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地热能 |
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一．地球的内部构造
地球本身就是一座巨大的天然储热库。所谓地热能就是地球内部蕴藏的热能。有关地球内部的知识是从地球表面的直接观察及钻井的岩样和火山喷发、地震等资料推断而得到的。根据现在的认识，地球的构成是这样的：在约2800km厚的铁—镁硅酸盐地幔上有一薄层(厚约30km)铝—硅酸盐地壳；地幔下面是被态铁—镍地核，其内还含有一个固态的内核。在6-70km厚的表层地壳和地幔之间有个分界面，通常称之为莫霍不连续面。莫霍界面会反射地震波。从地表到深100-200km为刚性较大的岩石圈。由于地球内圈和外圈之间存在较大的温度梯度，所以其间有黏性物质不断循环。地球内部各区段情况如表4-13所示。
大洋壳层厚约6-10km，由玄武岩构成，大洋壳层会延伸到大陆壳层下面。大陆壳层则是由密度较小的钠钾铝—硅酸盐的花岗石组成，典型厚度约为35m，但是在造山地带其厚度可能达70km。地壳和地幔最简单的模型如图4-42所示。地壳好像一个“筏”放在刚性岩石圈上，岩石圈又漂浮在黏性物质构成的软流圈上。由于软流圈中的对流作用，会使大陆壳“筏”向各个方向移动，从而会导致某一大陆板块与其他大陆板块或大洋板块碰撞或分离。它们就是造成火山喷发、造山运动、地震等地质活动的原因。在图4-42中的箭头表示了板块和岩石圈的运动及其下面黏性物质的热对流。
地幔中的对流把热能从地球内部传到近地壳的表面地区，在那里热能可能绝热储存达百万年之久。虽然这里储热区的深度已大大超过了目前钻探技术所能达到的深度，但由于地壳表层中含有游离水，这些水有可能将热储区的热能带到地表附近，或穿出地面而形成温泉，特别在所谓地质活动区更是如此。
二．地热资源的类型
据估计在地壳表层lOkm的范围内，地热资源就达12.6×1026J，相当于4.6×1026J标准煤，即超过世界技术和经济力量可采煤储量含热量的70000倍。地质学上常把地热资源分为蒸汽型、热水型、干热岩型、地压型和岩浆型五大类。
1．蒸汽型
蒸汽型地热田是最理想的地热资源，它是指以温度较高的干蒸汽或过热蒸汽形式存在的地下储热。形成这种地热田要有特殊的地质结构，即储热流体上部被大片蒸汽覆盖，而蒸汽又被不透水的岩层封闭包围。这种地热资源最容易开发，可直接送入汽轮机组发电，可惜蒸汽田很少，仅占已探明地热资源的0.5%。
2．热水型
它是指以热水形式存在的地热田，通常既包括温度低于当地气压下饱和温度的热水和温度高于沸点的有压力的热水，又包括湿蒸汽。90℃以下称为低温热水田，90—150℃称为中温热水田，1500C以上称为高温热水田。中、低温热水田分布广，储量大，我国已发现的地热田大多属这种类型。
3．地压型
它是埋藏在深为2～3km的沉积岩中的高盐分热水，它被不透水的页岩包围。由于沉积物的不断形成和下沉，地层受到的压力越来越大，可达几十兆帕，温度处在150-260℃范围内。地压型热田常与石油资源有关。地压水中溶有甲烷等碳氢化合物，形成有价值的副产品。
4．干热岩型
干热岩是指地层深处普遍存在的没有水或蒸汽的热岩石，其温度范围很广，在150-65012之间。干热岩的储量十分丰富，比蒸汽、热水和地压型资源大得多。目前大多数国家都把这种资源作为地热开发的重点研究目标。
5．岩浆型
它是指蕴藏在地层更深处处于黏弹性状态或完全熔融状态的高温熔岩。火山喷发时常把这种岩浆带至地面。岩浆型资源据估计约占已探明地热资源的40%左右。
上述五类地热资源中，目前应用最广的是热水型和蒸汽型。
我国处于全球欧亚板块的东南边缘，在东部和南部分别与大平洋板块和印度洋板块连接，是地热资源较丰富的国家之一。两个高温地带或温泉密布地带就分别位于上述两个板块边缘的碰撞带上，而中、低温泉密布带则多集中于板块内的区域构造边界的断层带上。西藏的地热资源最为丰富，云南的地热点最多，已知的达706处。在常规能源比较缺乏的福建省，已探明的地热能达3.34×1020J，相当于117亿t标准煤，因此最近几年该省地热利用发展较快。
三．地热流体的物理化学性质
目前开发地热能的主要方法是钻井，井由所钻的地热井中引出地热流体——蒸汽和水而加以利用；因此地热流体的物理和化学性质对地热的利用至关重要。
地热流体不管是蒸汽还是热水一般都含有CO2、H2S等不凝结气体，其中CO2占90%。表4-14为不同地区地热流体中放出的不凝结气体的成分和浓度。地热流体中还含有数量不等的NaCl、KCl、CaCl2、H2SiO3等物质。地区不同，含盐量差别很大，以重量计地热水的含盐量在0.1%到40%之间。表4-15为不同地区地热流体中含盐物质的种类和浓度。
在地热利用中通常按地热流体的性质将其分为以下几大类：
(1)pH值较大，而不凝结气体含量不太大的干蒸汽或湿度很小的蒸汽；
(2)不凝结气体含量大的湿蒸汽；
(3)pH值较大，以热水为主要成分的两相流体；
(4)pH值较小，以热水为主要成分的两相流体。
在地热利用中必须充分考虑地热流体物理化学性质的影响，如对热利用设备，由于大量不凝结气体的存在就需要对冷凝器进行特别的设计；由于含盐浓度高就需要考虑管道的结垢和腐蚀；如含H2S就要考虑其对环境的污染；如含某种微量元素就应充分利用其医疗效应等。
四．地热能的利用
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地热能利用装置 |
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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。
地热能的利用可分为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：
200～400℃ 直接发电及综合利用
150～200℃ 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
为提高地热利用率，现在许多国家采用梯级开发和综合利用的办法，如热电联产联供，热电冷三联产，先供暖后养殖等。
地热能利用在以下几方面可起重要作用。
1．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。根据地热流体的类型，目前有两种地热发电方式，即蒸汽型地热发电和热水型地热发电。
(1)蒸汽型地热发电
蒸汽型地热发电是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电，但在引入发电机组前应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，但干蒸汽地热资源十分有限，且多存于较深的地层，开采技术难度大，故发展受到限制。
(2)热水型地热发电
热水型地热发电是地热发电的主要方式。目前热水型地热电站有两种循环系统：
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，当然最好是再回注入地层。
2)双循环系统
地热水首先流经热交换器，将地热能传给另一种低沸点的工作流体，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。这种系统特别适合于含盐量大、腐蚀性强和不凝结气体含量高的地热资源。发展双循环系统的关键技术是开发高效的热交换器。
2．地热供暖
将地热能直接用于采暖、供热和供热水是仅决于地热发电的地热利用方式。因为这种利用方式简单、经济性好，倍受各国重视，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。该国早在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7740t 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”。
此外利用地热给工厂供热，如用作干燥谷物和食品的热源，用作硅藻土生产、木材、造纸、制革、纺织、酿酒、制糖等生产过程的热源也是大有前途的。目前世界上最大两家地热应用工厂就是冰岛的硅藻土厂和新西兰的纸浆加工厂。
我国利用地热供暖和供热水发展也非常迅速，在京津地区已成为地热利用中最普遍的方式。
3．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、种莱和养花；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、罗非鱼、罗氐沼虾等。
4．地热行医
地热在医疗领域的应用有诱人的前景，目前热矿水就被视为一种宝贵的资源，世界各国都很珍惜。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，吸引大批疗养者和旅游者。在日本就有1500多个温泉疗养院，每年吸引1亿人到这些疗养院休养。
我国利用地热治疗疾病历史悠久，含有各种矿物元素的温泉众多，因此充分发挥地热的行医作用发展温泉疗养行业是大有可为的。
进入21世纪，随着与地热利用相关的高新技术的发展，特别是以全球定位系统作基础的高精度资源勘探技术，以新材料、新动力和新型加工为基础的钻井技术的进步，将使人们能更精确地查明更多的地热资源；钻更深的钻井将地热从地层深处取出，因此地热利用也必将进入一个飞速发展的阶段。
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