新能源技术与应用概论-第4讲-地热能及其应用

第4讲地热能及应用GEOTHERMALENERGY4.1地热能概述4.1.1地热能基本概念1．地球内部构造及温度变化图5-1地球构造示意图地球内部的温度分布我们居住的地球实际上是一个庞大的热球据估计，全世界地热资源的总量，大约为1.45×1026J，相当于4.948×1015t标准煤燃烧时所放出的热量。如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为标准来计算，那么，石油的贮存量约为煤炭的3%，目前可利用的核燃料的贮存量约为煤炭的15%，而地热能的总贮存量则为煤炭的1.7亿倍。在地壳中，地热的分布可分为3个带，即可变温度带、常温带和增温带。可变温度带由于受太阳辐射的影响，其温度有着昼夜、年份、世纪、甚至更长的周期性变化，其厚度一般为15～20m；常温带，其温度变化幅度几乎等于0，深度一般为20～30m；增温带在常温带以下，它的温度随深度增加而升高，其热量的主要来源是地球内部的热能。地温梯度地球每一层次的温度状况是迥然不同的。在地壳的常温带以下，地热温度随深度增加而不断升高，越深越热。这种沿地下等温面的法线向地球中心方向上单位距离内温度增加的数值，叫地温梯度，也叫做地热增温率，其单位通常采用℃/km。地球各层次的地热增温率差别是很大的：地表至15km深处，地热增温率平均为2～3℃/km；15～25km深处，地热增温率降为平均1.5℃/km；再往下，则只有0.8℃/km。根据各种资料推断，地壳底部至地幔上部的温度大约为1100～1300℃，地核的温度大约在2000～5000℃之间。假如按照正常的地热增温率来推算，80℃的地下热水，大致是埋藏在2000～2500m左右的地下。地热正常区和地热异常区大地热流值也是衡量地热正常区和地热异常区的重要指标。大地热流值是指单位时间内通过地球表面单位面积所散失的热量，用符号HFU表示热流单位（1HFU＝4.1868×10-7J/（cm2·s））。从全球来看，地表大地平均热流值为1.4～1.5热流单位（5.9～6.3μJ/（cm2·s）），地表平均地温梯度为1.5～3.0℃/km。凡接近上述平均热流值和地温梯度的地区，均称为地热正常区；凡热流值和地温梯度超过上述平均值的地区，称为地热异常区。在地热正常区，较高温度的热水和蒸汽埋藏在地壳的较深处；在地热异常区，由于地热增温率较大，较高温度的热水或蒸汽埋藏在地壳的较浅部位，有的甚至露出地表。一般把那些天然露出的地下热水和蒸汽叫做温泉，温泉是在当前技术水平下最容易利用的一种地热资源。在地热异常区，除温泉外，人们也较容易通过钻井等人工方法把地下热水或蒸汽引导到地面上来并加以利用。2．地热田与热储（1）地热资源地热资源是指地壳表层以下，到地下3000～5000米的深度以内，聚集15℃以上的岩石和热流体所含总热量。地热资源有以下四种类型：水热型、干热岩型、地压型和岩浆型，而以水热型最为常见。水热型又分为蒸汽型和热水型两种。蒸汽型又可分为干蒸汽（以蒸汽为主的）和湿蒸汽（有的学者把干度小的湿蒸汽划入热水型中）两类。表1地热资源分类资源类型含义特征水热型蒸汽型热水型干蒸汽湿蒸汽热水型地下以蒸汽为主的对流系统的地热资源以温度较高的过热蒸汽为主，杂有少量其它气体，水很少或没有，无水的干蒸汽资源罕见，含水的称为湿蒸汽资源热水型热储中以水为主的对流系统的地热资源包括低于当地气压下饱和温度的热水和温度等于饱和温度的湿蒸汽，分布广、储量大地压地热型蕴藏在含油气沉积盆地深处（3000~6000m），由机械能（高压）、热能（高温）和化学能组成的地热资源热储中受岩层和封存水负荷而导致高温（120~180℃），高压（几百个大气压），并在高温高压下积聚了溶于水中的烃类物质，是一种综合性能源干热岩型地下一定深度2~3km，含水量少或不含水，渗透性差而含有异常高热的地质体含热量甚大，曾估计1立方英里350℃的热岩体冷却到150℃，可产出相当于三亿桶石油的热量。岩浆型在熔融状或半熔融状炽热岩浆中蕴藏着的巨大能量资源温度在600~1500℃不等，一些火山地区资源埋藏较浅，而多数埋藏于目前钻探技术还比较困难的地层中，因此开采难度大（2）地热田地热田是指在目前技术条件下可以采集的深度内，富含可经济开发和利用的地热流体的地域。它一般包括热储、盖层、热流体通道和热源四大要素，是具有共同的热源，形成统一热储结构，可用地质、物化探方法圈闭的特定范围。1）热水田这一地区富集的主要是热水，水温一般在60～120℃。这里地下热水的形成过程大致可分为两种情况。①深循环型大气降水落到地表以后，在重力作用下，沿着土壤、岩石的缝隙，向地下深处渗透，成为地下水。地下水在岩石裂隙内流动过程中，不断吸收周围岩石的热量，逐渐被加热成地下热水。渗流越深，水温越高，地下水被加热后体积要膨胀，在下部强大的压力作用下，它们又沿着另外的岩石缝隙向地表流动，成为浅埋藏的地下热水，如果露出地面，就成为温泉。②特殊热源型地下深处的高温灼热的岩浆，沿着断裂上升，如果岩浆冲出地表，就形成火山爆发；如果压力不足，岩浆未冲出地表，而在上升通道中停留下来，就构成岩浆侵入体。这是一个特殊的高温热源，它可以把渗透到地下的冷水加热到较高的温度，而成为热水田中的一种特殊类型。（2）地热田2）蒸汽田蒸汽田内由水蒸气和高温热水组成。它的形成条件是：热储水层的上覆盖层透水性很差，而且没有裂隙。这样，由于盖层的隔水、隔热作用，盖层下面的储水层在长期受热的条件下，就聚集成为具有一定压力、温度的大量蒸汽和热水的蒸汽田。地热能的形成4.1.2我国的地热资源环球性的地热带主要有下列4个：（1）环太平洋地热带它是世界最大的太平洋板块与美洲、欧亚、印度板块的碰撞边界。世界许多著名的地热田，如美国的盖瑟尔斯、长谷、罗斯福；墨西哥的塞罗、普列托；新西兰的怀腊开；我国的台湾马槽；日本的松川、大岳等均在这一带。（2）地中海-喜马拉雅地热带它是欧亚板块与非洲板块和印度板块的碰撞边界。世界第一座地热发电站意大利的拉德瑞罗地热田就位于这个地热带中。我国的西藏羊八井及云南腾冲地热田也在这个地热带中。（3）大西洋中脊地热带这是大西洋海洋板块开裂部位。冰岛的克拉弗拉、纳马菲亚尔和亚速尔群岛等一些地热田就位于这个地热带。（4）红海-亚丁湾-东非裂谷地热带它包括吉布提、埃塞俄比亚、肯尼亚等国的地热田。除了在板块边界部位形成地壳高热流区而出现高温地热田外，在板块内部靠近板块边界部位，在一定地质条件下也可形成相对的高热流区。其热流值大于大陆平均热流值1.46热流单位，而达到1.7～2.0热流单位。如我国东部的胶、辽半岛，华北平原及东南沿海等地。1．我国地热资源的基本情况全国主要沉积盆地储存的地热能量为73.61×1020J，相当标准煤2500亿吨。全国地热水可开采资源量为每年68亿m3，所含热量为963×1015J，折合每年3284万吨标准煤的发热量。其中：对流型山区地热水可开采资源量为每年19亿m3，热能量为335×1015J/a，折合每年1142万吨标准煤的发热量。以消耗储存资源量为主，传导型平原区地热水近期可开采量为每年49亿m3，热能量为：628×1015J/a，折合每年2142万吨标准煤的发热量。山区和平原区地热水可开采水量分别占总量的28%和72%，山区和平原区可开采热量分别占全国地热能可利用量的35%和65%。2．我国地热资源的类型我国大陆属欧亚板块的一部分，它的东侧为岛弧型洋-陆汇聚边缘，西南侧为陆-陆碰撞造山带，是由许多不同时期的古板块（如华北、华南、塔里木、哈萨克斯坦、西伯利亚等）经碰撞、增生和拼接而成的。中国大陆构造演化经历了古生代陆洋分化对立阶段、石碳二叠纪软碰撞转化阶段和中新生代盆山对峙发展阶段，多旋回构造运动与多期盆地叠加塑造出不同的地热田。构造的演化伴随着不同时期的岩浆活动，形成了不同岩性和结构的地层，使得大地热流值的分布具有明显的规律性。西南地区沿雅鲁藏布江缝合带，热流值较高（91～364MW/m2），向北随构造阶梯下降，到准格尔盆地只有33～44MW/m2。我国东部台湾板块地缘带，热流值较高，为80～120MW/m2，越过台湾海峡到东南沿海燕山期造山带，降为60～100MW/m2，到江汉盆地热流值只有57～69MW/m2。（1）沉积盆地传导型中低温地热资源分布于华北平原、汾渭盆地、松辽平原、淮河盆地、苏北盆地、江汉盆地、四川盆地、银川平原、河套平原、准格尔盆地等地区，主要热储层为厚度数百米至数千米第三系砂岩、砂砾岩。鄂尔多斯盆地的三叠系和侏罗系砂岩赋存低盐度热水。四川盆地三叠系、侏罗系为热卤水富集层。（2）隆起山地对流型地热资源高温地热资源主要分布于藏南-川西-滇西和台湾地区，中低温地热资源主要分布于东南沿海地区和胶东、辽东半岛。1）喜马拉雅碰撞带为新生代陆内强烈变形带，现代水热活动北弱南强。西藏的地热显示664处，包括温泉、热泉、沸泉、沸喷泉、水热爆炸、间歇喷泉等。羊八井钻孔揭露的最高温度超过250℃。云南滇西地区出露的温泉有296处，其中高温热泉98处，沸泉7处，水温为23～104℃。2）台湾岛作为西太平洋岛孤系的一部分，为现代的高温热储区。大多属于碳酸盐泉，少数属于硫酸盐泉和氯化物泉。在火山岩区，绝大多数为酸性硫酸盐泉，其它为中、碱性碳酸盐泉，少数为氯化物泉。3）东南沿海分属于扬子断块和华南断褶，分布着不同时期的花岗岩和中生代的火山岩，其分布主要受北东向断裂控制，岩浆岩为脆性物质，深断裂带成为热水运移的通道。74%的温泉出露于岩浆岩断裂带或接触带之中。该区温泉为中低温热水，热储温度一般为110～130℃，热水循环深度不超过4km，热田面积最大不超过10km2。4）胶东半岛已发现水温大于49℃的温泉14处，出露于复背斜核部断裂构成的X型构造交汇处，温度大于60℃温泉7处，温度大于80℃有2处，其余的在49～56℃之间。辽东半岛温泉有19处，水温28～72℃。3．我国地热资源的开发前景我国年利用地热能约4.45亿立方米，居世界第一位，而且每年以近10％的速度增长。全国地热发电装机容量88％集中在西藏。其中，羊八井地热电站已稳定运行了近30年。滇藏地热带的发电潜力为5817.65MW。截至2006年年底，我国除青海、云南、贵州等少数省区外，其他省区都在不同程度地推广地源热泵技术。目前，全国已安装地源热泵系统的建筑面积超过3000万平方米。据不完全统计，我国地源热泵市场年销售额已超过亿元，并以每年20％的速度增长。4.2地热资源的直接利用地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类，而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。4.2.1地源热泵地下水源热泵系统是一种新兴的浅层地热能利用技术，最早源于欧美等发达国家，它的历史可以追溯到1912年，瑞士Zoelly首先提出了“地热源热泵”的概念。1946年美国开始对地源热泵进行系统的研究，在俄勒冈州成功的建成了第一个地源热泵系统。20世纪50年代，欧洲开始了研究地源热泵的第一次高潮，但由于当时的能源价格低，这种系统并不经济，因而未得到推广。直到20世纪70年代初世界上出现了第一次能源危机，它才开始受到重视，许多公司开始了地源热泵的研究、生产和安装。20世纪80年代后期，地源热泵技术已经趋于成熟，更多的科学家致力于地下系统的研究，努力提高热吸收和热传导效率，同时越来越重视环境的影响问题。地源热泵生产呈现逐年上升趋势，瑞士和瑞典的年递增率超过10%。美国的地源热泵生产和推广速度很快，技术产生了飞速的发展，成为世界上地源热泵生产和使用的头号大国。我国的情况我国浅层地温能的开发利用起步较晚，20世纪90年代开始推