[发明专利]将蒸汽用作气体介质的封闭循环MHD法拉第发电

说明书

技术领域

本发明总地涉及通过磁流体动力(MHD)发电机发电，更具体地涉及封闭循环 MHD发电机。

背景技术

借助矿石燃烧蒸汽发生器或汽化器的用于驱动蒸汽气轮发电机发电已相当成 熟。借助磁流体动力(MHD)或磁液体动力(MFD)的发电已用于多种小规模应用。

在20世纪后半期，发电领域中尝试使用MHD的大规模应用。这些应用想办法 用矿石燃烧发生器上游的热废气来发电。目的是直接地共生电力，即没有介入涡轮 发电机，将其作为通过传统蒸汽气轮发电机产生的主电力补充。

如图1所示，磁流体动力或MHD发电发生在部分离子化的热燃气(等离子体) 20通过磁场而膨胀时。聚集通道10中的电极从运动气体中获得能量。流过由磁体 30产生的磁场的导电气体20形成与通过磁场移动电线相同的电势。这形成直流电 40。该直流电被调整并逆变为向传统配电系统供电的交流电50。

在传统MHD发电中，在将近5000F(2760℃)的温度下在燃煤器中产生热气20。 通常认为即使在很高的气体温度下，也必须通过在气体中散播易离子化的材料而增 加可获得的气体离子化。钾化合物是优选的。失去作用的种子(seed)化合物出于 经济和环境原因被处理和再循环。

MHD系统包括具有产生高温等离子体20的播种能力的高温燃煤器，所述高温 等离子体20通过喷嘴25进入磁场。气体通过磁场膨胀并随后进入高温陶瓷空气加 热器60。为达到等离子体20所要求的高气体温度，使其必须对燃烧空气/氧气具 有大约3000F(1649℃)的温度。在空气加热器60的下游，冷却气体进入电站循环 的蒸汽底部。电站的底部由能够产生蒸汽100的传统蒸汽发生器组成，该蒸汽发生 器向气轮发电机80供能。

基于图1所示循环的研究引发出1000MW输出的MHD等蒸汽电站的先进设计。 用于该研究的先进理念包括3100F(1704℃)直接燃烧陶瓷空气预加热器、高效率 电动机驱动轴向压缩机、低热量损失的高温(1.467kPa)燃烧、超导磁体30、低 热量损失的陶瓷通道电极、高静电应力设计、中等压力[800psi(1.4Mpa)]通道冷却 10和高性能扩散器。相比40％左右的传统循环效率，该先进理念的MHD及底循环 基于更高热值导致60.4％净效率的电站。MHD燃烧器的燃烧空气预加热计划为 3100F(1704℃)，具有210psi(14.5巴)的燃烧器压力。及底循环主蒸汽节流阀 压力为5000psi(345巴)；过热器出口蒸汽温度为1200F(649℃)；而再加热出 口温度为1050至1150F(566至621℃)。这种循环的环境影响在SO₂、NO_x、CO₂、 微粒、固体废料、冷却热损耗和总耗水量方面明显优于产生相同电量的传统蒸汽电 站。

如上所述，实用规模发电的MHD应用采用MHD作为与蒸汽及底循环结合的至 顶循环。该过程采用散播有在高温下被离子化的微粒(通常为钾微粒)的高温气体， 在热气体中形成一团带电微粒。该高温气体只需要使微粒保持离子化并因此带电， 从而形成等离子体或一团带电微粒。在夹带离子化微粒的管道两侧施加磁场，用与 垂直于所施加磁场的方向的蒸汽接触的触头或端子取电流。该过程要求工作在高气 体温度下，以确保气体中的微粒保持离子化。另外，由于种子微粒的成本，要求高 效率地从废气中移去种子微粒以在MHD过程中重新使用，使整个过程在经济上和环 境上可行。已证实为了达到必要的程度，这在经济上是不可能的。与蒸汽及底循环 结合的MHD至顶循环从未在经济上取得成功并已停止研发。

最近，日本有人研发出封闭循环或封闭循环MHD，其中气体流过位于MHD发电 机下游的气轮发电机。这一系统记载于5,086,234号美国专利中，该专利公开了一 种加热稀有气体(即惰性气体)的加热源以及设置在加热器中用来将碱金属蒸汽作 为种子媒质以提高气体导电性的装置。受热的稀有气体和种子媒质首先被引入MHD 发电机，并随后排入热交换器，在那里从空气中去除种子媒质。已去除种子媒质的 稀有气体随后被压缩并用来驱动气轮发电机单元。通过这样的种子媒质回收，进入 气轮发电机单元的稀有气体基本上不夹带种子媒质。