CN111111582A - 水雾射流电弧放电固氮装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水雾射流电弧放电固氮装置及检测方法，装置包括雾化单元、液泵系统、放电反应区、催化反应区、高压交流电源、数据采集与控制单元、放电光谱检测单元、供电参数检测单元、气液分离单元、缓冲单元、储液箱A、B。本发明的装置设计了气液两相放电系统，先将水通过雾化喷嘴形成水雾，并使用高压电源驱动形成电弧放电，在水雾中高效产生类似雷雨天气的活性氧和活性氮等有助于作物生长的活性成分，并且使用超声波协同催化剂协同作用，通过获取供电参数和放电光谱参数数据，自动调控气液两相的水气混合比和供电电压等物理参量，用最佳能效比跟踪的方法，使得装置在使用时始终在最佳能效比点附近工作，有效提高放电活性成分的产率和装置工作效率。

Description

水雾射流电弧放电固氮装置及检测方法
技术领域
本发明涉及一种水雾射流电弧放电固氮装置及参数检测与自动控制方法，属于高压电极放电技术领域。
背景技术
气液两相滑动弧放电等离子体技术是一种新型的低温等离子体技术，集氧化作用、酸作用、紫外照射作用等物理化学作用于一体。在水中或与水接触的气液两相放电等离子体，由于电子碰撞和紫外线辐射而产生大量活性物质(也称为活性物种)，例如HNOx、NOx、·OH、H2O2、O3、·O等，这些活性成分可广泛应用于农业生产、环境保护、材料加工、生物医学等领域。气液两相电弧放电具有结构简单、使用方便、能效高等优点，其在固氮方面有着广阔的前景。
目前现有的固氮的技术有哈伯法工业合成氨技术、合成硝酸法和化学模拟生物固氮法。工业合成氨和合成硝酸法能耗高，污染大，化学模拟生物固氮尚处于实验研究阶段，未投入到实际应用，且产量较低。全球通过雷电放电每年可以产生氮氧化物1.6×107吨，而大气压等离子体放电现象与自然雷电相似，放电将分子电离激化，发生一系列的化学过程，产生富含HNOx、NOx、·OH、H2O2、O3、·O 等物质。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种水雾射流电弧放电固氮装置及参数检测与自动控制方法，本发明的技术方案如下：
一种水雾射流电弧放电固氮装置，所述装置包括雾化单元、液泵系统、气液两相放电反应区、催化反应区、高压交流电源、数据采集与控制单元、放电光谱检测单元、供电参数检测单元、气液分离单元、缓冲单元、储液箱A以及储液箱B；
液泵系统由液泵A及其通信模块组成，具有通信控制功能；液泵系统将外部水源泵入雾化单元，缓冲单元中的气体通过气泵A泵入雾化单元，液体流量计测量泵入喷嘴中液体的流量，气体流量计测量泵入雾化单元中气体的流量；液泵系统将数据传输给数据采集与控制单元；储液箱A中通过气泵B将经气液两相放电反应区反应的气体抽出至催化反应区中，然后从催化反应区上部排出进入气液分离单元，分离后的气体进入缓冲单元并与新补充的气体一同被气泵A泵入雾化单元，分离的液体最终进入储液箱B储存；储液箱A通过液泵B中经气液两相放电反应区反应的液体抽出至催化反应区中，最终含活性成分的产物溶液收集在储液箱B；
所述高压交流电源为气液两相放电反应区供电，并连接数据采集控制单元供其采集数据；所述气液两相放电反应区供电分别连接放电光谱检测单元与供电参数检测单元，放电光谱检测单元与供电参数检测单元连接数据采集控制单元供其采集数据。
优选地，气液两相放电反应区、催化反应区、雾化单元整合成一个反应器装置；
所述反应器装置包括第一进气口、第二进气口、第一进水口、第二进水口、出气口、出水口、雾化喷嘴、旋风叶片、金属垫片、高压电极、石英管、催化剂腔、金属底板、环形超声换能器、低压电极、负载TiO2的石英小球以及固定套；
所述放电反应器分为三个区域，分别为雾化区、放电区以及联合作用区；
雾化喷嘴及其下方区域组成雾化区，所述第一进气口位于雾化喷嘴的顶部，第一进水口位于雾化喷嘴的侧壁；
金属垫片、高压电极、石英管和低压电极组成的放电区，其中金属垫片外接高压电源，内与高压电极接触，低压电极接地，实现两电极之间的放电，金属垫片外侧设有密封圈和抱箍；
催化剂腔、负载TiO2的石英小球、以及底部的环型超声换能器组成紫外线、超声波、催化剂联合作用区；所述催化剂腔包裹在石英管的外部，内部填充满负载TiO2的石英小球，环形超声换能器位于催化剂腔下方，同样包裹在石英管的外部，第二进水口和出气口位于催化剂腔的顶部，第二进气口和出水口位于催化剂腔的底部，所述金属底板位于催化剂腔的底部，所述石英管的底部设有固定套。
优选地，上述低压电极为螺旋状结构。
优选地，上述高压电极包括金属套筒、梭形电极和叶片，梭形电极位于金属套筒内，四周通过倾斜设计的叶片与金属套筒内壁连接。
优选地，上述固定套为中空状的圆柱体，圆柱体侧壁下方设置若干用于固定低压电极的螺孔，圆柱体侧壁上方设置若干用于调节电极间距的螺孔，所述螺旋状的低压电极的底部固定在固定套上之后同轴放入石英管内部。
优选地，上述石英小球的TiO2负载工艺如下：
选用粒径为0.50-5.00mm的石英小球烧成具有多孔的石英小球,然后将小球浸入钛酸丁酯酒精溶液中，再慢慢向上提，并使用风扇对吹促进酒精挥发，使溶液在石英小球表面生成钛酸薄膜，然后再将多孔石英小球放350-400℃的炉内高温焙烧脱水2小时,形成TiO2薄膜。
一种水雾射流电弧放电固氮检测方法，利用上述的一种水雾射流电弧放电固氮装置，其步骤如下：
步骤1：开始雾化至射流稳定
打开液泵系统和气泵A，使气体和外部水源进入雾化单元，其中高压气源经过止回阀将气体通入雾化喷嘴，在初始的气体流速、液体流速参数下形成水雾射流通入反应区，保持雾化喷嘴打开一段时间，使水雾射流均匀分布反应区域；
步骤2：气液两相放电反应
打开高压交流电源，在初始供电电压参数下，激励反应器放电，产生含活性成分的溶液和气体；
步骤3：进入催化反应区二次反应
含活性成分的溶液和气体进入储液箱A，启动气泵B、液泵B，将储液箱A 中的液体和气体泵入催化反应区；
步骤4：反应气体循环利用
气体从催化反应区排出进入气液分离单元气体进入缓冲单元，与气瓶补充进来的气体一起被气泵A泵入雾化单元循环利用；
步骤5：收集含活性成分的溶液
气液两相放电区产生强烈的紫外线与催化剂、底部的超声波辐射在催化反应区协同催化反应产生更高浓度的活性成分溶液通入储液箱B，步骤4中气液分离单元中分离出的液体收集进入储液箱B；
步骤6:数据采集与计算控制，最佳能效比跟踪并稳定工作
液体和气体流量计将流量信号传输给数据采集与控制单元，放电光谱检测单元和供电参数检测单元检测并将信号输入数据采集与控制单元，微处理器计算出水气混合比，通过牛顿爬山算法判断能效比是否先升后降，若能效比先升后降，说明已经错过最佳能效比工作点，需要调整泵流量降低水气混合比，若能效比一直上升，则继续调大水气混合比，反应产物的活性成分浓度，会因此改变，再通过检测信号的改变，进一步调控，从而达到自动控制的目的，使得系统能效比在峰值附近波动。
本发明所达到的有益效果：
本发明的装置设计了模拟自然界雷雨发生的气液两相放电系统，先将水通过雾化喷嘴形成水雾，并使用高压电源驱动锥型高压电极与螺旋状钛电极形成电弧放电，在水雾中高效产生类似于雷雨天气的活性氧(ROS)和活性氮(RNS)等有助于作物生长和有望替代氮肥的活性成分。并且使用超声波协同催化剂模拟闪电伴随的声、光、电协同作用机制，通过获取供电参数和放电光谱参数数据，自动调控气液两相的水气混合比和供电电压等物理参量，利用最佳能效比跟踪的方法，使得装置在使用时始终在最佳能效比点附近工作，有效提高了放电活性成分的产率和装置的工作效率。在绿色农业领域具有广阔的前景。
专利CN105294175 A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，利用高压放电激发空气产生等离子体与水混合产生含氮溶液，但是本装置在实际应用中结合超声波系统协同催化剂联合作用使得活性成分浓度更高，配有自动控制电路系统，自动调节水气混合比，使得系统在活性成分的最佳能效比附近运行，施肥更加稳定、可调。
附图说明
图1是本发明装置的系统示意图；
图2为反应器装置的结构图；
图3为放电光谱检测单元的结构示意图；
图4为特征光发射单元与特征光接收单元的结构示意图；
图5为电压检测单元的示意图；
图6为电压信号检测电路；
图7为电流检测单元的示意图；
图8为电流信号检测电路；
图9为电压/电流峰值保持电路；
图10为电路波形；
图11为气液流量自动控制流程图；
图12为供电电压自动控制流程图；
图13为气、液流量自动控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种水雾射流电弧放电固氮装置，所述装置包括雾化单元、液泵系统、气液两相放电反应区、催化反应区、高压交流电源、数据采集与控制单元、放电光谱检测单元、供电参数检测单元、气液分离单元、缓冲单元、储液箱 A以及储液箱B；
液泵系统由液泵A及其通信模块组成，具有通信控制功能，液泵系统将外部水源泵入雾化单元，缓冲单元中的气体通过气泵A泵入雾化单元，液体流量计测量泵入喷嘴中液体的流量，气体流量计测量泵入雾化单元中气体的流量；液泵系统将数据传输给数据采集与控制单元；储液箱A中通过气泵B将经气液两相放电反应区反应的气体抽出至催化反应区中，然后从催化反应区上部排出进入气液分离单元，分离后的气体进入缓冲单元并与新补充的气体一同被气泵A泵入雾化单元，分离的液体最终进入储液箱B储存；储液箱A通过液泵B中经气液两相放电反应区反应的液体抽出至催化反应区中，最终含活性成分的产物溶液收集在储液箱B；
所述高压交流电源为气液两相放电反应区供电，并连接数据采集控制单元供其采集数据；所述气液两相放电反应区供电分别连接放电光谱检测单元与供电参数检测单元，放电光谱检测单元与供电参数检测单元连接数据采集控制单元供其采集数据。
如图2所示，液两相放电反应区、催化反应区、雾化单元整合成一个反应器装置；
所述反应器装置包括第一进气口1、第二进气口2、第一进水口3、第二进水口4、出气口5、出水口6、雾化喷嘴7、旋风叶片8、金属垫片9、高压电极 10、石英管11、催化剂腔12、金属底板13、环形超声换能器14、低压电极15、负载TiO2的石英小球16以及固定套17；
所述放电反应器分为三个区域，分别为雾化区、放电区以及联合作用区；
雾化喷嘴7及其下方区域组成雾化区，所述第一进气口1位于雾化喷嘴的顶部，第一进水口3位于雾化喷嘴7的侧壁；
金属垫片9、高压电极10、石英管11和低压电极15组成的放电区，其中金属垫片外接高压电源，内与高压电极10接触，低压电极15接地，实现两电极之间的放电，金属垫片9外侧设有密封圈18和抱箍19；
催化剂腔12、石英小球16、以及底部的环型超声换能14器组成紫外线、超声波、催化剂联合作用区；所述催化剂腔12包裹在石英管11的外部，内部填充满石英小球16，环形超声换能器14位于催化剂腔12下方，同样包裹在石英管 11的外部，第二进水口4和出气口5位于催化剂腔的顶部，第二进气口2和出水口6位于催化剂腔12的底部，所述金属底板13位于催化剂腔12的底部，所述石英管11的底部设有固定套17。
如图3为放电光谱检测单元的结构示意图。
所述装置包括混合反应单元、吸光度检测单元、超声辐射单元、特征光谱发射单元、光强接收单元、微流量泵A、微流量泵B以及数据采集与控制单元；
所述混合反应单元分别连接两个微流量泵，探针试剂和待检测溶液分别通过微流量泵B、微流量泵A泵入混合反应单元混合；、然后液体通过管道通入吸光度检测单元检测透射光谱强度；
所述超声辐射单元位于混合反应单元下方，使混合反应单元产生机械振动达到充分搅拌反应的效果；
所述光谱检测单元通过微流量泵连通混合反应单元；
所述特征光谱发射单元发射相应波长的光，不同的活性成分与特定的探针试剂反应后会在某一波长处有较高的吸收，针对检测的不同活性成分，特征光谱发射单元可发射不同特定波长的光，透过光谱检测单元的混合溶液，由光强接收单元采集透射光的强度，光强接收单元有较宽的波长接受范围，所述光强接收单元连接数据采集与控制单元。
如图4所示，特征光谱发射单元与光强接收单元包括依次连接的恒流驱动电路、激光二级管、三激管、电压跟随器、放大器、整流滤波电路、ADC以及微处理器。
将待检测溶液即反应生成的含活性成分的溶液和检测活性成分的试剂通过微流量液泵引少量进入混合容器中混合反应，底部使用超声波振荡使反应充分。微流量液泵的流量依据容器容积选择，例如可选用Transfer pumpSDMPLargeFlow Series系列等液泵，流量可达20mL/min。检测活性成分浓度一般采用分光光度法，比如检测NOx在一定酸度条件下，亚硝酸盐与对氨基苯磺酰铵反应生成重氮化合物，再与N-(1-萘基)-乙二胺偶合，形成紫红色偶氮化合物，在530nm波长处具有最大吸收。其他活性成分类似，也会在某个波长出有最大的吸收。检测 NOx试剂可以选用长春吉大·小天鹅仪器有限公司的NOx专用检测试剂(GDYS-102SA试剂)。NOx与检测试剂充分反应后再由MP3将液体泵入光谱检测容器中，由放电光谱检测单元中的特征光谱发射单元与光强接收部分检测。NOx与检测试剂反应后的特征峰波长在530nm处。激光二极管可选用OSRAM Opto Semiconductors系列，在该专利中若检测NOx则选用峰值波长为530nm的型号。在浓度检测器一对平行侧面分别放置特征光二极管及接收探头，特征光二极管由恒流驱动电路驱动，发射与某一活性成分的特征波长一致的光，通过测定其吸光度，可以得到该活性成分在水样中的相对浓度。接收端电信号经过电压跟随、放大、整流滤波、ADC后进入微处理器，完成光谱信号的检测。其中，浓度检测器由一个密封的石英立方体和两根水管组成，在立方体上表面和侧面开口，分别插入进水管和出水管即可。
如图5所示为电压检测单元的示意图。电压检测单元由电压信号检测电路、峰值保持电路组成，它可以检测气液两相放电反应器上的电压信号。电压检测单元将信号传送给数据采集控制单元的ADC，数据采集控制单元再对接收到的信号进行相应操作。电压信号检测电路可以采集放电反应器上的电压信号。
如图6所示为电压信号检测电路，为了实时显示气液两相放电反应器的工作功率，本发明检测了电源输出电压和电流。采用的测量电压的方法是电阻分压器法，将高电压波形转换成低电压波形，由高压臂和低压臂组成。输入电压加在整个装置上，而输出电压则取自低压电阻R2。由于该电路检测的是高压信号，为了防止出现瞬时高压尖峰通过分压电路，造成检测电路短路，损坏元器件情况，所以在R2后端并联两个二极管D1、D2，用于导入大电压，吸收浪涌功率，保护测试电路。将采集到的信号通过电压跟随器U1，电压跟随器的作用如下：为了使R2端采集的电压信号不会受后级测量系统的阻抗影响，所以后级测量系统应为高阻抗状态，由于电压跟随器具有输入高输入阻抗，低输出阻抗的特点，在电压信号检测电路与测量系统之间接入电压跟随器，一方面可以降低对采集电路的影响，另一方面也降低了对测量系统的影响。经过峰值保持电路后的电压信号再通过真有效值(RMS)转换电路对交流信号进行真有效值转换。真有效值转换芯片可选择AD637、AD736、AD737等。如图6所示，R1、R2分别代表高电压臂和低电压臂的电阻，假定被测电压为U，R2两端电压为UR2。根据电流连续性原理：
Figure RE-GDA0002396809770000081
如图7为电流检测单元的示意图，电流检测单元由电流信号检测电路、峰值保持电路组成，它可以检测气液两相放电反应器上的电流信号。电流检测单元将信号传送给数据采集控制单元的ADC，数据采集控制单元再对接收到的信号进行相应操作。电流信号检测电路可以采集放电反应器上的电流信号。
如图8为电流信号检测电路。在本方案中，采用一个电流互感器来感应装置的放电电流。电流互感器为均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管，其输出电压正比于被测电流随时间的变化率。将气液两相放电反应器的地线直通过测量线圈所在的平面，感应放电电流。电流互感器输出电压的表达式为：
e(t)＝dψ(t)/dt＝-(μ0 Nh/2π)ln(Ra/Rb)di/dt (7)
式中：i为被测电流,h为骨架高度,N为线圈匝数，μ0为真空磁导率,Rb、Ra分别为骨架内、外径；用电流互感器测量得到的微小电流的感应出的电压太弱，所以要对采集而来的信号进行放大处理。
式(3)中，
Figure RE-GDA0002396809770000082
是一个常数，用互感系数M表示：
Figure RE-GDA0002396809770000083
由于电流互感器输出电压与被测电流的微分成正比，所以需要对其输出的电压信号进行积分处理才能得到与回路电流成正比的输出电压，峰值保持电路对电流互感器出来的电压信号进行积分后，在通过RMS转化电路。RMS转化电路可以实现对输出的电压信号进行真有效值转化。真有效值转换芯片可选择AD637、 AD736、AD737等。
电压/电流峰值保持电路如图9所示。峰值保持电路探测核脉冲幅度信号并在脉冲峰值时刻保持峰值，同时向数据采集控制单元提出中断申请信号，使数据采集控制单元响应中断启动A/D转换，转换结束后数据采集控制单元使采样保持器复原为采样状况，实现系统的逻辑控制。芯片LF398是美国国家半导体公司研制的集成采样保持器。它只需外接一个保持电容就能完成采样保持功能，其采样保持控制端可直接接于TTL，CMOS逻辑电平。
U2和U3是比较器AD829，U1A、U2A是高速/超高速D触发器,U5A是高速/超高速与门。放大后的脉冲核信号一路输入到下阈比较器，另一路接输入到 LF398。当核信号大于下阈时，比较器U2输出高电平，得到上升沿，上升沿再触发U1A，它的Q端输出高电平和U4A的Q非端相与得到高电平，去控制LF398 的采样控制端进入采样状态。当LF398的输出端信号幅度比输入端大时，即到达峰值时，比较器U3出高电平，得到上升沿，上升沿再触发U4A,它的Q非端输出低电平，U5A输出变为低电平，LF398进入保持状态。U4A的Q非端输出的下跳沿作为数据采集控制单元的中断信号，当A/D转换结束后，数据采集控制单元输出放电和清零CLR信号使采样保持器复原。电路波形见图10。
U2通过由两个三极管和稳压二极管组成的电平转换模块连接到MCU上，当U2输出高电平时向数据采集控制单元提出中断申请信号，数据采集控制单元响应中断启动定时器功能，记录U2高电平的时间，方便数据采集控制单元计算产生活性成分所消耗的能量。本发明的系统通过高压交流电源激励气液两相放电反应器放电产生含活性成分(·OH、O3、H2O2、NOx等)的溶液，再通入催化反应区，利用放电产生的强烈紫外线与催化剂协同作用，进一步提高活性成分浓度。反应的气体则通过缓冲单元循环利用。同时由数据采集与控制单元采集气体和液体流量计的流量信号，反应器供电参数检测单元的电流、电压信号以及放电光谱检测单元的光谱强度信号，经过计算与处理输出控制信号控制具有通信功能的气泵和液泵，即改变了水气混合比，以此来确定系统的最佳能效比，并使系统在最佳范围内工作。具体的流程如下：
步骤1：开始雾化至射流稳定
打开液泵系统和气泵A，使气体和外部水源进入雾化单元，其中高压气源使用空气压缩机泵入气体，在初始的气体流速、液体流速参数下形成水雾射流通入反应区，保持雾化喷嘴打开一段时间，使水雾射流均匀分布反应区域；
步骤2：气液两相放电反应
打开高压交流电源激励反应器放电，产生含活性成分的溶液和气体；
步骤3：进入催化反应区二次反应
含活性成分的溶液和气体进入储液箱A，启动气泵B、液泵B，将储液箱A 中的液体和气体泵入催化反应区；
步骤4：反应气体循环利用
气体从催化反应区排出进入气液分离单元气体进入缓冲单元，与气瓶补充进来的气体一起被气泵A泵入雾化单元循环利用；
步骤5：收集含活性成分的溶液
气液两相放电区产生强烈的紫外线与催化剂在催化反应区协同催化反应产生更高浓度的活性成分溶液通入储液箱B，步骤4中气液分离单元中分离出的液体收集进入储液箱B；
步骤6：数据采集与计算控制，找到最佳能效比并稳定工作
液体和气体流量计将流量信号传输给数据采集与控制单元，放电光谱检测单元和供电参数检测单元检测并将信号输入数据采集与控制单元，微处理器计算出水气混合比，通过牛顿爬山算法判断能效比是否先升后降，若能效比先升后降，说明已经错过最佳能效比工作点，需要调整泵流量降低水气混合比，若能效比一直上升，则继续调大水气混合比，反应产物的活性成分浓度，会因此改变，再通过检测信号的改变，进一步调控，从而达到自动控制的目的，使得系统能效比在峰值附近波动。
活性物质相对产率能效比：
活性物质的相对产率的能效比定义为，经过放电反应器处理之后，特定体积的溶液中活性物质的浓度的改变量与一定时间(T/T0)内消耗的能量的比值。因此，活性物质相对产率能效比可以通过下式求出：
Figure RE-GDA0002396809770000101
其中Eer是能量效率(单位mg·J-1)C0和C1是初始和处理过后的溶液中，活性物质浓度的改变量。Vl是处理的溶液体积(单位L)，Em是一定时间内消耗的能量。通过吸光度检测法直接通过对活性物种的产率的测量来进行能量效率的评估。
最佳能效比跟踪：
1、气液流量自动控制
如图11所示，系统开始工作后，气泵、液泵在初始参数下开始工作，流量传感器将流量信号传输到数据采集与控制单元，反应器产生含活性成分的溶液后，由放电光谱检测单元和供电参数检测单元将信号传给数据采集与控制单元得出现在此工况下的能效比，若能效比是先上升后下降，则得出最佳的能效比。若不是则需要进一步调节气、液流量。系统继续工作时遇到了干扰，工况变化时，则重新启动该程序检测能效比，这样达到最大能效比的跟踪，从而自动控制调节水气比使得系统在最佳能效比附近波动。
2、供电电压自动控制流程
如图12所示，系统开始工作后，工作电源、气泵和液泵在初始参数下开始工作，流量传感器将流量信号传输到数据采集与控制单元，反应器产生含活性成分的溶液后，由放电光谱检测单元和供电参数检测单元将信号传给数据采集与控制单元得出现在此工况下的能效比，若能效比是先上升后下降，则得出最佳的能效比。若不是则需要进一步调节气、液流量。系统继续工作时遇到了干扰，工况变化时，则重新启动该程序检测能效比，这样达到最大能效比的跟踪，从而自动控制调节供电电压使得系统在最佳能效比附近波动。
3、如图13所示，气、液流量自动控制流程如下：
步骤1：气液混合雾化及流量信号采集。气泵液泵在初始参数下开始工作，流量计传感器同时将此参数状态传输给数据采集与控制单元。
步骤2：供电参数和放电光谱信号采集。当气体和液体经过反应区稳定反应后，供电参数检测单元和放电光谱检测单元将放电的吸光度强度信号和电流电压信号传输给数据采集与控制单元。
步骤3：数据采集与控制单元计算水气混合比，发出控制信号控制具有通信功能的气泵和液泵从而调节流量。
步骤4：最佳能效比跟踪。反应区中活性成分浓度会气、液流量(含水率) 变化而变化，利用牛顿爬山算法使得Eer信号在峰值点附近波动，最终使得系统能效比最大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种水雾射流电弧放电固氮装置，其特征在于：所述装置包括雾化单元、液泵系统、气液两相放电反应区、催化反应区、高压交流电源、数据采集与控制单元、放电光谱检测单元、供电参数检测单元、气液分离单元、缓冲单元、储液箱A以及储液箱B；
液泵系统由液泵A及其通信模块组成，具有通信控制功能；液泵系统将外部水源泵入雾化单元，缓冲单元中的气体通过第一气泵泵入雾化单元，液体流量计测量泵入喷嘴中液体的流量，气体流量计测量泵入雾化单元中气体的流量；液泵系统将数据传输给数据采集与控制单元；储液箱A中通过气泵B将经气液两相放电反应区反应的气体抽出至催化反应区中，然后从催化反应区上部排出进入气液分离单元，分离后的气体进入缓冲单元并与新补充的气体一同被气泵A泵入雾化单元，分离的液体最终进入储液箱B储存；储液箱A通过液泵B中经气液两相放电反应区反应的液体抽出至催化反应区中，最终含活性成分的产物溶液收集在储液箱B；
所述高压交流电源为气液两相放电反应区供电，并连接数据采集控制单元供其采集数据；所述气液两相放电反应区供电分别连接放电光谱检测单元与供电参数检测单元，放电光谱检测单元与供电参数检测单元连接数据采集控制单元供其采集数据；
数据采集控制单元通过采集的数据计算出水气混合比和能效比，发出控制信号，控制具有通信功能的液泵和气泵，进而控制气液的流量和供电电压。
2.根据权利要求1所述的水雾射流电弧放电固氮装置，其特征在于气液两相放电反应区、催化反应区、雾化单元整合成一个反应器装置；
所述反应器装置包括第一进气口、第二进气口、第一进水口、第二进水口、出气口、出水口、雾化喷嘴、旋风叶片、金属垫片、高压电极、石英管、催化剂腔、金属底板、环形超声换能器及驱动电路、低压电极、负载TiO2的石英小球以及固定套；
所述放电反应器分为三个区域，分别为雾化区、放电区以及联合作用区；
雾化喷嘴及其下方区域组成雾化区，所述第一进气口位于雾化喷嘴的顶部，第一进水口位于雾化喷嘴的侧壁；
金属垫片、高压电极、石英管和低压电极组成的放电区，其中金属垫片外接高压电源，内与高压电极接触，低压电极接地，实现两电极之间的放电，金属垫片外侧设有密封圈和抱箍；
催化剂腔、负载TiO2的石英小球、以及底部的环型超声换能器组成紫外线、超声波、催化剂联合作用区；所述催化剂腔包裹在石英管的外部，内部填充满负载TiO2的石英小球，环形超声换能器位于催化剂腔下方，同样包裹在石英管的外部，第二进水口和出气口位于催化剂腔的顶部，第二进气口和出水口位于催化剂腔的底部，所述金属底板位于催化剂腔的底部，所述石英管的底部设有固定套。
3.根据权利要求2所述的水雾射流电弧放电固氮装置，其特征在于所述低压电极为螺旋状结构。
4.根据权利要求2所述的水雾射流电弧放电固氮装置，其特征在于所述高压电极包括金属套筒、梭形电极和叶片，梭形电极位于金属套筒内，四周通过倾斜设计的叶片与金属套筒内壁连接。
5.根据权利要求4所述的水雾射流电弧放电固氮装置，其特征在于所述固定套为中空状的圆柱体，圆柱体侧壁下方设置若干用于固定低压电极的螺孔，圆柱体侧壁上方设置若干用于调节电极间距的螺孔，所述螺旋状的低压电极的底部固定在固定套上之后同轴放入石英管内部。
6.根据权利要求2所述的水雾射流电弧放电固氮装置，其特征在于所述石英小球的TiO2负载工艺如下：
选用粒径为0.50-5.00mm的石英小球烧成具有多孔的石英小球,然后将小球浸入钛酸丁酯酒精溶液中，再慢慢向上提，并使用风扇对吹促进酒精挥发，使溶液在石英小球表面生成钛酸薄膜，然后再将多孔石英小球放350-400℃的炉内高温焙烧脱水2小时,形成TiO2薄膜。
7.一种水雾射流电弧放电固氮的参数检测自动控制方法，其特征在于利用权利要求2所述的一种水雾射流电弧放电固氮装置，其步骤如下：
步骤1：开始雾化至射流稳定
打开液泵系统和气泵A，使气体和外部水源进入雾化单元，其中高压气源经过止回阀将气体压入雾化喷嘴，在初始的气体流速、液体流速参数下形成水雾射流通入反应区，保持雾化喷嘴打开一段时间，使水雾射流均匀分布于反应区域；
步骤2：气液两相放电反应
打开高压交流电源，在初始的供电电压参数下，激励反应器放电，产生含活性成分的溶液和气体；
步骤3： 进入催化反应区二次反应
含活性成分的溶液和气体进入储液箱A，启动气泵B、液泵B，将储液箱A中的液体和气体泵入催化反应区；
步骤4：反应气体循环利用
气体从催化反应区排出进入气液分离单元气体进入缓冲单元，与高压气源补充进来的气体一起被气泵A泵入雾化单元循环利用；
步骤5：收集含活性成分的溶液
气液两相放电区产生强烈的紫外线与催化剂、底部的超声波辐射在催化反应区协同催化反应产生更高浓度的活性成分溶液通入储液箱B，步骤4中气液分离单元中分离出的液体收集进入储液箱B；
步骤6: 数据采集与计算控制，最佳能效比跟踪并稳定工作
液体和气体流量计将流量信号传输给数据采集与控制单元，放电光谱检测单元和供电参数检测单元检测并将信号输入数据采集与控制单元，微处理器计算出水气混合比和能效比，通过牛顿爬山算法判断能效比是否先升后降，若能效比先升后降，说明已经错过最佳能效比工作点，需要调整泵流量降低水气混合比，若能效比一直增加，则继续调大水气混合比，反应产物的活性成分浓度，会因此改变，再通过检测信号的改变，进一步调控，从而达到自动控制的目的，使得系统能效比在峰值附近波动。
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