工業余熱變電添新招 超臨界二氧化碳發電技術實現商業應用

“超碳一號”發電主廠房內部一角。黃 瑤攝（資料圖片）

“超碳一號”項目控制室。汪本雄攝（資料圖片）

近期，被稱為“超碳一號”的全球首套2×15兆瓦超臨界二氧化碳燒結余熱發電工程，在貴州六盤水成功實現商業運行。這套看似和傳統燒結余熱發電設備差別不大的裝置，藏著熱電轉換領域的“黑科技”——用超臨界二氧化碳替代水蒸氣發電，標志著我國率先打通這項前沿技術從實驗室到商業應用的“最后一公里”，開啟了熱電轉換的全新階段。

日前，記者走進首鋼水城鋼鐵（集團）有限責任公司廠區發現，和傳統發電機組工作時的水蒸氣彌漫不同，“超碳一號”運行時干凈整潔。正是這套設備，讓鋼鐵生產中原本利用率不高的余熱，變成了源源不斷的“綠色電能”。

發電更加節能

不管是傳統火電、核電，還是常見的余熱發電，長期以來都依賴“燒開水”的邏輯——把水加熱成蒸汽，靠蒸汽推動汽輪機發電。而“超碳一號”的核心突破，就是把能量轉換的媒介物質從水蒸氣換成了超臨界狀態的二氧化碳。

什么是“超臨界二氧化碳”？簡單說，就是給二氧化碳施加特定的溫度和壓力，讓它變成一種特殊狀態：既有氣體的流動性，又有液體的高密度。當溫度超過31攝氏度、壓強達到7.38兆帕（大概是標準大氣壓的73倍）時，二氧化碳就會進入這種狀態。

在“超碳一號”設計團隊看來，這種特殊狀態的二氧化碳，是發電的“好幫手”。一方面，它密度大，能儲存更多能量，做功能力更強；另一方面，它流動阻力小，加熱后可以直接膨脹推動發電，不用像水那樣經歷氣液態之間的相變過程，不僅流程更簡單，響應速度也更快。

這一改變帶來了一連串優勢：首先，它既不消耗水資源，也不會產生廢水。這對缺水地區和高耗水的鋼鐵企業來說，無疑是重大利好。其次，設備更緊湊，“超碳一號”的占地面積比同等功率的蒸汽發電系統大幅度減少。最后，它對熱源的要求也不高，鋼鐵生產中350攝氏度到600攝氏度的余熱，就能滿足它的運行需求，而這些余熱在傳統發電技術中利用效率較低。

首鋼水鋼集團設備工程部副部長孟瑋給出了一組直觀數據：和當前主流的燒結余熱蒸汽發電技術相比，根據應用場景不同，“超碳一號”的凈發電效率可提高20%—50%。這意味著，過去利用效率不高的工業余熱，現在能更高效地轉化為電能。

首次商業運行

超臨界二氧化碳發電技術的優勢早被業界認可，被譽為熱電轉換領域的革新性技術。美國在2015年就將其列為國家能源領域戰略性前沿技術，我國也在《“十四五”能源領域科技創新規劃》中將其列為重點推進的前沿能源技術。

但從理論上的推演，到實驗室的小范圍測試，再到工業場景的大規模商業應用，中間橫亙著無數難題。對企業來說，采用全新的未成熟技術，意味著要承擔不小的風險，很多企業都不敢輕易嘗試。

中國核動力研究設計院的團隊從2009年就開始鉆研這項技術。在中核集團首席科學家、“超碳一號”總設計師黃彥平的帶領下，團隊用7年時間完成了基礎理論研究和試驗平臺搭建，2016年進入實驗室測試，2019年實現小規模發電驗證。就在技術需要“落地”的關鍵節點，首鋼水鋼集團也迎來了設備更新換代的契機。

“我們不算短期風險賬，只看長遠發展賬。”孟瑋回憶起當時的決策，“‘超碳一號’能把中低溫余熱‘吃干榨凈’，不管是節能減排還是降本增效，都能帶來顛覆性變化，這個險值得冒！”最終，首鋼水鋼集團決定聯合中核集團中國核動力研究設計院、濟鋼集團國際工程技術有限公司，共同推進這個全球首套項目。

2023年底，“超碳一號”正式動工。2025年11月，“超碳一號”并網發電調試成功，一個月后順利實現商業運行，我國就此成為全球首個將這項技術商業化的國家。

帶來多重利好

“超碳一號”的商業運行，給我國能源利用、產業升級和民生改善帶來了多重利好。

從企業效益的角度看，它能讓工業余熱“變廢為寶”，大幅提升企業盈利能力。孟瑋算了一筆賬：相比首鋼水鋼原來的老舊機組，“超碳一號”每年能多發電7000余萬千瓦時。對鋼鐵、水泥等高能耗產業來說，這項技術就像“能量回收器”，能把原本浪費的熱量轉化為經濟效益，助力傳統產業降本增效、綠色轉型。

從生態環保的角度看，它是實現“雙碳”目標的重要助力。黃彥平測算，要是把這項技術推廣到全國的燒結余熱改造項目，每年能節約標準煤約483萬噸，減少二氧化碳排放1285萬噸。更重要的是，它水耗較低，在我國西北、華北等缺水地區推廣，能有效緩解“煤電耗水”與“水資源短缺”的矛盾，能在能源發展與生態保護之間找到平衡點。

從能源安全的角度看，它能豐富我國的能源供給路徑。這項技術可與風電、光伏等新能源搭配使用。比如，用風電、光伏的富余電力加熱熔鹽儲存能量，需要時再通過超臨界二氧化碳發電系統把熱能快速轉化為電能，解決新能源“不穩定”的痛點。目前，中核集團已啟動“熔鹽儲能+超臨界二氧化碳發電”示范項目，入選國家能源領域首臺（套）重大技術裝備名單，預計2028年完成示范，未來將進一步提升我國能源供應的穩定性和靈活性。

濟鋼集團國際工程技術有限公司“超碳一號”項目負責人李軍衛表示，超臨界二氧化碳發電技術尤其適合中小功率規模、中高溫熱源場景，在鋼鐵行業除了燒結外，還可以跟焦化等其他環節結合，也可用于化工、水泥、玻璃等多個傳統行業的余熱回收發電，大幅提升能源利用效率。

如今，我國已基本建立超臨界二氧化碳發電技術的產學研用體系，形成了全國產化產業鏈，具備了全面工程應用的條件。這項技術未來還將滲透到多個領域，為我國實現“雙碳”目標、保障能源安全注入強勁動力。（經濟日報記者 吳秉澤 王新偉）