12月20日，超臨界二氧化碳余熱發(fā)電技術迎來重大突破，全球首臺“超碳一號”超臨界二氧化碳發(fā)電機組在貴州六盤水首鋼水城鋼鐵集團實現(xiàn)商運，標志著由四川自主研發(fā)的這項顛覆性技術從實驗室走向了應用場，具有里程碑意義。
▲超碳一號智控中心
此次投入商運的“四川造”“超碳一號”超臨界二氧化碳發(fā)電機組由位于成都的中國核動力研究設計院自主研制，利用工業(yè)余熱把二氧化碳加壓到7.38兆帕、加熱到31℃以上，讓其達到一種半氣體、半液體的狀態(tài)，也就是超臨界二氧化碳，推動渦輪機發(fā)電。
“點碳成金”
二氧化碳如何發(fā)電？
“超碳一號”是什么？它如何將溫室氣體“點碳成金”？
中核集團首席科學家、“超碳一號”總設計師黃彥平揭秘——當二氧化碳被加壓超過73個大氣壓、加熱超過31℃時，會進入超越氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)特性的“超臨界態(tài)”，兼具高密度和低粘度的雙重優(yōu)勢，成為發(fā)電領域的“超級工質(zhì)”。“主要目標就是替代傳統(tǒng)的水蒸氣發(fā)電技術，在同樣的能源消耗條件下發(fā)更多的電。”
▲設備廠房內(nèi) 中國核動力研究設計院供圖
黃彥平解釋，把超臨界二氧化碳送進發(fā)電系統(tǒng)里，再通過壓縮機和換熱器把超臨界二氧化碳的壓力和溫度都升上去，這時候，高溫高壓的二氧化碳就像充了氣的皮球一樣，推動機器旋轉(zhuǎn)起來，進而產(chǎn)生電能。“在超臨界狀態(tài)下的二氧化碳既像液體一樣密度大，又像氣體一樣容易被壓縮，發(fā)電效率也就更高了。”
▲煙氣換熱器 中國核動力研究設計院供圖
得益于超臨界二氧化碳的物質(zhì)屬性，“超碳一號”具有效率高、系統(tǒng)緊湊、輔助系統(tǒng)少和機動性強的核心優(yōu)勢，且未來有望向更大功率、更高溫應用場景拓展。
以首鋼水鋼為例，通過本次項目改造，采用超臨界二氧化碳發(fā)電技術進行余熱回收，較燒結(jié)余熱發(fā)電行業(yè)平均水平，發(fā)電效率提升85%以上，凈發(fā)電量提升50%以上，同時系統(tǒng)簡化、設備減少、運維便利，場地需求減少50%。
此外，在節(jié)能減排方面，如果將這項技術應用于全國的燒結(jié)余熱改造，預計每年可以節(jié)約標準煤約483萬噸，減少二氧化碳排放1285萬噸以上。“這不僅對鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響，同時也為水泥、造紙等其他余熱利用行業(yè)帶來了深刻的技術變革。”黃彥平說。
技術攻關
走通自主創(chuàng)新之路
“替代傳統(tǒng)的水蒸氣發(fā)電技術”，簡單幾個字，背后卻是數(shù)年來艱辛的技術攻關。
自2009年起，核動力院開始開展超臨界二氧化碳發(fā)電技術研究。黃彥平回憶道，研究初期面臨了諸多質(zhì)疑與不解：“最早的時候，有人聽說用二氧化碳發(fā)電，甚至質(zhì)疑我們是騙子。而后在技術攻關遇到瓶頸時，各種各樣的評價也隨之而來，那也是最艱苦的階段。”
困難不僅限于此。2017年，黃彥平團隊遠赴海外，到當時全球唯一掌握超臨界二氧化碳換熱器制造技術的公司進行調(diào)研，卻遭遇嚴密技術封鎖。“他們連車間的門都不讓進，更別提看設備。”
回來后，黃彥平便潛心鉆研、自主攻關。比如，針對微通道擴散焊換熱器，研發(fā)團隊從光刻工藝中找到靈感，攻克了毫米級微通道高精度批量制造難題，研制了全球最長的擴散焊接工業(yè)母機，研制并測試了百千瓦級、兆瓦級、十兆瓦級和五十兆瓦級工程樣機，實現(xiàn)了超緊湊能量傳遞裝備全國產(chǎn)、型譜化研制，可拓展至百兆瓦級。
▲超碳一號智控中心
就這樣，黃彥平帶領著團隊進行了一次又一次“從無到有”的突破，經(jīng)過十余年的艱難探索，攻克了“兩機三器一系統(tǒng)”從設計、制造到集成應用的系列關鍵技術，建立了超臨界二氧化碳發(fā)電技術研發(fā)體系并完成技術驗證。
更為重要的是，核動力院在研發(fā)過程中集合了東方電氣集團、西安交通大學、西北工業(yè)大學、清華大學、四川大學等國內(nèi)優(yōu)勢企業(yè)和高校團隊，形成了以超臨界二氧化碳發(fā)電技術為核心的產(chǎn)學研共同體，真正具備了不依賴國外、完全自主的精細設計和成套供貨能力。
擁有“四川基因”
將在光熱發(fā)電等領域擁有廣闊應用前景
全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機組成功商運，是世界范圍內(nèi)超臨界二氧化碳發(fā)電技術首次工程化應用。
這一“全球首臺”的研發(fā)地，是位于成都的核動力院。“高科技研究院為我們奠定了科研基礎，而成都這座城市本身也具有強大的人才吸引力——就業(yè)機會多、生活便利，吸引了來自全國各地的優(yōu)秀畢業(yè)生。”黃彥平表示，“我們核心團隊幾十人，幾乎都來自985高校并擁有博士學位，平均年齡僅35歲左右，是一支非常年輕的隊伍。這也是我們能在這一技術上走到全球前列的重要原因之一，既有人力資源的支撐，也有城市環(huán)境的支持。”
▲廠房外景 中國核動力研究設計院供圖
在黃彥平看來，成都完善的產(chǎn)業(yè)基礎也為技術研發(fā)提供了重要助力。“研發(fā)過程中涉及多項關鍵核心技術，離不開四川和成都本地企業(yè)的協(xié)作。”他回憶道，最初開展超臨界二氧化碳發(fā)電技術研究時，相關產(chǎn)業(yè)鏈幾乎為零。團隊只能一步步向企業(yè)解釋技術需求，并依托現(xiàn)有工業(yè)動力裝備制造基礎進行共同探索。例如，面對關鍵設備“壓縮機”的問題，聯(lián)合東方電氣參考了燃機技術進行設計。
除了該示范項目，中核集團還于2024年啟動了“熔鹽儲能+超臨界二氧化碳發(fā)電”示范項目，已入選國家能源領域第五批首臺（套）重大技術裝備,預計2028年完成示范應用。此外，超臨界二氧化碳還在光熱發(fā)電等多個領域擁有廣闊應用前景。
來源 | 四川發(fā)布客戶端綜合四川觀察、成都發(fā)布
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