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干热岩

     当前在大力推进生态文明建设过程中,有效控制和降低雾霾已成为各级政府面临的一项不容回避和拖延的重要任务,考验着城市政府的执政能力。根据监测分析,PM2.5污染物约有四分之一来自燃煤排放,在冬季采暖季尤为明显。在环保重压之下,各地大力推进燃煤锅炉“煤改气”,从供暖方式上减少煤炭使用量是治污减霾的重要方向。但由于天然气供应不足,难以完全承担煤改气带来的增量,因此,寻找其它可再生的新型清洁能源成为摆在我们面前的现实任务。

   开发利用地热能具有良好的社会效益、环境效益

   为了寻找可再生的新型清洁能源,科学家做了广泛的尝试。风能、太阳能等可再生能源,受地域、天气、季节变化影响大,难以全方位全天候应用。核电站技术日臻完善,但建设成本大,有安全风险。水电资源丰富,但易受气候条件制约,枯水期无法全负荷运转,且存在引发地质变化的可能和难以避免的生物生态环境问题。人们目光转向了地热。
   地热资源是矿产资源的一部分。以往人们对地热的认识很单一,只是针对地热水。然而,地热水是不可再生的,赋存有限,用一点少一点,还会带来地质沉降、地下水受污染等风险,必须采取措施加以保护,严格控制开发。
    现在,我们需要很好地认识和了解地热资源——干热岩。
    地热是蕴藏在地球内部的一种巨大的“绿色能源宝库”,具有可持续和可再生等特点,不仅资源储量大,分布广,还是一种新型清洁能源,开发利用地热能具有良好的社会效益、环境效益,市场潜力巨大,发展前景广阔。地热是唯一不受天气、季节变化影响的能源,最大优势在于其安全性、稳定性、连续性和利用率高,具有清洁、低碳、可再生等特点。积极开发利用地热能对缓解能源资源压力、实现非化石能源目标、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设具有重要的现实意义和长远的战略意义。
    按照现有开发技术的可能性,地热资源的范围一般指在地壳表层以下5000米以内地层和岩石所含的热量。按照埋藏深度,200米以内的属于浅层地热能,称为土壤热源,温度大约在25℃左右。随深度增加,正常状态为埋深每增加100米,温度升高3℃。200米至3000米的属于中层地热,温度在65~150℃之间,3000米以上深层没有水或蒸汽的热岩体属于深层地热,温度在150~650℃之间。习惯上将土壤热源之外的地热统称为干热岩。

    干热岩(HDR),也称增强型地热系统(EGS),或称工程型地热系统,是一般温度大于200℃,埋深数千米,内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。这种岩体的成分可以变化很大, 绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩, 但也可以是中新生代的变质岩, 甚至是厚度巨大的块状沉积岩。干热岩主要被用来提取其内部的热量, 因此其主要的工业指标是岩体内部的温度。
    据测算,我国在较浅层的干热岩资源中,蕴藏的热能是包括石油、天然气和煤在内的所有化石燃料能量的300倍还多,3000米至10000米深处干热岩资源相当于860万亿吨标准煤,是我国目前年度能源消耗总量的26万倍。最重要的是,干热岩系统的排放几乎为零,无废气和其他流体或固体废弃物,可维持对环境最低水平的影响,最大程度地缓解气候变化压力。

干热岩技术日臻成熟,具备广泛应用的条件。

 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。

    经过科技人员多年研发,干热岩供热技术已取得重大突破。通过钻机向地下干热岩层钻直径200毫米、埋深2000米的换热孔,给孔中安装密闭的金属换热器,在换热器内充满软化水,通过换热器管壁传导将地下深层的热能导出,再通过循环系统向建筑物供热,安全可靠,突破用地制约,无废气、废液、废渣等污染物排放。经济效益、社会效益显著,治污减霾成效更加突出。
    干热岩供热技术具有以下特点:一是占地空间小。钻孔位置的选定比较灵活,可不受场地条件制约;二是绿色环保。无废气、废液、废渣等排放;三是保护水资源。系统与地下水隔离,不抽取动用地下水;四是高效节能。新材料的使用提高了吸热导热效率,一个换热孔可以解决1万-1.3万平米建筑的供暖;五是系统寿命长。换热器采用特种钢材制造,耐腐蚀、耐高温、耐高压,寿命可与建筑寿命相当;六是安全可靠。孔径小,埋管深,系统稳定,地下无运动部件,对建筑地基无任何影响;七是投资成本低。向地下中、深层取热,增加单孔取热量,扩大供热面积,可减少钻孔数,降低开发成本。以100万平方米建筑面积一个采暖季(4个月)为例:
    能源消耗对比:采用干热岩供热技术需要消耗部分电能,折合成当量标准煤约为5400吨;采用燃煤锅炉消耗标煤量1.6万吨,比干热岩供热多消耗标煤约1.06万吨。
    排放物质对比:干热岩供热技术消耗少量电能,不产生废弃物,零排放;燃煤锅炉CO2排放量约4.3万吨、SO2排放量约136吨。
    投资运行对比:干热岩技术前期投入虽然比燃气锅炉高20%,比集中供热高15%,但正常运行及维护费用要比上述供热方式低35%左右,比较优势明显。
    日前,东营市发改委、市国土局、市环保局等部门对实际应用该项技术的住宅、商业、办公楼盘情况进行了调研,认为具备广泛推广的条件。

    地热能技术应用需要大力扶持和推广

地热能作为可再生的新型环保清洁能源,也是一种特殊矿产资源。地热资源的应用潜力巨大,随着技术进步,不断扩大使用范围,将会创造一种全新的能源利用形式,不仅可以优化能源使用结构,而且节约资源、高效经济,治污减霾效果突出,环境效益十分显著。仅从利用地热能供暖测算,若实现利用地热能供暖1000万平方米面积,每年可节约标准煤约59万吨,减排二氧化碳约160万吨,二氧化硫约5000吨,氮氧化物约4900吨。
    近年来,国家先后制定了对地热能项目按节能投资项目无偿补助、按投资规模给予资助、按节能效果给予奖励等相关政策。我省也对地源热泵、干热岩供热等环保节能用电设备执行居民生活用电价格。西安市应当在国家扶持的基础上,进一步从政策和资金上给予支持,在促进相关技术研发、资源合理利用以及市场准入等方面制定出台扶持优惠政策,鼓励地热能推广应用,积极引导社会资金投入,形成地热能开发有度、市场有序的良好局面,实现规模化应用,不断扩大市场份额,切实降低建筑供暖领域煤炭、天然气使用量,减少排放。

    随着传统化石能源的日益减少,地热能具备在中国能源中占有重要位置的资源基础。


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