CN108990248B - 一种等离子体发生装置及其应用 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种等离子体发生装置及其应用

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***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

本发明的目的在于克服现有固氮技术上存在的问题，利用低温等离子体放电技术，提供一种全新且工艺简单的，可将空气中的氮固定转而制成空气肥料的等离子体发生装置，该发生装置不仅可以用于制备空气肥料，还可以用于处理有机废气和恶臭气体。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供的等离子体发生装置，包括喷射管，以及设置在喷射管中的高压电极和低压电极；其特征在于：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。

通电后，电源通过高压接线柱向等离子体发生装置输入高压电，在高压电极与低压电极之间产生放电弧。气体从输入孔送入，流经旋风轮后，被旋风轮调整成螺旋气流，气流产生涡流流动，进入由高压电极、低压电极组成的反应区，根据涡流理论，旋转气流的中心压力低于外层压力，中心形成负压。根据气体放电特性，气压低的地方比气压高的地方放电电压更低，更容易放电。因而，利用旋流效用产生的气压差，可以将放电产生的等离子体约束在喷射管的中心轴线附近，使等离子体的喷射行程更远。本发明能够形成10cm甚至更长的等离子体炬。如果不设置旋风轮则气流在喷射管内的气流场可能是平行气流或紊流，则喷射管中心轴线的中心气压和管壁气压不会形成压差，则放电可能形成随机放电，放电产生的等离子体的路径和形状难以控制，最终结果将不能将放电等离子体输送到离放电电极更远的位置，即不能产生所需要的长距离和汇聚状态的等离子体；同时，螺旋气体推动放电弧沿着螺旋状低压电极移动，产生螺旋状等离子体炬，气体被螺旋状等离子体炬电离。本发明的旋风轮的偏向角与螺旋状低压电极的偏向角相同或相当，即，经过螺旋轮后产生的螺旋气流的偏向角与螺旋状低压电极的偏向角相同或相当，使得产生的螺旋状等离子体炬的长度达到最长，效率最高。旋风轮的偏向角与螺旋状低压电极的偏向角尽量保持一致，这样效果最好，可以减小旋转气流的阻力，尽量减少紊流对旋转气流的干扰；可以预见的是，在只需取得次优效果的情况下，两者的偏向角可以略微不同。

本发明所述旋风轮包括旋风轮本体，所述旋风轮本体上设置有至少四个贯通的气孔；气孔组成同心圆，在同心圆圆周上均匀分布，每个气孔与该气孔所在位置的同心圆切线之间的夹角都相等，所述气孔与同心圆径向方向的夹角大于0度小于90度。气孔与同心圆切线的夹角相等，使得气孔沿着同心圆顺时针方向或逆时针方向顺序排布，气孔的开孔方向保持一致，确保产生旋转气流。优选所述气孔与同心圆径向方向的夹角范围为30度到60度，即大于等于30度，小于等于60度，产生的旋转气流最佳，可以更好地形成所需的长距离和汇聚状态的等离子体。

需要注意的是，也可以在旋风轮本体上开始螺旋孔，螺旋孔的偏向角与螺旋状低压电极的偏向角相同或相当，这样通过旋风轮的气体也会形成螺旋气流。

所述高压电极为锥形电极，采用不锈钢材料制成，锥形电极的中心线与螺旋气流的中心线重合。锥形电极对旋转气流的阻力比较小，可以保证锥形电极的顶端(即锥形的尖端)正好在喷射管的轴线中心位置和旋流气压最低点的位置。锥形电极的顶端由于其曲率半径比较小，起始放电比较容易，又在旋转气流气压最低点的位置，则锥形电极顶端更容易放电而产生等离子体，产生稳定的长距离和汇聚状态的等离子体。

优选地，所述低压电极为螺旋状金属丝。可采用钛丝，直径尺寸范围在0.5mm-3mm之间。

优选地，通入等离子体发生装置的电源的电压峰值大于等于3kV，频率高于9kHz，输入能量高于100W。

为方便设备安装和维护，所述喷射管包括连接在一起的第一套筒和第二套筒，高压电极、低压电极分别设置在第一套筒、第二套筒内。第一套筒与第二套筒可通过螺纹连接。

优选地，流经旋风轮的气体为干燥空气，这样可以避免由于湿度过大导致空气进入发生装置后产生凝露，破坏绝缘。

本发明提供的等离子体发生装置用于制备空气肥料、处理有机废气、处理恶臭气体或处理污水，流经旋风轮的气体分别为空气、有机废气、恶臭气体或雾化后的污水。以制备空气肥料为例，电源通过高压接线柱向发生装置输入高压电，在高压电极与低压电极之间产生放电弧。空气通过输入孔进入发生装置，穿过与螺旋状低压电极偏向角一致的旋风轮形成旋转气流后进入反应区，旋转气流推动放电弧沿着螺旋状低压电极移动，产生螺旋状等离子体炬，气体经螺旋状等离子体炬电离，产生含氮氧化物的等离子体，可直接作为植物生长所需的氮的来源。

本发明具有以下有益效果：本发明通过在新式螺旋等离子体炬发生装置内曝以空气，促使氮气在高压放电过程中电离生成氮等离子体。本发明利用旋风轮改变气体的流动方向，使其成为螺旋气体，螺旋气体推动放电弧沿着螺旋状低压电极移动，产生螺旋状等离子体炬，本发明利用低温等离子体放电产生螺旋状的等离子体炬，能使空气与等离子体炬充分接触，能量利用率极高。反应后的气态肥料可直接通过管道注入植物根部，作为植物合成氮的原料。本发明操作简便、可控性强、处理成本低；利用空气作为原料，处理成本低廉、效率高。

本发明通过在等离子体炬反应器内曝以空气，促使氮气在放电过程中电离形成含氮等离子体空气肥料，反应后的气体能直接通入土壤，作为植物合成氮的来源。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。

附图说明

图1为本发明剖视结构图；

图2为本发明外观示意图；

图3为本发明应用于制取空气肥料示意图；

图4为本发明所述旋风轮正视图；

图5为图4的A-A剖视图。

图中：1、能量输入线连接缆，2、气源输入孔，3、排出口，4、第一套筒，5、高压电极，6、旋风轮，7、低压电极，8、第二套筒，9、绝缘层，10、旋风轮本体，11、气孔，12、气体入口，13、气体出口，14、气体汇集区。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明提供的等离子体发生装置，包括喷射管、高压电极5、旋风轮6、低压电极7。高压电极5、低压电极7设置在喷射管中。

喷射管包括第一套筒4和第二套筒8，第一套筒4与第二套筒8通过螺纹连接。第一套筒4为金属材料制成，高压电极5安装在第一套筒4内。第一套筒的左端部封口，旋风轮6安装在第一套筒4中，在旋风轮6与第一套筒左端部形成气体汇集区14，气源输入孔2与气体汇集区14连通，气体经气源输入孔2输入，进入气体汇集区14，再经过旋风轮6后被调整成旋转气流。第一套筒4的内壁设置有绝缘层9。第二套筒8为石英玻璃套筒，低压电极7安装在第二套筒8中，第二套筒8的右端部设置排出口3。电源通过能量输入线连接缆1与高压电极5连接，低压电极7接到第一套筒4上实现接地连接。

高压电极5为锥形高压电极，可采用耐高温不锈钢制成，锥形高压电极的中心线与螺旋气流的中心线重合。电源的电压峰值大于等于3kV，频率高于9kHZ，输入能量高于100W。低压电极7呈螺旋状，可采用螺旋金属丝制成，进一步地，可采用耐高温钛丝制作螺旋状低压电极7，钛丝的直径尺寸在0.5mm-3mm之间。旋风轮6的偏向角与螺旋状低压电极7的偏向角相同或相当，即经过旋风轮调整形成的旋转气流的偏向角与螺旋状低压电极7的偏向角相同或相当。

如图4、5所示，旋风轮6包括旋风轮本体10，旋风轮本体10可采用圆柱形状。旋风轮本体10上开设有至少三个贯通的气孔11，从旋风轮本体10的正面一直贯通到背面，在旋风轮本体10的正面形成气体入口12，在背面形成气体出口13。气孔11组成同心圆，气孔11在同心圆圆周上均匀分布。每个气孔11与该气孔所在位置处的同心圆切线之间形成夹角，图中共绘有八个气孔，则形成八个夹角，这八个夹角都相等，从而确保每个气孔在旋风轮本体上的开孔方向一致。气孔11可以是圆孔，也可以是方孔。对于圆形孔来说，则是，每个气孔11的轴线与相应位置的同心圆切线之间的夹角相同，对于方形孔来说，则是，每个气孔11的中心线与相应位置的同心圆切线的夹角相同。气孔11为倾斜孔，即，气孔11与同心圆径向方向的夹角(也就是，气孔11与旋风轮背面的夹角α)大于0度小于90度，为获得更好的效果，这个夹角大于等于30度，小于等于60度。

如图3所示，本发明可以作为制备空气肥料的装置，使用方式如下：

步骤一、在开机之前，确认电源输入插头已可靠与供电插座连接，地线接线柱已可靠与标准大地连接。确认无误后，打开空气鼓风机和干燥机，根据需求，选择相应适合的鼓风机功率。

步骤二、打开设备总电源开关，空气经空气鼓风机送入干燥机干燥后进入本发明提供的等离子体发生装置；在高压电极5与低压电极7之间产生放电弧。空气从输入孔2进入，经旋风轮6后，空气成螺旋进入由高压电极、低压电极组成的反应区，旋转气流推动放电弧沿着螺旋状低压电极产生螺旋状等离子体炬，气体经螺旋状等离子体炬电离，产生含氮氧化物的等离子体，最后从排出口3排出。

步骤三、处理后的空气肥料经过特殊的管道输送至农作物根部土壤。

步骤四、根据农作物需求，经过相应的处理时间后，关闭空气鼓风机和干燥机，将设备总电源开关至0位置，设备断电关机，断开总电源输入。

可以预见的是，本发明还可以用于对各种有机废气和各种恶臭气体进行处理，废气中的各种有机污染物和恶臭气体，从气源输入孔2输入，通过等离子体炬的高能电子的撞击，各种自由基等活性集团的氧化作用，高效降有机污染物和恶臭气体。本发明还可以用于对污水的处理，将污水雾化后混合气体从气源输入孔2送入即可。

Claims (9)

1.一种等离子体发生装置，包括喷射管，以及设置在喷射管中的高压电极和低压电极；其特征在于：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；所述喷射管包括连接在一起的第一套筒和第二套筒，高压电极、低压电极分别设置在第一套筒、第二套筒内。

2.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于：所述旋风轮包括旋风轮本体，所述旋风轮本体上设置有至少三个贯通的气孔；气孔组成同心圆，在同心圆圆周上均匀分布，每个气孔与该气孔所在位置的同心圆切线之间的夹角都相等，所述气孔与同心圆径向方向的夹角大于0度小于90度。

3.如权利要求2所述的等离子体发生装置，其特征在于：所述气孔与同心圆径向方向的夹角范围为30度到60度。

4.如权利要求1、2或3所述的等离子体发生装置，其特征在于：所述高压电极为锥形电极，锥形电极的中心线与螺旋气流的中心线重合。

5.如权利要求1、2或3所述的等离子体发生装置，其特征在于：所述低压电极为螺旋状金属丝。

6.如权利要求5所述的等离子体发生装置，其特征在于：所述螺旋状金属丝为钛丝，直径尺寸范围在0.5mm-3mm之间。

7.如权利要求1、2或3所述的等离子体发生装置，其特征在于：通入等离子体发生装置的电源的电压峰值大于等于3kV，频率高于9kHz，输入能量高于100W。

8.如权利要求1、2或3所述的等离子体发生装置，其特征在于：流经旋风轮的气体为干燥空气。

9.如权利要求1、2或3所述的等离子体发生装置的应用，用于制备空气肥料、处理有机废气、处理恶臭气体或处理污水，流经旋风轮的气体分别为空气、有机废气、恶臭气体或雾化后的污水。