一种用于等离子体耦合电化学固氮制氨装置的气体溶解系统及运行方法

本发明属于等离子体耦合电化学固氮制氨设备，具体涉及一种用于等离子体耦合电化学固氮制氨装置的气体溶解系统及运行方法。

背景技术：

1、等离子体耦合电化学固氮制氨技术是一种新型高效合成氨技术，其包括以下三个步骤：（1）通过等离子体技术将氮气和氧气转化为气态氮氧化物；（2）气态氮氧化物溶解于水溶液中转化为硝酸根；（3）通过电化学还原过程将硝酸根转化为氨，参见专利文献cn201911008208.7、cn202310734082.1和cn202310001540.0。

2、目前，等离子体耦合电化学固氮制氨过程存在气态氮氧化物溶解效率低下的技术问题，这成为制约能耗提升的关键环节之一，未被溶解吸收的气态氮氧化物成为潜在的空气污染源。气态氮氧化物溶解效率较低的主要原因在于通过气管将气态氮氧化物以鼓泡方式通入水溶液过程中，所产生的气泡较大且在溶液中的停留时间较短，难以实现充分溶解，导致后续电化学还原过程中硝酸根浓度相对较低，一定程度上限制了制氨速率和选择性的提升。

3、目前尚未发现针对气态氮氧化物溶解效率低下的有效解决方案，因此亟需研发一种新型技术以实现等离子体耦合电化学固氮制氨装置中气态氮氧化物的高效溶解。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供了一种用于等离子体耦合电化学固氮制氨装置的气体溶解系统及运行方法，该气体溶解系统具有溶液循环利用和气体循环利用等功能，将反应后的溶液再次通入透明蓄水筒经雾化片雾化，提高溶液中硝酸根离子的浓度，经过多轮重复循环操作后，能够为等离子体耦合电化学固氮制氨装置的电化学系统提供高浓度的硝酸根溶液。此外本发明能够将未完全反应的氮气、氧气以及一氧化氮气体通过管道抽风机抽取并通入等离子体反应系统中，将未完全反应的气体再次氧化耦合后通入到气体溶解系统中，达到气体循环利用的目的。

2、本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种用于等离子体耦合电化学固氮制氨装置的气体溶解系统，其特征在于：供水管用于为透明蓄水筒和透明气雾溶解筒提供水源，供水管阀门设置于供水管上用于控制通水的容量；透明蓄水筒内部通过带孔塑料管固定装置安装有带孔塑料管，吸水棉棒设置于带孔塑料管的内部，雾化片设置于吸水棉棒的上部；水雾管道一端密封贯穿带孔透明蓄水筒盖子的孔洞与透明蓄水筒内部连通，用于将雾化片生成的水雾通过水雾管道排入到透明气雾溶解筒内的环状螺旋结构中；气体管道一端与等离子体反应系统出气口连通，气体管道另一端与透明气雾溶解筒密封连通，经过等离子反应体系统氧化耦合生成的氮氧化物气体通过气体管道排入透明气雾溶解筒内的环状螺旋结构中；透明气雾溶解筒内部通过相对设置的支撑板a和支撑板b固定有环状螺旋结构，带孔透明气雾溶解筒盖子上开设有两个孔洞分别用于与气体管道和水雾管道密封连接以通入氮氧化物气体和水雾；透明气雾溶解筒侧壁上部连接有气体循环管道，用于将未完全反应的氮气、氧气以及一氧化氮气体输送至等离子体反应系统中，该气体循环管道上设有管道抽风机，透明气雾溶解筒侧壁下部连接有硝酸根溶液排出管道，该硝酸根溶液排出管道上设有硝酸根溶液排出管道阀门；透明蓄水筒和透明气雾溶解筒下部通过相互并联的管道连通，该相互并联的管道上分别设有蠕动泵a和蠕动泵b，蠕动泵硅胶管分别设置于蠕动泵a和蠕动泵b上。

3、进一步限定，所述带孔塑料管固定装置的外侧通过连接架固定于透明蓄水筒的内壁上，该带孔塑料管固定装置的中部设有插接孔，带孔塑料管竖向插接固定于带孔塑料管固定装置中部的插接孔内，方便安装和拆卸。

4、进一步限定，所述带孔塑料管底部开设有多个孔洞，用于实现放置其内的吸水棉棒进行吸水，带孔塑料管上部设有用于安装雾化片的凹槽。

5、进一步限定，所述带孔透明蓄水筒盖子与透明蓄水筒之间通过橡胶圈密封扣合连接，带孔透明蓄水筒盖子的孔洞中设有与水雾管道密封连接的管道橡胶圈，带孔透明蓄水筒盖子底部与雾化片之间留有缝隙，用于确保雾化片产生的水雾能够从带孔透明蓄水筒盖子的孔洞中顺利排出。

6、进一步限定，所述带孔透明气雾溶解筒盖子与透明气雾溶解筒之间通过橡胶圈密封扣合连接，带孔透明气雾溶解筒盖子的两个孔洞内分别设有与水雾管道密封连接的溶解筒管道橡胶圈a和与气体管道密封连接的溶解筒管道橡胶圈b，用于分别排入水雾和氮氧化物气体，带孔透明气雾溶解筒盖子底部与环状螺旋结构顶部贴合。

7、进一步限定，所述支撑板a和支撑板b相对设置于透明气雾溶解筒的内壁上，环状螺旋结构安装固定于相对设置的支撑板a和支撑板b之间。

8、进一步限定，所述环状螺旋结构的长度较长且螺旋较密集，使氮氧化物气体与水雾充分混合，便于收集水雾吸收氮氧化物气体凝聚生成的水珠；所述环状螺旋结构顶部与带孔透明气雾溶解筒盖子底部贴合，环状螺旋结构底部与透明气雾溶解筒内溶液的液面贴合，用于起到密封作用；环状螺旋结构内部设有多组增压板，氮氧化物气体通过增压板前压力偏大，流过增压板时气体流速增大，气压偏小，设置多组增压板有利于增加气体的溶解凝聚。

9、进一步限定，所述管道抽风机设置于气体循环管道上，用于抽取透明气雾溶解筒内未完全反应的氮气、氧气以及一氧化氮气体并输送至等离子体反应系统中进行氧化耦合，实现气体循环利用的目的。

10、进一步限定，所述蠕动泵a为透明气雾溶解筒供水蠕动泵，蠕动泵b为溶液循环蠕动泵，蠕动泵a通过将供水管供给透明蓄水筒中的水溶液输送至透明气雾溶解筒中以实现透明气雾溶解筒内溶液的液面高度与环状螺旋结构底部贴合，蠕动泵b将反应后透明气雾溶解筒中的溶液输送至透明蓄水筒中，实现溶液循环以提高溶液中硝酸根离子浓度的目的。

11、本发明所述的用于等离子体耦合电化学固氮制氨装置的气体溶解系统的运行方法，其特征在于具体操作步骤为：

12、步骤s1，将雾化片安装于带孔塑料管顶部的凹槽中，打开供水管阀门，通过供水管将水溶液通入到透明蓄水筒中，打开蠕动泵a，将透明蓄水筒中的水溶液输送到透明气雾溶解筒中，待透明气雾溶解筒内水溶液的液面与环状螺旋结构底部齐平时，关闭蠕动泵a，继续往透明蓄水筒中通水，待透明蓄水筒内水溶液的液面与雾化片底部及吸水棉棒顶部齐平时，关闭供水管阀门，停止供水；

13、步骤s2，打开雾化片的开关为雾化片通电，透明蓄水筒中的水溶液通过带孔塑料管的孔洞为雾化片底部的吸水棉棒提供水源，水溶液经过雾化片形成水雾，水雾通过水雾管道输送至透明气雾溶解筒内的环状螺旋结构中；

14、步骤s3，经过等离子体反应系统生成的氮氧化物气体通过气体管道输送至透明气雾溶解筒内的环状螺旋结构中，往透明气雾溶解筒内的环状螺旋结构中通气混合反应充分后停止对气体管道供气；

15、步骤s4，排入透明气雾溶解筒内的水雾和氮氧化物气体在环状螺旋结构内充分混合，水雾溶解氮氧化物气体并凝聚形成水珠，落入透明气雾溶解筒中的水溶液中，透明气雾溶解筒内的液面高度持续上升，打开蠕动泵b，将透明气雾溶解筒中反应后的溶液输送至透明蓄水筒中，待透明气雾溶解筒中的溶液高度再次达到环状螺旋结构底部时，关闭蠕动泵b，输送到透明蓄水筒中的溶液再次通过雾化片进行雾化，将形成的水雾再次排入到透明气雾溶解筒内的环状螺旋结构中与氮氧化物气体进行混合，重复此操作；

16、步骤s5，待充分反应后，断开雾化片的电源，打开管道抽风机开关，将未完全反应的氮气、氧气以及一氧化氮气体从透明气雾溶解筒中抽出，经过气体循环管道将其输送到等离子体反应系统中进行氧化耦合，经过等离子体反应系统氧化耦合后再次以氮氧化物气体的形式通过气体管道排入透明气雾溶解筒内的环状螺旋结构中；

17、步骤s6，重复以上操作，待反应完全后断开雾化片和管道抽风机电源，同时停止对气体管道供气，打开蠕动泵a和硝酸根溶液排出管道阀门的开关，将透明蓄水筒和透明气雾溶解筒中的溶液通过硝酸根溶液排出管道通入到等离子体耦合电化学固氮制氨装置的电化学系统中。

18、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：本发明所述的用于等离子体耦合电化学固氮制氨装置的气体溶解系统中通过设计溶液循环路径的供水管、透明蓄水筒、水雾管道、透明气雾溶解筒、蠕动泵a、蠕动泵b和气体循环路径的气体管道、透明气雾溶解筒、管道抽风机、气体循环管道来提高最终通往电化学系统中溶液的硝酸根浓度，并且将未完全反应的氮气、氧气以及一氧化氮气体回收再次通入等离子体反应系统中氧化耦合实现气体循环利用；通过环状螺旋结构增加了气态氮氧化物和水雾的混合时间和气路长度，易于收集反应后的溶液。待气体排出时，仅剩下未完全反应的氮气、氧气以及一氧化氮气体，气体溶解率高。