flow is preferably provided, which preferably corresponds to between 2% and 20%, particularly preferably between 5% and 15%, in particular about 10%, of the mass flow of the exhaust gas flow and has an energy density of at least 1 kW per 1,000 m 3 , based on the exhaust gas flow. In this way, for example, a reduction in the concentration of the target component methyl mercaptan (CH4S) by at least 90% can be achieved.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Reaktionsgeschwindigkeit für die sekundäre Reaktion durch einen Katalysator erhöht. Ein Katalysator ist ein Stoff, der, ohne dabei selbst umgesetzt oder abgebaut zu werden, die Aktivierungsenergie für eine chemische Reaktion herabsetzt und so den Ablauf der Reaktion beschleunigt.According to an advantageous embodiment, the reaction rate for the secondary reaction is increased by a catalyst. A catalyst is a substance that, without being converted or degraded itself, reduces the activation energy for a chemical reaction and thus speeds up the course of the reaction.
Diese sekundäre Reaktion wird gemäß dieser Ausgestaltung durch die Bereitstellung eines Katalysators auf einem Katalysatorträger ermöglicht. Bei der sekundären Reaktion wird Ozon mithilfe des Katalysators im Katalysatorträger zu einem Sauerstoffradikal (O) und Sauerstoff (O2) oxidiert. Das Sauerstoffradikal wird dabei am Katalysator gebunden und reagiert mit einem Molekül einer Target-Komponente, wenn diese am Sauerstoffradikal vorbeigeführt wird.According to this embodiment, this secondary reaction is made possible by providing a catalyst on a catalyst support. In the secondary reaction, ozone is oxidized into an oxygen radical (O) and oxygen (O 2 ) with the aid of the catalyst in the catalyst carrier. The oxygen radical is bound to the catalyst and reacts with a molecule of a target component when this is guided past the oxygen radical.
Der Katalysatorträger ist vorteilhafterweise durch einen Trägerkörper mit großer Oberfläche gebildet. Dieser kann zum Beispiel ein keramischer Wabenkörper sein, der poröse und/oder durchströmbare Wandungen aufweist. Der Katalysatorträger enthält den Katalysator beispielsweise in oder auf den Wandungen des Trägerkörpers und/oder in einer Beschichtung auf der Oberfläche des Trägerkörpers. Durch die Beschichtung kann eine poröse Struktur auf der Oberfläche des Trägerkörpers erzeugt werden, die sich positiv auf die zur Verfügung stehende Oberfläche für Reaktionen auswirkt. Insbesondere kann als Beschichtung ein entsprechender keramischer Washcoat aufgebracht werden.The catalyst support is advantageously formed by a support body with a large surface area. This can be, for example, a ceramic honeycomb body that has porous walls and/or walls that can be flown through. The catalyst support contains the catalyst, for example in or on the walls of the carrier body and/or in a coating on the surface of the carrier body. The coating can produce a porous structure on the surface of the carrier body, which has a positive effect on the surface area available for reactions. In particular, a corresponding ceramic washcoat can be applied as a coating.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird Manganoxid als Katalysator bereitgestellt. Manganoxid eignet sich insbesondere zur katalytischen Umsetzung von Ozon und wird bereits in anderen technischen Zusammenhängen dafür eingesetzt. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Mangan(IV)oxid (MnO2).According to an advantageous embodiment, manganese oxide is provided as a catalyst. Manganese oxide is particularly suitable for the catalytic conversion of ozone and is already used for this in other technical contexts. The use of manganese(IV) oxide (MnO 2 ) is particularly preferred.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung strömt der erste Gasstrom durch ein Adsorbens, in dem eine Reaktion mindestens einer der Target-Komponenten mit Ozon erfolgt, so dass die Konzentration mindestens einer der Target-Komponenten und/oder von Ozon im zweiten Gasstrom reduziert wird. Durch die mikroporöse Struktur und damit große Oberfläche des Adsorbens kann die sekundäre Reaktion effektiv erfolgen. Als Adsorbens wird bevorzugt mindestens einer der folgenden Stoffe eingesetzt: Aktivkohle, imprägnierte Aktivkohle, ein Zeolith und ein Silikalit eingesetzt. Unter einem Zeolithen wird insbesondere ein kristallines Alumosilikat verstanden. Als Silikalit wird insbesondere eine polymorphe Form von Siliziumdioxid verstanden. Die Imprägnierung der Aktivkohle erfolgt bevorzugt mit Metallsalzen, insbesondere Kupferoxid, Zinkoxid und/oder Kaliumiodid.According to an advantageous embodiment, the first gas stream flows through an adsorbent in which at least one of the target components reacts with ozone, so that the concentration of at least one of the target components and/or ozone in the second gas stream is reduced. The secondary reaction can take place effectively due to the microporous structure and thus large surface area of the adsorbent. At least one of the following substances is preferably used as the adsorbent: activated carbon, impregnated activated carbon, a zeolite and a silicalite are used. A zeolite is understood to mean, in particular, a crystalline aluminosilicate. In particular, a polymorphic form of silicon dioxide is understood as silicalite. The activated carbon is preferably impregnated with metal salts, in particular copper oxide, zinc oxide and/or potassium iodide.
Als überraschenderweise besonders vorteilhaft hat sich Aktivkohle bzw. imprägnierte Aktivkohle erwiesen, diese ist günstig und leicht verfügbar bei gleichzeitig effizienter Umsetzung der Target-Komponenten mit Ozon an der Aktivkohle. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der zweite Gasstrom einer Nachbehandlung durch mindestens eine der Nachbehandlungseinheiten Biofilter und Gaswäscher unterzogen. Der Abgasstrom weist nach der primären und sekundären Reaktion bereits eine signifikant verringerte Konzentration mindestens einer der Target-Komponenten auf. Hinzu kommt eine erhöhte Wasserlöslichkeit der Reaktionsprodukte im Vergleich zur Wasserlöslichkeit der Target-Komponenten, sodass die Abscheidegrade bei einer weiteren Behandlung des Abgasstroms durch traditionelle Systeme verbessert werden kann. Eine Nachbehandlung durch einen Gaswäscher und/oder einen Biofilter kann sich also positiv auf die insgesamt zu erzielende Konzentrationsverringerung der Target-Komponenten auswirken. Zur Förderung des Gasstroms hin zu dem Biofilter wird der Einbau eines Ventilators unmittelbar vor dem Biofilter vorgeschlagen. Durch den Biofilter können die restlichen Target-Komponenten umgesetzt werden. Deren Konzentration ist nach der Umsetzung mit den durch das Plasma erzeugten Radikalen so gering, dass eine Schädigung der Biofilters durch die Target-Komponenten zumindest stark verlangsamt und im Idealfall sogar unterbunden wird. Insbesondere wirkt der Biofilter als Polizeifilter, falls z.B. der Plasma-Generator ausfällt.Activated charcoal or impregnated activated charcoal has surprisingly proven to be particularly advantageous; this is inexpensive and readily available while at the same time efficiently reacting the target components with ozone on the activated charcoal. According to a further advantageous embodiment, the second gas flow is subjected to after-treatment by at least one of the after-treatment units biofilter and gas scrubber. After the primary and secondary reaction, the exhaust gas flow already has a significantly reduced concentration of at least one of the target components. In addition, there is an increased water solubility of the reaction products compared to the water solubility of the target components, so that the degree of separation can be improved with further treatment of the exhaust gas flow by traditional systems. Subsequent treatment with a gas scrubber and/or a biofilter can therefore have a positive effect on the reduction in concentration of the target components that can be achieved overall. In order to promote the gas flow towards the biofilter, the installation of a ventilator immediately in front of the biofilter is suggested. The remaining target components can be converted through the biofilter. After the reaction with the radicals generated by the plasma, their concentration is so low that damage to the biofilter by the target components is at least greatly slowed down and ideally even prevented. In particular, the biofilter acts as a police filter if, for example, the plasma generator fails.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der zweite Gasstrom zuerst durch den Gaswäscher und daran anschließend durch den Biofilter geführt. Im Gegensatz zu einem Gaswäscher bedarf es bei Biofiltern eines regelmäßigen Austauschs der aktiven Mikroorganismen. Die Mikroorganismen werden geringeren Belastungen ausgesetzt, wenn der Gasstrom zunächst durch einen Gaswäscher geführt wird, sodass bei einer derartigen Anordnung eine erhöhte Standzeit des Biofilters zu erwarten ist.According to a further advantageous embodiment, the second gas flow is first passed through the gas scrubber and then through the biofilter. In contrast to a gas scrubber, biofilters require regular replacement of the active microorganisms. The microorganisms are exposed to less stress if the gas flow is first passed through a gas scrubber, so that an increased service life of the biofilter can be expected with such an arrangement.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das nichtthermische Plasma durch eine dielektrisch behinderte Entladung erzeugt. Diese wird in einem Plasma-Generator herbeigeführt, indem zwei Elektroden unter hohe Spannung gesetzt werden, das Entstehen eines Lichtbogens zwischen den Elektroden und eine damit einhergehende Entladung jedoch unterbunden wird, indem mindestens eine der Elektroden mit einer dielektrischen Barriere versehen ist. Stattdessen sammeln sich an der Oberfläche der Barriere geladene Teilchen, die gemeinsam mit dem angelegten Spannungsfeld für die Bildung eines nichtthermischen Plasmas zwischen den Elektroden sorgen. Für diesen Vorgang wird eine Wechselspannung mit sehr hoher Frequenz (insbesondere mehreren Kilohertz) angelegt.According to a further advantageous embodiment, the non-thermal plasma is generated by a dielectric barrier discharge. This is brought about in a plasma generator by applying high voltage to two electrodes, but preventing the formation of an arc between the electrodes and a discharge associated therewith by providing at least one of the electrodes with a dielectric barrier. Instead, charged particles collect on the surface of the barrier, which, together with the applied voltage field, ensure the formation of a non-thermal plasma between the electrodes. For this process, an AC voltage with a very high frequency (in particular several kilohertz) is applied.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Abgasreinigungsanlage zum Reinigen eines Abgasstroms, der mindestens eine der folgenden Target-Komponenten Methylmercaptan, Dimethylsulfid, Dimethyldisulfid und Dimethyltrisulfid umfasst, vorgeschlagen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses Verfahren umfasst:
- - eine Abgasleitung zur Führung eines Gasstroms, die im Betrieb in einer Durchströmungsrichtung durchströmbar ist,
- - eine Zuleitung mit einem Plasma-Generator, der von einem Luftstrom zur Bildung eines Plasma-Gasstroms durchströmbar ist, wobei durch den Plasma-Generator durch ein nichtthermisches Plasma Hydroxyl-Radikale und Ozon in diesem Plasma-Gasstrom erzeugbar sind, wobei die Zuleitung an einer Mischstelle mit der Abgasleitung zur Mischung des Abgasstroms und des Plasma-Gasstroms zu einem ersten Gasstrom verbunden ist.
- - an exhaust pipe for conducting a gas flow, which can be flowed through in one flow direction during operation,
- - A supply line with a plasma generator through which an air flow can flow to form a plasma gas flow, wherein hydroxyl radicals and ozone can be generated in this plasma gas flow by the plasma generator through a non-thermal plasma, the supply line being connected to a Mixing point with the exhaust pipe for mixing the exhaust gas current and the plasma gas flow is connected to form a first gas flow.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Abgasreinigungsanlage in Durchströmungsrichtung stromabwärts der Mischstelle einen Katalysatorträger mit einem Katalysator, durch den die Reaktionsgeschwindigkeit für die sekundäre Reaktion erhöht wird.According to an advantageous embodiment, the exhaust gas cleaning system comprises a catalyst carrier with a catalyst, which increases the reaction speed for the secondary reaction, downstream of the mixing point in the direction of flow.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird als Katalysator im Katalysatorträger Manganoxid, insbesondere Mangan(IV)oxid (MnO2), bereitgestellt.According to a further advantageous embodiment, manganese oxide, in particular manganese(IV) oxide (MnO 2 ), is provided as the catalyst in the catalyst support.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Abgasreinigungsanlage in Durchströmungsrichtung stromabwärts der Mischstelle einen Adsorbensträger mit einem Adsorbens, durch das die Konzentration mindestens einer der Target-Komponenten und/oder Ozon im zweiten Gasstrom reduziert wird.According to a further advantageous embodiment, the exhaust gas purification system comprises an adsorbent carrier with an adsorbent downstream of the mixing point in the flow direction, which reduces the concentration of at least one of the target components and/or ozone in the second gas stream.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Abgasreinigungsanlage bereitgestellt, bei der mindestens eine der Nachbehandlungseinheiten Biofilter und Gaswäscher in Durchströmungsrichtung stromabwärts des Katalysatorträgers ausgebildet ist.According to a further advantageous embodiment, an exhaust gas cleaning system is provided in which at least one of the post-treatment units, biofilter and gas scrubber, is configured downstream of the catalyst support in the direction of flow.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Abgasreinigungsanlage bereitgestellt, welche einen Gaswäscher und einen Biofilter umfasst und der Biofilter in Durchströmungsrichtung stromabwärts vom Gaswäscher angeordnet ist.According to a further advantageous embodiment, an exhaust gas purification system is provided which includes a gas scrubber and a biofilter and the biofilter is arranged downstream of the gas scrubber in the direction of flow.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Abgasreinigungsanlage mit einem Plasma-Generator bereitgestellt, in dem das nichtthermische Plasma durch eine dielektrisch behinderte Entladung erzeugbar ist.According to a further advantageous embodiment, an exhaust gas cleaning system is provided with a plasma generator in which the non-thermal plasma can be generated by a dielectric barrier discharge.
Die für das Verfahren zum Reinigen eines Abgasstroms offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf die Abgasreinigungsanlage anwenden und übertragen und umgekehrt.The details and advantages disclosed for the method for cleaning an exhaust gas stream can be applied and transferred to the exhaust gas cleaning system and vice versa.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.As a precaution, it should be noted that the numerals used here (“first”, “second”, ...) primarily (only) serve to distinguish between several similar objects, sizes or processes, i.e. in particular no dependency and/or sequence of these objects, sizes or make processes mandatory for each other. Should a dependency and/or order be necessary, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:
-
1 : schematisch ein erstes Beispiel einer Abgasreinigungsanlage; -
2 : schematisch ein weiteres Beispiel einer Abgasreinigungsanlage; und -
3 : schematisch ein weiteres Beispiel einer Abgasreinigungsanlage.
-
1 : schematically a first example of an exhaust gas purification system; -
2 : schematically another example of an exhaust gas cleaning system; and -
3 : Schematically another example of an exhaust gas purification system.
Sofern nicht explizit auf eine bestimmte Figur verwiesen wird, gelten die folgenden Ausführungen für beide Figuren. Die Pfeile geben jeweils die Strömungsrichtung eines Gasstroms an.Unless reference is made explicitly to a specific figure, the following explanations apply to both figures. The arrows each indicate the flow direction of a gas stream.
Die
Dazu wird dem Abgasstrom 6 ein Plasma-Gasstrom 7 zugeführt wird, in dem vor Zuführung zum Abgasstrom 6 durch ein nichtthermisches Plasma zumindest Hydroxyl-Radikale und Ozon erzeugt werden, sich Abgasstrom 6 und Plasma-Gasstrom 7 zu einem ersten Gasstrom 8 vermischen und wobei innerhalb des ersten Gasstroms 8 mindestens eine der Target-Komponenten in einer primären Reaktion mit den Hydroxyl-Radikalen, und in einer sekundären Reaktion in einem Katalysatorträger 3 mit dem Ozon reagiert, wobei ein zweiter Gasstrom 9 gebildet wird, in dem die Konzentration mindestens einer der Target-Komponenten im Vergleich zur Konzentration der entsprechenden Target-Komponente im Abgasstrom 6 reduziert ist.For this purpose, a
Die Abgasreinigungsanlage 12 weist einen Plasma-Generator 2 auf. Dieser saugt einen Luftstrom 13 aus der Umgebung an. Im Plasma-Generator 2 wird durch eine dielektrisch behinderte Entladung ein nicht-thermisches Plasma erzeugt. Dabei entstehen insbesondere Ozon (O3) und Hydroxyl Radikale (OH-), als Teil eines Plasma-Gasstroms 7 bereitgestellt, der den Plasma-Generator 2 verlässt.The exhaust
Der Plasma-Gasstrom 7 wird durch eine Zuleitung 15 an einer Mischstelle 16 in die Abgasleitung 11 geführt, sodass sich stromabwärts der Mischstelle 16 ein erster Gasstrom 8 bildet, umfassend den Abgasstrom 6 und den Plasma-Gasstrom 7. Zur effektiven Durchmischung der Gase sind bevorzugt Injektionslanzen oder andere Misch- oder Verwirbelungselemente in der Abgasleitung 11 vorgesehen. Während und nach der Mischung des Abgasstroms 6 und des Plasma-Gasstroms 7 kommt es zu ersten chemischen Reaktionen zwischen Anteilen des Plasma-Gasstroms 7 und den Target-Komponenten im Abgasstrom 6. Insbesondere erfolgt eine erste primäre chemische Reaktion, bei der die im Plasma-Gasstrom 7 enthaltenen Hydroxyl-Radikale (OH-Radikale) einen Teil der Target-Komponenten im Abgasstrom 6 umsetzen, sodass deren Konzentration im Abgasstrom 6 bzw. im ersten Gasstrom 8 deutlich reduziert wird.The
Bevorzugt beträgt der Massenstrom des Plasma-Gasstroms 7 zwischen 2 % und 20 %, besonders bevorzugt zwischen 5 % und 15 %, insbesondere etwa 10% des Massenstroms des Abgasstroms 6. Hierdurch kann eine effiziente Umsetzung der Target-Komponenten erreicht werden. Gleichzeitig ist der zusätzliche Energieverbrauch durch den Betrieb des Plasma-Generators 2 überschaubar.The mass flow of the
Stromabwärts erfolgt eine sekundäre Reaktion vorrangig durch die Reaktion des Ozons (O3), das durch den Plasma-Generator 2 erzeugt und dem ersten Gasstrom 8 zugeführt wird. Diese sekundäre Reaktion wird im vorliegenden Beispiel durch die Bereitstellung eines Katalysators auf einem Katalysatorträger 3 ermöglicht beziehungsweise erleichtert. Der erste Gasstrom 8 strömt in den Katalysatorträger 3 hinein und durch diesen hindurch. Der Katalysatorträger 3 ist porös ausgebildet und weist damit eine große Oberfläche auf, die für Reaktionen zur Verfügung steht. Der Katalysatorträger 3 ist bevorzugt durch einen Trägerkörper, beispielsweise einen Wabenkörper, insbesondere einen keramischen Wabenkörper gebildet. Der Katalysatorträger 3 umfasst bevorzugt neben einem nicht im Detail gezeigten Trägerkörper eine Beschichtung, insbesondere einen Washcoat, die auf dem Trägerkörper ausgebildet ist. Der Katalysator, also die entsprechenden katalytisch aktiven Verbindungen, sind dabei im Trägerkörper und/oder in der Beschichtung enthalten. Durch die Beschichtung wird bevorzugt die für die Reaktion der Target-Komponenten zur Verfügung stehende Oberfläche weiter vergrößert.A secondary reaction occurs downstream, primarily due to the reaction of the ozone (O 3 ) generated by the
Mithilfe des Katalysators wird Ozon im Katalysatorträger 3 zu einem Sauerstoffradikal (O) und Sauerstoff (O2) oxidiert. Das Sauerstoffradikal wird dabei am Katalysator gebunden. Dort kommt es zur Reaktion mit einem Molekül einer der Target-Komponenten. Das entsprechende Molekül wird oxidiert und dabei das Sauerstoffradikal vom Katalysator getrennt. Die entstehenden Edukte werden mit dem ersten Gasstrom 8 mitgerissen. Als Katalysator eignet sich bevorzugt Manganoxid, insbesondere MnO2· Ebenfalls geeignet sind Siliziumoxid (SiO2) und Aluminiumoxid (Al2O3).With the help of the catalyst, ozone in the
Nach Verlassen des Katalysatorträgers 3 strömt das Gas als zweiter Gasstrom 9 hin zu einem Biofilter 5. Die Konzentration der im zweiten Gasstrom 9 enthaltenen Target-Komponenten ist im Vergleich zu der Konzentration der im Abgasstrom 6 und im ersten Gasstrom 8 enthaltenen Target-Komponenten bereits deutlich reduziert. Innerhalb des Biofilters 5 findet eine Nachbehandlung statt. Insbesondere erfolgt eine biologische Umsetzung der verbliebenen Anteile der Target-Komponenten. Die Abbauprodukte aus der sekundären und primären Reaktion werden im Biofilter 5 von den Mikroorganismen umgesetzt. In einem Biofilter werden chemische Verbindungen durch Mikroorganismen umgesetzt. Als Mikroorganismen können je nach Bestimmung des Filters spezielle Bakterien oder Pilze eingesetzt werden. Die chemischen Verbindungen und Sauerstoff, die dem Biofilter zugeführt werden, werden zersetzt und die Elemente zu nicht schädlichen Verbindungen, wie Wasser und Kohlendioxid, rekombiniert. Als Träger für die Mikroorganismen können verschiedene organische Produkte wie Fasern, Hackschnitzel, Wurzelholz, Granulate oder Gemische dienen. Die Lebensdauer eines Biofilters kann in Abhängigkeit von den zugeführten Stoffen stark variieren.After leaving the
Das im Biofilter 5 nachbehandelte Gas strömt als ein gereinigter Gasstrom 10 weiter und kann an die Umgebungsluft abgegeben werden. Die Konzentration der Target-Komponenten ist im gereinigten Gasstrom 10 so weit reduziert, dass diese nicht mehr als geruchsbelastend wahrgenommen werden und insbesondere unter der Geruchsschwelle liegen.The gas post-treated in the
Gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels, das in
Gegenstand der Erfindung sind eine Abgasreinigungsanlage 12 und ein Verfahren zur Behandlung eines Abgasstroms 6 aus einem Betrieb 1, zum Beispiel einer Tierkörperverwertungsanlage. Dabei wird nichtthermisches Plasma, das Ozon und OH-Radikale in einem Plasma-Gasstrom 7 erzeugt, eingesetzt, um schwefelhaltige Target-Komponenten (Methylmercaptan (CH4S), Dimethylsulfid (C2H6S), Dimethyldisulfid (C2H6S2) und Dimethyltrisulfid (C2H6S3)) im Abgasstrom 6 in einer primären und einer sekundären Reaktion umzusetzen. Die primäre Reaktion findet dabei durch die bloße Zusammenführung von Abgas und Plasma-Gasstrom statt. Die sekundäre Reaktion kann durch den Einsatz eines Katalysators beschleunigt werden. Hierdurch wird die Konzentration der Target-Komponenten signifikant reduziert. Alternativ zum Einsatz eines Katalysators kann durch ein Adsorbens eine weitere Umsetzung der Target-Komponenten und/oder Ozon erfolgen. Besonders bevorzugt wird der dadurch erzeugte zweite Gasstrom 9 in einem Gaswäscher 4 und/oder einem Biofilter 5 nachbehandelt.The invention relates to an exhaust
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Betrieboperation
- 22
- Plasma-Generatorplasma generator
- 33
- Katalysatorträgercatalyst support
- 44
- Gaswäscherscrubber
- 55
- Biofilterbiofilter
- 66
- Abgasstromexhaust flow
- 77
- Plasma-Gasstromplasma gas flow
- 88th
- erster Gasstromfirst gas stream
- 99
- zweiter Gasstromsecond gas stream
- 1010
- gereinigter Gasstromcleaned gas stream
- 1111
- Abgasleitungexhaust pipe
- 1212
- Abgasreinigungsanlageemission control system
- 1313
- Luftstromairflow
- 1414
- dritter Gasstromthird gas stream
- 1515
- Zuleitungsupply line
- 1616
- Mischstellemixing point
- 1717
- Adsorbensträgeradsorbent carrier
- RR
- Durchströmungsrichtungflow direction
Claims (14)
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|---|---|---|---|
| DE102021114836.7A DE102021114836A1 (en) | 2021-06-09 | 2021-06-09 | Conversion of sulphur-containing compounds in exhaust gases by non-thermal plasma |
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| CN111821828A (en) | 2019-04-17 | 2020-10-27 | 韩国基础科学支援研究院 | Deodorizing device using plasma |
-
2021
- 2021-06-09 DE DE102021114836.7A patent/DE102021114836A1/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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