将蒸汽用作气体介质的封闭循环MHD法拉第发电

摘要

一种发电的封闭循环系统和方法使用蒸汽将电荷载体传递通过MHD发电机。水滴、细微粒或其混合物作为电荷载体。细微粒足够小以基本无损地或无损地经过泵和流动路径中的其它设备，由此不需要去除和重新注入种子材料或在排放至环境前对其进行处理。现有技术中MHD发电机的高工作温度得以避免，从而允许使用更为廉价和容易获得的材料。该系统和方法还允许MHD发电机作为单环路发电系统中的及底循环，而传统蒸汽气轮发电机作为至顶循环，这导致温室气体和其它污染物的排放减少，单位发电量对环境的热损耗降低所引起的加热速率蒸高。

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。

4,516,043号美国专利公开一种开放循环MHD系统，其中碳微粒充当电荷载体并在MHD过程中通过燃烧气体传送。主燃烧器产生含显微镜可见的碳微粒的热气体流，微粒较佳地具有大约0.02×10^-6m至0.04×10^-6m(20-40纳米)的平均直径。热气体流与所夹带的碳微粒一起被引入到对碳微粒充正电的静电充电装置。该充电装置可与用来从烟道气去除飞尘和其它微粒的静电沉积器基本相似。燃烧气体和带电的电荷载体被引入到MHD发电机，并随后排至后燃器，碳微粒在那里经燃烧从气流中去除。MHD发电机工作在大约1500℃和2500℃之间的温度。燃烧气体中的热量——包括从碳微粒的燃烧得到的热量——用来产生蒸汽以在蒸汽及底循环中运行蒸汽气轮发电机。上述配置的目的是提供一种不需要散播碱金属的较低成本的MHD至顶循环。

上述MHD系统将高温燃烧气体或惰性气体作为工作流体以通过MHD发电机传递电荷载体。当与蒸汽或气体涡轮结合以提高循环效率时，MHD发电机位于涡轮发电机上游作为MHD至顶循环的一部分。种子材料或者从工作流体中去除并随后返回至封闭循环系统的工作流体，或者从开放循环系统中的系统排出。

发明内容

本发明针对一种发电的封闭循环系统和方法，其中将蒸汽作为工作流体以将电荷载体传递通过MHD发电机。水滴、细微粒或其混合物作为电荷载体。所使用的微粒足够小以允许微粒基本无损地或无损地经过流动路径中的泵和其它设备。这有利于消除去除和再注入种子材料的需要，或在排放至周围环境之前对其进行处理。本发明避免了现有技术中的MHD发电机的高工作温度，由此允许使用更廉价和更容易获得的材料。该系统和方法还允许将MHD发电机用作单环路发电系统的及底循环，将传统蒸汽气轮发电机作为至顶循环。

这些优点和其它优点允许以增加的热比值(KWH/BTU燃料输入)发电，这导致温室气体、微粒和其它污染物的排放减少，降低对环境的热损耗(从矿石燃烧蒸汽发电产生的以每KWH为基础的电力)以及潜在的更低成本。

因此，本发明的一个方面针对用于发电的系统。该系统包括排放蒸汽和电荷载体的流体混合物的汽化器。与汽化器流体连通的充电装置对电荷载体充电，并通过蒸汽将带电的电荷载体传至磁流体动力发电机。磁流体动力发电机从充电装置接收蒸汽和带电的电荷载体，并从中产生电力。该系统包括不去除电荷载体地使蒸汽和电荷载体从磁流体动力发电机返回至汽化器的装置。

本发明的另一方面针对具有用于排放蒸汽和电荷载体的流体混合物的汽化器的发电系统，其中电荷载体包括平均直径从大约100纳米至大约5000纳米的微粒。该系统还具有与汽化器流体连通的充电装置，用来对电荷载体充电。磁流体动力发电机从充电装置接收蒸汽和带电的电荷载体，并从中产生电流。位于汽化器下游和MHD发电机上游并与它们流体连通的蒸汽气轮发电机产生附加的电力。该系统包括不去除电荷载体地使蒸汽和电荷载体从蒸汽气轮发电机返回汽化器的装置。

本发明的又一方面针对一种发电方法。该方法包括步骤：从汽化器排出蒸汽和电荷载体的蒸汽的混合流(flowing stream)；对电荷载体充电；引导混合流和经充电的电荷载体通过MHD发电机，由此产生电流，并随后不去除电荷载体地使蒸汽和电荷载体返回汽化器。

构成本发明各新颖的特征特别通过本公开所附带的并形成本公开的一部分的权利要求书予以指明。为了更好地理解本发明和其使用所获得的工作优点，参照构成本公开的一部分的附图和描述性事项，其中示出了本发明的一个较佳实施例。

附图说明

在构成本说明书的一部分的附图中，相同的附图标号在几张图中表示相同或功能类似的部分。

图1是已知MHD电站系统的示意图；

图2是根据本发明的MHD法拉第发电部件的示意图；

图3是示出将MHD法拉第发电用作主发电机的方框图；

图4A是示出串联流动路径中的MHD法拉第发电部件的配置的方框图；

图4B是示出在串联和并联流动组合路径中MHD法拉第发电部件的配置的方框图；

图5是根据本发明的MHD法拉第及底循环的示意图，它带有传统蒸汽至顶循环。

具体实施方式

本发明采用被称为MHD法拉第原理的过程来发电。

过去将通常与MHD发电关联的高温认为是离子化例如MHD至顶循环中的钾种子等分子所必需的，以使MHD过程工作(参见已转让给本发明受让人的4239996号美国专利，该文献就象全文阐述那样援引包含于此)。然而，MHD中出现的电学现象与环境温度下出现于电动机和发电机的电学现象相同。这里，“带电微粒”是导线中的电子。

MHD发电过程是法拉第原理或电磁感应法则的应用。法拉第原理称：改变电磁场在导体中诱发出电动势(emf)；即感应出的电场作用于自由电子、产生感应电流。然而，即使没有导体，改变磁场也会产生电场。已知法拉第原理不要求极高的温度以发挥作用。该原理与普通电动机和发电机中使用的原理是一样的。

通过横跨持有电荷的微粒的气体施加高电势、低电流在气体中产生一团带电的微粒。例如，可使用高电势在某些材料上施加静电电荷，以横跨该材料形成强电场。本发明通过使蒸汽中的水滴或细微粒受高电势(电压)、非常低电流的电场的作用而产生“带电微粒”。这与在低于将近300F的温度下用于静电沉积器的过程相似，其中废气首先被离子化/充电并且电荷被传至飞尘微粒，飞尘微粒随后转移至附近的聚集板。静电沉积器通过高电势直流电源(55000伏-75000伏左右)在两电极间形成想要的电场。一个电极将气体离子化并产生电荷载体，它自己附着到漂浮微粒并对其充电。另一电极接地并吸引带电微粒，所述微粒沉积于气体之外。对于静电沉积器的设计和工作的其它细节，读者可参见美国俄亥俄州、巴伯顿的Babcok&Wilcox公司的Kitto和Sultz编著的第41版Stream/Its Generation and Use的33-2至33-8页，其文本就象全文阐述那样被援引包含于此。

为了防止微粒的“聚集”，提供高压电场的诸端子之间的距离需要受到限制。或者，所施加的高电压电场可以是交流电流(AC)而不是直流电流(DC)，由此限制微粒转移至任何聚集地点的时间。

现在参照图2，总体表示为160的MHD法拉第发电部件预想需要从几英寸直径的管子至24”左右直径的大头部尺寸的流动通道165。每个发电部件160所需的长度取决于特定电学现象、将磁场施加于每个部件(或多个部件)所需的空间，以及蒸汽(工作流体)中带电“微粒”的速率。蒸汽100和电荷载体110进入由充电系统和MHD发电机构成的发电部件160，在那里高电压电极162将电荷施加于电荷载体110。带电电荷载体110借助蒸汽100通过所施加的磁场164，由此横跨电输出端子166产生电势差并使电流161流过负载168。期望电流161是直流电流。如果真是那种情况，并且要求交流电，电学领域内技术人员能给出从所提供的直流电流产生交流电流所需的设备。

通过使蒸汽100流过通道或管子其中施加电势以对电荷载体110充电并且横跨管道施加磁场164，可借助电气端子166取电流。流动可在单流动通道内实行，如图4A所示，被分成多个平行流动通道，或被分成串联或并联流动两者的组合，如图4B所示。电气端子166可串联或并联或串并联结合地布线，从而产生要求的电压和电流。例如，MHD法拉第发电部件160可串联地布线以增加所产生的电压，同时将通过部件160的蒸汽和电荷载体110的流动路径设置成串联和/或并联的蒸汽路径。又如，发电部件160可并联地布线以增加所产生的电流，同时将通过部件160的流动路径设置成串联和/或并联的蒸汽路径。

发电领域中的当前技术包括非金属的纤维增强的塑料(FRP)管，它在商业上面向高于环境的中等温度和压力下的流体。这些温度和压力足以使给水加热器下游的涡轮排出流向冷凝器。如果要求不导电的通道，FRP管道系统中的低压力/温度蒸汽将会是一个适宜的选择。

本发明的MHD法拉第发电系统和方法利用许多微小的、带电微粒而作为原发电机直接发电，而不需要另行使用来自传统蒸汽循环以传递电荷载体的传统涡轮发电机。现在参见图3，蒸汽100产生于汽化器或蒸汽发生器120中，蒸汽发生器120使用通过燃料122和空气或氧气124的燃烧产生的热量来使供给水130汽化，如业内所知的那样。这较佳地通过诸如Struthers-Wells型汽化器的直通汽化器或其变化形式来实现，如下文中更为详细讨论的那样。因燃料122和空气124的燃烧产生的废气126被排放至一烟囱(未示出)。

电荷载体110在蒸汽100中产生在或从一开始就被引入到蒸汽100中，并借助蒸汽100流过用于产生电流161的MHD发电部件160。MHD发电部件160包括充电系统以及业内公知的MHD法拉第发电机。带电电荷载体110由充电系统产生并借助蒸汽100流过MDH法拉第发电机的磁场，由此产生从位于MHD发电部件160中适宜位置的端子166取得的电流161。

蒸汽100和电荷载体110从发电部件160被排至冷凝器170，在那里蒸汽冷凝成水，并作为供给水130与电荷载体110一起返回到蒸汽发生器120。实现本发明不需要先进的热交换器或压缩机。

可将潮湿蒸汽中的水滴作为电荷载体110而不需要引入微粒，即在MHD法拉第过程中单独将水和蒸汽作为带电气体，饱和的水滴充当该过程所需的带电“微粒”。

或者，仅将所引入的微粒作为电荷载体110，干燥蒸汽仅作为电荷载体的传递介质。作为电荷载体引入的可供选择的微粒包括碳、各种形式的碳化合物、铁(Fe)、各种铁化合物、碱金属或碱金属盐。也可使用潮湿蒸汽中带电水滴连同所引入的带电微粒相结合以减少该过程中所需要的微粒数目。

尽管可将电荷载体110添加至蒸汽100并在冷凝器170重新使用前将其去除，然而优选的方法是使用尺寸足够小以至能够毫无问题地流过给水泵140、汽化器120、过热器、蒸汽涡轮180(应用时)和供给水加热器190的微粒。已知腐蚀和磨损是由包括微粒尺寸、质量、硬度和棱角度的若干因素造成的。随着微粒尺寸的减小，磨损和腐蚀减小，部分由于质量正比于直径的三次幂。因此在本发明中，较佳地将细微粒用作电荷载体110。

当悬浮在静止气体中的微粒尺寸足够小时，这些微粒的动作或运动在物理上受气体分子的热运动的影响，从而导致浸没于气体中的微粒随机游动，这被定义为Brownian运动或Brownian移动。这种效果可通过在室温下空气烟尘中发现的微粒尺寸从视觉上观察到。另外已知：小于某一尺寸的微粒将夹带于流动气体内，并且如果微粒足够小，即使当气体改变方向时，这些微粒也会跟随气体的流线。

科学家和工程师正在研发纳米尺寸的微粒。纳米微粒被定义为尺寸小于100纳米的任何东西(一纳米是十亿分之一米，即1×10^-9米，因此100纳米是100×10^-9米，1微米为1000纳米，而100纳米为0.1微米)。纳米微粒明显小于Brownian运动或跟随气体流线的微粒所要求尺寸的微粒。

已将近研制成功并已形成纳米尺寸的微粒的一种材料是碳。某些材料的微粒——包括碳——可保持电荷(参见4,516,043号美国专利“Method&Apparatus forgenerating electric energy from a heated gas containing carbon particles”，该文献就象全文阐述那样被援引包含于此)。

纳米微粒可能足够小以在宏观上避免金属表面上的任何磨损，由于这种微粒相对金属表面粗糙度有极小的尺寸和质量。因此，可使装满纳米尺寸微粒的水例如不造成过度磨损地移动通过传统的水泵。当通过系统和泵循环时，微粒的小尺寸也应当防止微粒尺寸的进一步降解。

微粒的质量取决于其直径的三次幂。微粒的质量因此随着微粒尺寸减小而急剧减少，因此即使在诸如蒸汽涡轮机的高速下，也可用显著大于纳米范围尺寸的微粒使腐蚀和磨损基本停止。由于环境安全因素，中等尺寸范围的——即大于纳米微粒(大于100纳米)——但足够小以避免磨损和腐蚀问题的微粒是最佳的。与气体涡轮机磨损有关的数据表示如果灰尘微粒小于5微米(5000纳米)，腐蚀率实际为零。

在使用中，本发明中采用的微粒足够小以避免磨损、腐蚀或对设备的其它损坏，它足够小以跟随气体(蒸汽)的流线，并且较佳地不小于必需值以避免纳米微粒的使用所导致的环境问题。

与现有技术中的种子媒质和电荷载体不同，本发明的电荷载体不需要被去除并随后再度注入系统，或排放至环境中。

现在参照图5，本发明也作为与传统蒸汽涡轮机至顶循环配合的及底循环。除了来自蒸汽气轮发电机的电力，MHD法拉第及底循环在传统封闭的单环路蒸汽至顶循环中采用大量小尺寸、带电微粒以直接发电，相比相同的传统循环，几乎不需要或不需要额外的燃料。

在汽化器或蒸汽发生器120中形成蒸汽100，所述汽化器或蒸汽发生器120利用由燃料122和空气或氧气124的燃烧产生的热量来使供给水130汽化。通过燃料122和空气或氧气124燃烧所产生的废气126被排放至烟囱(未示出)。

蒸汽发生器120较佳为现有技术中已知的直通蒸汽发生器。直通蒸汽发生器的种类的范围从具有高纯度蒸汽产生的超临界实用单元至产生低质量或潮湿蒸汽的相对低压单元(例如Struthers-Wells型直通蒸汽发生器)。相比在蒸汽鼓室中具有再循环水和水位的鼓式汽化器，在两种类型的直流蒸汽发生器中，水和蒸汽一起流动。通过将大量纳米尺寸微粒，或较佳地将中等尺寸的微粒引入直通蒸汽发生器的水中，可使那些微粒与水和水-蒸汽的“混合流”一起循环，而不将微粒从流体中分离出来。

另一方面，鼓式汽化器经受因蒸汽分离鼓内腔而增强的蒸汽和水的汽化分离。对于纳米尺寸微粒或中等尺寸微粒，微粒可以保持在水中，而不是跟随蒸汽从鼓室中水位的表面逸出。如果发现微粒逸出并跟随蒸汽，本发明也适用于鼓式汽化器。

蒸汽100和电荷载体110流过蒸汽涡轮机180，蒸汽涡轮机180驱动发电机185，由此产生电流186。蒸汽100和电荷载体110随后被引导通过MHD发电部件160上游的供给水加热器190，并随后进入MHD发电部件160。参照图3的配置，本发明可作为发电的主要方法，藉此将蒸汽或蒸汽/水的混合流从蒸汽发生器直接引向MHD发电部件160，在进入MHD发电部件160之前用有选择地利用蒸汽加热。与图3的配置相同，带电电荷载体110由充电系统产生并由蒸汽100携带经过MHD发电部件160中的MHD法拉第发电机的磁场。蒸汽100和电荷载体110从发电部件160排放至冷凝器170，在那里蒸汽冷凝成水，并作为供给水130与电荷载体110一起返回到蒸汽发生器120。

对比现有技术的系统，MHD发电部件160充当及底循环而不是至顶循环。气轮机180被设置在MHD发电部件160的上游，而不是下游。

尽管前面已示出和描述本发明的具体实施和/或细节以阐述本发明的原理应用，然而应当理解本发明可体现为在权利要求书中更完全描述的形式，或体现为本领域内技术人员所知的其它内容(包括任何和所有的等效物)，而不脱离这些原理。例如，上述系统和方法可改变以适应现有的矿石燃烧电站。尽管本发明适用于任何蒸汽产生方法，然而任何封闭循环热动力循环、矿石燃烧发电机和废热汽化器也是较佳的应用。