什么是二氧化碳（carbon dioxide）？二氧化碳（carbon dioxide），一種碳氧化合物，化學式為CO2，化學式量為44.0095 ，常溫常壓下是一種無色無味或

什么是二氧化碳（carbon dioxide）？

二氧化碳（carbon dioxide），一種碳氧化合物，化學式為CO2，化學式量為44.0095 ，常溫常壓下是一種無色無味或無色無臭而其水溶液略有酸味 的氣體，也是一種常見的溫室氣體，還是空氣的組分之一（占大氣總體積的0.03%-0.04%）。

在物理性質方面，二氧化碳的熔點為-56.6℃（527kPa），沸點為-78.5℃，密度比空氣密度大（標準條件下），溶于水。在化學性質方面，二氧化碳的化學性質不活潑，熱穩定性很高（2000℃時僅有1.8%分解），不能燃燒，通常也不支持燃燒，屬于酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，因與水反應生成的是碳酸，所以是碳酸的酸酐。

二氧化碳一般可由高溫煅燒石灰石或由石灰石和稀鹽酸反應制得，主要應用于冷藏易腐敗的食品（固態）、作致冷劑（液態）、制造碳化軟飲料（氣態）和作均相反應的溶劑（超臨界狀態）等。關于其毒性，研究表明：低濃度的二氧化碳沒有毒性，高濃度的二氧化碳則會使動物中毒。

二氧化碳氣體是大氣組成的一部分（占大氣總體積的0.03%-0.04%），在自然界中含量豐富，其產生途徑主要有以下幾種：

①有機物（包括動植物）在分解、發酵、腐爛、變質的過程中都可釋放出二氧化碳。

②石油、石臘、煤炭、天然氣燃燒過程中，也要釋放出二氧化碳。

③石油、煤炭在生產化工產品過程中，也會釋放出二氧化碳。

④所有糞便、腐植酸在發酵，熟化的過程中也能釋放出二氧化碳。

⑤所有動物在呼吸過程中，都要吸氧氣吐出二氧化碳。

二氧化碳應用：

高純二氧化碳主要用于電子工業，醫學研究及臨床診斷、二氧化碳激光器、檢測儀器的校正氣及配制其它特種混臺氣，在聚乙烯聚合反應中則用作調節劑。

固態二氧化碳廣泛用于冷藏奶制品、肉類、冷凍食品和其它轉運中易腐敗的食品，在許多工業加工中作為冷凍劑，例如粉碎熱敏材料、橡膠磨光、金屬冷處理、機械零件的收縮裝配、真空冷阱等。

氣態二氧化碳用于碳化軟飲料、水處理工藝的pH控制、化學加工、食品保存、化學和食品加工過程的惰性保護、焊接氣體、植物生長刺激劑，在鑄造中用于硬化模和芯子及用于氣動器件，還應用于殺菌氣的稀釋劑（即用氧化乙烯和二氧化碳的混臺氣作為殺菌、殺蟲劑、熏蒸劑，廣泛應用于醫療器具、包裝材料、衣類、毛皮、被褥等的殺菌、骨粉消毒、倉庫、工廠、文物、書籍的熏蒸）。

液體二氧化碳用作致冷劑，飛機、導彈和電子部件的低溫試驗，提高油井采收率，橡膠磨光以及控制化學反應，也可用作滅火劑。

超臨界狀態的二氧化碳可以用作溶解非極性、非離子型和低分子量化合物的溶劑，所以在均相反應中有廣泛應用。

1、二氧化碳制冷系統（CO2 refrigeration system）

二氧化碳空調制冷效率同樣工況下普遍比常用制冷劑系統低，一般認為冷凝和蒸發溫度越低，二氧化碳循環的表現會相對變好。

論文摘要：

Investigation of heat recovery in CO2 trans-critical solution for supermarket refrigeration（用于超市制冷的二氧化碳跨臨界解決方案中的熱回收調查）

S. Sawalha，2013, International Journal of Refrigeration-revue Internationale Du Froid：本研究使用計算機模擬模型，研究了從減溫器中回收熱量的二氧化碳跨臨界系統的性能。研究了冷凝器/氣體冷卻器中過冷（或進一步冷卻）對系統性能的影響。按照本研究中建議的控制策略，從分析的二氧化碳系統中回收所需的加熱能量所需的額外運行能量需求小于典型的熱泵在相同負荷下的需求。在整個季節中，幾乎所有的環境溫度都是這樣的情況。當考慮到同時的加熱和冷卻負荷時，與傳統的R404A制冷系統和單獨的熱泵加熱需求相比，二氧化碳跨臨界系統在瑞典的一個平均規模的超市中的年能源使用量較低。二氧化碳跨臨界系統是在相對寒冷的氣候條件下滿足超市同時制冷和加熱需求的有效解決方案。

2、二氧化碳熱泵（CO2 heat pump）

二氧化碳熱泵的工作原理就是是通過冷媒或制冷劑將空氣中的二氧化碳吸收，并釋放到水中，壓縮機 將回流的低壓冷媒壓縮后，變成高溫高壓的氣體排出，高溫高壓的冷媒氣體流經纏繞在水箱外面的銅管，熱量經銅管傳導到水箱內，冷卻下來的冷媒在壓力的持續作用下變成液態，經膨脹閥后進入蒸發器 ，由于蒸發器的壓力驟然降低，因此液態的冷媒在此迅速蒸發變成氣態，并吸收大量的熱量。同時，在風扇的作用下，大量的空氣流過蒸發器外表面，空氣中的能量被蒸發器吸收，空氣溫度迅速降低，變成冷氣排進空間。相關研究自1996年以后減弱。

Fundamental process and system design issues in CO2 vapor compression systems（二氧化碳蒸氣壓縮系統的基本工藝和系統設計問題）

Man-Hoe Kim, J. Pettersen, C. Bullard，2004, Progress in Energy and Combustion Science，595 itations, 266 References.

論文摘要：本文介紹了跨臨界二氧化碳循環技術在各種制冷、空調和熱泵應用方面的最新發展和技術狀況。重點是基本工藝和系統設計問題，包括討論二氧化碳的屬性和特點、循環基礎、高壓側壓力控制方法、熱力學損失、循環改造、組件/系統設計、安全因素以及有前景的應用領域。文章對文獻進行了嚴格的審查，并討論了二氧化碳技術在制冷、空調和熱泵應用中的重要發展趨勢和特點。還介紹了先進的循環設計方案，建議對基本循環進行可能的性能改進。

3、亞臨界CO2動力循環（Transcritical CO2 power cycle）

亞臨界：亞臨界是物質存在的狀態條件，是指某些物質在溫度高于其沸點但低于臨界溫度，以流體形式且壓力低于其臨界壓力存在的物質。當溫度不超過某一數值，對氣體進行加壓，可以使氣體液化，而在該溫度以上，無論加多大壓力都不能使氣體液化，這個溫度叫該氣體的臨界溫度。在臨界溫度下，使氣體液化所必須的壓力叫臨界壓力。

超臨界：以水為例，超臨界技術介紹如下：通常情況下，水以蒸汽、液態和冰三種常見的狀態存在，且是極性溶劑，可以溶解包括鹽在內的大多數電解質，對氣體和大多數有機物則微溶或不溶。液態水的密度幾乎不隨壓力升高而改變。

但是如果將水的溫度和壓力升高到臨界點（Tc=374.3℃，Pc=22.1MPa）以上，水的性質發生了極大變化，其密度、介電常數、黏度、擴散系數、熱導率和溶解性等都不同于普通水。

超超臨界：水的臨界參數為：tc=374.15℃，Pc=22.129MPa。在臨界點以及超臨界狀態時，將看不見蒸發現象，水在保持單相的情況下從液態直接變成汽態。一般將壓力大于臨界點Pc的范圍稱為超臨界區，壓力小于Pc的范圍稱為亞臨界區。

從物理意義上講，水的狀態只有超臨界和亞臨界之分；而超超臨界一般是應用在火電廠方面的概念，在物理學中沒有這個分界點，只表示超臨界技術發展的更高階段，是常規蒸汽動力火電機組的自然發展和延伸。由于超超臨界參數機組在我國投運的數量最多，超超臨界是我國人為的一種區分，也稱為優化的或高效的超臨界參數。

超超臨界與超臨界的劃分界限尚無國際統一的標準。我國電力百科全書認為主蒸汽壓力≥27MPa為超超臨界機組。2003年，我國“國家高技術研究發展計劃（'863'計劃）”項目“超超臨界燃煤發電技術”中，定義超超臨界參數為蒸汽壓力≥25MPa，蒸汽溫度≥580℃。

論文：Parametric optimization design for supercritical CO2 power cycle using genetic algorithm and artificial neural network

Jiangfeng Wang+ 2 authorsShaolin Ma，2010, Applied Energy，171 Citations, 20 References

論文摘要：超臨界二氧化碳發電循環顯示出回收低品位廢熱的巨大潛力，因為它在熱回收蒸汽發生器（HRVG）中的熱源和工作流體之間具有更好的溫度滑行匹配。進行了參數分析和能量分析，以研究熱力學參數對循環性能和各部件中能量破壞的影響。在給定的廢熱條件下，通過遺傳算法（GA）對超臨界二氧化碳發電循環的熱力學參數進行了優化，并以放能效率作為目標函數。采用多層前饋網絡類型和反向傳播訓練的人工神經網絡（ANN）來快速實現參數優化設計。結果表明，關鍵的熱力學參數，如渦輪機進口壓力、渦輪機進口溫度和環境溫度，對超臨界二氧化碳發電循環的性能和各部件的能量破壞有重大影響。研究還表明，在可變廢熱條件下，使用人工神經網絡可以很準確地預測超臨界二氧化碳發電循環的最佳熱力學參數。

論文：Transcritical CO2 power cycle – Effects of regenerative heating using turbine bleed gas at intermediate pressure

S. Mondal, S. De，2015，22 Citations, 27 References

論文摘要：對于低溫余熱的能源利用，二氧化碳是一種潛在的工作流體，因為它的臨界溫度較低。在這項工作中，假設在低溫（200°C）下煙氣的數量有限，為利用渦輪機排放的氣體進行再生加熱的超臨界二氧化碳發電循環建立了一個熱力學模型。分析表明，循環性能隨著放空率的提高而改善。然而，對于指定的排氣壓力和再生器出口處的排氣溫度，通過考慮再生器尺寸的指數增長（由NTU轉移單位數指定），排氣比率的最大實用值可以被固定。最重要的觀察結果是，在其余循環參數的特定值中，存在與最大第一定律效率或最小循環不可逆性相對應的最佳放氣壓力。

4、超臨界CO2動力循環（Supercritical CO2 power cycle）

超臨界二氧化碳作為一種高效無污染的清潔運行工質一起了眾多學者的關注，超臨界二氧化碳布雷頓循環則成為了一種具有極大潛力的替代能源轉換系統。由于超臨界二氧化碳具有一系列優勢，使其在核反應堆、燃煤聯合循環、太陽能等方面具有廣泛的應用前景。

水蒸汽朗肯循環熱功轉換是主流發電技術。目前大型燃煤發電機組主蒸汽溫度已達630℃，進一步提升效率受到材料制約，700℃蒸汽溫度下鋼材腐蝕嚴重，限制了主蒸汽參數的提高。超臨界二氧化碳動力循環，簡稱sCO?循環，采用CO?實現熱功轉換。sCO?循環有三個優勢。首先，CO?化學性質穩定，高溫下與金屬材料反應弱，為進一步提高主蒸汽參數奠定了基礎；其次，當主蒸汽溫度超過550℃時，sCO?循環效率高于水蒸汽朗肯循環；再次，sCO?循環系統高壓運行，系統緊湊。

論文：Carbon Dioxide Condensation Cycles For Power Production

G. Angelino，1968, Journal of Engineering for Power，242 Citations, 0 References

論文摘要：摘錄了Gianfranco Angelino的 "用于發電的二氧化碳冷凝循環 "的觀點。

論文：Exergoeconomic analysis and optimization of single-pressure single-stage and multi-stage CO2 transcritical power cycles for engine waste heat recovery: A comparative study

S. Wang, Chuang Wu, J. Li，2018, Energy，16 Citations, 40 References

論文摘要：本工作主要集中在新型單壓多級CDTPCs（二氧化碳超臨界動力循環）和用于發動機余熱回收的單壓單級CDTPCs之間的熱力學和外經濟性比較。提出了一種基于外能燃料分布的方法來計算底層CDTPCs的燃料成本。進行了參數分析以研究決策變量對所考慮的CDTPCs性能的影響，并對其進行了優化和比較。熱力學研究表明，雙級CDTPC可以在廢氣溫度為470℃時為2928千瓦的發動機產生最高的凈功率輸出517.27千瓦。經濟效益研究表明，當廢氣溫度為300-600℃時，單級CDTPC的總成本最低，而當廢氣溫度為530-600℃時，由于熱力學和經濟效益更好，建議使用雙級CDTPC。同時，考慮到熱力學和經濟性，在廢氣溫度為300-600℃時，不推薦使用三級CDTPC。還進行了多目標優化，以獲得案例研究中考慮的CDTPC的最佳條件。

論文：Supercritical CO2 Power Cycle Developments and Commercialization: Why sCO2

Michael Persichilli, Alex Kacludis, E. Zdankiewicz，2012，32 Citations, 7 References

論文摘要：美國能源部估計，美國每年有280,000兆瓦的廢熱排放，可以作為可用能源回收，提供美國20%的電力需求，同時減少20%的溫室氣體，每年節省700-150億美元的能源成本。廢熱可以被視為另一種綠色能源，因為它是一種可再生能源，可以提高現有化石燃料使用的能源效率，同時通過將回收的熱量轉化為可用的電力、加熱和/或冷卻來減少電網需求。雖然各種獨立的數據來源表明，這種廢熱回收的機會在美國市場的價值超過6000億美元，但類似的大機會在全世界都存在。Echogen電力系統有限公司（美國俄亥俄州阿克倫市）正在開發發電技術，將來自廢物和可再生能源的熱量轉化為電力和工藝熱。熱機技術；Thermafficient ?熱機利用突破性的超臨界二氧化碳動力循環將廢熱轉化為電能。與有機和基于蒸汽的朗肯循環系統相比，超臨界二氧化碳可以在廣泛的熱源溫度范圍內實現高效率，而且組件緊湊，從而使系統的占地面積更小，資本和運營成本更低。平準化電力成本（LCOE）的計算結果是：基于二氧化碳的熱機平均每千瓦時0.025美元，利用超臨界二氧化碳熱機進行底部循環的完整聯合循環燃氣輪機系統平均每千瓦時0.065美元。本文介紹了二氧化碳和基于蒸汽的熱回收系統之間的示范性貿易研究比較。本文還提供了Echogen 250千瓦示范熱機的最新情況，該熱機于2011年在美國電力公司的研究中心完成了初步測試。還介紹了該系統在商業區供熱組織的長期測試的現狀，以及將于2013年在美國客戶的主場安裝的多兆瓦熱機。

5、二氧化碳儲能（CO2 energy storage）

論文摘要：The Role of CO2 Storage（二氧化碳儲存的作用）

碳捕獲、利用和儲存將是實現氣候和能源目標所需的技術和措施組合的一個重要部分。在國際能源署的清潔技術方案（CTS）中，到2060年期間，累計將有107 GtCO2被永久地儲存起來，這就要求在今天的水平上大幅擴大CO2的儲存規模。本報告分析了二氧化碳封存設施的開發規模和速度不能滿足CCS優化路徑的要求，對全球能源系統的影響。通過將情景期間的二氧化碳儲存可用性限制在10 GtCO2，分析提供了對電力、工業、運輸和建筑部門所需的額外措施和技術的深入了解，以便在2060年實現與CTS相同的減排量。有限二氧化碳封存情景變量發現，限制二氧化碳封存的作用將導致更高的成本和明顯更高的電力需求，相對于CTS，需要增加3325千兆瓦的新發電能力，增加了17%，因為限制二氧化碳封存的可用性將需要在工業中更廣泛地使用電解氫和生產合成烴燃料。更廣泛地說，LCS將增加對處于早期發展階段的技術的依賴。在2060年的設想期之后，對二氧化碳儲存可用性的限制也將限制許多二氧化碳清除方案的可用性，因此可能與長期氣候目標的實現不一致。

限制二氧化碳存儲的可用性將增加能源轉型的成本。清潔技術方案（CTS）的減排途徑假定二氧化碳儲存廣泛可用以實現全球商定的氣候目標。相對于只包括當前國家承諾的情景，它需要在電力、工業和燃料轉化部門增加9.7萬億美元的投資。限制二氧化碳封存會導致這些額外的投資增加40%，達到13.7萬億美元，依靠更昂貴的新興技術。

對去碳化電力的需求將進一步擴大。在有限二氧化碳封存情景變量（LCS）中，2060年的發電量將增加13%，即6130太瓦時，相對于CTS。這將需要在2060年增加3 325吉瓦的低碳發電能力，這幾乎是2017年全球總裝機容量的一半。在那些由于土地使用或其他因素而限制快速擴大風能和太陽能容量的地方，進口氫氣可能成為一個重要的替代品。

工業上將需要替代工藝和新技術。在有限二氧化碳封存情景變量LCS中，鋼鐵和化學品的生產將更強烈地轉向非化石燃料的路線。在2060年，25%的液態鋼、約5%的合成氨和25%的甲醇生產將使用電解氫。相對于CTS，2060年工業的邊際減排成本將增加一倍，達到約500美元/tCO2。這將使減排工作轉向其他部門，并使工業排放增加4.8Gt CO2。

水泥生產在碳捕獲、利用和儲存（CCUS）方面的選擇有限。水泥生產中三分之二的排放是工藝排放，缺乏有競爭力的CCUS替代品，這意味著該行業將吸收有限二氧化碳封存情景變量LCS中幾乎一半的可用二氧化碳儲存能力。到2060年，該行業的二氧化碳封存使用量將比CTS低15%左右（0.7Gt CO2），而排放量也會隨之增加。

合成碳氫化合物燃料將成為一個更重要的減排戰略。在有限二氧化碳封存情景變量LCS中，基于生物質二氧化碳的合成碳氫化合物燃料將需要成為可行的，作為碳捕獲和儲存的生物能源的替代品。這些燃料將需要約4700太瓦時的電力，取代全球9%的初級石油和2%的天然氣需求。在有限二氧化碳封存情景變量LCS中，從今天到2060年，電解器的產能將平均每年增加40吉瓦，這比2018年新安裝的0.015吉瓦的產能高得多。

碳捕集將保持其作用，在工業和燃料轉化中增加二氧化碳的使用。相對于《中期戰略》，在LCS中二氧化碳的使用將增長77%，但仍然相對較少。在LCS中，到2060年將有13.7公噸的二氧化碳被用于生產合成燃料、甲醇和尿素，其中接近三分之一的二氧化碳來自生物源。

一個凈零排放的能源系統將面臨雙重挑戰。二氧化碳儲存的有限性將增加關鍵部門直接減排的挑戰，同時，也限制了二氧化碳清除或 "負排放 "技術的可能性。在碳中和能源系統中，這些技術可以補償難以直接消減的剩余排放量。

6、基于CO2的熱電聯產系統（Cogeneration system based on CO2）

論文：Energy and CO2 emissions performance assessment of residential micro-cogeneration systems with dynamic whole-building simulation programs

用動態整體建筑模擬程序評估住宅微型熱電聯產系統的能源和二氧化碳排放性能

論文摘要：微型熱電聯產，也被稱為微型熱電聯產（MCHP）或住宅熱電聯產，是一項新興技術，有可能通過減少一次能源消耗和相關的溫室氣體排放來提供能源效率和環境效益。該技術的分布式發電性質也有可能減少由于電力傳輸和分配效率低下造成的損失，并緩解公用事業的峰值需求問題。在國際能源署（IEA）建筑和社區系統節能計劃的附件42中開發的整個建筑模擬工具的詳細MCHP模型，已被用于對一些微型熱電聯產系統和住宅樓進行性能評估研究。通過模擬不同的熱電聯產技術，即以天然氣為燃料的固體氧化物（SOFC）和聚合物電解質膜燃料電池、斯特林和內燃機，確定每年不可再生的一次能源（NRPE）需求和CO2當量（CO2 -eq）排放。這些技術與帶有燃氣鍋爐和電網供電的參考系統進行了比較。還分析了一個地面耦合的熱泵系統進行比較。熱電聯產裝置被集成在不同能源標準水平的單戶和多戶住宅中。考慮了兩種不同的發電組合。歐洲組合和聯合循環電廠（CCPP）。對于MCHP設備，使用了詳細的動態組件模型以及簡化的性能圖模型，并利用實驗室實驗結果或制造商數據進行了開發和校準。模擬是使用整個建筑模擬程序TRNSYS進行的，使用IEA規定的生活熱水和電力需求曲線。對三種需求水平的組合進行了分析。在NRPE需求中，對于歐洲的電力組合，與燃氣鍋爐參考系統相比，大多數MCHP系統提供了減少（高達34%），并將出口到電網的電力計入。對于CCPP的發電組合，地面耦合熱泵系統的NRPE降幅最大（高達29%）。熱電聯產系統的最大減排量為14%。就CO 2-eq排放而言，大多數熱電聯產系統為歐洲的電力組合提供了減排量（高達22%）。然而，熱泵系統的減排量最大（23%）。對于CCPP組合，到目前為止，熱泵系統的減排量仍然最大（高達29%）。熱電聯產系統的最大減排量是由單戶住宅的ICE系統實現的（14%）。

論文：Energy-Saving and CO2-Emissions-Reduction Potential of a Fuel Cell Cogeneration System for Condominiums Based on a Field Survey

基于實地調查的燃料電池熱電聯產系統在公寓中的節能和二氧化碳減排潛力

Kazui Yoshida+ 3 authorsHiro Abe，2021, Energies，0 Citations, 21 References

論文摘要：住宅熱電聯產系統（CGS）因其在供應方和消費方的有效能源使用而受到重視。它同時產生電力和熱能；然而，關于根據使用條件的效率的信息并不充分。在這項研究中，我們分析了由家庭能源管理系統（HEMS）測量的性能數據和居民的生活方式數據，該公寓有356個單位，每個單位都安裝了燃料電池CGS。CGS的發電量有助于減少約12%的一次能源消耗和二氧化碳排放，CGS在電力需求中的發電率（即貢獻率）約為38%。發電量主要是受用電量達4兆瓦時/戶/年的影響。燃氣或水的使用也影響了發電量，其中水的使用是影響貢獻率的主要因素。發電量每月都有變化，主要是根據水溫的變化。從這些結果中，我們確認CGS在減少公寓的能源消耗和二氧化碳排放方面有很大潛力。因此，建議在現有建筑和新建筑中安裝燃料電池CGS，為日本政府在住宅領域的節能目標做出貢獻。

7、基于CO2混合物的能源系統（Energy system with CO2-based mixtures）

8、二氧化碳系統的熱力學分析和優化（Thermodynamic analysis and optimization of CO2 system）

論文：用于太陽能-熱能的超臨界二氧化碳布雷頓循環

Supercritical CO2 Brayton cycles for solar-thermal energy

Brian D. Iverson+ 2 authorsA. Kruizenga,2013,280 Citations, 80 References

論文摘要：在提高太陽能熱電廠效率的機制中，提高整體效率最有效的方法之一是通過動力循環的改進。隨著工作溫度的不斷提高，盡管超臨界二氧化碳布雷頓循環技術的開發成本較高，但該技術開始顯得更有吸引力。此外，超臨界二氧化碳布雷頓在許多發電領域都有應用，而不僅僅是太陽能領域。

論文：基于綜合建模的熔鹽太陽能發電塔與重組超臨界二氧化碳布雷頓循環集成的熱力學分析和優化

Thermodynamic analysis and optimization of a molten salt solar power tower integrated with a recompression supercritical CO2 Brayton cycle based on integrated modeling

Kun Wang, Y. He，2017，145 Citations, 48 References

論文摘要： 在本研究中，提出了一個與S-CO2布雷頓循環相結合的熔融鹽太陽能發電塔（SPT）系統。為綜合SPT系統建立了一個綜合模型，包括定日鏡場、熔鹽太陽能接收器、熔鹽熱存儲和帶再加熱的S-CO2再壓縮布雷頓循環。進行了參數分析，研究了一些關鍵的熱力學參數（如熱鹽溫度、循環高壓、循環低壓、中間壓力和分割率）對綜合SPT系統的能效的影響。通過使用遺傳算法進行參數優化，以獲得最高的整體能量效率。還討論了組件性能和壓縮機進口溫度對最佳參數的影響。結果表明，最佳熱鹽溫度為565℃，這是太陽鹽作為傳熱流體和蓄熱介質時的最高允許溫度。此外，最佳循環低壓在7.80-10.0兆帕之間，這意味著循環低壓不一定要接近臨界壓力。壓縮機進口溫度的增加導致了最大能效的降低和最佳熱力學參數的變化。組件的性能對最大放熱效率有重大影響，但對最佳熱力學參數的影響很小。為進一步提高系統效率，具有較高最高允許溫度的新型鹽是必不可少的。從目前條件下的能量效率來看，建議在SPT系統中使用最高允許溫度為680℃的新型鹽，并與S-CO 2再壓縮布雷頓循環相結合。

論文：在熔鹽太陽能塔系統中使用二氧化碳基二元混合物的不同超臨界布雷頓循環的熱力學性能分析

Thermodynamic performance analysis of different supercritical Brayton cycles using CO2-based binary mixtures in the molten salt solar power tower systems

Jiaqi Guo+ 4 authorsKun Wang，2019，21 Citations, 44 References

論文摘要：在本研究中，通過提出基于二氧化碳的二元混合循環，探討了改善熔鹽太陽能塔系統（SPT）性能的潛力。從熱力學分析的角度討論了使用氙氣和丁烷作為S-CO2循環的添加劑的可行性。進行了詳細的參數研究，以揭示關鍵參數對4個系統配置性能的影響。此外，對分別采用二氧化碳/氙氣、二氧化碳和二氧化碳/丁烷的4種循環布局進行了系統比較，以說明SPT系統與基于二氧化碳的二元混合循環的性能改善機制。同時還證明了SPT系統的最佳性能。最后，推薦了最佳性能的系統布局和合適的添加劑。結果表明有以下問題。在S-CO2循環中加入氙氣可以明顯提高整體熱效率和外能效率。而丁烷作為添加劑的效果是相反的。建議將CO2/氙氣間冷循環作為與SPT系統耦合的最合適的布局，并且比帶有S-CO2間冷循環的SPT系統，放能效率高1.18%～1.32%。詳細的能量損失分數分布表明，接收器是能量損失最高的部分，其次是定日鏡場，而丁烷作為添加劑有利于減少接收器的能量損失，因為其溫差較小。該研究為改善SPT系統的性能提供了一種新的方法，并為在動力循環中添加二氧化碳基二元混合物提供了線索，特別是在SPT系統的應用方面。

9、二氧化碳系統的動態建模（Dynamic modeling of CO2 system）

論文：基于分裂概念的發動機余熱回收的二氧化碳超臨界動力循環（CTPC）的優化

Optimization of CO2 Transcritical Power Cycle (CTPC) for engine waste heat recovery based on split concept

Ligeng Li+ 3 authorsG. Shu，2021, Energy，2 Citations, 51 References

論文摘要：帶有預熱器和再生器的二氧化碳跨臨界動力循環已成為回收發動機廢熱的一項有前途的技術。就外部和內部利用目標而言，夾套水、發動機廢氣和膨脹后的二氧化碳廢氣已被認為是主要的回收來源。然而，在這三個連續的加熱過程中，溫度干擾的問題可能會降低廢氣的利用率和熱效率。因此，本研究提出了一個分體式概念，以研究溫度干擾的目標。研究了三種相應的分體式系統。本文建立了全面的數學模型來比較其性能，并對每個優勢進行了詳細的分析。結果表明，溫度干擾可以得到解決，以實現廢氣的最大利用，提高熱效率。此外，優化后的凈功率可以從14.7千瓦提高到19.0千瓦。在所研究的系統中，低溫分體式系統顯示循環效率增加了90.0%，而中溫分體式系統發現熱回收效率提高了4.9%。高溫分體式系統在循環和熱回收效率方面都顯示出優于其他系統的特點，分別提高了18.3%和10.4%。

10、二氧化碳系統的實驗測試（Experimental tests of CO2 system）

超臨界二氧化碳渦輪機可用于超臨界二氧化碳循環光熱發電系統，該渦輪機的成功研發對超臨界CO2光熱發電技術的商業化具有重要意義。

當前，包括美國、中國、法國、日本等多個國家的科研機構和相關企業都在進行超臨界二氧化碳發電技術的研究和產業化布局。

超臨界二氧化碳(S-CO2)發電技術采用S-CO2布雷頓循環，是一種用超臨界狀態的二氧化碳作為工質的渦輪發動機熱循環技術。

目前承擔基礎負荷的發電形式主要是火力發電（鍋爐+汽輪機），該能量轉換系統采用的工質是水-水蒸汽。鍋爐主要是提供熱源（燃煤），水在封閉管路中經升壓后到鍋爐中去吸熱，然后再進入汽輪機膨脹做功，推動汽輪機旋轉進而驅動發電機向電網供電。水的臨界點為溫度T=374℃(647 K)、壓力22.05 MPa（220.5 bar）。目前最先進的超超臨界火電機組運行參數情況為：溫度高于593℃，水蒸汽壓力高于31MPa。

而超臨界二氧化碳電力循環系統，其主要的核心部件包括壓縮機、透平、回熱器、冷卻裝置、吸熱裝置等。工質CO2的臨界溫度為 31℃（304K），臨界壓力為 7.38MPa（73.8bar）。該系統可以實現較高的熱電轉換效率并超越傳統的蒸汽輪機。同時，處于超臨界狀態下的CO2具有高的流動密度、傳熱性、粘度低，可以大大減小系統中渦輪機械和換熱器的結構尺寸，降低運行維護成本。

此外，二氧化碳的臨界條件容易達到，化學性質不活潑，無色無味無毒，安全，價格便宜，純度高，易獲得。這些特性，使得它很適合用作熱力循環工質。

超臨界二氧化碳+光熱發電會產生什么效應？

目前常見的光熱電站多用導熱油、熔鹽或直接用水蒸汽做傳熱流體，通過上述傳熱介質將光場收集到的熱量傳給機組，但流體的性質限制了機組性能。如導熱油溫度上限為400攝氏度左右，硝酸鹽則為590攝氏度左右。

而較高的運行溫度意味著較高的循環熱效率和能更有效的儲熱。超臨界二氧化碳布雷頓循環僅需外界提供500到800℃的溫度，這是應用目前光熱發電技術很容易達到的溫度。

超臨界二氧化碳發電可以在500攝氏度以上，20兆帕的大氣壓下實現高效率的熱能利用，可以輕松達到45%以上，這將有效提高電力產能。美國能源部之所以支持此項研發，也是看到了此項技術在提高發電效率和降低成本方面的巨大潛力。

此外，超臨界CO2透平如果用于地面發電廠，除了體積小、重量輕之外，還可以不用水，適合荒漠缺水地區的應用，是太陽能光熱發電的理想選擇，使用CO2做工質時，不存在工質凍結的問題，管路上不用電伴熱，施工簡單，并可顯著降低成本。其應用于太陽能光熱發電系統可實現效率的顯著提升。系統僅需要較低的熱量即可啟動發電機、其應對負荷變化調整迅速、支持快速啟停，這些優點是普通發電系統無法比擬的。

論文：Carbonate molten salt solar thermal pilot facility: Plant design, commissioning and operation up to 700 °C，Cristina Prieto+ 3 authorsC. Montero，2020, Renewable Energy，13 Citations, 27 References

摘要：聚光太陽能（CSP）目前在成本上與傳統發電或其他太陽能技術相比沒有競爭力，但它具有吸引力，因為它集成了商業上可行的大規模熱能儲存（TES）。為了提高性能和降低成本，已經提出了超臨界二氧化碳（s-CO2）動力循環，以提高熱-電轉換率，使其達到50%以上。然而，為了實現這一目標，由接收器收集并儲存在TES中的太陽能必須在700℃或以上的溫度下輸送到動力渦輪機，而目前先進的工廠只提供565℃的熱能。阿本戈公司首次設計、建造并測試了用于CSP的高溫（700℃）熔鹽實驗性試驗工廠，使用碳酸鹽作為傳熱流體。我們證明了在400-700℃之間進行大規模、與工業相關的操作的可行性，從而為整合更高效率的s-CO2動力循環提供了解決方案。解決了材料兼容性、部件設計、儀器和系統集成方面的關鍵點。操作方面，如預熱和填充程序、啟動、達到的最高溫度以及面臨的主要挑戰都有詳細描述。對環路和組件的熱損失進行了分析。使用適當的電伴熱元件，用碳酸鹽操作是可行的，必須重新設計的主要子系統是高溫罐和泵。這里總結了從工廠運行中獲得的經驗，以指導未來商業規模的高溫熔鹽工廠的設計。

11、二氧化碳系統的關鍵部件調查（ Key component investigations of CO2 system）

論文：10MW-Class sCO2 Compressor Test Facility at University of Notre Dame圣母大學的10MW級sCO2壓縮機測試設施

Jeongseek Kang+ 6 authorsT. Held，2021，0 Citations, 19 References

摘要：壓縮機是閉環布雷頓循環和先進的電熱儲能系統中的一個關鍵部件。使用sCO2作為主要工作流體對這些系統有很多優勢。然而，由于獨特的工作條件和流體特性，開發使用sCO2的高效壓縮系統仍然面臨著重大挑戰。鑒于sCO2壓縮機體積小，對功率的要求非常高，要想獲得詳細的實驗測量結果是非常困難的。這使得目前的大部分實驗結果都局限于非常小規模的單級離心式壓縮機。較大的多級軸流式壓縮機對sCO2系統具有重大意義，但還沒有進行過實驗調查。本文描述了一個新的10MW級閉環式sCO2或CO2壓縮機測試設施的設計和突出特點。10MW驅動系統的物理規模允許對軸向和離心式壓縮機類型進行測試，其流動通道足夠大，可以進行詳細的實驗測量。包括通過流動通道的調查、穩定和非穩定的性能測量，以及葉片或刀片的空氣力學測量。引言 在閉環布雷頓循環和先進的電熱儲能系統中使用超臨界二氧化碳作為工作流體，已經顯示出在提供高效率電力方面的巨大前景，熱源的靈活性，以及減少發電廠的規模和成本。然而，必須實現一些新的技術進步，以使sCO2循環在商業上可行。其中一個主要部件是壓縮機，它提供了循環中所需要的壓力增加。關于sCO2在壓縮機中的應用，它的一些特性與那些廣泛用于渦輪壓縮機的空氣或氣體不同。壓縮機內的密度較高，整體工作壓力范圍較高，臨界點附近的流體特性發生劇烈變化，這些都對壓縮機的設計提出了獨特的挑戰。最近在壓縮機測試環路或動力循環環路中對sCO2壓縮機的實驗研究已經成功證明了sCO2壓縮機在閉環測試環境中的運行。然而，由于示范規模小，或者由于可用的驅動力有限，所有這些都是用離心式壓縮機設計的，規模小，必須犧牲效率，導致整體循環效率低。另外，由于通過壓縮機的流動通道非常小，對詳細流量的研究不適合。在這種背景下，圣母大學渦輪機械實驗室和Echogen電力系統公司設計了一個10兆瓦級的sCO2壓縮機測試設施。該測試壓縮機由一個帶有增速齒輪箱的10兆瓦變速電機驅動。一個水/乙二醇冷卻的熱交換器吸收來自測試壓縮機的附加能量。閉合回路被設計為達到穩定的運行，其中通過驅動電機增加的能量和通過冷卻流吸收的能量是相等的。設計了一個帶有二氧化碳罐和供應系統的二氧化碳庫存管理系統，以供應從初始運行到測試運行的二氧化碳。選擇10兆瓦規模的sCO2壓縮機測試設施在規模上有各種優點。它允許測試壓縮機和設施的許多部件使用商業硬件。此外，它還使該設施能夠測試多級軸流式壓縮機以及離心式壓縮機，其流動通道足夠寬，可以通過各種流量測量技術進行詳細的流場調查。實驗將包括詳細的測量，這將大大推進我們對先進動力系統的sCO2壓縮機的設計、性能、效率和可操作性的理解。開發和測試了一個獨特的數據采集/控制系統。這包括進行實時后處理和控制的能力，有100s或1000s的穩定和非穩定的采集通道。封閉式二氧化碳測試回路的設計由美國能源部資助，將于2021年中期完成。最初的sCO2軸向壓縮機測試將在2021年開始。測試的第一臺壓縮機是3級軸流式壓縮機。3級測試壓縮機是為基于sCO2的儲能系統設計的100兆瓦級多級軸向壓縮機的前3級的比例版本。該計劃的目的是研究并最終展示高效、多級、軸向sCO2壓縮機。全級壓縮機的壓力比為10.27。全機的前三級將在設計的測試設施中進行測試，設計點壓力比和質量流速分別約為2.6和116公斤/秒。

12、二氧化碳和二氧化碳基混合物的傳熱和傳質（CO2 and CO2-based mixtures heat and mass transfer）

論文：A numerical study on the thermal conductivity of H2O/CO2/H2 mixtures in supercritical regions of water for coal supercritical water gasification system，煤炭超臨界水氣化系統中H2O/CO2/H2混合物在超臨界區域的熱導率數值研究

Xueming Yang+ 3 authorsB. Cao，2019, International Journal of Heat and Mass Transfer，18 Citations, 49 References

摘要：煤氣化技術是煤炭清潔利用的一個重要手段。在煤炭超臨界水氣化過程中，可以產生H2O/CO2/H2或H2O/CO2混合物，并作為熱力學循環發電系統的工作介質。H2O/CO2/H2或H2O/CO2混合物的熱導率是設計和優化基于煤炭超臨界水氣化的熱力學系統所需的最基本的熱性能之一。到目前為止，H2O/CO2/H2、H2O/CO2和H2O/H2混合物在水的超臨界區域的熱導率仍然未知。本文通過平衡分子動力學（EMD）模擬和各種理論模型預測了這些混合物在水的超臨界區域的熱導率。對MD模型的力場模型和模擬策略進行了討論和推薦。為了驗證模擬方法，通過MD模擬計算了純H2O、CO2、H2和CO2/H2混合物的熱導率，并與現有的實驗和NIST數據進行了比較。本文提供的方法和數據可以促進煤炭超臨界水氣化的實際應用。

引用：

1.百度百科—二氧化碳

2.IEA (International Energy Agency) (2019), The Future of Hydrogen: Seizing Today’s Opportunities, IEA, Paris, www.iea.org/hydrogen2019/.

3.IEA (International Energy Agency) (2019),The Role of CO2 Storage