論磁流體發(fā)電技術與展望

朱慧林

摘 要：文章首先介紹等離子體的基本概念及其電磁性質(zhì)，然后介紹磁流體發(fā)電的原理、特點、分類及國內(nèi)外相關的研究情況，最后對磁流體發(fā)電技術面臨的困難做出總結以及對磁流體發(fā)電應用前景進行展望。

關鍵詞：磁流體發(fā)電；等離子體；汽車尾氣

1 等離子體概念及其電磁性質(zhì)

隨著溫度升高，一般物質(zhì)依次表現(xiàn)為固液氣態(tài)，物質(zhì)分子排列的有序程度逐次降低。當氣體的溫度再進一步升高，其中大量的分子或原子將由于激烈的相互碰撞而離解為電子和正離子，這時物質(zhì)進入新的一種狀態(tài)，這種由大量電子和離子以及不帶電的中性粒子所組成，在整體表現(xiàn)出電中性的電離氣體稱為等離子體。普通氣體與它的區(qū)別主要在電磁性質(zhì)上。在普通氣體中，粒子主要進行的是熱運動，而等離子體除此之外還能產(chǎn)生等離子體振蕩，特別是有外加磁場時，等離子體因有大量的電子而成為良導體。但普通氣體是絕緣體，它對電磁場幾乎沒什么反應。

2 磁流體發(fā)電原理、分類及特點

磁流體發(fā)電技術是一種高效且新型的發(fā)電技術，其原理就是讓等離子體高速流過磁場切割磁感線產(chǎn)生電流。磁流體發(fā)電相比其他發(fā)電技術有很明顯的優(yōu)勢，從能量轉換角度來看，磁流體發(fā)電的能量轉換經(jīng)過了燃料化學能、煙氣熱能、電能三個階段。由此可見，磁流體發(fā)電中間轉換過程少，能量損失少，能夠有效提高發(fā)電效率。

磁流體發(fā)電的分類：

就循環(huán)類型來看，磁流體發(fā)電可分為開環(huán)、閉環(huán)磁流體發(fā)電。開環(huán)磁流體發(fā)電是讓工質(zhì)在燃燒室中產(chǎn)生高溫等離子體，通過噴嘴對其加速后釋放，切割磁力線而發(fā)電。閉環(huán)磁流體發(fā)電是把液態(tài)金屬作為工質(zhì)或以惰性氣體為工質(zhì)并在其中加入銫等金屬為種子，再用換熱器對其加熱后穿過磁場而發(fā)電。

磁流體發(fā)電主要特點：

（1）效率比較高

磁流體發(fā)電本身效率雖不高，但釋放的排煙溫度很高，可以送往鍋爐燃燒形成水蒸氣驅(qū)動汽輪機旋轉，以組成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其熱效率可達50%-60%，明顯高于火電廠的效率，大幅度提高能源利用率。

（2）環(huán)境污染較小

普通火電廠對環(huán)境的污染，除了排煙中的氮氧化合物造成大氣污染，還有大量的冷卻水排出，使河水溫度上升，造成熱污染。而磁流體發(fā)電技術本身要求需加入鉀鹽作為種子，鉀與硫又易于結合，能形成硫酸鉀，起到脫硫的作用，降低對空氣的污染。

（3）啟停速度快

磁流體發(fā)電以等離子體代替了一般發(fā)電設備的轉子，以磁體代替了定子，省去了機械旋轉部件。它啟停迅速，從點火到滿負荷運行，只需幾十秒。

3 國內(nèi)外磁流體發(fā)電的研究情況

前蘇聯(lián)是世界上對磁流體發(fā)電研究投入最多的國家，燒天然氣的半工業(yè)性試驗電站U-25于1971年建成，能發(fā)出的最高發(fā)電功率為20.4兆瓦。蘇聯(lián)解體后，在Y-500基礎上俄羅斯建成Y-25G磁流體發(fā)電裝置，主要用于研究燃煤發(fā)電試驗。

最早進行磁流體發(fā)電技術研究的是美國，在20世紀60年代主要發(fā)展軍用短時間發(fā)電，并研制成功工作時間能夠持續(xù)約1min、功率可達18、32MW的機組，證實了大功率發(fā)電可行性。隨著環(huán)境污染日益嚴重以及能源緊缺，磁流體發(fā)電憑借其轉換效率高、環(huán)境污染低，成為美國確定的主要研究方向，重點發(fā)展以煤為燃料的商用磁流體發(fā)電。

20世紀60年代日本開始對磁流體發(fā)電試驗的研究，東芝公司研制成功功率達100kW、燒煤油的磁流體發(fā)電裝置。石油危機后開始轉向燃煤磁流體發(fā)電的試驗，把燒油煤漿的磁流體發(fā)電試驗作為主要研究對象。

于1962年，我國開始了對磁流體發(fā)電的研究，主要進行的是關于燃油磁流體發(fā)電的研究?？紤]到煤作為我國主要能源，于1982年轉向?qū)θ济捍帕黧w發(fā)電的研究。整個工作由高溫燃煤燃燒室、余熱鍋爐、磁流體發(fā)電通道、超導磁體、逆變系統(tǒng)、電離種子回收、已有電站磁流體發(fā)電改造的概念設計八個方面構成。

4 磁流體發(fā)電的應用前景及所面臨的問題

隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車已進入尋常百姓家，在它給人們生活帶來便利的同時，卻對能源與環(huán)境提出了挑戰(zhàn)。汽車尾氣的排放已成為我國空氣污染不斷惡化的主要原因，有效治理汽車尾氣污染便成為突破口。將磁流體發(fā)電技術應用在汽車尾氣上，不僅能有效地提高燃料的利用率，直接將熱能轉化為電能，還能有效地減少氮氧化合物的形成，減少對環(huán)境的污染。要想實現(xiàn)磁流體發(fā)電必須滿足較高的電導率導電流體、流體流速、磁感應強度三個條件。已有相關研究表明以汽車尾氣為等離子體源，通過在高溫氣體中加入少量電離電位較低的物質(zhì)如堿金屬鹽類，可實現(xiàn)在較低溫度下氣體獲得一定的電導率，再利用加速設備幾何噴管和具有較高電磁強度物質(zhì)，結合設計合適的等離子發(fā)電通道、磁體和電極，通過數(shù)值模擬和相關仿真證明利用尾氣進行磁流體發(fā)電具有可行性。能夠?qū)崿F(xiàn)滿足汽車用電需要和小容量用電器的電量，但要將理論研究真正推廣到生產(chǎn)利用，還應進行大量的后續(xù)工作如解決汽車行駛過程中，速度變化大，尾氣排放量變化大，輸出電壓不穩(wěn)定等問題，但這對于今后的小型磁流體發(fā)電裝置的研究具有現(xiàn)實意義。此外，由于我國主要以燃煤發(fā)電為主，推廣將磁流體發(fā)電技術與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相結合形成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，能夠有效提高發(fā)電效率，并且降低對環(huán)境的污染，這必將成為未來發(fā)展的趨勢。同時，對磁流體發(fā)電進行改造也將應用在較廣的領域中。通過設計合適的磁場通道，把電解質(zhì)溶液經(jīng)泵加壓后，使其高速通過磁場通道，溶液中的正負離子相互分離，并可產(chǎn)生無離子的水，此技術可應用于海水淡化及綜合利用、造紙廠污水處理。

磁流體發(fā)電所面臨的問題：

（1）高溫問題。由于磁流體發(fā)電中溫度一般在2000K以上，為了盡量減少燃燒室熱量損失，保證較高的燃燒效率下，對燃燒室的結構、材料提出了更高要求。

（2）超導問題。在磁流體發(fā)電中，要想得到較高的輸出功率，磁場強度是關鍵。超導體磁感應強度可達5T或更高，而且基本不消耗電能。所以，要發(fā)更大的功率，必須使用超導體，必須加大對超導體相關技術的研究。

（3）通道排渣問題。燃煤磁流體發(fā)電，在燃燒室燃燒過程中形成的灰渣會隨氣流進入發(fā)電通道，所以必須把這部分灰渣除掉，否則發(fā)電通道的性能和壽命將會受到很大影響，所以要想將燃煤磁流體發(fā)電應用于實際生活，必須解決通道排渣問題。

5 結束語

目前，我國仍然是以燃煤發(fā)電為主的國家，傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電方式對能源的需求量很大，同時對環(huán)境也造成很大污染，所以發(fā)展磁流體發(fā)電技術將成為我國發(fā)電方式轉型的突破口。但磁流體發(fā)電技術的發(fā)展并不是孤立的，它有賴于其他領域的科學技術作為支撐。面對當前磁流體發(fā)電發(fā)展存在的問題應加大科研投入，加速難題的突破進程，相信隨著技術難題的攻克，磁流體發(fā)電技術必將為我國現(xiàn)代化事業(yè)發(fā)展提供巨大支持。

參考文獻

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