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          地熱資源的開發利用及發展前景分析

          發布時間:2020-07-13 13:01:42 發布人:中能化建設

          摘要:地熱資源是指能夠被人類所利用的地球內部的地熱能、地熱流體及其有用成分。本文結合相關文獻資料,簡單闡述了地熱的定義、地熱資源的分類及開發利用方向,介紹了我國地熱資源的分布情況及開發現狀,提出了地熱資源開發面臨的問題及可持續發展策略,分析了地熱資源開發利用的前景,探討了總局及中能化集團在地熱開發的方向。

          一、地熱能及深層地熱

          地熱是來自地球深處的天然熱能,這種能量來自于地球內部的熔融巖漿和放射性物質的衰變,以熱力形式存在,通過地下水的深處循環和來自極深處的巖漿侵入到地殼后,把熱量從地下深處帶至近表層。

          地熱能:包括地下深度200~3000m的地熱能及地下深度3000m以上的干熱巖所具有的熱能,溫度范圍25~150℃的來自深部地層的熱水及150℃以上的干熱巖,是地球本身放射性元素衰變產生的熱能,主要是由地殼深部開鑿出的“熱、礦、水”三位一體組成的極為寶貴的自然資源.具有穩定、連續、利用效率高等優勢,是一種清潔可持續利用的能源。

          二、地熱資源的分類

          1、地熱資源按儲存狀態分類:

          水熱型地熱能、干熱巖地熱能型和地壓型地熱能;

          2、地熱資源按溫度高低分類:

          低溫地熱能(溫度低于90℃)、中溫地熱能(溫度在90-150℃之間)和高溫地熱能(溫度高于150℃);

          3、地熱資源按地熱區以及地熱田形成要素分類:

          沉降地型、隆起斷裂型和巖漿盆型。

          三、地熱資源開發利用的方向

          地熱資源的利用大體可分為高溫地熱發電和低溫直接利用兩大類,而對于不同溫度的地熱流體可能利用的范圍如下:

          1、地熱能:200~400℃;

          直接發電及綜合利用;

          2、地熱能:150~200℃;

          雙循環發電、工業干燥、工業熱加工;

          3、地熱能:100~150℃;

          雙循環發電、供暖、工業干燥、脫水加工、回收鹽類、罐頭食品;

          4、地熱能:50~100℃;

          供暖、溫室、家庭用熱水、工業干燥;

          5、 地熱能:20~50℃;

          沐浴、水產養殖、飼養牲畜、土壤加溫、脫水加工。

          (1)地熱發電

          地熱發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電。地熱發電和火力發電的原理是一樣的,都是利用蒸汽的熱能在汽輪機中轉變為機械能,然后帶動發電機發電。所不同的是,地熱發電不像火力發電那樣需要龐大的鍋爐,也不需要消耗燃料,它所用的能源就是地熱能。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,能被地熱電站利用的載熱體,主要是地下的天然蒸汽和熱水。

          (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電的地熱利用方式。因為這種利用方式簡單、經濟性好,特別是位于高寒地區的國家。冰島早在1928年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一個地熱供熱系統,現今這一供熱系統已發展得非常完善,每小時可從地下抽取7740t 80℃的熱水,供全市11萬居民使用。由于沒有高聳的煙囪,冰島首都已被譽為“世界上最清潔無煙的城市”。此外利用地熱給工廠供熱,如用作干燥谷物和食品的熱源,用作硅藻土生產、木材、造紙、制革、紡織、釀酒、制糖等生產過程的熱源也是大有前途的。

          (3)地熱的農業利用

          地熱在農業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;利用地熱水養魚,在28℃水溫下可加速魚的育肥,提高魚的出產率;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,提高沼氣的產量等。將地熱能直接用于農業在我國日益廣泛,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展養殖業,如培養菌種、養殖非洲鯽魚、鰻魚、羅非魚、羅氏沼蝦等。

          (4)地熱的醫療旅游

          地熱資源可開發溫泉旅游,由于溫泉的醫療作用及伴隨溫泉出現的特殊的地質、地貌條件,使溫泉常常成為旅游勝地,吸引大批療養者和旅游者。在日本就有1500多個溫泉療養院,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的歷史悠久,含有各種礦物元素的溫泉眾多,因此充分發揮地熱的醫療作用,發展溫泉療養行業大有可為的。

          (5)地熱的礦物水

          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元素,從而補充人體所需要的微量元素。如含碳酸的礦泉水供飲用,可調節胃酸、平衡人體酸堿度;含鐵、錳等礦物元素的礦泉水飲用后,可補充人體所需的微量元素。

          四、中國地熱資源的分布

          我國地熱資源種類繁多,考慮地質構造特征、熱流體傳輸方式、溫度范圍以及開發利用方式等因素,我國地熱資源可分為水熱型地熱資源、淺層地熱資源和干熱巖資源三種類型。

          我國水熱型地熱能資源分布具有明顯的規律性和地帶性,但受構造、巖漿活動、地層巖性、水文地質條件等因素的控制總體分布不均勻。我國有高溫地熱資源,但以中低溫地熱資源為主。其中,高溫地熱資源主要分布在藏南、滇西、川西和臺灣地區,已發現高溫地熱系統200多處;中低溫地熱資源主要分布于大型沉積盆地和山地的斷裂帶上。

          淺層地熱能資源的分布遍及全球,世界大陸的淺部地下都分布著淺層地熱能資源。第四系松散巖層是開發淺層地熱能資源的理想場所。第四系松散巖層的地層松軟,易于鉆進,有利于豎直地埋管熱泵的應用,又因第四系松散巖層的富水性較強,也有利于地下水源熱泵的應用。

          干熱巖的分布幾乎遍及全球,世界各大陸地下都有干熱巖資源,不過,干熱巖開發利用潛力最大的地方,還是那些新的火山活動區,或地殼較薄的地區,這些地區主要位于全球板塊或構造地體的邊緣。根據我國區域地質背景,高熱流區均處于板塊構造帶或構造活動帶,在藏南、滇西、瓊北、長白山等地區分布有范圍較大的火山巖體,說明我國具備干熱巖地熱資源形成的區域構造條件。

          五、中國地熱資源的開發現狀

          (1)淺層地熱開發利用現狀

          我國淺層地熱能的提取、開發、利用條件多受氣候、地質以及熱泵運行情況等因素的影響。我國建筑物的供暖和制冷主要利用淺層地熱能。據統計,全國城市淺層地熱能資源每年開采量折合成標準煤2.8億噸,可替代標準煤4.67億噸,為供暖和制冷提供了豐富的能源儲備。

          (2)中深層地熱開發利用現狀

          目前,國內中深層地熱開發還處于剛剛起步的初級階段,在對中深層地熱能進行利用時,大部分采用采灌結合、間接換熱、階梯利用及尾水凈化和礦物提取等技術手段。通過換熱技術將地熱尾水換熱并在密閉狀態下通過回灌管線回注到地下,用少量的水將地熱不斷的運輸上去,既節約了水資源又實現了地熱資源的可持續利用。

          (3)深層地熱開發利用現狀

          目前我國地熱領域正從淺層地熱向深層地熱發展,且在深層地熱開發與技術轉讓方面都有著巨大的發展空間,未來其必將成為新的能源經濟市場。盡管中國在直接利用地熱能量方面居世界前列,但仍存在地熱開發利用率較低的資源浪費問題。

          六、地熱資源開發面臨的問題

          (1)管理機制不完善,資金缺乏

          地熱能的開采涉及國土資源、建設、水務、環保等多個行政主管部門,環節眾多,權責不明確,缺乏統一的指導和規劃,不利于地熱能產業的持續健康發展。地熱能開發初期一次性投入較大,要想取得經濟上的規模效益,需要得到政府的支持。

          (2)社會認知程度低

          當前社會對地熱能資源的認知程度低,對地熱能的特點及其熱泵技術了解不多,直接影響地熱能資源的廣泛應用,由于信息傳播不暢,用戶也無法準確獲悉產品和技術的最新動態和合格的服務提供方。

          (3)地熱資源開發等技術滯后

          就目前的情況來看,地熱能資源的科學利用能夠建立節約型社會。最近的幾年,我國很多大城市開始研究利用地熱能資源,開發地熱資源的技術發展十分迅速,但是還是在開發過程中存在著一些問題。例如熱泵工程或地下換熱系統不能正常運轉、效率降低等,地熱資源的開發利用缺乏統一管理,加上信息化程度太低,從而很大程度上阻礙其發展。

          七、地熱資源的可持續發展策略

          (1)完善地熱資源開發利用相關制度

          政府需制定相關制度和法律法規來開展工作,在保證地熱資源的開發利用能滿足社會發展需求的基礎上得到有效管控,最終達到可持續發展的目標。同時,政府相關部門應針對地熱資源出臺一定的優惠措施,并向企業提供一定的資金補助,來保證地熱資源更好、更快地在企業內部得到廣泛應用。

          (2)提升地熱資源開發利用相關技術水平

          在地熱資源開發利用的前期,針對地熱資源的儲存量、分布狀況進行詳細地勘察預估,確保地熱資源在滿足需求的前提下避免過度開發等問題。在實際開發利用過程中,相關單位應有效地將梯級開發、綜合利用策略應用起來,將熱泵技術、低溫供熱工藝、地熱采罐平衡技術等結合起來,通過相應的設備分梯次采集熱量,以此來確保地熱能可以得到充分的開發利用。

          (3)強化針對地熱資源開發利用的管理

          加強針對地熱資源開發利用的管理是確保地熱資源在我國的應用能達到可持續發展目標的關鍵。首先是確保資源開采的科學性及合理性,在進行地熱資源開采的過程中將實際的資源利用需求與當地地熱資源的分布狀況結合起來,制定開采規劃,保證開采科學性,避免不合理開采;其次是提升地熱資源的利用率,在開采過程中做到節約資源、減少浪費是確保地熱資源可持續發展的重要方法。

          八、地熱資源開發利用的前景分析

          (1)梯級利用地熱能將成為主要發展趨勢

          直接利用方式具有50%-70%的熱利用效率,而地熱發電僅為5%-20%,剩余的熱能則伴隨地熱水回灌到地下或者直接排放到自然環境中,不但浪費資源而且造成熱污染。地熱梯級利用是指根據地熱流體不同溫度進行地熱逐級利用,根據溫度需求,由高到低進行利用。高溫地熱水首先用來發電,之后被用作工業烘干、農業育秧養殖、建筑供暖等等,最后較低溫度地熱水用來洗浴等。這樣就最大程度的利用了地熱資源,因此梯級利用技術擁有廣闊的前景。

          (2)增強型地熱系統是未來地熱發展的重要方向

          增強型地熱系統也叫干熱巖地熱,原理是從地表往干熱巖中打一眼井(注入井),在距注入井合理的位置處鉆幾口生產井并貫通人工熱儲構造,用來回收高溫水、汽。注入低溫水與周邊的巖石發生熱交換,產生了溫度高達200-300℃的高溫高壓水或水汽混合物。從貫通人工熱儲構造的生產井中提取高溫蒸汽用于地熱發電和綜合利用,利用之后的溫水又通過注入井回灌到干熱巖中,從而達到循環利用的目的。目前,美、德、法、澳、日、瑞等國已經建設了一批增強型地熱系統,增強型地熱系統也將成為我國地熱產業發展的一個主要方向。

          (3)淺層地溫能的開發前景廣闊

          淺層地溫能在我國開發利用具有優勢,首先,淺層地溫能普遍存在,普遍適用;其次,開發利用淺層地熱能無污染,符合“資源節約、環境友好”型社會建設的要求,并有多項政策推動其發展;再次,我國熱泵技術發展較為成熟,適合規?;脺\層地溫能。目前,我國淺層地溫能的應用面積即使已經超過一億平方米,也不過是北方城鎮建筑面積的1.6%,發展空間還很大,前景廣闊。

          九、總局及中能化集團在地熱開發的前景和方向

          中國煤炭地質總局在地熱資源開發利用已有幾十年經驗,先后承擔過地熱資源勘查評價、地熱資源調查分析、地熱井鉆探、地熱泵系統安裝工程、地暖工程等項目。經過多年理論研究和項目經驗的積累,總局掌握了地熱地質勘查技術、深井高溫鉆井技術、地下熱水回灌技術、熱交換技術、地熱能梯級利用技術等??偩衷谥猩顚拥責崴Y源勘查與開發項目上,如水文局完成勘查施工160余眼優質地熱井,井深多在1500-4000m之內,2008年北京朝來農藝園地熱井,終孔深度4051米,水溫85℃,目前仍為北京地區最深地熱井。因此,總局可依托自身勘查技術水平,加大在地熱資源調查和地熱勘探項目上的涉足,提高勘探效率,促進地熱資源合理地開發利用。

          中能化建設集團根據自身建筑企業的特點和戰略發展的方向,可在現代農業、溫泉旅游、地暖改造等方向發展。一是集團公司可依托自身建筑行業的屬性,尋找地熱資源開發溫泉旅游項目,實現公司資產的有償運營。公司設計院于2019年在貴州開展了安順民宿森林康養中心的地熱資源勘查項目,實現了公司在貴州地熱資源勘查項目上零的突破。二是集團公司可在現代農業服務上,研究開發利用地熱資源的可能性,利用地熱溫室效應來提高農作物的產量。

          十、總結

          隨著時代的發展,化石能源枯竭的危機,全球都在尋求新能源的突破,所有新能源中,地熱能是一種清潔可持續利用的能源。地熱資源不僅可以用來發電,還可以直接利用在生產生活的方方面面。我國地熱資源豐富,在淺層地熱資源的開發利用較為廣泛,但對于中、深層的地熱資源開發仍然落后,需要提高開采技術的研發與應用,增強深層地熱的開發利用的能力。開采地熱資源的同時,采用梯級利用等多種方式,提高地熱能的利用效率。通過政府完善地熱資源開采和利用的規章制度和管理辦法,統籌管理地熱資源,實現地熱資源開發利用的可持續發展,推動國家地熱資源開發的產業化發展。

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