“超碳一号”投运，发电可以绕过“烧开水”了吗？

2025年的年底，科技界有个大新闻就是超临界二氧化碳发电，原型机“超碳一号”在贵州六盘水首钢集团成功商业化运行，这是全球首套15兆瓦超临界二氧化碳烧结余热发电工程。

很多人以及相关宣传把“超碳一号”这项技术侧重在发电，简简单单理解为“烧开水”去换成“烧二氧化碳”，换成二氧化碳就能提高发电效率什么的，其实这里面门道可深了，并不是换一种发电介质那么简单的。

超临界二氧化碳发电装置。

如果单论发电，烧开水其实已经够管用了，大到火力发电站，小到核动力潜艇，都是将燃料产生的热能去“烧开水”，产生机械能去发电，用水作为工作介质，很容易获取，量大管饱，是全球的电力支柱技术，去换成烧二氧化碳又有什么好处吗？

超临界二氧化碳（SCO2）发电技术不仅仅是为发电而发电，这项技术的更大的价值是与流程工业深度结合，将工业生产中不好利用的能量（废热、余热）回收起来，转化为更统一、更方便被利用的电能，并入电网。它是极其强大的能量回收及转化系统，转化率高、结构紧凑、响应灵活，能解决工业生产中余热难以利用好的老大难的问题，弥补传统水蒸气发电技术的不足，能帮助工业界节能减排，助力碳中和。

超碳一号正式商运！

说点大家不知道的，在钢铁行业，回收余热发电就不是什么新鲜事儿，早在2009年的时候工业和信息化部就推广过钢铁企业烧结余热发电技术，很多钢铁厂都要搞的，不仅烧结要搞，现在很多焦化工序都要回收余热了，比如用干熄焦取代湿法熄焦以回收余热，甚至连焦炉上升管那点余热都不肯放过（本人也参与过相关项目）。

工业余热本身就是热品位较低的能源，又分散，又容易波动，拿火力发电的技术（水蒸气朗肯循环）去对付工业余热，就像杀鸡用牛刀，往往吃力不讨好，相反，超临界二氧化碳发电技术，就灵活的多，对这些低品位的能源转化效果非常好，适应性好。

人家首钢水钢原先就是用的大众所熟知的“烧开水”的方式去回收烧结余热的能量发电，这种“烧开水”的发电技术就是传统的水蒸气发电技术，水会相变，不可避免存在大量的冷源损失，即使对烧结烟气的回收量满足要求，除去自耗电后系统的净发电效率也不高。

传统烧结余热发电原理：以水为循环介质的蒸气发电。

谈到这个烧结，和我的专业相关，这里可以多插几嘴，在钢铁生产流程中，烧结工序的能耗（理论能耗约1.36GJ/t）仅次于高炉炼铁（理论能耗约8.81GJ/t）和焦化（理论能耗约2.59GJ/t），位列第三，是整个前道原料准备环节中能耗较高的，也是节能降碳的关键靶点。

钢铁生产流程。

在钢铁生产流程中，炼焦（Coke）和烧结（Sinter）是原料准备过程中两大高能耗工序，都会产生大量余热，若不回收，损失巨大！

特别是烧结过程，烧结矿离开烧结机时仍带有约700~800℃的高温物理显热；另一方面，排出的废气温度也高达300~400℃。这两部分热量若不经回收，便会直接散失。而且烧结过程本身需要用风机去处理大量的空气，耗电量很大。为了维持料层燃烧，需要大功率风机持续鼓入空气，并抽走高温废气。整个系统漏风率高，处理风量巨大，导致风机等设备的电耗极高。

首钢水钢虽然回收了烧结余热来发电，但是要保证循环风机运行，所以还要大量耗电，同时水蒸气循环发电对于中低温的余热的转化率不高，导致净发电效率不高。相反，“超碳一号”有着水蒸气发电无可比拟的优势。

1. 对中低温区的余热转换效果好：重工业生产中，有很多余热的温度在300~400℃，并且频繁波动，“超碳一号”在中低温区热转换效率远超水蒸汽循环。相比原有蒸汽发电技术，发电效率提升85%以上，净发电量提升50%以上。
2. 响应快：系统热惯性小，能适应负荷变化，简直就是为工业余热回收量身打造的。
3. 结构紧凑、占地小：设备体积小，透平（涡轮机）尺寸仅为蒸汽轮机的1/10量级，场地需求可比蒸汽系统减少50%，便于在现有工厂内进行改造安装，无需大规模征地。

说到这里，那为什么把“烧开水”换成“烧二氧化碳”，就有这么多的优势呢？

这就得扒扒这项技术的发展历史了，在上个世纪60年代就有人设想过用超临界二氧化碳去发电，学术点的名称叫：超临界二氧化碳闭式布莱顿循环发电。

较传统的水蒸汽朗肯循环，超临界二氧化碳闭式布莱顿循环的热效率高、并且结构紧凑。

当处于超临界状态时(临界温度304K,临界压力7.38MPa)，二氧化碳兼具气体的低黏性、强流动性、易压缩/膨胀的性质，以及液体的高密度、高传热效率、强做功能力。

超临界二氧化碳在临界点附近的剧烈物性变化！

更重要的是，超临界二氧化碳其在临界点附近物性变化非常剧烈。比如对于近临界点的压缩过程而言，只用付出极小的压缩功耗便足以带来工质物性的显著变化，这是水蒸气工质无法比拟的；此外低可压缩性也使得其压缩过程非常类似于液体压缩过程，相应的压缩功耗也较低。

所以只要将压缩过程起点置于临界点附近，通过降低压气机功耗就能有效提升循环热效率，这就是这项技术的精髓。

用人话说就是，超临界二氧化碳就是天选之子的循环介质，只用极小的功耗代价，就能完成一轮循环，而且整个过程无相变，这就能使得超临界二氧化碳发电技术具备体积小、重量轻、设备少、易操控、效率高等技术优势。

液态二氧化碳经加温加压成为超临界状态后进入循环，在压气机和热源换热器中进一步提升压力与温度。高温高压的超临界二氧化碳喷入透平，推动叶片高速旋转，带动发电机发电。做功后的超临界二氧化碳经回热器和冷却器回收能量并冷却，返回压气机，开始新一轮循环。

“超碳一号”超临界二氧化碳发电技术原理。

但是理想很丰满，现实很骨感。

由于当时（上世纪60年代）叶轮机和紧凑换热器的制造水平相当拉胯，所以不到10年，上个世纪70年代末，大伙对这玩意的研究热情就熄火了，相关成果也没有得到实际的应用，只能停留在构想里面。

特别是换热器，需要换热器换热能力非常高效并且紧凑，因为超临界二氧化碳的表面换热能力很差，约为水的三分之一，如果不能很好的换热，那么就很容易越过二氧化碳的临界点，导致循环失效。另外、二氧化碳本身就是酸性的气体，处在超临界状态下，压力很高，对于换热器而言，既要能耐压、又要能耐腐蚀。后面研究团队是利用了真空扩散焊接的工艺，解决了这个问题，攻克了关键的“两机三器一系统”，实现装备全国产化，掌握从设计到集成的全链条能力。

还有一个很重要的问题就是，我们现在已经实现超临界二氧化碳发电商运，解决了从无到有的问题，从有到多，再到好，距离大规模商业化应用还存在哪些瓶颈？

除了大规模实现高效换热的技术，还有一个问题就是涡轮机，因为高临界二氧化碳密度很高，设备做小的是挺容易的，但是往大做，大型涡轮机可能还是个瓶颈，超临界二氧化碳工作介质的密度是水蒸气的20多倍，工作介质的密度一旦大了之后，会对整个膨胀机的机器构型、力的平衡等产生影响，比如工作介质密度太大了，涡轮机转着转着力不平衡就甩出去了，导致事故。除了这两个瓶颈外，还有系统控制以及材料等问题需要进一步探索。

总而言之，我们超临界二氧化碳发电技术已实现全球领先的商业化与工程化应用水平，核心技术自主可控、型谱化覆盖。相比传统的水蒸气发电，超临界二氧化碳发电系统更紧凑、响应更快，应用场景多元化（余热、储能、光热等）。