干热岩供热技术

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  • 探索地球的能量——干热岩专题


    地球的起源

    地球的年龄

    地球的形状和大小

    地球的结构

    地球的能量

    清洁热源地热能

    最具潜力的地热资源—干热岩型地热


    卷首语


    能源是人类社会存在于发展的基础,人类的任何生产与生存活动都离不开能源。

    长期以来,化石燃料对世界经济的高速发展有着深远的影响,给人类带来前所未有的繁荣与幸福。但是,直到最近我们才开始完全认识到为此所付出的代价,人类所面临的挑战已经很清晰。我们必须减少或者改变能源的获取与使用方式。没有人可以轻视这种挑战,从现在做起,相信我们可以找到对地球更佳的、可持续的,无污染的能源利用方案。   



    一、地球的起源


    地球形成于几十亿年以前,初期的痕迹在地面上已很难找到了,以后的历史面貌也极为残缺不全。若想从地球面貌往前一步一步地推出它的原始情况,困难极大。

    自1543年,波兰天文学家哥白尼提出了日心说之后,天体演化的讨论才开始步入科学范畴,逐渐形成了诸如“星云说”、“遭遇说”、"星子说"、“灾变说”、“潮汐说”、“大爆炸宇宙说”等学说。而其中“星云学说”在科学界是被目前人们普遍接受的学说之一,至此,我们可以对形成原始地球的物质和方式给出如下可能的结论:

    大约五十亿年前,一个由尘埃与气体形成的星团,在太空中缓慢地旋转着。由于本身引力的缘故,这些物质渐渐凝聚,愈缩愈小,旋转速度愈来愈快,中心部分的温度愈来愈高。在温度极高的核心,形成了一个炽热的星球——太阳。而在核心的外围,尘埃和气体聚集成岩块和各种石头,这些岩块和石头与太空中剩余的气体结合,逐渐演变成太阳系中的各颗行星。地球,就是其中之一。

    初生的地球,在旋转以及尘埃和气体星云凝聚收缩的过程中,内部放射性物质元素(如铀、钍等)蜕变生热,使地球温度不断升高,形成一个熔融的热火球。熔融火球经历了1000万至2000万年尘埃吸积,地表不断增厚,炙热物质被包裹于地表以内,地表温度不断下降,当地表温度降低至沸点以下时,存在于原始大气中的水蒸气开始大量液化,倾盆大雨降落到地球表面低凹之处,形成了江河、湖泊和海洋。大量水的存在使地球表面温度持续下降至适宜生命的存在,地球初具今天的模样:地表以下是巨大的热库,地表以上是生命的家园。



    二、地球的年龄


    科学家已测定太阳系中碎屑的年龄都在45亿年至47亿年之间。19世纪60年代,在月球上发现的岩石经测定吻合了这一时间,而包括地球在内的太阳系成员大都在同一时期形成,因此,科学家推测地球大约已经存在了46亿年左右。在加拿大的东北方向冰雪覆盖的格陵兰岛西部,发现了迄今地球上最古老的岩石------阿米佐克片麻岩,距今大约38亿年,这也大致验证了科学家们的研究,更早的岩石证据还有待发现。

    按照对地球寿命100岁的推算,现在的它正处于中年。



    三、地球的形状和大小


    人类对地球形状的认识经过了漫长的过程,从最开始认为的“天圆地方”,到“球形”,最后科学家经过长期的精密测量,发现地球并不是一个规则球体,而是一个两极部位略扁赤道稍鼓的不规则椭圆球体。

    若将地球比作一个“鸭梨”, “梨身”是鼓起的赤道部分;“梨蒂”是放尖的北极点;而凹进的南极点,是它的“梨脐”。

    地球赤道的平均半径为6738公里,极半径为6357公里,地球北极地区约高出18.9米,南极地区则低24至30米。

    地球子午线方向周长约为3.99万公里,赤道周长约为4万公里,如果一个人每天走55公里 ,大约要2年才能绕地球一周。

    地球的表面积大概有5.1亿平方公里,陆地面积占29%,海洋面积占71%,可谓“三分陆地,七分海洋”。

    太阳可以轻松装下100万个地球。



    四、地球的结构


    地球分为地球内部圈层和地球外部圈层两大部分。


    地球内部圈层结构


    地球内部存在地壳、地幔和地核三个圈层,好比是一个煮熟的鸡蛋,蛋壳相当于地壳,蛋白相当于地幔,蛋黄相当于地核。

    地壳是地球的最表层,由于地球表面有陆地和海洋,因此,又有大陆地壳和大洋地壳之分。大洋壳的厚度很小,平均仅为6-8公里。大陆地壳一般厚度为33-35公里,最厚地区大约为50-70公里。中国青藏高原地区,地壳平均厚度可以达到70公里,是世界上地壳厚度最大的地区之一。大陆地壳由三种不同成分的岩石组成,最上面是沉积岩层,向下依次是花岗岩层和玄武岩层。地球内部的温度和压力随深度加深而增加,经检测,地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年,而地球生成到现在大约已有46亿年,这说明构成地壳的岩石不是地球的原始壳层,是地壳内部的物质通过火山活动和造山活动形成的。

    地幔厚度约2900千米,上地幔主要是橄榄石,下地幔是具有一定塑性的固体物质。上地幔上部存在一个地震波传播速度减慢的层,一般又称为软流层,推测是由于放射性元素量集中,蜕变放热,使岩石高温软化,并局部熔融造成的,很可能是岩浆的发源地。

    地核的平均厚度约3400千米,外核是液态的,由铁、镍、硅等物质构成的熔融态或近于液态的物质组成,液态外核会缓慢流动,故有人推测地球磁场的形成可能与它有关。内核是固态的,从源自其他行星核心的铁陨石来推测,主要由铁、镍等金属元素构成。

    地核占地球总体积的16%,地幔占83%,与人们关系最密切的地壳,仅占地球总体积的1%。


    地球外部圈层


    地球还包括大气圈、水圈和生物圈。这三个圈层之间没有明显的界线,它们彼此渗透,相互影响,在太阳和人类生活的参与下,使整个地球生机盎然。



    五、地球的能量


    地球并不是一个封闭的体系

    她每时每刻都在宇宙中运动着

    同时也在宇宙中进行着能量与物质的交换

    而且能量与物质总是紧密的联系在一起的

    伴随着物质的获得或丧失

    地球系统也同时获得或丧失了能量    


    能量的产生


    地球的内能(热能、动力能、重力能)

    热能

    地球内部是个庞大的热库,放射性元素的衰变是地球热能的主要来源。



    联合国有关新能源报告显示:全球地热能资源总量,相当于全球资源总消耗量的45万倍。

    地球从地面至地心,随着深度的增加,温度也在不断地提高。据地球物理资料及数据推断,整个地球的平均温度约为2000℃,地核的温度约为6000摄氏度,其炙热程度可与太阳表面相媲美。

    动力能

    地球是太阳系的九大行星之一,它除了围绕太阳进行公转外,本身还在不停地自转,地球自转产生的惯性离心力,能够给予地球体巨大的能量,这种能量就称为旋转能,或叫动力能,有人计算这种能为2.1×1029焦耳,如果换算成电能它相当于全球发电总量的数亿倍。

    重力能

    地心引力给予地球体本身的能量,是重力能,它可以转换为热能或动力能,也叫策略能。


    不同方面的能量也在互相转换,如重力能可转换成热能,热能又可转换成动能等。


    地球的外能(太阳辐射能、引力、人类活动、其他)

    太阳辐射能是地球表面最主要的能源,也是地表水和大气运动的主要动力,它能使地球表面发生风化,剥蚀而改变原来的外貌。

    日、月的吸引力对地球产生作用力,这个作用力本身也可转化为能量。

    另外,地球上数以万计的不停地奔腾流淌的河流,将流域内的大量泥沙,冲向异处;人类大规模开采矿藏,每年有数亿立方米的矿物被搬动,这些同样可改变区域性地壳平衡,并与之相伴产生一定的能量。



    能量的传递


    地热能传递的方式有传导、对流、辐射。

    地幔对流是热量由地心向地表传输的主要途径。

    地球内部高温熔融的地核,使其周围的地幔被加热熔化,产生上升热流,遇到地壳降温后,向四周分流,密度增大,又向地幔下部沉降,在地核附近再遇热上升,如此往复,形成地幔对流。

    地幔对流,带动了其上方的地壳大陆板块或海洋板块的上升、下沉与平移,形成山脉、海洋、大陆,形成大洋中脊裂谷和大陆裂谷,同时也是地表热点的分布、地震和火山活动,以及某些矿物生成的重要因素。

    地幔的热对流就像运动的传送带,被认为是地球演化变迁最可能的原始驱动力。



    能量的释放


    在46亿年长河中,运动的地球不断的蓄积和释放着能量。

    地球释放能量的形式多样,其中主要有以下四种:

    热传导

    大地通过岩石向外传导热能,是地球热能释放的主要渠道,称为大地热流。地球每年通过热传导从地球表面散失的热量约为1.399×1021焦耳。

    火山喷发

    地下的岩浆循着地壳的薄弱带攀援上升,喷出地表形成火山爆发,使地球内部积聚的热能得到释放,之后再形成新的平衡。地球每年通过火山喷发释放的热量大约为3.3×1019焦耳。

    地震

    地震是地壳快速释放能量过程中造成振动,期间会产生地震波的一种自然现象。据不完全统计,地球上每年发生大大小小五百万次地震,其中能对一个地区造成巨大灾难的大地震约十来次。地球每年通过地震活动释放的热量大约为5×1017焦耳。

    温泉

    地球每年通过地热带温泉释放的热量估计约为2×1018焦耳。



    六、清洁热源地热能


    地热资源是一种无污染的清洁能源,随着石油、煤炭等传统能源逐渐枯竭,地热资源将成为未来能源的一个重要组成部分。

    目前,国际上有一百多个国家在开发利用地热资源,并以每年12%的速度递增。预计到2100年,地热利用将在世界能源总值中占30%到80%。

    中国属于地热资源丰富国家,开发潜力巨大。 

    早在1970年,地质部部长李四光先生高瞻远瞩地提出“地下是一个大热库,是人类开辟自然能源的一个新来源,就像人类发现煤炭、石油可以燃烧一样”。



    地热能的几种表现型式

    水热型地热,即地球浅处(地下100~4500m)所见的热水或水热蒸气,例如温泉、间歇泉。这些地下热水和蒸汽,其实是大气降水在地下深处被热岩体加热的结果。

    干热岩型地热,即埋深至地下数千米,内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。

    地压型地热,某些大型沉积盆地(或含油气)深处(3000~6000m)存有大量高温高压流体。

    熔岩地热,即储存在高温(700~1200℃)熔融岩体中的巨大热能,例如火山岩浆。



    地热能的应用

    人类利用地热能历史久远,从温泉沐浴、医疗、取暖、到建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。目前,人类开始建立地热资源的现代概念,着手开发利用。

    地热能发电

    地热发电是地热利用的工业用途。地热发电和火力发电的原理相同,都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能,带动发电机发电。在地热发电中,大地就是锅炉,它所用的地热能源,从大地出来时,就是蒸腾高温蒸气,直接可做机械能转换,带动发电。



    地热能供暖

    地热能可直接用于采暖、供热和供热水。



    温室种植和水产养殖

    反季节新鲜蔬菜、高档花卉和鲜活水产品大量进入现代人生活。中低温地热资源可以直接用于温室供暖(包括土壤加温)和温水养殖,供暖稳定且产值高。



    温泉洗浴和医疗

    温泉水自古以来就用于洗浴和医疗,矿水成分有普通热水所不具备的洗浴功效。地下热水在地下深部较高温度、压力的条件下,能溶解丰富的矿物质,如偏硅酸、偏硼酸、硫化氢、氡、镭、氟等成分,形成医疗矿水,并在一些地热区形成矿泥,具有医疗价值。



    七、最具潜力的地热资源——干热岩型地热


    干热岩是埋藏于地面以下1000米至10000米,内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。它的温度在50°C至650°C之间,是一种可用于采暖、发电的清洁可再生热源。

    干热岩的热能赋存于各种变质岩或结晶岩类岩体中,较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。


        


    干热岩地热能储量

    国际范围储量:目前保守估计,在3000~10000米深处的地壳中,干热岩所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的300倍以上。

    我国储量:中国地质科学院水文地质环境地质研究所国家“863”计划项目“干热岩地热地质资源评价与开发技术研究”对我国陆区干热岩资源潜力进行了估算,结果显示,在中国,干热岩地热能(300010000米)理论资源量相当于860万亿吨标准煤,如开采2%,则相当于2013年中国能源消费总量的5200倍。



    干热岩地热能的意义

    干热岩地热能是无处不在,取之不尽的新能源。

    “有深度,就有热度。”可以说,站在地球的每一个角落,脚下几千米深处的岩石,都是热源。

    与传统化石能源相比,干热岩地热能是一种清洁可再生能源。

    干热岩清洁无污染,是友好型、亲环境的可再生能源。石油、煤炭燃烧的排放物会造成雾霾、促进酸雨的形成,增加大气二氧化碳的浓度,排放物中的汞还会污染水源。和火电、水电相比,干热岩发电几乎是零排放,开发安全,持续性好。

    与其他清洁能源相比,干热岩能够实现稳定、可靠且安全的能源供应。

    风能不稳定;太阳能占地面积大,受夜晚及季节的局限;水能受季节影响,还可能造成流域生态破坏;核电虽清洁,但其危害程度重、范围大,有安全隐患,2011年日本大地震造成的核泄露事故,至今令世界心有余悸。