超临界二氧化碳发电是又一个大国重器

据“蓉城政事”11月23日报道，位于四川成都的核动力研究设计院为济钢六盘水的烧结装置研发了“超碳一号”废热回收发电系统，现已完成并网调试，并进入满功率运行冲刺阶段，预计年内实现满功率发电。这是全球首套工程化超临界二氧化碳发电系统。相比现行主流的烧结余热蒸汽发电技术，超碳一号在余热利用率上提升超过50%，发电效率提升42.7%，年发电量提升84%。

常规火电或者核电都是“烧开水”，然后蒸汽推动汽轮机，汽轮机带动发电机。二氧化碳在常温常压下是气态，但在7.38MPa和31C时，进入超临界状态。换句话说，气液界限消失，非气非液，又气又液。这种奇特的性质具有液态的密度和气态的可压缩性，提供了很多前所未有的可能性。

对于发电来说，蒸汽因为密度低，管道直径大，汽轮机需要多级膨胀，体积、重量、制造复杂度都非常高。但超临界二氧化碳近乎液体的密度，使得管道直径大大缩小，汽轮机更加接近水轮机，体积、重量、制造复杂度都相应降低。

传统火电以朗肯循环为主：

锅炉烧水，产生蒸汽，驱动汽轮机，带动发电机，同时乏蒸汽冷凝成水，泵入锅炉，循环使用。这就是最简单的朗肯循环。

更加高效的有布莱顿循环：

这里的烟气换热器就是加热装置，热源来自高温烟气，换成锅炉一样适用。回热器对进入加热装置的工质预热，热源是来自涡轮机的高温废气。高温废气在换热后降温，通过预冷器进一步冷却，提高密度和压缩机效率，最后形成完整的热力学循环。气态介质用压缩机，换成水的话就是泵，预冷器换成冷凝器，也能利用布莱顿循环。先进热电已经用上布莱顿循环了。

超临界二氧化碳发电也是布莱顿循环，差别在于管道和设备尺寸与热工参数。温度压力越高，热工效率越高；工质密度越高管道和设备尺寸越小。这就是超临界二氧化碳发电的威力所在。换句话说，超临界二氧化碳发电特别适合小尺寸核电、光热发电等场合。传说已久的核动力舰船或许最终将受益于此。悄悄说一句，水在374C和22.1MPa时也达到超临界状态，所以超临界二氧化碳的布莱顿循环用水也可以实现，只是温度和压力要高得多，不及超临界二氧化碳的效率高。

光热发电挑战不在于加热端，而在于冷凝端。光热资源丰富的地方一般缺水，如果冷凝的问题解决，这也是非常有用的应用场合。

还有一个应用不大有人提起：化工和工业废热回收发电。超临界二氧化碳的临界点为7.38MPa、31C。这个温度很低。在工业上50磅或者345kPa的蒸汽属于低压蒸汽，一般是高压蒸气用于驱动汽轮机、高温加热等高端用途后，用剩下来的。温度还有148C，但已经不大有劲了，只能用于物料预热、设备保温等等。很多工厂都有大量低压蒸汽没处可用，有了用来给大棚蔬菜加热，在严寒地区很受欢迎。冬天日照条件好（时间短但晴天多，尤其是北方内陆），再给点温度，蔬菜简直疯长。

但依然有很多废热没法利用，只能通过冷却塔释放到空中。平常见到的粗大“烟囱”向空中释放滚滚“白烟”，那就是冷却塔在散热。很多管道的白眼“跑冒滴漏”其实也不是跑冒滴漏，而是低压蒸汽没法利用，就地放空。这是很大的浪费，但这么低的温度和压力，想废热发电都难。

但超临界二氧化碳的临界温度和压力就有利了，或许可以用于低压蒸汽的废热发电。热工参数肯定没有高温高压好看，但是量大，热源“不要钱”，回收的总量还是相当可观的。

“超碳一号”也是废热发电，但烧结过程的温度高，废热发电也有700C，不一样。但这不是第一步嘛。

超临界二氧化碳发电在道理上不复杂，各国也都在研究当中，但设备抗腐蚀和抗侵蚀是很大的挑战。腐蚀是化学的，侵蚀是物理的。氧与铁接触，形成锈蚀，这是腐蚀。河流冲刷造成河岸坍塌、退缩，这是侵蚀。二氧化碳本身的腐蚀问题不大，但高温加速材料的氧化问题，这就是腐蚀了。超临界流体因为气液不定，侵蚀问题很大，对材料的挑战很大。这些是超临界二氧化碳发电的关键难点。

中国首先突破难点，意义真是巨大。