超臨界二氧化碳是什么？

超臨界二氧化碳是二氧化碳的超臨界狀態(tài)，也就是二氧化碳隨著溫度和壓力的變化，超出了二氧化碳?xì)庖旱呐R界溫度，臨界壓力，臨界容積狀態(tài)的二氧化碳。

二氧人碳的密度和黏度，會(huì)隨著壓力的增加而變大，隨著溫度的升高而減小，壓縮因子會(huì)隨著溫度，壓力而變化，地質(zhì)封存和促進(jìn)油氣開采條件下二氧化碳的密度大體在200-800kg/立方米之間，小于地下水的密度，所以把二氧化碳注入到地下含水層以后，二氧化碳在浮力的作用下會(huì)向上遷移而聚集于構(gòu)造高點(diǎn)。

當(dāng)溫度高于31.1攝氏度，壓力高于7.38Mpa時(shí)，二氧化碳便進(jìn)入到了超臨界狀態(tài)，在二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存中，大多數(shù)儲(chǔ)層的溫度和壓力均達(dá)到了臨界點(diǎn)以上，二氧化碳常常是以超臨界狀態(tài)儲(chǔ)存于地質(zhì)體中。

超臨界二氧化碳是一種高密度注體，在物理特性上兼有了氣體和液體的雙重特性，密度是氣體的幾百倍，近于液體，這也讓超臨界二氧化碳有很強(qiáng)的溶劑化能力，具有常規(guī)液態(tài)溶劑的強(qiáng)度，在臨界溫度以下，氣體被不斷的壓縮會(huì)有液相出現(xiàn)，然而，超臨界流體被壓縮只是增加其密度，不會(huì)形成液相，超臨界流體的密度和溫度與壓力密切相關(guān)，超臨界二氧化碳的密度隨著壓力升高而增大，隨著溫度升高而減小，在臨界點(diǎn)附近，密度對(duì)于壓力和溫度十分的敏感，很小的溫壓變化就會(huì)導(dǎo)致密度的急劇變化。

擴(kuò)散系數(shù)和黏度是衡量超臨界流體傳質(zhì)能力的重要參數(shù)，超臨界流體黏度比液體小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，與氣體相似，流動(dòng)性遠(yuǎn)大于液體，二氧化碳的黏度在壓力比較低的時(shí)候基本保持不變，而當(dāng)壓力升高時(shí)，黏度隨著增大，在臨界點(diǎn)附近隨著壓力升高而急劇增大，之后又相對(duì)平緩，超臨界二氧化碳流體具有比較好的傳質(zhì)性能，超臨界二氧化碳的密度，黏度和擴(kuò)散系數(shù)等性能可以隨著溫度和壓力的變化而改變。

水蒸汽朗肯循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換是主流發(fā)電技術(shù)。目前大型燃煤發(fā)電機(jī)組主蒸汽溫度已達(dá)630℃，進(jìn)一步提升效率受到材料制約，700℃蒸汽溫度下鋼材腐蝕嚴(yán)重，限制了主蒸汽參數(shù)的提高。超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)，簡(jiǎn)稱S-CO2循環(huán)，采用CO2實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。S-CO2循環(huán)有三個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，CO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，高溫下與金屬材料反應(yīng)弱，為進(jìn)一步提高主蒸汽參數(shù)奠定了基礎(chǔ)；其次，當(dāng)主蒸汽溫度超過550℃時(shí)，S-CO2循環(huán)效率高于水蒸汽朗肯循環(huán)；再次，S-CO2循環(huán)系統(tǒng)高壓運(yùn)行，系統(tǒng)緊湊。

近20年來，由于面臨能源和環(huán)境的雙重壓力，S-CO2循環(huán)重新受到國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注，各國(guó)都投入了相當(dāng)?shù)娜肆ξ锪ρ邪l(fā)該前沿能源技術(shù)。目前，S-CO2循環(huán)處于基礎(chǔ)研究階段，實(shí)驗(yàn)研究集中在關(guān)鍵部件及小容量機(jī)組測(cè)試上，人類要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO2循環(huán)發(fā)電，有許多研發(fā)工作要做。

1.S-CO2與金屬材料相容性問題

二氧化碳在高溫高壓環(huán)境下與金屬材料的化學(xué)反應(yīng)速率決定了循環(huán)所能采用的主蒸汽溫壓參數(shù)，與機(jī)組發(fā)電效率密切相關(guān)。目前，已對(duì)S-CO2與金屬的相容性進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，但數(shù)據(jù)還不能支撐大規(guī)模機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(i)采用高純度CO2測(cè)試，與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況有偏離；(ii)測(cè)試時(shí)間不夠長(zhǎng)；(iii)采用增重法表征化學(xué)反應(yīng)速率，建議采用減重法更有價(jià)值?？傊?，建議測(cè)試并建立S-CO2與典型金屬材料，包括合金鋼的化學(xué)反應(yīng)速率數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行合理評(píng)估，以支撐S-CO2機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

2.S-CO2循環(huán)的選擇

再壓縮（RC）、再壓縮+中間冷卻（RC+IC）與再壓縮+再熱（RC+RH）是基本的循環(huán)形式。已經(jīng)證明，間冷能夠降低壓氣機(jī)耗功，可適當(dāng)提高機(jī)組效率，但再熱對(duì)提升效率更加明顯。當(dāng)S-CO2循環(huán)與不同熱源耦合時(shí)，難以找到一個(gè)固定循環(huán)，適合不同熱源（太陽(yáng)能、核能、化石能源及余熱）。例如，再壓縮循環(huán)與太陽(yáng)能或核能耦合時(shí)，由于熱源跨越溫區(qū)較窄，比較適合，但再壓縮循環(huán)不適合余熱利用。對(duì)于大規(guī)模S-CO2燃煤動(dòng)力系統(tǒng)，由于S-CO2循環(huán)主要適合中高溫?zé)嵩?，全溫區(qū)吸收煙氣熱量是很大的挑戰(zhàn)。

當(dāng)S-CO2循環(huán)用于不同熱源時(shí)，存在直接式S-CO2循環(huán)和間接式S-CO2循環(huán)之分。在直接式S-CO2循環(huán)中，S-CO2直接吸收熱源熱量，效率高，但存在嚴(yán)重的傳熱問題，例如，對(duì)于直接式太陽(yáng)能S-CO2循環(huán)，太陽(yáng)能吸熱器溫度高，熱應(yīng)力大，安全問題嚴(yán)重。間接式S-CO2循環(huán)采用其它工質(zhì)，如熔融鹽吸收太陽(yáng)能熱量，熔融鹽回路和S-CO2循環(huán)回路采用中間換熱器進(jìn)行耦合。

3.1S-CO2傳熱基礎(chǔ)理論

S-CO2傳熱發(fā)生在S-CO2循環(huán)的多種設(shè)備中，如中間換熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器等。實(shí)驗(yàn)方面，現(xiàn)用S-CO2傳熱數(shù)據(jù)局限于小直徑管道和較低溫壓參數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中在~8MPa附近。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，壓力至少大于20MPa，約為CO2臨界壓力的3倍以上，熱流密度遠(yuǎn)大于100kW/m2。

3.2直接/間接S-CO2循環(huán)加熱器

S-CO2循環(huán)加熱器擔(dān)負(fù)吸收熱源熱量的重任。第四代核電站概念設(shè)計(jì)采用直接或間接式S-CO2循環(huán)。對(duì)于間接S-CO2循環(huán)，中間換熱器是耦合反應(yīng)堆一回路和S-CO2循環(huán)二回路的紐帶，應(yīng)加強(qiáng)氣冷堆高溫氣體和S-CO2耦合傳熱研究，加強(qiáng)液態(tài)金屬堆中池式液態(tài)金屬和S-CO2耦合傳熱研究。有專家提出直接式S-CO2核能系統(tǒng)，限于S-CO2冷卻堆芯的能力，難度較大。

太陽(yáng)能聚焦熱發(fā)電（CSP）S-CO2循環(huán)也分為直接和間接循環(huán)。在直接循環(huán)中，S-CO2在太陽(yáng)能吸熱器(solarreceiver)中直接吸收太陽(yáng)能，系統(tǒng)效率較高，但由于熱流密度的不均勻分布及熱應(yīng)力問題，嚴(yán)重威脅吸熱器安全，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和理論研究，為太陽(yáng)能S-CO2循環(huán)設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供支撐。在間接S-CO2循環(huán)中，熔鹽可作為吸收太陽(yáng)能的熱載體，應(yīng)解決熔鹽腐蝕、泄漏、堵塞等技術(shù)難題。

對(duì)于化石能源S-CO2電站，S-CO2流經(jīng)S-CO2鍋爐的各級(jí)受熱面（冷卻壁、再熱器和過熱器等），如何確保鍋爐安全運(yùn)行是重中之重。首先，應(yīng)對(duì)循環(huán)要求，CO2進(jìn)入鍋爐的溫度比水蒸汽鍋爐高，例如520oC,導(dǎo)致鍋爐受熱面整體溫度的上升；其次，S-CO2傳熱系數(shù)一般在3-5kW/m2K，在200-300kW/m2熱負(fù)荷下，CO2與管內(nèi)壁溫差可達(dá)40-100K。

對(duì)于化石能源S-CO2電站，S-CO2流經(jīng)S-CO2鍋爐的各級(jí)受熱面（冷卻壁、再熱器和過熱器等），如何確保鍋爐安全運(yùn)行是重中之重。首先，應(yīng)對(duì)循環(huán)要求，CO2進(jìn)入鍋爐的溫度比水蒸汽鍋爐高，例如520oC,導(dǎo)致鍋爐受熱面整體溫度的上升；其次，S-CO2傳熱系數(shù)一般在3-5kW/m2K，在200-300kW/m2熱負(fù)荷下，CO2與管內(nèi)壁溫差可達(dá)40-100K。近年來，我國(guó)在科技部重點(diǎn)專項(xiàng)支持下，圍繞S-CO2鍋爐壁溫控制，提出了耦合鍋側(cè)和爐側(cè)綜合調(diào)控方法及爐型設(shè)計(jì)，在爐側(cè)降低并改善熱負(fù)荷分布，在鍋側(cè)采用內(nèi)螺紋管，調(diào)整傳熱管傾角及管徑等，取得較好效果。

近年來，采用超臨界二氧化碳（S-CO2）作為工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)在全球范圍內(nèi)逐漸成為研究熱點(diǎn)，其特性對(duì)節(jié)能減排和新能源產(chǎn)業(yè)（尤其是太陽(yáng)能熱發(fā)電和核能）具有顛覆性的意義，應(yīng)用前景十分廣闊。

針對(duì)約550℃的高溫?zé)嵩?，分析和比較了在幾種不同的壓縮機(jī)-渦輪及回?zé)崞鞯钠ヅ湫问较?，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率、結(jié)構(gòu)特性、成本及調(diào)控規(guī)律，進(jìn)行了發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　在高溫?zé)嵩聪到y(tǒng)前期工作基礎(chǔ)之上，200℃-400℃中低溫?zé)嵩吹腟-CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)循環(huán)效率可達(dá)18%-29%。綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率、建設(shè)成本及系統(tǒng)穩(wěn)定性因素后，對(duì)中低溫?zé)嵩吹腟-CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)完成了系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，并完成了葉輪機(jī)械及換熱器等核心部件的初步技術(shù)評(píng)估。