一种水下气泡放电等离子体固氮装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水下气泡放电等离子体固氮装置及方法，所述固氮装置包括反应器

【技术实现步骤摘要】
一种水下气泡放电等离子体固氮装置及方法


[0001]本专利技术涉及固氮
，具体涉及一种水下气泡放电等离子体固氮装置及方法
。

技术介绍

[0002]氮作为一种重要的工农业生产必需元素，含氮产品的生产能力和生产效益对后续的工业生产流程有重要影响
。
传统的固氮方法包括生物固氮
、H
‑
B
工艺固氮等，但这些方法都存在一定的局限性，例如生物固氮法适用于部分含有根瘤菌的豆科植物，可以将环境中的氮气还原为氨，进而转变为铵盐供植物吸收，该方法只适用于部分植物，且固氮的条件比较严苛，固氮产物不适用于工业流程；
H
‑
B
法使用固体金属催化剂在高温高压下由
N2和
H2合成
NH3，这是一个能源密集型的过程，需要燃烧大量天然气等化石能源，产生
CO2等温室气体导致环境污染
。
[0003]目前已有的利用等离子体固氮的装置按照放电位置的不同可分为气相放电和气液放电两种
。
[0004]气相放电等离子体固氮从能量效率来看是最高效的固氮方法
。
以气相放电等离子体固氮的装置，如专利
CN 115999484 A
所提出的一种多通道滑动弧固氮的装置和方法，该装置通过多个滑动弧装置依次串联，采用交流电源激发产生滑动弧等离子体，处理空气生成
NO
x
。
但仅仅通过多个滑动弧串联增大产量，装置的成本也在增加，产率和能耗比起单个滑动弧没有太大优势，在密闭空间同时处理大量压缩气体容易产生安全隐患，此外没有循环装置，一次处理的效果不是很好
。
且固氮产物是气体，不方便存储，不能直接使用，需溶于水产生硝酸盐等固定氮才能使用
。
[0005]气液两相放电等离子体固氮原料一般为水和氮气
/
空气，成本低廉，反应不需要密闭的空间，无爆炸风险，对应反应器的成本较气相放电等离子体固氮要低
。
如专利
CN 111389326 A
中所述的利用降水膜介质阻挡放电固氮的装置和方法，通过利用氮气
N2和水
H2O
为原料，在常温常压下直接反应固氮，生成硝酸根离子
NO3‑
和铵根离子
NH
4+
，但是该装置反应器复杂，且反应液体的温度要保持恒定
、
均匀以实现稳定放电；反应需要的电压在
18kV
‑
24kV
，对电源的要求较高；以氮气为工作气体，生产成本较以空气为工作气体要高
。
如专利
CN 115594257 A
所提出的气泡放电固氮的装置和方法，该装置通过空气放电产生等离子体，等离子体伴随气通过反应器底部的气泡扩散器进入液体，通过采用气泡扩散器提高等离子体与水的接触时间，使得溶解更加充分
。
但是该装置放电产生气相固氮产物，然后通过气泡扩散器溶于水，放电等离子体无法与水直接反应；缺乏循环模块，处理的水容量有限，需要反复换水，固氮效率较低；专利
CN 207951420 U
提出一种水下射流等离子体制备液体氮肥的装置和方法，包括射流放电腔体和位于水下的等离子体射流喷枪，增压风机通过进气管道将风吹入到射流放电腔体中，在水下制备液态氮肥，活性粒子与水体作用时间较长，反应较为充分
。
但该液体中产物浓度受制于等离子体射流喷枪的数目，且高压电极没入水中在放电时极易腐蚀，射流喷枪更换复杂使得整个装置成本较高
。
[0006]目前利用等离子体法固氮的装置主要分两大类，一类是以
N2/H2混合气体或空气等气体为原料的气相放电等离子体固氮，由于都是气体，装置气密性要求较高，带来的问题是故障率的增加和生产成本的增加
。
且反应若涉及氢气
H2和其他气体的混合气体，除了气体成本较高外，还容易发生爆炸，反应安全性差
。
通常需要增设冷却区，气体分离和分步反应来提高安全性
。
另一类是以水
H2O
和空气为原料的气液两相放电，气液两相放电通常包括两种形式，液面上方的气液两相放电和液体中的气泡放电
。
液面上方的气液两相放电固氮的装置较为简单，但是等离子体与液面的接触不够充分，只有部分活性粒子进入溶液中，固氮效率略低
。
液体中的气泡放电等离子体与液接触充分，反应效率高
。
但是已有装置存在等离子体无法与水直接反应或者装置成本高等缺点
。
[0007]针对以上不足，本装置设计了一种利用水下气泡放电等离子固氮的装置及方法
。

技术实现思路

[0008]1.
所要解决的技术问题：针对上述技术问题，本专利技术提供一种水下气泡放电等离子体固氮装置及方法
。
[0009]2.
技术方案：一种水下气泡放电等离子体固氮装置，包括反应器
、
地电极和高压电极，地电极插装在反应器外壳的上半部分，高压电极插装在反应器外壳的下半部分，高压电极电性连接驱动电源，地电极接地，地电极和高压电极上下错位设置以形成极不均匀的电场；地电极和高压电极之间设有绝缘材质的多孔隔板将反应器的内腔分隔为上下两个电极室，工作时地电极
、
高压电极和多孔隔板均没入水中，反应器的底部设有多个进气口，通过进气口可向反应器中通入空气以形成气泡，反应器的顶部设有密封盖板，密封盖板上设有出气口，地电极上方的反应器外壳上设有出水口，反应器底部设有进水口
。
[0010]进一步地，所述出水口通过进水管连通水箱，出气口通过进气管连通水箱，进气管的末端插入水箱内部水面以下，水箱通过出水管连接水泵，水泵连接文丘里管的进水端，文丘里管的出水端连接反应器底部的进水口，文丘里管上设有进气端，进气端连通大气
。
[0011]进一步地，所述高压电极和地电极均为棒状电极，采用横向插装的方式固定在反应器的外壳上
。
优选的为钨棒或者不锈钢棒
。
[0012]优选地，所述地电极和高压电极分别设置在反应器壳体的两侧
。
[0013]进一步地，所述驱动电源包括纳秒脉冲电源
、
微秒脉冲电源和高频交流电源
。
[0014]进一步地，所述驱动电源电性连接逆变器，逆变器连接太阳能收集模块
。
[0015]进一步地，所述水箱内设有
NO
x
‑
检测传感器
。
[0016]一种水下气泡放电等离子体固氮方法，包括以下步骤：
S1
：采用以下两种方式种的任意一种向反应器中加水以及形成气泡；方式1：先往反应器的进气口持续通入空气，再通过水泵向反应器中加入水直至没过地电极，关闭水泵，空气在水中形成气泡；方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种水下气泡放电等离子体固氮装置，其特征在于，包括反应器
、
地电极和高压电极，地电极插装在反应器外壳的上半部分，高压电极插装在反应器外壳的下半部分，高压电极电性连接驱动电源，地电极接地，地电极和高压电极上下错位设置以形成极不均匀的电场；地电极和高压电极之间设有绝缘材质的多孔隔板将反应器的内腔分隔为上下两个电极室，工作时地电极
、
高压电极和多孔隔板均没入水中，反应器的底部设有多个进气口，通过进气口可向反应器中通入空气以形成气泡，反应器的顶部设有密封盖板，密封盖板上设有出气口，地电极上方的反应器外壳上设有出水口，反应器底部设有进水口
。2.
根据权利要求1所述的一种水下气泡放电等离子体固氮装置，其特征在于，所述出水口通过进水管连通水箱，出气口通过进气管连通水箱，进气管的末端插入水箱内部水面以下，水箱通过出水管连接水泵，水泵连接文丘里管的进水端，文丘里管的出水端连接反应器底部的进水口，文丘里管上设有进气端，进气端连通大气
。3.
根据权利要求1或2所述的一种水下气泡放电等离子体固氮装置，其特征在于，所述高压电极和地电极均为棒状电极，采用横向插装的方式固定在反应器的外壳上
。4.
根据权利要求3所述的一种水下气泡放电等离子体固氮装置，其特征在于，优选的为钨棒或者不锈钢棒
。5.
根据权利要求4所述的一种水下气泡放电等离子体固氮装置，其特征在于，所述地电极和高压电极分别设置在反应器壳体的两侧
。6.
根据权利要求5所述的一种水下气泡放电等离子体固氮装置，其特征在于，所述驱动电源包括纳秒脉冲电源
、
微秒脉冲电源和高频交流电源
。7.
根据权利要求6所述的一种水下气泡放电等离子体固氮装置，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丽，王帅，赵少伟，方志，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：