论磁流体发电技术与展望

朱慧林

摘 要：文章首先介绍等离子体的基本概念及其电磁性质，然后介绍磁流体发电的原理、特点、分类及国内外相关的研究情况，最后对磁流体发电技术面临的困难做出总结以及对磁流体发电应用前景进行展望。

关键词：磁流体发电；等离子体；汽车尾气

1 等离子体概念及其电磁性质

随着温度升高，一般物质依次表现为固液气态，物质分子排列的有序程度逐次降低。当气体的温度再进一步升高，其中大量的分子或原子将由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正离子，这时物质进入新的一种状态，这种由大量电子和离子以及不带电的中性粒子所组成，在整体表现出电中性的电离气体称为等离子体。普通气体与它的区别主要在电磁性质上。在普通气体中，粒子主要进行的是热运动，而等离子体除此之外还能产生等离子体振荡，特别是有外加磁场时，等离子体因有大量的电子而成为良导体。但普通氣体是绝缘体，它对电磁场几乎没什么反应。

2 磁流体发电原理、分类及特点

磁流体发电技术是一种高效且新型的发电技术，其原理就是让等离子体高速流过磁场切割磁感线产生电流。磁流体发电相比其他发电技术有很明显的优势，从能量转换角度来看，磁流体发电的能量转换经过了燃料化学能、烟气热能、电能三个阶段。由此可见，磁流体发电中间转换过程少，能量损失少，能够有效提高发电效率。

磁流体发电的分类：

就循环类型来看，磁流体发电可分为开环、闭环磁流体发电。开环磁流体发电是让工质在燃烧室中产生高温等离子体，通过喷嘴对其加速后释放，切割磁力线而发电。闭环磁流体发电是把液态金属作为工质或以惰性气体为工质并在其中加入铯等金属为种子，再用换热器对其加热后穿过磁场而发电。

磁流体发电主要特点：

（1）效率比较高

磁流体发电本身效率虽不高，但释放的排烟温度很高，可以送往锅炉燃烧形成水蒸气驱动汽轮机旋转，以组成联合循环发电系统，其热效率可达50%-60%，明显高于火电厂的效率，大幅度提高能源利用率。

（2）环境污染较小

普通火电厂对环境的污染，除了排烟中的氮氧化合物造成大气污染，还有大量的冷却水排出，使河水温度上升，造成热污染。而磁流体发电技术本身要求需加入钾盐作为种子，钾与硫又易于结合，能形成硫酸钾，起到脱硫的作用，降低对空气的污染。

（3）启停速度快

磁流体发电以等离子体代替了一般发电设备的转子，以磁体代替了定子，省去了机械旋转部件。它启停迅速，从点火到满负荷运行，只需几十秒。

3 国内外磁流体发电的研究情况

前苏联是世界上对磁流体发电研究投入最多的国家，烧天然气的半工业性试验电站U-25于1971年建成，能发出的最高发电功率为20.4兆瓦。苏联解体后，在Y-500基础上俄罗斯建成Y-25G磁流体发电装置，主要用于研究燃煤发电试验。

最早进行磁流体发电技术研究的是美国，在20世纪60年代主要发展军用短时间发电，并研制成功工作时间能够持续约1min、功率可达18、32MW的机组，证实了大功率发电可行性。随着环境污染日益严重以及能源紧缺，磁流体发电凭借其转换效率高、环境污染低，成为美国确定的主要研究方向，重点发展以煤为燃料的商用磁流体发电。

20世纪60年代日本开始对磁流体发电试验的研究，东芝公司研制成功功率达100kW、烧煤油的磁流体发电装置。石油危机后开始转向燃煤磁流体发电的试验，把烧油煤浆的磁流体发电试验作为主要研究对象。

于1962年，我国开始了对磁流体发电的研究，主要进行的是关于燃油磁流体发电的研究。考虑到煤作为我国主要能源，于1982年转向对燃煤磁流体发电的研究。整个工作由高温燃煤燃烧室、余热锅炉、磁流体发电通道、超导磁体、逆变系统、电离种子回收、已有电站磁流体发电改造的概念设计八个方面构成。

4 磁流体发电的应用前景及所面临的问题

随着我国汽车工业的高速发展，汽车已进入寻常百姓家，在它给人们生活带来便利的同时，却对能源与环境提出了挑战。汽车尾气的排放已成为我国空气污染不断恶化的主要原因，有效治理汽车尾气污染便成为突破口。将磁流体发电技术应用在汽车尾气上，不仅能有效地提高燃料的利用率，直接将热能转化为电能，还能有效地减少氮氧化合物的形成，减少对环境的污染。要想实现磁流体发电必须满足较高的电导率导电流体、流体流速、磁感应强度三个条件。已有相关研究表明以汽车尾气为等离子体源，通过在高温气体中加入少量电离电位较低的物质如碱金属盐类，可实现在较低温度下气体获得一定的电导率，再利用加速设备几何喷管和具有较高电磁强度物质，结合设计合适的等离子发电通道、磁体和电极，通过数值模拟和相关仿真证明利用尾气进行磁流体发电具有可行性。能够实现满足汽车用电需要和小容量用电器的电量，但要将理论研究真正推广到生产利用，还应进行大量的后续工作如解决汽车行驶过程中，速度变化大，尾气排放量变化大，输出电压不稳定等问题，但这对于今后的小型磁流体发电装置的研究具有现实意义。此外，由于我国主要以燃煤发电为主，推广将磁流体发电技术与传统的火力发电相结合形成联合循环发电系统，能够有效提高发电效率，并且降低对环境的污染，这必将成为未来发展的趋势。同时，对磁流体发电进行改造也将应用在较广的领域中。通过设计合适的磁场通道，把电解质溶液经泵加压后，使其高速通过磁场通道，溶液中的正负离子相互分离，并可产生无离子的水，此技术可应用于海水淡化及综合利用、造纸厂污水处理。

磁流体发电所面临的问题：

（1）高温问题。由于磁流体发电中温度一般在2000K以上，为了尽量减少燃烧室热量损失，保证较高的燃烧效率下，对燃烧室的结构、材料提出了更高要求。

（2）超导问题。在磁流体发电中，要想得到较高的输出功率，磁场强度是关键。超导体磁感应强度可达5T或更高，而且基本不消耗电能。所以，要发更大的功率，必须使用超导体，必须加大对超导体相关技术的研究。

（3）通道排渣问题。燃煤磁流体发电，在燃烧室燃烧过程中形成的灰渣会随气流进入发电通道，所以必须把这部分灰渣除掉，否则发电通道的性能和寿命将会受到很大影响，所以要想将燃煤磁流体发电应用于实际生活，必须解决通道排渣问题。

5 结束语

目前，我国仍然是以燃煤发电为主的国家，传统的燃煤发电方式对能源的需求量很大，同时对环境也造成很大污染，所以发展磁流体发电技术将成为我国发电方式转型的突破口。但磁流体发电技术的发展并不是孤立的，它有赖于其他领域的科学技术作为支撑。面对当前磁流体发电发展存在的问题应加大科研投入，加速难题的突破进程，相信随着技术难题的攻克，磁流体发电技术必将为我国现代化事业发展提供巨大支持。

参考文献

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