一种磁控式空气等离子体制备氮肥系统
阅读说明：本技术 一种磁控式空气等离子体制备氮肥系统 (Magnetic control type nitrogen fertilizer preparation system by using air plasma ) 是由 宋一嘉 熊青 杨琦 乔俊杰 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁控式空气等离子体制备氮肥系统,包括太阳能发电装置、磁场控制装置、等离子体反应装置、氧化腔体装置和气体吸收池装置,所述磁场控制装置连接太阳能发电装置,所述太阳能发电装置为磁场控制装置供给清洁电能,所述等离子体反应装置高压端与太阳能发电装置相连接。本发明以空气作为原材料,通过结合磁场控制和变径空气流场有效地提高等离子体生成的氮氧化物产率；将空气中的氮气转化为氮氧化物,并进一步转化为硝酸分子,再结合农肥中游离态氨生成稳定易吸收的硝酸铵,改善农肥性质并作为农作物生长用氮肥；设备简易轻便,有利于农村地区大范围使用空气温等离子体进行自主固氮制肥,反应物绿色无污染。(The invention discloses a magnetic control type system for preparing nitrogen fertilizer by air plasma, which comprises a solar power generation device, a magnetic field control device, a plasma reaction device, an oxidation cavity device and a gas absorption pool device, wherein the magnetic field control device is connected with the solar power generation device, the solar power generation device supplies clean electric energy for the magnetic field control device, and the high-voltage end of the plasma reaction device is connected with the solar power generation device. The invention takes air as raw material, and effectively improves the yield of nitrogen oxide generated by plasma by combining magnetic field control and a variable diameter air flow field; converting nitrogen in the air into nitric oxide, further converting the nitric oxide into nitric acid molecules, and combining free ammonia in the agricultural fertilizer to generate stable and easily absorbed ammonium nitrate so as to improve the property of the agricultural fertilizer and serve as a nitrogen fertilizer for crop growth; the equipment is simple and portable, is beneficial to the rural area to use the air temperature plasma for carrying out autonomous nitrogen fixation and fertilizer preparation in a large range, and the reactants are green and pollution-free.)
技术领域
本发明涉及氮肥制备技术领域，具体为一种磁控式空气等离子体制备氮肥系统。
背景技术
诞生于19世纪的哈伯-博施法是目前工业上应用最为广泛的，产量最大的人工固氮方法，每年可生产约1.4亿吨氮气，超过了农业生产固氮的总量，维持着地球40％人口的温饱，是现代农业的基础。然而，哈伯法固氮产业每年能量消耗占全球能量总消耗的2％，天然气总消耗的5％，且排放超过3亿吨二氧化碳，能耗极高、碳排放极大，严重影响全球生态环境。此外，哈伯法合成的铵盐，不仅有效期短、施肥后往往有相当一部分肥料会形成极易挥发的氨气从土壤中逸出，大大降低了氮肥的有效性和利用率，导致农业生产成本尤其是化肥成本居高不下。
另一方面，随着人口爆发式增长及三次工业革命的推进，固氮需求尤其是农业用氮肥需求量越来越高。由于氮肥是所有农业产品生产的必需品，而铵盐、硝酸盐又是化工、有色冶金等工业的基础，因此全世界对于含氮化合物尤其是氮肥的需求量与日俱增，工业固氮占比也越来越大。
近年来，随着新能源发电以及等离子体技术的深入研究，人工固氮技术也得到了新发展。等离子体固氮技术是一种清洁无碳排放、常温常压、易操作的新兴人工固氮工艺。其通过高压击穿放电产生的等离子体与空气作用，将空气中的氮气和氧气转化合成氮氧化物。等离子体固氮技术所需原料为空气，充足且极易获得，生成的氮氧化物溶于水后形成的硝酸(HNO3)可降低含氮有机农肥的pH值，将挥发性的氨气转化为稳定的硝酸铵(NH4NO3)，使得农肥中氮含量翻倍，经济价值极高。该方法极大地避免了传统工业固氮方法所存在的碳排放大等环境污染问题，为人工固氮技术的发展提供了新方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁控式空气等离子体制备氮肥系统，利用大气压空气直流辉光放电形成高稳定性等离子体，结合磁场控制，扩大等离子体区域的体积，增大了等离子体与空气的作用区域，解决了等离子体固氮过程中氮氧化物合成效率低的问题。大量氮氧化物经由大气压或者高气压空气条件下氧化，并排入吸收池形成硝酸溶液，硝酸与有机农肥中游离态的氨发生化学反应，生成稳定的硝酸铵肥料，有效提高农肥中可被植物吸收的氮含量。
HNO3+NH3→NH4NO3
上述通过增加氮氧化物产率提高固氮率的目标是通过以下技术方案来实现的：一种磁控式空气等离子体制备氮肥系统，其中，包括太阳能发电装置、磁场控制装置、等离子体反应装置、氧化腔体装置和气体吸收池装置，所述磁场控制装置连接太阳能发电装置，所述太阳能发电装置为磁场控制装置供给清洁电能，所述等离子体反应装置高压端与太阳能发电装置相连接，所述氧化腔体装置进气口连接等离子体反应装置，所述氧化腔体装置出气口与气体吸收池装置经由管道相连，形成氮氧化物向硝酸铵转化的通道。
优选的，所述太阳能发电装置包括光伏太阳能板、蓄电池、脉冲发生器模块、百毫安直流电源模块、安培量级直流电源模块，所述光伏太阳能板连接蓄电池，所述脉冲发生器模块连接等离子体反应装置，所述百毫安直流电源模块连接等离子体反应装置，所述安培量级直流电源模块连接磁场控制装置。
优选的，所述磁场控制装置包括载流螺线管、圆环磁芯，所述载流螺线管一端连接安培量级直流电源模块，所述载流螺线管通电产生磁场，所述磁场控制装置为采取M×N形式阵列的多组，多组所述磁场控制装置之间经由导线联通。
优选的，所述等离子体反应装置包括钨棒电极、金属管电极、介质管、位移控制平台，所述金属管电极连接脉冲发生器模块、百毫安直流电源模块的正极，所述钨棒电极接地、并下端连接位移控制平台，所述位移控制平台用于调节钨棒电极位置，所述金属管电极置于介质管上端，与介质管贴合，所述介质管下方的两侧设有两个进气口，所述等离子体反应装置与磁场控制装置采取相同阵列形式，所述金属管电极的底部为放电区域，所述圆环磁芯置于介质管与载流螺线管之间。
优选的，所述氧化腔体装置包括氧化腔室、气泵、控制阀，所述气泵连接等离子体反应装置，所述控制阀设置在氧化腔体装置的进气端口和出气端口。
优选的，所述气体吸收池装置包括一级吸收池、二级吸收池、水泵，所述一级吸收池经由管道连接氧化腔体装置的出气口，将氧化后的氮氧化物溶入溶液中变成硝酸溶液，所述二级吸收池连接一级吸收池，接收一级吸收池中的硝酸溶液，硝酸溶液捕获二级吸收池中的游离态氨。
优选的，所述介质管为变径介质管，所述介质管靠近放电区域的一侧为空心的锥形，所述介质管的底部为空心的圆柱形。
优选的，所述等离子体反应装置中的上下电极采取棒-棒形式或管-棒形式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该磁控式空气等离子体制备氮肥系统，以空气作为原材料，通过结合磁场控制和变径空气流场有效地提高等离子体生成的氮氧化物产率；将农作物无法直接利用的空气中氮元素结合农肥中游离态氨生产出稳定易吸收的硝酸铵，有效改善了农肥性质；设备简易轻便，有利于农村地区大范围使用空气温等离子体进行自主固氮制肥；等离子体反应装置由太阳能作为供给电源，反应物绿色无污染，实现碳的“零排放”，契合绿色发展的新理念。
附图说明
图1为一种磁控式空气等离子体制备氮肥系统的系统示意图；
图2为一种磁控式空气等离子体制备氮肥系统的等离子体反应装置工作示意图。
图中：1、太阳能发电装置；2、磁场控制装置；3、等离子体反应装置；4、氧化腔体装置；5、气体吸收池装置；6、光伏太阳能板；7、蓄电池；8、脉冲发生器模块；9、百毫安直流电源模块；10、安培量级直流电源模块；11、载流螺线管；12、圆环磁芯；13、钨棒电极；14、金属管电极；15、介质管；16、位移控制平台；17、氧化腔室；18、气泵；19、控制阀；20、一级吸收池；21、二级吸收池；22、水泵；23、放电区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合图1，图2来对本发明的具体实施方式作进一步的阐述。本发明中，一种磁控式空气等离子体制备氮肥系统，包括太阳能发电装置1、磁场控制装置2、等离子体反应装置3、氧化腔体装置4和气体吸收池装置5，磁场控制装置2连接太阳能发电装置1，太阳能发电装置1为磁场控制装置2供给清洁电能，等离子体反应装置3高压端与太阳能发电装置1相连接，氧化腔体装置4进气口连接等离子体反应装置3，氧化腔体装置4出气口与气体吸收池装置5经由管道相连，形成氮氧化物向硝酸铵转化的通道；
太阳能发电装置1包括光伏太阳能板6、蓄电池7、脉冲发生器模块8、百毫安直流电源模块9、安培量级直流电源模块10，光伏太阳能板6连接蓄电池7，将太阳能转化成电能储存，作为磁控式空气等离子体制备氮肥系统的能量源；脉冲发生器模块8连接等离子体反应装置3，是放电等离子体的点火装置；百毫安直流电源模块9连接等离子体反应装置3，用于维持空气等离子体；安培量级直流电源模块10连接磁场控制装置2，用于产生及调节磁场。
磁场控制装置2包括载流螺线管11、圆环磁芯12，载流螺线管11一端连接安培量级直流电源模块10，通电载流螺线管11将产生磁场(磁场方向为竖直方向，由上至下或由下至上均可)，控制等离子体分布区域，增加与空气的作用面积；磁场控制装置2为采取M×N形式阵列的多组，多组磁场控制装置2之间经由导线联通。
等离子体反应装置3包括钨棒电极13、金属管电极14、介质管15、位移控制平台16，金属管电极14连接脉冲发生器模块8、百毫安直流电源模块9的正极，钨棒电极13下端连接位移控制平台16；金属管电极14置于介质管15上端，与介质管15贴合，作为高压端，其中钨棒电极13和金属管电极14正负极性可换；介质管15设有两个进气口，作为气体通道以及反应容器，介质管15下端采取圆柱形或锥形管口，其中锥形管口有利于空气涌入等离子体反应装置3的放电区域23；位移控制平台16可调节钨棒电极13位置，控制放电间距，位移控制平台16可以去除，不本质影响等离子体反应装置3正常运行，等离子体反应装置3与磁场控制装置2采取相同阵列形式，两者协同使用，金属管电极14的底部为放电区域23，圆环磁芯12置于介质管15与载流螺线管11之间，用于增强磁场强度。
等离子体反应装置3中的上下电极采取棒-棒形式或管-棒形式。
氧化腔体装置4包括氧化腔室17、气泵18、控制阀19，气泵18连接等离子体反应装置3，在接收空气温等离子体反应阵列装置3产生氮氧化物的同时促进系统中气体的流动；控制阀19设置在氧化腔体装置4的进气端口和出气端口，用于控制系统的气体流量。
气体吸收池装置5包括一级吸收池20、二级吸收池21、水泵22，一级吸收池20经由管道连接氧化腔体装置4的出气口，将氧化后的氮氧化物溶入溶液中变成硝酸溶液；二级吸收池21连接一级吸收池20，接收一级吸收池20中的硝酸溶液，硝酸溶液捕获二级吸收池21中的游离态氨，两者发生化学反应形成稳定的硝酸铵，将农作物无法直接利用的空气中氮元素转换成稳定易吸收的氮肥材料。
磁控式空气等离子体制备氮肥系统的工作方式说明如下：如图1，首先开启氧化腔体装置4和一级吸收池20之间的阀门，打开气泵18，使空气从介质管15两侧进气口吸入等离子体反应装置3，并向一级吸收池20方向流动，此时，开启等离子体反应装置3，生成富含一氧化氮的气体，进入氧化腔室17，在氧化腔室17中，一氧化氮与空气中的氧气充分反应，生成稳定的、易溶于水的二氧化氮，二氧化氮与空气的混合气体进入一级吸收池20，与其中的水反应，形成HNO3溶液，经与水反应之后，已不含氮氧化物的空气从一级吸收池20中排出，此时，打开一级吸收池20和二级吸收池21之间的阀门，水泵22，将一级吸收池20中的硝酸溶液抽取进入二级吸收池21，与其中富氨的农家肥反应，生成NH4NO3，最终，富含NH4NO3的农家肥从二级吸收池21中排出，即为高含氮量的氮肥。
特别地，本发明中，等离子体反应装置3工作方式作如下说明：如图1、2，在气泵18的作用下，空气从气体入口持续进入，光伏太阳能板6将太阳能转化为电能，储存于蓄电池7之中，经由脉冲发生器模块8转化高电压脉冲，施加于等离子体反应装置3中的金属管电极14或钨棒电极13之上，将空气击穿，在钨棒电极13与金属管电极14之间形成等离子体通道，此时，在百毫安直流电源模块9的作用下，钨棒电极13和金属管电极14之间的等离子体可稳定维持，并关闭脉冲发生器模块8，此时，经由安培量级直流电源模块10驱动载流螺线管11，在等离子体反应装置3轴向方向产生磁场，在磁场的作用下，钨棒电极13和金属管电极14之间的等离子体体积扩大，增大了与空气的作用体积，从而提高了氮氧化物的产率，降低了能耗，最终生成的氮氧化物气体沿金属管电极14方向流出等离子体反应装置3，进入氧化腔室17。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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