CN110972590B

CN110972590B - 一种利用低温等离子技术实现土壤推进式原位固氮的方法及装置

Info

Publication number: CN110972590B
Application number: CN201910967715.7A
Authority: CN
Inventors: 吴昂键; 李晓东; 严建华; 陈航; 张�浩
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-10-12
Filing date: 2019-10-12
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2039-10-12
Also published as: CN110972590A

Abstract

本发明公开了一种利用低温等离子技术实现土壤推进式原位固氮的方法及装置，该方法首先将空气通入射流等离子阵列，产生等离子射流，等离子射流与水面接触产生反应，得到等离子活化水和含有NOx的尾气；然后将活化水与土壤和牲畜排泄物的混合物反应，反应后的产物和含有NOx的尾气搅拌混合，将含氮物质固定在土壤和牲畜排泄物的混合物中。所述装置包括射流等离子阵列、混合池、螺杆传送装置；所述射流等离子阵列用于和水反应产生等离子活化水，所述混合池将土壤和牲畜排泄物与等离子活化水混合反应，所述螺杆传送装置用于将混合池中的反应产物和含有NOx的尾气搅拌，进一步进行固氮。本发明工艺简单、成本低、环境友好，含氮物质直接固定在土壤中。

Description

一种利用低温等离子技术实现土壤推进式原位固氮的方法及装置

技术领域

本发明涉及土壤固氮技术领域，尤其涉及一种利用低温等离子技术实现土壤推进式原位固氮的方法。

背景技术

19世纪以来，哈柏法合成氨作为人工固氮的里程碑技术，极大地促进了全世界农业的发展，但其反应条件严苛、能源消耗巨大和大量的温室气体排放等缺点在环境资源问题日益严峻的今天日益凸显。新型、清洁、低能耗的新型固氮方式亟待开发以满足可持续工农业生产的需求。等离子体分为高温等离子和低温等离子，低温等离子一般指宏观温度在100000K以下的等离子体，低温等离子技术能够很好地兼容太阳能、风能等新能源，同时又能够在常温、常压条件下高效活化空气中的氮气分子，实现固氮。目前，低温等离子制备NOx及低温等离子活化水相关课题已得到了广泛地研究，操作灵活方便、较高的生产效率和近乎零碳排放是其主要优势。因此，低温等离子固氮技术拥有广阔的前景，有潜力成为新一代主流固氮方式之一。

另一方面，基于人工固氮合成的氨大部分被应用于农业肥料，这是因为自然界中的植物自身的固氮(固氮菌)，以及来源于雨水和腐败的动植物和排泄物的氮肥远远满足不了当今的农业，一般需施以人工氮肥以补充土壤肥力。大多数植物需要从土壤中吸收足够的含氮物质来保证自身的生理活动，进而维持生物圈的氮需求。但事实上，自然界中的可利用氮元素流失严重，其总量远远超过了人类的施肥量(120Tg)，流失的方向为水体和空气，其中，流失向空气中的氮存在形式一般为NH₃，这是因为土壤中大量存在的NH₄ ⁺等物质不稳定，而蛋白质腐败时也会释放NH₃。据统计，每年土壤中流失的可利用氮元素为120Tg，而人类行为(废弃食物，人类及牲畜排泄物)导致的氮流失也达到了54Tg，若能够将这些可能流失的含氮物质固定在土壤中，将大幅减轻农业中的化肥需求，也从源头处缓减基于哈柏法引起的能源环境问题。

综上所述，将开发新型可持续的人工固氮技术，与回收土壤中流失氮肥的流失进行耦合，将大幅提高固氮的效率和经济性，也有效实现全球氮循环的健康、有序发展。为此，本发明专利基于低温等离子空气处理土壤，实现双重固氮的目标。其原理如下：低温等离子在非平衡态下，利用振动激发的方式活化氮气分子，同时反应活性高的氧气分子在等离子体中很容易转化为高能态活性粒子，这些活性粒子会与振动态氮气分子进行反应，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物质。以空气载气为例，等离子体中能够生成高浓度的NOx气体(1000-10000ppm左右，实际浓度与等离子体类型和输入能量有关)，并产生含有NO₂ ^-、NO₃ ^-、H⁺等物质的等离子活化水。采用等离子活化水对土壤和牲畜排泄物进行处理，能够在固定可能挥发的NH₃的同时，向其中加入由等离子体“活化”的氮元素，主要反应如下：

NH₃+HNO₃→NH₄NO₃

由此可见，当受处理物中的氮元素(NH₃)被固定的同时，还有相同含量的氮元素(NO₃ ^-)被加入其中，从而实现了双倍的固氮效果。而在活化水的过程中，参与等离子体放电反应的气体中也含有NOx气体，主要包括NO和NO与氧气(或臭氧)生成的NO₂，这些气体能够进一步处理加入了活化水的土壤和牲畜排泄物，以提高处理效率和能源利用率，同时避免生成的NOx气体污染环境。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种利用低温等离子技术实现土壤推进式原位固氮的方法，采用低温射流等离子体技术氧化空气制备活化水，结合螺杆推进装置实现土壤的原位固氮，改善现有固氮工艺消耗优质能源、高排放、生产集中化等缺陷，在农业生产地通过低温等离子装置实现人工固氮，在增加土壤肥力、减少可利用氮元素流失的同时提高新能源的利用率。该方法具有工艺简单、工作条件要求低、操作灵活方便、近零排放等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。一种利用低温等离子体实现土壤推进式原位固氮的方法，包括以下步骤：

(1)采用射流等离子阵列进行等离子活化水的制备，具体为：将空气通入射流等离子阵列，通过控制空气流量，并调节射流等离子阵列的输入电压，产生等离子射流，使等离子阵列放电的能量大于等于每升空气2kJ，等离子射流与水面接触产生反应，得到等离子活化水和含有NOx的尾气；

(2)将等离子活化水与土壤和牲畜排泄物的混合物反应，反应后的产物和含有NOx的尾气搅拌混合，进一步反应，将易挥发的含氮物质固定在土壤和牲畜排泄物的混合物中。

进一步地，射流等离子阵列连接电源，电源的电压能够击穿空气产生等离子射流。

进一步地，采用太阳能和风能为射流等离子阵列供电。

进一步地，等离子射流垂直与水面接触。

一种利用低温等离子体实现土壤推进式原位固氮的装置，该装置包括射流等离子阵列、混合池、螺杆传送装置和电源。

所述射流等离子阵列由气密罩包围，气密罩开有等离子阵列的供气管道并开有气体出口，所述供气管道通入空气，气密罩底部有若干个进水孔和出水孔；气密罩内的水面高度淹没进水孔和出水孔；所述射流等离子阵列连接电源，电源的电压能够击穿空气产生等离子射流，所述等离子射流与水面接触产生反应，得到等离子活化水和含有NOx的尾气；所述等离子活化水通过出水孔通入混合池，所述含有NOx的尾气通过气体出口通入螺杆传送装置；

所述混合池将土壤和牲畜排泄物与等离子活化水混合反应，并将反应产物通入螺杆传送装置；

所述螺杆传送装置中，具有两根推进式螺杆，用于将混合池中的反应产物和含有NOx的尾气搅拌，进一步混合反应，将易挥发的含氮物质固定在土壤和牲畜排泄物的混合物中，并将最终混合物送出螺杆传送装置装置。

进一步地，所述电源包括太阳能板和变压器。

本发明的有益效果：

(1)工艺简单。装置结构简单，利用低温等离子的非平衡态特性，能够在常温常压下打破氮氮键，使得偏远地区的固氮工业本地化成为可能。

(2)成本低。采用新能源进行供能，原料为水、空气、土壤和牲畜排泄物，无需天然气、纯氮等反应原材料。

(3)环境友好。无二氧化碳等温室气体排放，反应产生的NOx具有利用价值并完全被土壤吸收。

(4)可调性强。即停即启，且反应参数如气流量、功率、处理量等实现灵活调节，可随生产条件变化而变化，针对不同实际情况改变工况以得到最佳运行效果。

(5)含氮物质直接固定在土壤中。

附图说明

图1是利用低温等离子技术实现土壤原位固氮的装置图。

图中，1.射流等离子阵列及气密罩；2.混合池；3.螺杆传送装置；4.太阳能板；5.变压器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

本发明提供的一种利用低温等离子体实现土壤推进式原位固氮的方法，包括以下步骤：

(1)采用射流等离子阵列进行等离子活化水的制备，具体为：将空气通入射流等离子阵列，通过控制空气流量，并调节射流等离子阵列的输入电压，产生等离子射流，使等离子阵列放电的能量大于等于每升空气2kJ，以保证产物(NOx以及等离子活化水中的含氮物质)浓度，等离子射流垂直与水面接触产生反应，得到等离子活化水和含有NOx的尾气；

射流等离子阵列连接电源，电源的电压能够击穿空气产生等离子射流。

如图1所示，一种利用低温等离子体实现土壤推进式原位固氮的装置，该装置包括射流等离子阵列1、混合池2、螺杆传送装置3和电源。

所述射流等离子阵列1由气密罩包围，气密罩开有垂直等离子阵列1的供气管道并开有气体出口，所述供气管道通入空气，气密罩底部有若干个进水孔和出水孔；气密罩内的水面高度淹没进水孔和出水孔；所述射流等离子阵列1连接电源，电源的电压能够击穿空气产生等离子射流，所述电源包括太阳能板4和变压器5，所述等离子射流与水面接触产生反应，得到等离子活化水和含有NOx的尾气；所述等离子活化水通过出水孔通入混合池2，所述含有NOx的尾气通过气体出口由风机通入螺杆传送装置3；

所述混合池2将土壤和牲畜排泄物与等离子活化水混合反应，并将反应产物通入螺杆传送装置3；

所述螺杆传送装置3中，具有两根推进式螺杆，用于将混合池中的反应产物和含有NOx的尾气搅拌，进一步混合反应，将易挥发的含氮物质固定在土壤和牲畜排泄物的混合物中，并将最终混合物送出螺杆传送装置3，处理后的土壤回收利用。

所述利用低温等离子体实现土壤推进式原位固氮装置的工作过程为：射流等离子阵列及气密罩1内通有等离子阵列的供气管道，并有一个气体出口，使所有经等离子放电的气体由此口流出，并辅以风机传送至螺杆传送装置3中，射流等离子阵列及气密罩1底部有一定数量的进水孔和出水孔，使水流能够正常经过等离子阵列并被活化，工作时，水面淹没进出水孔以保证装置气密性，防止放电后的气体直接排入大气中；螺杆传送装置3中含有两根推进式螺杆，使工质在其中前进的过程中不断翻滚同时与气体混合、接触并反应；变压器5改变太阳能板4的供电电压，为射流等离子阵列提供电源。

本发明利用低温等离子技术实现土壤原位固氮的原理主要是，低温等离子体在非平衡态下实现氮气分子的振动激发，并与氧自由基反应，实现氮气分子的断键，生成氮自由基以及NO等具有反应活性的物质，进而与氧气和水反应生成HNO₃等物质，形成等离子活化水。将制成的等离子活化水以及含NOx空气用于固定土壤、牲畜排泄物中易挥发的含氮物质，实现土壤原位固氮，一方面，减少了土壤中的氮流失，另一方面，通过等离子将空气中的氮气活化并加入土壤中。和空气流量以及输入功率都有关，不同的空气处理量下需要输入不同的能量，因此处理量(空气流量)变化时，通过电压来调节输入功率；每升气体所得能量作为量化指标，包含了气流量和功率，而气流量和功率都已有单位时间的定义。使用低温等离子体处理空气，使空气中的氮气活化同时使氧气产生离解，活化的氮气与氧原子反应，能够在低能垒(3eV)的条件下打破氮氮三键。

N₂(X,v)+O→NO+N

使用低温等离子体处理空气，当处理每升空气所输入的能量超过2kJ，所产生的NOx浓度能够超过8000ppm，高浓度和无其他污染性杂质(如SO₂)的特性使其具有较高的利用价值。

本发明的方法在零排放条件下实现空气固氮的同时，减少了土壤及牲畜排泄物中的氮元素流失，能够有效地补偿传统固氮工业的缺点，并为偏远及落后地区提供了低成本的固氮方案。在保证输入能量大于2kJ/L的情况下，能够使处理后空气(尾气)中的NOx浓度达8000ppm，远高于一般放电反应以及自然界闪电中的NOx浓度(2000ppm以下)，同时，等离子活化水中将含有NO₂ ^-、NO₃ ^-、H⁺等活性物质，采用尾气和活化水对土壤以及牲畜排泄物进行处理，能够固定土壤及排泄物中的易挥发氮，并向其中施加由空气放电得到的具有反应活性的氮元素，从而实现成倍的固氮效果。相较于传统固氮方式(哈伯法合成氨)，一方面，此方案设备简单，工艺条件要求低，能够在偏远地区进行小型化固氮，而对土壤进行原位固氮，不仅能够减少土壤中的氮流失，而且取消了化肥加工流程，使土壤增肥过程更加简便；另一方面，不同于哈伯法的高能耗(高品质电能、天然气投入)和高排放(大量CO₂排放)，此方案使用当地低品质新能源(风能、太阳能)的同时，原料为空气、土壤和牲畜排泄物，工艺流程中无污染物和温室气体排放。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用低温等离子体实现土壤推进式原位固氮的装置，其特征在于，该装置包括射流等离子阵列、混合池、螺杆传送装置和电源；

所述螺杆传送装置中，具有两根推进式螺杆，用于将混合池中的反应产物和含有NOx的尾气搅拌，进一步混合反应，将易挥发的含氮物质固定在土壤和牲畜排泄物的混合物中，并将最终混合物送出螺杆传送装置。

2.根据权利要求1所述的一种利用低温等离子体实现土壤推进式原位固氮的装置，其特征在于，所述电源包括太阳能板和变压器。

3.一种基于权利要求1所述的利用低温等离子体实现土壤推进式原位固氮的装置的固氮方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的利用低温等离子体实现土壤推进式原位固氮的装置的固氮方法，其特征在于，射流等离子阵列连接电源，电源的电压能够击穿空气产生等离子射流。

5.根据权利要求4所述的利用低温等离子体实现土壤推进式原位固氮的装置的固氮方法，其特征在于，采用太阳能和风能为射流等离子阵列供电。

6.根据权利要求3所述的利用低温等离子体实现土壤推进式原位固氮的装置的固氮方法，其特征在于，等离子射流垂直与水面接触。