一种分布式低温等离子管式加速器秸秆制肥机
技术领域
本发明属于秸秆制肥技术领域，具体涉及一种分布式低温等离子管式加速器秸秆制肥机。
背景技术
世界著名的化肥工业大师尤·李比希：“要维持地力必须全部归还从土壤中拿走的东西”，“只有增加土壤中那些灰分成分，才能增产”。
有机农业开山之作《农业圣典》作者序的开场白：“工业革命以来，全球经济开始加速，其目标是生产足够的食物和原材料以满足人口和工厂的需要。但是在作物和动物生长大量增长的同时土壤肥力却一直在丧失，对此暂无补救措施。由此产生的后果是灾难性的，农业开始失去平衡、土地在变劣、病害在增加，世界各地由于受到侵蚀土壤在流失，《农业圣典》中尚有一段警世良言：农民非常重视所有废弃物的回收利用，他们的做法接近于自然的理想状态，他们在有限的土地上养活了众多人口，肥力并未丢失；秘诀是精心呵护着土壤以防止水土流失，把动植物残体转化为腐殖质以致没有废物产生，其生物的生长与腐解是平衡的，并最大限度地保持着土壤肥力。
土壤肥力的平衡，秸杆还田是途径。但是，秸杆自然还田或采用其他方式还田，需要较长的时间才能变成当季肥力。因此，将秸秆变成可被当季植物吸收的营养的处理手段，就成为农业急需解决的课题。再有，秸杆自然还田，秸杆中所携带的虫卵和带菌体等一些病虫害无法杀死，还田后尚留在土壤里，从而会导致土壤病虫害直接发生或越冬后来年发生。
我国是农业大国，秸秆资源十分丰富，在资源构成中占有重要地位。1kg稻米可产生稻草1.5kg，1kg小麦可产生1.5kg的麦秸，lkg玉米可产生4kg秸秆，其它粮食作物与秸秆的比例是：其它谷物1：1.1，豆类1：1.3，薯类1；0.5，油料作物1：1.9，棉花1：3.2。据不完全统计，我国秸秆的年产量约为7亿吨。
秸杆是发展农村经济和增加农民收入的宝贵资源。加大秸杆综合利用力度，是提高农业综合生产能力的重要方面，是改善和提高我国农业资源利用效率的重大举措，是开辟新的农业资源和拓宽农业经营领域的战略选择。
同时，秸杆还是发展循环农业的重要物质基础。循环农业既是一种新的经济发展理念，也是新的经济增长点。因此充分利用各类秸杆资源，可以补粮食、补地力、补效益、补就业，实现农作物与秸杆并举，加快农业发展，增加农民收入。秸秆资源的综合利用从根本上就是按照循环经济模式将秸秆资源循环利用，以实现最大化的经济效益、生态效益和社会效益的过程。
秸杆能变成当季植物营养，可减少化肥与农药的投放量，形成自我良性生物循环，因此农业秸杆资源利用，具有现实意义。秸杆要变成植物当季营养，要用将秸杆快速变成灰分，形成可溶性大中微量元素肥，可以进行二次加工，变成复合肥，可溶气体变成含氮液体肥。
因此，秸杆制造速效肥的设备研制至关重要。目前，秸秆生物碳处理设备是采用自然法产生的热场处理，设备体积大，处理量小，成本高。不具备处理秸秆庞大产量的能力，特别是烟气排放未能形成资源化利用。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种分布式低温等离子管式加速器秸秆制肥机。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种分布式低温等离子管式加速器秸秆制肥机，包括：
高温场沉降炉，具有秸秆粉末进料口、尾气排放口和灰烬出料口；
N只高温等离子加速器，其火焰喷头与高温场沉降炉的炉膛连通；其中，N为正整数；
高温等离子体弧电源，与高温等离子加速器电连接；
密闭水箱，具有进出液阀门和排气口，其内具有预定水位的水溶液；
分布式低温等离子管式加速器，包括并联式分布于密闭水箱内的多只低温等离子管式加速器，低温等离子管式加速器用于将高温场沉降炉的尾气排放口排出的尾气制成可溶性肥料，而溶于密闭水箱中的水溶液中；其中，高温场沉降炉的尾气排放口与密闭水箱之间设有冷凝器；
等离子电源，与各低温等离子管式加速器电连接。
作为优选方案，所述低温等离子管式加速器包括介质管、高压电极和低压电极，高压电极沿介质管的轴向分布且位于介质管之内，低压电极沿介质管的轴向套设于介质管的外壁；介质管的底部开口位于预定水位之下，介质管的顶部开口位于预定水位之上且用于与高温场沉降炉的尾气排放口连通。
作为优选方案，所有低温等离子管式加速器的高压电极汇合连接至等离子电源的一极，所有低温等离子管式加速器的低压电极依次通过水溶液、回路电极连接至等离子电源的另一极。
作为优选方案，数只依次相邻的低温等离子管式加速器为一组，相邻的介质管依次通过连接管连接构成蛇形结构，首部的介质管的顶部开口与高温场沉降炉的尾气排放口连接，尾部的介质管的底部开口安装有曝气头。
作为优选方案，所述介质管为石英玻璃管；所述高压电极为钨或钼电极；所述低压电极为不锈钢网围成的柱型网筒，并接地。
作为优选方案，所述高压电极外包裹有绝缘层，绝缘层为有机玻璃或玻璃钢或电木绝缘材料。
作为优选方案，所述高温场沉降炉具有二次进风道，二次进风道的进气口和出气口均与高温场沉降炉的炉膛连通，以使秸秆燃烧后的气体经二次进风道进入高温场沉降炉内再燃烧。
作为优选方案，所述高温等离子加速器的火焰喷头的保护气体为氮气，喷射的火焰为层流火焰。
作为优选方案，所述高温场沉降炉的炉膛处于负压状态。
作为优选方案，所述高温等离子加速器相对设置，以使高温等离子加速器的火焰喷头喷射的火焰对称。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
(1)本发明的分布式低温等离子管式加速器秸秆制肥机，利用多只高温等离子加速器构成的高温场炉膛，可以产生高温均匀热力场；当秸秆粉末颗粒下落到高温均匀热力场中时，瞬时气化，灰烬下沉成可溶性大中微量元素肥，尾气由分布式低温等离子管式加速器处理，将氮与硫气体凝并落入水中，形成大中量元素肥，落入水中的一些芬香物质具有消除连茬效应的功能，可杀虫卵与灭菌。
(2)尾气由分布式低温等离子管式加速器处理之前，经二次燃烧后，达到减容化、无害化。
(3)高温场沉降炉、高温等离子加速器及高温等离子体弧电源的设计，具有燃烧彻底，废气无烟无毒无害，垃圾灰量少，不产生二次污染，结构简单易操作，占地面积小，尤其是不需用烟囱；只使用电与水，具有洁净、卫生的特点。
(4)高温等离子加速器的数量可根据秸秆粉末处理量增减，适用范围广。
(5)秸杆裂解尾气首先与低温等离子管式加速器放电产生的活性物质发生反应，然后反应完全的秸杆裂解尾气已变成可溶性氮等可溶肥料，并和剩余的活性物质经过曝气头进入低温等离子管式加速器和密闭水箱之间的水溶液液中，与水溶液发生溶解反应，以达到同时进一步处理废气和废液的目的。
(6)曝气头的曝气效应，可溶性氮等可溶肥料与水溶解反应更加迅速与充分。
附图说明
图1是本发明实施例的分布式低温等离子管式加速器秸秆制肥机的原理示意图；
图2是本发明实施例的分布式低温等离子管式加速器秸秆制肥机的秸秆裂解处理部分的结构示意图；
图3是本发明实施例的分布式低温等离子管式加速器秸秆制肥机的秸秆裂解尾气制肥部分的结构示意图；
图4是本发明实施例的分布式低温等离子管式加速器秸秆制肥机的秸秆裂解尾气制肥部分的原理结构示意图；
图5是低温等离子体的能量传递过程；
图6是介质阻挡放电加速器的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
如图1-3所示，本发明实施例的分布式低温等离子管式加速器秸秆制肥机，包括秸秆粗粉碎机、秸秆细粉碎机、高温场沉降炉、高温等离子加速器、高温等离子体弧电源、密闭水箱、分布式低温等离子管式加速器、等离子电源。
具体地，秸秆粗粉碎机，对秸秆进行基础性初步处理，即将秸秆粉碎至1-100目。
秸秆细粉碎机，对秸秆进行进一步粉碎处理，即将秸秆粉碎至小于500目；其中，秸秆粗粉碎机与秸秆细粉碎机之间安装有给粉器，以便将秸秆粗粉碎机粉碎后的秸秆粉末输送至秸秆细粉碎机。经过秸秆细粉碎机的秸秆粉末存储在秸秆粉末仓a中，通过给粉器b及送料系统c输送至高温场沉降炉，其中，送料系统可以参考现有技术中常用的送料系统，例如分布式秸秆粉末给料器，实现多方位进料。
高温场沉降炉1，具有秸秆粉末进料口11、尾气排放口12和灰烬出料口13。具体地，秸秆粉末进料口11位于高温场沉降炉的顶部，有多个(如图2中的四个秸秆粉末进料口)，秸秆粉末进料口与送料系统(即分布式秸秆粉末给料器)的送料口连通，以便秸秆粉末进料至高温场沉降炉的炉膛内；尾气排放口12位于高温场沉降炉的顶部，用于排放秸秆粉末高温裂解后的尾气；灰烬出料口13位于高温场沉降炉的底部，用于对秸秆粉末高温裂解后得到的灰烬进行出料。另外，高温场沉降炉的底部安装有灰烬导流仓板14，对秸秆燃烧后的灰烬导向以便从灰烬出料口出料。
N只高温等离子加速器2，沿高温场沉降炉的两侧安装，其火焰喷头与高温场沉降炉的炉膛连通，以便朝高温场沉降炉的炉膛内喷射火焰。高温等离子体弧电源3，与高温等离子加速器电连接，用于对高温等离子加速器进行供电。具体地，高温等离子加速器的设计，为容积1-10m3的炉膛内提供持续均匀温度场700-5000℃。
其中，高温等离子体是一种具有高热焓、高温、快反应时间、能量集中、电热转换效率极高(85％～95％)，最好的可工业应用的新热源，利用等离子体技术在处理废弃物时可不择废弃物形状而进行处理，处理范围更广，适用性强。采用高温等离子体方法可以容易获得高于任何传统方法的温度(700℃～5000℃)，焚烧会更彻底，且不会带来二坎污染；燃烧的残余灰减容为≤3％。
等离子体是物质存在的一种状态，与固态、液态和气态并列，和物质的另外三态相比，等离子体可以存在的参数范围异常的宽广(其密度、温度以及磁场强度都可以跨越十几个数量级)，等离子体的形态和性质受外加电磁场的强烈影响，并存在极其丰富的集体运动(如各种静电波、漂移波、电磁波以及非线性的相干结构和湍动)，因而能量极为集中，并具有极高的电热效率(85％以上)，产生的高温可以还原一切难以还原和难溶的物质，瞬间即可完成，因而目前得到广泛的重视和应用。
高温场沉降炉采用高温等离子体技术通过对空气进行电离，在千分之一秒内即可达3000-10000℃，所有物质及气体使之在高温下快速裂解。
本发明实施例的高温等离子体弧电源采用高压脉冲电源，电压电流脉冲的波形可以是任意波形，电压为3000-100000伏，电流为0.00001-100A，频率为1-2000000Hz；高温等离子体弧电源与高温等离子加速器的冷却液为水或导热油；高温等离子加速器高温火焰喷头的保护气体为氮气或其它惰性气体；高温等离子加速器产生的高温火焰，在自然环境中测试，高温焰区为10000-25000℃，火焰沿区大于700℃。
高温场沉降炉的炉膛温度为700-5000℃，炉膛为负压设计；高温等离子加速器火焰2的喷射为层流设计，即等离子层流火焰d，位于高温场沉降炉的中部，由于层流火焰较长，将高温场沉降炉横向设计，高温等离子加速器火焰对称设计，从顶部下落的秸杆粉末除有炉膛温度为700-2500℃裂解外，还有明火裂解；高温场沉降炉还可以为立式设计；高温等离子加速器的数量为1、2、3、4、5、6、N只，可根据秸秆粉末处理量增减，N为正整数。
本发明实施例的秸秆裂解处理由高温等离子体加速器、高温等离子体弧电源、保护气、冷却水、高温场沉降炉及配套的送料、送风、排气、排渣、控制台等组成，具有燃烧彻底，废气无烟无毒无害，垃圾灰量少，不产生二次污染，装置结构简单易操作，占地面积小，尤其是不需用烟囱。由于采用了高温等离子体这一高新技术中的高温、常压应用特点用在了秸杆处理中这一创新方式，构建了主动产生的高温场炉膛，使之比之一般的焚烧炉更具有以下特点与优点：
(1)焚烧彻底，不污染空气、水源及周边环境。由于炉膛温度大于1200℃，有机物包括传染性病毒，病菌及其它有毒有害物质都全部裂解分解，产生的气体、灰烬无毒害；垃圾燃烧后的灰烬体积量大大减少，大约为传统炉燃灰体积的五分之一，而排放的气体无黑烟，不需烟囱。
(2)结构比较简单，结构小型化，具有占地面积小的明显优点，具有普及性。
(3)无需使用煤、燃油、天然气作燃料，只使用电与水，具有洁净、卫生的特点。
(4)操作简单、启动停机快、可全部实现自动控制、安全、可靠。
另外，高温场沉降炉还设计有二次进风道，二次进风道的进气口和出气口均与高温场沉降炉的炉膛连通，以使秸秆燃烧后的气体经二次进风道进入高温场沉降炉内再燃烧，达到减容化、无害化。经过再燃烧后的尾气，通过高温场沉降炉的尾气排放口排出，以便进行固氮而制成肥料。
如图3和4所示，具体地，本发明实施例通过低温等离子加速器固氮发生系统对秸秆燃烧后的尾气进行固氮，具体通过密闭水箱5、分布式低温等离子管式加速器实现。
密闭水箱5的底部具有进出液阀门50，其顶部具有排气口51，其内部具有预定水位的水溶液52。其中，排气口51安装有气阀门。
分布式低温等离子管式加速器包括并联式分布于密闭水箱内的多只低温等离子管式加速器6，低温等离子管式加速器用于将高温场沉降炉的尾气排放口排出的尾气制成可溶性肥料，而溶于密闭水箱中的水溶液中。
等离子电源7，与各低温等离子管式加速器电连接，用于对各低温等离子管式加速器进行供电。其中，电源输出为交流高压，电压电流脉冲的波形可以是任意波形，电压为600-80000伏；电流为0.00001-100A，频率为1-2000000Hz。
低温等离子体的特点：高温等离子体的温度在10000eV以上，相当于100000000℃，表观温度也在几千摄氏度以上，因此对设备要求特别高，在通常条件下无法实现。而低温等离子体电子温度较低，在几到几十电子伏特之间，但是整个体系的表观温度较低只有300～500K。
如图5所示，是低温等离子体的能量传递过程。从这个过程可以看出，电子在电场的作用下加速获得能量成为高能电子，通过弹性碰撞和非弹性碰撞将能量转移到分子和原子中去，分子或者原子获得能量的发生激发、电离、解离，变成活性粒子，然后这些活性粒子之间相互反应生成其它产物并放出热量。
低温等离子体具有如下独特性能：
(1)活性气氛：在等离子体中的很多粒子激发产生高能电子、激发原子、准分子、以及离子活性自由基等，这为这些粒子之间化学反应的进行提供了所需要的活化能。在冷等离子体中，整个系统的表观温度与环境温度相差不大，系统当中大部分为离子和中性粒子，但是占少数的高能电子却能够为反应提供所需要的能量，所以能够在低温下进行化学反应。而热等离子体的表观温度在几千摄氏度，甚至是达到上万摄氏度，在通常条件下这对设备的要求较高很难获得。
(2)含有大量的活性粒子：在等离子体中可以产生大量的激发态的原子、分子，离子活性自由基和高能电子，在电磁场的作用线能够将这些粒子分离，激发态的原子、分子可用于激光的输出，离子活性自由基和高能电子可变成流量大、密度高的离子束或电子束。
(3)能量分布的各向异性：由于等离子体中的有些粒子能够带电，而带电粒子能够通过电磁场来控制其能流方向，等离子体雕刻就是利用这一特性。
(4)高能流密度：低温等离子体虽然表观温度是常温，但是实质是一种高温物质，并且其中的粒子能够带电，所以可通过电磁场将其约束在一定的空间内，因此可以产生很大的能流密度。
介质阻挡低温等离子加速器，对秸杆裂解气体中的氮硫脱除可形成可水溶性肥料的原理：
(1)介质阻挡放电脱除NO和SO2主要与放电产生的OH活性自由基的浓度与数目有关，OH的产生与低温等离子加速器两端电压、反应器频率、烟气湿度、含氧量等有关。
(2)随着低温等离子加速器两端电压的增加，介质阻挡放电低温等离子体脱除NO和SO2的效率提高，16kV时，NO脱除率达55.8％，SO2的脱除率达42.5％，在16kV以后，介质阻挡放电脱除NO和SO2的效率变缓。
(3)随着电源频率的增加，NO和SO2脱除率先增加后减小，在频率10kHz时脱除率达到最大值，NO的脱除率为55.8％，SO2的脱除率达42.5％。
(4)烟气相对湿度的增加，能有效提高介质阻挡放电对SO2的脱除效率，主要是促进NO和SO2的反应。湿度的增加，导致介质阻挡放电对NO脱除效率降低。
(5)介质阻挡放电脱除NO效率随着氧气含量的增加，下降幅度较大，达到26.2％。氧气含量对SO2的脱除几乎没有影响。
(6)如果是多极串联处理，加上水溶脱除，气体中植物营养元素水溶率可达90-98％。
使用介质层将两个电极分开是典型的介质阻挡放电。图6为介质阻挡放电的加速器结构，从中可以看出，介质阻挡放电反应器主要有平行平板电极和同轴圆柱两种结构。
从两电极之间的介质数目来看，可以分为单层介质和双层介质阻挡放电两种，当然阻挡介质可以直接覆盖在电极表面，也可以不直接覆盖，而与电极表面有一定的空隙。
图6中(a)和(d)是常用单层介质阻挡放电结构，其特点是放电反应发生在电介质与电极之间的区域内，其结构比较简单，同时有利于热量的散失。图6中(b)和(e)放电发生在两个介质层之间，这样可以避免等离子体与电极的直接接触，同时有利于电荷的沉积和扩散，形成相对均匀的放电：同时双层介质阻挡放电产生的放电电丝更细更加均匀，因此具有许多独特的优势。图6中(c)和(f)属于单层介质阻挡放电，但是可以在介质的两边形成两种不同的等离子体。本发明实施侧可以采用上述任一种加速器结构或多种的组合。
为了同时综合处理废气和场凝溶液物质，并利用水的吸收作用和对整个放电系统的冷却作用，拟采用介质阻挡放电系统采用线-筒式结构。分布式低温等离子管式加速器放入密闭水箱的水体中，高度高于曝气头20-100cm。具体地，低温等离子管式加速器包括介质管61、高压电极62和低压电极63，高压电极沿介质管的轴向分布且位于介质管之内，低压电极沿介质管的轴向套设于介质管的外壁；介质管61的底部开口位于预定水位52之下，介质管61的顶部开口位于预定水位52之上且用于与高温场沉降炉的尾气排放口12连通；密闭水箱5与高温场沉降炉的尾气排放口12之间设有汽体冷却系统，例如冷凝器，将燃烧后的尾气冷却至小于100℃，以便进入低温等离子加速器进行固氮。其中，数只依次相邻的低温等离子管式加速器为一组，相邻的介质管依次通过连接管65连接构成蛇形结构，首部的介质管的顶部开口与高温场沉降炉的尾气排放口连接，尾部的介质管的底部开口安装有曝气头64；如图3所示，以三只相邻的低温等离子管式加速器为一组，相邻的介质管依次通过连接管65连接构成蛇形结构，首部的介质管的顶部开口与高温场沉降炉的尾气排放口连接，尾部的介质管的底部开口安装有曝气头64，如此设计，将同组内的低温等离子管式加速器分为不带曝气头的低温等离子管式加速器A和带曝气头的低温等离子管式加速器B，有利于尾气处理的有效处理。高温场沉降炉的尾气排放口通过进气管9对各组的低温等离子管式加速器的进气口66进行进气。进气管的进气口处安装有气阀门。另外，每只低温等离子管式加速器也可以是独立的，每只低温等离子管式加速器的介质管的底部开口安装有曝气头。
密闭水箱为有机玻璃或玻璃钢或电木绝缘材料，长为30-4000cm，壁厚为1-20cm；低温等离子加速器介质管为石英玻璃管，长为25-4000cm，内径为10-100cm，壁厚为1-20cm；高压电极采用钨或钼电极，长1-4000cm，直径0.01-10cm，高压电极外可包裹绝缘材料，绝缘材料厚度为1-20cm，材料为有机玻璃或玻璃钢或电木绝缘材料。高压电极外也可不加绝缘层；低压电极是由长为1-4000cm，直径为10-200cm，厚为0.01-10cm的园型不锈钢网围成的柱型网筒，紧套在介质管石英玻璃管的外壁，并和电线相连接地。所有低温等离子管式加速器的高压电极汇合连接至等离子电源的一极，所有低温等离子管式加速器的低压电极依次通过水溶液、回路电极8连接至等离子电源7的另一极。
秸秆裂解尾气首先由介质管的上端进气口进到介质阻挡放电系统中与放电产生的活性物质发生反应，然后反应完全的秸杆裂解体气已变成可溶性氮等可溶肥料，和剩余的活性物质经过微孔曝气头进入介质阻挡放电系统和密闭水箱之间的水溶液中，与水液体发生溶解反应，以达到同时进一步处理废气和废液的目的。曝气头材质为多孔陶瓷，由于曝气效应，可溶性氮等可溶肥料物质与水溶解反应更加迅速与充分。
具体的固氮流程如下：
冷却的秸秆裂解尾气从介质管的进气口进入介质管构成的低温等离子加速器后，将秸秆裂解尾气处理为可水溶性的氮肥、硫肥，有机小分子氛香多孔溶胶(有机驻极体)，并经经底部多孔爆气头的流液孔进入水体层，气体多孔爆气头爆气后，经液体上层的排气口排出干净气体，符合排放标准。排气通过高于气体多孔爆气头的水体层与介质管构成的低温等离子加速器实现物理隔离。
为了实现大流量处理秸秆分解气体，可以将单体的介质管构成的低温等离子加速器进行串并联，就构成了分布式低温等离子管式加速器。例如，介质管可以为蛇形管结构，例如：S形结构，有利于结构小型化。
密闭水箱的进出液阀门可以补充水份与排出可水溶性的氮肥、硫肥，由液体肥料承接系统进行承接处理。
本发明实施例的分布式低温等离子管式加速器秸秆制肥机可以由一个总的控制台进行自动化控制。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
