第五章 地熱能與可燃冰

第五章地熱能與可燃冰1內(nèi)容提要地球上的地熱顯示地球是龐大的熱庫中國地熱資源豐富多彩如何找地熱資源地熱資源的利用中國地熱資源利用現(xiàn)狀地熱資源的保護可燃冰25.1地球上地熱的顯示（地熱的表現(xiàn)形式）5.1.1溫泉1）溫泉形成的三大要素熱源、水源和地下與地面之間的通道2）溫泉的醫(yī)療效應溫熱作用，靜壓作用，浮力作用，化學元素的作用（碳酸、碳酸氫根，硅酸鹽，氡氣，硫化氫，硫磺，硫酸根等）3）間歇性噴泉冰島大噴泉，美黃石公園老實泉，新西蘭地熱城羅托魯阿。5.1.2

水熱爆炸1）水熱爆炸的內(nèi)外因出現(xiàn)在高溫水熱區(qū)域內(nèi)，爆炸源的埋深很淺，爆炸區(qū)域地下熱儲溫度2000C左右2）發(fā)生水熱爆炸的國家地區(qū)

很少，只有中國（西藏，云南，臺灣等）、美國、冰島、日本、新西蘭和意大利等。35.1地球上地熱的顯示-地熱的表現(xiàn)形式5.1.3泉華1）泉華的形成溶解有礦物質(zhì)和礦物鹽的地下熱水和蒸汽，上升到地表形成化學沉淀物。它反應泉水的化學成分，水熱系統(tǒng)深部和上行通道的重要地址、地球化學、地溫梯度等信息。2）泉華分類硫華、硅華（有的會形成玉髓，石英，瑪瑙等）、鈣華和鹽華。3）我國的泉華景色云南的蛤蟆嘴、獅子頭、泉華蘑菇等5.1.4水熱蝕變

1）水熱蝕變的形成高溫熱水或蒸汽沿構(gòu)造運動形成的通道運移過程中，與圍巖巖體互相作用所產(chǎn)生的一系列復雜的重結(jié)晶、溶解和沉淀等相應反應，如熱水失去一些鉀，得到一些鈣，則圍巖發(fā)生方解石化，白云巖化，高嶺石化，沸石化等。45.1地球上地熱的顯示-地熱的表現(xiàn)形式5.1.5火山噴發(fā)1）火山的類型活火山、休眠火山、死火山之分。2）火山噴發(fā)的能量一次猛烈的火山噴發(fā)所釋放出的能量，比氫彈或者原子彈的爆炸釋放的能量大幾十甚至上百倍。55.2

地球是龐大的熱庫5.2.1

地球內(nèi)部的溫度1）地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)地殼、中間層和地核2）地球內(nèi)部的溫度分布變溫帶：地表的最上層部分，隨著日、季節(jié)、年及世紀而變化。常溫帶：變溫帶以下，溫度的變化幅度小于觀測誤差。

增溫帶：受地球內(nèi)部熱能影響的地帶，隨深度增加而增高。5.2.2地球內(nèi)部和外部熱源

1）地球的外部熱源太陽輻射熱：潮汐摩擦熱：月球、太陽對地球的吸引而釋放的熱量，約2x109J/a2）地球內(nèi)部熱源放射性衰變熱：地球內(nèi)部巖石和礦物中具有足夠豐度、生熱率較高、半衰期與地球年齡相當?shù)姆派湫栽厮プ儠r產(chǎn)生的巨大能量。主要有鈾、釷和鉀等。地球轉(zhuǎn)動熱外成-生物作用熱（化學反應熱）地球的殘余熱、地球物質(zhì)重力分異以及人類經(jīng)濟活動產(chǎn)生的熱。

65.3

中國地熱資源豐富多彩5.3.1

地熱資源的范圍1）地熱過程的全部產(chǎn)物天然蒸汽、熱水和熱鹵水2）人工鉆取的產(chǎn)物地熱熱儲中的水、氣或其他流體所產(chǎn)生的二次蒸汽和其他氣體、熱水和熱鹵水。3）上述產(chǎn)物帶出的副產(chǎn)品

與地熱流體相伴生，并能夠為流體所帶出的價值又比較高的礦物質(zhì)。5.3.2我國地熱資源分布1）高溫地熱資源分布喜馬拉雅地熱帶：屬地中海地熱帶的重要組成部分臺灣地熱帶：太平洋板塊和歐亞板塊的邊界2）地溫地熱資源分布

a.板內(nèi)構(gòu)造隆起區(qū)東南沿海（太平洋與歐亞板塊交接帶），福建、廣東、海南等膠遼半島地熱帶

b.大陸構(gòu)造沉降區(qū)大型盆地，華北盆地、松遼盆地、塔里木盆地、四川盆地等。

75.3

中國地熱資源豐富多彩5.3.3

中國地熱資源的評價1）地熱系統(tǒng)的分類

>1500C為高溫地熱系統(tǒng)，90-1500C中溫,<900C地溫地熱系統(tǒng)2）評價指標地熱資源基數(shù)：存在于某一特定地區(qū)之下的地殼里所含有的全部熱能起算的溫度為這個地區(qū)的多年年平均溫度。可開采地熱資源底數(shù)：一部分賦存深度比較淺的熱能。井口有用功：

H,H0井口和尾水排放時焓值5.3.4我國地熱資源量地熱資源潛力占世界的7.9%我國地熱資源儲量分布地區(qū)發(fā)電潛力/MW30a熱能量/億噸標準煤喜馬拉雅地帶5818-華北盆地-13鄂爾多斯盆地-2.28蘇北盆地-1.6松遼盆地-1.2685.4

如何找地熱資源5.4.1

地熱資源的標志1）地名掛以溫泉、溫湯、湯山、熱水、熱泉、藥泉等字樣的。2）植物生態(tài)的標志不同水質(zhì)水溫的地下水對植物生長有顯著影響。3）雪地中的綠洲

4）地方性病癥

5.4.2地質(zhì)-水文地質(zhì)調(diào)查1）地質(zhì)構(gòu)造控制是尋找地下熱水的關(guān)鍵具有開啟型的張性和張扭性斷裂構(gòu)造與地下熱水的賦存有直接關(guān)系。而擠壓和壓扭性斷裂構(gòu)造則是一個理想熱田應有的隔水、隔熱條件。2）地層剖面的透水與不透水層、巖層化學成分、巖石蝕變和地下熱水礦物沉積特征等3）地震活動、地貌、第四紀地質(zhì)研究

第四系含水層劃分95.4

如何找地熱資源5.4.3

地球化學勘探1）水文地球化學法圈定地熱異常區(qū)地下熱水不同于普通水的化學成分和氣體組成。2）利用汞指示元素圈定地熱異常區(qū)地熱區(qū)土壤中汞蒸汽含量級為10-12（pg）,而普通土壤中為10-9（ng）。另外含有氯離子的熱水溶解硫化汞的能力增大百倍以上。3）利用地球化學地熱溫標預測地下熱儲溫度地球化學溫標：與地下熱儲溫度相關(guān)的熱水化學組分濃度或濃度比值SiO2地熱溫標:地熱流體中二氧化硅含量主要取決不同溫度、壓力條件下石英在水中的溶解度。鈉-鉀地熱溫標：水溫與Na/K摩爾比有關(guān)同位素地熱溫標：同位素分餾平衡與溫度的相關(guān)關(guān)系，一般用水和水溶硫酸根離子間的氧同位素分餾。

105.4

如何找地熱資源5.4.4

地球物理勘探1）地表淺孔測溫

2）電法測量地下深處的電阻率，所測取的電阻率的變化與所探尋的埋藏于地下的熱流體的性質(zhì)有直接的聯(lián)系。3）重力勘探巖石的密度和產(chǎn)狀的不同，使大地重力正常場形成這樣或那樣的畸變，因而可以利用重力來探測地下地質(zhì)構(gòu)造，從而尋找地下熱水。4）微地震觀測5.4.5鉆探可獲得三個信息：從鉆井的巖屑和巖心中獲得地質(zhì)信息從回流的泥漿溫度與泥漿流量可獲得地下溫度信息從循環(huán)鉆液漏失量的多少克獲得巖層滲透率的信息115.5

地熱資源的利用5.5.1

世界地熱資源的利用1）意大利世界上第一個利用地熱發(fā)電的國家，1904年2）美國地熱裝機和地熱發(fā)電量在全球獨占鰲頭。3）冰島首批利用地熱進行采暖的國家，全球利用地熱最廣泛的國家，地熱占整個國家能源利用總量的55%。水電16%，石油26%，煤3%2003年聯(lián)合國把冰島列為3個最適合人類居住的國家之一冰島也是全球第二長壽國家5.5.2地熱發(fā)電1）地熱蒸汽發(fā)電

2）地熱水發(fā)電減壓擴容法：利用抽真空裝置，使進入擴容器的地下熱水減壓汽化，擴容蒸汽再帶動汽輪機做功發(fā)電。

利用低沸點物質(zhì)：正丁烷、異丁烷等作為發(fā)電的中間介質(zhì)。125.5

地熱資源的利用5.5.2地熱發(fā)電2）地熱蒸汽發(fā)電利用背壓式汽輪機循環(huán)；利用凝汽式汽輪機循環(huán)：干蒸汽發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)、閃蒸蒸汽循環(huán)系統(tǒng)和雙元循環(huán)系統(tǒng)123背壓式汽輪機循環(huán)1-地熱井2-凈化分離器

3-背壓式汽輪機過程：天然蒸汽首先經(jīng)過凈化分離器，除去蒸汽中挾帶的巖粉等固體雜質(zhì)后進入汽輪機中膨脹作功，乏氣直接排往大氣。缺點：對含有（CO2、N2、H2S、O2等）嚴重污染環(huán)境。優(yōu)點：運行成本低135.5

地熱資源的利用5.5.2地熱發(fā)電2）地熱蒸汽發(fā)電利用背壓式汽輪機循環(huán)；利用凝汽式汽輪機循環(huán)：干蒸汽發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)、閃蒸蒸汽循環(huán)系統(tǒng)和雙元循環(huán)系統(tǒng)凝汽式汽輪機循環(huán)1-地熱井2-汽水分離器3-汽輪機4-抽氣器5-冷凝器12345過程：蒸汽經(jīng)過清理，去掉內(nèi)含的泥沙后，用管道直接輸送到蒸汽渦輪機。由于地熱天然蒸汽中通常挾帶有相當多的不凝結(jié)氣體，它們隨蒸汽經(jīng)過汽輪機之后，往往積聚在凝氣器中，使汽輪機背壓升高，影響蒸汽的正常作功因此地熱凝汽式電站都配備有比常規(guī)火電站大的抽氣器。優(yōu)點：效率高缺點：管理要求高，系統(tǒng)復雜145.5

地熱資源的利用5.5.2地熱發(fā)電2）地熱蒸汽發(fā)電過程：由于天然蒸汽攜帶著各種雜質(zhì)和某些導致腐蝕的氣體，因此發(fā)電裝置的金屬設備會遭到CO2、H2S、O2等的強烈腐蝕，而某些鹽類還會引起蒸汽管道的結(jié)垢、腐蝕等，為此采用二次蒸汽循環(huán)。二次蒸汽循環(huán)1-地熱井2-換熱器3-冷凝水罐4-汽輪機5-抽氣器6-冷凝器145623155.5

地熱資源的利用5.5.2地熱發(fā)電2）地熱水發(fā)電閃蒸蒸汽系統(tǒng)閃蒸蒸汽循環(huán)系統(tǒng)a）熱水b）濕蒸汽1-地熱井2-汽水分離器3-閃蒸器4-汽輪機5-冷凝器6-抽氣器13465124653165.5

地熱資源的利用5.5.2地熱發(fā)電2）地熱水發(fā)電閃蒸蒸汽系統(tǒng)雙元循環(huán)系統(tǒng)1-地熱井2-換熱器3-工質(zhì)泵4-汽輪機5-冷凝器14523175.5

地熱資源的利用5.5.3

地熱資源直接利用1）地熱供熱

采暖和生活用水2）地熱在工業(yè)上的應用造紙和木材的烘干紡織、印染、絲綢的熱水需求輕工業(yè)制鹽等地熱流體中提取元素和礦物3）地熱在農(nóng)業(yè)上的應用溫室種植

地熱養(yǎng)殖4）地熱在醫(yī)療保健和旅游方面的應用

陜西的華清池，北京的小湯山5）地熱熱泵----高效節(jié)能的佼佼者固定投資：熱泵機組為6，燃氣為2，燃油鍋爐1.3，燃煤鍋爐為1運行成本低：可在3.5年抵消多投入的設備費（以燃油燃氣鍋爐參考）185.5

地熱資源的利用5.5.3

地熱資源直接利用5）地熱熱泵----高效節(jié)能的佼佼者熱泵的制熱系數(shù)（COP）

2000年世界各國地熱熱泵利用情況國家總裝機容量/MWt供熱量/GW.h/年美國48003334瑞士500550瑞典3771146加拿大360247德國344319195.6

中國地熱資源利用現(xiàn)狀5.6.1

我國地熱資源分布1）高溫地熱資源（>1500C）藏南、川西、滇西和臺灣等2）中低溫資源全國各地5.6.2地熱發(fā)電世界屋脊上的一顆明珠----羊八井地熱發(fā)電站

1）地熱發(fā)電裝機位于世界排名第14位

采暖和生活用水2）限制因素地熱發(fā)電熱源的制約：高溫熱源量較少地熱資源地理分布的制約：主要在偏遠地區(qū)，輸電成本高地熱勘探高風險的制約：鉆探成井率低，耗資大地熱發(fā)電經(jīng)濟性：介于水力發(fā)電和火力發(fā)電之間205.6

中國地熱資源利用現(xiàn)狀5.6.3

地熱直接利用現(xiàn)狀地熱采暖面積省份面積/萬平方米天津市900陜西200河北省100北京60山東60直接利用的示范----天津市蝶泉溫泉小區(qū)

年純收入186萬元等城市中的地熱之星—天津市1）地熱面積大

占全市面積的77%2）供暖面積大地熱供暖面積達到全市總建筑面的1/10南方絲綢之路上的博物館—云南騰沖地熱與火山1）中國溫泉之鄉(xiāng)

2）將騰沖建設成世界級的地熱火山公園

215.7

地熱資源的保護5.7.1

地熱利用產(chǎn)生的效應1）熱儲壓力衰減

2）熱田內(nèi)的地面運動效應

具有強烈的垂直方向和水平方向運動，關(guān)閉電站后，運動時可逆的。例如新西蘭的懷拉基熱田

3）水熱爆炸

流體的連續(xù)抽去，造成地下水位的下降，形成天然擴容空間，從而誘發(fā)爆炸。例如：西藏羊八井，曾報廢3口生產(chǎn)井5.7.2地熱利用產(chǎn)生的次要開發(fā)效應1）處置廢氣產(chǎn)生的大氣污染

NO2,CO2,H2S,CH42）排放廢熱產(chǎn)生的熱污染，以及廢水所溶解的鹽類的造成的化學污染

Hg，鐳，硼等以及鹽類包括氟、砷、氯等。

225.7

地熱資源的保護5.7.3

地熱回灌是保護資源的有效措施1）地熱回灌目的減緩地熱尾水排放對生態(tài)環(huán)境影響改善或恢復熱儲產(chǎn)熱能力保持熱儲儲層壓力2）回灌存在的問題

回灌井過近引起開采井的溫度或產(chǎn)氣量回灌堵塞問題，例如SiO2

結(jié)垢等5.7.2地熱利用產(chǎn)生的次要開發(fā)效應1）處置廢氣產(chǎn)生的大氣污染

NO2,CO2,H2S,CH42）排放廢熱產(chǎn)生的熱污染，以及廢水所溶解的鹽類的造成的化學污染

Hg，鐳，硼等以及鹽類包括氟、砷、氯等。