[发明专利]一种旋转电极拖拽电弧固氮装置及固氮方法

说明书

本发明涉及一种旋转电极拖拽电弧固氮装置及固氮方法，上述固氮装置包括反应器，反应器的上、下底座上设有导气孔；旋转轴，旋转轴可旋转的安装于反应器内，旋转轴上沿轴向方向上、下间隔安装有多个地电极组；多个高压电极组，高压电极组沿反应器轴向方向上、下间隔设置，高压电极组包括多个高压电极，高压电极沿地电极环向方向安装于反应器内壁上，上下相邻高压电极上安装有起弧针；以及高压电源，每一高压电极通过对应限流电阻电连接于高压电源上。本发明利用高压电极中地电极的旋转使得在极短间隙内地电极与高压电极间放电击穿进而通过拖拽产生大体积等离子体，流经等离子体的反应性气体在等离子体作用下生成氮氧化物气体实现固氮。

技术领域

本发明涉及等离子体固氮技术领域，尤其涉及一种旋转电极拖拽电弧固氮装置及固氮方法。

背景技术

氮气是大气中含量最丰富的气体，但由于其分子结构十分稳定(N≡N，键能948KJ/mol)难以被大多数生物直接吸收利用，因此需要将分子氮转换成可以被吸收的活性氮，这一过程就是固氮。目前，工业常用的固氮方法为哈伯制氨法，经过一百多年的发展哈伯法制氨的能耗(约0.42MJ/mol)已接近其反应热力学极限(0.34MJ/mol)，该方法解决了全世界40％的人口的粮食问题。然而哈伯法工艺条件苛刻，需要高温高压与催化的反应环境。同时该过程还严重依赖化石燃料，每年哈伯制氨法向全球排放超过4亿吨的二氧化碳，哈伯法工艺引发的环境问题日益凸显。因此，寻找一种更加绿色、环保、高效的固氮方法是目前固氮领域的迫切需求。

等离子固氮技术是近年来人们十分关注的一种新型固氮方法，其原理是利用等离子体内的高能电子以及激发态粒子等直接将分子氮转化为活性氮，被认为是一种极具潜力的固氮技术。现有的等离子固氮技术主要方法有介质阻挡放电法、滑动弧法、微波等离子体法等，这些固氮方法虽然已经取得了初步的成果，但总体上各方法的固氮能耗仍较高，难以替代或补充哈伯制氨法固氮。对于介质阻挡放电法，虽然其便于使用催化剂提升固氮效果，但该方法中氮氧化物的产率很低，不能满足实际生产需要；滑动弧法通常是利用刀片模型滑动弧固氮，该方法利用高速气流、或外加磁场及改变进气角度等可以实现较低能耗的固氮，但该方法主要利用的是高速气流吹弧，这导致氮氧化物的产率也处在一个较低的水平范围；目前等离子固氮方法中固氮能耗较低的是微波放电法，但该方法在实现最低能耗时需要较低气压，导致该方法需要承担真空系统能耗，同时对设备的真空性能提出较高要求，使该方法在实际应用时仍面临诸多问题。

发明内容

针对上述问题，现提供一种旋转电极拖拽电弧固氮装置及固氮方法，以解决现有技术中固氮过程能耗高、转化率低、结构复杂、需要强气流推动等问题。

上述方案的有益效果是：

1)本发明利用高压电极中地电极的旋转使得在极短间隙内地电极与高压电极间放电击穿进而通过拖拽产生大体积等离子体(等离子体在地电极拖拽作用下在高压电极上连续发展)，减少产生等离子体的能耗的同时增大等离子体与反应气体的有效接触面积，流经等离子体的反应性气体在等离子体作用下生成氮氧化物气体实现固氮，该装置具有结构简单、转化率高、可模块化、即停即用、与波动性强的绿色电力能源良好兼容等特点；

2)本发明中上下间隔设置的高压电极及地电极可形成多级等离子体，反应气体从上之下流动过程中可在多级等离子体作用下实现多次处理，从而大大提高装置的固氮转化率；同时，多级等离子体下上一级放电产生的长寿命放电活性粒子可在气流作用下参与下一级放电合成反应，有利于降低固氮合成能耗；

3)本发明中地电极的旋转运动还可避免地电极温度过高、延长反应器的寿命；同时，地电极的高速旋转还可避免电弧温度过高，从而有利于氮氧化物生成。

附图说明

图1为本发明的实施例中提供的固氮装置的结构示意图；

图2为本发明的实施例中提供的固氮装置的俯视结构示意图(以双叶片地电极，两片高压电极为例)；

图3为处理前、后气体组分的红外检测图。