水雾射流电弧放电固氮装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水雾射流电弧放电固氮装置及检测方法，装置包括雾化单元、液泵系统、放电反应区、催化反应区、高压交流电源、数据采集与控制单元、放电光谱检测单元、供电参数检测单元、气液分离单元、缓冲单元、储液箱A、B。本发明专利技术的装置设计了气液两相放电系统，先将水通过雾化喷嘴形成水雾，并使用高压电源驱动形成电弧放电，在水雾中高效产生类似雷雨天气的活性氧和活性氮等有助于作物生长的活性成分，并且使用超声波协同催化剂协同作用，通过获取供电参数和放电光谱参数数据，自动调控气液两相的水气混合比和供电电压等物理参量，用最佳能效比跟踪的方法，使得装置在使用时始终在最佳能效比点附近工作，有效提高放电活性成分的产率和装置工作效率。

Water mist jet arc discharge nitrogen fixing device and detection method

【技术实现步骤摘要】
水雾射流电弧放电固氮装置及检测方法
本专利技术涉及一种水雾射流电弧放电固氮装置及参数检测与自动控制方法，属于高压电极放电

技术介绍
气液两相滑动弧放电等离子体技术是一种新型的低温等离子体技术，集氧化作用、酸作用、紫外照射作用等物理化学作用于一体。在水中或与水接触的气液两相放电等离子体，由于电子碰撞和紫外线辐射而产生大量活性物质(也称为活性物种)，例如HNOx、NOx、·OH、H2O2、O3、·O等，这些活性成分可广泛应用于农业生产、环境保护、材料加工、生物医学等领域。气液两相电弧放电具有结构简单、使用方便、能效高等优点，其在固氮方面有着广阔的前景。目前现有的固氮的技术有哈伯法工业合成氨技术、合成硝酸法和化学模拟生物固氮法。工业合成氨和合成硝酸法能耗高，污染大，化学模拟生物固氮尚处于实验研究阶段，未投入到实际应用，且产量较低。全球通过雷电放电每年可以产生氮氧化物1.6×107吨，而大气压等离子体放电现象与自然雷电相似，放电将分子电离激化，发生一系列的化学过程，产生富含HNOx、NOx、·OH、H2O2、O3、·O等物质。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种水雾射流电弧放电固氮装置及参数检测与自动控制方法，本专利技术的技术方案如下：一种水雾射流电弧放电固氮装置，所述装置包括雾化单元、液泵系统、气液两相放电反应区、催化反应区、高压交流电源、数据采集与控制单元、放电光谱检测单元、供电参数检测单元、气液分离单元、缓冲单元、储液箱A以及储液箱B；液泵系统由液泵A及其通信模块组成，具有通信控制功能；液泵系统将外部水源泵入雾化单元，缓冲单元中的气体通过气泵A泵入雾化单元，液体流量计测量泵入喷嘴中液体的流量，气体流量计测量泵入雾化单元中气体的流量；液泵系统将数据传输给数据采集与控制单元；储液箱A中通过气泵B将经气液两相放电反应区反应的气体抽出至催化反应区中，然后从催化反应区上部排出进入气液分离单元，分离后的气体进入缓冲单元并与新补充的气体一同被气泵A泵入雾化单元，分离的液体最终进入储液箱B储存；储液箱A通过液泵B中经气液两相放电反应区反应的液体抽出至催化反应区中，最终含活性成分的产物溶液收集在储液箱B；所述高压交流电源为气液两相放电反应区供电，并连接数据采集控制单元供其采集数据；所述气液两相放电反应区供电分别连接放电光谱检测单元与供电参数检测单元，放电光谱检测单元与供电参数检测单元连接数据采集控制单元供其采集数据。优选地，气液两相放电反应区、催化反应区、雾化单元整合成一个反应器装置；所述反应器装置包括第一进气口、第二进气口、第一进水口、第二进水口、出气口、出水口、雾化喷嘴、旋风叶片、金属垫片、高压电极、石英管、催化剂腔、金属底板、环形超声换能器、低压电极、负载TiO2的石英小球以及固定套；所述放电反应器分为三个区域，分别为雾化区、放电区以及联合作用区；雾化喷嘴及其下方区域组成雾化区，所述第一进气口位于雾化喷嘴的顶部，第一进水口位于雾化喷嘴的侧壁；金属垫片、高压电极、石英管和低压电极组成的放电区，其中金属垫片外接高压电源，内与高压电极接触，低压电极接地，实现两电极之间的放电，金属垫片外侧设有密封圈和抱箍；催化剂腔、负载TiO2的石英小球、以及底部的环型超声换能器组成紫外线、超声波、催化剂联合作用区；所述催化剂腔包裹在石英管的外部，内部填充满负载TiO2的石英小球，环形超声换能器位于催化剂腔下方，同样包裹在石英管的外部，第二进水口和出气口位于催化剂腔的顶部，第二进气口和出水口位于催化剂腔的底部，所述金属底板位于催化剂腔的底部，所述石英管的底部设有固定套。优选地，上述低压电极为螺旋状结构。优选地，上述高压电极包括金属套筒、梭形电极和叶片，梭形电极位于金属套筒内，四周通过倾斜设计的叶片与金属套筒内壁连接。优选地，上述固定套为中空状的圆柱体，圆柱体侧壁下方设置若干用于固定低压电极的螺孔，圆柱体侧壁上方设置若干用于调节电极间距的螺孔，所述螺旋状的低压电极的底部固定在固定套上之后同轴放入石英管内部。优选地，上述石英小球的TiO2负载工艺如下：选用粒径为0.50-5.00mm的石英小球烧成具有多孔的石英小球,然后将小球浸入钛酸丁酯酒精溶液中，再慢慢向上提，并使用风扇对吹促进酒精挥发，使溶液在石英小球表面生成钛酸薄膜，然后再将多孔石英小球放350-400℃的炉内高温焙烧脱水2小时,形成TiO2薄膜。一种水雾射流电弧放电固氮检测方法，利用上述的一种水雾射流电弧放电固氮装置，其步骤如下：步骤1：开始雾化至射流稳定打开液泵系统和气泵A，使气体和外部水源进入雾化单元，其中高压气源经过止回阀将气体通入雾化喷嘴，在初始的气体流速、液体流速参数下形成水雾射流通入反应区，保持雾化喷嘴打开一段时间，使水雾射流均匀分布反应区域；步骤2：气液两相放电反应打开高压交流电源，在初始供电电压参数下，激励反应器放电，产生含活性成分的溶液和气体；步骤3：进入催化反应区二次反应含活性成分的溶液和气体进入储液箱A，启动气泵B、液泵B，将储液箱A中的液体和气体泵入催化反应区；步骤4：反应气体循环利用气体从催化反应区排出进入气液分离单元气体进入缓冲单元，与气瓶补充进来的气体一起被气泵A泵入雾化单元循环利用；步骤5：收集含活性成分的溶液气液两相放电区产生强烈的紫外线与催化剂、底部的超声波辐射在催化反应区协同催化反应产生更高浓度的活性成分溶液通入储液箱B，步骤4中气液分离单元中分离出的液体收集进入储液箱B；步骤6:数据采集与计算控制，最佳能效比跟踪并稳定工作液体和气体流量计将流量信号传输给数据采集与控制单元，放电光谱检测单元和供电参数检测单元检测并将信号输入数据采集与控制单元，微处理器计算出水气混合比，通过牛顿爬山算法判断能效比是否先升后降，若能效比先升后降，说明已经错过最佳能效比工作点，需要调整泵流量降低水气混合比，若能效比一直上升，则继续调大水气混合比，反应产物的活性成分浓度，会因此改变，再通过检测信号的改变，进一步调控，从而达到自动控制的目的，使得系统能效比在峰值附近波动。本专利技术所达到的有益效果：本专利技术的装置设计了模拟自然界雷雨发生的气液两相放电系统，先将水通过雾化喷嘴形成水雾，并使用高压电源驱动锥型高压电极与螺旋状钛电极形成电弧放电，在水雾中高效产生类似于雷雨天气的活性氧(ROS)和活性氮(RNS)等有助于作物生长和有望替代氮肥的活性成分。并且使用超声波协同催化剂模拟闪电伴随的声、光、电协同作用机制，通过获取供电参数和放电光谱参数数据，自动调控气液两相的水气混合比和供电电压等物理参量，利用最佳能效比跟踪的方法，使得装置在使用时始终在最佳能效比点附近工作，有效提高了放电活性成分的产率和装置的工作效率。在绿色农业领域具有广阔的前景。专利CN105294175A公开了一种用于设施农业叶面施肥的滑动弧放电固氮发生装置，利用高压放电激发空气产生等离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水雾射流电弧放电固氮装置，其特征在于：所述装置包括雾化单元、液泵系统、气液两相放电反应区、催化反应区、高压交流电源、数据采集与控制单元、放电光谱检测单元、供电参数检测单元、气液分离单元、缓冲单元、储液箱A以及储液箱B；/n液泵系统由液泵A及其通信模块组成，具有通信控制功能；液泵系统将外部水源泵入雾化单元，缓冲单元中的气体通过第一气泵泵入雾化单元，液体流量计测量泵入喷嘴中液体的流量，气体流量计测量泵入雾化单元中气体的流量；液泵系统将数据传输给数据采集与控制单元；储液箱A中通过气泵B将经气液两相放电反应区反应的气体抽出至催化反应区中，然后从催化反应区上部排出进入气液分离单元，分离后的气体进入缓冲单元并与新补充的气体一同被气泵A泵入雾化单元，分离的液体最终进入储液箱B储存；储液箱A通过液泵B中经气液两相放电反应区反应的液体抽出至催化反应区中，最终含活性成分的产物溶液收集在储液箱B；/n所述高压交流电源为气液两相放电反应区供电，并连接数据采集控制单元供其采集数据；所述气液两相放电反应区供电分别连接放电光谱检测单元与供电参数检测单元，放电光谱检测单元与供电参数检测单元连接数据采集控制单元供其采集数据；/n数据采集控制单元通过采集的数据计算出水气混合比和能效比，发出控制信号，控制具有通信功能的液泵和气泵，进而控制气液的流量和供电电压。/n...

【技术特征摘要】
1.一种水雾射流电弧放电固氮装置，其特征在于：所述装置包括雾化单元、液泵系统、气液两相放电反应区、催化反应区、高压交流电源、数据采集与控制单元、放电光谱检测单元、供电参数检测单元、气液分离单元、缓冲单元、储液箱A以及储液箱B；
液泵系统由液泵A及其通信模块组成，具有通信控制功能；液泵系统将外部水源泵入雾化单元，缓冲单元中的气体通过第一气泵泵入雾化单元，液体流量计测量泵入喷嘴中液体的流量，气体流量计测量泵入雾化单元中气体的流量；液泵系统将数据传输给数据采集与控制单元；储液箱A中通过气泵B将经气液两相放电反应区反应的气体抽出至催化反应区中，然后从催化反应区上部排出进入气液分离单元，分离后的气体进入缓冲单元并与新补充的气体一同被气泵A泵入雾化单元，分离的液体最终进入储液箱B储存；储液箱A通过液泵B中经气液两相放电反应区反应的液体抽出至催化反应区中，最终含活性成分的产物溶液收集在储液箱B；
所述高压交流电源为气液两相放电反应区供电，并连接数据采集控制单元供其采集数据；所述气液两相放电反应区供电分别连接放电光谱检测单元与供电参数检测单元，放电光谱检测单元与供电参数检测单元连接数据采集控制单元供其采集数据；
数据采集控制单元通过采集的数据计算出水气混合比和能效比，发出控制信号，控制具有通信功能的液泵和气泵，进而控制气液的流量和供电电压。


2.根据权利要求1所述的水雾射流电弧放电固氮装置，其特征在于气液两相放电反应区、催化反应区、雾化单元整合成一个反应器装置；
所述反应器装置包括第一进气口、第二进气口、第一进水口、第二进水口、出气口、出水口、雾化喷嘴、旋风叶片、金属垫片、高压电极、石英管、催化剂腔、金属底板、环形超声换能器及驱动电路、低压电极、负载TiO2的石英小球以及固定套；
所述放电反应器分为三个区域，分别为雾化区、放电区以及联合作用区；
雾化喷嘴及其下方区域组成雾化区，所述第一进气口位于雾化喷嘴的顶部，第一进水口位于雾化喷嘴的侧壁；
金属垫片、高压电极、石英管和低压电极组成的放电区，其中金属垫片外接高压电源，内与高压电极接触，低压电极接地，实现两电极之间的放电，金属垫片外侧设有密封圈和抱箍；
催化剂腔、负载TiO2的石英小球、以及底部的环型超声换能器组成紫外线、超声波、催化剂联合作用区；所述催化剂腔包裹在石英管的外部，内部填充满负载TiO2的石英小球，环形超声换能器位于催化剂腔下方，同样包裹在石英管的外部，第二进水口和出气口位于催化剂腔的顶部，第二进气口和出水口位于催化剂腔的底部，所述金属底板位于催化剂腔的底部，所述石英管的底部设有固定套。


3.根据权利要求2所述的水雾射流电弧放电固氮装置，其特征在于所述低压电极为螺旋状结构。

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【专利技术属性】
技术研发人员：耿镇，陈秉岩，唐颖，张清阳，王进华，陈连杰，蒋永锋，钱俊成，周仲海，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32