(11)第六章地热新能源

1新能源利用技术王一平教授天津大学化工学院2013.5.292第六章地热能3主要内容地热能概述利用方式我国地热资源开发利用的两大瓶颈4一、概述地热能蕴藏十分巨大，几乎取之不尽，所以也是重要的新能源。据估算，地热能的总量相当于地球内部埋藏的全部煤炭释放出来的热能的1.7亿倍。现在所说的地热资源，只是地球表层在技术经济开发可行的深度范围内所蕴藏的一小部分地热能。从严格意义上说不是可再生能源。5技术经济可开发深度是随技术的发展和能源价格的提升而变化的；目前这一深度限于地表以下5000m以内，而经济可开发的深度只有2000－3000m，因此，地热资源总量为1400亿t标准煤，技术可开发资源为500亿t标准煤，经济可开发资源为5亿t标准煤。61.划分地热来源主要是地球内部放射性元素衰变产生的热量。按照其储存形式，地热资源可分为:–蒸汽型–热水型–地压型–干热岩型–岩浆型7①热水型地热资源以热水形式存在的地热资源，主要存在于火山活动地区和沉积盆地。地热水有一定的压力．温度在80～180℃，矿化度为1-400g/l，常含有氯化钠、碳酸钠、硫酸钠、碳酸钙等盐分及二氧化碳、硫化氢等气体。8②蒸汽型地热资源指以温度较高的湿蒸汽和过热蒸汽形式存在的地热资源。温度一般超过200℃,形成蒸汽型地热田需要一定的地质结构，即蒸汽被不渗透的岩层包围，该类地热资源储量较少，约占0.5％。9③地压型地热资源指埋藏在地下2～3km深处沉积岩中有压力的高盐分热水。外面被不渗透的岩石包围密封，压力高达几十兆帕，温度在150～260℃,常溶解有碳氢化合物。因此，其实际可开发的能源包括热能、压力能和化学能。10④干热岩型地热资源指无流体介质和流体通道的高温岩体所含的热能．温度一般为200-650℃，深度为2～12km。干热岩型地热资源的开采需要在岩层中建立渗透通道，通过流体的循环将热能带至地面加以利用。11⑤岩浆型地热资源指蕴藏在地层深处的呈塑性或熔融状态的高温岩浆中的热能。温度在1000℃以上，压力达几百兆帕。目前人类还无可行的技术对这类地热资源进行开发。122.分布地热能集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。地热能在世界很多地区应用相当广泛。据估计，每年从地球内部传到地面的热能相当于100PW·h。地热能的分布相对来说比较分散，开发难度大。13世界地热(地震）资源主要分布环球地热带分布图145个地热带①环太平洋地热带世界最大的太平洋板块与美洲、欧亚、印度板块的碰撞边界，即从美国的阿拉斯加、加利福尼亚到墨西哥、智利，从新西兰、印度尼西亚、菲律宾到中国沿海和日本。世界许多地热田都位于这个地热带，如美国的盖瑟斯地热田，墨西哥的普列托、新西兰的怀腊开、中国台湾的马槽和日本的松川、大岳等地热田。15②地中海、喜马拉雅地热带欧亚板块与非洲、印度板块的碰撞边界，从意大利直至中国的滇藏。如意大利的拉德瑞罗地热田和中国西藏的羊八井及云南的腾冲地热田均属这个地热带。③大西洋中脊地热带大西洋板块的开裂部位，包括冰岛和亚速尔群岛的一些地热田。16④红海、亚丁湾、东非大裂谷地热带包括肯尼亚、乌干达、扎伊尔、埃塞俄比亚、吉布提等国的地热田。⑤其他地热区除板块边界形成的地热带外，在板块内部靠近边界的部位，在一定的地质条件下也有高热流区，可以蕴藏一些中低温地热。如中亚、东欧地区的一些地热田和中国的胶东、辽东半岛及华北平原的地热田。1718世界常规地热开发潜力及预测193.利用类型分地热发电和直接利用两大类，对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下：1)200～400℃直接发电及综合利用；2)150～200℃双循环发电，制冷，工业干燥，工业热加工；3)100～150℃双循环发电，供暖，制冷，工业干燥，脱水加工，回收盐类，罐头食品；4)50～100℃供暖，温室，家庭用热水，工业干燥；5)20～50℃沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工。204.地热能的优、缺点优点：在某些地区为常年可再生能源，家居采暖的高效方式，硬件设备使用寿命长。缺点：只在特定地区适用，有可能在数年后枯竭，某些地区可能释放有毒气体（物质）。215.利用现状目前能为人类开发利用的．主要是地热蒸汽和地热水两大类资源，人类对这两类资源已有较多的应用；干热岩和地压两大类资源尚处于试验阶段，开发利用很少。截至2011年底，全球地热发电装机容量约为l120万kW，占全球发电装机总容量的2%。由于适合于发电的高温地热资源有限，多年来，地热发电增长缓慢。2220世纪90年代，地源热泵的广泛使用，地热直接利用呈现出较好的发展势头。地源热泵技术开发的地热能已占地热直接利用总量的30%以上。地热能的发展速度比太阳能、风能、生物燃料等可再生能源还是要低得多，主要是因为地热在资源区域分布、资源品质、开发成本、环境等方面存在着一定制约因素。23地热流体的循环要经历加热、运移、富集等过程，最后储藏在含水层中。周期少则几十年，多则成千上万年。与冷水循环相比，其形成、补给和径流情况要复杂得多，周期也长得多。虽然与化石能源相比，地热能的再生速度要快得多，但如果过量开采，超过了补给速度，也会造成地热资源的枯竭。从这个意义上讲，地热资源并不是取之不尽，用之不竭的。24每年地热的新再生量只有200多亿吨油当量，远低于太阳能的130万亿吨油当量、风能的1400亿吨油当量、生物质能的600亿吨油当量；与其它他可再生能源相比，地热能的优势主要体现在热能的累积存量上。256、地热开采对环境的影响（1）空气污染在开发地热能的过程中，热流体中所含的各种气体和悬浮物将排入大气中，对周围环境造成影响，主要有H2S和CO2。较高的H2S含量一般发生在高温地热田中。中低温热田中的H2S含量较少。含H2S的地热尾水直接排入水体，鱼类和藻类的生存也将受到影响。现在一些国家，对新建的地热发电站，要求引入保护环境的表面接触式冷凝器，设置除H2S的装置，并要求对污渣进行处理。26（2）化学污染地热水的形成一般为大气降水经过地下深循环，与围岩进行化学物质交换，围岩中各种化学组分进入水体，使地热水中含有对环境有益和有害的各种成分，主要有：盐类的污染和有害元素（放射性）的污染。地热水中含有较高的总固体、氟化物、氯化物等物质。地热能被利用后，弃水作为灌溉水来源，高盐度的水将引起土壤盐渍化和土地板结；高盐度的热水在回灌和供暖时，随着温度的降低将产生化学垢沉淀物，使管径缩小而被堵塞。由于长期的水---岩作用，地热水中含有多种重金属元素和其它微量元素，如F、B、As等。如果未经处理，进行灌溉和养殖，对粮作物及鱼类危害很大；还会由于水体、鱼类、粮作物中有毒物质的长期富集并通过食物链直接或间接地对人体和生物造成危害。27（3）热污染目前我国的地热资源大多以单一利用为主，当热能利用后，尾水温度仍很高。这些尾水的排放，促使局部空气和水体的温度升高，改变生态平衡，影响环境和生物生长．造成热污染。28（4）噪声污染噪声污染一般是由钻探和地热井放喷造成的。在钻探过程中，各种机械噪声高达90dB，干热田钻井的噪声可能达80dB(相当于喷气式飞机起飞的水平)。地热井放喷时其噪声值可达120dB以上。虽然时间较短，但其尖声也使人的耳朵受到伤害。29（5）地面沉降当地热流体的抽出量超过天然补给量时，地面沉降发生，实际沉降量取决于抽出的流体量和热储岩石的强度。新西兰的怀拉基地热区，在1956年井孔试验开展以后就开始了地面沉降的测量工作。1964—1974年期间的地面沉降量最大，大约为4.5m，影响范围达65km2。并且发生了水平运动，最大水平移动为0.4m。30（6）地震活动地热异常区多数是现代火山、近代岩浆活动地区或近代地壳构造运动活跃地区，这意味着地热资源开发一般发生在自然断裂通道和活断层上，即区域地震活动性强的地区。当抽取和注入流体时，一旦流体压力超过启动断层运动所需的临界值时，就会诱发地震。现有的资料表明，由于地热流体的抽取或回灌而诱发的明显地震比较罕见，而且即使地震发生，一般是轻微的，不会对地面设施生影响。31二、利用方式人类很早以前就开始利用地热能，例如利用温泉沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。但真正认识地热资源，并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶。321．地热发电地热发电是地热利用的最重要方式。高温地热流体应首先应用于发电。地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不象火力发电那样要装备庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能。地热发电的过程，就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过程。33利用地下热能，首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，地热发电的方式分为:–蒸汽型地热发电，目前地热发电的主要形式。–热水型地热发电3435热水型发电系统又分为闪蒸发电系统、双循环发电系统和全流发电系统。闪蒸发电又称为地热扩容闪蒸发电系统，高压热水从热水井抽到地面，压力降低，部分热水闪蒸成蒸汽，利用该蒸汽发电。36双循环发电系统，又称有机工质郎肯循环系统，低沸点有机物为工质，使工质在流动系统中从地热流体中获得热量，并产生有机蒸汽，进而推动汽轮机旋转，带动发电机发电。37全流发电系统，将地热井口德全部流体，包括所有的蒸汽、热水、不凝气体及化学物质等，不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做功，其后排放或收集到凝汽器中。这种形式可以充分利用地热流体的全部能量，但技术上有一定难度，还未进入商业阶段。38干热岩发电系统是利用地下干热岩体发电的设想，是美国人莫顿和史密斯于1970年提出的。1972年，他们在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井，从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽，功率可达2300kw。进行干热岩发电研究的还有日本，英国，法国，德国和俄罗斯，但迄今尚无大规模应用。39奥运场管地热供电402．地热供暖将地热能直接用于采暖、供热和供热水是仅次于地热发电的地热利用方式。这种利用方式简单、经济性好，备受各国重视，特别是位于高寒地区的西方国家，其中冰岛开发利用得最好。冰岛早在1928年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一个地热供热系统，现今这一供热系统已发展得非常完善，每小时可从地下抽取7740吨80℃的热水，供全市11万居民使用。由于没有高耸的烟囱，冰岛首都已被誉为“世界上最清洁无烟的城市”。4142目前，我国应用浅层地热能供暖制冷的建筑面积已超1.4亿m2。十二五期间，我国预计将完成利用浅层地热能供暖制冷建筑面积3.5亿m2左右。据估算，2010年浅层地热能的开发利用，使我国二氧化碳减排约2200万吨。今后五年内，我国还会在建筑领域加大对地下200米以内浅层地热能的开发利用，进一步促进节能减排。433．地热务农地热在农业中的应用范围十分广阔。如利用温度适宜的地热水灌溉农田，可使农作物早熟增产；利用地热水养鱼，在28℃水温下可加速鱼的育肥，提高鱼的出产率；利用地热建造温室，育秧、种菜和养花；利用地热给沼气池加温，提高沼气的产量等。将地热能直接用于农业在我国日益广泛，北京、天津、西藏和云南等地都建有面积大小不等的地热温室。各地还利用地热大力发展养殖业，如培养菌种、养殖非洲鲫鱼、鳗鱼、罗氏沼虾等。44农产品烘干工艺参数产品名称烘干温度(℃)烘干时间(h)烘干前物料含水率（%）烘干后产品含水率（%）脱水胡萝卜粒60-705-6877脱水葱段、韭菜段55-604-5897桃脯60-7018-244418-22杏脯55-6524-304418-22天鹰椒干55-603-42012干枸杞40-5524-308010454．地热行医地热在医疗领域的应用有诱人的前景，目前热矿