一、研究的背景与问题

目前传统的热力发电行业系统一般是基于朗肯循环原理，即均以水-蒸汽作为工质，将水加热为水蒸汽，然后以蒸汽推动汽轮机做功，做功后的蒸汽再冷凝为水，由于存在气相-液相之间的相变，在冷凝过程中要浪费大量的热能。

超临界CO₂余热发电技术是以超临界CO₂作为能量转换工质，利用布雷顿循环原理，在整个循环过程中均为超临界状态，避免了相变过程，故热利用效率大幅度提高，针对不同应用场景，超碳发电效率较传统蒸汽发电提升20%-50%以上，系统用水量比蒸汽发电降低约50%。

该技术是新型动力转化技术，在国际上被认为是替代目前大规模使用的蒸汽动力装置、实现动力技术变革的革新性方向。2018年“超临界二氧化碳零排放天然气发电技术”被麻省理工科技评论评为“全球十大突破性技术”；同年“光热超临界二氧化碳发电技术”被中国科协列为“能源动力领域十项重大工程技术难题”。工业界普遍对其在工业余热、地热以及光热利用等不同领域内的应用前景有着很高期待。

该技术近年来一直是世界各国的前沿研究热点，包括美国、欧盟、韩国、加拿大在内的各个国家均在积极推进技术开发及项目工程化落地；在国内，东方电气、哈尔滨电气、上海电气等三大主机厂商均在纷纷布局，中国核动力研究设计院（以下简称核动力院）、中国华能西安热工院、中科院则分别于2019年、2021年、2025年建成了技术验证机组。

首钢水钢2×265m²烧结机余热超临界CO₂发电项目总装机容量30MW，是全球首套基于超临界CO₂高效工质发电技术的商业投入生产运行，核心技术完全自主可控，拥有完整自主知识产权，总体技术达到国际领先水平。项目由济钢集团、中核集团核动力研究院（自2009年起持续投入研发）及首钢水钢共同推进，济钢集团承担了工程研发、系统工艺开发、整体系统集成以及投资、EPC总包、运营等工作。

二、解决问题的思路与技术方案

1、解决问题的核心思路

针对传统朗肯循环水-蒸汽发电系统“相变热损失大、热效率低、耗水量高”的核心痛点，结合首钢水钢2×265m2烧结机余热“温度波动范围广（300-450℃）、余热流量不稳定”的场景特性，项目以“工质革新+循环优化+系统适配+工程落地”为核心思路，构建超临界CO?发电技术体系：

（1）工质革新：摒弃传统水-蒸汽工质，采用超临界CO?（临界温度31.1℃、临界压力7.38MPa）作为能量转换工质，利用其在超临界状态下高密度、低粘度、高传热系数的热力学特性，提升系统热效率；

（2）循环优化：基于布雷顿循环原理，优化设计“压缩-加热-膨胀做功-回热-冷却-再压缩”闭环系统，匹配烧结机余热的动态特性，提升能量转换效率；

（3）系统适配：针对工业余热场景的复杂性，研发定制化的核心设备与工艺，解决余热提级利用以及超临界CO?高压工况下的密封、传热、系统清洁度等关键问题；

（4）工程落地：以自主研发技术为核心，整合EPC总包能力，实现从技术验证到商业运行的全流程落地，确保系统稳定性与工业适配性。

2、具体技术方案

（1）生产方法

以钢铁烧结环冷机烟气余热为热源，通过超临界CO?布雷顿循环系统实现高效发电。

（2）主要工艺流程

烟气余热收集及循环系统：通过环冷机烟罩及收集管道，将环冷机一段二段热废气（经补燃措施后稳定控制在400℃以上）引入烟气换热器，与低温超碳介质充分热交换，产出345℃的超临界二氧化碳；换热后的低温烟气（约140℃）经循环风机重新鼓入环冷机下部风箱，实现循环利用。

超临界CO?循环发电系统：8.1MPa、33℃超碳介质经压气机加压至23MPa后，经烟气换热器升温至345℃，高温超碳介质进入透平发电机组做功发电；做功后介质（8.4MPa、250℃）进入回热器冷却后进入压气机，完成循环。

（3）主要设备

烟气换热器：额定压力32MPa，额定温度500℃，分高低温换热器两部分；透平发电机组：额定功率15MW；回热器：微流道结构，用于回收做功后工质余热；冷却器：水冷板式换热结构；压气机：多级压缩变转速，配套变频调速系统，适配余热负荷波动；循环风机：用于低温烟气循环利用。

（4）控制与安全消防系统

DCS控制系统，涵盖全流程监控，配套10kV高压配电室、中央控制室（含操作员站及工程师站）；设置紧急停车系统（ETS），安装有毒有害气体检测装置（监测CO2、煤气浓度）、配套应急照明、疏散通道及安全警示标识等，制定完善应急预案；建设室内消火栓系统、自动喷水灭火系统及气体灭火系统，配套消防水泵房。

3、流程示意图

三、主要创新性成果

1、理论方面

（1）布雷顿循环与工业余热动态适配方案。提出“余热波动-循环参数-效率响应”系统耦合方案，建立动态负荷下的循环优化技术方案，明确了不同余热温度/流量波动幅度下，压缩机转速、透平进气阀开度等参数的最优调节策略。解决了工业余热波动性与发电系统稳定性的矛盾，为超临界CO?技术在工业场景的推广奠定理论基础。

（2）超临界CO?发电系统集成优化思路。建立了“设备参数-系统流程-运行成本”多目标优化模型，提出“最小能耗+最高可靠性”的集成设计方法，统筹考虑设备效率、系统阻力、投资成本等因素，实现全系统的最优匹配。按以上优化思路，系统总阻力损失降低10%，单位装机容量投资成本较前期估算方案降低10%，投资回收期缩短1年。

2、工程方面。在该项目实施过程过程中累计攻克各类技术难题200余项，其中关键核心技术88项，自主研发专用试验装置30余种，完成试验上千次，并潜在形成行业技术规范超30项，为技术大规模商业化推广奠定了坚实的工程与实践基础。

在该项目的推进过程中，济钢集团首创了大量工程施工工艺，发明了了大量的工程施工技术，首创工艺主要包括：超临界二氧化碳工质发电技术管道壁厚控制施工工艺、系统清洁度施工工艺、系统除水工艺、系统除油工艺、系统除锈工艺、系统除垢工艺、系统EDTA去除工艺等；发明的工程施工技术主要包括：超临界二氧化碳工质发电技术系统防止反向流动技术、在线二氧化碳泄露检测技术、旋转机械放倒转技术、露点控制技术、回热器小型化技术、冷却器压差控制技术等。

四、应用情况与效果

项目自2025年11月9日并网以来，运行稳定，表现出了较好的工业适配性、操作友好性，较之首钢水钢原老旧机组，吨矿净发电量增加了12kwh/t，每年可多发约7000万kwh，发电收入增加约4000万元，余热电净效率较行业平均水平提高了30.7%，度电耗水量降低了50%。

信息来源：首钢水城钢铁（集团）有限公司、济钢集团国际工程技术有限公司、中核集团核动力研究院