高溫巖體地熱能的概念

高溫巖體地熱是地熱能——蘊藏在地球內(nèi)部的巨大天然熱能的一種，但是又不同于一般的地熱能。一般的地熱指的是深度在3000m以內(nèi)的巖層熱（源），而“高溫巖體地熱”指的則是深度在3000～5000m、溫度達150～350℃的結晶質巖石熱（源）。

　　地球是由地殼、地幔和地核組成的實心球體，半徑達6370km。地殼是地球的外層，非常薄，約占地球內(nèi)部構造的1/200左右，大陸地殼平均厚度約35km，而海洋地殼僅10km，薄處只有7km；地幔是地球的中間層，厚達2900km，分為上地幔和下地幔。由地幔向地核延伸，地震波突然中斷，表明地核處于液態(tài)，地核總厚度達3473km。

　　地熱能的熱量主要來自地球內(nèi)部巖石和礦物中的放射性元素衰變所產(chǎn)生的巨大熱量，這些放射性元素豐度高、產(chǎn)熱效率高、半衰期與地球年齡相當，多集中在地表層數(shù)百千米范圍內(nèi)。有人曾估計，在地球的熱歷史中，地球內(nèi)部由放射性元素衰變而產(chǎn)生的熱量平均每年為5 萬億億卡（5×1024cal/a），可見地球實在是一個地道的熱球。還有人估計，若以燃燒世界所有的煤炭獲得的熱量為基準，石油僅為煤炭的8%，核燃料為15%，而高溫巖體地熱資源則為煤炭的1.7億倍。正因為如此，高溫巖體地熱能受到世界各國普遍的重視。

　　關于高溫巖體地熱能，早出自于20世紀70年代石油危機后美國科學家提出的利用地下深層結晶質巖層中地熱能發(fā)電的建議，當時取名“熱干巖體”（Hot DryRock）。高溫巖體地熱能的開發(fā)利用，簡單地說，就是鉆一些深井（3000～5000m 深）達到地下結晶質巖層，那里的溫度一般可達150～350℃；采用相應的井下作業(yè)措施（如射孔、爆炸、水力壓裂、酸化等），在高溫巖體中造成具有高滲透性的裂縫體系，也就是建造所謂的“換熱構造”或稱“人工熱儲”；從一口（或幾口）井注入冷水，經(jīng)裂縫換熱構造加熱后，從另外一些井采出熱水；在地面上將這些熱水采用二元發(fā)電裝置，即用低沸點二次工質的有機朗肯循環(huán)，或用氨/ 水混合物作為二次工質的卡里納循環(huán)（Kalina Cycle）發(fā)電（圖3）。在有熱負荷的地區(qū)，進行熱電聯(lián)產(chǎn)，也可以只用于供熱。

　　繼美國之后，英國、法國、德國、日本、瑞士、瑞典、澳大利亞等國也紛紛開展同類型的現(xiàn)場試驗（見圖4），但名稱叫法不一。美國早稱“熱干巖體”（Hot DryRock），當時估計深層結晶質巖體中沒有流體存在；后來日本的鉆探發(fā)現(xiàn)，深層巖體中，有的發(fā)育有較好的天然裂縫體系，并存在有流體（地熱水），因而又稱作“熱濕巖體”（Hot Wet Rock）；在澳大利亞的試驗中，地下巖體要經(jīng)過人工壓裂處理，使其生成裂縫體系，因而叫做“熱裂巖體”（Hot Fractured Rock）。此外，瑞士稱作“深層地熱開采”（Deep Heat Mining），能源機構（International Energy Agency）1978年發(fā)起的研究項目稱“人造地熱能體系利用”（Use of Man-made-geothermal Energy Systems）。美國在熱干巖體實驗項目后，對新開發(fā)的這種項目統(tǒng)稱“增強地熱系統(tǒng)”

　?。‥nhanced Geothermal Systems），其中包含對現(xiàn)有常規(guī)地熱系統(tǒng)采取工程措施，增強其產(chǎn)能或延長其使用壽命的內(nèi)容?？傊惣夹g由于研究與使用的著眼點不同，衍生出不同的名稱。我們認為，從構建整個地熱譜系出發(fā)，并區(qū)別于中淺層的地熱利用，此項技術本文統(tǒng)稱為“高溫巖體地熱能”，其英文仍循通稱HDR（HotDry Rock Geothermal Energy）。

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