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地热能——地心热的开发利用

时间:2007-1-27栏目:石油能源论文

【摘要】地球的内部非常热,其地心温度大约为4000℃,热能持续不断地在流向地面,从地表辐射出去并消失在太空中。这一表面的平均热能量值为82毫瓦/米2,如果地球的表面积为5.1×1014米2,那么,这种连续不断的热流失率大约为42兆兆瓦(热)。  

何谓地热
  地球的内部非常热,其地心温度大约为4000℃,热能持续不断地在流向地面,
从地表辐射出去并消失在太空中。这一表面的平均热能量值为82毫瓦/米2,如果
地球的表面积为5.1×10142,那么,这种连续不断的热流失率大约为42兆兆瓦
(热)。
  到达地表的能量多数是很劣质的热,很少被搜集后直接使用。然而,在近百
万年间发生火山活动的地区,大量优质热留存于熔岩或已结晶的2~10公里深的
岩石中,用现代技术(如向岩石钻探)可有效予以搜集。
  从地壳岩石中抽取热量并运至地表,需要热传递介质。自然界是通过地下水
实现这一点的。地热库下边热的熔岩将地下水加热,热水通过岩石中相互连接的
断层、裂缝和孔洞浮上来。断层、裂缝和孔洞中的开放空间只占岩石体积的2%~
5%,但当它们充满了热水并且相互连接,将形成一个多孔渗透地热库。
  地热水的温度在一处与另一处可相差极大。有的地热源可产生300℃以上的热
水,有的则产生沸点以下(在海平面水的沸点为100℃)的水。高于150℃的高温热
源一般可用以发电,低温热源可直接加热使用,如工业加工、区域供热、温室加
热、食品干燥和水产养殖。

地热发电
  地热发电,实际上是用蒸汽动力发电。通过打井找到正在上喷的天然热水流。
由于水是从1~4公里的地下深处上来的,所以水是处在高压下。一眼底部直径25
厘米的井每小时可生产20~80万公斤的地热水与蒸汽。由于水温的不同,5~10
眼井产出的蒸汽可使一个发电装置生产出55兆瓦的电。
  这种发电装置有两类:汽轮机发电和二元发电装置。为了供给一台汽轮发
电机蒸汽,抽出的地热水(带压)在称为闪蒸罐容器的表面释放出来,一部分水
(约占35%,取决于它的温度)闪蒸(沸腾)为蒸汽,进入汽轮发动机进而带动一台
发电机。涡轮的排气用传统冷却塔冷却。闪蒸罐内剩余的水在沸腾阶段之后又注
入热库边缘的地下,它有助于维持热库的压力并补充对流的水热系统。
  在二元发电装置中,不是将热水闪蒸为蒸汽,而是送至一台热交换器,用以
加热工作介质,后者通常是有机化合物,如异丁烷或异戊烷。工作介质被气化,
用气化后的蒸汽驱动涡轮发动机,进而带动发电机。在离开涡轮后工作介质冷凝
为液体,流回热交换器再次被气化。地热流体通过喷射井又回到地下,这一点与
汽轮发电机中的情况很相似。由于在二元地热发电装置中所用的工作介质是在比
水低的温度下蒸发的,所以它的发电效率比汽轮发电机高。
  这两类发电装置各有其优点。汽轮发电机制造和运行都不太贵,但为了在高
效率下操作,它要求水温在180~200℃以上。二元发电装置制造和运行费用较高,
但它可用100℃或更低温的水发电。目前世界上多数正在运行的地热发电装置属于
汽轮机型,但二元发电装置越来越普及。

地热能的可持续性
  岩浆/火山的地热活动的典型寿命从最低5000年到100万年以上。这么长的寿
命使地热源成为一种再生能源。此外,地热库的天然补充率从几兆瓦到1000兆瓦
(热)以上。
  人类第一次用地热水发电是在1904年意大利的拖斯卡纳。1958年新西兰的北
岛开始用地热源发电(目前为212兆瓦);美国加州的喷泉热田,从1960年就开始发
电,目前的输出功率为1300兆瓦。显然,地热资源能够可靠、安全和可持续性地
运行。
  地热生产的可持续性也可从存在于热库岩石(含热量85%~95%)中的热源判断。
在美国加州的喷泉热田,热含量保守估计至少相当于燃烧280亿桶石油或62亿短顿
(1短顿=907公斤)煤所得的能量。

地热能的前景
  随着全世界对洁净能源需求的增长,将会更多地使用地热。全世界到处都有
地热资源,特别是在许多发展中国家尤其丰富,它们的使用可取代带来污染的矿
物燃料电站。这是非常重要的,因为一旦对矿物燃料电厂做出投资,在整个电厂
的寿命期间,将会发出大气污染流,其期限是几

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