Unter Verwendung eines nichtthermischen Plasmas können be- stimmte Reaktionswege innerhalb einer Gasmischung, die aus mindestens zwei Gasen bestehen können, initiiert werden. Da- mit eignet sich ein solches Verfahren insbesondere zur Um- wandlung eines gasförmigen oder flüssigen kohlenstoffhaltigen Brennstoffs unter Zuführung eines gasförmigen oder flüssigen Oxidationsmittels. Das Oxidationsmittel ist beispielsweise Wasserdampf, Kohlendioxid, Sauerstoff oder Luft. Beim Einsatz eines flüssigen Brennstoffes bzw. eines flüssigen Oxidations- mittels müssen diese Stoffe z. B. in einem Verdampfer in die Gasphase überführt werden können.

Ziel der Umwandlung ist dabei insbesondere die Erzeugung von : - Wasserstoff - einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid - höheren Kohlenwasserstoffen - Methanol.

Die Reformierung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen wird heutzutage im großtechnischen Maßstab mittels konventionellen katalytischen Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas, einem wichtigen Grundstoff für die chemische Industrie oder zur Ge- winnung von Wasserstoff, angewandt. Bei diesem Prozess wird Erdgas, mit dem Hauptbestandteil Methan, zusammen mit Wasser- dampf mit Hilfe eines Katalysators bei Temperaturen im Be- reich von 850°C und erhöhten Drücken von ca. 20 bar in eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgewandelt :

CH4 + H20 = CO + 3H2 ; SH° = 206 kJ (1) Der Wärmebedarf dieser stark endothermen Reaktion (1), welche als Dampfreformierung bezeichnet wird, muss durch eine exter- ne Quelle z. B. dem Verbrennen eines Teil des Brennstoffs ge- deckt werden. Die hohen Temperaturen und Drücke stellen hohe Anforderungen an die verwendeten Materialen.

Außerdem muss darauf geachtet werden, dass durch geeignete Prozessführung die Bildung von festem Kohlenstoff (Ruß), wel- che zur Deaktivierung des Katalysators führen würde, vermie- den wird. Erdgas enthält typischerweise schwefelhaltigen Ver- unreinigungen, welche ebenfalls zur Deaktivierung des Kataly- sators führen können und deswegen vorher mittels geeigneter Vorrichtungen aus dem Brenngas entfernt werden müssen.

Neben dem Verfahren der Dampfreformierung sind gemäß den Gleichungen (2) und (3) die partielle Oxidation und die Pyro- lyse bekannt : CnHm + n/2 02 = n CO + m/2 H2 (2) CnHm = n C (s) + m/2 H2 (3) Diese Prozesse werden vornehmlich bei schwer verdampfbaren oder stark verunreinigten Ausgangsstoffen verwendet.

Eine Kombination der Dampfreformierung und der partiellen Oxidation ist die sog. autotherme Reformierung gemäß Glei- chung (4) : CH4 + 0. 445 02 + 0. 11 H20 § CO + 2.11 H2 ; AH°r=35o"c = 0 (4) Bei diesem Prozess werden die Anteile von Sauerstoff und Was- ser so gewählt, dass der Wärmebedarf der endothermen Dampfre- formierung durch die frei werdende Energie der partiellen Oxidation gedeckt wird. Für eine wirtschaftliche Durchführung

dieses Verfahrens bei niedrigen Temperaturen ist ebenfalls der Einsatz eines Katalysators erforderlich. Wegen des Sauer- stoffs im Eduktgas ist hierbei die Gefahr der Verkokung der Katalysatoren besonders hoch.

Bei der"on-board"Wasserstofferzeugung in Brennstoffzellen- fahrzeugen verwendet man aufgrund der vorteilhafteren Eigen- schaften häufig flüssiges Methanol als Ausgangsstoff. Dieses kann gemäß Gleichung (5) ähnlich dem Methan mittels katalyti- scher Dampfreformierung in Wasserstoff umgewandelt werden : CH30H + H2O, CO2 + 3H2 (5) Bei Verwendung von Methanol kann zwar die Reinheit des Aus- gangsstoffes garantiert werden, so dass die Gefahr der Kata- lysatorvergiftung nicht gegeben ist. Allerdings ist es mit den derzeit verfügbaren Katalysatoren nicht möglich, einen leichten, kompakten und damit kostengünstigen Reaktor aufzu- bauen. Außerdem ist ein Übergang auf andere flüssige Kraft- stoffe mit höherer Energiedichte mit dieser katalytischen Technik nicht durchführbar.

Eine Alternative zur katalytischen Umwandlung bieten Verfah- ren bei denen zur Aufheizung des Gases thermische Lichtbögen verwendet werden. Hierbei werden durch stromstarke Gasentla- dungen Temperaturen oberhalb 2000°C erreicht. Diese hohen Gastemperaturen bewirken Umsatzraten und Reaktionszeiten, die den Einsatz von Katalysatoren verzichtbar machen. Jedoch stellen die im Lichtbogen auftretenden Bedingungen hohe An- forderungen an das verwendete Elektrodenmaterial um technisch interessante Standzeiten zu erreichen.

Im Gegensatz zu diesen thermischen Plasmaverfahren, bei denen alle im Gas vorhandenen Teilchen (Elektronen, Ionen, neutrale Gasmoleküle) die gleiche Energie bzw. Temperatur besitzen, stellt sich bei der Verwendung einer Koronaentladung, einer Funkenentladung oder einer dielektrisch behinderten Entladun- gen DBE, engl. : Dielectric Barrier Discharge=

deren transienten Charakter ein Ungleichgewicht zwischen ei- ner sehr hohen mittleren Elektronenenergie von 1 bis 10 eV (1 eV entspricht einer Temperatur von 11600 K) und einer im Vergleich zur Ausgangstemperatur kaum erhöhten Neutralteil- chentemperatur ein, womit eine selektive Anregung der Elek- tronenstoßreaktionen möglich ist. Man spricht in einem sol- chen Fall von einem nichtthermischen Plasma.

Koronaentladungen bilden sich in stark inhomogenen elektri- schen Feldern aus. Nach Polarität der verwendeten Hochspan- nung spricht man von"positiver"oder"negativer"Koronaent- ladung. Im Bereich der hohen elektrischen Feldstärke (> 40 bis 50 kV/cm) bilden sich abhängig von den Entladungsparame- tern diffuse Leuchterscheinungen, Büschel-oder Streamerent- ladungen aus. Kennzeichnend für die Koronaentladung ist ein nahezu kontinuierlicher Stromfluss typischerweise im Bereich von uA bis mA.

Funkenentladungen sind transiente Entladungserscheinungen, die entstehen, wenn die Spannung zwischen zwei metallischen Elektroden soweit erhöht wird, dass die Durchbruchsfeldstärke überschritten wird. Der Entladungsspalt wird hierbei leitfä- hig. Begrenzt man nun die bei einer solchen Entladung flie- ßende Ladung z. B. durch das Vorschalten eines RC-Gliedes, dann verlischt der Funken nach der vollständigen Entladung des Kondensators. Der über den Widerstand R fließende Strom lädt den Kondensator wieder auf und man erhält eine repetie- rende Entladungserscheinung. Die Charakteristik einer solchen Entladung liegt zwischen der einer nichtthermischen Korona- entladung und der eines thermischen Lichtbogens.

Bei der DBE wird ein vollständiger elektrischer Durchbruch der Entladungsstrecke durch eine zwischen den Elektroden an- gebrachte dielektrische Schicht verhindert. Der Strom wird in dieser Entladungsform von vielen einzelnen Mikroentladungen getragen, welche sich über die gesamte Fläche des Dielektri- kums verteilen.

Typische Werte einer solchen Mikroentladung sind in Tabelle 1 aufgeführt. Vorteile dieser Entladung sind die Begrenzung des maximalen Entladungsstromes und die gleichmäßige Verteilung der Entladung über die gesamte Dielektrikumsfläche. Insbeson- dere die letztgenannte Eigenschaft ermöglicht die einfache Erzeugung ein-oder zweidimensional skalierter Entladungen. Radius des Plasma-ca. 100 um kanals Lebensdauer wenige ns mittlere Elektro-1 bis 10 eV nenenergie Elektronendichte 1 cm~3 Tabelle 1 : Typische Eigenschaften einer Mikroentladung Industriell angewandt werden diese nichtthermischen Plasma- verfahren zur Ozonerzeugung. Anwendungen zum Abbau leicht- flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) und zur Abgasreini- gung befinden sich in der Entwicklung.

Beim Stand der Technik wird hierbei immer die gesamte Gasmi- schung durch das nichtthermische Plasma behandelt.

Untersuchungen zur Dampfreformierung von Methan mittels DBE haben gezeigt, dass die Methankomponente des Eduktgases durch die Entladung bevorzugt aktiviert wird. Hierdurch kommt es vornehmlich zur Bildung von Wasserstoff und höheren Kohlen- wasserstoffen, während oxidierte Komponenten wie z. B. Kohlen- monoxid (CO) nur in sehr geringen Mengen gebildet werden. So- mit scheint eine effiziente Durchführung der Dampfreformie- rung von Methan auf diese Weise nicht möglich zu sein. Die Untersuchungen der durch nichtthermische Plasmen induzierten chemischen Kinetik bestätigen, dass dieses Problem prinzi- pieller Natur ist. Die initialen Reaktionen der Dampfrefor- mierung von Methan sind die Dissoziation der Methan-bzw.

Wassermoleküle durch Elektronenstoß :

An die Elektronenstoßreaktionen schließen sich zeitlich die Radikalreaktionen gemäß Tabelle 3 an : Tabelle 3 : Radikalreaktionen bei der Wasserdampfreformierung von Methan Radikal-Molekül-Reaktionen Radikal-Radikal-Reaktionen

Die durch Dissoziation des Methans entstandenen CH3-Radikale rekombinieren sehr schnell gemäß Reaktionsgleichung (12) in Richtung C2H6. Die H-Radikale reagieren entweder über die Re- aktionsgleichung (9) unter Bildung eines Methyl-Radikals oder durch direkte Rekombination gemäß der Reaktionsgleichung (17) in Richtung H2. Radikal-Reaktionen mit Wasser gemäß den Reak- tionsgleichungen (10) und (11) sind insgesamt deutlich un- wahrscheinlicher.

Die Reaktionsgeschwindigkeiten RGi und damit die erzielbaren Umsätze der Elektronenstoßreaktionen (6) bis (7b) und der Ra- dikalreaktionen (8) bis (19) ergeben sich gemäß folgender Gleichung : RG, =kj n, n2 (21) Hierin bedeutet ki eine von den beteiligten Reaktionspartner und den Reaktionsbedingungen wie z. B. der mittleren Elektro- nenenergie im Fall der Elektronenstoßreaktionen oder der Tem- peratur im Fall der Radikalreaktionen abhängige Größe. Die beiden Größen nl und n2 geben die Konzentration der an der Reaktion beteiligten Spezies an.

Aus der WO 01/33056 Al ist ein mit einem Plasma betriebener Brennstoffkonverter bekannt, bei dem einer Anordnung aus zwei Elektroden und dazwischen vorhandenem Elektrodenspalt ein Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird und eine Spannung zwi- schen 100 V und 40 kV an die Elektroden angelegt wird. Dabei ist Sauerstoff im Überschuss vorhanden, insbesondere im Ver- hältnis von 1,2 bis 2,5 zum Kohlenstoffanteil. Es können meh- rere Konverter hintereinander geschaltet werden.

Ausgehend von letzterem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Umwandlung eines gasförmigen oder flüssigen kohlenstoffhaltigen Brennstoffes anzugeben und zugehörige Vorrichtungen zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Pa- tentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist Ge- genstand des Patentanspruches 14. Weiterbildungen des erfin- dungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Gegenstand der Erfindung sind Verfahren und zugehörige Vor- richtungen, die zunächst auf effiziente Weise selektiv be-

stimmte Radikale in einer Gasmischung erzeugen, um damit ge- zielt Reaktionsabläufe in der Gasmischung zu initiieren. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet nach dem Prinzip, dass ein nichtthermisches Plasma in einem Bereich erzeugt wird, in denen die Dichten der im Plasma bevorzugt angeregten Gaskom- ponenten unterhalb derer liegen, die weniger bevorzugt ange- regt werden. Hierfür wurden Vorrichtungen entwickelt, die ei- ne gezielte Einstellung der Konzentrationen einzelner Gaskom- ponenten innerhalb eines in der Vorrichtung erzeugten nicht- thermischen Plasmas erlauben. Damit ist es möglich, gemäß Gleichung (21) die Reaktionsgeschwindigkeit für die Elektro- nenstoßreaktionen gezielt zu beeinflussen und so bestimmte Reaktionswege zu initiieren.

Generell kann dieses Verfahren überall dort sinnvoll einge- setzt werden, wo eine Gesamtbehandlung einer Gasmischung durch ein nicht-thermisches Plasma nicht zu den gewünschten Reaktionsabläufen führt. Vorteilhafterweise eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung eines Brennstoff/ Oxidationsmittel-Gemisches bestehend aus - einem kohlenstoffhaltigem Brenngas z. B. Methan, Propan, Butan, Methanol oder - einer Mischung aus kohlenstoffhaltigen Brenngasen z. B. ei- ner Propan-Butan-Mischung oder und - einem einzelnen oxidierenden Gas, z. B. Wasserdampf (H20 gasförmig), Kohlendioxid (CO2), Sauerstoff (02), Luft, - einer Mischung aus oxidierenden Gasen, - einem einzelnen oxidierenden Gas oder einer Mischung aus oxidierenden Gasen unter Zugabe eines weiteren nicht- oxidierenden Gases z. B. Stickstoff (N2) oder Argon (Ar) mit dem Ziel - der Erzeugung von Wasserstoff - der Erzeugung einer Mischung aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) - der Anreicherung des Brenngases mit Wasserstoff - der Modifizierung des C/H-Verhältnisses im Brenngas

- der Erzeugung von Methanol - der Erzeugung höherer Kohlenwasserstoffen, wobei auch Kombinationen dieser Einzelpunkte realisierbar sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan- sprüchen. Es zeigen Figur 1 eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Figur 2 den Einsatz einer Zwischenstufe zur Abtrennung von Produktkomponenten beim Verfahren gemäß Figur 1, Figur 3 den Einsatz einer Zwischenstufe zur Abtrennung eines nicht umgesetzten Ausgangsstoffes mit Rückführung beim Verfahren gemäß Figur 1, Figur 4 den prinzipiellen Aufbau einer Anlage zur Dampfrefor- mierung eines Brenngases nach dem Verfahren gemäß Fi- gur 1, Figur 5 den Aufbau einer Behandlungsstufe zur Erzeugung einer Korona-oder einer Funkenentladung, Figur 6 eine Behandlungsstufe gemäß Figur 5 mit einer vierfa- chen Elektroden-Düsenanordnung, Figur 7 die relative Einbaulage von Elektrode und Injektions- düse bei einer Anordnung gemäß Figur 5 und 8, Figur 8 den Aufbau einer Behandlungsstufe zur Erzeugung einer dielektrisch behinderten Entladung und Figur 9 eine Behandlungsstufe entsprechend Figur 8 mit li- nienförmiger Zuführung des Oxidationsmittels.

Nachfolgend wird ein Verfahren zur selektiven Erzeugung reak- tiver Teilchen und dessen separative Realisierung anhand von Aufbauten für die Dampfreformierung von Methan stellvertre- tend für gasförmige kohlenstoffhaltige Brennstoffe oder flüs- sige kohlenstoffhaltige Brennstoffe, aus denen durch vorheri- ges Verdampfen ein Brenngasstrom erzeugt wurde, beschrieben.

Hierbei stellt das Methan die Gaskomponente dar, die im Ver- gleich zum Wasserdampf in einem nichtthermischen Plasma be- vorzugt aktiviert wird. Diese bevorzugt aktivierte Gaskompo- nente wird im folgenden als primäre Gaskomponente bezeichnet.

Der Wasserdampf steht hierbei stellvertretend für ein Oxida- tionsmittel. Als Alternativen bieten sich Kohlendioxid (COZ), reiner Sauerstoff (02) oder eine Mischung aus diesen Stoffen gegebenenfalls auch unter Zugabe eines nicht-oxidierend wir- kenden Gases wie z. B. Stickstoff (N2) oder Argon (Ar) an.

Diese durch das nichtthermischen Plasma weniger leicht akti- vierbare Komponente wird im folgenden als sekundäre Gaskompo- nente bezeichnet.

Das Verfahrensprinzip der selektiven Radikalerzeugung lässt sich folgendermaßen verwirklichen, wobei insbesondere auf die Figuren 1 bis 3 Bezug genommen wird. In den Schemadarstellun- gen kennzeichnet 10, 10',... einen primären Gasstrom, dem im einzelnen Stufen, beispielsweise Stufe 1 und Stufe 2, ein se- kundärer Gasstrom 20, 20',... zugeführt wird. Verallgemei- nert gilt : Der aus beliebigen Stufen austretende Gasstrom 10"'bildet jeweils den primären Gasstrom (10+1)"'der nach- folgenden Stufe n+1. In den hier beschriebenen Ausführungs- beispielen ist der primäre Gasstrom 10, 10',... z. B. Methan, der sekundäre Gasstrom 20, 20',... z. B. Wasserdampf.

Gemäß Figur 1 wird dem primären Gasstrom 10 bzw. 10'in den Behandlungsstufen 1 bzw. 2 nacheinander jeweils ein Teil 20 bzw. 20'des Wasserdampfes als sekundärer Gasstrom zugeführt.

Die aus der Stufe 1 austretende Gasmischung stellt den primä- ren Gasstrom der nachfolgenden Behandlungsstufe 2 dar. Ein nichtthermisches Plasma wird nun jeweils innerhalb der Be- handlungsstufen 1 bzw. 2 im Mischbereich 15 bzw. 15'der bei- den Gasströme 11 und 20 bzw. 11'und 20'derart erzeugt, dass innerhalb der Plasmazone der Wasserdampf in deutlich überstö- chiometrischem Molverhältnis vorliegt. Für Methan (CH4) als Brennstoff und Wasser (H2O) als Oxidationsmittel, bei denen

das stöchiometrische Molverhältnis 1 : 1 ist, ist ein Faktor von 3 bis 10, vorzugsweise 5, möglich. Für andere Brenn- stoff/Oxidationsmittel-Gemische lassen sich entsprechende ho- he Werte mit npx ; dationrmittel » Brennsto¢ erreichen, die jeweils deutlich über dem Molverhältnis im jeweiligen Gesamtprozess liegen.

Dies wird z. B. dadurch erreicht, dass die Plasmazone nur ei- nen kleinen Teil des Reaktorvolumens und des Strömungsquer- schnittes einnimmt und lediglich ein Teil 11, 11',... des primären Gasstroms 10, 10,... durch die Plasmazonen 15, <BR> <BR> 15,. .. geleitet wird. Gleichermaßen kann durch das Einleiten des sekundären Gasstroms 20, 20',... in die Plasmazonen 15, 15,. .. der primäre Gasstrom 10, 10,... aus diesem Bereich teilweise verdrängt wird und als Parallelstrom 12, 12',... unbehandelt an den Plasmazonen 15 bzw. 15'vorbeiströmen.

Bei dem so definierten Verfahren wird die spezifische Plasma- leistung innerhalb einer einzelnen Stufe so gewählt, dass die Komponenten im sekundären Gasstrom nahezu vollständig umge- setzt werden.

Eine vorteilhafte Ergänzung des Verfahrens besteht darin, je- weils hinter einer Behandlungsstufe 30 bestimmte Anteile aus dem Gasstrom abzutrennen. Gemäß Figur 2 kann es sich dabei durch Verwendung einer Separationsstufe 25 um eine Produkt- komponente und gemäß Figur 3 durch Verwendung einer Separati- onsstufe 35 mit der Möglichkeit einer Rückführung um eine nicht vollständig umgesetzte Eduktkomponente handeln. Unter Produktkomponente ist dabei eine in der Behandlungsstufe ge- bildete Komponenten, unter Eduktkomponente ein nicht umge- setzter Anteil des primären oder sekundären Gasstroms defi- niert.

Bei der Dampfreformierung von Methan bietet es sich an, den Wasserstoff z. B. mittels einer selektiv durchlässigen Membran abzutrennen, um eine Oxidation des Wasserstoffs in den nach- folgenden Stufen zu verhindern. Die Abtrennung von nicht um- gesetzten Eduktkomponenten, z. B. des Wasser mittels Kondensa-

tion, ist dann sinnvoll, wenn man eine Rückführung dieser Komponenten in den Umwandlungsprozess vorsieht. Kombinationen beider Trennverfahren sind ebenfalls denkbar.

Die Separationsstufen 25 und 35 können darüber hinaus einen Wärmetauscher enthalten, in dem der aus der Gasbehandlungs- stufe austretende Gasstrom abgekühlt wird. Die so gewonnene Wärme kann anschließend dem Prozess wieder zugeführt werden.

In Figur 4 bedeuten 41 eine Dosiereinrichtung z. B. ein Ventil für Brenngas, 42 einen Wärmetauscher mit einer Einheit 42a zum Aufheizen, 43 eine Dosiereinrichtung z. B. ein Ventil für Wasser und 44 einen Wärmetauscher für Wasser mit einer Ein- heit 44a zur Verdampfung von Wasser und einer Einheit 44b zur Überhitzung des erzeugten Wasserdampfes. Einer Gasbehand- lungsstufe 45 ist eine Dosiereinheit 46 und eine Energiequel- le 47 zugeordnet. Es folgt eine Einheit 48a zur Nachbehand- lung des Reaktionsgases. Die Nachbehandlungseinheit 48a ist Teil eines Wärmetauschers 48.

Im Einzelnen wird der Gasbehandlungsstufe 45 über zwei ge- trennte Leitungen das Brenngas und der Wasserdampf zugeführt.

Der Brenngasstrom wird vor der ersten Stufe durch den Wärme- tauscher 42 geleitet und auf die gewünschte Temperatur ge- bracht. Der Wärmetauscher 42 kann dabei entweder durch das Verbrennen eines Teil des Brenngases z. B. in einem katalyti- schen Brenner, oder aber direkt elektrisch geheizt werden.

Flüssige Brennstoffe werden zusätzlich verdampft. Das Wasser wird zunächst im Verdampfer 44a in die Gasphase überführt und anschließend mittels des Überhitzers 44b auf die gewünschte Temperatur gebracht. Verdampfer 44a und Überhitzer 44b können dabei kombiniert in einer Einheit 44 untergebracht sein. Der erzeugte Wasserdampf kann dann in der gewünschten Menge den einzelnen Gasbehandlungsstufen mittels der Dosiereinheit 46, z. B. einem Nadelventil oder einem Massenflussregler, zuge- führt werden.

Um Energieverluste und Kondensation zu vermeiden, ist die ge- samte Anlage thermisch isoliert aufgebaut. Es sind Mittel zur Wärmerückgewinnung vorhanden, was durch die Pfeile 141 und 142 angedeutet ist. Insbesondere wenn die Nachbehandlungsstu- fe 48a Teil des Wärmetauscher 48 ist, kann die freiwerdende Wärme in die Wärmetauscher 42 und 44 zurückgeführt werden.

Beiden Wärmetauschern wird entsprechend den Pfeilen 143 und 144 zusätzlich Wärme von externen Energiequellen zugeführt.

In jeder Gasbehandlungsstufe 45 wird mittels einer Koronaent- ladung, einer Funkenentladung oder einer dielektrisch behin- derten Entladung eine Zone 45a mit einem nicht-thermischen Plasma erzeugt, durch welche ein Teil des Brenngasstroms und der jeweils injizierte Wasserdampfstrom geleitet werden. Zur Erzeugung des Plasmas sind geeignete Elektrodenanordnungen erforderlich, was anhand der Figuren 5 bis 9 beschrieben wird. Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass die Plasmazone nur in einem Teil des Reaktorquerschnittes gezündet wird. Somit kann ein Teil des primären Gasstromes an der Plasmazone 45a vor- beiströmen.

Insbesondere bei Verwendung einer punktförmigen Injektion des Oxidationsmittels können mehrere Elektroden in eine einzelne Gasbehandlungsstufe integriert werden, um damit höhere Umsät- zen pro Gasbehandlungsstufe zu erzielen. Beispielsweise kann die Injektion des Oxidationsmittels über eine gemeinsame Zu- leitung erfolgen, welche mit entsprechenden Öffnungen für die punktförmige Einleitung des Oxidationsmittels versehen ist.

Figur 5 zeigt die konkrete Realisierung einer Gasbehandlungs- stufe unter Verwendung von metallischen Elektroden zur Erzeu- gung einer Korona-oder einer Funkenentladungen mit punktför- miger Injektion des Oxidationsmittels. Die Einheit besteht im Wesentlichen aus einem metallischen Rohr 51, durch welches der Brenngasstrom geleitet wird. In das Rohr 51 ragen eine angespitzte Elektrode 52, die mittels einer Hülse 53 isoliert

zum restlichen System 51 eingebaut ist, sowie die metallische Injektionsdüse 57 zum Einbringen des Wasserdampfes hinein.

Die gesamte Einheit einschließlich Injektionsdüse ist geer- det. Zur Erzeugung des nichtthermischen Plasmas im Reaktions- raum 55 wird die Elektrode 52 mit einer nicht in Figur 5 dar- gestellten Hochspannungsquelle verbunden, welche entweder ei- ne Gleichspannung, eine Wechselspannung oder gepulste Span- nungssignale liefert.

Typische Spannungswerte liegen zwischen 1kV bis 20kV bei Elektroden-Injektionsdüsen-Abständen im Bereich von lmm bis lcm. Im Fall einer Koronaentladung, die sich durch eine hoch- ohmige Versorgung kontrolliert erreichen lässt, fließen dann Ströme im Bereich 1 uA bis ca. 100 pA, so dass pro Elektro- denspitze Leistungen im Bereich von 1 mW bis zu wenigen Watt möglich sind.

Bei Verwendung höherer Spannungen kommt es zu einem funkenar- tigen Durchbruch der Entladungsstrecke. Insbesondere bei Ver- wendung einer Gleichspannungsquelle muss dann der maximal fließende Strom sowie die Menge der pro Durchbruch übertrage- ne Ladung durch ein geeignetes Vorschaltgerät begrenzt wer- den. Im einfachsten Fall kann es sich hierbei um ein RC-Glied handeln. Der Widerstand begrenzt den maximalen Strom, während der Kondensator die Menge der pro Entladung übertragenen La- dung festlegt. Damit kann sowohl die Wiederholrate als auch die Energie pro Entladung und damit die mittlere Leistung eingestellt werden. Die maximal mögliche Leistung ist im We- sentlichen nur durch die Leistung der verwendeten Energie- quelle und das verwendete Elektrodenmaterial beschränkt und sollte im Hinblick auf eine effiziente Energienutzung zwi- schen 1 bis 10 Watt pro Elektrodenspitze liegen.

Ein Beispiel für den Aufbau einer Mehrfachinjektion innerhalb einer Gasbehandlungsstufe zeigt Figur 6 am Beispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Korona-oder Funkenentladung.

Einzelne Elektroden 62a bis 62d mit Isolierungen 63a bis 63d können dabei entweder von unterschiedlichen Energiequellen oder von einer einzelnen Energiequelle angesteuert werden. Im letztgenannten Fall ist durch den Einbau entsprechender Vor- schaltgeräte dafür Sorge zu tragen, dass die Entladungsleis- tung entsprechend auf die einzelnen Elektroden verteilt wird.

Gemäß den Figuren 7a bis 7c kann die Elektrodenkonfiguration mittels der Parameter Einbautiefe hl, der Elektrode 72, Ein- bautiefe h2 der Injektionsdüse 77, der Entladungsspaltlänge h3, dem axialen Abstand h4 zwischen Elektrode und Injektions- düse sowie dem Winkel a zwischen der Elektrodenachse und der Fließrichtung des Brenngasstrom so an die Strömungsverhält- nisse angepasst werden, dass sich in der Plasmazone das ge- wünschte Molverhältnis von Oxidationsmittel zu Brenngas, bzw. deren Konzentrationsverhältnis mit nWasser » nBrenng=t einstellt- Letzteres wird dadurch erreicht, dass-wie bereits bei Figur 4 herausgestellt-lediglich ein Teil des Brenngasstroms durch die Plasmazone 45a geleitet wird oder aber dass das Brenngases durch das Einleiten des Wasserdampfes aus der Plasmazone 45a herausgedrängt wird und dadurch unbehandelt an der Plasmazone 45a dieser Behandlungsstufe vorbeiströmt.

Unter Umständen kann es sinnvoll sein zusätzliche Ablenkein- richtungen 75 für den Brenngasstrom vor der Elektrode und/ oder der Injektionsdüse anzubringen, um die durch die Plasma- zone strömende Brenngasmenge zu verringern (siehe Abbildung 7d). Die Optimierung des Systems in Abhängigkeit von den ver- wendeten Gasmengen und den Fließgeschwindigkeiten erfolgt nach den bekannten Verfahren der Strömungsmechanik.

Figur 8 zeigt die Realisierung einer Gasbehandlungsstufe zur Erzeugung einer dielektrisch behinderten Entladung mit punkt- förmiger Injektion des Oxidationsmittels. Die in den Brenn- gasstrom hineinragende Elektrode 82 ist von einer dielektri- schen Schicht 83 umgeben, welche vorzugsweise aus einem kera-

mischen Material mit hoher Dielektrizitätskonstante wie z. B.

A1203, Ti02,... besteht. Um einen definierten Ansatzpunkt für die Entladung zu erhalten, empfiehlt sich hierbei die Verwen- dung einer spitzen Injektionsdüse 86. Wird an die Hochspan- nungselektrode eine AC-Hochspannung hoher Frequenz im kHz- Bereich oder eine gepulste Hochspannung angelegt, so entsteht im Bereich 85 zwischen Elektrodenspitze 82 und Injektionsdüse 86 eine dielektrisch behinderte Entladung, gebildet durch ei- ne Vielzahl einzelner Mikroentladungen, die sich über die ge- samte Spitze der Elektrode verteilen. Bei Verwendung von Elektroden-Injektionsdüsen-Abständen im mm-Bereich liegen die benötigten Spannungswerte im Bereich von 1 kV bis 30 kV. Vor- teil dieser Mikroentladungen im Vergleich zur Funkenentladung ist der nichtthermische Charakter dieser Entladungsform.

In Figur 9 wird das Brenngas senkrecht oder in einem spitzen Winkel zur Elektrodenachse einer stabförmig ausgebildeten Elektrode 92, die mit einer keramischen Schicht 93 versehen ist, eingeleitet. Entsprechend ist die Injektionsdüse als Spalt 96 ausgebildet. Der Abstand zwischen beschichteter Elektrode 92 und dem Injektionsspalt 96 kann in Abhängigkeit von den jeweiligen Gasmengen und den Fließgeschwindigkeiten so gewählt werden, dass sich das gewünschte Verhältnis von Brenngas und Oxidationsmittel einstellt.