清洁高效的能源新技术燃煤磁流体发电
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能源是人类发展生产、维持正常生活的重要物质条件。能源的消耗水平已成为现代社会衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志。电能是各种能源中既干净、又方便的二次能源。在现代电力工业中,火力发电所占的份额最大(全世界发电构成中火电的比重约为70%),而煤——这种世界上最丰富的矿物燃料,则是火力发电中用量最大的燃料之一。然而,由于传统的火力发电技术因需要经过几次能量转换,其发电效率较低(一般不超过40%),同时,煤炭直接燃烧会造成严重的环境污染,所以,世界上许多发达国家都在大力研究开发先进的燃煤发电新技术。正是在这种背景下,燃煤磁流体发电得以应运而生。

燃煤磁流体发电是指煤在磁流体中燃烧而发电的过程,是20世纪50年代之后兴起的一种将热能直接转换成电能的新型发电技术。其基本原理和传统的发电机一样,基于法拉第电磁感应定律,即导体切割磁力线感应产生电动势,所不同者是磁流体发电机中的导电流体,代替了普通发电机中的金属导体。由于没有旋转部件,所以它可在较高温度下工作,初温越高,热效率越高。又因为磁流体发电的初温非常高,在发电通道中部分高温热能转换成电能后,排气温度仍然甚高,所以还可以通过余热锅炉产生蒸汽以驱动汽轮发电机发电,即组成磁流体-蒸汽联合循环系统,以提高发电效率。而导电流体的高温既可以通过矿物燃料(煤、石油、天然气)燃烧获得,也可以利用核反应堆的核燃料获得。当用矿物燃料时,可形成开环磁流体联合循环发电;而利用核反应时,则形成闭循环磁流体联合循环发电。目前世界上主要研究烧矿物燃料的开循环磁流体发电,即燃煤磁流体发电。

燃煤磁流体发电是如何工作的呢?该技术是将煤在特殊的燃烧室里燃烧加热使之成为高度电离的高温气体,为了增加气体的电导率,须在高温“燃气”里,添加一些容易电离的、称之为“种子”的碱金属原子(最好的电离添加剂是铯,可惜铯价格昂贵,所以通常选用的是较为廉价的钾盐),依靠钾原子在高温下的热电离。使“燃气”带电,产生足够的导电性能。当燃煤得到的℃以上的高温等离子气体,以每秒~米的速度通过强磁场时,气体中的电子受磁力作用和气体中活化金属粒子(钾)相互碰撞,沿着与磁力线成垂直的方位流向电极而发出直流电,经交、直流电变换装置可送入电网。热流体通过磁场的运动称为“上循环”。

从磁流体发电机排出的气体温度还在℃左右,其余热仍然可以回收能量,但由于含钾废气不能直接应用,因此使用上循环的气体必须通过换热器产生高压蒸汽,再使之推动常规的汽轮发电机产生另一部分电力。这种循环过程称为“下循环”。由上、下循环组成的发电系统,其效率比传统的火力发电高出许多,早期效率为46~48%,改进后这种系统的效率还可达到55~60%,约可节约发电用的燃料1/4到1/3.由于发电效率的提高,排入江河中的废热相应的要减少一半左右,从而降低了江河的热污染。

燃煤磁流体发电没有高温旋转部件,高温设备均可通过水冷,机械强度容易得到保证,磁流体发电的单机容量原则上不受限制,机组容量越大,能量转换效率越高。磁流体发电不像汽轮发电机那样需要冷凝气冷却用水,而且上循环设备的冷却水还可作为下循环锅炉的补充用水,因此不仅可以节约用水,还可回收一部分热能。

更值得一提的是,在常规的火力发电厂里,煤燃烧产生的排烟中含有大量的二氧化硫,会形成严重的大气污染,因此需要配备净化或脱硫设备,导致电站效率降低了30%,增加基建投资30%左右,而在燃煤磁流体发电技术中,由于发电工质(即工作物质)中加进的电离种子材料——钾与煤中的硫有化学亲和力,这种种子材料与燃气中的二氧化硫作用生成硫酸盐,在回收种子材料时起到了自动脱硫的作用。因此燃煤磁流体发电可以使用高硫煤,而不需要专门的脱硫设备,还可以采用控制燃烧的方法来有效控制NOx的产生,所以,它是一种满足环境要求的“清洁”发电技术。

燃煤磁流体发电技术的研究涉及的学科广,综合性强,因此需要多学科、多技术的协同配合,例如高温燃烧技术,高温热交换技术,超导磁体技术,高温材料,以及逆变温技术等。由于磁流体发电需要6万高斯的强磁场,因此磁流体发电的研究开发,还会带动和促进超导磁体的发展。

在先进的燃煤发电新技术中,除了燃煤磁流体联合循环发电外,还有加压硫化床联合循环发电和煤气化联合循环发电,但从综合比较的角度看,前者比后两者的优点更多。专家评估认为,燃煤磁流体发电联合循环是一种大有前途的高效率、低污染、大功率的发电高新技术。美国等发达国家从20世纪50年代末即着手开发此项技术,亚洲另一个人口大国印度也在从事该技术的研究。我国作为一个位居世界之首的煤炭生产和消费大国,对燃煤磁流体发电技术亦十分重视,将其列入了“计划”的能源高科技领域,并取得了重大进展。目前,我国是世界上开展这方面研究的13个国家之一,并处于较先进的地位。在不远的未来,这种新型的发电方式必将为缓解我国的能源问题,促进国民经济的发展作出新贡献。




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