在贵州六盘水首钢水钢集团的厂区内，烧结机的轰鸣声与红色钢水、蓝色s-CO₂管道交织出一幅独特的工业图景。2025年12月20日，全球首台商用超临界二氧化碳发电机组在此正式投入商业运行，标志着我国在高效清洁能源技术领域取得重大突破，首次将这一前沿技术从实验室推向工业化应用，为全球中小功率规模、中高温热源场景的能源利用提供了全新解决方案。
“超碳一号”示范工程由中国核动力研究设计院与济钢集团国际工程技术有限公司联合推进，采用2×15兆瓦超临界二氧化碳烧结余热发电系统。中核集团首席科学家、“超碳一号”总设计师黄彦平解释道：“我们将二氧化碳提纯后加压至73个大气压以上，使其进入超临界态。这种状态的二氧化碳密度接近气态的百倍，就像锻炼后力量大增，能更高效地搬运能量，推动发电机旋转发电。”相较于传统“烧开水”式发电，超临界二氧化碳技术不仅提升了发电效率，还大幅缩小了系统体积，增强了机动性。
与传统烧结余热蒸汽发电技术相比，“超碳一号”的发电效率提升超过85%，净发电量增加50%以上，同时系统结构简化、设备减少、运维成本降低，场地需求缩减50%，展现出显著的技术与经济优势。以首钢水钢为例，原烧结环冷机采用以水为循环介质的蒸汽发电技术，受朗肯循环冷源损失限制，即使烟气回收量充足，系统净发电效率仍不理想。通过改造，超临界二氧化碳发电技术将发电效率提升至行业平均水平的1.85倍以上。
超临界二氧化碳（s-CO₂）是一种在临界温度31℃和临界压力7.38 MPa以上存在的特殊流体，兼具气体的高扩散性和液体的强溶解能力，被称为“第四态物质”。该技术利用超临界二氧化碳作为工质，通过闭式布雷顿循环实现高效热电转换。其高密度、低粘度、无相变的特点，使系统效率高、体积小、响应快，尤其适用于中高温余热回收场景。美国能源部早在2017年将其列为国家能源领域战略性前沿技术第二位，2018年入选《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”，我国也在“十四五”能源科技创新规划中明确其战略地位。
若将这项技术推广至全国烧结余热改造，预计每年可节约标准煤483万吨以上，减少二氧化碳排放1285万吨以上。这一成果不仅为钢铁行业带来变革，也为水泥、造纸等余热利用行业提供了技术升级路径。我国钢铁、水泥等高耗能行业余热资源丰富，但传统水工质朗肯循环系统复杂、效率低下，有机工质循环又难以处理高温热源。超临界二氧化碳技术的突破，正是解决这一痛点的关键。
核动力院自2009年起启动超临界二氧化碳发电技术研究，联合东方电气、西安交通大学、清华大学等高校与企业，构建产学研协同创新体系。经过十余年攻关，团队攻克了“两机三器一系统”（压缩机、透平机、回热器、冷却器、吸热器及系统集成）的全套关键技术。其中，微通道扩散焊换热器的研制打破了国外技术封锁，团队自主研发的全球最长扩散焊工业母机，实现了从原材料到整机检测的全流程国产化。在压缩机透平发电机组方面，团队解决了启动设计、推力平衡、干气密封等难题，实现了装备轻量化、小型化，具备完全自主的精细设计与成套供货能力。
黄彦平回忆道：“超临界二氧化碳发电技术此前在烧结余热领域的应用几乎空白，项目实施中需结合实际不断摸索技术路线。尽管有十年基础研究和多次演示验证试验的经验，但仍面临诸多挑战。我们通过优化资源配置、结合计算分析与技术研讨，加班加点攻关，确保了项目平稳推进。”2019年10月，核动力院首次实现兆瓦级超临界二氧化碳简单循环发电系统满功率运行；2021年4月，再压缩循环发电系统也成功满功率发电，均为全球首次。2024年12月，项目正式商运，成为全球首个商业化运行的超临界二氧化碳余热发电系统，年均节约标准煤数万吨，减排二氧化碳十余万吨。
除钢铁行业外，超临界二氧化碳发电技术在光热发电、储能调峰、化工、水泥、海洋平台等领域均有广阔前景。2024年，中核集团已启动50兆瓦“熔盐储能+超临界二氧化碳发电”示范项目，入选国家能源领域首台（套）重大技术装备，预计2028年投运，将为新能源消纳与电网调峰提供支撑。黄彦平表示：“三十年职业生涯中，能带领团队将超碳发电技术从‘概念’变为现实，我深感荣幸。这项技术不仅是中国能源科技自主创新的里程碑，更为全球工业低碳转型提供了中国方案。”
