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关于我

笔名探矿者—一个立志执着于探索自然和学术的“打工者”。1962年5月生,福建人,1982年毕业于成都地质学院找矿系,地质调查专业 工学学士 高级工程师。长期从事地质调查、矿产勘查以及矿床学和矿床地球化学研究。在该职业生涯中,积累了三十多年来的地质勘查和找矿经验,脚踏实地一步一个脚印一路走来,具有丰富的工作经验,认识了矿产资源在地壳中的成矿机理,掌握了构造控矿因素与成矿地质规律对找矿预测的意义。本人的专长是既懂理论研究、也精通矿产勘查,善于将两者紧密结合,因而有关成果受到各地政府的关注及业内专家的高度肯定。

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全球气候变化及能源替代能源:地热  

2012-05-09 10:51:54|  分类: 科研 |  标签: |举报 |字号 订阅

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全球气候变化及能源替代能源:地热 - 探矿者           - Prospector blog
探矿者全球气候变化及能源替代能源:地热 - 探矿者           - Prospector blog

地热能 

供图:Prospector摄影师 Joel Renner,NEEL,

内华达州斯普林斯 (Springs) 的斯廷博特 (Steamboat) 山地热发电厂

         与地下高温岩石接触的地下水受热后会变成热水返回地表。热水会以蒸汽及间歇泉的形式从地下喷出。它可以经由地下岩缝形成的蒸汽裂口或喷气口逸出。也可以从温泉中汩汩涌出。

        人类利用温泉来烹饪和沐浴已经有几千年的历史了。这种能源称为地热能,即来自地下的能源。从 19 世纪末开始,人们利用热水和蒸汽产生的能量供暖和发电。过去几十年间,地热能利用得到了迅猛发展。

        地热能为取暖和发电提供了可靠且可完全再生的能量。与太阳能或风能不同,它可随时获得。地热能是一种可再生能源:降雨和返回的冷水可补充流失的地下热水与蒸汽。地热能虽然无法完全解决二氧化碳 (CO2) 排放问题。而且从地下抽取热水时水泵还需要用电。然而,地热能系统极大减少了对石油的依赖。

何为地热能?

          地热能来自地核。当然,它并非直接产生。炽热的液态地核富含大量热能。热量通过地球内部传至地表。在热量传递的过程中,周围的岩石受热熔化,形成岩浆。岩浆到达地表后,形成熔岩和火山。

 

地热区域供暖

地热区域供暖 

单击可观看动画演示。

地热区域供暖是指从地下深层抽取热水为家庭和单位供暖。抽取的热水穿过换热流体。这种流体将热能传至热水循环系统,从而为家庭和单位供暖。

          在世界部分地区,岩浆有时会升至距地表极近的位置,特别是在地壳的板块边界或分散的热点地区。这些地区的岩浆可能仅处于地下几公里(英里)或更浅的地方。位于岩浆房上部的岩石温度非常高。地下水或雨水接触这些岩石后也会受热升温。在受压情况下,水温可高达 275 摄氏度(527 华氏度)。地下水到达地表时会形成温泉、间歇泉和喷气口。

        现在我们了解了地热能的来源,那么如何用它供暖或发电呢?有两种方法:利用地热直接供暖和建立地热发电厂。

直接利用地热供暖

          直接利用地热供暖是指从温泉或地下抽取热水为住宅以及从事融雪作业、温室生产和鱼类养殖的商业组织供暖。温度在 10 摄氏度至 149 摄氏度(50 华氏度至 300 华氏度)之间的热水库最适合此类用途。2005 年,世界上共有 72 个国家或地区利用地热能直接供暖或发电,发电量超过 16,000 兆瓦。直接利用地热供暖的国家包括:法国、德国、冰岛、美国和中国。

       长期以来,温泉一直是人们烹饪、沐浴及聚会的佳所。最早的北美印第安人就留下了涉足温泉的遗迹。日本人泡温泉也有几百年的历史了。古罗马人还利用天然温泉修建了公共浴室。热水对人的健康大有裨益。现代健康沐浴疗法就是根据古代人对热水沐浴有益健康的认识发展而来的。

地热能—间歇泉 (Geysers) 发电厂

地热间歇泉 

单击可观看动画演示。

在地热发电厂如间歇泉 (Geysers) 发电厂中,取自地下深层的蒸汽与热水被用于驱动涡轮机。涡轮机与发电机相连,驱动发电机发电。

          有迹可循的最早直接利用地热供暖的是意大利庞贝古城,那里的人利用取自温泉的热水为建筑供暖。14 世纪的法国村庄也用这种方式供暖。在冰岛定居的人们利用当地众多的温泉沐浴和洗衣服。对温泉的深入利用始于 1755-1756 年,当时人们尝试挖了一些地热井。但此后没有进一步的开发。在冰岛,对地热能的大规模利用始于 1928 年。1930 年,人们新钻了地热井,一座学校成为第一个利用地热取暖的建筑。如今,冰岛大部分的房屋都直接利用地热能取暖。

        最早通过直接利用地热系统进行区域供暖的是美国西部爱达荷州的博伊西市 (Boise)。1890 年,地热井的钻探工作尚在进行中。到 1892 年,博伊西市 (Boise) 已经利用地热区域供暖系统为建筑供暖了。

        利用地下热水为建筑供暖的系统共有两种。第一种系统是先从地热水库中抽取热水,然后直接通过管道输送到建筑中供暖。大部分供暖用水冷却后会回到地下,然后返回到地下水库中。新式供暖系统是抽取热水然后传到热交换器中,热交换器中含有载热剂可以吸收水中的热量。加热流体可能以水的形式沿独立的管道系统循环流动,为区域建筑供暖。这种供热系统利用热交换器将热水和加热流体分开。进行分离的原因是:高温地下水可能含有会阻塞区域供暖系统的盐分及矿物质。从地下抽取的大部分热水还会返回地下以防止水库干涸。

直接利用系统 

          直接利用地热能的系统对环境影响极小。直接使用热水的老式供热系统必须使热水返回地热水库以维护该系统。而在新式供暖系统中,热水只需到达热交换器即可,因此能迅速返回地热水库。直接使用热水的供暖系统需要利用水泵抽取地下水,而水泵运行则需要矿物燃料来保证供电。因此直接使用热水的供热系统会间接产生二氧化碳 (CO2) 排放。但这种系统还是极大减少了对矿物燃料供暖的依赖。

地热发电厂

          地热发电提供的电力日益增加。意大利能源供应商意大利国家电力公司 (ENEL) 2005 年的一份报告显示,地热发电厂当时正向全球 24 个国家或地区输送 8900 兆瓦的电力。美国是世界上利用地热发电最多的国家,约占世界地热发电量的 32%。
1904 年,世界上第一座地热发电厂在意大利的拉德瑞罗 (Larderello) 建立。皮耶罗·基诺里·康提 (Piero Ginori Conti) 亲王带领技术人员开发了一种方法,即利用当地火山喷气口冒出的蒸汽驱动涡轮机,为发电机提供动力。如今,这座电厂依旧正常运转。20 世纪 50 年代,新西兰政府开始研究如何利用怀拉基 (Wairakei) 地热集中区发电。该地区由间歇泉、火山喷气口、温泉及泥池组成。怀拉基 (Wairakei) 地热发电厂是世界第二座地热发电厂,于 1958 年正式投产。世界最大的地热发电厂当属位于美国加州圣罗莎 (Santa Rosa) 附近的间歇泉 (Geysers ) 地热发电厂。该发电厂于 1960 年正式投产。尽管当地并无间歇泉,但却分布着很多火山蒸汽口。间歇泉 (Geysers) 发电厂的发电量可达 750 兆瓦,完全可以满足规模如旧金山一样的城市的用电需求。

活蒸汽发电厂 

活蒸汽发电厂示意图

闪蒸汽发电厂 

闪蒸汽发电厂示意图

双汽循环发电厂 

双汽循环发电厂示意图

图纸提供:美国能源部

        自 2000 年开始,法国、俄罗斯和肯尼亚的地热发电量增长了三倍。其他国家或地区如菲律宾、冰岛和萨尔瓦多的地热发电量占本国发电总量的 25%,而西藏则达到了 30%。

        地热发电厂使用三种不同的方式发电。利用干蒸汽或活蒸汽发电的地热电厂需要建在火山蒸汽口分部集中的地区。生产装置获取从地下冒出的压缩蒸汽,通过管道将其传至涡轮机。涡轮机由安装在中心轴上的一组斜角叶片构成。压缩蒸汽经过涡轮机,驱动涡轮机沿中心轴旋转。旋转的涡轮机便可驱动发电机发电。热水冷却后会重新返回地下。拉德瑞罗 (Larderello) 与间歇泉 (Geysers) 地热电厂就是这种活蒸汽电厂。

        闪蒸汽电厂利用温度在摄氏 180 度(华氏 360 度)以上的热水以产生蒸汽。通过闪蒸技术可以从地下深层汲取高压热水,然后将其喷入低压罐中。热水很快变成蒸汽,这种“瞬间”产生的蒸汽就是“闪蒸汽”。高压蒸汽可驱动涡轮机为发电机提供动力,发电机即可发电。热水冷却后会重新返回地下。

       双汽循环电厂利用温度在 107 至 182 摄氏度(225 至 360 华氏度)之间的中温地下热水。地下热水首先进入热交换器,然后经过沸点比水低的二级流体。地热能量促使二级载热剂“瞬间”变为蒸汽,以驱动涡轮机。地下热水并未直接传至涡轮机;在到达换热器后它会返回地下。大部分的地热资源均为中温热水,因此未来双汽循环电厂将成为主流地热电厂。

地热水泵

        众所周知,地点、海拔、季节和天气不同,地表温度会有很大差异。而在地下,却是另一番景象。根据纬度变化,地下 30.5 至 122 米(100 至 400 英尺)之间的温度稳定在 7 至 21 摄氏度(45 至 70 华氏度)之间。地热水泵将这一区域的热水抽至地表,在寒冷季节用来为建筑供暖。该系统还可以逆向运转,即在炎热季节它可将屋内的热量抽出排入地下以降温冷却。在炎热季节排出的热量还可用于烧水。

        这种创意并不新鲜。英国数学家和物理学家罗德开尔文 (Lord Kelvin) 曾在 1852 年提出了利用水泵汲取地热的想法,但此后并未得到进一步发展。1945 年,美国印第安纳州印第安纳波利斯 (Indianapolis) 的一户人家安装了世界上第一台现代地热水泵系统。人们对这种采热取暖的方法并不是很热衷,直到 1970 年油价攀升,人们才对此兴趣大增。当时,这种系统在欧洲也引起了人们浓厚的兴趣。如今,地热水泵在北美和欧洲地区仍在大量使用。

        大部分的地热水泵使用闭合循环系统。还需要在安装地下管道系统。这些管道可以是直管、弯管、横管或竖管,可以安装在土中、地下水中,附近有池塘的话,还可安装在池塘下面。管道中充满了换热流体。载热剂吸收地下水中的热量然后传到建筑中。热交换器位于建筑内部,它可以从地下采集热量并将其传至压缩系统。随后,经压缩的热量会沿供暖管道在建筑内流动。这种热量还可用于提供热水。

闭合循环系统  闭合循环系统 
闭合循环系统  闭合循环系统 

图纸提供:美国能源部

          另一种地热水泵是开放循环系统。这种系统将地下水用作换热流体。需要钻两口井:一口用于抽取地下热水,令一口用于在热量吸收后,将冷却水注入地热水库。该型系统需要使用便于取得而且非常干净的地下水。

        室内热交换器和水泵需要用电,所以地热水泵并未完全取代石油。但它能令建筑更加节能,减少了对燃油、天然气或电力取暖的依赖。

问题

         地热发电厂引起了人们对地热能的极大担忧。一种问题是:不断抽取地下水或蒸汽会引起地面下降。这是一个非常严重的问题。怀拉基 (Wairakei) 地热电厂投产后,当地地面下降达 13 米(42.7 英尺)。现在怀拉基 (Wairakei) 地热电厂依旧面临同样的问题。在新建电厂中,地下水会被迅速注回地下,以保持水压和地热水库平面。

        双汽循环电厂不会产生任何气体排放。但干蒸汽和闪蒸汽电厂依水质的不同,会产生一定量的 CO2。有时还会排放硫化氢气体,但数量不足以导致酸雨。由于地下水中含有溶解的硫化物,因此地热电厂会产生令人不适的硫磺气味。在美国,地热发电厂必须通过燃烧或将其转化为二氧化硫的方式清除硫化氢。二氧化硫随后可以被溶解或制成可销售的硫酸。从地下水中清除的盐分及矿物质会被重新注入地热水库。在运行过程中还会产生污泥:污泥经过处理可去除其中的贵重矿物质。

未来之路

          研究者们正在研究通过钻入更深的温度更高的地层—例如,接近地幔处,来汲取地热能。但这需要比现在更高的钻深能力。  


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