什么是逆磁流體

【專家解說】：磁流體發(fā)電技術(shù)，就是用燃料（石油、天然氣、燃煤、核能等）直接加熱成易于電離的氣體，使之在2000℃的高溫下電離成導(dǎo)電的離子流，然后讓其在磁場中高速流動時，切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，即由熱能直接轉(zhuǎn)換成電流，由于無需經(jīng)過機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以稱之為"直接發(fā)電"，其燃料利用率得到顯著提高，這種技術(shù)也稱為"等離子體發(fā)電技術(shù)"。 磁流體發(fā)電是一種新型的高效發(fā)電方式，其定義為當(dāng)帶有磁流體的等離子體橫切穿過磁場時，按電磁感應(yīng)定律，由磁力線切割產(chǎn)生電；在磁流體流經(jīng)的通道上安裝電極和外部負(fù)荷連接時，則可發(fā)電。 為了使磁流體具有足夠的電導(dǎo)率，需在高溫和高速下，加上鉀、銫等堿金屬和加入微量堿金屬的惰性氣體(如氦、氬等)作為工質(zhì)，以利用非平衡電離原理來提高電離度。前者直接利用燃燒氣體穿過磁場的方式叫開環(huán)磁流體發(fā)電，后者通過換熱器將工質(zhì)加熱后再穿過磁場的叫閉環(huán)磁流體發(fā)電。 燃煤磁流體發(fā)電技術(shù)--亦稱為等離子體發(fā)電，就是磁流體發(fā)電的典型應(yīng)用，燃燒煤而得到的2.6×106℃以上的高溫等離子氣體并以高速流過強(qiáng)磁場時，氣體中的電子受磁力作用，沿著與磁力線垂直的方向流向電極，發(fā)出直流電，經(jīng)直流逆變?yōu)榻涣魉腿虢涣麟娋W(wǎng)。 磁流體發(fā)電本身的效率僅20%左右，但由于其排煙溫度很高，從磁流體排出的氣體可送往一般鍋爐繼續(xù)燃燒成蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電，組成高效的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，總的熱效率可達(dá)50%～60%，是目前正在開發(fā)中的高效發(fā)電技術(shù)中最高的。同樣，它可有效地脫硫，有效地控制NOx的產(chǎn)生，也是一種低污染的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。 在磁流體發(fā)電技術(shù)中，高溫陶瓷不僅關(guān)系到在2000～3000K磁流體溫度能否正常工作，且涉及通道的壽命，亦即燃煤磁流體發(fā)電系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵，目前高溫陶瓷的耐受溫度最高已可達(dá)到3090K。 磁流體發(fā)電的原理 根據(jù)電磁感應(yīng)原理，用導(dǎo)電流體（氣體或液體）與磁場相對運(yùn)動而發(fā)電。 磁流體發(fā)電按工質(zhì)的循環(huán)方式分為開式循環(huán)系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)和液態(tài)金屬循環(huán)系統(tǒng)。最簡單的開式磁流發(fā)電機(jī)由燃燒室、發(fā)電通道和磁體組成。工作過程是：在燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫燃?xì)庵?，加入易電離的鉀鹽或鈉鹽，使其部分電離，經(jīng)噴管加速，產(chǎn)生溫度達(dá)3000℃、速度達(dá)1000米／秒的高溫高速導(dǎo)電氣體（部分等離子體），導(dǎo)電氣體穿越置于強(qiáng)磁場中的發(fā)電通道，作切割磁力線的運(yùn)動，感生出電流。磁流體發(fā)電機(jī)沒有運(yùn)動部件，結(jié)構(gòu)緊湊，起動迅速，環(huán)境污染小，有很多優(yōu)點(diǎn)。特別是它的排氣溫度高達(dá)2000℃，可通入鍋爐產(chǎn)生蒸汽，推動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。這種磁流體－蒸汽動力聯(lián)合循環(huán)電站，一次燃燒兩級發(fā)電，比現(xiàn)有火力發(fā)電站的熱效率高10－20%，節(jié)省燃料30%，是火力發(fā)電技術(shù)改造的重要方向。磁流體發(fā)電的研究始于20世紀(jì)50年代末，被認(rèn)為是最現(xiàn)實(shí)可行、最有競爭力的直接發(fā)電方式。它涉及到磁流體動力學(xué)、等離子物理、高溫技術(shù)及材料、低溫超導(dǎo)技術(shù)和熱物理等領(lǐng)域，是一項大型工程性課題。許多先進(jìn)國家都把它列為國家重點(diǎn)科研項目，有的建立國際間協(xié)作關(guān)系，以期早日突破。 從發(fā)電的機(jī)理上看，磁流體發(fā)電與普通發(fā)電一樣，都是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律獲得電能。所不同的是，磁流體發(fā)電是以高溫的導(dǎo)電流體（在工程技術(shù)上常用等離子體）高速通過磁場，以導(dǎo)電的流體切割磁感線產(chǎn)生電動勢。這時，導(dǎo)電的流體起到了金屬導(dǎo)線的作用。 磁流體發(fā)電中所采用的導(dǎo)電流體一般是導(dǎo)電的氣體，也可以是液態(tài)金屬。我們知道，常溫下的氣體是絕緣體，只有在很高的溫度下，例如6000K以上，才能電離，才有較大的導(dǎo)電率。而磁流體發(fā)電一般是采用煤、石油或天然氣作燃料，燃料在空氣中燃燒時，即使把空氣預(yù)熱到1400K，也只能使空氣達(dá)到3000K的溫度，這時氣體的導(dǎo)電率還不能達(dá)到所需的值，而且即使再提高溫度，導(dǎo)電率也提高不了多少，卻給工程帶來很大困難。那么如何使氣體在較低的溫度下就能導(dǎo)電，并有較高的導(dǎo)電率?實(shí)際中采用的辦法是在高溫燃燒的氣體中添加一定比例的、容易電離的低電離電位的物質(zhì)，如鉀、銫等堿金屬化合物。這種堿金屬化合物被稱為“種子”。在氣體中加入這種低電離電位物質(zhì)的量一般以氣體重量的1%為佳。這樣氣體溫度在3000K左右時，就能達(dá)到所要求的導(dǎo)電率。當(dāng)這種氣體以約1000m/S的速度通過磁場時，就可以實(shí)現(xiàn)具有工業(yè)應(yīng)用價值的磁流體發(fā)電。 磁流體發(fā)電是一種新型的發(fā)電方法。它把燃料的熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，省略了由熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程，因此，這種發(fā)電方法效率較高，可達(dá)到60％以上。同樣燒一噸煤，它能發(fā)電4500千瓦時，而汽輪發(fā)電機(jī)只能發(fā)出3000千瓦時電。對環(huán)境的污染也小 磁流體發(fā)電中，導(dǎo)電流體單位體積的輸出功率We為 We=σv 2B 2k(1-k)式中σ為導(dǎo)電流體的電導(dǎo)率，v為流體的運(yùn)動速度，B為磁場的磁通密度，k為電負(fù)載系數(shù)。典型的數(shù)據(jù)是σ=10～20西/米，B=5～6特，v=600～1000米/秒，k=0.7～0.8, We在25～150兆瓦/米3。80年代后期，世界上技術(shù)最先進(jìn)的磁流體發(fā)電裝置是莫斯科北郊U-25裝置。它是以天然氣作燃料的開環(huán)裝置，額定功率為20.5兆瓦。 磁流體發(fā)電的歷史 1832年法拉第首次提出有關(guān)磁流體力學(xué)問題。他根據(jù)海水切割地球磁場產(chǎn)生電動勢的想法，測量泰晤士河兩岸間的電位差，希望測出流速，但因河水電阻大、地球磁場弱和測量技術(shù)差，未達(dá)到目的。1937年哈特曼根據(jù)法拉第的想法，對水銀在磁場中的流動進(jìn)行了定量實(shí)驗(yàn)，并成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學(xué)流動(即哈特曼流動)的理論計算方法。 1940～1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場中運(yùn)動軌道的“引導(dǎo)中心”理論、磁凍結(jié)定理、磁流體動力學(xué)波(即阿爾文波)和太陽黑子理論，1949年他在《宇宙動力學(xué)》一書中集中討論了他的主要工作，推動了磁流體力學(xué)的發(fā)展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場來保存等離子體的所謂磁約束問題，即磁流體靜力學(xué)問題。受控?zé)岷朔磻?yīng)中的磁約束，就是利用這個原理來約束溫度高達(dá)一億度量級的等離子體。 然而，磁約束不易穩(wěn)定，所以研究磁流體力學(xué)穩(wěn)定性成為極重要的問題。1951年，倫德奎斯特給出一個穩(wěn)定性判據(jù)，這個課題的研究至今仍很活躍。 美國是世界上研究磁流體發(fā)電最早的國家，1959年，美國就研制成功了11.5千瓦磁流體發(fā)電的試驗(yàn)裝置。60年代中期以后，美國將它應(yīng)用在軍事上，建成了作為激光武器脈沖電源和風(fēng)洞試驗(yàn)電源用的磁流體發(fā)電裝置。 日本和前蘇聯(lián)都把磁流體發(fā)電列入國家重點(diǎn)能源攻關(guān)項目，并取得了引人注目的成果。前蘇聯(lián)已將磁流體發(fā)電用在地震預(yù)報和地質(zhì)勘探等方面。前蘇聯(lián)在1971年建造了一座磁流體——蒸汽聯(lián)合循環(huán)試驗(yàn)電站，裝機(jī)容量為7.5萬千瓦，其中磁流體電機(jī)容量為2.5萬千瓦。1986年，前蘇聯(lián)開始興建世界上第一座50萬千瓦的磁流體和蒸汽聯(lián)合電站，這座電站使用的燃料是天然氣，它既可供電，又能供熱，與一般的火力發(fā)電站相比，它可節(jié)省燃料20％。 磁流體發(fā)電為高效率利用煤炭資源提供了一條新途徑，所以世界各國都在積極研究燃煤磁流體發(fā)電。目前，世界上有17個國家在研究磁流體發(fā)電，而其中有13個國家研究的是燃煤磁流體發(fā)電，包括中國、印度、美國、波蘭、法國、澳大利亞、前蘇聯(lián)等。 我國于本世紀(jì)60年代初期開始研究磁流體發(fā)電，先后在北京、上海、南京等地建成了試驗(yàn)基地。根據(jù)我國煤炭資源豐富的特點(diǎn)，我國將重點(diǎn)研究燃煤磁流體發(fā)電，并將它作為“863”計劃中能源領(lǐng)域的兩個研究主題之一，爭取在短時間內(nèi)趕上世界先進(jìn)水平。 作為一種高技術(shù)，磁流體發(fā)電推動著工程電磁流體力學(xué)這門新興學(xué)科和高溫燃燒、氧化劑預(yù)熱、高溫材料、超導(dǎo)磁體、大功率變流技術(shù)、高溫診斷和降低工業(yè)動力裝置有害排放物的先進(jìn)方法等一系列新技術(shù)的發(fā)展。這些科學(xué)成果和技術(shù)成就可以得到其他方面的應(yīng)用，并有著美好的發(fā)展前景。 綜上所述，從高效率、低污染、高技術(shù)的考慮，使得磁流體發(fā)電從其原理性實(shí)驗(yàn)成功開始，就迅速得到了全世界的重視，許多國家都給予了持續(xù)穩(wěn)定的支持。