第2章-地热能及利用

第2章地热能及利用目录2-1地热来源2-2地热资源形式2-3地热能的直接利用2-4地热能发电技术2-5地热能发展趋势2-1地热来源一、地热能的来源（一）外部热源：1.太阳辐射热2.潮汐摩擦热3.其他：宇宙射线，陨石坠落。（二）内部热源：1.放射性衰变热2.重力分异热3.其他：地球转动热，地球残余热。2-1地热来源•目前普遍认为，地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地热的主要来源。•放射性元素有铀238、铀235、钍232和钾40等，这些放射性元素的衰变是原子核能的释放过程。•放射性物质的原子核，无需外力的作用，就能自发地放出电子、氦核和光子等高速粒子并形成射线。在地球内部，这些粒子和射线的动能和辐射能，在同地球物质的碰撞过程中便转变成了热能。二、地热能地热能GeothermalEnergy，简单地说，就是来自地下的热能，即地球内部蕴藏的热能。是指封闭在地球中距地表足够近的距离内，并可被经济开采的天然热能。国际上一般指地壳浅部5km以内的热能。这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。•据计算，地球陆地以下5km内，15摄氏度以上岩石和地下水总含热量达1.45×1026J，相当于4950万亿吨标准煤的热量（2017全国能源消费总量为44亿吨标准煤），可满足人类几万年能源之需要。标准煤（煤当量）：低位发热值29307kJ/kg，（7000kcal/kg）如果汽油的热值:4.6X104kJ/kg，汽油的标准煤当量为1.57t标准煤/t汽油。地球的构造是怎样的?•地球是一个巨大的实心椭球体，它的表面积约为5.11×108km2，体积约为1.0833×1012km2，赤道半径为6378km，极半径为6357km。地球的构造好像是一只半熟的鸡蛋，主要分为三层：1)地壳crust：地球最外面一层，由土层和坚硬的岩石组成，它的厚度各处不一，介于10～70km之间。2)地幔mantle：地球的中间部分，它大部分是熔融状态的岩浆。地幔的厚度约为2900km，它由硅镁物质组成，温度在1000℃以上.3)地核core：地球的中心，地核的温度在2000～5000℃之间。外核深2900～5100km，内核一般认为是由铁、镍等重金属组成的。地壳地幔地核俄罗斯克拉半岛最深钻井12262米99%ofourglobeishotterthan1000℃。变温带（外热带）一般指地表向下15～30m左右，受太阳辐射影响，温度随大气温度变化，其影响程度随深度而递减。常温带（常温层）它在变温带以下一定的深度范围内，并随地理位置而异。其温度值保持恒定（一般高于当地年平均气温1-2℃）。（比如，天津的年平均气温是12℃，地下常温带温度为14～15℃）增温带（内热带）常温层以下几十公里，地温受地球内热控制，越往深处温度越高，至一定深度增温减弱。三、地壳中地温分布地壳中的地温垂直分布，大致可分为三带：地壳浅层的温度分布：变温带、恒温带、增温层。•地温梯度（地热梯度）它是指沿地下等温面法线向地球中心方向单位距离内温度的增值，通常采用的单位是℃/100m，或℃/km。（地温梯度平均值是3℃/100m）。它是指在单位时间内通过地球表面单位面积散失的热量，通常用热流单位HFu(heatflowunit,微卡/平方厘米·秒)表示，1HFu=41.87mW/m2。•大地热流（地表热流）（全球平均热流值为1.5HFu，我国大陆平均热流值约为1.5～1.6HFu）地热异常区：地壳表层因地质作用使地热增温率提高，在局部地区导致热流值和地温梯度值高于平均值的现象称为地热异常。大地热流简介大地热流：是由地球内部传输至地表，而后散发到太空去的热量，是地壳或岩石圈深部热状态在地表的综合量化表征。地球内部蕴藏着巨大的热能，无时无刻不在向外释放热量。火山口喷发出的熔岩流、温泉和地面上热气腾腾的蒸汽，直观而强烈地显示了热对流方式的热传递，但地球内热更普遍的向外传递是以地表的热传导方式。全球以热传导方式向外传递的热量约为1.3~1.5×10(J/年)，相当于2015年全球一次能源消耗总量的2.5倍。热传导是地球散热的主导方式，热流正是表征地球向外释放热量的一个基本的物理参数，也是研究地球内部热状态，如地壳深部温度、岩石圈热结构的一个不可或缺的参量。地热显示：能够直接观察到的地球内部热能在地表的自然显现。分为强显示（150-200℃以上）和弱显示。地热资源可划分为高温(150℃)、中温(90～150℃)和低温(90℃以下)。低温资源按利用途径，可分为热水(60～90℃)、温热水(40～60℃)和温水(25～40℃)，可供采暖，烘干，医疗保健，温室，灌溉，沐浴和水产养殖等利用。中高温资源可供发电、干燥和工业利用。2-2地热资源形式目前地热资源勘探的深度可达地表以下5000m，其中2000m内为经济型地热资源，2000～5000m为亚经济型地热资源。一、地热资源分类在可预见的时间内，能供人类经济开发利用的地球内部热能的总量，包括地热流体及其有用矿物质和化学成分。二、地热资源的形式地热资源在地下热储中的形式：蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型资源等几类。（1）蒸汽型资源蒸汽型资源是指地下热储中，以蒸汽为主的对流水热系统，它以产生温度较高的过热蒸汽为主，掺杂有少量其他气体，所含水分很少或没有。这种干蒸汽可以直接进入汽轮机，对汽轮机腐蚀较轻，能取得满意的工作效果。但这类构造需要独特的地质条件，因而资源少、地区局限性大。（2）热水型资源热水型资源是指地下热储中以水为主的对流水热系统，它包括喷出地面时呈现的热水以及水汽混合的湿蒸汽。这类资源分布广、储量丰富，根据其温度不同，可分为高温(150℃)、中温(90—150℃)和低温(90℃以下)。（3）地压型资源地压型资源目前尚未被人们充分认识。它以高压水的形式储存于地表以下2～3km的深部沉积盆地中，并被不透水的盖层所封闭，形成长1000km、宽数百千米的巨大热水体。地压水除了高压、高温的特点外，还溶有大量的碳氢化合物(如甲烷等)。所以，地压型资源中的能量，实际上是由机械能(压力)、热能(温度)和化学能(天然气)3个部分组成。（4）干热岩型资源干热岩型资源是比上述各种资源规模更为巨大的地热资源，它是指地下普遍存在的没有水或蒸汽的热岩石。从现阶段来说，干热岩型资源专指埋深较浅、温度较高的有开发经济价值的热岩石。提取干热岩中的热量，需要有特殊的办法，技术难度大。（5）岩浆型资源岩浆型资源是指蕴藏在熔融状和半熔融状岩浆中的巨大能量，它的温度高达600～1500℃左右。在一些多火山地区，这类资源可以在地表以下较浅的地层中找到，但多数是埋在钻探比较困难的地层中。目前开发利用的主要是地热蒸汽和地热水两类资源，人类对这两类资源已有较多应用；干热岩和地压型资源尚处于试验阶段，开发利用很少。热水型地热田形成模型大气降水—渗透—被加热—含水岩层；在水压和密度差的作用下，升温水产生环流并沿着裂隙通道上升，溢出地表，形成温泉、热泉。2-3地热能的直接利用地热能的利用可分为直接利用和地热发电（间接利用）两大方式。不同温度的地热流体，可能利用方式：200～400℃：直接发电及综合利用；150～200℃：双循环发电，工业干燥，工业热加工；100～150℃：双循环发电，供暖，工业干燥，脱水加工；50～100℃：供暖，温室种植，家庭用热水，工业干燥；20～50℃：沐浴，温泉，水产养殖，土壤加温。人类很早就开始利用地热能，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。一、地热供暖将地热能直接用于采暖、供热和供热水。这种利用方式简单、经济性好，特别是位于高寒的地区。目前，我国利用地热供暖和供热水发展非常迅速，在京津地区已成为地热利用中最普遍的方式。在国外，如冰岛地热供暖开发利用得最好。冰岛于1928年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”。1、地下热水抽取（1）双井系统：采水井+回灌井（2）单井系统：同井分层回灌：回灌层+吸水层地热潜水泵2、地热供暖换热站：咸阳：投资千万元的国内一流地热换热站3、室内采暖系统形式：室内采暖系统：常采取地板辐射采暖形式。2006年2月，陕西咸阳市被中国矿业联合会命名为全国首家中国地热城，同年8月，又被国家发改委确立为国家地热资源综合开发利用示范区。地热水全年开采量为500万立方米，全市实现地热供暖总面积300万平方米，约占全市供热总面积的35％，温泉入室3万余户，全市地热产业从业人员约1.5万人（2011年）二、地热务农地热在农业中的应用范围十分广阔。利用温度适宜的地热水灌溉农田，农作物早熟增产；利用地热水养鱼，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、罗非鱼、罗氏沼虾等。地热水发展养殖业温泉种植采摘基地三、地热行医由于地热水从很深的地下提取到地面，除温度较高外，常含有一些特殊的化学元素，从而使它具有一定的医疗效果。如含碳酸的矿泉水供饮用，可调节胃酸、平衡人体酸碱度；含铁矿泉水饮用后，可治疗缺铁贫血症；氢泉、硫水氢泉洗浴可治疗神经衰弱和关节炎、皮肤病等。由于温泉的医疗作用及伴随温泉出现的特殊的地质、地貌条件，使温泉常常成为旅游胜地。我国利用地热治疗疾病的历史悠久，含有各种矿物元素的温泉众多，因此充分发挥地热的医疗作用，发展温泉疗养行业是大有可为。国内最大的室内温泉娱乐项目--咸阳温泉度假城，总投资8.55亿元,集室内温泉、餐饮、住宿、娱乐为一体的综合性温泉度假休闲中心。2-4地热能发电技术地热能发电：相比于地热能的直接利用，地热发电实现能量远距离输送，并扩大使用范围。地热能发电分类：按照载热体类型、温度、压力的不同，目前常用的地热发电的方式为地热蒸汽发电和地下热水发电两大类。除此之外，还有一些新型的发电技术，尚未成熟。热电厂蒸汽发电系统水蒸气朗肯循环装置：锅炉、汽轮机、冷凝器、给水泵。工作原理：0-1—定压吸热过程；1-2—绝热膨胀过程；2-3—定压放热过程；3-4—绝热加压过程。汽轮机冷凝器发电机水泵锅炉热电厂蒸汽发电系统：朗肯循环热效率：3112121Ts,t)(hhhhqw提高循环热效率技术措施：（1）提高蒸汽参数；（2）采取回热循环；（3）采取再热循环；（4）热电联供：热电厂（1）背压式汽轮机地热蒸汽发电系统工作原理：首先把干蒸汽从蒸汽井中引出，先加以净化，经过分离器分离出所含的固体杂质，然后就可把蒸汽通入汽轮机做功，驱动发电机发电。做功后的蒸汽，可直接排入大气，也可用于工业生产中的加热过程。应用：这种系统多用于地热蒸汽中不凝结气体含量较高的场合，或者综合利用于工农业生产和人民生活的场合。一、地热蒸汽发电地热能可以取代传统的热电厂锅炉，采取地热发电，不消耗燃料。地热蒸汽发电系统与热电厂发电系统对比：a地热蒸汽发电系统b热电厂发电系统背压式汽轮机：汽轮机排汽压力大于1atm，排汽温度高于100℃。（2）凝汽式汽轮机发电系统为提高地热电站的机组出力和发电效率，通常采用凝汽式汽轮机地热蒸汽发电系统。在凝汽器中，为保持很低的冷凝压力，设有两台带有冷却器的射汽抽气器来抽气，同时把地热蒸汽带来的各种不凝结气体和外界漏入系统中的空气从凝汽器中抽走。射汽抽气器：蒸汽喷射器：凝汽式汽轮机发电系统工作原理在该系统中，由于蒸汽在汽轮机中能膨胀到很低的压力，因而能做出更多的功。做功后的蒸汽排入混合式凝汽器，并在其中被循环水泵打入的冷却水所冷却而凝结成水，然后排走。凝汽