热电转换效率提升85%以上 全球首台“超碳一号”来了

封面新闻记者 边雪 贵州六盘水采访报道

烧结机的轰鸣声中，红色钢水与蓝色s-CO₂管道，正交织成一幅工业美学画卷。

2025年12月20日，贵州六盘水首钢水钢集团厂区内，全球首台商用超临界二氧化碳发电机组正式投入商业运行。这标志着我国在高效清洁能源技术领域实现重大突破，首次将超临界二氧化碳发电技术从实验室成功推向工业化应用，为全球中小功率规模、中高温热源场景的能源利用提供了全新解决方案。

全球首台商用超临界二氧化碳发电机组正式投入商业运行。（封面新闻记者边雪现场拍摄）

“超碳一号”示范工程由中国核动力研究设计院（以下简称“核动力院”）与济钢集团国际工程技术有限公司（以下简称“济钢国际”）共同推进，采用2×15兆瓦超临界二氧化碳烧结余热发电系统。

项目现场。（封面新闻记者边雪拍摄）

“我们将二氧化碳提纯，加压至73个大气压以上，使其由气态转变为超临界态。超临界二氧化碳密度相比气态时增加近百倍，就如同锻炼后力气大增，能更高效搬运能量，更有力推动发电机旋转，将热能转化为电能。相较于传统‘烧开水’发电，‘烧超临界二氧化碳’可提升发电系统效率，还能大幅缩小系统体积， 发电系统机动性好。”中核集团首席科学家，“超碳一号”总设计师黄彦平告诉封面新闻记者。

相比传统烧结余热蒸汽发电技术，“超碳一号”发电效率提升85%以上，净发电量提升50%以上，系统结构简化、设备减少、运维成本降低，场地需求减少50%，展现出显著的技术与经济优势。

超临界二氧化碳（s-CO₂）是一种在临界温度（31℃）和临界压力（7.38 MPa）以上存在的特殊流体状态，兼具气体的高扩散性和液体的强溶解能力，被称为“第四态物质”。

这种物质，正在成为未来能源领域的重要方向之一。该技术利用处于超临界态的二氧化碳作为工质，通过闭式布雷顿循环实现高效热电转换。超临界二氧化碳兼具气体可压缩性与液体流动性，具有高密度、低粘度、无相变等特点，系统效率高、体积小、响应快，尤其适用于中高温余热回收场景。

“以首钢水钢为例，原来的烧结余热发电系统发电效率低。原先的烧结环冷机发电技术采用传统的以水为循环介质的蒸汽发电技术，该技术采用朗肯循环，存在不可避免的大量冷源损失，即使烟气回收量满足要求，去除自耗电后其系统净发电效率也不高。”现场工作人员介绍道，通过本次项目改造，采用超临界二氧化碳发电技术进行余热回收，较烧结余热发电行业平均水平，发电效率提升85%以上。

项目现场。（封面新闻记者边雪拍摄）

在节能减排方面，如果将这项技术应用于全国的烧结余热改造，预计每年可以节约标准煤约483万吨以上，减少二氧化碳排放1285万吨以上。这一成就不仅对钢铁行业产生了深远的影响，同时也为水泥、造纸等其他余热利用行业带来了深刻的技术变革。

我国钢铁、水泥等高耗能行业余热资源丰富，但传统水工质朗肯循环系统复杂、效率低下，有机工质循环又难以处理高温热源。超临界二氧化碳技术的突破，正是解决这一痛点的关键。美国能源部早在2017年将其列为国家能源领域战略性前沿技术第二位，2018年入选《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”，我国也在“十四五”能源领域科技创新规划中明确其战略地位。

据悉，核动力院自2009年起启动超临界二氧化碳发电技术研究，联合东方电气、西安交通大学、清华大学等高校与企业，形成产学研协同创新体系。历经十余年攻关，团队攻克了“两机三器一系统”（压缩机、透平机、回热器、冷却器、吸热器及系统集成）从设计、制造到集成应用的全套关键技术。

特别是微通道扩散焊换热器的研制，打破了国外技术封锁。团队自主研发了全球最长的扩散焊工业母机，实现了从原材料、制版、蚀刻到整机检测的全流程国产化。在压缩机透平发电机组方面，攻克了启动设计、推力平衡、干气密封等难题，实现装备轻量化、小型化，具备完全自主的精细设计与成套供货能力。

“超临界二氧化碳发电技术是一项前沿技术，此前在烧结余热领域的应用更是一片空白，项目实施过程当中有许多技术路线需要我们结合实际不断摸索。”黄彦平告诉封面新闻记者，尽管有过去十年基础研究打下的坚实基础，以及几次演示验证试验积累的成功经验，但在项目推进过程也不断遇到各种各样的问题。我们通过合理安排进度，优化资源配置，结合计算分析、技术研讨和原理实验等方式，加班加点进行技术攻关，保证了项目平稳快速推进。

项目现场。（封面新闻记者边雪拍摄）

2019年10月，核动力院在全球首次实现兆瓦级超临界二氧化碳简单循环发电系统满功率运行；2021年4月，再压缩循环发电系统也实现满功率发电，均为全球首次。

据封面新闻此前报道，2024年12月，项目成功商运，成为全球首个商业化运行的超临界二氧化碳余热发电系统。该系统可高效回收烧结环冷机尾部高温烟气余热，年均节约标准煤约数万吨，减排二氧化碳十余万吨，经济效益与环保效益显著。

除钢铁行业外，超临界二氧化碳发电技术在光热发电、储能调峰、化工、水泥、海洋平台等领域均有广阔应用前景。2024年，中核集团已启动50兆瓦“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，预计2028年投运，将有力支撑新能源消纳与电网调峰。

“作为一名能源动力领域的科技工作者，能够在三十年的职业生涯中，借助团队的力量让超碳发电技术在我国从一个‘不被理解的概念’到如今正式商运，我深感荣幸和责任重大。”黄彦平表示，“超碳一号”正式投入商业运行，不仅是中国能源科技自主创新的重要里程碑，更为全球工业低碳转型提供了中国方案。在“双碳”目标引领下，这项技术有望成为推动能源结构优化、培育新质生产力的关键引擎。

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