近日，由中國華能集團有限公司自主研發的，世界參數最高、容量最大，超臨界二氧化碳循環發電試驗機組，在華能西安熱工院順利完成72小時試運行，并正式投運。這項技術或将徹底改變人類傳統熱力發電方式，讓發電變得更加清潔、高效。

看到這裡，或許有很多朋友就有疑惑了，超臨界二氧化碳循環發電和普通的發電有什麼不一樣，又難在哪裡呢？今天我就和大家聊一聊超臨界二氧化碳發電技術。

從人類發明了蒸汽機并将它作為動力機開始，人類便進入了工業化時代。蒸汽機是将蒸汽的能量轉換為機械功的往複式動力機械。其中的蒸汽指的便是水蒸汽，對此人們也經常調侃，人類能夠發展至今，始終離不開“燒開水”模式，火力發電也是如此，人們燒水發電已經持續了140多年的曆史。

我們先簡單講一講傳統火力發電的原理。火力發電主要包括三個系統：燃燒系統、汽水系統以及發電系統。

燃燒系統主要是利用煤炭燃料進行燃燒，蒸汽系統主要是通過燃燒産生的熱量對系統中的循環水進行加熱，加熱後的水蒸氣會被傳輸至汽輪機中，推動汽輪機轉動，從而帶動發電機進行發電。

火力發電的流程圖

我們知道，溫度越高，蒸氣的能量就會越大，那麼就越容易推動葉輪機轉動。因此為了提供更大的蒸氣動力，就需要将蒸氣加熱到更加高溫的狀态。但水在常溫下的沸點隻有100℃，想要提高溫度怎麼辦呢？這個時候就需要把壓強給提上來，因為物質的沸點是與壓強有關系的，壓強越大，沸點也會越高。所以火力發電蒸氣系統中的蒸氣都是高溫高壓狀态。

不過火力發電中高溫高壓的水蒸氣可不一般，這個狀态下的水主要是超臨界流體，超臨界流體既不是氣态、也不是液态，而是出于介于氣态與液态之前的超臨界狀态。超臨界的水具有液态與氣态的雙重性質，既具有液态的高密度，又擁有氣态的超強流動性。

水的相圖

為了讓你更好地理解什麼是超臨界流體，我們可以舉一個例子來說明。

假設一個密封的容器，裡面裝了一半的水，現在對密封容器中的水進行加熱，那麼内部的水會不停地氣化，實際上氣化的水也會不停地液化，形成一個動态平衡。那麼如果将溫度不斷升高，容器中水氣化和液化的速度都會不斷增大，水在兩種狀态之間迅速變化，如果這個過程足夠劇烈，那麼氣液界面也将會逐漸變得模糊，直至兩種狀态混為一體，成為一種狀态，也就是超臨界狀态。

水的超臨界狀态條件是可以通過上面給的相圖看出來的，水的超臨界條件為：壓力為22.129MPa（約等于218個大氣壓），溫度為374.15℃，當溫度和壓強都大于這兩個值，那麼此時的水就是超臨界流體。

超臨界流體流體密度高，可比氣體大100倍，并且黏性低，流動阻力小，在推動汽輪機旋轉時，推力更大，能量損耗更小，因此發電效率也能夠大大提高。利用超臨界水發電的機組也被稱為超臨界發電機組。我國在超臨界發電已經是全球領先，除了超臨界，還有超超臨界機組發電（蒸氣壓強更大），溫度可達600-700℃。

那麼超臨界水用得好好的，為什麼要用二氧化碳呢？

其實對比一下兩者的性質你就明白了。利用水進行超超臨界機組發電，壓強可達近30兆帕，相當近300個大氣壓，另外高溫蒸汽極易腐蝕設備，這就需要設備材料不僅要具有極高的強度，同時還要有超強的耐腐蝕能力，發電條件十分苛刻。

而二氧化碳的臨界點溫度約為31攝氏度，壓力約為7.8MPa（78個大氣壓），将二氧化碳加壓加溫到這個臨界點壓力和溫度之上就能得到超臨界二氧化碳 。

從數據上看，二氧化碳形成超臨界流體，無論是溫度還是壓強都遠遠低于水的臨界點，并且二氧化碳的化學性質更加穩定，工程可實現性較好，可在接近室溫條件下達到超臨界狀态，因此超臨界二氧化碳也被稱為理想的熱力循環工質。

二氧化碳形成超臨界态瞬間

據華能西安熱工研究院董事長蘇立新介紹，使用超臨界二氧化碳具有多方面的優點。首先，由于超臨界二氧化碳具有更高的密度，因此在同等發電量下，超臨界二氧化碳發電機組具有更小的體積，僅為普通水蒸氣機組的1/25大小；并且在600℃溫度下，發電效率比蒸汽機組高3至5個百分點；最後是污染小，采用二氧化碳機組的燃煤電廠，單位發電量碳排放強度可減少10%。

這項超臨界二氧化碳循環發電技術是中國華能集團聯合國内多所頂級高校、研究院以及各工程建設單位共同研發，曆時近7年，發電核心設備100%國産，其中涉及的專利就達400多項，屬于世界領先的地位。

除了火力發電，由于二氧化碳發電靈活性強，未來二氧化碳還将在新能源領域發揮巨大的作用，為中國的科學家們點贊！

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