一种空气等离子体合成氮氧化物装置的制作方法

1.本发明涉及等离子体发生设备技术领域，尤其涉及一种空气等离子体合成氮氧化物装置。


背景技术：

2.等离子体是物质存在除固、液、气态以外的第四态。将气态物质温度升高到一定值时，气态分子由于剧烈的相互碰撞会发生电离，从而产生数量差不多的正离子和电子，因此等离子体是由大量正离子、电子和中性粒子组成的整体呈现电中性的混合物(高度电离的气体)，由此被称为等离子体。
3.氮是维持生命所需的重要元素，而固氮是将空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程。目前工业上最常用的是哈伯
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博施法(haber
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boschprocess)，但是哈伯
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博施法每年需要消耗全球大量能源并且造成大量环境污染。因此非热等离子体固氮作为一种新兴的固氮方法，近年来受到等离子体物理、化学与能源应用等领域的广泛关注，越来越走到科研工作的前沿。与传统的哈柏法相比，非热等离子体固氮具有清洁无碳排放、常温常压、生产规模较小等优点。
4.用于固氮的常见等离子体源包括介质阻挡放电(dbd)、电晕放电、辉光放电、火花放电和电弧放电等。pati等报道了填充床dbd反应器在无催化剂的情况下合成no
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的能源效率约为4500gj/tn。janda等研究了一种由直流电源驱动的针
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板大气空气瞬态火花放电，其生成no
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的能量效率为614gj/tn。hao等人报告了微空心阴极空气非热平衡等离子体射流产生no
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最高能量效率约为600gj/tn。wang等研究了在常压下脉冲驱动的滑动弧反应器用于no
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固氮，并为这种放电建立了化学动力学模型；他们提出n2的振动激发对no的生成有着重要的作用，热滑移电弧放电比dbd放电固氮效率更高，约300gj/tn。
5.但是上述研究的固氮效率都远低于哈伯
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博施法的固氮效率，无法带来经济效益，并且有的放电装置制作复杂，难以实现量产，这些因素都大大的限制了现有等离子体固氮技术的应用。
6.因此，我们提出了一种空气等离子体合成氮氧化物装置用于解决上述问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种空气等离子体合成氮氧化物装置。
8.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种空气等离子体合成氮氧化物装置，包括高压端固定块和接地端固定块，所述高压端固定块和接地端固定块上分别固定高压电极和接地电极，所述高压端固定块和接地端固定块相互靠近的一侧固定安装有同一个介质管，所述高压电极和接地电极相互靠近的一端均延伸至介质管内，所述介质管上固定套设有散热机构和冷却容器，所述接地电极的底端固定安装有位移控制平台，所述高压端固定块的一侧连接有高压电源，所述高压电极和高压电源通过导线连接在一起。
9.优选的，所述高压电极贯穿高压端固定块并和高压端固定块固定连接在一起，所述接地电极贯穿接地端固定块并和接地端固定块滑动连接在一起。
10.优选的，所述高压端固定块和接地端固定块相互靠近的一侧均开设有螺纹孔，两个螺纹孔内螺纹固定安装有同一个连接螺栓，所述冷却容器上设有进水孔和出水孔，所述进水孔位于出水孔的下方。
11.优选的，所述高压端固定块和接地端固定块上分别开设有高压端气体接入口和接地端气体接入口，所述高压端气体接入口和接地端气体接入口均和介质管相连通，所述高压端固定块和接地端固定块相互靠近的一侧均开设有和介质管相适配的环形卡槽。
12.优选的，所述散热机构包括固定套设在介质管上的筒管，所述筒管上开设有多个呈圆形分布的散热孔，所述筒管的外表面上固定安装有多个呈圆形分布的散热翅片。
13.优选的，所述散热翅片的两侧均开设有三个呈线性分布的流道槽，所述散热翅片上开设有多个呈线性分布的导孔。
14.优选的，所述散热机构的整体材质为导热性优异的金属，所述高压电极和接地电极的材质为耐高温效果好的金属合金。
15.优选的，所述介质管和冷却容器的材质均为耐高温且绝缘性优异的透明材料。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1、本发明实用性高，促使内部流场为交汇式空气流场，促使气流全部通过放电区域并参与放电，有效提高固氮效率；可以结合外置冷却方式，将介质管置于冷却容器中，能够有效降低等离子体区域高温，进一步提高氮氧化物生成效率。
18.2、本发明制作简单，装置由各个部分拼接而成，清洗更换方便，放电形式多样，可以是直流放电，可以是交流放电，也可以是脉冲放电；装置用途可拓展，可以是用来合成氮氧化物，也可以进行不同气体和不同形式的放电研究。
19.3、本发明通过添加散热机构，能够加速介质管、高压电极和接地电极的冷却，能够防止持续放电过程中因高温而出现熔化和形变的情况，改变放电区域的热场，保证放电的稳定性，并且提高氮氧化物产率。
附图说明
20.图1为本发明提出的一种空气等离子体合成氮氧化物装置的正视剖视结构示意图；
21.图2为本发明提出的一种空气等离子体合成氮氧化物装置的阵列图构示意图；
22.图3为本发明提出的一种空气等离子体合成氮氧化物装置中介质管和散热机构的整体结构示意图；
23.图4为本发明提出的一种空气等离子体合成氮氧化物装置中散热机构的整体结构示意图；
24.图5为本发明提出的一种空气等离子体合成氮氧化物装置散热翅片的整体结构示意图；
25.图6为本发明提出的一种空气等离子体合成氮氧化物装置中介质管的不同形状结构示意图；
26.图7为本发明提出的一种空气等离子体合成氮氧化物装置中介质管的不同形状结
构示意图；
27.图8为本发明提出的一种空气等离子体合成氮氧化物装置中高压电极的不同形状结构示意图。
28.图中：1、高压端固定块；11、高压端气体接入口；2、接地端固定块；21、接地端气体接入口；3、介质管；4、高压电极；5、接地电极；6、连接螺栓；7、高压电源；8、位移控制平台；9、散热机构；91、筒管；92、散热孔；93、散热翅片；931、流道槽；932、导孔；10、冷却容器。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1
31.如图1所示，本实施例中提出了一种空气等离子体合成氮氧化物装置，包括高压端固定块1和接地端固定块2，高压端固定块1和接地端固定块2上分别固定高压电极4和接地电极5，高压端固定块1和接地端固定块2相互靠近的一侧固定安装有同一个介质管3，高压电极4和接地电极5相互靠近的一端均延伸至介质管3内，介质管3上固定套设有散热机构9和冷却容器10，接地电极5的底端固定安装有位移控制平台8，高压端固定块1的一侧连接有高压电源7，高压电极4和高压电源7通过导线连接在一起。
32.具体的，放电时首先向通过接地端气体接入口21往装置内持续通入气体，等待装置内残留气体全部从高压端气体接入口11排出，并持续保持通气，通过位移控制平台8使接地电极5靠近高压电极4，打开高压电源7施加电压，接地电极5与高压电极4放电后，再通过位移控制平台8拉大放电间距至指定间距，且在介质管3的两侧开设有进气管，通过两个进气管往介质管3内通气能够冷却高压电极4和接地电极5放电所产生的等离子体。
33.实施例2
34.高压电极4贯穿高压端固定块1并和高压端固定块1固定连接在一起，接地电极5贯穿接地端固定块2并和接地端固定块2滑动连接在一起。
35.高压端固定块1和接地端固定块2相互靠近的一侧均开设有螺纹孔，两个螺纹孔内螺纹固定安装有同一个连接螺栓6，冷却容器10上设有进水孔和出水孔，进水孔位于出水孔的下方。
36.高压端固定块1和接地端固定块2上分别开设有高压端气体接入口11和接地端气体接入口21，高压端气体接入口11和接地端气体接入口21均和介质管3相连通，高压端固定块1和接地端固定块2相互靠近的一侧均开设有和介质管3相适配的环形卡槽。
37.散热机构9包括固定套设在介质管3上的筒管91，筒管91上开设有多个呈圆形分布的散热孔92，筒管91的外表面上固定安装有多个呈圆形分布的散热翅片93；通过设置多个圆形分布的散热翅片93能够增大散热机构9和冷却液的接触面积，加速了散热机构9的冷却效果。
38.散热翅片93的两侧均开设有三个呈线性分布的流道槽931，散热翅片93上开设有多个呈线性分布的导孔932；通过开设在散热翅片93上的流道槽931和导孔932不仅能够减
轻散热翅片93的重量，同时能够增大散热翅片93和冷却液的接触面积，加速了散热翅片93的冷却效果。
39.散热机构9的整体材质为导热性优异的金属，高压电极4和接地电极5的材质为耐高温效果好的金属合金；散热机构9的材质是铜或者其他金属，导热效果更佳，而高压电极4和接地电极5的材质是钨合金或其他金属，能够防止持续放电过程中因高温而出现熔化和形变的情况，保证放电的稳定性。
40.介质管3和冷却容器10的材质均为耐高温且绝缘性优异的透明材料；介质管3和冷却容器10的材质为高硼硅玻璃、石英玻璃或其他复合材料，能够便于观察高压电极4和接地电极5的放电情况。
41.具体的，高压电极4和接地电极5接电过程中将会产生高温，通过将冷却液和冷却容器10的进水孔连接，冷却液再从高处的排水孔排出，在此过程中，整个介质管3完全浸泡在冷却液当中，循环的冷却液能够将介质管3上的高温携带走，对介质管3起到降温的目的，同时可以避免高压电极4和接地电极5因高温出现熔化，通过散热机构9能够将介质管3上的热量导到自身上，并且散热机构9和冷却液的接触面积更广，从而能够加速介质管3的冷却。
42.实施例3
43.如图6所示，与实施例1区别在于对介质管3的形状进行调整，内部的孔径一致，制造起来更加便捷，成本更低。
44.实施例4
45.如图7所示，与实施例1和实施例3的区别在于对介质管3的形状进行调整，减去了两侧的进气管，一体化程度更高。
46.实施例5
47.如图8所示，与实施例1的区别在于对高压电极4的形状进行了调整，内部为中空状，质量更轻，稳定性更强。
48.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。