基于多通道滑动弧的等离子体固氮装置

本发明涉及一种等离子体固氮装置，尤其是基于多通道滑动弧的等离子体固氮装置。

背景技术：

1、固氮通常被理解为通过氧化还原反应等方式将氮气分子转化为氮的化合物(如氨、氮氧化物、硝酸盐等)，在工业和农业应用中起着至关重要的作用。目前，haber-bosch工艺是固氮的主要手段，满足了全球极大部分的化肥需求。但由于氮气分子的化学惰性和稳定性，haber-bosch工艺需要在高温高压的苛刻条件下进行，需要消耗大量的化石能源，排放大量的co2，并产生难以回收的含氨废水，造成严重的环境影响。因此，亟需寻找新型的固氮技术。

2、针对新型的固氮技术，等离子体固氮以工艺条件温和、可与新能源集成、适合分布式建设等优势脱颖而出。国内外已经提出了多种等离子体固氮方法，包括介质阻挡放电、辉光放电、火花放电等。但这些方法都面临nox产量低、能耗高的问题，尚不能应用于实际生产。微波放电等离子体固氮能够在较低的能耗水平产生高浓度的nox，但其装置结构复杂、对电源要求高，建设成本巨大。近年来，滑动弧等离子体固氮备受国内外学者的关注。滑动弧等离子体的发生装置简单、能量密度高，能够产生大量的高能电子和激发态分子，且宏观温度不高，有望应用于工业生产。

3、滑动弧等离子体固氮技术应用于实际生产时，nox的绝对产量至关重要，这与经济效益密切相关。现阶段，单个滑动弧装置的nox产量和能耗可以达到可观的水平，并可以通过旋转滑动、磁场调控等方式进一步提升产量。但单个装置的产量是有限的，其功率放大又存在理论限制，所以，产量的提升需要考虑多个装置的共同运行。若每个装置单独配置一个电源又会极大地增加建设成本。因此，需要提出一种大规模提高产量、适用于实际工业生产的滑动弧等离子体固氮技术。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于多通道滑动弧的等离子体固氮装置，该装置能够在尽可能降低建设成本的前提下大幅提升nox的产量，具有高产量、低能耗、装置结构简单、易于调控等特点，以实现滑动弧等离子体固氮技术在实际工业生产中的应用。

2、为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

3、基于多通道滑动弧的等离子体固氮装置，包括滑动弧等离子体发生装置和空气流量调控装置；滑动弧等离子体发生装置用于产生具有高能量密度和高活性粒子浓度的滑动弧等离子体，处理流经电极间的空气，生产nox；空气流量调控装置用于给滑动弧等离子体发生装置提供空气并调控空气流量；所述滑动弧等离子体发生装置包括多个滑动弧装置和交流电源；滑动弧装置由滑动弧装置外壳和置于滑动弧装置外壳内的两个刀片状电极组成，多个滑动弧装置按照电路原理串联连接形成多通道滑动弧；交流电源输出高频高压交流用于激励等离子体，其高压输出端和接地端分别与串联后的滑动弧装置的高压端和接地端相连。

4、所述空气流量调控装置包括空气压缩机、质量流量计和多管路分配器；空气压缩机的出气口通过气管连接质量流量计的进气口，质量流量计的出气口通过气管与多管路分配器的进气口相连，而多管路分配器的出气口通过气管与滑动弧装置的进气口相连，多管路分配器的出气口的数量与滑动弧装置的个数相同。

5、所述高能量密度和高活性粒子浓度的滑动弧等离子体的能量密度为不低于200w/cm2，活性粒子浓度为不低于5000ppm。

6、所述滑动弧装置有5个，滑动弧装置外壳由石英玻璃制成，两个刀片状电极由铜钨合金制成。

7、所述交流电源额定功率500w，输出电压15kv。

8、空气压缩机出气流量为40l/min，质量流量计的流量控制范围为0-40l/min，多管路分配器的出气口数量为5。

9、和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

10、通过装置串联的方式实现了多个滑动弧装置在单个电源激励下的多通道运行，一方面多通道滑动弧共同运行实现了高通量nox的产生，提升了滑动弧等离子体固氮的产量，降低了生产能耗，另一方面单个电源的激励方式减少了电源的数量需求，降低了系统的复杂性，节省了相应的建设和运维成本。

技术特征：

1.基于多通道滑动弧的等离子体固氮装置，其特征在于：包括滑动弧等离子体发生装置和空气流量调控装置；滑动弧等离子体发生装置用于产生具有高能量密度和高活性粒子浓度的滑动弧等离子体，处理流经电极间的空气，生产nox；空气流量调控装置用于给滑动弧等离子体发生装置提供空气并调控空气流量；所述滑动弧等离子体发生装置包括多个滑动弧装置和交流电源；滑动弧装置由滑动弧装置外壳和置于滑动弧装置外壳内的两个刀片状电极组成，多个滑动弧装置按照电路原理串联连接形成多通道滑动弧；交流电源输出高频高压交流用于激励等离子体，其高压输出端和接地端分别与串联后的滑动弧装置的高压端和接地端相连。

2.根据权利要求1所述的基于多通道滑动弧的等离子体固氮装置，其特征在于：所述空气流量调控装置包括空气压缩机、质量流量计和多管路分配器；空气压缩机的出气口通过气管连接质量流量计的进气口，质量流量计的出气口通过气管与多管路分配器的进气口相连，而多管路分配器的出气口通过气管与滑动弧装置的进气口相连，多管路分配器的出气口的数量与滑动弧装置的个数相同。

3.根据权利要求1所述的的基于多通道滑动弧的等离子体固氮装置，其特征在于：所述高能量密度和高活性粒子浓度的滑动弧等离子体的能量密度为不低于200w/cm2，活性粒子浓度为不低于5000ppm。

4.根据权利要求1所述的的基于多通道滑动弧的等离子体固氮装置，其特征在于：所述滑动弧装置有5个，滑动弧装置外壳由石英玻璃制成，两个刀片状电极由铜钨合金制成。

5.根据权利要求1所述的基于多通道滑动弧的等离子体固氮装置，其特征在于：所述交流电源额定功率500w，输出电压15kv。

6.根据权利要求2所述的基于多通道滑动弧的等离子体固氮装置，其特征在于：空气压缩机出气流量为40l/min，质量流量计的流量控制范围为0-40l/min，多管路分配器的出气口数量为5个。

技术总结
本发明公开了一种基于多通道滑动弧的等离子体固氮装置，包括滑动弧等离子体发生装置和空气流量调控装置。实际使用时，多个滑动弧装置依次串联，在同一个交流电源下同步工作，实现了多通道滑动弧串联运行。交流电源在滑动弧装置的两个刀片状电极间产生电场，空气压缩机抽取的空气经质量流量计调控、多管路分配器分配，流经滑动弧装置，在电场和气流的共同作用下产生高能量密度和高活性粒子浓度的滑动弧等离子体，处理空气生成NO<subgt;x</subgt;。本发明具产量高、能耗低、装置结构简单、易于调控，具有良好的固氮特性，有助于大规模提高等离子体固氮的产量。

技术研发人员：李江涛,孙子涵,赵政,郑皓天
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11