[发明专利]一种基于低温等离子体的氨气回收和氮肥制备装置及方法

说明书

本发明提供了一种基于低温等离子体的氨气回收和氮肥制备装置及方法，该装置包括通过连接阀门连接的第一腔体和第二腔体，第一腔体设有第一等离子体发生装置、输水阀门以及与外部环境连通的第一抽气装置，第二腔体设有第二等离子体发生装置、与大棚或储粪池的环境空间连通的第二抽气装置、浇灌或喷淋装置以及出气阀门，第一腔体和第二腔体之间还设有输水装置，所述浇灌或喷淋装置将混合后的产物输送至大棚或储粪池，本方法通过第一腔体产生的等离子体活化水起到对氨气挥发的抑制效果，第二腔体起到对挥发氨气的捕获效果，结合了气液两相的双重作用，生成硝酸铵实现双倍固氮，既提高了固氮效率，也降低了氮元素的流失率，提高了对氮肥的利用率。

技术领域

本发明涉及低温等离子体固氮技术领域，具体涉及一种基于低温等离子体的氨气回收和氮肥制备装置及方法。

背景技术

氮是生物维持生命所必需的营养元素，氮循环是氮在自然界中的循环转化过程，是生物圈内基本的物质循环之一。空气中含有大约78.09％的氮气，但空气中的氮气并不能被大多数生物直接利用，如何通过固氮增加可利用氮，减少氮浪费引起了大众的关注。

将游离态的氮转化为含氮化合物的过程称为氮的固定，简称固氮。自然界中绝大多数生物都无法直接利用游离态的氮，因此固氮过程是氮循环中至关重要的一环。植物通过吸收土壤中的铵盐和硝酸盐获取并将无机氮转变为蛋白质等有机氮获取氮元素，动物再通过食物链获取转换为动物体内的有机氮，由微生物分解动植物遗体、排出物和残落物中的有机氮化合物转变为无机氮，再经过微生物的其他作用转变为无机氮或分子态氮，由此进行循环。氮元素对其在作物生长的过程中起重要作用，不仅是植物体内构成蛋白质的氨基酸的组成部分，还是植物进行光合作用的叶绿素的构成成分，是植物生长的关键性因素。氮元素是合成肥料的基本成分，因此施用氮肥不仅能提高农产品的产量，还能改善农作物的营养价值。

目前大气中的氮固定主要来自生物固氮、大气固氮与工业固氮等。在自然界的氮循环中，由生物固氮或大气固氮进行固氮。生物固氮主要通过固氮微生物将分子态氮还原为氨完成，可在常温常压下进行，全球每年约有2.97亿吨的含氮化合物是通过微生物的固氮过程实现的，但不易控制且具有不确定性。大气固氮主要在闪电的作用下完成，但其每年固定的含氮化合物大概为1.71亿吨。铵盐和硝酸盐是农业和工业中生产生活的重要成分，仅靠生物固氮和大气固氮的方式进行固氮仍有大量的氮资源没有被利用，并不能满足随着人工增长和科技进步所提高的生产生活需求。

为了解决上述问题，工业固氮是目前常用的人工固氮方法，通常利用H-B(Harber-Bosch)法将氮、氢的混合气体在高温、高压、催化剂作用的条件下相互作用合成氨，但是此过程需消耗大量的能源完成合成过程，工艺复杂会产生大量的副产物，处理困难且易造成污染。随着等离子体科学的发展，近年来等离子体源在空气中放电合成氮氧化物的方法成为了等离子体固氮的主流。不过目前，人们对于非平衡等离子体的固氮机制及主要影响因素尚未完全定论，其在固氮能耗方面与传统的H-B法仍然有着巨大的差距，需要更进一步的理论突破或者新的思路转变，从而进一步推进等离子体固氮在实际中的应用。

中国氮肥利用率仅约为30％-35％，损失率平均达45％，因此过量施肥现象尤为严重，这不仅造成了资源的浪费，还导致了农业氨污染现象的愈发严重。氮肥的过量使用和低利用率，以及畜牧业中动物粪便堆积不及时处理均是氨气浓度过高的重要原因，因此如何提高氮肥利用率，减少氨气挥发尤为关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种基于低温等离子体的氨气回收和氮肥制备装置及方法。

本发明是这样实现的：