由传统蒸汽发电技术构筑的“行业壁垒”正在被打破。

在贵州六盘水,全球首台商用超临界二氧化碳发电机组“超碳一号”11月9日在首钢水城钢铁完成并网调试。在陕西西咸新区,运行近一年的“超临界二氧化碳循环发电试验平台”成功突破四大关键技术。超临界二氧化碳发电,一个全新的发电技术概念走进大众视野。而由其衍生的系列成果,正在全国加速落地。

“超临界二氧化碳发电技术系统简单,具有高效率、超紧凑、快响应等核心优势,是光热、工业余热、核能、储能等多个先进能源产业的共性战略前沿技术。经过十余年攻关,我国的超临界二氧化碳发电技术产学研体系基本建立,全国产化产业链条基本成型,不存在“卡脖子”技术风险,具备全面工程应用条件。”中核集团首席科学家、中国核动力研究设计院“超碳一号”总设计师黄彦平接受中国工业报记者采访时表示。

超临界二氧化碳发电技术后续的大规模商运,不仅将对钢铁行业产生深远影响,还有望为化工、水泥、造纸、火力发电、太阳能发电、地热发电、生物质发电等其他余热利用行业带来深刻技术变革。通过采用超临界二氧化碳发电技术进行余热回收,年上网电量可以提升50%以上。如果将这项技术应用于全国的烧结余热改造,预计每年可节约标准煤约483万吨,减少二氧化碳排放1285万吨。

全球首台商用“超碳”机组落户六盘水

“超碳一号”的出现,代表着中国超临界二氧化碳发电技术正在领跑,这也是世界范围内超临界二氧化碳发电技术首次实现工程化应用。

记者获悉,全球首台商用超临界二氧化碳发电机组“超碳一号”落户贵州六盘水首钢水城钢铁(集团)有限责任公司。该项目是中国核动力研究设计院与济钢集团国际工程技术有限公司共同推进的全球首套2×15兆瓦超临界二氧化碳烧结余热发电示范工程。相比现役烧结余热蒸汽发电技术,“超碳一号”在余热利用率上提升超过50%,年发电量提升85%。

“这是真正意义上的新质生产力。在原烧结工艺没有变化的情况下,每年可多发7000余万度电,发电收入多出近3千万元。”黄彦平介绍。

超临界二氧化碳发电技术(简称“超碳”技术)被美国MIT评为“全球十大突破性技术”,可大幅提升能源利用效率,降低碳排放。相比传统蒸汽循环,超临界二氧化碳循环发电技术可在提升效率的同时,显著减小系统体积。

蒸汽发电是现代火力发电厂和核电厂的主要发电方式,是现代文明(蒸汽机、电气技术)的核心推动力。从第一次工业革命开始,人类利用“烧开水”获取动力已有200余年历史。而伴随超临界二氧化发电技术的出现,“烧开水”这种热电转换方式有望迎来质变。

“水蒸气是循环做功过程中能量传递和热功转换的传统工作介质。但水蒸气密度低,相变过程复杂,迫切需要寻找新工质、新技术。经过国内外同行大量的综合研究,超临界二氧化碳脱颖而出。它不仅密度远高于水蒸气,且来源广泛、性质稳定、安全无毒,工业应用基础好。其临界压力适中,临界温度接近环境温度,更重要的是,系统可实现全流程无相变,这为提升效率和系统紧凑性带来了革命性优势。”黄彦平介绍。

“想象你正在往一个钢铁容器里吹气,随着吹的气越来越多,容器里的气体密度和压力越来越大,再给容器内部升温,形成高温高压环境,使内能大大增加。这个时候,给容器开一个小孔,高温高压的气体快速喷出,推动一个风车拖动发电机转动,从而实现发电的目的。冲出的气体再被吹进容器重复这个过程。”黄彦平表示,二氧化碳在超临界状态下密度变大,接近液体,使得它能储存更多能量,如同一个“壮汉”,比起传统水蒸气“肌肉”更多。而且它的黏度很低,接近气体,意味着流动阻力更小。这两个特质配合起来,就像骑自行车时蹬车的人力气大,蹬得快,还给自行车链条上了润滑油,一脚下去能让车多骑出去很远。简言之,“超碳一号”是把“烧开水”换成了烧超临界二氧化碳这种能量转换的高效介质,从而实现了发电效率的大幅提升。

据了解,超临界二氧化碳发电技术具备高效率、超紧凑、快响应等技术优势。

高效率上,理论效率可突破50%,在中高温下效率高于传统蒸汽朗肯循环。此外,冷端温度可通过常规冷却实现,对冷却水的需求较少。

超紧凑上,系统设备高度紧凑,体积功率密度大。由于超临界二氧化碳工质密度高,做功能力强,整体体积可降低至蒸汽轮机的十分之一。同时采用高效紧凑的微通道扩散焊换热器进一步缩小体积。此外,系统辅助设备少,有助于模块化集成部署。

快响应上,超临界二氧化碳发电系统简单,热力过程少且无相变,流程大幅简化。结合设备本身小型化的特点,系统内大热惰性设备少,有利于热量快速传递与转换,显著降低启停与响应时间,非常适合间歇性热源。

“高效率、超紧凑、快响应的超临界二氧化碳发电技术适用于多种场景。一方面,可以助力传统工业全面绿色转型;另一方面,可以加快构建新型能源体系。”黄彦平说。

资料显示,中国核动力研究设计院自2009年起率先在国内开展超临界二氧化碳发电技术研究,经过十余年的艰难探索,先后完成“两机三器一系统”从设计、制造到集成的关键技术攻关。2019年10月,中国核动力研究设计院全球首次实现了兆瓦级超临界二氧化碳发电装置满功率稳定发电。2023年10月,中国核动力研究设计院与济钢集团国际工程技术有限公司签订了示范工程合同,启动贵州六盘水超临界二氧化碳发电示范工程的建设。首台机组预计今年11月底实现满功率发电。

在超临界二氧化碳发电技术研发过程中,中国核动力研究设计院还联合了东方电气集团、西北工业大学、清华大学、四川大学等国内优势企业和高校团队,孵化了以陕西智拓固相增材制造有限公司、成都一通密封有限公司为代表的高新技术初创企业,具备了不依赖国外的精细设计和成套供货能力,并开始向产学研用结合的技术创新体系转进。

除了该示范项目,“熔盐储能+超临界二氧化碳发电”示范项目也于2024年启动,2025年8月获批国家能源领域首台套重大技术装备,预计2026年上半年在新疆开工建设。

西安打造小型“超碳”动力技术创新高地

自主研制超临界二氧化碳循环发电系统综合试验平台,西安交通大学正全力打造小型“超碳”动力技术创新高地。

11月18日,中国工业报记者实地前往位于中国西部科技创新港的西安交通大学能源科学与技术研究院,探访了成功运行近一年的超临界二氧化碳(CO₂)循环发电试验平台。

西安交通大学能动学院教授、杭州沈式-西安交大先进能源动力技术研究院院长白博峰向中国工业报记者介绍,超临界二氧化碳循环发电试验平台已实现四大关键技术突破。

第一,在系统构型设计及参数匹配技术方面,提出了系统热力学分析评估方法,解决了热源、冷源、部件、系统匹配问题。

第二,在一体式核心机融合设计技术方面,提出了高效涡轮气动热力及安全耦合设计方法,研制了原理样机。

第三,在超紧凑换热器全局多目标优化设计技术方面,提出了热-流-固耦合、动态分析及全局多目标优化方法,研制了多款超紧凑超临界二氧化碳热换器原理样机。

第四,在系统动态特性分析及控制技术方面,提出了系统动态全工况控制策略,研制了发电系统中央控制系统及智能化控制软件。

记者获悉,西安交通大学白博峰教授团队是国内为数不多具备超临界二氧化碳循环发电系统全链条研究及设计能力的研究团队,已在关键部件研制、系统构型设计与集成、系统控制策略制定、系统样机测试等关键领域取得了重大技术突破。由该团队研发的超临界二氧化碳循环发电试验平台,已成功运行发电。

“高校+企业”共建研究院,超临界二氧化碳循环发电技术有望从实验室走向产业化,迎来应用加速落地。

由西安交通大学与杭州沈氏节能科技股份有限公司(以下简称“沈氏科技”)共建的“先进能源动力技术研究院”日前完成前期筹备工作,迈入正式运行阶段。先进能源动力技术研究院将围绕超临界二氧化碳循环发电等关键技术及装备国产化,组建“科学家+工程师”联合团队,开展协同攻关。与此同时,还将围绕工程换热、新型电池开展科研攻关。

作为我国重要的印刷电路板式换热器(PCHE)供应商之一,沈氏科技在高效换热技术领域具备从研发设计到规模化制造的全链条能力,将为超临界二氧化碳循环发电系统提供核心换热部件与技术保障。

沈氏科技董事长沈卫立表示,“目前,公司已实现PCHE换热器等核心产品的国产化突破,成为全球主要供应商之一。与西安交通大学共建研究院,将聚焦超临界二氧化碳循环发电技术、新型电池及高效工程换热等关键方向,推动产学研深度融合。”

“先进能源动力技术研究院在小型化、小功率运行的分布式发电领域更具优势,更擅长兆瓦级及以下超临界二氧化碳循环发电技术,已得到国家认可和任务安排。未来四年,我们将致力于实现核心机、透平-压缩-发电机一体化,并在传统工业中高度集成,克服技术难点,支撑发电系统自主化落地。”白博峰透露。

值得一提的是,国内“超碳”技术研究如火如荼,国外势头亦持续旺盛。

美国能源局2015年将超临界二氧化碳发电技术列为国家能源领域战略性前沿技术。2017年列为第2位,进行长期持续投资。截至目前,美国政府+企业已投入数亿美元经费开展工业级验证和示范。日本、法国、韩国、加拿大、捷克等国也持续跟进相关应用研究,涉及太阳能光热、燃煤发电、工业余热发电、燃气发电、碳捕集与储存等领域。