CN109627054A - 一种等离子体制备绿色氮肥方法及*** - Google Patents

一种等离子体制备绿色氮肥方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体制备绿色氮肥方法及***，方法包括对收集到的能量进行分配，用于驱动负载的能量经升压产生等离子体，等离子体放电产生氮氧化合物；氮氧化合物经压缩溶解至吸收液中产生氮肥。***包括能量收集装置、能量控制装置、储能装置、升压装置和氮肥产生装置，氮肥产生装置包括等离子体发生模块、压缩模块和吸收模块。本发明提出了以储能和控制相结合的可再生能源作为驱动，压缩空气充分溶解等离子放电产生的NOx的方法，保障安全作业的同时提高固氮效率。

Description

一种等离子体制备绿色氮肥方法及***
技术领域
本发明属于等离子体技术领域，更具体地，涉及一种等离子体制备绿色氮肥方法及***。
背景技术
氮是植物生长周期中不可或缺的元素，对植物的绿叶和绿茎中叶绿素的合成起着至关重要的作用。传统农业通过施用化肥来补充所需氮肥，化肥的使用增加农业成本同时导致土壤酸化、板结，影响了土壤微生物的生存，不仅破坏土壤肥力结构，而且还降低了肥效。
大气压等离子体中富含高能电子、自由基和其它活性成分。这些活性成分之间相互碰撞相互作用，使得常态下游离的氮以氮氧化合物NOx的形式存在并最终被固定成氮肥，其中x＝1,2。部分反应如下：
M+O2→M+O+O
M+N2→M+N+N
O+N2→NO+N
N+O2→NO+O
N+OH→NO+H
其中M代表O2、N2，高能电子，激发态氮、氧原子等。利用等离子体放电形成氮肥从物理机制上看需要大量消耗电网能源，且目前已有的等离子体制备氮肥的方法存在着一些问题。首先，直接利用气流将等离子体放电产生的NOx带入吸收池后排放，NOx浓度低，以至溶解不充分导致氮肥生产效率低；其次，水中直接放电使得放电困难且NOx产率低下；另外，通过对液面的直接放电来固氮存在放电的不稳定和严重的安全隐患。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提出了一种等离子体制备绿色氮肥方法及***，旨在解决现有等离子体制备氮肥方法能耗高、产率低、不安全的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种等离子体制备绿色氮肥方法及***，包括：
对收集到的能量进行分配，用于驱动负载的能量经升压产生等离子体，等离子体放电产生氮氧化合物；
氮氧化合物经压缩溶解至吸收液中产生氮肥。
本发明可以根据能量收集的实际情况对能量进行分配，收集到的能量满足负载驱动同时有富余时，能量进行传递用于驱动负载同时富余的能量被储存；收集到的能量仅满足负载驱动没有富余时，能量进行传递用于驱动负载；收集到的能量不能满足负载驱动时，能量被储存，直至被储存的能量等于负载驱动所需能量时用于驱动负载。
按照本发明的另一方面，还提供了一种等离子体制备绿色氮肥***，包括能量收集装置、能量控制装置、储能装置、升压装置和氮肥产生装置；其中能量收集模块收集到的能量由能量控制装置控制能量输入储能装置或者升压装置，升压装置产生的高压能量输入氮肥产生装置。
进一步地，氮肥产生装置包括等离子体发生模块、压缩模块和吸收模块；等离子体发生模块与所述升压装置的输出连接，用于产生等离子体；压缩模块用于压缩等离子体产生的氮氧化合物；吸收模块用于吸收液吸收氮氧化物形成氮肥。
优选地，能量收集装置采用风能、太阳能或者风能和太阳能共同驱动。
优选地，高压能量为高压直流、高压交流、射频、微波或者脉冲。
优选地，等离子体发生模块为针板、针针、球隙、射流、介质阻挡放电或者表面放电。
优选地，等离子体发生模块与压缩模块的分合情况不同可以分为集成式或者分离式。集成式是指等离子体发生模块集成于压缩模块中并作为压缩模块的一部分；分离式是指等离子体发生模块与压缩模块分离，等离子体发生模块直接固定在氮肥产生装置内且压缩模块的相对位置可以在等离子体发生模块的上方或者下方。
优选地，吸收模块中吸收液为水溶液、缓冲液、含磷含钾的无机溶液或者有机肥溶液。
本发明提出了以储能和控制相结合的可再生能源作为驱动，压缩空气充分溶解等离子放电产生的NOx的方法，保障安全作业的同时提高固氮效率。通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、风能和太阳能的使用有利于减轻对电力***能源的依赖，同时实现在远离电网的农耕区因地制宜地获取绿色电能制取氮肥；
2、相比传统方式中直接利用气流带动NOx溶解，压缩装置的使用可以提高液面上方NOx的浓度，从而促进NOx的溶解，提高固氮效率；
3、本发明避免了在水中直接放电带来的不稳定性，保证了生产安全；
4、本发明通过采用等离子体持续放电产生NOx、NOx定时溶解或者NOx的产生与溶解交替进行的不同的工作模式，能够根据实际生产需求调节。
附图说明
图1是本发明提供的等离子体制备绿色氮肥***的结构框图；
图2是本发明提供的等离子体制备绿色氮肥***的能量控制装置的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的氮肥产生装置的结构框图；
其中，1为能量收集装置，2为能量控制装置，3为储能装置，4为升压装置，5为氮肥产生装置，6为吸收池，7为吸收液，8为吸收液进水阀门，9为阴极，10为阳极，11为电极引出线，12为进气阀门，13为进气管，14为活塞，15为吸收液排水阀门。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明提供的等离子体制备绿色氮肥***结构框图，能量收集装置1获取能量，能量控制装置2实现电能的分配，进入储能装置3或者升压装置4，在能源充足的情况下同时进行储能与升压驱动负载，在能源没有富余情况只用于负载驱动，而当能量严重不足时协调储能装置和升压装置共同驱动负载，控制装置的控制流程如图2所示。升压装置4在接受电能之后升压驱动氮肥产生装置5，通过等离子体放电与活塞运动将NOx溶解在吸收液中，形成液态氮肥。
图3为本实施例提供的氮肥产生装置5的结构框图，具体为高压直流供电的集成式表面放电等离子体氮肥产生装置，采取NOx的产生与溶解交替进行的工作模式。装置以一次等离子体放电和活塞运动为工作周期。初始阶段，通过吸收液进水阀门8和吸收液排水阀门15的通断来保持一定量的吸收液7。活塞14与吸收液7之间有足够的空间，进气阀门12通入气体后保持关闭。周期开始，电能通过电极引出线11分别导通阴极9和阳极10产生等离子体放电生成NOx。经过预设的放电时间后电能断开，活塞14进行一次压缩，促进NOx溶解在吸收液7中形成液态氮肥。经过预设压缩时间活塞14回归原位，周期结束。
本实施例中，阴极9为平面网状，阳极10为板状，两者分别固定在活塞14的两面，视为活塞的组成部分一起运动。活塞14采用绝缘材料，尺寸略大于阴极9和阳极10的尺寸，保证阴极9和阳极10之间的绝缘。
具体地，吸收模块中吸收液7按实际需求可以为水溶液、缓冲液、含不同浓度的磷、钾等的水肥以满足不同种类和不同生长时期的植物对其它养分的需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种等离子体制备绿色氮肥方法，其特征在于，包括：
对收集到的能量进行分配，用于驱动负载的能量经升压产生等离子体，所述等离子体放电产生氮氧化合物；
所述氮氧化合物经压缩溶解至吸收液中产生氮肥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对收集到的能量进行分配包括：
收集到的能量大于负载驱动所需能量时，所述收集到的能量用于驱动负载并且富余能量被储存；
收集到的能量等于负载驱动所需能量时，所述收集到的能量用于驱动负载；
收集到的能量小于负载驱动所需能量时，所述收集到的能量被储存，直至被储存的能量等于负载驱动所需能量时用于驱动负载。
3.一种等离子体制备绿色氮肥***，其特征在于，包括能量收集装置、能量控制装置、储能装置、升压装置和氮肥产生装置；所述能量收集模块收集到的能量由能量控制装置控制所述能量输入储能装置或者升压装置，升压装置产生的高压能量输入氮肥产生装置；
所述氮肥产生装置包括等离子体发生模块、压缩模块和吸收模块；所述等离子体发生模块与所述升压装置的输出连接，用于产生等离子体；所述压缩模块用于压缩等离子体产生的氮氧化合物；所述吸收模块用于吸收液吸收氮氧化物形成氮肥。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述能量收集装置采用风能、太阳能或者风能和太阳能共同驱动。
5.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述高压能量为高压直流、高压交流、射频、微波或者脉冲。
6.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述等离子体发生模块产生等离子体的形式为针板、针针、球隙、射流、介质阻挡放电或者表面放电。
7.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述等离子体发生模块集成于压缩模块中并作为压缩模块的一部分。
8.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述等离子体发生模块与压缩模块分离，所述等离子体发生模块固定在氮肥产生装置内。
9.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述吸收模块中吸收液为水溶液、缓冲液、含磷含钾的无机溶液或者有机肥溶液。
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