超臨界CO2特種能源在循環(huán)經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中應(yīng)用前景良好

□王海平

超臨界CO2特種能源在循環(huán)經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中應(yīng)用前景良好

□王海平

河南漢唐安科聚能科技股份有限公司科研團(tuán)隊(duì)自2011年開(kāi)始對(duì)CO2進(jìn)行基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，通過(guò)持續(xù)不斷實(shí)驗(yàn)，總結(jié)優(yōu)化，終于取得了重大突破。2015年進(jìn)行了升級(jí)改造，在不斷完善的基礎(chǔ)上，已具備進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段，技術(shù)成熟，示范效應(yīng)顯著，受到國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注。在軍民融合大背景下，超臨界CO2特種能源，為我國(guó)兵器工業(yè)的發(fā)展提供了新的思路。一項(xiàng)新技術(shù)的誕生，預(yù)示著新領(lǐng)域的開(kāi)啟，隨著科研成果的加速轉(zhuǎn)化，必將對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)影響。

超臨界CO2特種能源的基本性能

依照CO2自身屬性和互換原理，把液態(tài)CO2通過(guò)機(jī)械增壓改變其臨界值，即從近臨界向亞臨界過(guò)渡至超臨界狀態(tài)。然后，利用瞬間加熱手段開(kāi)啟壓力容器中的安全加熱器產(chǎn)生高溫，當(dāng)超臨界CO2液態(tài)在高溫作用下，其態(tài)相和密度發(fā)生聚變還原反應(yīng)，由液態(tài)瞬間轉(zhuǎn)換為氣態(tài)，形成急劇膨脹壓力。此時(shí)膨脹的體積和速度以幾何級(jí)增長(zhǎng)，積聚壓力迫使壓力容器端口的破裂片發(fā)生形變被剪切，隨后爆發(fā)沖擊功作用于被爆介質(zhì)向外擴(kuò)散。這種沖擊過(guò)程既無(wú)雷管亦無(wú)炸藥，完全依靠CO2自身的物理變化進(jìn)行做功。

眾所周知，CO2有三種狀態(tài)，即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。CO2屬穩(wěn)定性較強(qiáng)的惰性物質(zhì)，兼具阻燃功能，常溫常壓下臨界點(diǎn)為7.39MPa，密度接近水的密度且溶于水。在改變壓力值和溫度的前置條件下，態(tài)相可以互換，密度可以增高。據(jù)此規(guī)律衍生出新型特種能源技術(shù)?？筛鶕?jù)需要調(diào)控預(yù)裂當(dāng)量或做功方向，方向改變后，初始加速度接近于火工品，在保障安全的前提下，釋放的壓力值可達(dá)到450MPa/cm2以上。在特定范圍內(nèi)，可替代工業(yè)炸藥應(yīng)用于多種領(lǐng)域，具有獨(dú)特的安全優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用過(guò)程中基本不與周?chē)鷼怏w、液體或固體物質(zhì)相融合。不產(chǎn)生有害物質(zhì)，無(wú)震蕩高頻波出現(xiàn)，對(duì)周邊環(huán)境和生態(tài)構(gòu)不成破壞性影響，對(duì)人體生理無(wú)損害。不產(chǎn)生明火和電弧，在特殊環(huán)境下應(yīng)用，具有本質(zhì)安全特性。做功過(guò)程處在低溫狀態(tài)下運(yùn)行，遇到震動(dòng)、摩擦、撞擊、靜電均不會(huì)自行啟動(dòng)。充裝、運(yùn)輸、攜帶與存儲(chǔ)無(wú)安全隱患。操作時(shí)不受高溫、高濕、高寒環(huán)境的影響。既可串聯(lián)又可并聯(lián)使用。這種物理做功，能夠有效規(guī)避炸藥爆燃爆轟裂變帶來(lái)的安全事故，而且成本低廉、應(yīng)用廣泛。

超臨界CO2特種能源裝備的構(gòu)成

由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，功能亦不同。軍用與民用存在差異性，技術(shù)路徑及使用材質(zhì)，釋放能量大小等按照使用單位要求組織生產(chǎn)。基本構(gòu)成共分為五大技術(shù)單元：其一，液態(tài)CO2儲(chǔ)存單元（槽車(chē)、杜瓦瓶、鋼瓶皆為工業(yè)級(jí)99.7%液體），其二，增壓及制冷單元，其三，壓力容器單元，其四，驅(qū)動(dòng)單元，其五，控制發(fā)射單元，其中壓力容器單元的金屬材質(zhì)有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、屈服度、耐疲勞等，經(jīng)過(guò)周密計(jì)算。內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈橄欖形一體式設(shè)計(jì)，普通材質(zhì)達(dá)不到超高壓且低溫狀態(tài)下的力學(xué)性能。內(nèi)部容積與破裂片厚度和釋放能量成正比，受諸多因素限制，不可無(wú)限放大。安全加熱器內(nèi)置有芯片，必須輸入匹配電流、電壓和密碼才能啟動(dòng)發(fā)射單元。否則，處在靜止?fàn)顟B(tài)。技術(shù)裝備涉及金屬材料學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、電學(xué)、流體力學(xué)、超高壓等，是交叉學(xué)科知識(shí)集成的高科技裝備，設(shè)計(jì)精密，安全等級(jí)高，非專(zhuān)業(yè)人士未經(jīng)培訓(xùn)和特別授權(quán)無(wú)法操作。

超臨界CO2特種能源原材料豐富

CO2在自然界中分布極廣，只要有空氣就有CO2的存在。捕集萃取，收儲(chǔ)技術(shù)普及且造價(jià)低廉。社會(huì)存儲(chǔ)量大，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，供大與求的局面不會(huì)改變。全球每年排放量約200億噸，并有遞增趨勢(shì)。目前，全球各經(jīng)濟(jì)體均把碳排放指數(shù)作為節(jié)能減排強(qiáng)制性指標(biāo)來(lái)衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展的質(zhì)量，并把該指數(shù)納入了有價(jià)交易的體系。我國(guó)是全球第二大經(jīng)濟(jì)體，循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展迫切需要有效解決在生產(chǎn)過(guò)程中帶來(lái)的污染和溫室氣體的排放，調(diào)結(jié)構(gòu)改善生產(chǎn)發(fā)展方式的根本目的也在于此。如何以工業(yè)化的方式大規(guī)模消耗CO2，保持大自然的生態(tài)平衡，是發(fā)展中國(guó)家普遍存在的挑戰(zhàn)。CO2是工業(yè)化生產(chǎn)的伴生體，為了遏制碳排放對(duì)地球環(huán)境的影響，世界各國(guó)均采用最原始的手段，把大量CO2注入地下封存。是取之不盡用之不竭的可再生資源，原料供應(yīng)無(wú)后顧之憂。

超臨界CO2特種能源的開(kāi)發(fā)價(jià)值

超臨界CO2屬基礎(chǔ)性前沿技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域眾多，衍生的終端產(chǎn)品在行業(yè)中具有顛覆性。在發(fā)展中國(guó)家，大型基礎(chǔ)建設(shè)工程和各種礦產(chǎn)資源的開(kāi)采，對(duì)工業(yè)炸藥的依賴性很強(qiáng)。然而，伴隨著災(zāi)難性事故及公共安全事件的頻發(fā)，安全生產(chǎn)形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，加之反恐維穩(wěn)、維和的需要，世界各國(guó)對(duì)炸藥管控的力度空前提升。消除安全隱患，維護(hù)正常的生產(chǎn)秩序和社會(huì)秩序，已成為全社會(huì)共同的訴求。由政府倡導(dǎo)推廣超臨界CO2特種能源技術(shù)，能夠加速經(jīng)濟(jì)社會(huì)的良性發(fā)展，其意義重大影響深遠(yuǎn)，既有社會(huì)效益，又有經(jīng)濟(jì)效益。在軍事上也極具價(jià)值，所研發(fā)的技術(shù)裝備具有多種功能，可提升防御能力。如研發(fā)低空武器，重載荷察打無(wú)人機(jī)彈射器，電子對(duì)抗金屬條發(fā)射器，防化煙霧彈激發(fā)，海洋破冰，應(yīng)急救援搶險(xiǎn)預(yù)裂爆破，淺海島礁爆破，催淚瓦斯發(fā)射等等，為提高機(jī)動(dòng)性能，可設(shè)計(jì)為車(chē)載式、艦載式。民用上凡屬工業(yè)炸藥應(yīng)用的領(lǐng)域或禁止領(lǐng)區(qū)均可發(fā)揮作用。鋼鐵、石油、水泥、電力、礦山、氣象、消防、海洋等諸多領(lǐng)域皆可開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

行者思遠(yuǎn)，變者常新。在國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和一帶一路建設(shè)中，超臨界CO2特種能源能夠凸顯自身的高附加值，助力高端制造業(yè)向縱深發(fā)展。研發(fā)集發(fā)電、照明、切割、破拆、鉆孔、非火工品爆破多功能為一體的應(yīng)急救援搶險(xiǎn)特種車(chē)輛，是目前我國(guó)武警水電、交通部隊(duì)和地方救援組織迫切需要的專(zhuān)用裝備。由于我國(guó)應(yīng)急產(chǎn)業(yè)起步較晚，除部分進(jìn)口裝備外，現(xiàn)行列裝的應(yīng)急救援裝備機(jī)動(dòng)性差，協(xié)同施工作業(yè)能力低，缺乏多功能性，難以滿足我國(guó)突發(fā)自然災(zāi)害和次生災(zāi)害的根本要求，提高應(yīng)急救援搶險(xiǎn)處置效率迫在眉睫。2014年12月24日國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布63號(hào)文《關(guān)于加快應(yīng)急產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見(jiàn)》中，已明確闡述了支持和鼓勵(lì)的政策。此類(lèi)裝備商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值高，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)容量大，經(jīng)濟(jì)效益顯著。CO2特種能源對(duì)民用機(jī)動(dòng)車(chē)輛的發(fā)展具有積極的借鑒意義，若能夠把磁懸浮慣性動(dòng)量輪技術(shù)進(jìn)行嫁接，與超級(jí)電容相融合，即可把沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)換為恒性蓄能，所衍生的驅(qū)動(dòng)源，可以擺脫機(jī)動(dòng)車(chē)對(duì)燃油的依賴，續(xù)航能力與效率會(huì)大幅提升，從理論及機(jī)械原理上可以成立。但要變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，依然任重而道遠(yuǎn)?！?/p>

（作者單位：河南漢唐安科聚能科技股份有限公司）