VDI 2441-2016 Process gas and waste gas cleaning by cold plasma - Barrier discharge corona discharge UV radiation.pdf

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1、ICS 13.040.99 VDI-RICHTLINIEN Mai 2016 May 2016 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Prozessgas- und Abgasreinigung durch Kaltplasmaverfahren Barriere-, Koronaentladung, UV-Strahlung Process gas and waste gas cleaning by cold plasma Barrier discharge, corona discharge, UV radiation VDI 2441 Ausg. deutsch/eng

2、lisch Issue German/English Der Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundesanzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen. Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The draft of this standard has been subject to public scrutiny after announcement in the Bundesan

3、zeiger (Federal Gazette). The German version of this standard shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English translation. Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdL Fachbereich Umweltschutztechnik VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft, Ba

4、nd 6: Abgasreinigungstechnik Staubtechnik Vervielfltigungauch fr innerbetrieblicheZweckenichtgestattet/Reproduction even for internalusenotpermittedFrhereAusgabe:03.14Entwurf, deutschFormeredition:03/14Draft,inGermanonlyZu beziehen durch/AvailableatBeuthVerlagGmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten/

5、All rightsreservedVereinDeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2016Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 1 Anwendungsbereich . 2 2 Begriffe 2 3 Formelzeichen . 4 4 Ionisation und Plasma 4 4.1 Plasmaerzeugung . 5 4.2 Elementarprozesse der Abgasbehandlung mittels Plasmaverfahren . 12 4.3 Ozon . 17 4.4

6、 Energetische Kenngren 17 4.5 Verwandte Verfahren . 19 5 Verfahrensbausteine 20 5.1 Verfahrensprinzipien 20 5.2 Plasmaerzeuger 22 5.3 Verfahrenskombinationen 22 6 Auslegungs- und Konstruktionshinweise 23 6.1 Kriterien fr die Verfahrensauswahl 26 6.2 Planerische und organisatorische Manahmen . 28 6.3

7、 Hinweise zum Betrieb 31 7 Anleitung fr Emissionsmessungen . 31 7.1 Allgemeines . 31 7.2 Anlagenspezifische Besonderheiten . 31 7.3 Stand der Technik bei Sekundremissionen 34 8 Hinweise zur technischen Gewhrleistung . 35 9 Ausgefhrte Beispiele 37 9.1 Geruchsminderung durch Barrierenentladung nach de

8、m Injektionsverfahren 41 9.2 Geruchsminderung und Abbau organischer Stoffe durch Fotooxidation . 44 Schrifttum 50 Preliminary note . 2 1 Scope . 2 2 Terms and definitions 2 3 Symbols . 4 4 Ionisation and plasma 4 4.1 Plasma generation 5 4.2 Elementary processes involved in plasma-assisted waste gas

9、treatment 12 4.3 Ozone . 17 4.4 Energy efficiency performance indicators . 17 4.5 Related technologies 19 5 Process modules 20 5.1 Process principles 20 5.2 Plasma generator 22 5.3 Process combinations . 22 6 Notes on system design and configuration . 23 6.1 Criteria for process selection . 26 6.2 P

10、lanning and organisational measures 28 6.3 Notes on operation . 31 7 Emission measurement instructions 31 7.1 General . 31 7.2 System-specific particularities . 31 7.3 State of the art for secondary emissions . 34 8 Notes on technical warranty/guaranteed performance data 35 9 Example systems 37 9.1

11、Odour control by indirect DBD plasma process . 41 9.2 Odour control and VOC destruction by photo-oxidation . 44 Bibliography 50 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1E29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-06 2 VDI 2441 Alle Rechte vorbehalten

12、 Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils aus

13、zugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Li-zenzbedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewir

14、kt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this standard has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data proce

15、ssing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this standard without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to

16、this standard. 1 Anwendungsbereich Diese Richtlinie enthlt Hinweise fr Planung, Bau und Betrieb von nicht thermischen Plasmaanlagen zur Abgasreinigung. Das Anwendungsspektrum der Richtlinie fokussiert sich vorwiegend auf geruchsbeladene Abgase und solche, die gasfrmige Kohlenwasserstoffe (VOC) in ni

17、edriger Konzentration enthalten. Die in Bildern und Tabellen dargestellten Ergebnis-se sind Beispiele und gelten wegen der zahlreichen, sich gegenseitig beeinflussenden anlagen- und ab-gasspezifischen Faktoren jeweils nur fr den zuge-hrigen konkreten Anwendungsfall. Die angegebe-nen Betriebsdaten wu

18、rden an Anlagen, die nach dem derzeitigen Stand der Technik gebaut sind, ermittelt. 1 Scope This standard provides information on the design, construction and operation of non-thermal plasma systems for air pollution control applications. The focus of this standard is on applications in-volving odor

19、ous and low-strength VOC-laden waste gas streams (VOC volatile organic com-pounds). Because of the interdependencies between the nu-merous system and waste gas-specific factors, the data presented in the tables and diagrams relate exclusively to the specific application. The operat-ing data indicate

20、d have been determined on sys-tems reflecting the current state of the art. 2 Begriffe Fr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die folgenden Begriffe: Abgas Trgergas mit den festen, flssigen oder gasfrmi-gen Emissionen TA Luft Anmerkung: Trgergase knnen natrliche Luft oder Pro-zessgase sein. Barri

21、erenentladung (dielektrisch behinderte Entladung, Barriereplasma, stille Entladung) behinderte Entladung, bei der sich ein oder mehre-re dielektrische Krper (Barrieren) zwischen den Elektroden befinden Dielektrikum Substanz, deren grundlegende elektromagnetische Eigenschaft es ist, durch ein elektri

22、sches Feld pola-risiert zu werden DIN EN 50290-1-2 Anmerkung: Bei der Barrierenentladung kommt es auf die Wirkung des dielektrischen Krpers als Isolator an. 2 Terms and definitions For the purposes of this standard, the following terms and definitions apply: waste gas carrier medium of particulate,

23、liquid or gaseous emissions adapted from TA Luft Note: The carrier medium may be natural air or a process gas.dielectric barrier discharge (barrier discharge, DBD barrier plasma, silent discharge) hindered electrical discharge between two elec-trodes separated by one or more dielectric bodies (barri

24、ers) dielectric a material that has the basic electromagnetic char-acteristic of being polarised by an electric field adapted from DIN EN 50290-1-2 Note: The insulating effect of the dielectric is crucial to barrier discharge. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F068

25、6BD19CFC1FA2DEE1E29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-06All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 VDI 2441 3 Energieniveau Energie eines diskreten Quantenzustands eines Atoms, Molekls oder Ions IEC 60050-845 Fotolyse durch die Bestrahlung mit Licht ausgelste Spal-t

26、ung eines Molekls Anmerkung: Dabei wird durch die Strke der zu lsenden chemischen Bindung bestimmt, welche Wellenlnge das eingestrahlte Licht maximal haben darf, um genug Energie aufbringen zu knnen, diese Bindung zu spalten. Fr elektro-magnetische Wellen gilt: Je krzer die Wellenlnge ist, desto hhe

27、r ist die Energie, die pro Photon/Energiequant bertragen werden kann. 1 Fotooxidation Oxidationsreaktion, die durch Licht ausgelst wird Kaltplasma nicht thermisches Plasma, in dem keine wesent-liche Erhhung der Gastemperatur gegenber Raumtemperatur stattfindet Koronaentladung Entladung in einem star

28、k inhomogen elektrischen Feld (z. B. zwischen einem Draht und einem Hohl-zylinder), wobei der Entladungsansatz an der ge-krmmten Elektrode einsetzt nicht thermisches Plasma (NTP) nicht im thermodynamischen Gleichgewicht be-findliches Plasma, bei de m die mittlere kineti-sche Energie der Elektronen (

29、Elektronentempera-tur) hher ist als die Temperatur schwerer Teilchen Plasma ionisiertes Gas, dessen Eigenschaften durch kollek-tive Effekte der freien Ladungstrger (Elektronen oder Ionen) bestimmt ist Reingas Gas am Austritt des Schornsteins nach Durchlau-fen aller Abgasreinigungsstufen Sekundremiss

30、ion infolge des Abgasreinigungsprozesses gebildete Emission UV-Lampe (UV-Strahler, UV-Rhre) knstliche Ultraviolettstrahlungsquelle Anmerkung: Von den Herstellern werden die Benennungen gleichwertig nebeneinander verwendet. UV-Strahlung (Ultraviolettstrahlung) elektromagnetische Strahlung, deren Well

31、enlnge krzer als die des sichtbaren Lichts, aber lnger als die der Rntgenstrahlen (von etwa 400 nm bis 100 nm) ist Anmerkung: Die wichtigste UV-Strahlungsquelle ist die Sonne. UV-Strahlung kann jedoch auch knstlich erzeugt werden, z. B. durch UV-Lampen. UV-Strahlung wird in drei Wellenlngenbereiche

32、eingeteilt: energy level energy of a discrete quantum state of an atom, molecule, or ion adapted from IEC 60050-845 photolysis chemical process by which molecules are broken down into smaller units through irradiation with light Note: The strength of the chemical bond to be broken down determines th

33、e maximum allowable wavelength of the irradi-ated light to generate enough energy to break down this bond. For electromagnetic waves, the following relationship holds: The shorter the wave length the higher is the energy trans-ferred per photon/energy quantum. 1 photo-oxidation oxidation reaction in

34、itiated by light cold plasma non-thermal plasma where the gas temperature does not increase significantly above ambient tem-perature corona discharge electrical discharge in a highly inhomogeneous electric field (e.g. between a wire and a hollow cylinder) with the onset of the discharge occurring on

35、 the curved electrode non-thermal plasma (NTP) plasma which is not in thermodynamic equilib-rium because the mean kinetic energy of the elec-trons (electron temperature) is higher than the tem-perature of heavy species plasma ionised gas whose characteristics are determined by collective phenomena o

36、f the free charge carriers (electrons or ions) clean gas gas exiting the stack after having passed through all waste gas treatment stages secondary emission emission forming as a result of a waste gas treat-ment process UV lamp (UV tube, UV spotlight) artificial source of ultraviolet radiation Note:

37、 The above terms are used synonymously by the manu-facturers. UV radiation (ultraviolet radiation) electromagnetic radiation with a wavelength short-er than that of visible light but longer than that of X-rays (from about 400 nm to 100 nm). Note: The most important source of UV radiation is the sun.

38、 UV radiation can also be artificially generated by UV lamps, for example. UV radiation is divided into three wavelength ranges identified as: B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1E29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-06 4 VDI 2441 Alle Rec

39、hte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 UVA-Strahlung UVB-Strahlung UVC-Strahlung Alle drei Wellenlngenbereiche sind als wahrscheinlich hu-mankanzerogen“ klassifiziert worden. UVA-Strahlung (UVA) langwellige UV-Strahlung im Bereich von 315 nm bis 400 nm Anmerkung: UVA-Strahl

40、ung wird nicht wesentlich durch die Atmosphre zurckgehalten. Mindestens 90 % der die Erd-oberflche erreichenden UV-Strahlung ist UVA-Strahlung. UVA-Strahlung wird in zwei Unterbereiche UVA-I (340 nm bis 400 nm) und UVA-II (315 nm bis 340 nm) eingeteilt. UVB-Strahlung (UVB) UV-Strahlung mittlerer Wel

41、lenlnge im Bereich von 280 nm bis 315 nm Anmerkung: Hchstens 10 % der die Erdoberflche errei-chenden UV-Strahlung gehrt zum UVB-Bereich. UVC-Strahlung (UVC) kurzwellige UV-Strahlung im Bereich von 100 nm bis 280 nm Anmerkung 1: Die gesamte UVC-Strahlung der Sonne wird durch die Ozonschicht absorbier

42、t. 2 Anmerkung 2: Bei Strahlung unterhalb von 200 nm spricht man des Weiteren von VUV (Vakuum-UV) oder fernem UV. 3 UVA radiation UVB radiation UVC radiation All three wavelength ranges have been classified as “probably carcinogenic to humans”. UVA radiation (UVA) long-wavelength UV radiation in the

43、 spectral region of 315 nm to 400 nm Note: UVA radiation is not absorbed by the atmosphere to any appreciable extent. A minimum of 90 % of the UV radia-tion reaching the earths surface accounts for UVA radiation. UVA radiation is further subdivided into UVA-I (340 nm to 400 nm) and UVA-II (315 nm to

44、 340 nm). UVB radiation (UVB) medium-wavelength UV radiation in the spectral region of 280 nm to 315 nm Note: Maximum 10 % of the UV radiation reaching the earths surface accounts for UVB radiation. UVC radiation (UVC) short-wavelength UV radiation in the spectral region of 100 nm to 280 nm Note 1:

45、The entire UVC radiation of the sun is absorbed by the ozone layer. 2 Note 2: UV radiation with a wavelength of less than 200 nm is referred to as VUV (vacuum UV) or remote UV. 3 3 Formelzeichen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: h plancksches Wirkungsq

46、uantum M Stopartner Frequenz 3 Symbols The following symbols are used throughout this standard: h Plancks quantum of action M collision partners frequency 4 Ionisation und Plasma In Physik und Chemie ist unter dem Begriff Plasma“ ein ionisiertes Gas zu verstehen, das freie Ladungstrger wie Elektrone

47、n und Ionen enthlt. Der Plasmazustand schliet sich an die mit zuneh-mender Energiezufuhr durchlaufene Kette der be-kannten Aggregatzustnde (fest, flssig, gasfr-mig) an und wird daher auch als vierter Aggregat-zustand“ bezeichnet 4. Zur Bildung der freien Ladungstrger kommt es durch Ionisation der ne

48、ut-ralen Gasatome und Gasmolekle, wenn einem Gas ausreichend Energie in Form von innerer Energie (Erwrmung), elektromagnetischer Strah-lung (Gamma-, UV- oder Mikrowellenstrahlung) oder elektrischer Leistung (Gasentladung) zuge-fhrt wird. Die Ladungstrgerdichte in Plasmen ist so hoch, dass sogenannte

49、 kollektive Effekte“ (z. B. Quasineutralitt; Plasmaschwingungen) auf-treten. Plasmen knnen in breiten Parameterberei-chen, wie Temperaturen, Teilchendichten und 4 Ionisation and plasma In physics and chemistry, plasma is understood to be an ionised gas containing free charge carriers such as electrons and ions. The plasma state is the last in the sequence of the known physical states (solid, liquid, gaseous) undergone by a