浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2021, 55(8): 1558-1565 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.08.017

能源工程

旋转滑动弧等离子体固氮的物理特性

陈航,, 吴昂键,, 郑佳庚, 李晓东, 严建华

浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027

Characteristics of rotating gliding arc on nitrogen fixation

CHEN Hang,, WU Ang-jian,, ZHENG Jia-geng, LI Xiao-dong, YAN Jian-hua

State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

通讯作者: 吴昂键，男，助理研究员. orcid.org/0000-0002-3703-1252. E-mail: wuaj@zju.edu.cn

收稿日期: 2021-02-1  

基金资助: 国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51806193）；国家自然科学基金资助项目（51976191）

Received: 2021-02-1  

Fund supported: 国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51806193）；国家自然科学基金资助项目（51976191）

作者简介 About authors

陈航（1996—），男，硕士生，从事低温等离子体在气体处置、重整方面的应用研究.orcid.org/0000-0001-5725-3541.E-mail:chenhangtry@zju.edu.cn , E-mail：chenhangtry@zju.edu.cn

摘要

采用旋转滑动弧等离子体（RGA）进行固氮实验研究. 为了考察在N2/O2气氛下放电的物理特性，利用光谱仪、高速摄影仪、示波器等进行研究，考察放电参数、气体体积流量对于氮气的振动温度、氮气的转动温度和电弧特性的影响，以及以上因素对于RGA固氮效果的综合影响. 实验结果表明，放电过程可以生产大量NOx气体，通过光谱检测可以清晰观测到NO的γ带系、氮气第二正带系和氮气离子第一负带系. 增加放电的氧气体积分数，氮气的振动温度将升高，并伴随着固氮产出的提高；在一定范围内（10%~40%），氧气体积分数提升在提升固氮效果的同时，对放电稳定性有不利影响. 综合分析表明，接近空气的放电气氛（氧气体积分数为20%）或直接采用空气放电，能够实现旋转滑动弧等离子体放电固氮的最佳效果.

关键词： 旋转滑动弧 ; 等离子体 ; 固氮 ; 光谱分析 ; 高速摄影

Abstract

Rotating gliding arc (RGA) was applied to nitrogen fixation. Optical diagnosis, high speed photography and oscilloscope were used to investigate the physical characteristics of the N2/O2 discharge. The effects of discharge parameters and volume flow rates on vibrational temperature, rotational temperature and arc characteristics were analyzed, which influenced the nitrogen fixation performance of RGA. Results show that NOx of high concentration was produced in the discharge process, and typical NO-γ, N2 (C-B) and N2+ (B-X) bands were detected by optical diagnosis. The increase of oxygen volume fraction would raise the vibrational temperature of nitrogen, accompanied by the rise of NOx concentration. Higher oxygen volume fraction (10%~40%) reached better output while led to instability of discharge. The mixture of 20% oxygen volume fraction or the air could be the most optimum gas supply to reach better nitrogen fixation performance.

Keywords： rotating gliding arc ; plasma ; nitrogen fixation ; optical diagnosis ; high-speed photography

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本文引用格式

陈航, 吴昂键, 郑佳庚, 李晓东, 严建华. 旋转滑动弧等离子体固氮的物理特性. 浙江大学学报(工学版)[J], 2021, 55(8): 1558-1565 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.08.017

CHEN Hang, WU Ang-jian, ZHENG Jia-geng, LI Xiao-dong, YAN Jian-hua. Characteristics of rotating gliding arc on nitrogen fixation. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2021, 55(8): 1558-1565 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.08.017

自20世纪以来，固氮工业的发展极大推动了农业的进步，但基于合成氨工艺的工业主流固氮方式（哈柏法）所导致的能源和环境问题也不容忽视. 该方法不仅依托密集庞大的基础设施和资本投入，反应本身也需要高温、高压（450~600 ℃、15.0~35.5 MPa）的环境. 此外，该反应以高纯的氢气和氮气为原料，年直接消耗全球近1%~2%的化石能源，生产过程排放近3亿吨的CO2[1-3]. 在环境问题（特别是温室效应、全球变暖日趋严峻）和能源问题日益凸显的今天，发展低碳、清洁的新型固氮技术迫在眉睫.

低温等离子体氧化固氮技术，可以在常温、常压的条件下实现极稳定的氮氮三键活化（9.8 eV），因此逐渐成为固氮研究的热点. 相比传统哈柏法固氮，低温等离子体技术具有小型化、易操作性、即启即停等特性，可以灵活兼容太阳能、风能、潮汐能等间歇性的新能源供电[4-6]，直接以空气为氮源实现游离态氮分子的固定. 和还原性固氮不同，等离子体氧化固氮无须通过化石燃料（如甲烷、煤炭）制氢单元和空气分离单元，形成的氮氧化物可以转化为硝酸、硝酸铵及其他硝酸盐[5]，有利于削减成本，简化原本工业制硝酸中将氨气氧化为NO2的步骤. 特别对于偏远地区或者全球经济欠发达的区域，基于等离子体氧化的分布式固氮可以弥补技术资金分布不均导致的不平衡. Graves等[7]提出使用等离子体原位固氮系统，采用NOx发生装置进行空气放电，制取以硝酸为主要成分的等离子活化水，用于固定土壤以及动物排泄物中的易挥发（以氨的形式）含氮物质，在减少氮流失的同时提高土壤肥力.

低温等离子体固氮的理论最低能耗约为0.10 MJ/mol，远低于哈柏法合成氨的0.48 MJ/mol[3]，因此在近年来再次成为研究热点. Azizov等[8]利用微波放电，在低压和液氮冷却的条件下，实现 0.29 MJ/mol的固氮能耗水平，但严苛的反应条件和低产量是其工业化的障碍. 在常温、常压的放电条件下，Patil 等[1]采用刀片滑动弧放电，可以在1 L/min 的处理量下，合成0.4%体积分数的NOx，能耗为4.8 MJ/mol. Yang等[9]将空气滑动弧放电所产生的气体通入水中以制取NOx−，其产率最高为0.1 mg/(L·W).

针对大气压低温等离子体固氮的研究依旧处于起步阶段，相关工作主要集中在射流等离子体活化水的生物、农业及医疗应用[10-14]上，对于等离子体固氮的基础研究较少. 相对于射流等离子体，滑动弧等离子体拥有更高的能量密度和更好的处理效果. 如Mei等[15]使用滑动弧降解焦油，其降解率可以达到95.7%；Zhang等[16]使用滑动弧进行二氧化碳转化，其转化率可以达到10.8%；杜长明等[17]采用滑动弧进行甲烷降解，去除率可以达到90%. 在现有的研究中，固氮效果较好的即为滑动弧装置[1]，但在经济性上与工业合成氨仍有较大差距.

本研究提出采用旋转滑动弧等离子体（rotating gliding arc，RGA）固氮，相对于刀片滑动弧，RGA有更高的反应活性和更大的处理量[6,18-19]. 针对旋转滑动弧等离子体空气放电固氮的放电物理特性开展研究，包括光谱分析、高速摄影和电参数分析，在此基础上提出旋转滑动弧固氮的最佳工况.

1. 实验装置和方法

1.1. 实验系统和流程

如图1所示为旋转滑动弧固氮实验系统，该系统主要包括旋转滑动弧反应器、进气系统、高压电源、气体检测系统和光谱检测系统. 旋转滑动弧反应器由锥形内电极、圆柱形外电极、环形磁铁组成. 电极间的最小间距为 2 mm，内电极圆锥底部（最大直径处）直径为32 mm，底部距尖端的轴向距离为57 mm. 环形磁铁为反应区域提供垂直方向的磁场，磁场强度约0.1 T. 电极根部置有旋流片，气体由进气口进入反应器后经旋流片形成旋流，旋流方向与电极轴向夹角约为40°. 在旋流和磁场的共同作用下，被激发的电弧在以内电极为轴旋转并延伸的同时沿电极轴向拉长，从而形成三维等离子体区域.

图 1

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图 1   旋转滑动弧固氮实验系统

Fig.1   Experimental scheme of RGA system used for nitrogen fixation


等离子体的激励采用直流高压电源（TLP2040，泰思曼，10 kV），电路串联40 kΩ的稳流电阻，若无特殊注释，本研究所涉及的电源输出电压均为10 kV. 高纯氮气和氧气（体积分数99.99%，杭州今工）的混合气体由2台质量流量计（D07，广西控鑫）调节控制，准确控制气氛中的氧气体积分数和总体积流量. 发射光谱检测系统由单色仪（SP 2750，Princeton）和CCD（PIX-100B，Princeton）组成，在精确测量之前，采用微型光谱仪（USB4000，海洋光谱）进行快速测量分析. 电流电压的伏安特性由示波器采集（DPO4034B，泰克）并分析. 旋转电弧形态采用高速摄影仪进行记录（V2512，Phantom），采样频率为每秒39000帧. 由于滑动电弧产生的NOx体积分数较高且超过烟气分析仪量程，使用采样抽气泵抽取一定体积流量的反应后气体，采用一定体积流量的高纯氮气（99.9%，杭州今工）稀释后再由烟气分析仪（MGA-5，MRU）定量分析NOx体积分数用以评价固氮效果.

1.2. 数据处理

光谱数据由Lifbase进行分析，对氮气第一负带系的388~391 nm处谱带进行拟合，获取氮气的转动温度；对氮气的第二正带系采用波尔茨曼斜率法进行计算分析[18-19]，获取氮气的振动温度.

单位输入能量（specific energy input，SEI）用于表征放电的能量密度：

$ {\rm{SEI}} = {{{{U}} {{I_{\rm{d}}}}}}/{q_{_{\rm{V}}}}. $

式中：U为等离子反应器两端电压，Id为放电电流，qV为气体体积流量.

固氮的能耗（energy consumption，EC）：

$ {\rm{EC}} = {{{\rm{SEI}}}}/{\varphi({\rm{NO}}_x)}. $

式中： ${\varphi({\rm{NO}}_x)} $为放电产生的NOx气体体积分数.

2. 特性分析

2.1. 发射光谱特性分析

如图2所示为磁悬滑动弧等离子体在空气、氮气和不同氮/氧配比的混合气体气氛下放电的发射光谱. 图中，I为归一化的广谱强度，λ为波长. 除了氮气放电外，其他气体放电发射光谱中的NO-γ谱带清晰可见，表明等离子体中存在大量的NO（A2Σ+）自由基，而这种自由基主要由N2（A3Σu +）与NO（X2Π）反应而来，反映了亚稳态氮气分子的形成. 由于氧气性质活泼，等离子体中存在大量的激发态氧分子以及基态和激发态氧原子，亚稳态的氮气能够与之通过一系列反应生成激发态NO[20-21]：

图 2

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图 2   不同气氛放电下的特征发射光谱谱图

Fig.2   Typical emission spectra of discharges with various supply gas　　　　


$ {{\rm{N}}_{\rm{2}}}\left( {{{\rm{A}}^{\rm{3}}}{\rm{\Sigma }}_{\rm{u}}^{\rm{ + }}} \right){\rm{ + O}}\left( {{}_{}^{\rm{3}}{\rm{P}}} \right) \xrightarrow[{\;\;\;\;\;\;\;\;}]{} {\rm{NO}}\left( {{{\rm{X}}^{\rm{2}}}{\rm{\Pi }}} \right){\rm{ + N(}}{}_{}^{\rm{4}}{\rm{S,}}{}_{}^{\rm{2}}{\rm{D}}{\rm{),}} $

$ {{\rm{N}}_{\rm{2}}}\left( {{{\rm{A}}^{\rm{3}}}{\rm{\Sigma }}_{\rm{u}}^{\rm{ + }}} \right){\rm{ + O}} \xrightarrow[{\;\;\;\;\;\;\;\;}]{} {\rm{NO}}\left( {{{\rm{X}}^{\rm{2}}}{\rm{\Pi }}} \right){\rm{ + N(}}{}_{}^{\rm{2}}{\rm{D}}), $

$ {{\rm{N}}_{\rm{2}}}\left( {{{\rm{A}}^{\rm{3}}}{\rm{\Sigma }}_{\rm{u}}^{\rm{ + }}} \right){\rm{ + NO}}\left( {{{\rm{X}}^{\rm{2}}}{\rm{\Pi }}} \right) \xrightarrow[{\;\;\;\;\;\;\;\;}]{} {{\rm{N}}_{\rm{2}}}\left( {{{\rm{X}}^{\rm{1}}}{\rm{\Sigma }}_{\rm{g}}^{\rm{ + }}} \right){\rm{ + NO}}\left( {{{\rm{A}}^{\rm{2}}}{{\rm{\Sigma }}^{\rm{ + }}}} \right). $

当NO（A2Σ+）向基态跃迁时，能够观测到如图2所示的200~300 nm区域的γ带系. 随着氧气体积分数从20%提升至40%，NO-γ谱带的相对发射强度也有所提高，可能是氧气体积分数及相关活性粒子的增加，导致等离子体中基态NO和激发态NO的数量增加，促进NO的合成.

尽管放电气氛不同，在300~400 nm均可以观测到明显的N2的第二正带系（C3Πu（ν′） → B3Πg（ν″），∆ν = 1，0，−1，−2，−3）. 该谱带是氮气放电发射光谱中最强烈的典型谱带，通常被用作振、转温度的计算谱带. N2（C3Πg）的能级较高（11.0 eV），通常由电子逐级激发或pooling反应产生[20]. 在纯氮气放电时，该谱带将在发射光谱中占据主导，当添加氧气时，该谱带强度显著降低. 大量氧活性粒子的生成，使部分振动态和激发态的氮气分子在进一步激发或者向低能级跃迁之前，就已经与氧活性粒子反应. 最终发生跃迁的氮气分子N2（C3Πu）将减少，进而降低了N2（C-B）的光谱强度，而反应产物所产生的即上述NO-γ谱带. 随着氧气体积分数的升高，N2（C-B）谱带和NO-γ谱带均愈加强烈，表明氧气的存在及其体积分数的提升能够加强放电时氮气分子的活化，在增加激发态氮气分子的同时，也加强了NO的合成.

除此之外，在305~310 nm有较明显的OH谱带（A2Σ+→X2Π），通常在极少水蒸气存在时即可以观察到清晰的OH谱带. 如图2所示，放电气体除空气外均不含水蒸气，不过由于在测量发射光谱时，反应器出口暴露于大气中，所有谱线中均有强烈OH谱带的存在，在空气放电时该谱带极其强烈[22]. 除了水蒸气影响外，放电气体中的高氧气体积分数也能够大大增加激发态OH的粒子数量.

由于等离子体高反应性主要体现在活性物质，特别是激发态的分子的形成. 因此，为了更好地揭示等离子体固氮反应机制，针对300~450 nm区间的氮活性成分，进行更精确的发射光谱测量. 如图3所示，除了明显的N2（C-B）谱带外，还可以看到N2 +第一负带系（B2Σ+ u（ν′）→X2Σ+ g（ν″））. 由于N2+（B2Σ+ u）能级较高（18.7 eV），其跃迁谱带强度较弱，分支大多被N2（C-B）所覆盖，且在较高氧气体积分数下受干扰严重，带系较为杂乱. 不过可以观察到，391.5 nm附近的分支（B-X，（0，0））强度较高，且与氮气第二正带系分离度较高，不受其干扰. 该分支对转动温度较敏感，因此通常被用于拟合计算转动温度[23-24].

图 3

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图 3   20%和40%氧气体积分数下的氮气离子第一负带系和氮气第二正带系

Fig.3   N2+ first negative system and N2 second positive system at oxygen volume fraction of 20% and 40%


在6 L/min体积流量下，不同氧气体积分数 $\varphi({\rm{O}}_2) $对应的N2振动温度Tvib、转动温度Trot及NOx体积分数均值 $\varphi({\rm{NO}}_x) $如表1所示. 可以看出，随着氧气体积分数的上升，氮气的振动温度明显上升，而转动温度变化不明显，呈微微下降趋势. 其中，固氮效果（NOx体积分数）的变化趋势与氮气振动温度一致. 一方面，氧气体积分数的增加，能够增加氧原子、亚稳态的氧气分子及其他相关活性粒子的浓度，促进潘宁电离等粒子碰撞反应，同时也能够增加电子温度，从而加快氮气的活化以及氧化；另一方面，氧气体积分数的提高，使得输入能量更多地转化为振动能，而在等离子体中，振动态的氮气与氧原子的反应被认为是合成NO的最主要途径[25-27]：

表 1   6 L/min体积流量下，不同氧气体积分数对应的N2振动温度、转动温度及NOx体积分数均值

Tab.1  Vibrational temperature, rotational temperature of N2 and NOx volume fraction at different oxygen volume fractions (volume flow rate of 6 L/min)

$\varphi({\rm{O}}_2) $/% Tvib/K Trot/K $\varphi({\rm{NO}}_x) $/%
10 5290 2500 0.9617
20 5900 2170 1.0320
30 6880 2000 1.0513
40 7280 1950 1.1349

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$ {\rm{O + }}{{\rm{N}}_{\rm{2}}}\left( {{\rm{X,}}v > {\rm{12}}} \right)\xrightarrow[{\;\;\;\;\;\;\;\;}]{} {\rm{NO + N}}{\rm{.}} $

虽然激发态氮气同样易反应生成NO，但其生成能垒较高，如能量最低的激发态N2（A3Σ+ u）的能量为6.17 eV[20]，须由基态氮气分子与高能电子的碰撞产生. 高振动态的氮气则能够在基态下与氧原子进行反应，从而在低能垒的情况下打破氮氮三键，因此，在等离子体的输入能量中，转化为振动能的比重越高，越多的氮气将在基态下被氧化，生成的NOx体积分数越高，固氮的能量效率也越高[27].

虽然氧气供给的体积分数的提升可以提高固氮的效果，但纯氧的使用也会导致成本上升、影响放电稳定性. 当氧气体积分数由20%提升到40%时，产生的NOx体积分数仅提高约10%，若选择20%的氧气体积分数，由于其与空气的氧气体积分数几乎一致，能够避免纯氧的使用从而提高经济性，而此条件下放电所得NOx体积分数仍高于1%.

在20%的氧气体积分数下，研究不同处理量（气体体积流量）下的固氮反应效果，如图4所示. 氮气的振动温度随着气体体积流量的增加而呈上升趋势，何立明等[28]也曾报告过类似现象，在气流驱动的旋转滑动弧放电中，增大气体流量能够显著提高氮气振动温度. 气体体积流量的上升带来的NOx体积分数的损失同样十分明显，当气体体积流量由4 L/min上升到8 L/min时，NOx的体积分数下降22%，当进一步增加到12 L/min时，NOx的体积分数下降约33%. 不过，虽然NOx的体积分数有所下降，其下降幅度远不如气体体积流量的增大幅度，因此固氮总量有所上升. 可见，气体体积流量的增加同样能够通过提高氮气的振动温度来提升能量的利用率. 然而，在气体体积流量较大（>10 L/min）的工况下，NOx体积分数下降幅度过大，低至1%以下，这会对后续的吸收、利用造成不利影响. 综合考虑，为了保证良好的固氮及应用效果，6或8 L/min的处理量为较适宜的工作条件.

图 4

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图 4   20%氧气体积分数下的N2振动温度及固氮效果随气体体积流量的变化趋势

Fig.4   Effect of volume flow rate on vibrational temperature and nitrogen fixation output at oxygen volume fraction of 20%


2.2. 电弧特性分析

在实验中发现，氧气体积分数对于放电状况影响较显著，在低氧气体积分数下（10%~20%），电弧旋转稳定，如图5所示，在肉眼观察下则形成一个圆盘形的等离子体区域. 当氧气体积分数升高（30%），等离子体区域的稳定形态时而被打破，出现类似火焰的团簇状，这一现象在进一步升高氧气体积分数（40%）后变得更加剧烈.

图 5

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图 5   6 L/min体积流量下，20%、30%氧气体积分数下的高速摄影图片

Fig.5   Dynamic characteristics captured by high speed camera at gas volume flow rate of 6 L/min, with oxygen volume fraction of 20% and 30%


分析放电时的电弧特性，当氧气体积分数为10%时，其伏安特性曲线为标准的“restrike mode”[19]，当电压足够时，气体在某一个点被击穿形成电弧，此时可以观测到急剧压降，低则下降200~400 V，高则降幅大于1000 V，下降速度可以达到2.65 MV/s，如图6（a）所示. 在气体被击穿的瞬间出现电压骤降，此时产生的电弧随后在旋流和磁场作用下旋转、拉长，发展为螺旋状，伴随着电压的逐渐上升，当电压达到峰值时，新的击穿将形成，产生新的电流通路和新的电弧，伴随着又一次的压降，如此形成一个完整的“restrike”锯齿形波，每一个“齿”都对应一个电弧的“产生-旋转-猝灭”过程. 当新电弧产生时，旧的电弧及其中的大部分活性粒子将因能量供给缺失而急剧耗散猝灭，整个电弧的动态变化过程如图5所示.

图 6

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图 6   6 L/min体积流量下，不同氧气体积分数下的电参数特性

Fig.6   Electrical characteristics of RGA at different oxygen volume fractions


提升反应气体的氧气体积分数将导致平均电流的减小，Zhang等[29]在氮气RGA放电研究中发现减小运行电流，会使电压波形向更近似正弦波的“takeover mode ”发展. 在本研究中也有类似的现象，但并非完全发展为“takeover mode ”. 当氧气体积分数提升，“restrike”的模式逐渐被削弱，波形规律性减弱甚至不存在，不再是不断重复的锯齿形波，而是夹杂着一些“takeover”成分. 当氧气体积分数为40%时，清晰的锯齿形“restrike”大量减少，小幅度、较缓和的电压变化占据主导，电压变化重现规律性，2次剧烈的压降之间由“takeover mode ”占主导，而“takeover”之间又存在着一些小幅度的“restrike”，变化周期为37~55 ms，如图6（d）所示，被称作“combination mode”[19].

由图6（e）可以看出，当氧气体积分数较高时，可以观测到2条电弧同时占据等离子体区域，新的击穿产生和旧电弧的淬灭没有明显的时间和空间上的间隔，从而导致团簇形等离子体的产生，2条电弧之间的平缓过渡，也解释了电压温和变化这一现象. 由于新电弧在旧电弧未完全发展时就已出现，电弧的交替周期也将缩短. 当氧气体积分数由20%升至30%时，单一电弧发展周期缩短了近一半的时间，由约3.95 ms降至约2.00 ms，并且前后2次的阴极击穿点间距也有所缩短，如图5所示. 击穿间距缩短的另一原因是电流的减小，使得电弧受到的洛伦兹力减小，旋转的驱动力减小导致电弧旋转速度减慢.

另一方面，当氧气体积分数上升，平均电流的下降和平均电压的上升（稳流电阻分压减小）会带来等离子体区域的输入能量上升，这也是合成NOx体积分数上升的原因之一，综合前文所述，提升氧气体积分数在带来固氮效果提升的同时也增加了能量损失. 除此之外，还会导致反应器受热状况的恶化，当氧气体积分数为20%时，电弧底部（反应器出口）温度为791±2 ℃，而当氧气体积分数上升至40%时，这一温度可以达到947±2 ℃. 过高的温度表示大量能量以热能形式耗散以致能耗提升，另一方面还会影响反应器的稳定性，如导致装置连接处的气密性降低、磁铁消磁以及破裂等后果.

因此，高氧气体积分数虽然能够带来一定程度的固氮反应效果提升，但也会导致成本（能耗以及纯氧的使用）的上升，再加上对于反应系统稳定性的考量，约20%的氧气体积分数被认为是最佳工况. 由于该配比与空气较接近，直接采用空气进行RGA放电固氮是合适的选择，如图7所示. 可以看出，在空气放电时，NOx的体积分数可以达到1.1%以上，在同样的电源输出（10 kV）下，固氮效果不逊于N2/O2原料气体. 若降低电源输出电压，随着电流以及输入能量呈线性下降趋势，NOx的体积分数也随之降低，而固氮能耗水平则呈先上升后下降的趋势. 尽管如此，上述基于旋转滑动弧氧化固氮的能效依然远高于工业规模化的合成氨的能耗，不过考虑到RGA的特有优势，用于空气固氮仍具有不错的前景. 一方面，等离子体固氮无须消耗化石能源，且易与可再生能源结合，具有碳中性；另一方面，哈柏法合成氨需要大规模、集中化生产，并会产生运输成本，而等离子体固氮的设备成本更低，更能满足偏远地区的小规模、本地化固氮需求.

图 7

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图 7   6 L/min体积流量下，不同电源输出电压下的空气放电效果

Fig.7   Air discharge output at different applied voltages with gas volume flow rate of 6 L/min


3. 结　语

分析不同氧气体积分数和气体体积流量下的RGA放电特性，发现高氧气体积分数能够为固氮效果带来提升，但也会影响反应系统的稳定性和成本的控制；增大气体体积流量能够带来固氮总量的增加，但其代价为NOx体积分数的损失，从而影响实际运用. 因此，20%的氧气体积分数，6或8 L/min的气体体积流量为本反应系统最适合的工作条件，而且在进一步的研究中发现，将近似气体配比的空气作为原料，同样能够实现出色的固氮效果，这有利于RGA等离子体固氮的成本控制.

本研究虽然对等离子体固氮的物理特性进行了初步研究，但在等离子体放电固氮的机理方面未深入研究，有待进一步探索.

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