地熱利用技術(shù)的歷史

  人類(lèi)很早以前就開(kāi)始利用地熱能，例如利用溫泉沐浴、醫療，利用地下熱水取暖、建造農作物溫室、水產(chǎn)養殖及烘干谷物等。但真正認識地熱資源并進(jìn)行較大規模的開(kāi)發(fā)利用卻是始于20世紀中葉。地熱能的利用可分為地熱發(fā)電和直接利用兩大類(lèi)，而對于不同溫度的地熱流體可能利用的范圍如下：

 

  1、2O0～400℃直接發(fā)電及綜合利用；

 

  2、150～200℃雙循環(huán)發(fā)電，制冷，工業(yè)干燥，工業(yè)熱加工；

 

  3、10O～15O℃雙循環(huán)發(fā)電，供暖，制冷，工業(yè)干燥，脫水加工，回收鹽類(lèi)，罐頭食品；

 

  4、50～100℃供暖，溫室，家庭用熱水，工業(yè)干燥；

 

  5、20～50℃沐浴，水產(chǎn)養殖，飼養牲畜，土壤加溫，脫水加工；

 

  現在許多國家為了提高地熱利用率，而采用梯級開(kāi)發(fā)和綜合利用的辦法，如熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供，熱電冷三聯(lián)產(chǎn)，先供暖后養殖等。    近年來(lái)，國外對地熱能的非電力利用，也就是直接利用，十分重視。因為進(jìn)行地熱發(fā)電，熱效率低，溫度要求高。所謂熱效率低。就是說(shuō)，由于地熱類(lèi)型的不同，所采用的汽輪機類(lèi)型的不同，熱效率一般只有6.4～18．6％，大部分的熱量白白地消耗掉。所謂溫度要求高，就是說(shuō)，利用地熱能發(fā)電，對地下熱水或蒸汽的溫度要求，一般都要在150℃以上；否則，將嚴重地影響其經(jīng)濟性。而地熱能的直接利用，不但能量的損耗要小得多，并且對地下熱水的溫度要求也低得多，從 15～180℃這樣寬的溫度范圍均可利用。在全部地熱資源中，這類(lèi)中、低溫地熱資源是十分豐富的，遠比高溫地熱資源大得多。但是，地熱能的直接利用也有其局限性，由于受載熱介質(zhì)—熱水輸送距離的制約，一般來(lái)說(shuō)，熱源不宜離用熱的城鎮或居民點(diǎn)過(guò)遠；不然，投資多，損耗大，經(jīng)濟性差，是劃不來(lái)的。

 

  目前地熱能的直接利用發(fā)展十分迅速，已廣泛地應用于工業(yè)加工、民用采暖和空調、洗浴、醫療、農業(yè)溫室、農田灌溉、土壤加溫、水產(chǎn)養殖、畜禽飼養等各個(gè)方面，收到了良好的經(jīng)濟技術(shù)效益，節約了能源。地熱能的直接利用，技術(shù)要求較低，所需設備也較為簡(jiǎn)易。在直接利用地熱的系統中，盡管有時(shí)因地熱流中的鹽和泥沙的含量很低而可以對地熱加以直接利用，但通常都是用泵將地熱流抽上來(lái)，通過(guò)熱交換器變成熱氣和熱液后再使用。這些系統都是最簡(jiǎn)單的，使用的是常規的現成部件。

 

  地熱能直接利用中所用的熱源溫度大部分都在40℃以上。如果利用熱泵技術(shù)，溫度為20℃或低于20℃的熱液源也可以被當作一種熱源來(lái)使用（例如美國、加拿大、法國、瑞典及其他國家的做法）。熱泵的工作原理與家用電冰箱相同，只不過(guò)電冰箱實(shí)際上是單向輸熱泵，而地熱熱泵則可雙向輸熱。冬季，它從地球提取熱量，然后提供給住宅或大樓（供熱模式）；夏季，它從住宅或大樓提取熱量，然后又提供給地球蓄存起來(lái)（空調模式）。不管是哪一種循環(huán)，水都是加熱并蓄存起來(lái)，發(fā)揮了一個(gè)獨立熱水加熱器的全部的或部分的功能。由于電流只能用來(lái)傳熱，不能用來(lái)產(chǎn)生熱，因此地熱泵將可以提供比自身消耗的能量高3～4倍的能量。它可以在很寬的地球溫度范圍內使用。在美國，地熱泵系統每年以 20％的增長(cháng)速度發(fā)展，而且未來(lái)還將以?xún)晌粩档牧己迷鲩L(cháng)勢頭繼續發(fā)展。據美國能源信息管理局預測，到2030年地熱泵將為供暖、散熱和水加熱提供高達68Mt油當量的能量。

 

  對于地熱發(fā)電來(lái)說(shuō)，如果地熱資源的溫度足夠高，利用它的好方式就是發(fā)電。發(fā)出的電既可供給公共電網(wǎng)，也可為當地的工業(yè)加工提供動(dòng)力。正常情況下，它被用于基本負荷發(fā)電，只在特殊情況下，才用于峰值負荷發(fā)電。其理由，一是對峰值負荷的控制比較困難，再就是容器的結垢和腐蝕問(wèn)題，一旦容器和渦輪機內的液體不滿(mǎn)和讓空氣進(jìn)入，就會(huì )出現結垢和腐蝕問(wèn)題。    總結上述，地熱能利用在以下四方面起重要作用。

 

  1．地熱發(fā)電

 

  地熱發(fā)電是地熱利用的最重要方式。高溫地熱流體應首先應用于發(fā)電。

 

  地熱發(fā)電和火力發(fā)電的原理是一樣的，都是利用蒸汽的熱能在汽輪機中轉變?yōu)闄C械能，然后帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。所不同的是，地熱發(fā)電不象火力發(fā)電那樣要備有龐大的鍋爐，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地熱能。地熱發(fā)電的過(guò)程，就是把地下熱能首先轉變?yōu)闄C械能，然后再把機械能轉變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程。要利用地下熱能，首先需要有“載熱體”把地下的熱能帶到地面上來(lái)。目前能夠被地熱電站利用的載熱體，主要是地下的天然蒸汽和熱水。按照載熱體類(lèi)型、溫度、壓力和其它特性的不同，可把地熱發(fā)電的方式劃分為蒸汽型地熱發(fā)電和熱水型地熱發(fā)電兩大類(lèi)。

 

  （1）蒸汽型地熱發(fā)電

 

  蒸汽型地熱發(fā)電是把蒸汽田中的干蒸汽直接引人汽輪發(fā)電機組發(fā)電，但在引人發(fā)電機組前應把蒸汽中所含的巖屑和水滴分離出去。這種發(fā)電方式最為簡(jiǎn)單，但干蒸汽地熱資源十分有限，且多存于較深的地層，開(kāi)采技術(shù)難度大，故發(fā)展受到限制（參考《資源》欄目有關(guān)文章）。主要有背壓式和凝汽式兩種發(fā)電系統。

 

  （2）熱水型地熱發(fā)電

 

  熱水型地熱發(fā)電是地熱發(fā)電的主要方式。目前熱水型地熱電站有兩種循環(huán)系統：

 

  a、閃蒸系統。閃蒸系統如圖1所示。當高壓熱水從熱水井中抽至地面，于壓力降低部分熱水會(huì )沸騰并“閃蒸”成蒸汽，蒸汽送至汽輪機做功；而分離后的熱水可繼續利用后排出，當然最好是再回注人地層。

 

  b、雙循環(huán)系統。雙循環(huán)系統的流程如圖2所示。地熱水首先流經(jīng)熱交換 器，將地熱能傳給另一種低沸點(diǎn)的工作流體，使之沸騰而產(chǎn)生蒸汽。蒸汽進(jìn)人汽輪機做功后進(jìn)人凝汽器，再通過(guò)熱交換器而完成發(fā)電循環(huán)。地熱水則從熱交換器回注人地層。這種系統特別適合于含鹽量大、腐蝕性強和不凝結氣體含量高的地熱資源。發(fā)展雙循環(huán)系統的關(guān)鍵技術(shù)是開(kāi)發(fā)高效 的熱交換器。

 

  地熱發(fā)電的前景是取決于如何開(kāi)發(fā)利用地熱儲量大的干熱巖資源。其關(guān)鍵技術(shù)是能否將深井打人熱巖層中。美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫科學(xué)試驗室正在對這一系統進(jìn)行遠景試驗。

 

  2．地熱供暖

 

  將地熱能直接用于采暖、供熱和供熱水是僅次于地熱發(fā)電的地熱利用方式。因為這種利用方式簡(jiǎn)單、經(jīng)濟性好，倍受各國重視，特別是位于高寒地區的西方國家，其中冰島開(kāi)發(fā)利用得最好。該國早在1928年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一個(gè)地熱供熱系統，現今這一供熱系統已發(fā)展得非常完善，每小時(shí)可從地下抽取7740t80℃的熱水，供全市11萬(wàn)居民使用。由于沒(méi)有高聳的煙囪，冰島首都已被譽(yù)為“世界上最清潔無(wú)煙的城市”。此外利用地熱給工廠(chǎng)供熱，如用作干燥谷物和食品的熱源， 用作硅藻土生產(chǎn)、木材、造紙、制革、紡織、釀酒、制糖等生產(chǎn)過(guò)程的熱源也是大有前途的。目前世界上最大兩家地熱應用工廠(chǎng)就是冰島的硅藻土廠(chǎng)和新西蘭的紙槳加工廠(chǎng)。我國利用地熱供暖和供熱水發(fā)展也非常迅速，在京津地區已成為地熱利用中最普遍的方式。

 

  3．地熱務(wù)農

 

  地熱在農業(yè)中的應用范圍十分廣闊。如利用溫度適宜的地熱水灌溉農田，可使農作物早熟增產(chǎn)；利用地熱水養魚(yú)，在28℃水溫下可加速魚(yú)的育肥，提高魚(yú)的出產(chǎn)率；利用地熱建造溫室，育秧、種菜和養花；利用地熱給沼氣池加溫，提高沼氣的產(chǎn)量 等。 將地熱能直接用于農業(yè)在我國日益廣泛，北京、天津、西藏和云南等地都建有面積大小不等的地熱溫室。各地還利用地熱大 力發(fā)展養殖業(yè)，如培養菌種、養殖非洲鯽魚(yú)、鰻魚(yú)、羅非魚(yú)、羅氏沼蝦等。

 

  4．地熱行醫

 

  地熱在醫療領(lǐng)域的應用有誘人的前景，目前熱礦水就被視為一種寶貴的資源，世界各國都很珍惜。由于地熱水從很深的地下提取到地面，除溫度較高外，常含有一些特殊的化學(xué)元素，從而使它具有一定的醫療效果。如合碳酸的礦泉水供飲用，可調節胃酸、平衡人體酸堿度；含鐵礦泉水飲用后，可治療缺鐵貧血癥； 氫泉、硫水氫泉洗浴可治療神經(jīng)衰弱和關(guān)節炎、皮膚病等。

 

  由于溫泉的醫療作用及伴隨溫泉出現的特殊的地質(zhì)、地貌條 件，使溫泉常常成為旅游勝地，吸弓怕批療養者和旅游者。在日本就有1500多個(gè)溫泉療養院，每年吸引1億人到這些療養院休養。我國利用地熱治療疾病歷史悠久，含有各種礦物元素的溫泉眾多，因此充分發(fā)揮地熱的行醫作用，發(fā)展溫泉療養行業(yè)是大有可為的。

 

  未來(lái)隨著(zhù)與地熱利用相關(guān)的高新技術(shù)的發(fā)展，將使人們能更精確地查明更多的地熱資源；鉆更深的鉆井將地熱從地層深處取出，因此地熱利用也必將進(jìn)人一個(gè)飛速發(fā)展的階段 。