CN111661854A - 一种基于低温等离子体催化固氮的氮氧化物吸收利用系统 - Google Patents

一种基于低温等离子体催化固氮的氮氧化物吸收利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低温等离子体催化固氮的氮氧化物吸收利用系统，包括低温等离子体反应装置、加压氧化装置、气体吸收装置、尾气处理装置、吸收液接收装置、混合处理装置。低温等离子体反应装置采用磁旋射流法产生等离子体。经低温等离子体反应装置产生的氮氧化物在气体吸收装置、吸收液接收装置之间进行双重水循环吸收，并与有机肥料中的游离态氨结合。本发明在改善肥料性质的同时将作物不可利用的氮氧化物、氨转变成可吸收的硝酸铵，增强有机肥料的肥力；简便的工艺和设施使落后地区利用低温等离子体进行自主固氮成为可能；工艺排放量低，低温等离子体反应装置由太阳能驱动，符合可持续发展的理念。

Description

一种基于低温等离子体催化固氮的氮氧化物吸收利用系统
技术领域
本发明涉及一种基于等离子体催化的固氮方法，尤其涉及一种绿色环保的、基于低温等离子体催化固氮的氮氧化物吸收利用系统。
背景技术
诞生于19世纪的哈伯固氮法改变了整个肥料工业和农业生产方式，并逐渐发展成为最主要的人工固氮手段。但苛刻的反应条件和复杂的生产过程决定了合成氨工业产业密集、规模庞大的特点，使其无法在土地资源、能源等条件匮乏的偏远、落后地区发展。而该技术巨大的能量消耗和温室气体排放问题也在环境资源问题日益严峻的今天愈加凸显。另一方面，农业生产过程中存在严重的氮流失情况。基于人工固氮的合成氨产品大多用作农肥生产，提高作物产量。但事实上，我国蔬菜作物的氮利用率不足20％，而自然界中可利用氮元素的流失甚至超过施肥总量(120Tg)。如果能够将这部分氮有效固定，减少氮流失，那么肥料利用率将得到极大提升，从需求端缓解固氮工业带来的环境问题。
近几年来，太阳能光伏发电的发展以及科学界对等离子体研究的深入，为人工固氮提供了新的思路。低温等离子体是一种宏观温度在5000K以下的、非平衡态的等离子体。如果能将低温等离子体技术运用到固氮领域，将为当今现存的人工固氮体系提供有益补充。低温等离子体的制造方式多种多样，选择采用磁旋射流的方式制造大面积、高催化效能低温等离子体符合工业生产的要求。其原理是，通过在一个由金属套筒和内部锥形导体组成的发生器中施加一定的电压形成稳定低温等离子体。空气通过进气口进入套筒，形成旋转的气流，推动锥形导体和金属套筒之间的电弧沿电极向下作螺旋运动，最终形成稳定、圆盘状的低温等离子体区域。
实验证明，由低温等离子体催化生成的氮氧化物气体具有浓度低、无杂质、活性物质含量高的特点。但气体活性具有随时间减弱的特性，因此需要即时反应、即时吸收、及时处理的后续吸收利用方法。除此之外，由于氮氧化物是多种酸性氧化物的结合，故需要经过酸碱中和形成可靠盐类，才能被植物吸收。有机肥料主要由餐厨垃圾和牲畜排泄物组成，在发酵的过程中会产生大量的氨。这些氨如果能被具有活性的氮氧化物固定，则可以实现“生产一份氮、固定两份氮”的目标。因此利用等离子体产生的氮氧化物吸收有机肥料中氨的工艺，可以为人工固氮提供一种新的思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于基于低温等离子体催化固氮的氮氧化物吸收利用系统，能够将太阳能驱动的低温等离子体射流固定的氮氧化物有效溶解于水中，形成中间产物稀硝酸，然后利用稀硝酸捕获有机肥料中的游离态的氨，产生可被植物高效吸收的硝酸铵。
Figure BDA0002482379970000021
HNO3+NH3＝＝NH4NO3
上述的固氮目标是通过以下技术方案来实现的：一种基于低温等离子体催化固氮的氮氧化物吸收利用系统，该系统的结构包括低温等离子体反应装置、加压氧化装置、气体吸收装置、尾气处理装置、吸收液接收装置、混合处理装置；所述加压氧化装置入口连接低温等离子体反应装置，出口连接气体吸收装置；所述气体吸收装置上端连接尾气处理装置，下端与吸收液接收装置相连并使用离心泵实现吸收液体循环；吸收液处理装置下口与混合处理装置相连，从而定时定量地向混合处理装置中提供吸收液。
进一步地，所述的低温等离子体反应装置包括光伏发电装置、等离子体太阳能聚光罩、低温等离子体发生器阵列。所述光伏发电装置直接与低温等离子体发生阵列连接，所述等离子体太阳能聚光罩位于低温等离子体发生器阵列下方，用于为低温等离子体射流提供太阳能汇聚光热能，增强低温等离子体催化效果。所述低温等离子体发生器阵列采用磁旋放电法产生低温等离子体。
进一步地，所述的加压氧化装置包括空气风机、气体压缩机和压力阀。所述气体压缩机进气口连接空气风机和低温等离子体发生器阵列，接收低温等离子体发生器阵列中产生的NOX气体，其出气口通过压力阀与气体吸收装置相连，控制出气流量。
进一步地，所述的气体吸收装置包括主吸收罐、次级吸收罐、离心泵、主喷头、次喷头。其中主吸收罐下端与气体压缩机连通，上端与次级吸收罐的下端连通。主吸收罐、次级吸收罐的底部均与吸收液接收装置连通并使用阀门控制流量，离心泵上端与主喷头和次喷头连通，下端与吸收液接收装置连通；所述主喷头位于主吸收罐内部上方，次喷头位于次级吸收罐内部上方，均通过离心泵实现吸收液体循环。
进一步地，所述的尾气处理装置包括尾气吸收罐、尾气处理液。尾气吸收罐下端接次级吸收罐的上端，上端与排放口连通，排放经处理后的尾气。
进一步地，所述的吸收液接收装置包括吸收液接收池、吸收液贮存罐、采样罐、第一pH检测装置。其中吸收液接收池分别与离心泵、吸收液贮存罐、采样罐连通并使用阀门控制流量。采样罐与第一pH检测装置连通，并使用阀门控制流量。
进一步地，混合处理装置包括处理池、搅拌机、输送管道、有机肥贮存罐以及第二pH检测装置。其中处理池通过由阀门控制流量的管道接收来自吸收液接收池的吸收液以及来自输送管道输送的、贮存在有机肥贮存罐中的有机肥料。搅拌机安装在处理池底部，通过机械搅拌的方式促进有机肥辽与吸收液的混合，第二pH检测装置与处理池相连，对混合产物的pH进行检测，从而为加入吸收液的流量控制提供参考。
进一步地，尾气处理液为质量分数5％的次氯酸钙水溶液，吸收液贮存罐中贮存的液体为质量分数2％～3％的稀氨水。
进一步地，所有的管道、阀门、气泵、液泵、容器、搅拌机均进行抗腐蚀处理。
所述处理池通过由阀门控制流量的管道接收来自吸收液接收池的吸收液以及来自输送管道输送的、贮存在有机肥贮存罐中的有机肥料。有机肥料和吸收液混合后用搅拌机搅拌，实现游离态氨的捕获。
本发明实现的有益效果是：本是通过双重循环的吸收方式有效吸收来自低温等离子体生成的活性氮氧化物，并与有机肥料中的游离态氨结合，在改善肥料性质的同时将作物不可利用的氨、氮氧化物转变成可吸收的硝酸铵，增强了有机肥料的肥力；较为简便的工艺和设施使落后地区利用低温等离子体进行自主固氮成为可能；该工艺排放量低，且低温等离子体反应装置可由太阳能、地热能等新能源驱动，符合可持续发展的理念，是一种使用可再生能源的、绿色环保的固氮工艺。
附图说明
图1为一种基于低温等离子体催化固氮的氮氧化物吸收利用系统示意图；
图2为低温等离子体反应装置工作示意图；
图中，1.低温等离子体反应装置；2.加压氧化装置；3.气体吸收装置；4.尾气处理装置；5.吸收液接收装置；6.混合处理装置；7.光伏发电装置；8.等离子体太阳能聚光罩；9.低温等离子体发生器阵列；10.空气风机；11.气体压缩机；12.压力阀；13.主吸收罐；14.次级吸收罐；15.离心泵；16.主喷头；17.次喷头；18.尾气吸收罐；19.尾气处理液；20.排放口；21.吸收液接收池；22.吸收液贮存罐；23.采样罐；24.第一pH检测装置；25.处理池；26.搅拌机；27.输送管道；28.有机肥贮存罐；29.第二pH检测装置。
具体实施方式
下面结合图1和图2，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。本发明中，一种基于低温等离子体催化固氮的氮氧化物吸收利用系统，该系统的技术路线为使用处于非平衡态的、整体温度在5000K以下的低温等离子体催化空气中氮气和氧气的化合反应生成具有反应活性的NOX气体，并将NOX经过加压氧化、双重水循环吸收、混合处理等工序固定成为可被植物吸收利用的氮肥，在绿色生产、节能减排的同时达到直接从空气中汲取氮的目的。该系统产生低温等离子体的方式为光热协同催化下的磁旋射流法。
该系统的结构包括低温等离子体反应装置1、加压氧化装置2、气体吸收装置3、尾气处理装置4、吸收液接收装置5、混合处理装置6；
所述的低温等离子体反应装置1包括光伏发电装置7、等离子体太阳能聚光罩8、低温等离子体发生器阵列9。所述光伏发电装置7直接与低温等离子体发生阵列9连接，所述等离子体太阳能聚光罩8位于低温等离子体发生器阵列9下方，用于为低温等离子体射流提供太阳能汇聚光热能，增强低温等离子体催化效果。所述低温等离子体发生器阵列9采用磁旋放电法产生低温等离子体。
所述的加压氧化装置2包括空气风机10、气体压缩机11和压力阀12。所述气体压缩机11进气口连接空气风机10和低温等离子体发生器阵列9，接收低温等离子体发生器阵列9中产生的NOX气体，其出气口通过压力阀12与气体吸收装置3相连，控制出气流量。
所述的气体吸收装置3包括主吸收罐13、次级吸收罐14、离心泵15、主喷头16、次喷头17。其中主吸收罐13下端与气体压缩机11连通，上端与次级吸收罐14的下端连通。主吸收罐13、次级吸收罐14的底部均与吸收液接收装置5连通并使用阀门控制流量，离心泵15上端与主喷头16和次喷头17连通，下端与吸收液接收装置5连通；所述主喷头16位于主吸收罐13内部上方，次喷头17位于次级吸收罐14内部上方，均通过离心泵15实现吸收液体循环。
所述的尾气处理装置4包括尾气吸收罐18、尾气处理液19。尾气吸收罐18下端接次级吸收罐14的上端，上端与排放口20连通，排放经处理后的尾气。尾气处理液19为质量分数5％的次氯酸钙水溶液。
所述的吸收液接收装置5包括吸收液接收池21、吸收液贮存罐22、采样罐23、第一pH检测装置24。其中吸收液接收池21分别与离心泵15、吸收液贮存罐22、采样罐23连通并使用阀门控制流量。采样罐23与第一pH检测装置24连通，并使用阀门控制流量。吸收液贮存罐22中贮存的液体为质量分数2％～3％的稀氨水。
混合处理装置6包括处理池25、搅拌机26、输送管道27、有机肥贮存罐28以及第二pH检测装置29。其中处理池25通过由阀门控制流量的管道接收来自吸收液接收池21的吸收液以及来自输送管道27输送的、贮存在有机肥贮存罐28中的有机肥料。搅拌机26安装在处理池25底部，通过机械搅拌的方式促进有机肥辽与吸收液的混合，实现游离态氨的捕获。第二pH检测装置29与处理池25相连，对混合产物的pH进行检测，从而为加入吸收液的流量控制提供参考。
本发明中所有的管道、阀门、气泵、液泵、容器、搅拌机均进行抗腐蚀处理。
氮氧化物吸收利用系统的工作方式如下：如图1，首先开启吸收液贮存罐22和吸收液接收池21之间的阀门，直到吸收液接收池21中存有体积足以支持循环的吸收液为止。此时开启离心泵15，吸收液通过离心泵15的作用进入主喷头16和次喷头17，以喷洒的方式进入吸收罐，最后回到吸收液接收池21，从而在气体吸收装置3和吸收液接收装置5之间循环。循环稳定发生后，开启低温等离子体发生器阵列9。由低温等离子体反应装置1产生的氮氧化物气体进入加压氧化装置2中，在与空气风机10通入的空气混合增压后用气体压缩机11对混合气体中的NO进行加压氧化处理；一段时间后开启压力阀12，气体进入主吸收罐13，进而进入次级吸收罐14。经过两轮循环吸收的气体中氮氧化物含量明显降低，将进入尾气吸收罐18中与尾气处理液19充分接触，进一步得到吸收与净化。经过尾气吸收的气体将通过排放口20排放到空气中。
循环中的吸收液可以适时用采样罐23收集并用pH检测装置24检测。当吸收液经过一段时间的循环后，其中将含有一定浓度的硝酸铵、硝酸。此时可以开启阀门，将吸收液注入处理池25中，同时通过pH检测装置29检测有机肥料混合物的pH，并将足量的有机肥料通过输送管道27与处理池25中的吸收液混合并使用搅拌机26进行搅拌。充分搅拌后的混合物碱性下降，更易被植物吸收，同时其中的硝酸铵等含氮盐类的含量将显著提高，从而达到固氮效果。
特别地，本发明中，低温等离子体反应装置工作方式如下：如图2，将空气从空气入口中持续通入，由太阳能板收集的电能通过变压器为低温等离子体的生成提供能量，进而形成射流；聚光罩用于汇聚太阳光作用于等离子体浓度高的位置，从而提供额外的能量供其反应；生成的氮氧化物气体通过缩口喷嘴喷出，进入加压氧化装置2中进行后续处理。

Claims (9)

1.一种基于低温等离子体催化固氮的氮氧化物吸收利用系统，其特征在于：该系统的结构包括低温等离子体反应装置(1)、加压氧化装置(2)、气体吸收装置(3)、尾气处理装置(4)、吸收液接收装置(5)、混合处理装置(6)；所述加压氧化装置(2)入口连接低温等离子体反应装置(1)，出口连接气体吸收装置(3)；所述气体吸收装置(3)上端连接尾气处理装置(4)，下端与吸收液接收装置(5)相连并使用离心泵(15)实现吸收液体循环；吸收液处理装置(5)下口与混合处理装置(6)相连，从而定时定量地向混合处理装置(6)中提供吸收液。
2.根据权利要求1所述的一种基于低温等离子体催化固氮的氮氧化物吸收利用系统，其特征在于：所述的低温等离子体反应装置(1)包括光伏发电装置(7)、等离子体太阳能聚光罩(8)、低温等离子体发生器阵列(9)。所述光伏发电装置(7)直接与低温等离子体发生阵列(9)连接，所述等离子体太阳能聚光罩(8)位于低温等离子体发生器阵列(9)下方，用于为低温等离子体射流提供太阳能汇聚光热能，增强低温等离子体催化效果。所述低温等离子体发生器阵列(9)采用磁旋放电法产生低温等离子体。
3.根据权利要求1所述的低温等离子体固氮吸收利用系统，其特征在于：所述的加压氧化装置(2)包括空气风机(10)、气体压缩机(11)和压力阀(12)。所述气体压缩机(11)进气口连接空气风机(10)和低温等离子体发生器阵列(9)，接收低温等离子体发生器阵列(9)中产生的NOX气体，其出气口通过压力阀(12)与气体吸收装置(3)相连，控制出气流量。
4.根据权利要求1所述的低温等离子体固氮吸收利用系统，其特征在于：所述的气体吸收装置(3)包括主吸收罐(13)、次级吸收罐(14)、离心泵(15)、主喷头(16)、次喷头(17)。其中主吸收罐(13)下端与气体压缩机(11)连通，上端与次级吸收罐(14)的下端连通。主吸收罐(13)、次级吸收罐(14)的底部均与吸收液接收装置(5)连通并使用阀门控制流量，离心泵(15)上端与主喷头(16)和次喷头(17)连通，下端与吸收液接收装置(5)连通；所述主喷头(16)位于主吸收罐(13)内部上方，次喷头(17)位于次级吸收罐(14)内部上方，均通过离心泵(15)实现吸收液体循环。
5.根据权利要求1所述的低温等离子体固氮吸收利用系统，其特征在于：所述的尾气处理装置(4)包括尾气吸收罐(18)、尾气处理液(19)。尾气吸收罐(18)下端接次级吸收罐(14)的上端，上端与排放口(20)连通，排放经处理后的尾气。
6.根据权利要求1所述的低温等离子体固氮吸收利用系统，其特征在于：所述的吸收液接收装置(5)包括吸收液接收池(21)、吸收液贮存罐(22)、采样罐(23)、第一pH检测装置(24)。其中吸收液接收池(21)分别与离心泵(15)、吸收液贮存罐(22)、采样罐(23)连通并使用阀门控制流量。采样罐(23)与第一pH检测装置(24)连通，并使用阀门控制流量。
7.根据权利要求1所述的低温等离子体固氮吸收利用系统，其特征在于：混合处理装置(6)包括处理池(25)、搅拌机(26)、输送管道(27)、有机肥贮存罐(28)以及第二pH检测装置(29)。其中处理池(25)通过由阀门控制流量的管道接收来自吸收液接收池(21)的吸收液以及来自输送管道(27)输送的、贮存在有机肥贮存罐(28)中的有机肥料。搅拌机(26)安装在处理池(25)底部，通过机械搅拌的方式促进有机肥辽与吸收液的混合，第二pH检测装置(29)与处理池(25)相连，对混合产物的pH进行检测，从而为加入吸收液的流量控制提供参考。
8.根据权利要求5所述的低温等离子体固氮吸收利用系统，其特征在于：尾气处理液(19)为质量分数5％的次氯酸钙水溶液，吸收液贮存罐(22)中贮存的液体为质量分数2％～3％的稀氨水。
9.根据权利要求1-8任一项所述的低温等离子体固氮吸收利用系统，其特征在于：所有的管道、阀门、气泵、液泵、容器、搅拌机均进行抗腐蚀处理。
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