一种磁化脉冲微波空气等离子体炬固氮装置

本发明属于等离子体，具体涉及一种磁化脉冲微波空气等离子体炬固氮装置。

背景技术：

1、等离子体固氮技术以电能为驱动力，实现n2向活性氮化物的有效转化，不仅具有即开即用、即关即停的便捷性，还非常适合消纳风电、光伏等不稳定可再生能源，从而实现了固氮过程的零碳排放。此外，等离子体固氮技术还兼具灵活性和分布式特点，为固氮过程的多样性和普及性提供了有力支持。对于等离子体固氮技术来说，空气因其随处可取的特性使得该技术具有更广泛的适用性，因此空气成为了等离子体固氮技术理想的原料选择。

2、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、装置结构简单等优点，展现出良好的固氮特性，有助于提高等离子体固氮的产额。但滑动电弧等离子体放电会导致放电电流与电极材料相互作用，电极材料会受到高温和高电流密度的共同作用，导致电极材料的熔化和蒸发，造成电极烧蚀，产生金属污染，电极烧蚀会减少电极的使用寿命，降低固氮效率。

3、公开号为cn115554952a的中国专利文献公开了公开一种基于纳秒脉冲火花放电的射流等离子体固氮装置及方法。该装置没有阻挡介质，直接击穿气体，放电难度低。该装置的缺点是纳秒脉冲电源虽然可以产生高能脉冲，但火花放电容易受到电极表面的状态、气体的流动和压力等因素的影响，所以放电的稳定性会受到影响。

4、seán kelly,bogaerts a.(nitrogen fixation in an electrode-freemicrowave plasma,joule,2021,5:1–25.)介绍了微波等离子体将空气中的氮固定为氮氧化物的高能效方法。文章中介绍了微波产生的等离子体具有高电离率和相对较低的平均电子能量(在1-3ev范围内)的理想特性。1-3ev的电子能量与高电子密度相结合，大量的电子与氮气分子相互碰撞，在碰撞过程中，电子将部分能量传递给氮气分子，促进n2解离。其最低能量成本为2mj/mol n，总nox产量为3.8％，具有能量成本低的优点，但氮氧化物产额与传统的哈伯法相比仍然很低。

5、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因拥有较高的固氮能效而最具优势。但电弧的滑移可能会导致设备工作不稳定，且滑动弧的电极会造成金属污染；相比之下，微波产生的等离子体污染低，且高效稳定、安全性高；微波产生的等离子体具有高电离率和相对较低的平均电子能量的理想特性，微波能量会与氮气分子发生相互作用，促进氮气分子的解离，有利于氮气振动激发态的形成。

6、彭科,刘玥汐等在《磁场固定串联辉光等离子体固氮特性研究》(北京大学学报自然科学版,2023,59:915-922)提出一种由两个等离子体发生装置串联组成的新型磁场固定串联辉光等离子体固氮装置。该装置具有固氮能耗低的优点，但辉光放电过程中会产生大量的紫外线和臭氧，这些有害物质可能会对环境和操作人员的健康造成影响。

7、因此，如何提供一种低能耗且固氮转化率高的固氮装置是目前急需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的高能耗、高污染问题，提供一种磁化脉冲微波空气等离子体炬固氮装置，具有能耗低、产量高、操作简单、节能环保等优点。

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、本发明提供一种磁化脉冲微波空气等离子体炬固氮装置，包括脉冲微波发生器、环形器、水负载、冷却水箱、三销钉调配器、波导管、短路活塞、切向导气盘、放电石英管、金属套筒和励磁线圈；

4、所述放电石英管的内腔作为等离子体射流的产生区，所述放电石英管的两侧分别为切向导气盘和出气口，所述金属套筒在靠近波导管的位置套在放电石英管外，在靠近所述出气口的位置布有励磁线圈，所述励磁线圈缠绕于放电石英管外部；

5、所述波导管用于传输微波能量，所述放电石英管横穿波导管的中心位置，所述波导管的一端连接短路活塞，所述波导管的另一端连接三销钉调配器；

6、所述环形器设有连接脉冲微波发生器用的第一端口、连接三销钉调配器用的第二端口以及连接水负载用的第三端口；所述水负载连接冷却水箱。

7、进一步地，所述脉冲微波发生器包括微波信号发生器和脉冲调制发生器；所述微波信号发生器的工作频率范围为2.4ghz-2.5ghz，微波入射峰值功率范围为2.4kw-2.6kw，反射峰值功率范围为0.2kw-0.4kw；所述脉冲调制发生器的调制频率范围为90hz-110hz，脉冲占空比范围为70％-80％。所述脉冲调制发生器中采用脉冲调制技术，保留了微波等离子体射流高密度的优点，具有纳秒级的电压上升沿信号，电子在极短的时间内获得极高的能量，低能电子被加热到高能电子后，进而参与气体的电离过程。同时在脉冲调制的下降沿信号处，微波能量供应结束，减缓了等离子体射流内的热电子效应；微波驱动引入脉冲调制技术后，提升了电离效率，降低了气体温度，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，减少固氮过程的热损耗，提高电能的利用率。

8、进一步地，所述脉冲调制发生器通过调节脉冲的宽度，能够控制微波能量输入的放电时间；所述脉冲调制发生器通过调节占空比，能够降低等离子体炬的气体温度。

9、进一步地，所述励磁线圈用于产生磁场，通过接入直流可调电源实现对磁场强度的调控，使等离子体中的带电粒子受到洛伦兹力的作用，提高电子与气体分子相碰撞的几率，从而增加了气体的碰撞电离率，扩展了放电区域，减弱了丝弧放电的转化几率，促进氮气分子解离，有利于氮气振动激发态的形成。所述励磁线圈为磁场产生部件，磁场方向为装置轴线方向；每匝线圈的电压为3v，增设线圈的匝数范围为10匝，电阻为60；本实施例中线圈直径为35mm，线圈高度为1mm，每匝线圈间距为5mm，电感量为1.704μh，产生的磁场范围为0.07t-0.09t；在磁场的作用下，等离子体中的带电粒子会受到洛伦兹力的作用，本实施例中包含的大量高能电子与各类活性基团通过碰撞作用使氮气分子裂解，有助于提高氮气转化，有利于氮气振动激发态的形成，提高氮氧化物产额。

10、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。

11、进一步地，调节所述三销钉调配器使其与脉冲微波发生器的阻抗相匹配，能够使微波能量更加有效地传输到装置中激发工作气体，减少能量损耗，实现最大化能量传输。

12、进一步地，所述短路活塞通过调节短路活塞的位置，使得波导管中心处的微波能量强度最高，有利于高效形成表面波等离子体炬；并将未被吸收的微波能量反射回放电石英管，反射回的微波能量再次激发放电石英管内的工作气体，剩下未被吸收的能量传输到环形器的水负载。

13、进一步地，所述水负载吸收最后剩余的微波能量，避免剩余的微波能量对脉冲微波发生器造成损害，对微波系统进行隔离保护。

14、进一步地，所述冷却水箱通过冷却水循环，可以将热量从设备中带走，降低装置内温度，减少固氮过程的热损耗，保持设备的正常运行。

15、进一步地，所述放电石英管的腔体材料为纯度大于99.99％的石英。

16、本发明的有益效果是：

17、1、本发明通过微波放电激发的等离子体射流具有温度低、活性粒子丰富等独特优势；使用脉冲调制技术，保留了微波等离子体射流高密度的优点，具有纳秒级的电压上升沿信号，电子可以在极短的时间内获得极高的能量，低能电子被加热到高能电子后，进而参与气体的电离过程。同时，在脉冲调制的下降沿信号处，微波能量供应结束，减缓了等离子体射流内的热电子效应。所以微波驱动引入脉冲调制技术后，提升了电离效率，降低了气体温度，减少固氮过程的热损耗，提高电能的利用效率，有利于形成氮气振动激发态，提高氮氧化物的产额。

18、2、本发明提供的固氮装置使用励磁线圈产生磁场，在磁场的作用下，等离子体中的带电粒子会受到洛伦兹力的作用，其中包含的大量高能电子与各类活性基团通过碰撞作用使氮气分子裂解，这有助于提高等离子体中的氮气转化，有利于氮气振动激发态的形成，从而提高氮氧化物的产额。

19、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。