1、6 地热能Geothermal Energy Nesjavellir,Iceland.300C fluidused to produce electricity2地热能综述 我们人类居住的这个星球，很像是一个巨大的“热水瓶”，外凉内热，而且是越往里温度越高。人们把蕴藏于地球内部的热能称为“地热能”。地球通过火山爆发和温泉外溢等途径，将其内部蕴藏的热能源源不断地输送到地面上来。现代人们常说的温泉，就是人类的祖先在很久以前就开始利用的一种地热能。不过，人类对地热能的大规模开发利用，可以说现在才刚刚起步。因此地热能是一种开发潜力很大的新型能源。3什么是地热能？所谓地热能就是地球内部以热的形式蕴藏的能
2、量。Geothermal energy is the energy contained as heat in the Earths interior 70%Source of heat is the radioactive isotopes同位素 as they decay Only isotopes with half-lives comparable to the age of the Earth(4.5 billion years)are significant.These include 40K,232Th,235U,and 238U Some energy is from resid
3、ual heat left over from Earths formation.The rest of the energy comes from meteorite陨星 impacts.Heat is transported to surface by conduction and convection4地球的内部结构半径：半径：6370 km6370 km三个区域：三个区域：地壳地壳Crust Crust：2065km(2065km(大陆大陆)或或7 7公公里（海洋）里（海洋）地幔地幔Mantle Mantle：2900km2900km软流圈：软流圈：呈部分熔融状态的，呈部分熔融状态的，
4、60-400km60-400km，是液态岩浆，是液态岩浆的发源地。的发源地。地核地核Core Core：半径为半径为3473km3473km56The heat of the EarthCore center,40005000oC 3.6 million bars7地热循环地热循环8910地热资源 据估计在地壳表层10km的范围内，地热资源就达12.61026J，相当于4.61016t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。目前应用最广的是热水型和蒸汽型 11蒸汽型 蒸汽型地热田是最理想的地热资源，
5、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%。12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，90150称为中温热水田，150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。这种地热能分布较广，约占已探明的热资源的10%.13地压型 它是指在高压下埋藏在深为23
6、km的沉积岩中含有可溶性甲烷(沼气)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150260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。其储量较大，约占已探明的地热资源的20%。地压型地热能的开发利用目前尚处于研究探索阶段。14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150650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。其储量更大，约占已探明的地热资源总量的30%。15岩浆型 它
7、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。不过在开采这种地热能时，需要在火山地区打几千米深的钻孔，所冒的风险很大，因此这种地热能目前尚未得到实际开发利用。16地热流体的物理化学性质 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%。地热流体中还含有数量不等的Na、CI、KCI、CaCI2、H2SiO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。17地热流体的物理化学性质 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：pH值较
8、大，而不凝结气体含量不太大的干蒸汽或湿度很小的蒸汽；不凝结气体含量大的湿蒸汽；pH值较大，以热水为主要成分的两相流体；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。18地热能利用 200400 直接发电及综合利用；150200 双循环发电，制冷，工业干燥，工业热加工；100150 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；50100 供暖，温
9、室，家庭用热水，工业干燥；2050 沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工。10 20 空调（地源热泵）。19地热能的利用 在工业上，地热能可用于加热、干燥、制冷、脱水加工、提取化学元素、海水淡化等方面。在农业生产上，地热能可用于温室育苗、栽培作物、养殖禽畜和鱼类等。例如，地处高纬度的冰岛不仅以地热温室种植蔬菜、水果、花卉和香蕉，近年来又栽培了咖啡、橡胶等热带经济作物。在浴用医疗方面，人们早就用地热矿泉水医治皮肤病和关节炎等，不少国家还设有专供沐浴医疗用的温泉。20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。地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能
10、在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不象火力发电那样要备有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能。地热发电的过程，就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过程。要利用地下热能，首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。21 200 350C Depth:1 3 km Related to volcanismand plate boundaries Suitable f
11、orelectricityproduction withconventionalturbines22Geothermal Power Plant23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。主要有背压式和凝汽式两种发电系统。24背压式发电系统25凝汽式发电系统26凝汽式发电系统27热水型地热发电 闪蒸系统 双循环系统28闪蒸系统 Flash SteamThe CalEnergy Navy I flash ge
12、othermal power plant at the Coso geothermal field 29双循环系统 Binary Cycle 双循环发电系统：也称有机工质朗肯循环系统。它以低沸点有机物为工质，使工质在流动系统中从地热流体中获得热量，并产生有机质蒸汽，进而推动汽轮机旋转，带动发电机发电。30双循环发电系统双循环发电系统31全流发电系统 全流发电系统：本系统将地热井口的全部流体，包括所有的蒸汽、热水、不凝气体及化学物质等，不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做功，其后排放或收集到凝汽器中。这种形式可以充分利用地热流体的全部能量，但技术上有一定的难度，尚在攻关。32全流发电系统全流发电
13、系统33干热岩发电系统 干热岩发电系统：利用地下干热岩体发电的设想，是美国人莫顿和史密斯于1970年提出的。1972年，他们在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井，从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽，功率达2300千瓦。进行干热岩发电研究的还有日本、英国、法国、德国和俄罗斯，但迄今尚无大规模应用。3435地热发电的前景是地热发电的前景是取决于如何开发利用地取决于如何开发利用地热储量大的干热岩资源。热储量大的干热岩资源。其关键技术是能否将深其关键技术是能否将深井打人热岩层中。美国井打人热岩层中。美国新墨西哥州的洛斯阿拉新墨西哥州的洛斯阿拉莫科学试验室正在对这
14、莫科学试验室正在对这一系统进行远景试验。一系统进行远景试验。36Schematic of a commercial-scale Hot Dry Rock37地热发电的好处利用地热能来进行发电其好处很多：建造电站的投资少，通常低于水电站；发电成本比火电、核电及水电都低；发电设备的利用时间较长；地热能比较干净，不会污染环境；发电用过的蒸汽和热水，还可以再加以利用，如取暖、洗浴、医疗、化工生产等。38地热能的直接利用 地热能直接利用于烹饪、沐浴及暖房，已有悠久的历史。至今，天然温泉与人工开采的地下热水仍被人类广泛使用。据联合国统计，世界地热水的直接利用远远超过地热发电。中国的地热水直接利用居世界首位
15、，其次是日本。地热水的直接用途非常广泛，主要有采暖空调、工业烘干、农业温室、水产养殖、旅温泉疗养保健等。39地热供暖 将地热能直接用于采暖，供热和供热水是仅次于地热发电的地热利用方式。因为这种利用方式简单、经济好，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
16、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。40雷克雅末(冰岛首都)地热利用41地热供暖地热供暖42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、种菜和养花；利用地热给沼气池加温，提高沼气出产量等。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、罗非鱼、罗氐沼虾等。43地热务农地热务农44地热养
17、殖地热养殖45自然对流温室加热系统(a)aerial pipe heating;(b)bench heating;(c)low-position heating pipes for aerial heating.(d)Soil heating.Heating installations withforced air movement(forced convection):(e)lateral position;(f)aerial fan;(g)high-position ducts;(h)low-position ducts.46地源热泵 冬季，它从地球提取热量，然后提供给住宅或大楼（供热模式
18、）；夏季，它从住宅或大楼提取热量，然后又提供给地球蓄存起来（空调模式）。不管是哪一种循环，水都是加热并蓄存起来，发挥了一个独立热水加热器的全部的或部分的功能。47GHP System options48地源热泵系统49热泵系统制热循环50200 Ft.20 Ft.25 Ft.4 Ft.51Generally requires 1500-3000 ft2 land area per ton52AAHDPE u-tubes in vertical bores.Generally requires 250-300 ft2 of land area per ton53Productionwell pu
19、mpRiver orother surface bodyOptionalinjectionwellPlate heat exchangerAAGenerally requires wells with flow of 2-3 gpm/ton54LakeH D P E C oi l s w i thU V P rotecti on i nLoose B undl esAATypically 15 tons/acre(depth15-20 ft)or as high as 85 tons/acre for well stratified deep lakes55AAPlate heat excha
20、ngerWater intakeWater dischargePumpMore suited to warm climates,or cooling-only applications56submersible pumpperforated intakedischargesleeveformationsoilAAoptional bleed57地热能的梯级利用58地热利用中的问题 地热是一种比较清洁的能源，排放很少量的二氧化碳，而且也似乎是取之不尽的。地热能的潜力是有限的(地域性的)，而且是可耗尽的(在任何给定的地点)。地热能的利用还必须解决一些运行问题和环境问题。地热排水中带有腐蚀性盐类和污
21、染气体。盐类的积累需要通过稳定化过程来防止锅炉管道的堵塞。此外，盐和低温蒸汽的共同作用要求蒸汽轮机的叶片用特殊的合金制成以防止腐蚀造成叶片频繁更换。地下的地质压力降低后排放出来的气体包括硫化氢、二氧化碳和氡。硫化氢是一种具有爆炸性和毒性的气体并具有有害的“臭鸡蛋”气味，必须加以去除。在此去除过程和地热流体的处理过程中产生的有毒废物也必须慎重地加以处置。如果地热流体(主要是水)不重新注入，它的排放有可能会污染其他可用地下水资源。深井的技术问题需要解决。59我国地热资源 据估计，全世界地热资源总量相当于 4 948万亿吨标准煤，据不完全统计，我国已查明地热资源相当于2 000万亿吨标准煤。西藏、云
22、南、四川、广东、福建等地的温泉多达1 503处，占全国温泉总数的61.3。在全国121个水温高于80 的温泉中，云南，西藏占62，广东、福建占18.2，其他省区不足15。60 我国地热资源的特点是类型较多，有近期火山和岩浆活动类型；有把皱山区断裂构造类型；还有中新生代自流水盆地类型。其形成主要受构造体系和地震活动的影响，与火山活动密切相关。61 根据其形成的地质作用和赋存条件，可以划分为三种类型：（1）火山或岩浆型地热资源；（2）盆地型中低温地热资源；（3）断裂带型中低温地热资源。62地热能的未来 在21世纪，一个个地热电站将屹立在世界各地。地热带出的硫化氢被浓缩、提炼成为制造硫酸和其他化工产
23、品的原料。地热水经过利用后，又成为清洁的水源供人们生产和生活使用，开拓了一条新水源。63 未来随着科学技术的发展和进步，一座座活火山将成为一个个热电厂；一块块地震频发区，反而成为一个个地热开采的中心；地热资源是地球奉献给人类的又一个能量宝库，有其不可估量的前途。我国地热储量约占全球资源量的1/6，到2020年，我国非化石能源占一次能源总消费的比重要提高到15%，地热能开发年利用量要达到5000万吨标煤；2030年我国非化石能源占一次能源总消费的比重要继续提高到20%，地热能开发年利用量要达到1亿吨标煤。开发利用地热对我国调整能源结构、节能减排、改善环境具有重要意义。中国石化地热开发区域扩展到1
24、4个省市，地热供暖面积超过3000万平方米，约占全国常规地热资源供暖面积的30%，实现可替代标煤100万吨/年，减排二氧化碳250万吨/年，成为国内地热开发利用规模最大的企业，并成功打造了地热资源开发利用的“雄县模式”。截至目前，雄县已建成供暖能力338万平方米，成为我国第一个“无烟城”中国是以中低温为主的地热资源大国，全国地热资源潜力接近全球的8%；中国从20世纪70年代初期开展现代意义上的地热资源开发利用，随着地源热泵技术的发展，浅层地热能利用目前是中国地热能开发应用的主要方式。此前有业内人士推测，到2015年，浅层地温能开发投资额将达1500亿元以上。根据四部委发布的促进地热能开发利用的
25、指导意见，地热能利用的主要目标为，到2015年，基本查清全国地热能资源情况和分布特点，建立国家地热能资源数据和信息服务体系。全国地热供暖面积达到5 亿平方米，地热发电装机容量达到10万千瓦，地热能年利用量达到2000万吨标准煤，形成地热能资源评价、开发利用技术、关键设备制造、产业服务等比较完整的产业体系。到2020年，地热能开发利用量达到5000万吨标准煤，形成完善的地热能开发利用技术和产业体系。鼓励有条件的企业重点对地热能资源评价技术、地热发电技术、高效率换热（制冷）工质、中高温热泵压缩机、高性能管网材料、尾水回灌和水处理、矿物质提取等关键技术进行联合攻关；依托地热能利用示范项目，加快地热能
26、利用关键技术产业化进程，形成对我国地热能开发利用强有力的产业支撑。热泵压缩机和螺杆膨胀机等地热能开发利用的关键设备将会出现需求暴增。在关键设备市场容量估算方面，地热发电螺杆膨胀机组按每千瓦1.2万元的单价计算，则7.5万千瓦装机容量对应的螺杆膨胀机需求金额可达9亿元，热泵压缩机组方面按每万平方米50万元的单价计算，则3.5亿平方米供暖面积对应热泵压缩机组需求金额可达175亿元。全面完成了天津市浅层地热能资源调查，查明了天津市浅层地热能分布特点和赋存条件，评价了资源量和开发利用潜力。计算出浅层地热能的可利用资源量为1748万亿kJ，冬季可供暖面积13.4亿m2，夏季可制冷面积12.6亿m2。每年浅层地热能可利用资源量全部开发可节约标准煤5974万吨，扣除开采的电能消耗，可节约标准煤4480万吨，减少向大气排放二氧化碳等1.17亿吨，减少环境治理费用15.32亿元。实施了梅江会展中心等10个具有代表性的浅层地热能开发利用示范工程。通过示范工程建设，提出了工程建设与管理的标准和要求，为浅层地热能开发利用规范化建设提供了依据。10个示范工程项目总供热、制冷面积约100万m2，建成后每年可节约标准煤4万吨，减少排放二氧化碳等10万吨。
