一种常压脉冲微波空气等离子体催化增强的固氮装置

本发明属于等离子体应用，具体涉及一种常压脉冲微波空气等离子体催化增强的固氮装置。

背景技术：

1、氮是地球生命体最重要的元素之一，在大气中的含量较高。然而氮气分子中顽强的氮氮三键(平均键能为941kj/mol)使得绝大多数生命体无法直接吸收大气中的分子氮，需要一些过程将分子氮转化成可吸收的活性氮，这个过程就是固氮。

2、目前，人类最主要的固氮方式是德国物理化学家haber和bosch于1906年发明的合成氨法(在约300个大气压、温度500℃及催化剂条件下合成氨气，被称为haber-bosch法)。每年通过haber-bosch法生产氨气的产量超过1.3亿吨，但haber-bosch法会排放大量的co2等温室气体以及其他有害气体，对全球的大气环境造成严重的破坏。

3、因此，急需一种绿色的固氮方法。等离子体固氮用电能驱动，就实现了n2向活性氮化物的转化，且即开即用、即关即停，非常适合消纳新能源电能(如风电、光伏等不稳定的可再生能源)固氮，是一种具有零碳排放、灵活性且分布式的固氮方法。对于等离子体固氮来说，空气随处可取，因此将空气作为固氮的主要原料。

4、在近五年等离子体固氮源的研究进展中，滑动弧和微波等离子体矩因拥有较高的固氮能效而最具比较优势。但滑动弧等离子体固氮具有金属污染(存在电极烧蚀)，而微波等离子体(无电极)污染低，具有电子密度高和平均电子温度低(1-3ev)的特性，可以高效产生n2振动激发态和电子激发态粒子，进而促进nox的高效生成。

5、公开号为cn115999484a的中国专利文献公开了一种基于多通道滑动弧的等离子体固氮装置。该发明具有高产量、低能耗、装置结构简单、易于调控等优点，展现出了良好的固氮特性，有助于大规模提高等离子体固氮的产量。但滑动弧等离子体固氮具有金属污染(存在电极烧蚀)，并且滑动弧等离子体无法做到大功率放电，难以满足工业生产的需要。

6、公开号为cn116716618a的中国专利文献公开了一种等离子体电催化增强的固氮装置。该发明具有模块化设计的优势，且实验条件温和，对环境友好。然而，该发明采用电催化方法，需要额外的电能，因此能量消耗较大，固氮转化率较低。

7、seán kelly,bogaerts a.nitrogen fixation in an electrode-freemicrowave plasma,joule,2021,5:1–25.介绍了一种常压n2/o2微波等离子体固氮，微波产生的等离子体具有电子密度高和平均电子温度(在1-3ev范围内)低的理想特性，可以高效产生n2振动激发态和电子激发态粒子，进而促进nox的高效生成，该方法能耗为2mj/mol n，nox转化率为3.8％。然而，哈伯法的固氮能耗约为0.45mj/mol n，该方法仍然是哈伯法能耗的四倍之上。

8、hanyu ma,rakesh k.sharma.observation and rationalization of nitrogenoxidation enabled only by coupled plasma and catalyst nature communications(2022)13:402，介绍了一种在射频等离子体反应器中通过n2氧化产生no的装置，结果表明，使用催化剂后no产量显著增加。然而，该装置的等离子体射流与催化剂的距离过远，这限制了催化增强的效果。

9、综上所述，目前急需一种低能耗并且固氮转化率高的固氮装置。基于此，发明人设计了一种常压脉冲微波空气等离子体催化增强的固氮装置。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的高能耗以及固氮转化率低的问题，从而提出了一种常压脉冲微波空气等离子体催化增强的固氮装置。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、本发明提供一种常压脉冲微波空气等离子体催化增强的固氮装置，包括脉冲微波发生器、环形器、三销钉调配器、波导管、进气口、出气口、等离子体射流、催化剂、金属套管、石英管、短路活塞和水负载；

4、所述环形器是一个能够单向传输微波能量的三端口器件，三端口分别为输入端、输出端和吸收端；

5、所述脉冲微波发生器安装在环形器的输入端，所述三销钉调配器连接在环形器的输出端并与波导管连接；

6、所述石英管的一侧为进气口，另一侧为出气口；

7、所述等离子体射流产生于石英管内，所述金属套管套在石英管上，所述等离子体射流通过催化剂、短路活塞连接在波导管的末端；

8、所述水负载安装在环形器的吸收端，冷却水通过软水管与水负载相连接。

9、进一步地，所述脉冲微波发生器包括微波信号发生器、脉冲调制发生器和功率放大器。采用脉冲调制技术，脉冲微波放电存在脉冲上升沿和脉冲下降沿两次电离增强，产生高能电子，高能电子碰撞n2后生成n2电子激发态粒子，进而促进nox的高效生成。使用脉冲调制技术调控等离子体源的电子温度为0.8ev，这种电子温度促进n2的振动激发，使用脉冲调制技术也可以调控气体温度，减少逆反应的同时提高能量利用率。

10、进一步地，所述进气口的内容物主要成分是空气，所述出气口的内容物主要成分是氮氧化物。

11、进一步地，所述石英管是一种由高纯度石英制成的透明管，其二氧化硅含量在99.95％以上。

12、进一步地，所述等离子体射流是在微波能量的作用下通过电离空气而产生的，并在压强差气流的牵引下形成了一定长度的等离子体射流。

13、进一步地，所述催化剂是活化的al2o3颗粒，选择al2o3作为催化剂，一方面是因为它的生产成本相对较低，另一方面是因为它具有良好的耐高温稳定性。

14、进一步地，所述金属套筒能够提高微波的耦合效率，处于微波中的金属体充当天线的作用，在微波的作用下感应出高频电流，导体表面的感应电流产生的磁场与微波产生共振耦合，共振耦合产生局域增强电场效应，从而激励气体放电产生高密度的等离子体射流。

15、进一步地，所述水负载能够吸收最后剩余的微波能量，避免剩余的微波能量返回脉冲微波发生器，对微波系统进行隔离保护。

16、进一步地，通过调节所述三销钉调配器和短路活塞的旋钮，能够调整微波源和负载之间的阻抗，以实现阻抗匹配，使得波导管中心处的驻波磁场强度最高，有利于形成表面波等离子体矩。

17、进一步地，所述催化剂的装载组件由催化剂床、圆形网盖、半球形网兜和陶瓷块构成，所述催化剂床整体呈管状结构，所述催化剂床的右侧安装有将右侧口盖住用的圆形网盖，所述催化剂床的左侧安装有防止催化剂颗粒被吹出催化剂床外的半球形网兜，所述催化剂床的外侧对称安装有用于增加张力、便于催化剂床安装在石英管内的陶瓷块。

18、本发明的有益效果是：

19、1、本发明通过微波放电电离空气产生等离子体，微波等离子体具有电子密度高和平均电子温度低(在1-3ev范围内)的理想特性，可以高效产生n2振动激发态和电子激发态粒子，进而促进nox的高效生成。本装置采用脉冲调制技术，脉冲微波放电存在脉冲上升沿和脉冲下降沿两次电离增强，产生高能电子，高能电子碰撞n2后生成n2电子激发态粒子，进而促进nox的高效生成。使用脉冲调制技术调控等离子体源的电子温度为0.8ev，这种电子温度促进n2的振动激发，使用脉冲调制技术也可以调控气体温度，减少逆反应的同时提高能量利用率。

20、2、本发明在等离子体射流区放置催化剂(活化的al2o3颗粒)，微波与催化剂共振耦合，在催化剂颗粒与颗粒之间的缝隙形成局域spps(表面等离子体激元)波场，电子受局域spps增强电场加速、碰撞电离气体分子，进而产生大量富含活化能的n2振动激发态和电子激发态粒子，然后进一步反应合成nox。

21、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。