在貴州六盤水首鋼水鋼集團(tuán)的廠區(qū)內(nèi)，燒結(jié)機(jī)的轟鳴聲與紅色鋼水、藍(lán)色s-CO?管道交織出一幅獨(dú)特的工業(yè)圖景。2025年12月20日，全球首臺(tái)商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組在此正式投入商業(yè)運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)在高效清潔能源技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破，首次將這一前沿技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推向工業(yè)化應(yīng)用，為全球中小功率規(guī)模、中高溫?zé)嵩磮?chǎng)景的能源利用提供了全新解決方案。

“超碳一號(hào)”示范工程由中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院與濟(jì)鋼集團(tuán)國(guó)際工程技術(shù)有限公司聯(lián)合推進(jìn)，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(tuán)首席科學(xué)家、“超碳一號(hào)”總設(shè)計(jì)師黃彥平解釋道：“我們將二氧化碳提純后加壓至73個(gè)大氣壓以上，使其進(jìn)入超臨界態(tài)。這種狀態(tài)的二氧化碳密度接近氣態(tài)的百倍，就像鍛煉后力量大增，能更高效地搬運(yùn)能量，推動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。”相較于傳統(tǒng)“燒開(kāi)水”式發(fā)電，超臨界二氧化碳技術(shù)不僅提升了發(fā)電效率，還大幅縮小了系統(tǒng)體積，增強(qiáng)了機(jī)動(dòng)性。

與傳統(tǒng)燒結(jié)余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)相比，“超碳一號(hào)”的發(fā)電效率提升超過(guò)85%，凈發(fā)電量增加50%以上，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、設(shè)備減少、運(yùn)維成本降低，場(chǎng)地需求縮減50%，展現(xiàn)出顯著的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。以首鋼水鋼為例，原燒結(jié)環(huán)冷機(jī)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)冷源損失限制，即使煙氣回收量充足，系統(tǒng)凈發(fā)電效率仍不理想。通過(guò)改造，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)將發(fā)電效率提升至行業(yè)平均水平的1.85倍以上。

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(kuò)散性和液體的強(qiáng)溶解能力，被稱為“第四態(tài)物質(zhì)”。該技術(shù)利用超臨界二氧化碳作為工質(zhì)，通過(guò)閉式布雷頓循環(huán)實(shí)現(xiàn)高效熱電轉(zhuǎn)換。其高密度、低粘度、無(wú)相變的特點(diǎn)，使系統(tǒng)效率高、體積小、響應(yīng)快，尤其適用于中高溫余熱回收?qǐng)鼍啊Ｃ绹?guó)能源部早在2017年將其列為國(guó)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(píng)論》“全球十大突破性技術(shù)”，我國(guó)也在“十四五”能源科技創(chuàng)新規(guī)劃中明確其戰(zhàn)略地位。

若將這項(xiàng)技術(shù)推廣至全國(guó)燒結(jié)余熱改造，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤483萬(wàn)噸以上，減少二氧化碳排放1285萬(wàn)噸以上。這一成果不僅為鋼鐵行業(yè)帶來(lái)變革，也為水泥、造紙等余熱利用行業(yè)提供了技術(shù)升級(jí)路徑。我國(guó)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(fù)雜、效率低下，有機(jī)工質(zhì)循環(huán)又難以處理高溫?zé)嵩础３R界二氧化碳技術(shù)的突破，正是解決這一痛點(diǎn)的關(guān)鍵。

核動(dòng)力院自2009年起啟動(dòng)超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)研究，聯(lián)合東方電氣、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等高校與企業(yè)，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新體系。經(jīng)過(guò)十余年攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)攻克了“兩機(jī)三器一系統(tǒng)”（壓縮機(jī)、透平機(jī)、回?zé)崞鳌⒗鋮s器、吸熱器及系統(tǒng)集成）的全套關(guān)鍵技術(shù)。其中，微通道擴(kuò)散焊換熱器的研制打破了國(guó)外技術(shù)封鎖，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的全球最長(zhǎng)擴(kuò)散焊工業(yè)母機(jī)，實(shí)現(xiàn)了從原材料到整機(jī)檢測(cè)的全流程國(guó)產(chǎn)化。在壓縮機(jī)透平發(fā)電機(jī)組方面，團(tuán)隊(duì)解決了啟動(dòng)設(shè)計(jì)、推力平衡、干氣密封等難題，實(shí)現(xiàn)了裝備輕量化、小型化，具備完全自主的精細(xì)設(shè)計(jì)與成套供貨能力。

黃彥平回憶道：“超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)此前在燒結(jié)余熱領(lǐng)域的應(yīng)用幾乎空白，項(xiàng)目實(shí)施中需結(jié)合實(shí)際不斷摸索技術(shù)路線。盡管有十年基礎(chǔ)研究和多次演示驗(yàn)證試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。我們通過(guò)優(yōu)化資源配置、結(jié)合計(jì)算分析與技術(shù)研討，加班加點(diǎn)攻關(guān)，確保了項(xiàng)目平穩(wěn)推進(jìn)。”2019年10月，核動(dòng)力院首次實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)超臨界二氧化碳簡(jiǎn)單循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)滿功率運(yùn)行；2021年4月，再壓縮循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)也成功滿功率發(fā)電，均為全球首次。2024年12月，項(xiàng)目正式商運(yùn)，成為全球首個(gè)商業(yè)化運(yùn)行的超臨界二氧化碳余熱發(fā)電系統(tǒng)，年均節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤數(shù)萬(wàn)噸，減排二氧化碳十余萬(wàn)噸。

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(chǔ)能調(diào)峰、化工、水泥、海洋平臺(tái)等領(lǐng)域均有廣闊前景。2024年，中核集團(tuán)已啟動(dòng)50兆瓦“熔鹽儲(chǔ)能+超臨界二氧化碳發(fā)電”示范項(xiàng)目，入選國(guó)家能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備，預(yù)計(jì)2028年投運(yùn)，將為新能源消納與電網(wǎng)調(diào)峰提供支撐。黃彥平表示：“三十年職業(yè)生涯中，能帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將超碳發(fā)電技術(shù)從‘概念’變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，我深感榮幸。這項(xiàng)技術(shù)不僅是中國(guó)能源科技自主創(chuàng)新的里程碑，更為全球工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提供了中國(guó)方案。”