磁流体发电机（等离子发电机）

内容简介

磁流体发电技术是一种新型的高效发电方式，由于无需经过机械转换环节，所以也称之为直接发电，燃料利用效率显著提高，用燃料（石油、天然气、燃煤、核能）直接加热成易于电离的气体，使之在2000℃高温下电离成导电的离子流，然后让其在磁场中高速流动切割磁力线，产生感应电动势即由热能直接转换成电能，这种技术也称为等离子体发电。

为了磁流体的离子化横切穿过磁场时，按电磁感应定律，等离子体的正负粒子在磁场作用下分离，而聚集在与磁力线平等的两个面上，由于电荷的聚集从而产生电。本技术难点在于需要钾、铯等微量碱金属的惰性气体如氦、氩等作为工质，所以气体大规模且可接受成本的气体合成技术为一难关；另一方面，磁流体高温陶瓷通道需长期在2000-3000K温度工作，而电极在高温惰性气体下工作也容易腐蚀，因而材料加工术为另一大难关。

磁流体发电，是将带电的流体(离子气体或液体)以极高的速度喷射到磁场中去，利用磁场对带电的流体产生的作用，从而发出电来。

最简单的开式磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体组成。工作过程是在化石燃料燃烧后产生的高温气体中，加入易电离的钾盐或钠盐，使其部分电离后，经喷管加速产生高达摄氏3000度、速度达到1000米/秒的高温高速导电气体，最后产生电流。

燃煤磁流体发电技术--亦称为等离子体发电，就是磁流体发电的典型应用，燃烧煤而得到的2.6×106℃以上的高温等离子气体并以高速流过强磁场时，气体中的电子受磁力作用，沿着与磁力线垂直的方向流向电极，发出直流电，经直流逆变为交流送入交流电网。

磁流体发电本身的效率仅20%左右，但由于其排烟温度很高，从磁流体排出的气体可送往一般锅炉继续燃烧成蒸汽，驱动汽轮机发电，组成高效的联合循环发电，总的热效率可达50%～60%，是目前正在开发中的高效发电技术中最高的。同样，它可有效地脱硫，有效地控制NOx的产生，也是一种低污染的煤气化联合循环发电技术。

在磁流体发电技术中，高温陶瓷不仅关系到在2000～3000K磁流体温度能否正常工作，且涉及通道的寿命，亦即燃煤磁流体发电系统能否正常工作的关键，目前高温陶瓷的耐受温度最高已可达到3090K。

磁流体发电比一般的火力发电效率高得多，但在相当长一段时间内它的研制进展不快，其原因在于伴随它的优点而产生了一大堆技术难题。磁流体发电机中，运行的是温度在三、四千度的导电流体，它们是高温下电离的气体。为进行有效的电力生产，电离了的气体导电性能还不够，因此，还要在其中加入钾、铯等金属离子。但是，当这种含有金属离子的气流，高速通过强磁场中的发电通道，达到电极时，电极也随之遭到腐蚀。电极的迅速腐蚀是磁流体发电机面临的最大难题。另外，磁流体发电机需要一个强大的磁场，人们都认为，真正用于生产规模的发电机必须使用超导磁体来产生高强度的磁场，这当然也带来技术和设备上的难题。最近几年，科学家在导电流体的选用上有了新的进展，发明了用低熔点的金属（如钠、钾等）作导电流体，在液态金属中加进易挥发的流体（如甲苯、乙烷等）来推动液态金属的流动，巧妙地避开了工程技术上一些难题，制造电极的材料和燃料的研制方面也有了新进展。但想一下子省钱省力地解决磁流体发电中技术、材料等方面的所有难题是不现实的。随着新的导电流体的应用，技术难题逐步解决，磁流体发电的前景还是乐观的。在美国，磁流体发电机的容量已超过32000千瓦；日本、德国、波兰等许多国家都在研制碘流体发电机。我国也已研制出几台不同形式的磁流体发电机。

发电原理

根据电磁感应原理，用导电流体（气体或液体）与磁场相对运动而发电。

导电流体在通道中横越磁场B流过时，由于电磁感应而在垂直于磁场和流速的方向上感生出一个电场E，如把导电流体与外负载相接，导电流体中的能量就可直接转换成电能，向外输出（图1）。这样能省去普通发电机组中某些能量转换的中间过程，因此这种发电又称磁流体直接发电，在这种发电装置中主要部件是发电通道、电极和磁场。

图1 磁流体发电装置示意图

装置类型 按照电流由导电流体中引出的方式，发 电装置可分为传导式和感应式两种。在传导式发电器中，电流是通过发电通道两侧的电极引出的；在感应式发电器中，没有电极，电流直接由磁场绕组输出。按照输出 电流的类别，发电装置可分为交流和直流两种。根据工作介质在装置中是一次使用还是在系统中循环使用，发电装置可分为开式和闭式两种。根据发电通道几何形状的不同，发电装置可分为直线型、涡旋型和径向外流型等几种。下面介绍两种装置：

①开式循环直线型磁流体发电装置这种发电装置中的工作介质是温度2500~3500开的高温电离气体，即等离子体。在连续电极的直线型发电装置中（图2a),如果平均电子碰撞频率比电子在磁场中的回旋频率大得多，则当等离子体横越磁场时，就感生出一个同磁场和流速相垂宜的电场，但当等离子体密度较低，电子在磁场中的回旋频率相当于或甚至大于平均电子碰撞频率时，电子在磁场中就沿曲线运动。这一现象称为霍耳效应，由此产生的垂直于电场的电流称为霍耳电流。电子回旋频率ω与平均电子碰撞频率1/t之比ωt称为霍耳系数，它表征霍耳效应的大小，在物理意义上相当于存在磁场时一个电子在两次碰撞间转过的弧度，也相当于沿等离子体流动方向的霍耳电流与平行于电场方向的电流之比。在连续电极发电装置中，由于出现霍耳电流（损耗电流），平行于电场的电流要降低为原值的。为了减小霍耳电流，通常采用分段电极（图2b），也可直接利用霍耳电流来代替平行于电场的电流，从而成为霍耳发电装置（图2c）。近年来又在此基础上发展出斜框式通道的发电装置。使用开式循环磁流体发电装置可减少环境污染，特别对含硫较高的矿物燃料，由于在燃烧室中“种子”碳酸钾几乎完全离解，在发电装置的通道下游，通过化学反应复合成硫酸钾，从而显著降低二氧化硫的排放量。

原理

磁流体发电中的带电流体，它们是通过加热燃料、惰性气体、碱金属蒸气而得到的。在几千摄氏度的高温下，这些物质中的原子和电子的运动都很剧烈，有些电子甚至可以脱离原子核的束缚，发生电离，结果，这些物质变成自由电子、失去电子的离子以及原子核的混合物，这就是等离子体，等离子体整体不显电性。将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的管道里面，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，在磁场中受到洛伦兹力的作用，分别向两极板偏移，于是正负电荷累积在两极板上并在两极之间产生电压，用导线将电压接入电路中就可以使用了。

磁流体发电的另一个好处是产生的环境污染少。利用火力发电，燃烧燃料产生的废气里含有大量的二氧化硫，这是造成空气污染的一个重要原因。利用磁流体发电，不仅使燃料在高温下燃烧得更加充分，它使用的一些添加材料还可以和硫化合，生成硫酸钾，并被回收利用，这就避免了直接把硫排放到空气中，对环境造成污染。

利用磁流体发电，只要加快带电流体的喷射速度，增加磁场强度，就能提高发电机的功率。人们使用高能量的燃料，再配上快速启动装置，就可以使发电机功率达到1000万kW，这就满足了一些需要大功率电力的场合。目前，中国，美国、印度、澳大利亚以及欧洲共同体等，都积极致力于这方面的研究。

磁流体发电机产生电动势，输出电功率的原理如上图。

1959年，美国阿夫柯公司建造了第一台磁流体发电机，功率为115kW。此后各国均有研究制造，美苏联合研制的磁流体发电机U－25B在1978年8月进行了第四次试验，气体-等离子体流量为2～4kg/s，温度为2950K，磁场为5T，输出功率1300kW，共运行了50小时。目前许多国家正在研制百万千瓦的利用超导磁体的磁流体发电机。

缺点

现在磁流体发电机制造中的主要问题是霍尔效应，目前只有10%。通道和电极的材料都要求耐高温、耐碱腐蚀、耐化学烧蚀等，目前所用材料的寿命都比较短，因而磁流体发电机不能长时间运行。