近期,被称为“超碳一号”的全球首套2×15兆瓦超临界二氧化碳烧结余热发电工程,在贵州六盘水成功实现商业运行。这套看似和传统烧结余热发电设备差别不大的装置,藏着热电转换领域的“黑科技”——用超临界二氧化碳替代水蒸气发电,标志着我国率先打通这项前沿技术从实验室到商业应用的“最后一公里”,开启了热电转换的全新阶段。

日前,记者走进首钢水城钢铁(集团)有限责任公司厂区发现,和传统发电机组工作时的水蒸气弥漫不同,“超碳一号”运行时干净整洁。正是这套设备,让钢铁生产中原本利用率不高的余热,变成了源源不断的“绿色电能”。

左:“超碳一号”发电主厂房内部一角。黄瑶摄(资料图片) 右:“超碳一号”项目控制室。汪本雄摄(资料图片)

发电更加节能

不管是传统火电、核电,还是常见的余热发电,长期以来都依赖“烧开水”的逻辑——把水加热成蒸汽,靠蒸汽推动汽轮机发电。而“超碳一号”的核心突破,就是把能量转换的媒介物质从水蒸气换成了超临界状态的二氧化碳。

什么是“超临界二氧化碳”?简单说,就是给二氧化碳施加特定的温度和压力,让它变成一种特殊状态:既有气体的流动性,又有液体的高密度。当温度超过31摄氏度、压强达到7.38兆帕(大概是标准大气压的73倍)时,二氧化碳就会进入这种状态。

在“超碳一号”设计团队看来,这种特殊状态的二氧化碳,是发电的“好帮手”。一方面,它密度大,能储存更多能量,做功能力更强;另一方面,它流动阻力小,加热后可以直接膨胀推动发电,不用像水那样经历气液态之间的相变过程,不仅流程更简单,响应速度也更快。

这一改变带来了一连串优势:首先,它既不消耗水资源,也不会产生废水。这对缺水地区和高耗水的钢铁企业来说,无疑是重大利好。其次,设备更紧凑,“超碳一号”的占地面积比同等功率的蒸汽发电系统大幅度减少。最后,它对热源的要求也不高,钢铁生产中350摄氏度到600摄氏度的余热,就能满足它的运行需求,而这些余热在传统发电技术中利用效率较低。

首钢水钢集团设备工程部副部长孟玮给出了一组直观数据:和当前主流的烧结余热蒸汽发电技术相比,根据应用场景不同,“超碳一号”的净发电效率可提高20%—50%。这意味着,过去利用效率不高的工业余热,现在能更高效地转化为电能。

首次商业运行

超临界二氧化碳发电技术的优势早被业界认可,被誉为热电转换领域的革新性技术。美国在2015年就将其列为国家能源领域战略性前沿技术,我国也在《“十四五”能源领域科技创新规划》中将其列为重点推进的前沿能源技术。

但从理论上的推演,到实验室的小范围测试,再到工业场景的大规模商业应用,中间横亘着无数难题。对企业来说,采用全新的未成熟技术,意味着要承担不小的风险,很多企业都不敢轻易尝试。

中国核动力研究设计院的团队从2009年就开始钻研这项技术。在中核集团首席科学家、“超碳一号”总设计师黄彦平的带领下,团队用7年时间完成了基础理论研究和试验平台搭建,2016年进入实验室测试,2019年实现小规模发电验证。就在技术需要“落地”的关键节点,首钢水钢集团也迎来了设备更新换代的契机。

“我们不算短期风险账,只看长远发展账。”孟玮回忆起当时的决策,“‘超碳一号’能把中低温余热‘吃干榨净’,不管是节能减排还是降本增效,都能带来颠覆性变化,这个险值得冒!”最终,首钢水钢集团决定联合中核集团中国核动力研究设计院、济钢集团国际工程技术有限公司,共同推进这个全球首套项目。

2023年底,“超碳一号”正式动工。2025年11月,“超碳一号”并网发电调试成功,一个月后顺利实现商业运行,我国就此成为全球首个将这项技术商业化的国家。

带来多重利好

“超碳一号”的商业运行,给我国能源利用、产业升级和民生改善带来了多重利好。

从企业效益的角度看,它能让工业余热“变废为宝”,大幅提升企业盈利能力。孟玮算了一笔账:相比首钢水钢原来的老旧机组,“超碳一号”每年能多发电7000余万千瓦时。对钢铁、水泥等高能耗产业来说,这项技术就像“能量回收器”,能把原本浪费的热量转化为经济效益,助力传统产业降本增效、绿色转型。

从生态环保的角度看,它是实现“双碳”目标的重要助力。黄彦平测算,要是把这项技术推广到全国的烧结余热改造项目,每年能节约标准煤约483万吨,减少二氧化碳排放1285万吨。更重要的是,它水耗较低,在我国西北、华北等缺水地区推广,能有效缓解“煤电耗水”与“水资源短缺”的矛盾,能在能源发展与生态保护之间找到平衡点。

从能源安全的角度看,它能丰富我国的能源供给路径。这项技术可与风电、光伏等新能源搭配使用。比如,用风电、光伏的富余电力加热熔盐储存能量,需要时再通过超临界二氧化碳发电系统把热能快速转化为电能,解决新能源“不稳定”的痛点。目前,中核集团已启动“熔盐储能+超临界二氧化碳发电”示范项目,入选国家能源领域首台(套)重大技术装备名单,预计2028年完成示范,未来将进一步提升我国能源供应的稳定性和灵活性。

济钢集团国际工程技术有限公司“超碳一号”项目负责人李军卫表示,超临界二氧化碳发电技术尤其适合中小功率规模、中高温热源场景,在钢铁行业除了烧结外,还可以跟焦化等其他环节结合,也可用于化工、水泥、玻璃等多个传统行业的余热回收发电,大幅提升能源利用效率。

如今,我国已基本建立超临界二氧化碳发电技术的产学研用体系,形成了全国产化产业链,具备了全面工程应用的条件。这项技术未来还将渗透到多个领域,为我国实现“双碳”目标、保障能源安全注入强劲动力。