二氧化碳“发电”不是梦

来源：科技日报

“二氧化碳怎么能发电，你可真是个‘大忽悠’！”类似的质疑，中核集团首席科学家、“超碳一号”总设计师黄彦平听过无数次。

可就在前不久，全球首台商用超临界二氧化碳发电机组——“超碳一号”在贵州六盘水首钢水钢集团成功商运，让二氧化碳“发电”梦想成真。

与传统的蒸汽余热发电机组相比，“超碳一号”机组设备占地面积缩减一半，发电效率提升85%以上，年发电量增长50%以上。这些成就的背后是研发团队历时17年矢志攻关，先后破解设计、制造、集成应用等方面一系列技术难题，通过自主创新改写人类“烧开水”发电的历史。

“微雕”换热道

2009年的一天，黄彦平接到中国工程院院士孙玉发托人转来的一张小纸条：美国正在研究超临界二氧化碳发电技术，很多人觉得不可能，你是否愿意试试？

短短几行字，吊起了黄彦平的胃口。

超临界是物质的一种特殊状态。当工作压力超过73个大气压，工作温度超过31℃时，二氧化碳就会进入超临界态，化身为“超碳”。

超临界二氧化碳发电技术就是用超碳作为能量传递和热功转换工质，替代传统蒸汽动力发电机组中的水蒸气，实现从热能到电能的转换。

“相比于水蒸气，超碳密度高、黏度低，且不会发生气液相变，既能提高发电效率，又能缩小设备体积。”黄彦平告诉科技日报记者。但当时，这项技术尚处于理论阶段，国内还无人问津。

没有经验、没有团队，黄彦平就带着一位博士生“摸黑探索”。4年后，他心中有了答案：“这项技术一定可行！我必须做这件事，哪怕自筹经费。”

研发团队组建后，项目还没开始，就有人先给他泼冷水：“‘两机三器’做不出来，用二氧化碳发电就是痴人说梦！”

“‘两机’指压气机和透平机，‘三器’则指连接‘两机’的热源换热器、回热器和冷却器。”黄彦平介绍，超碳在压气机和热源换热器中进一步提升压力与温度后，高温高压的超碳进入透平机，瞬间膨胀推动叶片高速旋转，带动发电机发电。做功后的超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。

自1948年超碳发电概念提出，还没人能攻克“两机三器”研制技术。由于物理性质特殊，实现超碳发电必须要有通道更细密、换热效率更高的微通道换热器。黄彦平决定先“牵住”换热器这个“牛鼻子”。

“项目设计进度非常紧张，我们要在一个月内研制出微通道的板片。”研发团队成员刘睿龙说，然而，用传统的光化学蚀刻手段在不锈钢薄板上精准地加工出数百个直径为1毫米的凹槽，太难了。“厂家每次提供的样品精度都不达标，情急之下，我和师弟费俊杰直接去了蚀刻厂。”

在蚀刻厂里，两个年轻小伙和技术工人常常讨论到深夜，几个人边啃面包，边研究样板、分析测量精度，同时联系其他同事优化流道方案。几周高强度工作下来，费俊杰身体扛不住了，进了医院输液退烧。“我想让他多休息几天，可他刚好一点就马上回厂继续干。”刘睿龙回忆。

经过几周的方案更新与工艺迭代，当看到化学试剂均匀而精准地在板片上“雕刻”出数百个微流道时，厂内一位快60岁的老师傅不由得抹了抹眼泪。

“微通道板片研发倾注了太多人的心血！”刘睿龙感慨，“我们攻克了换热器研制道路上首个‘拦路虎’。”

“拼接”百层板

微通道加工只是第一步。板片上下叠拼，凹槽相对，才能形成超碳流动通道。要想把几百张板片摞起来，将每层的微小流道都严丝合缝焊在一起，就连最老练的焊工都难以完成。

常规技术实现不了，黄彦平翻遍资料，把目光投向了真空扩散焊接技术。“把板材像书页一样一页页叠好，施以真空高温高压，金属原子就会发生扩散，‘手牵手’紧紧结合在一起。”他解释说。

虽然有了解决方案，但是国内的真空扩散焊接技术储备却是“一穷二白”。“我们不会设计焊机，国内也加工不了，只能求助国外。”研发团队成员唐佳告诉记者。

2017年，黄彦平带着团队，兴冲冲地前往彼时唯一具备制造能力的国外厂家调研。没想到，一去就吃了个“闭门羹”。

“我们前后派了四拨人去，结果连实验室的门都进不去，只能看看机器外壳。”黄彦平无奈地说，“最后一次，好不容易到了门口，他们却告诉我，全世界只有3个人可以进，将我‘轰’了回来。”

不久后，真空扩散焊接技术更是被列入了商业管制清单，严格限制出口。面对技术的严防死守，黄彦平赌上一口气：“既然不卖，那我们就自己干！”

在实验室灯光昼夜不熄的829天里，团队经历了27次技术方案优化调整，记录本上的焊接参数累计迭代了218版，报废的试验样件堆满了半间仓库。

直到2021年一个隆冬的凌晨，当第49次工艺试验的监测屏幕突然跳出稳定的绿色曲线时，刘睿龙用颤抖的双手扶正眼镜，反复核对闪烁数据，“焊接成功了！”一瞬间，团队压抑了两年的欢呼声响彻整个厂房。

那一天，黄彦平轻抚微通道扩散焊换热器表面，声音微微颤抖：“这里流过的不只是二氧化碳，更是中国科研人的志气。”

如今，“超碳一号”不仅拥有全球单芯体长度最大的微通道扩散焊换热器，而且相比于传统管壳式换热器，换热面积提升33%、热负荷提升27%，体积更是缩小至1/10。其配套的真空扩散焊接装备关键参数也已全面超越国际同类产品。

“锁住”临界体

经受住“三器”考验后，团队一鼓作气，继续攻坚“两机”难题。

压缩机和透平机轴端留有密封间隙。如何不让超碳从这些间隙“溜走”，降低机组能量损失？大家首先想到的是梳齿密封方案，这也是蒸汽发电防泄漏的常用方法。“但我们很快就否定了该方案。”团队成员陈尧兴解释，“超碳压缩机和透平机的结构尺寸小，且需在高温、高压、高转速条件下运行，梳齿密封很难达到目的。”

当时，国外已有一些成功密封案例。黄彦平出国咨询，外国专家只告诉他一句话，不要做100千瓦以上的机组。听说黄彦平要做兆瓦级机组，那些专家想都没想就笑着摇头：“怎么可能？”

黄彦平偏不信邪：“我这个人比较倔，别人越说不行，就越要想方设法找到解决方案。”

使用什么材料、采用何种结构……团队抽丝剥茧，一步步分析。先后对比试验了刷丝密封、孔型密封、蜂窝密封等方式后，他们最终敲定了号称“零泄漏”的干气密封技术。

“干气密封技术虽然相对成熟，但由于‘超碳一号’机组高温高压的苛刻条件，我们并不能将技术直接拿来用。”陈尧兴说。

又一次从零开始。从静态到动态、从低温到高温、从低压到高压……实验室里，团队成员紧盯着控制屏幕，时刻关注实验状态。

每升高100℃就是一道坎。每一次升温，陈尧兴心里都要默念一遍：“一定要稳住，千万别漏。”

超碳接触空气的瞬间非常美，会喷出漂亮的雪花。“但这是我们最不想看到的事。”陈尧兴笑着摊了摊手，“那样就完了，说明超碳泄漏了。”

即将达到500℃的那一刻，实验室里的空气仿佛凝滞，陈尧兴紧张得心怦怦直跳。

“没有溢出，稳了！”宣布实验结果那一刻，压在团队成员心头的重石总算落了地。“我们实现了兆瓦级超碳涡轮的干气密封，这在全球都是第一次。”黄彦平自豪地告诉记者。

从2009年的一张小纸条，到2019年实验室验证成功；从2023年“超碳一号”项目正式开工，到2025年底成功商运——黄彦平带领团队十几年如一日，终于将“冷板凳”坐“热”，在超碳发电技术领域实现了世界领先。