地热能的利用现状与前景

地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类,而对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下：

(1)200～400℃,直接发电及综合利用。

(2)150～200℃,双工质循环发电、制冷、干燥、工业热加工。

(3)100～150℃,双工质循环发电、供暖、制冷、干燥、脱水加工、回收盐类、罐头食品加工。

(4)50～100℃,供暖、温室、家庭用热水、干燥。

(5)20～50℃,沐浴、水产养殖、饲养牲畜、土壤加温、脱水加工。

为了提高地热利用率,常采用梯级开发和综合利用的办法,如热电联产、热电冷三联产、先供暖后养殖等。

近年来,国外十分重视地热能的直接利用。因为进行地热发电,热效率低,温度要求高。所谓热效率低,是指地热发电的效率一般只有6.4%～18.6%。所谓温度要求高,是指利用地热能发电,对地下热水或蒸汽的温度要求一般在150℃以上；否则,将严重地影响其经济性。而地热能的直接利用,不但能量的损耗要小得多,并且对地下热水的温度要求也低得多,15～180℃的温度范围均可利用。在全部地热资源中,这类中、低温地热资源是十分丰富的,远比高温地热资源大得多。但是,地热能的直接利用也有其局限性,由于受载热介质——热水输送距离的制约。

目前地热能的直接利用发展十分迅速,已广泛地应用于工业加工、民用采暖和空调、洗浴、医疗、农业温室、农田灌溉、土壤加温、水产养殖、畜禽饲养等各个方面,收到了良好的经济效益,节约了能源。地热能的直接利用,技术要求较低,所需设备也较为简易。在直接利用地热的系统中,尽管有时因地热流中的盐和泥沙的含量很低而可以对地热加以直接利用,但通常都是用泵将地热流抽上来,通过热交换器变成高温气体和高温液体后再使用。

地热能直接利用中所用的热源温度大部分在40℃以上。如果利用热泵技术,温度20℃或低于20℃的热液源也可以被当作一种热源来使用。热泵的工作原理与家用电冰箱相同,只不过电冰箱实际上是单向输热,而地热热泵则可双向输热。冬季,它从地球提取热量,然后提供给住宅或大楼(供热模式)；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)。不管是哪一种循环方式,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或部分功能。因此地热泵可以提供比自身消耗的能量高3～4倍的能量,它可以在很宽的地球温度范围内使用。美国到2030年地热泵可为供暖、散热和水加热提供高达6.8×107 t油当量的能量。

对于地热发电来说,如果地热资源的温度足够高,利用它的最好方式就是发电。发出的电既可供给公共电网,也可为当地的工业加工提供动力。正常情况下,它被用于电网基本负荷的发电,只在特殊情况下才用于峰值负荷发电。理由为：一是对峰值负荷的控制比较困难；二是换热器的结垢和腐蚀问题,一旦换热器的液体不满或空气进入,就会出现结垢和腐蚀问题。总结上述情况,地热能利用在以下四方面起重要作用。

(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。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,地热发电不像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,主要是地下的水蒸气和热水。按照载热体类型、温度、压力和其他特性的不同,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。(www.xing528.com)

1)蒸汽型地热发电。蒸汽型地热发电是把蒸汽田中的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。

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：

闪蒸系统。地热扩容闪蒸系统如图7.1所示。当高压热水从热水井中抽到地面,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。

图7.1　地热扩容蒸汽电站发电系统示意图

双循环系统。地热双工质发电系统的流程如图7.2所示。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。发展地热双工质发电系统的关键技术是开发高效的热交换器。

(2)地热供暖。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、经济性好,因此备受各国重视,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。冰岛早在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,冰岛首都雷克雅未克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。目前世界上最大的两家地热应用工厂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的发展也非常迅速,在京津地区已成为地热利用中最普遍的方式。

图7.2　地热双工质电站发电系统示意图

(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；可利用地热水养鱼,在28℃水温下可加速鱼的育肥,提高鱼的出产率；可利用地热建造温室,育秧、种菜和养花；也可以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、罗氏沼虾等。

(4)地热医疗。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；含氢泉水、含硫氢泉水洗浴可治疗神经衰弱关节炎、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。日本有1500多个温泉疗养院,每年吸引1亿人次到这些疗养院休养。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前途的。

未来随着与地热利用相关的高新技术的发展,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。