一种提高氮肥产率的气液两相放电装置

1.本发明涉及氮肥技术领域，特别是涉及一种提高氮肥产率的气液两相放电装置。


背景技术：

2.氮元素在作物生长的过程中起重要作用，不仅是植物体内构成蛋白质的氨基酸的组成部分，还是植物进行光合作用的叶绿素的构成成分，是影响植物生长的关键性因素，然而自然界中植物无法直接利用游离态的氮，因此必须将游离态的氮转化为植物可吸收的硝酸盐或铵盐，植物吸收氮肥不仅能提高农产品的产量，还能改善农作物的营养价值。这种将游离态的氮转化为含氮化合物的过程称为氮的固定，简称固氮。
3.目前的氮固定主要为天然固氮与工业固氮，而天然固氮生成的氮肥远远不能满足植物生长的需要，经过近百年的发展，现在的工业固氮技术已经非常成熟，但其仍然具有高能耗、高污染等问题。但利用低温等离子体固氮，只需要提供含氮气体和电能的供应，便可稳定固氮，反应过程无需辅以高温、高压等条件，并且无温室气体的排放，是一种具有潜力的绿色固氮新技术。
4.低温等离子在非平衡态下，利用高能电子碰撞氮气、氧气分子到振动激发态，进而实现氮气和氧气的振动解离，反应活性高的氮氧原子会与振动激发态氧气氮气分子进行反应，从而实现氮氮三键的打破，生成具有反应活性的、可被生物利用的含氮化合物。
5.在众多低温等离子体非平衡放电形式中，介质阻挡放电装置简单，易实现大规模工业应用，在等离子体固氮领域得到广泛的应用，但传统的介质阻挡放电装置存在放电均匀性差、能耗高等问题，放电均匀性差会降低对氮分子的转化能力，进而导致氮肥产率低的问题，因此，迫切需要对传统的介质阻挡放电装置进行改进，提供一种能够实现大面积放电、提高氮肥产率、操作简单、运行费用低、固氮效率高的固氮装置。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，固氮效率高，实现了氮肥的高效产生，绿色环保，反应条件简单，成本较低。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，包括放电机构、气相循环机构和液相循环机构；其中放电机构包括液体容器、绝缘盖板、介质阻挡层、高压电极、接地电极和高压电源；液体容器内盛装有待产生氮肥的水溶液，接地电极设置在水溶液中并位于液体容器的底部，绝缘盖板扣合在液体容器的上侧，绝缘盖板的上侧中部设有凹槽，凹槽通过通孔一与液体容器相通，凹槽内设有介质阻挡层，介质阻挡层与水溶液液面间设有放电间隙，高压电极紧贴在介质阻挡层的上侧，高压电极为金属网条状，高压电极通过高压电缆与高压电源连接；气相循环机构包括外丝接头一、外丝接头二、气泵、进气管道，外丝接头一和外丝接头二对称设置在绝缘盖板的两侧并贯穿绝缘盖板与液体容器内部相通，外丝接头一与进
气管道的一端连接，进气管道的另一端与气泵连接，外丝接头二与大气连通或与气体处理设备连通；液相循环机构包括出水管、水循环装置和进水管，水循环装置的两侧分别通过出水管和进水管与液体容器连接。
8.优选的，液体容器与介质阻挡层均为石英材质，介质阻挡层的厚度为2mm，介质阻挡层的上侧还设有用于固定高压电极的石英压片。
9.优选的，绝缘盖板为聚四氟乙烯盖板，聚四氟乙烯盖板的直径大于液体容器的直径。
10.优选的，通孔一的直径尺寸小于凹槽的直径尺寸，介质阻挡层的直径尺寸大于通孔一的直径，高压电极的直径尺寸小于等于通孔一的直径。
11.优选的，通孔一的直径小于介质阻挡层直径10mm以上，通孔一的高度大于等于2mm。
12.优选的，介质阻挡层与水溶液液面的距离小于等于5mm，放电间隙内的气体为空气。
13.优选的，高压电极的金属网条结构为并联结构。
14.优选的，进气管道上设有气体流量计，进水管上设有水流量计。
15.本发明的原理：利用介质阻挡方式，以水作为地电极、多个金属网条并联为高压电极实现大面积放电，能够将空气中稳定的氮分子氧化固氮为植物能吸收的活性氮氧化合物，有利于植物的生长。本发明的固氮装置将水作为一个地电极，中间用石英作为阻挡介质，在高压电极和地电极之间通高压电，通过电压和频率的调节，得到稳定的大面积放电通道，放电产生大量的活性物质，例如电子、羟基、自由基、激发态粒子等，发生电子碰撞激发、解离及电离等反应过程，产生氮原子与氧原子，之后氮原子与氧原子化合形成氮氧化物，形成的气相氮氧化物会迅速溶于水形成活性水溶液，形成含、等成分的等离子体活性水，实现等离子体高效固氮，提高氮肥产率。
16.本发明的有益效果：（1）本发明放电间隙中的气体为空气，不需要额外提供氮源便可进行固氮，同时仅需高压电源提供能量，不需要额外使用其他形式的能量，生产氮肥过程中不排放二氧化碳等温室气体，对环境友好。
17.（2）本发明金属网条状高压电极为并联电极，可实现一个电极或多个电极放电，易实现稳定大面积放电，提高放电效率，进而增加固氮能力。
18.（3）本发明以水作为地电极，水的比热容较大，同时利用水循环装置进行水的循环，增强散热效果，在装置工作时温度上升较慢，有利于放电的稳定。
19.（4）本发明实现了等离子体与水的直接相互作用，将空气放电产生的氮氧化物直接作用于水形成等离子体活化水，不仅能为植物生长提供营养，而且还具有一定的杀菌作用；这种直接作用方式避免了采用导气管将气体运输到水溶液过程中被部分活性粒子重新还原的问题，因而具有更高的固氮效率，提高了氮肥的产率。
20.（5）本发明装置原理清晰，反应条件易实现，重复性和操作性好，为更好研究新型
固氮方式提供了借鉴。
21.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
22.图1是本发明一种提高氮肥产率的气液两相放电装置实施例的示意图；图2是本发明一种提高氮肥产率的气液两相放电装置高压电极的示意图；图3是本发明一种提高氮肥产率的气液两相放电装置的工作流程图。
23.附图标记：1、液体容器；2、绝缘盖板；3、介质阻挡层；4、高压电极；5、接地电极；6、高压电源；7、凹槽；8、通孔一；9、石英压片；10、通孔二；11、外丝接头一；12、外丝接头二；13、气泵；14、进气管道；15、气体流量计；16、出水管；17、水循环装置；18、进水管；19、水流量计。
具体实施方式
24.下面结合实施例，对本发明进一步描述。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明提到的上述特征或具体实例提到的特征可以任意组合，这些具体实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
25.实施例请参阅图1至图3，本发明提供了一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，包括放电机构、气相循环机构和液相循环机构；放电机构的绝缘盖板2与气体循环机构连通，实现装置内气体的流通，放电机构的液体容器1与液相循环机构连通，实现装置的水循环。
26.其中放电机构包括液体容器1、绝缘盖板2、介质阻挡层3、高压电极4、接地电极5和高压电源6；液体容器1内盛装有待产生氮肥的水溶液，水溶液液面的上方为气路部分，液面的下方为水路部分，气路部分提供固氮的原料空气并在这一部分会形成大面积放电区域，产生低温等离子体。接地电极5设置在水溶液中并位于液体容器1的底部，水溶液导通作为地电极。
27.绝缘盖板2扣合在液体容器1的上侧，绝缘盖板2为聚四氟乙烯盖板，聚四氟乙烯盖板的直径大于液体容器1的直径。绝缘盖板2的上侧中部设有凹槽7，凹槽7通过通孔一8与液体容器1相通，通孔一8的直径尺寸小于凹槽7的直径尺寸，凹槽7内设有介质阻挡层3，凹槽7与介质阻挡层3均为100mm的圆形。介质阻挡层3与水溶液液面的距离小于等于5mm，介质阻挡层3与水溶液液面间设有放电间隙，即放电区域，放电间隙内的气体为空气。
28.液体容器1与介质阻挡层3均为石英材质，介质阻挡层3的厚度为2mm，介质阻挡层3的直径尺寸大于通孔一8的直径，通孔一8的直径小于介质阻挡层3直径10mm以上，保证介质阻挡层3能够稳定的固定在凹槽7内。
29.高压电极4紧贴在介质阻挡层3的上侧，介质阻挡层3的上侧还设有用于固定高压电极4的石英压片9，即高压电极4位于石英压片9与介质阻挡层3中间，利用石英压片9保证金属网条状高压电极4保持平整，石英压片9中心设有直径为10mm的通孔二10，通孔二10内穿设有高压电缆，高压电极4通过高压电缆与高压电源6连接，易实现大面积稳定放电。
30.高压电极4为金属网条状，高压电极4的金属网条结构为并联结构，可以通过增减
金属网电极的条数来实现单电极、三电极甚至更多电极的介质阻挡放电。不同金属网条状电极通过并联连接，接地的水电极与每个金属网条状电极间对应的区域会形成局域强电场，与整体片状电极相比，采用条状多电极放电，放电会更均匀稳定。高压电极4的直径尺寸小于等于通孔一8的直径，通孔一8的高度大于等于2mm，避免放电将聚四氟乙烯击穿或避免短路。
31.气相循环机构包括外丝接头一11、外丝接头二12、气泵13、进气管道14，外丝接头一11和外丝接头二12对称设置在绝缘盖板2的两侧并贯穿绝缘盖板2与液体容器1内部相通，外丝接头一11与进气管道14的一端连接，进气管道14的另一端与气泵13连接，通过气泵13实现该装置原料气体的供应，供应的气体为空气。外丝接头二12与大气连通或与气体处理设备连通，作为出气口。通过外丝接头一11和外丝接头二12可以实现进出气管道良好的气密性。两个外丝接头的材质均为不锈钢，通过m8螺纹与绝缘盖板2旋合，绝缘盖板为绝缘四氟板，保证了装置的紧固性。
32.进气管道14上设有气体流量计15，通过气体流量计15便于控制气体的流速，从而保证气路部分的气体流速不宜过大，进而保证了水电极液面稳定。即通过设置气体流量便于根据现实工况调控气体流速大小并实现实时监测。
33.液相循环机构包括出水管16、水循环装置17和进水管18，水循环装置17的两侧分别通过出水管16和进水管18与液体容器1底部的支管连接。液体容器1中的水通过出水管16一端连通到水循环装置17，水循环装置17再将水通过进水管18再注入到液体容器1中，实现水的循环。进水管18与出水管16材质均为pvc透明软管，进水管18与出水管16均通过转接头与支管相连。
34.进水管18上设有水流量计19，在工作过程中，液体容器1出水是利用水位高度差使其自然外排，因此水循环装置17所处位置低于液体容器1的出水口，水流量计19与进水管18相连，在高度差不变的情况下，可以通过调节水流量计19保持出水速度与进水速度持平，从而保证水溶液液面的稳定，水流量计19与气体流量计15相互配合调节实现介质与水溶液液面间放电间隙的稳定。采用液相循环机构不仅能节约水，同时还能减慢温度上升，有利于放电的稳定。
35.具体的工作过程先向液体容器1中注入待产生氮肥的水溶液，打开水循环装置17和水流量计19，使液体容器1内的水通过水循环装置17开始循环，保证液体容器1中的液面稳定后，再打开气泵13和气体流量计15，向液体容器1的放电间隙内注入空气，调节气体流量不要过大，使气流稳定后，打开高压电源6，在两个电极间施加高压开始放电。在反应结束后要先断开高压电源6、气泵13，然后再将液体容器1中的水溶液完全排出。要注意水路、气路以及电源的开关顺序。
36.因此，本发明提供的一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，实现了一种新型的低温等离子体固氮方式，摆脱了现有固氮方式高污染、低产量、高能耗的特点，通过施加高压在气体间隙放电产生的等离子体直接与水溶液接触并互相作用，形成含硝酸根、亚硝酸根的活性水溶液，实现氮肥的高效产生，该活性水溶液经处理可用作液体肥料，应用于农作物培养，并因含有少量臭氧、过氧化氢、羟基自由基等活性粒子，其同时具有一定的杀菌作用，可以促进植物生长。
37.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，其特征在于：包括放电机构、气相循环机构和液相循环机构；其中放电机构包括液体容器、绝缘盖板、介质阻挡层、高压电极、接地电极和高压电源；液体容器内盛装有待产生氮肥的水溶液，接地电极设置在水溶液中并位于液体容器的底部，绝缘盖板扣合在液体容器的上侧，绝缘盖板的上侧中部设有凹槽，凹槽通过通孔一与液体容器相通，凹槽内设有介质阻挡层，介质阻挡层与水溶液液面间设有放电间隙，高压电极紧贴在介质阻挡层的上侧，高压电极为金属网条状，高压电极通过高压电缆与高压电源连接；气相循环机构包括外丝接头一、外丝接头二、气泵、进气管道，外丝接头一和外丝接头二对称设置在绝缘盖板的两侧并贯穿绝缘盖板与液体容器内部相通，外丝接头一与进气管道的一端连接，进气管道的另一端与气泵连接，外丝接头二与大气连通或与气体处理设备连通；液相循环机构包括出水管、水循环装置和进水管，水循环装置的两侧分别通过出水管和进水管与液体容器连接。2.根据权利要求1所述的一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，其特征在于：液体容器与介质阻挡层均为石英材质，介质阻挡层的厚度为2mm，介质阻挡层的上侧还设有用于固定高压电极的石英压片。3.根据权利要求1所述的一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，其特征在于：绝缘盖板为聚四氟乙烯盖板，聚四氟乙烯盖板的直径大于液体容器的直径。4.根据权利要求1所述的一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，其特征在于：通孔一的直径尺寸小于凹槽的直径尺寸，介质阻挡层的直径尺寸大于通孔一的直径，高压电极的直径尺寸小于等于通孔一的直径。5.根据权利要求4所述的一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，其特征在于：通孔一的直径小于介质阻挡层直径10mm以上，通孔一的高度大于等于2mm。6.根据权利要求1所述的一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，其特征在于：介质阻挡层与水溶液液面的距离小于等于5mm，放电间隙内的气体为空气。7.根据权利要求1所述的一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，其特征在于：高压电极的金属网条结构为并联结构。8.根据权利要求1所述的一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，其特征在于：进气管道上设有气体流量计，进水管上设有水流量计。

技术总结
本发明涉及氮肥技术领域，特别涉及一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，包括放电机构、气相循环机构和液相循环机构；其中放电机构包括液体容器、绝缘盖板、介质阻挡层、高压电极、接地电极和高压电源；液体容器内盛装有待产生氮肥的水溶液，接地电极设置在水溶液中并位于液体容器的底部，绝缘盖板扣合在液体容器的上侧，绝缘盖板的上侧中部设有凹槽，凹槽内设有介质阻挡层，介质阻挡层与水溶液液面间设有放电间隙，高压电极紧贴在介质阻挡层的上侧，高压电极为多个并联金属网条状电极。本发明采用上述一种提高氮肥产率的气液两相放电装置，固氮效率高，实现了氮肥的高效产生，绿色环保，反应条件简单，成本较低。成本较低。成本较低。


技术研发人员：孙素蓉 万文栋 王超 王海兴 黄永琪
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.08.09
技术公布日：2023/9/9