在貴州六盤水的首鋼水鋼集團廠區(qū)內(nèi)，燒結(jié)機的轟鳴聲與紅色鋼水的熾熱光芒交織，一旁藍色的超臨界二氧化碳（s-CO?）管道蜿蜒延伸，共同勾勒出一幅工業(yè)與科技融合的獨特畫面。2025年12月20日，這里迎來了全球能源領(lǐng)域的重要時刻——全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機組正式投入商業(yè)運行，標志著我國在高效清潔能源技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破，首次將這項前沿技術(shù)從實驗室推向工業(yè)化應用，為全球中小功率規(guī)模、中高溫熱源場景的能源利用開辟了新路徑。

“超碳一號”示范工程由中國核動力研究設計院與濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司攜手推進，采用2×15兆瓦超臨界二氧化碳燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)。中核集團首席科學家、“超碳一號”總設計師黃彥平介紹，該技術(shù)通過將二氧化碳提純并加壓至73個大氣壓以上，使其進入超臨界態(tài)。此時的二氧化碳密度較氣態(tài)時增加近百倍，如同被賦予了更強的“能量搬運能力”，能夠高效推動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。相較于傳統(tǒng)“燒開水”式的發(fā)電方式，“燒超臨界二氧化碳”不僅提升了發(fā)電系統(tǒng)效率，還大幅縮小了系統(tǒng)體積，增強了發(fā)電系統(tǒng)的機動性。

與傳統(tǒng)燒結(jié)余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)相比，“超碳一號”的優(yōu)勢顯著：發(fā)電效率提升85%以上，凈發(fā)電量提升50%以上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、設備減少，運維成本降低，場地需求減少50%，展現(xiàn)出強大的技術(shù)與經(jīng)濟競爭力。以首鋼水鋼為例，其原有的燒結(jié)環(huán)冷機發(fā)電技術(shù)采用以水為循環(huán)介質(zhì)的蒸汽發(fā)電技術(shù)，受朗肯循環(huán)限制，存在大量冷源損失，即使煙氣回收量充足，系統(tǒng)凈發(fā)電效率仍不理想。而此次改造采用超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)后，較行業(yè)平均水平，發(fā)電效率提升超85%。

超臨界二氧化碳（s-CO?）是一種在臨界溫度（31℃）和臨界壓力（7.38 MPa）以上存在的特殊流體，兼具氣體的高擴散性和液體的強溶解能力，被稱為“第四態(tài)物質(zhì)”。它作為工質(zhì)，通過閉式布雷頓循環(huán)實現(xiàn)高效熱電轉(zhuǎn)換，具有高密度、低粘度、無相變等特點，系統(tǒng)效率高、體積小、響應快，尤其適用于中高溫余熱回收場景。美國能源部早在2017年就將其列為國家能源領(lǐng)域戰(zhàn)略性前沿技術(shù)第二位，2018年入選《麻省理工科技評論》“全球十大突破性技術(shù)”，我國也在“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃中明確了其戰(zhàn)略地位。

在節(jié)能減排方面，這項技術(shù)潛力巨大。若將其應用于全國燒結(jié)余熱改造，預計每年可節(jié)約標準煤約483萬噸，減少二氧化碳排放1285萬噸。這一成果不僅對鋼鐵行業(yè)影響深遠，也為水泥、造紙等余熱利用行業(yè)帶來了技術(shù)變革。我國鋼鐵、水泥等高耗能行業(yè)余熱資源豐富，但傳統(tǒng)水工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)復雜、效率低，有機工質(zhì)循環(huán)又難以處理高溫熱源，超臨界二氧化碳技術(shù)的突破為解決這一難題提供了關(guān)鍵方案。

超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的研發(fā)歷經(jīng)十余年攻關(guān)。自2009年起，核動力院聯(lián)合東方電氣、西安交通大學、清華大學等高校與企業(yè)，形成產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新體系。團隊攻克了“兩機三器一系統(tǒng)”（壓縮機、透平機、回熱器、冷卻器、吸熱器及系統(tǒng)集成）從設計、制造到集成應用的全套關(guān)鍵技術(shù)。其中，微通道擴散焊換熱器的研制打破了國外技術(shù)封鎖，團隊自主研發(fā)了全球最長的擴散焊工業(yè)母機，實現(xiàn)了全流程國產(chǎn)化。在壓縮機透平發(fā)電機組方面，攻克了啟動設計、推力平衡、干氣密封等難題，實現(xiàn)了裝備輕量化、小型化，具備完全自主的精細設計與成套供貨能力。

黃彥平表示，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)是前沿領(lǐng)域，此前在燒結(jié)余熱領(lǐng)域的應用尚屬空白，項目實施中需結(jié)合實際不斷摸索技術(shù)路線。盡管有過去十年基礎(chǔ)研究和多次演示驗證試驗積累的經(jīng)驗，但推進過程中仍面臨諸多問題。團隊通過合理安排進度、優(yōu)化資源配置，結(jié)合計算分析、技術(shù)研討和原理實驗等方式，加班加點攻關(guān)，確保了項目平穩(wěn)快速推進。

從實驗室到工廠，“超碳一號”的商業(yè)化之路穩(wěn)步前行。2019年10月，核動力院在全球首次實現(xiàn)兆瓦級超臨界二氧化碳簡單循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)滿功率運行；2021年4月，再壓縮循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)也實現(xiàn)滿功率發(fā)電，均為全球首次。2024年12月，項目成功商運，成為全球首個商業(yè)化運行的超臨界二氧化碳余熱發(fā)電系統(tǒng)，可高效回收燒結(jié)環(huán)冷機尾部高溫煙氣余熱，年均節(jié)約標準煤數(shù)萬噸，減排二氧化碳十余萬噸，經(jīng)濟效益與環(huán)保效益顯著。

除鋼鐵行業(yè)外，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)在光熱發(fā)電、儲能調(diào)峰、化工、水泥、海洋平臺等領(lǐng)域也有廣闊應用前景。2024年，中核集團已啟動50兆瓦“熔鹽儲能+超臨界二氧化碳發(fā)電”示范項目，入選國家能源領(lǐng)域首臺（套）重大技術(shù)裝備，預計2028年投運，將為新能源消納與電網(wǎng)調(diào)峰提供有力支撐。