在貴州六盤水的首鋼水鋼集團廠區(qū)內(nèi)，燒結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領域實現(xiàn)重大突破，首次將這項前沿技術從實驗室推向工業(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有限公司攜手推進，采用2×15兆瓦超臨界二氧化碳燒結余熱發(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，將熱能轉化為電能。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)燒結余熱蒸汽發(fā)電技術相比，“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)結構簡化、設備減少，運維成本降低，場地需求減少50%，展現(xiàn)出強大的技術與經(jīng)濟競爭力。以首鋼水鋼為例，其原有的燒結環(huán)冷機發(fā)電技術采用以水為循環(huán)介質的蒸汽發(fā)電技術，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”。它作為工質，通過閉式布雷頓循環(huán)實現(xiàn)高效熱電轉換，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域戰(zhàn)略性前沿技術第二位，2018年入選《麻省理工科技評論》“全球十大突破性技術”，我國也在“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃中明確了其戰(zhàn)略地位。

在節(jié)能減排方面，這項技術潛力巨大。若將其應用于全國燒結余熱改造，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)水工質朗肯循環(huán)系統(tǒng)復雜、效率低，有機工質循環(huán)又難以處理高溫熱源，超臨界二氧化碳技術的突破為解決這一難題提供了關鍵方案。

超臨界二氧化碳發(fā)電技術的研發(fā)歷經(jīng)十余年攻關。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鍵技術。其中，微通道擴散焊換熱器的研制打破了國外技術封鎖，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)電技術是前沿領域，此前在燒結余熱領域的應用尚屬空白，項目實施中需結合實際不斷摸索技術路線。盡管有過去十年基礎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，結合計算分析、技術研討和原理實驗等方式，加班加點攻關，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)電技術在光熱發(fā)電、儲能調峰、化工、水泥、海洋平臺等領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，入選國家能源領域首臺（套）重大技術裝備，預計2028年投運，將為新能源消納與電網(wǎng)調峰提供有力支撐。