技术特征：
1.一种基于等离子体活化和化学链相耦合的常压制氨装置，其特征在于，该装置包括反应器、供给系统和电源；所述反应器包括等离子体射流反应器、吸氮反应器、释氮反应器和水电解制氢反应器；所述等离子体射流反应器中包括高压电极和接地电极，形成等离子体放电区域，脉动射流等离子体反应器和吸氮反应器连接，用于将氮气活化并送入到吸氮反应器与载氮体进行反应；吸氮反应器顶部通过管路连通旋风分离器，旋风分离器载氮体输出口通过管路与释氮反应器相连，且释氮反应器下部和吸氮反应器之间还安装有回料管道，用于回流被氢气还原的载氮体；水电解制氢反应器通过单级分离器和释氮反应器连接；所述供给系统连接有流量控制装置，所述供给系统包括水蒸气供给系统和氮气供给系统，所述水蒸气供给系统与电解池反应器相连，用于为水电解反应供给水蒸气；所述氮气供给系统与等离子体射流反应器相连，用于供给氮气；所述电源包括离子体电源和水电解制氢电源；所述等离子体电源用于为等离子体射流反应器中高压电极供电；所述水电解制氢电源以无法并网的新能源发电方式为来源，用于为水电解制氢反应器中的电化学析氢反应供电，最终完成以载氮体的储放氮为核心，耦合等离子体技术以达到在常压条件下制取氨气。2.根据权利要求1所述的基于等离子体活化和化学链相耦合的常压制氨装置，其特征在于，所述反应器连接有温度监测装置。3.根据权利要求1所述的基于等离子体活化和化学链相耦合的常压制氨装置，其特征在于，所述水蒸气供给系统包括水泵、水蒸气产生装置和水蒸气进气阀门，所述水泵用于向水蒸气产生装置供水，产生的水蒸气通过水蒸气进气阀和水蒸气进气管进入水电解制氢反应器。4.根据权利要求1所述的基于等离子体活化和化学链相耦合的常压制氨装置，其特征在于，所述氮气供给系统包括氮气瓶、质量流量控制器和氮气阀门，所述氮气瓶用于存储氮气，所述质量流量控制器和氮气阀门用于控制氮气的流量。5.根据权利要求1所述的基于等离子体活化和化学链相耦合的常压制氨装置，其特征在于，所述脉动射流等离子体反应器包括外电极、内电极、n2风入口、底座、回料管、石英罩和布风板；所述外电极为中空柱状结构，固定在底座上，连接等离子体电源的低压端；所述内电极置于外电极中空结构中下位置，由下部圆柱体和上部圆台一体形成，内电极的底部固定在底座上，并通过穿过底座的电极引片连接等离子体电源的高压端；所述内电极外壁和外电极内壁平行；所述外电极的壁面开有两路相同高度的n2风入口，两路n2风入口对冲切向进气，使得通入的n2在内电极和外电极的间隙中形成螺旋上升的气流。6.根据权利要求5所述的基于等离子体活化和化学链相耦合的常压制氨装置，其特征在于，所述吸氮反应器包括：回料管、石英罩和布风板；所述石英罩固定在外电极顶部，安装有温度控制装置；所述布风板横向固定在石英罩底部的内壁上；所述石英罩的顶部通过管路连通旋风分离器，旋风分离器载氮体输出口通过管路与释氮反应器相连，被氢气还原到初始状态的载氮体通过释氮反应器回料管路连通
石英罩的回料口。7.根据权利要求6所述的基于等离子体活化和化学链相耦合的常压制氨装置，其特征在于，所述载氮体为金属载氮体，用于匹配脉动射流等离子体反应器温度，将脉动射流等离子体反应器下游热量作为吸氮反应区热源，以fe和有多种价态氮化物的mn作为载氮体，在700℃-900℃发生固氮反应。8.根据权利要求1所述的基于等离子体活化和化学链相耦合的常压制氨装置，其特征在于，水电解制氢电源为直流电源装置，其中，负极线一端与电解池析氢极相连，另一端与直流电源负极相连；正极线一端与电解池析氧极相连，另一端与直流电源正极相连。9.根据权利要求1所述的基于等离子体活化和化学链相耦合的常压制氨装置，其特征在于，水电解制氢反应器为固体聚合物电解池反应室或固体氧化物电解池反应室。10.一种利用权利要求1-9任一项所述装置进行的基于等离子体活化和化学链相耦合的常压制氨方法，其特征在于，该方法包括：步骤1、安装和连接等离子体射流与化学链耦合制氨的装置；步骤2、打开氮气阀门将氮气通入等离子体射流反应器中，排出系统和管路中的杂质气体；等离子体射流反应器底部对冲切向通入n2形成螺旋上升气流，步骤3、开启温度控制装置并保持在预设温度；将等离子体射流反应器下游热量和加热炉罩作为吸氮反应热源，通过温控仪控制吸氮反应室的温度，并实时监测温度数值；步骤4、接通等离子体电源和水电解制氢装置电源，外电极和内电极连接脉动直流高压电源，在高压的驱动下在内外电极间形成n2放电电弧，放电电弧在螺旋气流的驱动下，经过布风板后形成多个等离子体微射流喷入石英罩的吸氮反应区内和载氮体进行反应；打开水蒸气进气阀门将水蒸气通过水蒸气进气管注入固体聚合物电解池反应器或固体氧化物电解池反应室；水蒸气在电解池中电解产生氢气和氧气，经单级分离器后将氧气排出，氢气经离心泵加压后，通过输送管进入释氮反应器，中产生的氢气经单级分离器后，通过输气管路进入释氮反应器；在吸氮反应器内完成吸氮反应的载氮体通过管路进入旋风分离器，完成载氮体与氮气的分离，分离后的载氮体进入释氮反应器内与通过输气管路进入反应室的氢气接触并发生吸氢释氮反应，生成氨气，同时将载氮体还原成初始状态后通过回料管道返回吸氮反应器内进行循环。
技术总结
本发明公开了一种基于等离子体活化和化学链相耦合的常压制氨装置及方法，首先将N2通入并驱动等离子体反应器，形成等离子体射流反应区，惰性的N2经等离子体活化作用形成以振动激发态为主的高活性氮分子。等离子体高速射流驱动载氮体形成流态化反应区，发生高效吸氮反应，通过旋风分离器实现气/固分离，载氮体进而进入释氮反应器中与电解出的氢气发生释氮反应，产生高纯度氨气。完成释氮反应后，载氮体回到氮气等离子体射流区进行吸氮反应。本发明采用等离子体实现N2的常压高效活化，借助化学链制氨反应能垒低，副产物小以及载氮体在吸氮、释氮反应区间的循环的特点，利用多级反应实现N2和水高效制取高纯度氨气。和水高效制取高纯度氨气。和水高效制取高纯度氨气。
技术研发人员：张浩 程思哲 隆颜徽 张奕麟 王君 黄群星 李晓东 严建华
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.12.01
技术公布日：2023/3/21