不用燒煤炭！“超臨界”二氧化碳如何顛覆百年發(fā)電方式？

近日，重慶市江增公司自主研制的超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電關鍵技術及國際首座5兆瓦機組示范應用項目，榮獲2023年國家電力科學技術進步獎一等獎。作為核心關鍵設備，這一發(fā)電機組運用在華能集團研制的世界參數(shù)最高、容量最大、效率最優(yōu)的首座5兆瓦超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，標志著我國在這一領域的主要技術指標達到國際領先水平。

長期以來，無論是火電煤炭燃燒還是核電核裂變反應等，它們產(chǎn)生的巨大能量都無法直接變?yōu)殡娔?，最終都繞不開“燒開水”。強大的熱量會將水燒開蒸發(fā)為水蒸氣，就像水電站的水一樣推動蒸汽輪機轉動，然后發(fā)出電來。而超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)，流動的不再是水和水蒸氣，處于特殊狀態(tài)的二氧化碳——超臨界二氧化碳，通常為氣體，并不能直接用來發(fā)電。

什么是超臨界狀態(tài)？就是部分物質(zhì)隨著溫度和壓力的變化，會相應地呈現(xiàn)出固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種狀態(tài)。當把處于氣態(tài)、液態(tài)平衡的物質(zhì)升溫升壓時，熱膨脹引起液體密度減小，壓力升高使氣液兩態(tài)的界面消失而呈現(xiàn)非氣非液的狀態(tài)，這一點就稱為臨界點。如果環(huán)境溫度和壓力高于一種物質(zhì)的臨界點，這時就進入了超臨界狀態(tài)，流體就是超臨界流體。

不過，它雖然不是氣體、液體，卻具有氣體、液體的特性，黏度低、密度大，有良好的流動、傳質(zhì)、傳熱和溶解性能。超臨界二氧化碳的臨界溫度和壓力約為31.10℃和7.39兆帕，約相當于73.9個大氣壓，遠遠低于水的臨界點，比超臨界水的獲得容易得多，加上能作為超臨界流體的化合物性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、不易燃易爆、價廉而得到廣泛發(fā)展，這也使它成為超臨界發(fā)電的最佳媒介物質(zhì)。

同傳統(tǒng)用水做媒介的發(fā)電機組相比，超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電機組有著絕對的優(yōu)勢：在600℃溫度下發(fā)電效率高3—5%；在同等裝機容量情況下體積小，重量也輕得多；碳排放量可減少10%，能減輕有害氣體對環(huán)境的危害；能在任何負荷下快速啟動，深度參與調(diào)峰，有利于促進風電、光伏發(fā)電等新能源消納利用；由于二氧化碳的惰性腐蝕性很低，機組的金屬部件更加耐用，顯著提高工作的連續(xù)性和穩(wěn)定可靠性，同時大大減少檢修和部件更換，還讓發(fā)電系統(tǒng)的設計更加靈活。

超臨界二氧化碳發(fā)電在很多領域具有良好的應用前景，主要可用于核能、艦船動力、太陽能光熱、工業(yè)廢熱利用等方面，并開始取代發(fā)電廠的蒸汽渦輪機。超臨界二氧化碳發(fā)電機組體積小、效率高的優(yōu)勢，對艦船有著舉足輕重的應用價值，因為艦船內(nèi)部空間有限，對船內(nèi)設備尺寸要求嚴格。

目前，我國的超臨界二氧化碳發(fā)電技術裝置，已從科研機構、高校的研究和實驗階段發(fā)展到商業(yè)化的臨界點。美國、英國、德國等國家均開展了超臨界二氧化碳發(fā)電技術的研究，世界上已有多臺1—10兆瓦級別的機組處于商業(yè)示范運營階段，更高功率和參數(shù)等級的機組正在設計研發(fā)。因此，我們相信它的優(yōu)勢和實用性將會給人們帶來更加廣泛的應用，前景將是光明的。

（作者系湖南省科普作家協(xié)會會員）