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地热资源

      1、引言
      在传统能源面临枯竭的危机面前和全球环境不断恶化的双重挑战下,开发新能源,成为我国长期的能源发展战略之一。而地热能因其资源丰富,清洁无污染等优点倍受人们密切关注。
      2、地热资源
      地球本身是一座巨大的天然储热库,在地球的地壳下通过元素的放射性衰变,不断地放出热量,因此,地球内部蕴藏着大量热能。所谓地热就是指地球内部蕴藏的热能。
      据估计在地壳表层10km的范围内,地热资源就达12.6×1026J,相当于4.6×1016t标准煤,超过世界可采煤储量含热量的70000倍。按世界年耗100亿吨标准煤计算,可满足人类几十万年能源之用。这些地热随着地球内部的剧烈变动,通过火山爆发、地震和温泉等途径,经常不断地传到地表上来。
      地热资源按存在形式可分为五大类型,即蒸汽型、热水型、干热岩型、地压型和岩浆型。而能为人类开发利用的,目前还仅限于蒸汽型和热水型两类,岩浆型的利用,尚处于基础研究阶段,而干热岩型和地压型的开发利用,则处于实验阶段。
      3、地热能的基本利用
      地热能的基本利用可分为直接利用和地热发电两大类。对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下:200~ 400℃,直接发电及综合利用;150~200℃, 双循环发电,制冷,工业干燥,工业热加工;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;50~100℃,供暖,温室,家庭用热水,工业干燥;20~50℃,沐浴,水产养殖,饲养牲畜,土壤加温,脱水加工。
      3.1直接利用
      (1)地热取暖。地热能直接用于采暖、供热和供热水是最经济、最简便、最有效的利用方式,在有地热资源的地方钻一口井,将地下热水直接引入所需要的地方。冰岛是世界上采用地热供暖最多的国家,其首都不再燃烧矿物燃料,被誉为“世界上最清洁无烟的城市”。采用地热供暖,虽一次性初投资较大(主要是钻井费用,它取决于地热水的埋藏深度),但综合经济效益仍优于烧煤取暖。大面积的地热采暖,必须采取集中开发。首先评估好地热资源之后,全面规划地热开采和回灌方案,建立换热、调峰供热系统。若地热温度较高,还必须考虑采暖后尾水的综合利用方案,以求合理利用能源和获取更好的经济效益。 
      (2)地热进厂。地热在工业领域的应用十分广泛。比如:用来调节厂房空气;作为干燥和蒸馏的热流,使谷物和食鱼干燥;从地下热水里提炼稀有金属和元素钠、锂、钾、硼、碘、溴、硫等,还可提取核能工业的原料重水、氢、氧的同位素等;作为矿物加工的热源,用于硅藻土生产和精炼;在永久冻土地带改进矿山工作条件;道路融雪;用作甘蔗和甜菜制糖工业、造纸业、木材业、纺织业、制革业、酿酒业和橡胶业等热流能源等等。目前,世界上最大的两家地热应用工厂是冰岛的硅藻土厂和新西兰的纸浆木材加工厂。
      (3)地热务农。农业应用是地热利用的重要方式,中低温地热水最适宜作温室的热源。比如:利用地热建造地热温室;利用适宜温度的地热水灌溉农田,可使农作物早熟增产;用地热温水养鱼,在28℃的水温下可加速鱼的育肥,提高鱼的出产率;利用地热给沼气池加温,提高沼气的产量;还可育秧种菜等等。值得注意的是,地热水直接用于农业方面,不仅提供热源,还提供水源,由于地热水所含的成分不同,对养殖和农作物会产生一定的影响。地热水中有些微量元素能刺激动植物的正常生长,但也有不少元素会在动植物体内累积成有害物质,作为人类的食物这些残毒将十分危险。为了安全起见,除在利用地热水之前严格进行水质化验外,并应随时进行水质的复检,以控制水质的变化。
      (4)地热行医。地热水一般都含有某些特殊化学元素,具有一定的医疗效果。如:碳酸矿泉水供饮用,可调节胃酸、平衡人体酸碱度;铁水泉水饮用后,可治疗缺铁贫血症;氢泉、硫化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,吸引大批疗养者和旅游者。
      3.2地热发电
      目前应用的主要有两种地热发电方式:
      (1)蒸汽型地热发电。对于有压力的地热蒸汽,由于其热焓高,可通过地热井直接引入汽轮发电机组发电。但在引入发电机组前要把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。这种发电方式最为简单,但蒸汽型地热资源的蕴藏量较少,故发展受到限制。
      (2)热水型地热发电。热水型地热发电是目前地热发电的主要方式,有两种循环系统:①闪蒸系统。当高压热水从热水井中抽至地面,由于压力降低部分热水会沸腾并“闪蒸”成蒸汽,蒸汽送至汽轮机做功;而分离后的热水可继续利用后排出,或通过“还原井”送回地下。这种地下热水钻井深度一般为300~1500m,温度为150~300℃;②双循环系统。有的地热水中含有多种腐蚀性气体、杂质以及放射性元素和稀有金属。这些物质对汽轮机组磨损和腐蚀程度都比较大。因此需要采取多种净化措施,例如,用过滤器先排除杂质,防止积垢附着等,或者采用双循环系统。双循环系统把地热水作为热源,首先流经热交换器,将地热能传给另一种低沸点的工作流体(如氯化烷、氟里昂等),使之沸腾而产生蒸汽。蒸汽进入汽轮机做功后进入凝汽器,再通过热交换器而完成发电循环。地热水则从热交换器回注入地层。发展该系统的关键技术是开发高效的热交换器。
      3.3干热岩型地热发电
      干热岩的储量十分丰富,这种高温岩体受到岩浆的不断加热,形成一种“永久加热器”。开发干热岩资源的原理是从地表往干热岩中打一眼井(注入井),封闭井孔后向井中高压注入温度较低的水, 产生了非常高的压力。在岩体致密无裂隙的情况下, 高压水会使岩体大致垂直最小地应力的方向产生许多裂缝。若岩体中本来就有少量天然节理, 这些高压水使之扩充成更大的裂缝。当然, 这些裂缝的方向要受地应力系统的影响。随着低温水的不断注入, 裂缝不断增加、扩大, 并相互连通, 最终形成一个大致呈面状的人工干热岩热储构造。在距注入井合理的位置处钻几口井并贯通人工热储构造, 这些井用来回收高温水、汽, 称之为生产井。注入的水沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换, 产生了温度高达200-300℃的高温高压水或水汽混合物。从贯通人工热储构造的生产井中提取高温蒸汽, 用于地热发电和综合利用。利用之后的温水又通过注入井回灌到干热岩中, 从而达到循环利用的目的。

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