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(jié)晶質(zhì)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(gòu)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?qū)嵲谑且粋€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(jié)晶質(zhì)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(jié)晶質(zhì)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(gòu)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(gòu)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(zhì)的有機朗肯循環(huán)，或用氨/ 水混合物作為二次工質(zhì)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(jié)晶質(zhì)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(gòu)（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。總之，同類技術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(gòu)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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