論磁流體發電技術與展望

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，然后介紹磁流體發電的原理、特點、分類及國內外相關的研究情況，最后對磁流體發電技術面臨的困難做出總結以及對磁流體發電應用前景進行展望。

關鍵詞：磁流體發電；等離子體；汽車尾氣

1 等離子體概念及其電磁性質

隨著溫度升高，一般物質依次表現為固液氣態，物質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，這時物質進入新的一種狀態，這種由大量電子和離子以及不帶電的中性粒子所組成，在整體表現出電中性的電離氣體稱為等離子體。普通氣體與它的區別主要在電磁性質上。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 磁流體發電原理、分類及特點

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

磁流體發電的分類：

就循環類型來看，磁流體發電可分為開環、閉環磁流體發電。開環磁流體發電是讓工質在燃燒室中產生高溫等離子體，通過噴嘴對其加速后釋放，切割磁力線而發電。閉環磁流體發電是把液態金屬作為工質或以惰性氣體為工質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電。

磁流體發電主要特點：

（1）效率比較高

磁流體發電本身效率雖不高，但釋放的排煙溫度很高，可以送往鍋爐燃燒形成水蒸氣驅動汽輪機旋轉，以組成聯合循環發電系統，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）環境污染較小

普通火電廠對環境的污染，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

磁流體發電以等離子體代替了一般發電設備的轉子，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 國內外磁流體發電的研究情況

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

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

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

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

4 磁流體發電的應用前景及所面臨的問題

隨著我國汽車工業的高速發展，汽車已進入尋常百姓家，在它給人們生活帶來便利的同時，卻對能源與環境提出了挑戰。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，減少對環境的污染。要想實現磁流體發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如堿金屬鹽類，可實現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，結合設計合適的等離子發電通道、磁體和電極，通過數值模擬和相關仿真證明利用尾氣進行磁流體發電具有可行性。能夠實現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利用，還應進行大量的后續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，輸出電壓不穩定等問題，但這對于今后的小型磁流體發電裝置的研究具有現實意義。此外，由于我國主要以燃煤發電為主，推廣將磁流體發電技術與傳統的火力發電相結合形成聯合循環發電系統，能夠有效提高發電效率，并且降低對環境的污染，這必將成為未來發展的趨勢。同時，對磁流體發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，把電解質溶液經泵加壓后，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。

磁流體發電所面臨的問題：

（1）高溫問題。由于磁流體發電中溫度一般在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。燃煤磁流體發電，在燃燒室燃燒過程中形成的灰渣會隨氣流進入發電通道，所以必須把這部分灰渣除掉，否則發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電為主的國家，傳統的燃煤發電方式對能源的需求量很大，同時對環境也造成很大污染，所以發展磁流體發電技術將成為我國發電方式轉型的突破口。但磁流體發電技術的發展并不是孤立的，它有賴于其他領域的科學技術作為支撐。面對當前磁流體發電發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，磁流體發電技術必將為我國現代化事業發展提供巨大支持。

參考文獻

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