Characterization of a gliding arc discharge for fixing nitrogen with oxygen directly from air

Abstract

Ein Plasmareaktor mit einer magnetisch stabilisierten, gleitenden Bogenentladung zur elektrischen Luftverbrennung wurde untersucht. Der Reaktor wurde in Umgebungsluft nahe Atmosphärendruck mit einer pulsierenden Gleichspannung mit Spitzenwerten zwischen 64 und 88mA und einer Spannung zwischen 1,8 und 3kV betrieben. Zur Charakterisierung der Entladung wurden neben elektrischen Messungen und optischer Emissionsspektroskopie auch Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera angefertigt. In den optischen Spektren, die im Bereich von 250 bis 800nm aufgezeichnet wurden, zeigten sich Bandenstrukturen von N2, N2+, OH, NH, O2, sowie eine atomare Sauerstofflinie. Strom-Spannungs-Kennlinie, Bogenlänge, Umlaufgeschwindigkeit, Rotationstemperatur, Vibrationstemperatur, die Temperatur der elektronischen Anregung und die Effizienz der Stickoxidproduktion wurden in Abhängigkeit von Druck, Gasdurchfluss und Laststrom gemessen. Der große Unterschied zwischen Gastemperatur (-3000K) und Elektronentemperatur (-10,000K) lässt darauf schließen, dass es sich um ein Nichtgleichgewichtsplasma mit warmen Eigenschaften handelt - charakteristisch einzuordnen zwischen Glimmentladung und klassischer Bogenentladung. Die Effizienz der Stickstofffixierung zeigte eine starke Abhängigkeit vom Druck in der Brennkammer. Die Energieeffizienz verbesserte mit steigendem Druck bis zu einem Wert von 465GJ/tN. Obwohl diese Effizienz von einer großtechnischen Anlage zur Stickstofffixierung nach dem Haber-Bosch-Verfahren im Durchschnitt um den Faktor 10 übertroffen wird, gibt es vielversprechende Methoden (z.B. Katalysatoren, ultrakurze Pulse), um die Energieeffizienz der elektrischen Luftverbrennung weiter zu steigern.

A magnetic gliding arc configuration used for nitrogen fixation was investigated. The reactor was operated in ambient air close to atmospheric pressure with pulsating direct current with peak values from 64 to 88mA and a voltage in the range of 1.8 to 3kV. Electric measurements, optical emission spectroscopy and high-speed camera recordings were done in order to characterize the discharge. Features of N2, N2+, OH, NH, O2 and O were found in the spectra which were recorded from 250 to 800nm. I-V curve, arc length, rotational speed, rotational temperature, vibrational temperature, temperature of electronic excitation and the yield of NO and NO2 were measured while varying, gas flow and operating current. Values of gas temperature (-3000K) and electronic temperature (-10,000K) revealed the non-equilibrium -warm- nature of the discharge. The pressure in the combustion chamber was found to be a crucial parameter concerning the energy efficiency of nitrogen oxide production. The plasma reactor was achieving better efficiencies at higher pressures with a minimum of 465GJ/tN, yet an order of magnitude behind an average industrial nitrogen fixation procedure.