[发明专利]一种等离子体发生装置及其应用

说明书

本发明公开了一种等离子体发生装置及其应用，发生装置包括喷射管，以及设置在喷射管中的高压电极和低压电极；所述喷射管的一端设置有旋风轮，所述旋风轮将流经旋风轮的气体变成螺旋气流，螺旋气流依次经过高压电极、低压电极；所述喷射管的另一端设置有排出口；所述低压电极成螺旋状，所述旋风轮的偏向角与螺旋状低压电极的偏向角相同或相当。在高压电极与螺旋钛丝之间产生放电弧，空气通过与旋风轮形成螺旋气流进入喷射管内，螺旋气流推动电弧产生螺旋状的放电等离子体炬，激发空气电离产生含氮氧化物的等离子体空气肥料，解决了工业制肥中高能耗、高污染及施肥利用率低等问题，工艺过程简单，操作方便。

技术领域

本发明涉及一种等离子体发生装置，尤其涉及了一种新型的利用低温等离子体放电，产生螺旋等离子体炬制取空气肥料的装置，通过高压放电将空气中的氮气电离形成含氮等离子体基团，制备空气肥料，属于等离子体设备技术领域。

背景技术

将空气中游离态的氮气转化为可被动植物利用的含氮化合物的过程称为固氮。固氮可分为天然固氮和人工固氮。天然固氮包括雷电固氮、固氮菌生物固氮两种主要形式。1901年法国化学家勒夏特例最先研究氢气和氮气在高压下直接合成氨的反应，开创了高压合成氨的先例。后来德国的物理学家、化工专家哈伯与他的学生研究出一种高温高压催化法合成氨。1985年全国污染源调查数据，大型合成氨厂吨氨产品平均废水排放量为11.1吨，中型厂为217.24吨，小型厂为249.4吨。废水种类复杂，对环境污染严重。氨生产过程还会产生硫化物、一氧化碳、二氧化碳及各种含尘气体。此外，裸露的高温设备及管道对周围环境造成的热辐射污染也尤为严重。随着世界人口的增长和农业的发展，人类对氮肥的需要量愈来愈大，而工业合成氨需在高温高压条件下进行，造成严重的能源浪费。此外，关于生物固氮的研究虽然有了一定的成果，但大多数研究尚处于理论阶段，未能应用于实际农业生产中。大多数农作物对氮素的需求仍然需要氮肥来解决，一定程度上还依赖于化学工业。因此常温常压条件下研究氮气的固定技术具有非常重要的意义。

等离子体被称作除固态、液态和气态之外的第4种物质存在形态，是由电子、离子、自由基和中性粒子组成的导电性气体，整体保持电中性。等离子体具有特殊的化学反应活性，表现出与其他物质状态不同的特异性能，被称之为物质的第四态。产生等离子体有多种方式，常见的有大气压下的介质阻挡放电和辉光放电、电晕放电、直流辉光放电、强电离气体放电、热致电离放电等。等离子体合成氨这一技术很早就有过报道。1986年日本Saitama大学的KazuoSugiyama等人介绍了常温下辉光放电使用MgO、CaO、A1₂O₃、WO₃、NaCl、SiO₂-A1₂O₃等催化剂合成氨的研究，但文中并没有具体阐述合成氨的浓度大小。日本东京AoyamaGakuin大学的Shigeyuki Thnaka等人介绍了利用射频和微波等离子体，将N₂、H₂解离、激发，在铁丝线圈的催化作用下结合生成NH₃的研究。然而直接利用空气中的氮气生成含氮氧化物的等离子体的报道鲜而有之。利用放电等离子体技术实现固氮制造气态肥料，此过程利用以空气作为主要基本原料，反应过程无需辅以高温、高压催化剂，是一种具有潜力的绿色固氮新技术。目前，关于此技术的系统研究较少，固氮转化效率有待于进一步提高。

申请号为201510708539.7的发明专利申请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，包括：放电单元，用于形成滑动弧以生成等离子体激发空气产生NOx活性基团；和，固氮单元，用于将来自所述放电单元的包含Nox活性基团的空气与水进行混合以形成液态氮肥；放电单元包括反应罩、绝缘隔离板、高压电源和至少两个刀型分叉电极，利用两个刀型分叉电极通电后产生滑动弧，实现空气电离。该申请采用两个平行放置的刀型分叉电极，产生的放电弧移动路径短，很快消失，使得空气无法得到有效电离，在获得同等固氮效果的情况下，电能消耗大，效率低下，不能产生远程等离子体，不能产生大尺度空间的等离子体，气体收集困难，气体密封输送困难。

发明内容