书城童书科普知识百科全书——《能源知识篇》(上)
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第10章 地下“热库”(2)

在我国西藏的羊八井,有一座独特的发电站,它使用的燃料,既不是煤,也不是石油;它不靠风力、水力,也不靠太阳能工作。它靠什么工作呢?靠地热。这座当今中国最大的地热发电站,可发出13万千瓦的电力。这真是西藏高原的福气。因为在羊八井,有丰富的地热资源,从这里地下冒出的热气,推动着涡轮机,带动发电机发电,这地下热气真是名副其实的“福气”啊。

用地热发电,不用烧煤,也不用使用其他燃料,所以十分方便,而且干净。一般地热丰富的地区,地热会以多种形式表现出来,只要加以有效的利用,就可以用来发电。

地热常常以干蒸汽、湿蒸汽和热水三种形式出现。对于干蒸汽来说,使用它发电特别方便,把这种蒸汽直接引入涡轮机,就可以推动发电机。这种发电方式,和烧煤的火力发电相似。可惜的是,冒干蒸汽的机会比较少,它只有冒热水和热蒸汽机会的二十分之一,所以干蒸汽发电站较少。

西藏的热泉

湿蒸汽中除含有蒸汽外,还含有热水。因此,用它发电时,在进入涡轮机之前,要先通过扩容分离器或热交换器把蒸汽和热水分开。这样,蒸汽可以直接用来推动涡轮,而热水则可以作别的用途。

如果冒出的是热水,用它发电,就得想办法变成蒸汽,再进入涡轮机。方法有多种。其中一种是将热水减压,这样它就会马上沸腾变成蒸汽。为此,必须先将热水送到一个减压扩容器里。另一种方法是借助于别的低沸点物质,如氯乙烷、正丁烷和氟利昂等。这些物质沸点很低,稍稍加温就可以蒸发而变成蒸汽。因此,先将地热产生的热水去加温这些物质,这些物质产生的蒸汽就可以推动涡轮机。

地热发电使用的“燃料”是不花钱的,所以各国都在加以研究。但是,地热发电也有一定的困难。比如,不是每一个地方都有地热资源,另外地下冒出的热气、热水并不干净,它要经过净化,即使这样,还会对各种设备产生腐蚀。

这样也就限制了地热发电站的发展。

世界上最早建起地热发电站的国家是意大利,时间是1904年。后来,美国、新西兰、日本、澳大利亚和墨西哥等国也相继建立了地热发电站。其中以美国的地热站发电功率最大,最大单机容量达11万千瓦。而日本则准备在本世纪末建成容量为1000万千瓦的地热电站。

我国地热资源丰富,据勘探表明,有14个省、市、自治区的30多个地区的地热资源储量大、面积广,有很大的开发前景。从1970~1979年,我国已建成了7座地热发电站,其中以西藏羊八井的发电站最大。其次还有湖南灰场、河北怀来、江西宜春、广东丰顺地热电站等。其中以湖南灰场地热电站运行最佳。它不仅达到了长期稳定发电,而且发电后的余水还得到了综合利用,可以用来灌溉农田、温室育苗和医疗等。

不容遗忘的“干热岩”

在英国西南部康沃尔郡一个叫鲁斯曼诺斯的地方,科学家和工程师们正在开展一项规模很大的研究工作,目的是把埋藏在地下深处的干热岩中的热能开发出来加以利用。

鲁斯曼诺斯地区从上到下都是花岗岩,计划要在这里钻6000米以上的深井,从地面用水管往地下注水,被加热的水变成225摄氏度的高温蒸汽后返回地面,再送去汽轮发电机发电。据估计,如果将这里的干热岩里储存的热量全部开发出来用于发电,那么所产生的电力将可以满足英国全国 20%的电力需要。

干热岩是一种存在于地下深处的炽热的岩石,由于这种热岩层里既没有水又没有蒸汽,所以被叫做干热岩。

干热岩到处都有。地壳中蕴藏着巨大的热能,这些热能大多数都储存在干热岩里面。据计算,一块160立方公里那么大的干热岩,温度从290摄氏度下降到200摄氏度,释放出来的热能就相当于美国1970年全年消耗的能源。真是了不起!

问题是,干热岩里既没有水又没有蒸汽,怎样才能把它里面蕴含的热能开发出来呢?

美国人史密斯最先提出一种开发利用干热岩里的热能来发电的技术设想:采用特制的钻机往岩层深处打两口钻井;到达干热岩以后,再用高压水流——“水力爆破法”使两口钻井之间的岩体产生裂缝,构成通路;然后往一口钻井里注水,水被干热岩加热,生成的热水和蒸汽再用水泵从另一口钻井中抽出来;抽出来的热水和蒸汽,即可用来驱动汽轮发电机发电。

第一次开发干热岩的野外实践开始于1973年,具体钻探地点是美国新墨西哥州的芬顿山,这里的地热增温率是每公里65摄氏度。1975年,他们钻了两口上部垂直,下部弯曲的“J”形并,井深都在3000米左右。从1977年到1978年,花了9个月的时间,才用高压注水的办法把两口井打通,抽出155摄氏度的蒸汽维持了75天,尽管产生热量的功率只有3000千瓦,但是这一次成功的实践仍然是有划时代意义的。

接着美国又进行了多次试验。不久前洛斯阿拉莫斯国立实验室钻了两口近4400米的深井,先把水泵进去12小时后再抽上来时,水温已高达375摄氏度。

专家们认为,在一个地区打上二三十口井,发5万千瓦电,满足这个地区2万人口用电的需要——这样的开发方案是比较合适的。

有这样一个总的估计:开发温度在360摄氏度以上的干热岩,所得地下热水和地热蒸汽可以用来发电;如果干热岩的温度在80~180摄氏度之间,那么所得热能只能为家庭或工厂供暖,可光是这后一部分的能量,就等于现在美国所消耗的热能的4000倍。

继美国之后,德国、法国、英国、瑞典、日本等国都开始进行干热岩的开发研究。

法国在两年时间里打出了6口开发干热岩的深井,其中的一口井深6000米,每小时可获得200摄氏度的高温热水100吨。

日本的火山多,干热岩也多,所以日本对开发干热岩特别积极,据说钻井只需钻到1500~2000米的深度,就能获得200摄氏度的地热。日本不仅参加了美国、德国联合开发干热岩的试验,而且还在本国进行了类似的实践。1988年,他们在山形县打了两口 1800米的深井,井底花岗岩体的温度大约是250摄氏度,往一口井里注水,100~180摄氏度的热水和蒸汽就从35米远的另一口井中冒出来。

能从地下湿热岩中取得地热并开发成地热田的地方仅仅是少数。可是干热岩不同,只要钻到足够的深度,就一定能找到它。可以说,除了太阳能,世界上数量最大的能源就是我们脚下的干热岩能。专家们说, 1立方公里干热岩所含有的能量,相当于一个产油1亿桶的大油田;全球干热岩所含有的能量,相当于全部煤炭、石油和天然气等化石能源的30倍,可供人类使用成千上万年。因此我们不能忘了干热岩。

不过,从地面到地心约6370公里,而我们为了开发干热岩,最深的钻井深度也只有6000米,不到地球半径的千分之一。如果我们把地球比喻成是一只苹果,那么我们现在做的,充其量也只是在苹果身上刺了几个针孔小眼,连薄薄的一层苹果皮还没有穿透哩!苹果皮下又是什么呢?

笼统一点说,硬的地壳底下是软的地幔:地幔是产生岩浆的地方,而岩浆又是生成岩石的原料。

提到岩浆我们就会想起火山,火山喷发不就是喷出熔融赤热的岩浆吗?岩浆的温度至少也有上千度,比干热岩要高得多,是否也可以开发利用呢?

至少美国、日本、前苏联的科学家这么想了,而且已经着手进行试验研究。

岩浆通常产生在100公里深的地下,不过有时它也会进入地壳,并在某个较浅的地点积存起来;岩浆沿着地壳的裂缝喷出地表就是火山喷发。这就是说,应该到火山口的附近去寻找埋藏比较浅的岩浆,并利用它的热能来发电。

美国从1975年开始对岩浆发电进行理论研究,1984年又做了实证研究。接着,他们在夏威夷岛的一个熔岩湖搞了现场试验。在这些科研工作的基础上,美国决定在加利福尼亚州猛犸湖附近的长谷火山口打一口 6096米的深井,正式进行岩浆发电的实践。

事情说起来很简单,为了利用岩浆中的热能,可以钻井到有岩浆的地方,利用岩浆的热把水变成蒸汽,然后让蒸汽去推动发电机发电。但要做起来却会遇到巨大的困难,你想,岩浆被厚厚的岩层覆盖在地下,温度很高,压力很大,正憋足劲儿想往上窜呢!若在它上面钻口井给它找出路,这不如同在火药库旁边玩火一样危险吗?

需要解决的难题很多,科学技术正是在解决难题的过程中得到发展的。

美国已经对本国可利用的岩浆资源进行过估算,大约相当于250亿~2500亿桶石油,比美国全部矿物燃料的蕴藏量还多。

前苏联一些科学家认为,只要在堪察加无名火山上安装发电机进行岩浆发电,它的总功率就可以超过100个伏尔加电站的发电能力。

我国著名地质学家李四光生前说过:“地下热库正在闷得发慌,焦急地盼望着人类及早利用它,让它能沾到一份为人民服务的光荣!”

那么,就让我们大家一起来“唤醒”沉睡在地下的地热资源,使它们有机会来为我们和我们的子孙后代造福吧!