DE29702056U1

DE29702056U1 - Vorrichtung zur Anregung von Luft und Gasen

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Publication number: DE29702056U1
Application number: DE29702056U
Authority: DE
Original assignee: MANN RIDO DR
Current assignee: MANN RIDO DR
Priority date: 1997-01-30
Filing date: 1997-01-30
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2007-01-31

Description

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96SF 1414DEG

Prof. Rolf Schönenberg
Dr. Rido Mann

Vorrichtung zur Anregung von Luft und Gasen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anregung von Luft und Gasen zum Zwecke der Abluftreinigung und zur chemischen Gasveränderung mit Hilfe nicht-thermischer Plasmaerzeugung bei durchschlagsicherem Dielektrikum gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die in den letzten Jahren entwickelten elektrischen Plasmageneratoren zur Entsorgung von Abluftströmen durch das nicht-thermische Plasmaverfahren zeigen eine Vielzahl von Konzepten bei verschiedenen elektrischen Entladungsformen auf, siehe beispilsweise die US Patente 4, 780, 277, Oct. 25. 1988 von T. Tanaka et al. und US 4, 954, 320, Sep. 4, 1990 von J. G. Birmingham et al.. In großtechnischem Maßstab sind bereits seit längerer Zeit dielektrische Barrierenreaktoren entwickelt worden, die z.B. zur Ozonsynthese industriell eingesetzt werden, siehe U. Kogelschatz und B. Eliasson Physikalische Blätter, April 1996, S. 360. Diese Reaktoren bestehen z.B. aus einer Ansammlung von koaxial angeordneten zylindrischen Elektroden, wobei in der Regel Glasrohre als elektrische Schutzbarriere verwendet werden. Die Wirtschaftlichkeit der Abluftreinigung bezw. der Gasumsetzung mit dem nichtthermischen Plasmaverfahren und die Einsatzmöglichkeiten für dieses Vefahren hängen von der Güte des Plasmareaktors, dies bedeutet vom elektrischen Energiebedarf in Bezug auf das zu erreichende Endprodukt, ab. Die Güte des Reaktors wird durch den geometrischen Aufbau bedingt, der zusammen mit den angelegten Hochspannungsformen und den verwendeten Materialien für das Dielektrikum den Verlauf der Plasmaerzeugenden Mikroentladung bestimmt. Die Betriebssicherheit der mit Glasrohren ausgestatteten Ozonerzeuger ist durch Hochspannungsdurchschläge durch das Glasdielektrikum oft

stark eingeschränkt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine wirksame Gasaktivierung mit hohem Wirkungsgrad und geringem Energieverbrauch zu erreichen.

Diese Aufgabe wird auf höchst überraschende Weise bereits mit den Merkmalen den Anspruchs 1 erreicht. ■ Die vorliegende Erfindung bietet eine wirksame Gasaktivierung mit hohem Wirkungsgrad. Analog zu der Patentschrift PCT/DE96/00167 "Vorrichtung zur Ozonerzeugung mit durchschlagsicherem Dielektrikum und geringem Energiebedarf" wird von der hohen Verschiebungsstromdichte eines Materials mit hoher Dielektrizitätskonstante Gebrauch gemacht. Damit wird erreicht, daß der Spannungsabfall und die entsprechende Feldstärke innerhalb des Isoliermaterials gering bleiben, die höchsten Feldstärken nur in dem Gasraum zwischen Elektroden und Oberflächen des Dielektrikums auftreten und dort zur Plasmaerzeugung dienen. Der Überschlag außerhalb des Isolators wird durch die Dicke bzw. die geometrisch körperliche Ausgestaltung des Dielektrikums vermieden, ein Durchschlag durch das Dielektrikum ist ausgeschlossen. . ·

Die Luftaktivierung geschieht dadurch, daß in dem kurzzeitig erzeugten starken elektrischen Feld zwischen Elektroden und Dielektrikumsoberflächen Elektronen durch Feldemission und nachfolgend durch Stoßionisation im Gasraum ausgelöst werden, die durch weitere Stöße mit den Gasmolekülen diese in vielfältiger Weise anregen, dissoziieren oder ionisieren. Es bildet sich in einer Zeitspanne von wenigen Nanosekunden eine Mikroentladung aus, die aufgrund der dabei lokal verschwindenden Polarisationsladung an der Dielektrikumsoberfläche sofort erlischt, so daß keine wesentliche kinetische Energieübertragung auf die Kerne der Atome, Ionen und Moleküle erfolgen kann. Damit wird der

beabsichtigte Zweck erreicht, daß die elektrische Entladungsenergie überwiegend in elektronische Anregungen der Moleküle übertragen wird und nur ein geringer Anteil als Wärme im Gas auftritt. Welche der jeweiligen Anregungskanäle bevorzugt aktiviert werden hängt von den erreichbaren Feldstärken im Luftspalt, von dem zeitlichen Verlauf der Mikroent ladung und von der Gas zusammensetzung ab. Daher ist die Geometrie des Entladungsspaltes und die Form der angelegten Wechselspannung wichtig. Als ein Beispiel ist in Fig. 3 die Verteilung der elektrischen Entladungsenergie auf verschiedene Anregungskanäle der Luft in Abhängigkeit der verwendeten Feldstärken dargestellt. Bei niedrigen Feldstärken werden dominant molekulare Vibrationsanregungen und elektronische Anregungen erzeugt, die über komplexe nachfolgende chemische Reaktionsketten für den Schadstoffabbau wirksame Radikale bilden können. In diesem Falle gelingt es, mit relativ geringem elektrischen Energieeintrag einen effizienten Schadstoffabbau zu erreichen. Zur optimalen Erzeugung von Ozon müssen allerdings höhere Feldstärken und mehr Energie aufgewendet werden, da dieser Prozeß dominant über den O₂-Dissoziationskanal abläuft. Obwohl O₃ zur Schadstoffoxidation beiträgt, ist aus energiewirtschaftlichen Gründen die Konstruktion der vorliegenden Erfindung primär für die Luftreinigung und nicht im Hinblick auf eine Ozonproduktion optimiert. Daher wird im Gegensatz zu der in PCT/DE96/00167 beschriebenen Vorrichtung zur Ozonerzeugung in der vorliegenden Erfindung das Gas nicht zwangsweise durch einen schmalen Entladungsspalt geführt, sondern sie erfolgt ungeordnet. Die Elektroden sind z.B. als Lochbleche ausgebildet, und für das Dielektrikum können Wabenkörper eingesetzt werden. Es hat sich gezeigt, daß sich dadurch ein einfaches Konstruktionsprinzip ergibt, bei dem der gewünschte Effekt in genügender Intensität erreicht wird. Die Intensität läßt sich erhöhen, wenn die gleiche Anordnung mehrfach nacheinander durchlaufen wird. Mit dieser einfachen ■ kompakten Bauweise läßt sich eine wirksame Luft- und

Gasaktivierung erreichen.

Besonders günstig ist es, daß bei der einfachen Konstruktion mit wärmebeständigem Material gearbeitet werden kann, so daß auch bei Abgasen mit Temperaturen bis zu 1000⁰C die Aktivierung des Gases erfolgen kann. Dadurch ergibt sich ein erweiterter Einsatzbereich für dieses Verfahren. Die Elektroden können statt aus Lochblech auch aus parallel geführten Drähten bestehen. Die dielektrischen Körper, die sinnvollerweise aus Keramik mit hoher Dielektrizitätskonstanten hergestellt werden, können außer als Wabenkörper auch aus anderen Konstruktionen bestehen, wie zum Beispiel Rohre oder auch Stäbe.

Die Spalte in denen das Plasma erzeugt wird, können auf beiden Seiten des Dielektrikums vorhanden sein. Genügend hohe Entladungsenergie wird dadurch erreicht, daß die relative Dielektrizitätskonstante e_r hoch ist. Dafür eignen sich z. B. die keramischen Isolierstoffe nach C310, nach IEC 672-3 des Materials oder KER 310 nach DIN 40685. Das keramische Material wird aus Titandioxid hergestellt. Auch Bariumtitanate werden in diesem Sinne verwendet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1: eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform in

einer Querschnittsdarstellung, Figur 2: eine zweite bevorzugte erfindungsgemäße

Ausführungsform im Querschnitt, Figur 3: die Verteilung der elektrischen Entladungsenergie auf verschiedene Anregungskanäle der Luft in Abhängigkeit von den verwendeten Feldstärken.

Die Figur 1 zeigt eine Anordnungen nach dieser Erfindung in Querschnittsdarstellung. Sie besteht aus einer

Hintereinanderreihung von mehreren (z.B. 10) Ebenen aus Keramikwabenscheiben (1), die abwechselnd einen Abstand (d) und (e) (= d/2) zueinander haben, für das ein- und ausströmende Gas. Die Wabenscheiben zur Gaseinströmseite sind am Umfang abgedichtet, bevorzugt durch Blech- (4) und Teflonstreifen (5), so daß ein offener Eintrittskanal zur Gaseinströmung gebildet wird und das Gas jede Wabenscheibe nur einmal durchläuft. Damit wird vermieden, daß bestimmte Spezies der in den Entladungszonen einer Wabenscheibe erzeugten Gasanregung in den Entladungszonen vieler nachfolgender Ebenen zum Teil wieder abgebaut werden (Sättigung). Die Gasausströmung mit den aktivierten Komponenten erfolgt allseitig am Umfang der nicht abgedichteten Wabenseiten (6) . Jede Ebene der Wabenscheiben ist beidseitig mit Lochplatten (2) abgedeckt, die beidseitig einen definierten Spaltabstand (s) zwischen 0,9mm bis 1,3mm von der Keramikoberfläche haben. In diesen Spalten wird durch die an die Lochplatten angelegte Wechselspannung (7) die Gasaktivierung erreicht. Die im Gasraum sich gegenüberliegenden Lochplatten sind dazu untereinander und jeweils mit den übernächsten Lochplatten elektrisch leitend verbunden (8) . Zur Aufnahme und Abstützung der Wabenscheiben können Isolatorstützen (7) und eine Grundplatte (9), die auch die Gaseinlaßkanäle enthält, dienen.

Als bevorzugte Form der Wabenscheiben werden Strukturen mit regelmäßigen parallel verlaufenden Quadratischen Kanälen mit Öffnungsweiten von 3x3 mm bis 5x5 mm bei Wanddicken von 1,5mm bis 2,5mm verwendet. Die Kanäle können aber auch rund, rechteckig, hexagonal oder anders geformt sein. Für das hier angewendete Prinzip ist es auch nicht wichtig, daß die Kanalgröße, Form und Anordnung gleichmäßig ist, doch soll die offene, gasdurchlässige Fläche 30 bis 50 % von der Gesamtfläche der Scheibe betragen. Als bevorzugte Keramik wird TiO₂ verwendet, die nicht porös und Wasser aufnehmend ist und daher Hochspannungsfestigkeit gewährleistet. Zur Fixierung der Lochplattenelektroden und zur Definierung des Spaltabstandes (s) werden Stützkörper (3) aus

Isoliermaterial mit niedriger Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise Teflon, verwendet. Die Fläche aller Wabenscheiben bestimmt die Durchflußmenge·des Gases und die Menge der erzeugbaren reaktiven Gaskomponenten.

In Fig. 2 ist eine zweite bevorzugte Bauart im Querschnitt nach dieser Erfindung dargestellt. Sie unterscheidet sich von der Vorrichtung nach Fig. 1 dadurch, daß getrennte Gasführungen für ein einmaliges Durchströmen einzelner Wabenebenen entfallen. Das Gas durchströmt nacheinander alle Wabenebenen und Entladungszonen. Dies vereinfacht den Aufbau der Apparatur wesentlich, indem die einzelnen Wabenebenen (1) mit den Lochplattenelektroden (2) übereinander geschichtet sind und das Gas vertikal durchgeleitet wird. Dabei wird die Zahl der zwischen den Wabenebenen befindlichen Lochplatten gegenüber der Bauart nach Fig. 1 um die Hälfte reduziert, da sich die Entladungszonen auf beiden Seiten der Lochplatten in den Spalten (s)- zu den Wabenoberflächen ausbilden.. Die Luft spalte (s) zur Erzeugung der Plasmazonen werden wie in Fig. 1 durch Stützkörper aus Isolierstoff, die zwischen Lochplatte und Wabenebene gelegt sind, definiert. Seitliche Gasausströmung an den Spaltzonen wird durch Isolatorstreifen (7) an den Rändern der· Wabenebenen verhindert. Jede zweite Lochplatte ist elektrisch leitend miteinander verbunden (8) und zur Hochspannung geführt.

Eine nicht erwünschte Sättigung für die Produktion bestimmter chemisch aktiver Gaskomponenten, bedingt durch das Durchlaufen dieser Komponenten durch mehrere Plasmazonen in der Vorrichtung nach Fig. 2 hängt von der zuvor erreichten Konzentration dieser Stoffe ab. Durch eine ausreichende Gasdurchflußgeschwindigkeit läßt sich diese Konzentration so regeln, daß erst nach der letzten Plasmazone ein kritischer Wert für eine beginnende Sättigung erreicht wird.

Durch Anlegen einer Wechselspannung an die Keramikscheiben einschließenden Lochbleche wird in beiden Luftspalten zu den Keramikflächen ein elektrisches Feld mit hoher Feldstärke erzeugt. Dabei werden freigesetzte Elektronen beschleunigt. Sie treffen auf Gasmoleküle auf und regen sie in vielfacher Weise an, so daß chemisch reaktionsfähige Komponenten (Radikale) entstehen, zum Aufspalten , Oxidieren oder auch Reduzieren von Schadstoffen. Bei der hier verwendeten Geometrie der Vorrichtung, insbesondere der Lochgrößen und Lochabstände in den Elektroden, Wanddicke der Kanäle im Dielektrikum und Entladungsstrecken im Gasraum (s)- sowie durch den angelegten Spannungsverlauf ist der Energieverlust durch Wärmeentwicklung gering.

Beispiel zur Effizienzbestimmung:

Um den Wirkungsgrad des Reaktormoduls zu bestimmen, wird an einem Beispiel die Umsetzung der eingebrachten elektrischen Energie in die Ozonbildung bei Verwendung von reinem Sauerstoffgas betrachtet. Dieser Wirkungsgrad ist im Falle der Luftanregung auch für andere Anregungskanäle wie z. B. molekulare Vibrationsanregungen des Stickstoffs oder Sauerstoffs gemäß Fig. 3 bei etwas niedrigeren Feldstärken gegeben, da Effizienzverluste infolge Wärmeentwicklung als apparative Konstante nahezu unabhängig von den angewendeten Feldstärken sind.

Im Versuch wird die Vorrichtung mit 100 l/h reinem Sauerstoffgas durchströmt. Die erzeugte Ozonkonzentration wird mit einem handelsüblichen Ozonmeßgerät der Firma HAB-Hermann-Apparatebau-Aschaffenburg basierend auf der UV-Absorptionsmethode (entsprechend der VDI-Richtlinie 2468, Blatt 6) nach der Vorrichtung gemessen. Die maximale Leistungsaufnahme wird aus der gemessenen Kapazität des keramischen Dielektrikums (C = 326 pf} , der angelegten Wechselspannung (U = 12,4 kV) und der Wechselspannungsfrequenz f = 50 Hz zu W = U²*f»C =2,5 Watt bestimmt. Die relevanten Größen sind in Tabelle 1 angeführt.

Tabelle 1

Flußmenge	Gasart	Ozonkonze	Betriebss	Leistung	Wirkungsg
[l/h]		Titration	&rgr; a &eegr; &eegr; u &eegr; g	[Watt]	rad
		[g/m³]	U [V]		[ % ]
100	O₂	5,8	12400	< 2,5	> 34,8

Der theoretische Wert zur Bildungsenergie von 1 g Ozon ist aus der Dissoziationsenergie (5,2 eV) des O₂ Moleküls abgeleitet und beträgt 1,5 Wh / g O₃ . Aus dem gemessenen Wert 2,5/0,58 = 4,31 Wh / g O₃ ergibt sich ein Wirkungsgrad zu 1,5 / 4,31 = 34,8 % für die Umsetzung der eingebrachten elektrischen Energie in die Ozonbildung . Dieser Wert liegt deutlich über 15 %, der gegenwärtig als Stand der Technik in der Ozonproduktion angegeben wird, siehe auch U. Kogelschatz und B. Eliasson in Physikalische Blätter, April 1996, s. 360.

Claims

Schut zansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Mikroentladungen zur Anregung und Aufspaltung von Gasatomen und Molekülen zum Zwecke einer Abluftreinigung und/oder einer chemischen Gasveränderung bei hohen elektrischen Feldstärken mit Hilfe eines dielektrischen Isolators zwischen der Hochspannung führenden Elektrode und der Gegenelektrode, wobei der Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode genügend groß ist, daß auch bei den höchsten vorkommenden Spannungen kein Durchschlag durch die das' Isolatormaterial umgebende Gasstrecke auftritt und der Isolator eine genügend hohe Dielektrizitätskonstante besitzt, um die gewünschte Gasanregung zu bewirken und ferner die Elektroden und der Isolator gasdurchlässig sind und/oder Durchbrüche aufweisen so daß das Gas diese durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdurchtrittsoffnungen der Elektrode, des Isolators und der Gegenelektrode nicht im einzelnen einander zugeordnet sind, so daß keine Zwangsführung des Gases durch das System Elektrode-Dielektrikum-Gegenelektrode hindurch erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode ein Lochblech, Maschengitter und/oder parallel zum Dielektrikum angeordnete Drähte umfaßt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum aus ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens zwischen einer der beiden Elektroden, im einzelnen die Elektrode und die Gegenelektrode, und dem Dielektrikum ein Luftspalt liegt, der zwischen 0,8 mm und.1,5 mm breit ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, '

daß das Dielektrikum als Körper mit Gasdurchlässen einen Wabenkörper, Rohre und/oder Bündel aus Stäben umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung mehrere hintereinander angeordnete Systemeinheiten, welche jeweils wenigstens Elektrode, Dielektrikum und Gegenelektrode einschließen, umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Systemeinheiten so angeordnet sind, daß sich jeweils die beiden Elektroden und die beiden Gegenelektroden zweier Systemeinheiten beabstandet gegenüberliegen und dadurch Gaszufuhr- und Gasabfuhrbereiche (6) gebildet werden, wobei der Abstand der jeweiligen beiden Elektroden etwa halb so groß ist wie der Abstand der jeweiligen beiden Gegenelektroden.

. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Gaszufuhrbereiche jeweils durch die beabstandeten Elektroden und die Gasabfuhrbereiche durch die beabstandeten Gegenelektroden gebildet werden, wobei die Randbereiche zwischen den Elektroden abgedichtet sind und das Gas somit im wesentlichen jeweils nur eine Systemeinheit durchströmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Systemeinheiten so angeordnet sind, daß die beiden gegenüberliegenden Elektroden und die beiden gegenüberliegenden Gegenelektroden zweier hintereinander angeordneter Systemeinheiten jeweils zusammengefaßt sind und die Vorrichtung seitlich derart abgedichtet ist, daß das Gas die gesamte Anzahl von Systemeinheiten nacheinander durchströmt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung eine Einrichtung zur Reduzierung von NO_x auch bei niedrigen Temperaturen umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

daß alle verwendeten Materialien hochtemperaturfest, vorzugsweise bis über 1000 Grad Celsius temperaturfest sind.