第六章地熱新能源

1新能源利用技術(shù)王一平教授天津大學化工學院2021.5.292第六章地熱能3主要內(nèi)容地熱能概述利用方式我國地熱資源開發(fā)利用的兩大瓶頸4一、概述地熱能蘊藏非常宏大，幾乎取之不盡，所以也是重要的新能源。據(jù)估算，地熱能的總量相當于地球內(nèi)部埋藏的全部煤炭釋放出來的熱能的1.7億倍。如今所說的地熱資源，只是地球表層在技術(shù)經(jīng)濟開發(fā)可行的深度范圍內(nèi)所蘊藏的一小部分地熱能。從嚴厲意義上說不是可再生能源。5技術(shù)經(jīng)濟可開發(fā)深度是隨技術(shù)的開展和能源價錢的提升而變化的；目前這一深度限于地表以下5000m以內(nèi)，而經(jīng)濟可開發(fā)的深度只需2000－3000m，因此，地熱資源總量為1400億t規(guī)范煤，技術(shù)可開發(fā)資源為500億t規(guī)范煤，經(jīng)濟可開發(fā)資源為5億t規(guī)范煤。61.劃分地熱來源主要是地球內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量。按照其儲存方式，地熱資源可分為:蒸汽型熱水型地壓型干熱巖型巖漿型7①熱水型地熱資源以熱水方式存在的地熱資源，主要存在于火山活動地域和堆積盆地。地熱水有一定的壓力．溫度在80～180℃，礦化度為1-400g/l，常含有氯化鈉、碳酸鈉、硫酸鈉、碳酸鈣等鹽分及二氧化碳、硫化氫等氣體。8②蒸汽型地熱資源指以溫度較高的濕蒸汽和過熱蒸汽方式存在的地熱資源。溫度普通超越200℃,構(gòu)成蒸汽型地熱田需求一定的地質(zhì)構(gòu)造，即蒸汽被不浸透的巖層包圍，該類地熱資源儲量較少，約占0.5％。9③地壓型地熱資源指埋藏在地下2～3km深處堆積巖中有壓力的高鹽分熱水。外面被不浸透的巖石包圍密封，壓力高達幾十兆帕，溫度在150～260℃,常溶解有碳氫化合物。因此，其實踐可開發(fā)的能源包括熱能、壓力能和化學能。10④干熱巖型地熱資源指無流體介質(zhì)和流體通道的高溫巖體所含的熱能．溫度普通為200-650℃，深度為2～12km。干熱巖型地熱資源的開采需求在巖層中建立浸透通道，經(jīng)過流體的循環(huán)將熱能帶至地面加以利用。11⑤巖漿型地熱資源指蘊藏在地層深處的呈塑性或熔融形狀的高溫巖漿中的熱能。溫度在1000℃以上，壓力達幾百兆帕。目前人類還無可行的技術(shù)對這類地熱資源進展開發(fā)。122.分布地熱能集中分布在構(gòu)造板塊邊緣一帶，該區(qū)域也是火山和地震多發(fā)區(qū)。地熱能在世界很多地域運用相當廣泛。據(jù)估計，每年從地球內(nèi)部傳到地面的熱能相當于100PW·h。地熱能的分布相對來說比較分散，開發(fā)難度大。13世界地熱(地震〕資源主要分布環(huán)球地熱帶分布圖145個地熱帶①環(huán)太平洋地熱帶世界最大的太平洋板塊與美洲、歐亞、印度板塊的碰撞邊境，即從美國的阿拉斯加、加利福尼亞到墨西哥、智利，重新西蘭、印度尼西亞、菲律賓到中國沿海和日本。世界許多地熱田都位于這個地熱帶，如美國的蓋瑟斯地熱田，墨西哥的普列托、新西蘭的懷臘開、中國臺灣的馬槽和日本的松川、大岳等地熱田。15②地中海、喜馬拉雅地熱帶歐亞板塊與非洲、印度板塊的碰撞邊境，從意大利直至中國的滇藏。如意大利的拉德瑞羅地熱田和中國西藏的羊八井及云南的騰沖地熱田均屬這個地熱帶。③大西洋中脊地熱帶大西洋板塊的開裂部位，包括冰島和亞速爾群島的一些地熱田。16④紅海、亞丁灣、東非大裂谷地熱帶包括肯尼亞、烏干達、扎伊爾、埃塞俄比亞、吉布提等國的地熱田。⑤其他地熱區(qū)除板塊邊境構(gòu)成的地熱帶外，在板塊內(nèi)部接近邊境的部位，在一定的地質(zhì)條件下也有高熱流區(qū)，可以蘊藏一些中低溫地熱。如中亞、東歐地域的一些地熱田和中國的膠東、遼東半島及華北平原的地熱田。1718世界常規(guī)地熱開發(fā)潛力及預測193.利用類型分地熱發(fā)電和直接利用兩大類，對于不同溫度的地熱流體能夠利用的范圍如下：1)200～400℃直接發(fā)電及綜合利用；2)150～200℃雙循環(huán)發(fā)電，制冷，工業(yè)枯燥，工業(yè)熱加工；3)100～150℃雙循環(huán)發(fā)電，供暖，制冷，工業(yè)枯燥，脫水加工，回收鹽類，罐頭食品；4)50～100℃供暖，溫室，家庭用熱水，工業(yè)枯燥；5)20～50℃沐浴，水產(chǎn)養(yǎng)殖，豢養(yǎng)家畜，土壤加溫，脫水加工。204.地熱能的優(yōu)、缺陷優(yōu)點：在某些地域為年年可再生能源，家居采暖的高效方式，硬件設備運用壽命長。

缺陷：只在特定地域適用，有能夠在數(shù)年后枯竭，某些地域能夠釋放有毒氣體〔物質(zhì)〕。

215.利用現(xiàn)狀目前能為人類開發(fā)利用的．主要是地熱蒸汽和地熱水兩大類資源，人類對這兩類資源已有較多的運用；干熱巖和地壓兩大類資源尚處于實驗階段，開發(fā)利用很少。截至2021年底，全球地熱發(fā)電裝機容量約為l120萬kW，占全球發(fā)電裝機總?cè)萘康?%。由于適宜于發(fā)電的高溫地熱資源有限，多年來，地熱發(fā)電增長緩慢。2220世紀90年代，地源熱泵的廣泛運用，地熱直接利用呈現(xiàn)出較好的開展勢頭。地源熱泵技術(shù)開發(fā)的地熱能已占地熱直接利用總量的30%以上。地熱能的開展速度比太陽能、風能、生物燃料等可再生能源還是要低得多，主要是由于地熱在資源區(qū)域分布、資源質(zhì)量、開發(fā)本錢、環(huán)境等方面存在著一定制約要素。23地熱流體的循環(huán)要閱歷加熱、運移、富集等過程，最后貯藏在含水層中。周期少那么幾十年，多那么成千上萬年。與冷水循環(huán)相比，其構(gòu)成、補給和徑流情況要復雜得多，周期也長得多。雖然與化石能源相比，地熱能的再生速度要快得多，但假設過量開采，超越了補給速度，也會呵斥地熱資源的枯竭。從這個意義上講，地熱資源并不是取之不盡，用之不竭的。24每年地熱的新再生量只需200多億噸油當量，遠低于太陽能的130萬億噸油當量、風能的1400億噸油當量、生物質(zhì)能的600億噸油當量；與其它他可再生能源相比，地熱能的優(yōu)勢主要表達在熱能的累積存量上。256、地熱開采對環(huán)境的影響〔1〕空氣污染在開發(fā)地熱能的過程中，熱流體中所含的各種氣體和懸浮物將排入大氣中，對周圍環(huán)境呵斥影響，主要有H2S和CO2。較高的H2S含量普通發(fā)生在高溫地熱田中。中低溫熱田中的H2S含量較少。含H2S的地熱尾水直接排入水體，魚類和藻類的生存也將遭到影響。如今一些國家，對新建的地熱發(fā)電站，要求引入維護環(huán)境的外表接觸式冷凝器，設置除H2S的安裝，并要求對污渣進展處置。26〔2〕化學污染地熱水的構(gòu)成普通為大氣降水經(jīng)過地下深循環(huán)，與圍巖進展化學物質(zhì)交換，圍巖中各種化學組分進入水體，使地熱水中含有對環(huán)境有益和有害的各種成分，主要有：鹽類的污染和有害元素〔放射性〕的污染。地熱水中含有較高的總固體、氟化物、氯化物等物質(zhì)。地熱能被利用后，棄水作為灌溉水來源，高鹽度的水將引起土壤鹽漬化和土地板結(jié)；高鹽度的熱水在回灌和供暖時，隨著溫度的降低將產(chǎn)生化學垢沉淀物，使管徑減少而被堵塞。由于長期的水---巖作用，地熱水中含有多種重金屬元素和其它微量元素，如F、B、As等。假設未經(jīng)處置，進展灌溉和養(yǎng)殖，對糧作物及魚類危害很大；還會由于水體、魚類、糧作物中有毒物質(zhì)的長期富集并經(jīng)過食物鏈直接或間接地對人體和生物呵斥危害。27〔3〕熱污染目前我國的地熱資源大多以單一利用為主，當熱能利用后，尾水溫度仍很高。這些尾水的排放，促使部分空氣和水體的溫度升高，改動生態(tài)平衡，影響環(huán)境和生物生長．呵斥熱污染。28〔4〕噪聲污染噪聲污染普通是由鉆探和地熱井放噴呵斥的。在鉆探過程中，各種機械噪聲高達90dB，干熱田鉆井的噪聲能夠達80dB(相當于噴氣式飛機起飛的程度)。地熱井放噴時其噪聲值可達120dB以上。雖然時間較短，但其尖聲也使人的耳朵遭到損傷。29〔5〕地面沉降當?shù)責崃黧w的抽出量超越天然補給量時，地面沉降發(fā)生，實踐沉降量取決于抽出的流體量和熱儲巖石的強度。新西蘭的懷拉基地熱區(qū)，在1956年井孔實驗開展以后就開場了地面沉降的丈量任務。1964—1974年期間的地面沉降量最大，大約為4.5m，影響范圍達65km2。并且發(fā)生了程度運動，最大程度挪動為0.4m。30〔6〕地震活動地熱異常區(qū)多數(shù)是現(xiàn)代火山、近代巖漿活動地域或近代地殼構(gòu)造運動活潑地域，這意味著地熱資源開發(fā)普通發(fā)生在自然斷裂通道和活斷層上，即區(qū)域地震活動性強的地域。當抽取和注入流體時，一旦流體壓力超越啟動斷層運動所需的臨界值時，就會誘發(fā)地震。現(xiàn)有的資料闡明，由于地熱流體的抽取或回灌而誘發(fā)的明顯地震比較稀有，而且即使地震發(fā)生，普通是細微的，不會對地面設備生影響。31二、利用方式人類很早以前就開場利用地熱能，例如利用溫泉沐浴、醫(yī)療，利用地下熱水取暖、建造農(nóng)作物溫室、水產(chǎn)養(yǎng)殖及烘干谷物等。但真正認識地熱資源，并進展較大規(guī)模的開發(fā)利用卻是始于20世紀中葉。

321．地熱發(fā)電地熱發(fā)電是地熱利用的最重要方式。高溫地熱流體應首先運用于發(fā)電。地熱發(fā)電和火力發(fā)電的原理是一樣的，都是利用蒸汽的熱能在汽輪機中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后帶動發(fā)電機發(fā)電。所不同的是，地熱發(fā)電不象火力發(fā)電那樣要配備龐大的鍋爐，也不需求耗費燃料，它所用的能源就是地熱能。地熱發(fā)電的過程，就是把地下熱能首先轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后再把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。33利用地下熱能，首先需求有“載熱體〞把地下的熱能帶到地面上來。目前可以被地熱電站利用的載熱體，主要是地下的天然蒸汽和熱水。按照載熱體類型、溫度、壓力和其它特性的不同，地熱發(fā)電的方式分為:蒸汽型地熱發(fā)電，目前地熱發(fā)電的主要方式。熱水型地熱發(fā)電

3435熱水型發(fā)電系統(tǒng)又分為閃蒸發(fā)電系統(tǒng)、雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和全流發(fā)電系統(tǒng)。閃蒸發(fā)電又稱為地熱擴容閃蒸發(fā)電系統(tǒng)，高壓熱水從熱水井抽到地面，壓力降低，部分熱水閃蒸成蒸汽，利用該蒸汽發(fā)電。36雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，又稱有機工質(zhì)郎肯循環(huán)系統(tǒng)，低沸點有機物為工質(zhì)，使工質(zhì)在流動系統(tǒng)中從地熱流體中獲得熱量，并產(chǎn)生有機蒸汽，進而推進汽輪機旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。37全流發(fā)電系統(tǒng)，將地熱井口德全部流體，包括一切的蒸汽、熱水、不凝氣體及化學物質(zhì)等，不經(jīng)處置直接送進全流動力機械中膨脹做功，其后排放或搜集到凝汽器中。這種方式可以充分利用地熱流體的全部能量，但技術(shù)上有一定難度，還未進入商業(yè)階段。38干熱巖發(fā)電系統(tǒng)是利用地下干熱巖體發(fā)電的想象，是美國人莫頓和史密斯于1970年提出的。1972年，他們在新墨西哥州北部打了兩口約4000米的深斜井，從一口井中將冷水注入到干熱巖體，從另一口井取出自巖體加熱產(chǎn)生的蒸汽，功率可達2300kw。進展干熱巖發(fā)電研討的還有日本，英國，法國，德國和俄羅斯，但迄今尚無大規(guī)模運用。39奧運場管地熱供電402．地熱供暖將地熱能直接用于采暖、供熱和供熱水是僅次于地熱發(fā)電的地熱利用方式。這種利用方式簡單、經(jīng)濟性好，備受各國注重，特別是位于高寒地域的西方國家，其中冰島開發(fā)利用得最好。冰島早在1928年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一個地熱供熱系統(tǒng)，現(xiàn)今這一供熱系統(tǒng)已開展得非常完善，每小時可從地下抽取7740噸80℃的熱水，供全市11萬居民運用。由于沒有挺拔的煙囪，冰島首都已被譽為“世界上最清潔無煙的城市〞。4142目前，我國運用淺層地熱能供暖制冷的建筑面積已超1.4億m2。十二五期間，我國估計將完成利用淺層地熱能供暖制冷建筑面積3.5億m2左右。據(jù)估算，2021年淺層地熱能的開發(fā)利用，使我國二氧化碳減排約2200萬噸。今后五年內(nèi)，我國還會在建筑領(lǐng)域加大對地下200米以內(nèi)淺層地熱能的開發(fā)利用，進一步促進節(jié)能減排。433．地熱務農(nóng)地熱在農(nóng)業(yè)中的運用范圍非常寬廣。如利用溫度適宜的地熱水灌溉農(nóng)田，可使農(nóng)作物早熟增產(chǎn)；利用地熱水養(yǎng)魚，在28℃水溫下可加速魚的育肥，提高魚的出產(chǎn)率；利用地熱建造溫室，育秧、種菜和養(yǎng)花；利用地熱給沼氣池加溫，提高沼氣的產(chǎn)量等。將地熱能直接用于農(nóng)業(yè)在我國日益廣泛，北京、天津、西藏和云南等地都建有面積大小不等的地熱溫室。各地還利用地熱大力開展養(yǎng)殖業(yè)，如培育菌種、養(yǎng)殖非洲鯽魚、鰻魚、羅氏沼蝦等。44農(nóng)產(chǎn)品烘干工藝參數(shù)產(chǎn)品名稱烘干溫度(℃)烘干時間(h)烘干前物料含水率（%）烘干后產(chǎn)品含水率（%）脫水胡蘿卜粒60-705-6877脫水蔥段、韭菜段55-604-5897桃脯60-7018-244418-22杏脯55-6524-304418-22天鷹椒干55-603-42012干枸杞40-5524-308010454．地熱行醫(yī)地熱在醫(yī)療領(lǐng)域的運用有誘人的前景，目前熱礦水就被視為一種珍貴的資源，世界各國都很珍惜。由于地熱水從很深的地下提取到地面，除溫度較高外，常含有一些特殊的化學元素，從而使它具有一定的醫(yī)療效果。如合碳酸的礦泉水供飲用，可調(diào)理胃酸、平衡人體酸堿度；含鐵礦泉水飲用后，可治療缺鐵貧血癥；氫泉、硫水氫泉洗浴可治療神經(jīng)衰弱和關(guān)節(jié)炎、皮膚病等。46由于溫泉的醫(yī)療作用及伴隨溫泉出現(xiàn)的特殊的地質(zhì)、地貌條件，使溫泉經(jīng)常成為旅游勝地，吸引大批療養(yǎng)者和旅游者。在日本就有1500多個溫泉療養(yǎng)院，每年吸引1億人到這些療養(yǎng)院療養(yǎng)。我國利用地熱治療疾病的歷史悠久，含有各種礦物元素的溫泉眾多，開展溫泉療養(yǎng)行業(yè)是大有可為的。4748三、我國地熱資源開發(fā)利用的兩大瓶頸〔1〕地熱資源勘探程度低