超碳一號(hào)：告別“燒開水”的能源革命

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)組在貴州六盤水成功商運(yùn)，標(biāo)志著我國自主研發(fā)的超臨界二氧化碳余熱發(fā)電技術(shù)“超碳一號(hào)”正式從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)落地。

這一被業(yè)內(nèi)稱為“能源領(lǐng)域顛覆性突破”的技術(shù)，不僅改寫了人類兩百年來依賴“燒開水”（蒸汽發(fā)電）的傳統(tǒng)模式，更為工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供了全新解決方案。

什么是“超碳一號(hào)”？——革新型熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的核心邏輯

“超碳一號(hào)”是由中核集團(tuán)中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院牽頭，聯(lián)合濟(jì)鋼集團(tuán)國際工程技術(shù)有限公司、首鋼水城鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司共同研發(fā)的15兆瓦級(jí)超臨界二氧化碳燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)。其核心創(chuàng)新在于以“超臨界二氧化碳”替代水作為循環(huán)工質(zhì)，通過閉式布雷頓循環(huán)實(shí)現(xiàn)高效熱電轉(zhuǎn)換。

所謂“超臨界二氧化碳”，是指溫度超過31℃、壓力升至73個(gè)大氣壓以上時(shí)，二氧化碳呈現(xiàn)出的特殊流體狀態(tài)——既像液體一樣密度大、能儲(chǔ)存更多能量，又像氣體一樣粘度低、流動(dòng)阻力小，被稱為“第四態(tài)物質(zhì)”。“超碳一號(hào)”總設(shè)計(jì)師黃彥平形象地解釋：“這種狀態(tài)的二氧化碳就像‘力氣大增的壯漢’，能更高效地傳遞能量，推動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，且循環(huán)過程中不發(fā)生相變，從根本上提升了能量轉(zhuǎn)換效率。”

相較于傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電的“燒開水”原理，“超碳一號(hào)”的工作流程更為簡潔：先將二氧化碳提純加壓至超臨界狀態(tài)，再通過壓縮機(jī)和換熱器進(jìn)一步提升其壓力與溫度，高溫高壓的超臨界二氧化碳推動(dòng)透平旋轉(zhuǎn)發(fā)電，做功后的二氧化碳經(jīng)冷卻后循環(huán)復(fù)用，形成閉環(huán)系統(tǒng)。

核心優(yōu)勢(shì)何在？——效率與經(jīng)濟(jì)性的雙重突破

與現(xiàn)役燒結(jié)余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)相比，“超碳一號(hào)”的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在多個(gè)維度，其中效率提升最為顯著：發(fā)電效率提升85%以上，凈發(fā)電量提升50%以上。對(duì)首鋼水鋼而言，在原有燒結(jié)工藝完全不變的情況下，僅通過余熱回收系統(tǒng)改造，每年即可多發(fā)電7000余萬度，增加發(fā)電收入近3000萬元。

除了效率優(yōu)勢(shì)，“超碳一號(hào)”還實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的“極致瘦身”：由于超臨界二氧化碳的高密度特性，系統(tǒng)所需設(shè)備數(shù)量大幅減少，輔助系統(tǒng)簡化，場地需求直接降低50%，同時(shí)運(yùn)維成本顯著下降，具備“系統(tǒng)緊湊、響應(yīng)速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)”的特點(diǎn)。專家測算，若將該技術(shù)推廣至全國鋼鐵行業(yè)燒結(jié)余熱改造，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約483萬噸，減少二氧化碳排放1285萬噸以上，環(huán)保效益與經(jīng)濟(jì)效益同樣突出。

十年磨一劍——自主創(chuàng)新的攻關(guān)之路

“超碳一號(hào)”的成功并非一蹴而就。早在2009年，中核集團(tuán)核動(dòng)力院就啟動(dòng)了超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)研究，歷經(jīng)十余年攻關(guān)，逐步攻克了“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）的設(shè)計(jì)、制造與集成應(yīng)用等系列關(guān)鍵技術(shù)。其中，微通道擴(kuò)散焊換熱器的研制打破了國外技術(shù)封鎖，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的全球最長擴(kuò)散焊工業(yè)母機(jī)，實(shí)現(xiàn)了從原材料到整機(jī)檢測的全流程國產(chǎn)化；在壓縮機(jī)透平發(fā)電機(jī)組方面，攻克了啟動(dòng)設(shè)計(jì)、推力平衡等難題，實(shí)現(xiàn)裝備輕量化、小型化，最終形成了完全自主的精細(xì)設(shè)計(jì)和成套供貨能力。

研發(fā)過程中，核動(dòng)力院聯(lián)合東方電氣集團(tuán)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等國內(nèi)優(yōu)勢(shì)企業(yè)和高校，構(gòu)建了產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新體系。2023年5月，核動(dòng)力院與濟(jì)鋼國際簽署合作協(xié)議；同年12月，“超碳一號(hào)”示范工程正式開工；2025年12月，全球首臺(tái)商用機(jī)組成功商運(yùn)，完成了從技術(shù)驗(yàn)證到商業(yè)落地的關(guān)鍵跨越。

不止于余熱發(fā)電——廣闊的應(yīng)用前景

作為中小功率規(guī)模、中高溫?zé)嵩锤咝Ю玫念嵏残约夹g(shù)，“超碳一號(hào)”的應(yīng)用場景遠(yuǎn)不止鋼鐵行業(yè)燒結(jié)余熱回收。當(dāng)前，鋼鐵、水泥、玻璃等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是能源消耗和碳排放的重點(diǎn)領(lǐng)域，大量工業(yè)余熱被直接排放，“超碳一號(hào)”的推廣將為這些行業(yè)的余熱利用帶來技術(shù)變革。

放眼未來，該技術(shù)還可與多種熱源組合形成發(fā)電系統(tǒng)：在新能源領(lǐng)域，與光熱發(fā)電結(jié)合可提升儲(chǔ)能效率；在儲(chǔ)能領(lǐng)域，中核集團(tuán)已啟動(dòng)“熔鹽儲(chǔ)能+超臨界二氧化碳發(fā)電”示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目入選國家能源領(lǐng)域第五批首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備，預(yù)計(jì)2028年完成示范應(yīng)用，可有效解決風(fēng)電、光伏等新能源的間歇性、波動(dòng)性問題，為電網(wǎng)調(diào)峰提供支撐；此外，其緊湊、高效的特點(diǎn)還適用于海洋平臺(tái)、化工等特殊場景。

超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)早已得到全球認(rèn)可：美國能源部2017年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(píng)論》“全球十大突破性技術(shù)”，我國也將其列入“十四五能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃”。“超碳一號(hào)”的商業(yè)落地，不僅標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全球領(lǐng)跑，更首次將超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推向工業(yè)化應(yīng)用，為全球工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提供了中國方案。

從“不被理解的概念”到“商業(yè)運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)”，“超碳一號(hào)”的十年攻關(guān)之路，是我國能源科技自主創(chuàng)新的生動(dòng)縮影。在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下，這一技術(shù)有望成為推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、培育新質(zhì)生產(chǎn)力的關(guān)鍵引擎，為全球能源革命注入中國力量。

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