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第9章 各具特色的能源(7)

第二种方法叫减压扩容法。它可适用于略低于100℃的地下热水。基本原理好比在海拔很高的山顶上煮开水一样,因气压低于1.013兆帕,水温不到100℃也会沸腾。用人工方法造成低压的条件,使得不到100℃的地下热水也沸腾起来,变成蒸气,再去推动汽轮发电机。具体办法是在汽轮机前方设一扩容器,在后方设有冷凝器和抽气器。启动时先开动抽气器,使整个系统处在负压下(即气压小于1.013兆帕),然后将地下热水引入扩容器。在负压下,不到100℃的热水即刻沸腾起来,产生大量蒸气,推动汽轮机。尾汽进入冷凝器,冷凝成水排出。这样不断地冷凝和排水,就可以保持系统始终处在一定负压下。如果地下热水里含有别的气体,这些气体不会在冷凝器里变成水,可通过除气器和抽气器除去,使系统保持负压。这种方法易行,是利用率较低水温地热水发电的好办法。

第三种是利用低沸点工质发电的方法。它是将地下热水引入蒸气发生器的一侧,加热另一侧通过的低沸点有机化合物液体,使它沸腾产生大量蒸气,推动汽轮发电机组发电。从汽轮机排出的低沸点工质的乏气,通过冷凝器,再次变成液体,由循环泵打入预热器,再回到蒸气发生器中加热,如此循环不已。低沸点工质种类较多,例如氯乙烷(C2H5Cl)、异丁烷等等都是理想的低沸点工质。氯乙烷的沸点为12.3℃,当地下热水只有60℃时,就可以得到55℃,(4-5)×1.031兆帕的氯乙烷蒸气,完全可用来推动汽轮发电机发电。这种方法不但可用于地下热水温度低于100℃的场合,也适用于地下蒸气中含有腐蚀性成分,不宜直接导入汽轮机的场合。这种方法的缺点是设备较复杂。

③世界地热利用新情况:据世界能源委员会(WEC)1993年发表的1992年能源资源调查报告指出,地热资源在几千年前已开始向人类不断提供热能。至1994年才开始在意大利实现了工业规模的应用,建立了世界第一座地热电站——拉德瑞罗地热电站。该电站的装机容量为54.8万千瓦。此后,新西兰、美国、日本、菲律宾等24个国家相继开展地热发电利用。现在最大的地热电站是美国的盖塞兹(Geysers)地热电站,装机容量共283.7万千瓦。装机容量次于美国的有菲律宾(88.8千瓦),墨西哥(70万千瓦),意大利(54.8万千瓦),日本(27万千瓦),新西兰(26.4万千瓦),印度尼西亚(14.3万千瓦)等。当前主要国家的地热发电容量共约600万千瓦,年发电量共约300亿千瓦时。

此外,地热资源还在非发电(直接利用)方面被大量利用,所被利用的热能约为发电利用能量的10倍。报告中列出了一些国家的地热资源发电利用和非发电利用量。

美国电力大户OESI公司在加州和内华达州建了两座大型地热发电站,于1993年秋投产。建在加州南部的含拜尔地热发电站装机32万千瓦,投资1.15亿美元,生产的电力交当地供电公司并网销售;建在内华达州北部的腊依帕奇地热发电站,装机12.5万千瓦,投资3800万美元,生产电力由当地电力公司并网销售,建设资金全部由GE公司金融部门融资。

菲律宾政府和国有石油公司为解决国内电力严重不足,决定在莱特岛建60.5万千瓦地热发电站,其中44万千瓦向首都马尼拉所在的吕宋岛供电,另16.5万千瓦向附近的宿务岛供电。同时建设连接各岛间的输电线路。为了减少输电损失,将采取直流输电,由世界银行融资;发电工程将采取建设、运营一揽子的BOT方式,并于1993年4月进行国际招标。

世界各国加紧开发热干岩发电技术,北美洲和其他大陆下面都是热干岩,但埋藏的深度不同。

迄今在利用大自然的这个恩赐方面迈出最大一步的是在美国新墨西哥州芬顿山进行的4个月连续不停的试验。那里附近的洛斯阿拉莫斯国立实验所的科学家们现在正在进行迄今范围最广泛的验证。他们在地下2438米深处用水的压力在一片体积为2124万立方米的花岗岩层冲开一些裂口,然后钻两口井,从地球表面直通到204.45℃高温的岩石上。

通过其中一口并向热岩石注入冷水,再用比汽车轮胎里的压力大200倍的高压把水从这些裂口里压挤过去。接着用水泵通过另一口井把热水抽回到地面上来。这种热水将在一座发电厂中用来加热丁烷(C4H10),使丁烷膨胀,驱动涡轮机。据科学家们说,这样发电的成本将和常规发电厂的成本不相上下。

洛斯阿拉莫斯国立实验所的这个研究项目的领导人戴维·达钦预言,第一座正式运行的这种热电厂大约将在5年后投产。帮助实现这个梦想的是地热电力公司,这是内华达州里诺的一家新创办的公司,它现在正在同加利福尼亚州克利尔莱克市当局合作建造一座正式运行的地热发电厂,如新墨西哥州的平原电力公司等其他美国公司正在密切注视洛斯阿拉莫斯国立实验所的研究活动,派遣顾问人员去参观这个工程项目。这项技术也在全世界引起浓厚兴趣,日本、英国、法国、德国和俄罗斯都在进行试验。

整个技术仍处于萌芽阶段。它也带有风险,例如钻井时碰上多孔的岩石,就会像漏水一样把水流掉。但是研究人员认为,这种情况要比在勘探石油和天然气时打出空井的可能性要小得多,打空井的可能性为20∶1。

日本中央电力研究所与我国国家地震局地壳应力研究所合作开展高温热岩发电的研究试验工作。高温热岩发电是要取出地下热岩的热量,通过地面的热交换及发电设备转换为电能。其技术关键在于如何取出热岩的热量,现在世界上许多实验中,多数是用不同方法将岩石压裂或爆裂,然后通过钻井将水或其他介质送入热岩裂缝中受热,并将热量带到地面。而地面发电的工艺过程则是利用成熟的技术。目前,中日合作的试验就是水压破碎热岩、预测裂纹发展的技术研究。这次试验的场所选定在北京西南的房山。实验是在花岗岩层中进行,破碎用钻孔直径为120毫米,深约250米。还有4个声波观测钻孔,其直径90毫米,深约100米,在破碎用钻孔的周围埋设有许多声波传感器,日本中央电力研究所对热岩水压破碎已掌握一定的实用技术,正在进一步完善设计。钻井工作中方已于1993年7月开始,计划破碎试验将在1994-1995年间进行。

我国现有地热井2000口,其中近半数已投入开采利用。经过20多年的地热勘查证实,我国具有较丰富的高温和中、低温地热资源。现已完成地质勘察的地热田有50多处,其中西藏羊八井和羊应乡,京津及河北省牛驼镇的地热田均达大型规模。

中国的高温地热资源主要分布于藏南、滇西及川、滇交界一带,一般用于发电。中国目前的地热发电机组数在17个有地热发电的国家中居第5位,装机容量居第12位。

我国最大的地热电站建在西藏羊八井地热田,现有装机容量2.5万千瓦,已累计发电近4亿千瓦时,占拉萨市电网的40%-50%。另外湖南、广东等省也有地热电站。

中、低温地热资源主要分布于我国东部,用于纺织、印染、温室种植、水产养殖、医疗洗浴和冬季采暖等。地热利用最突出的天津市现已建成供暖面积140万平方米。

防范污染

地热应该被视为洁净和简易的能源,但因有些地方的地下热水中含有一些有害物质,处理不当也会污染环境。例如,热水中含有硫化氢,逸出来可以闻到臭鸡蛋的味道。有些热水中含有砷等有害物质。

在开发利用地热时,应仔细分析水中的有害元素的含量,同时采取相应的防范措施。最有效的处理办法是将废水回注到井内,这样既可解决污染问题,又可防止因大量抽水而造成地面下沉,这在技术上是完全可以办到的,无需顾忌。

绿色的油库造福人类

如果有人告诉你,石油可以种出来,也许你不会相信,但是从植物中可以提炼出石油,这是千真万确的事。

人类在长期的生产实践中,经过细心的观察,发现在数以万计的植物中,有的会分泌出类似于石油的乳汁;有的籽实或枝叶里含有很高的油分,只要通过简单的加工,便能提取出各种各样的植物油,这种植物油可以代替柴油当燃料。还有人发现,利用各种农副产品和废料发酵和蒸馏,制成酒精和甲醇,也是汽油的理想代用品。现在,有些已经突破了技术和经济难关,在全世界范围内推广应用。

早在20世纪初,柴油机的发明者狄塞尔就在他发明的柴油机上,试验过以各种植物油作燃料。后来,由于中东的廉价石油流入国际市场,“绿色的油库”曾一度被人们遗忘。1973年,中东爆发石油危机,油价猛涨,一些国家又开始重视植物油的研究和开发利用。

现在,在世界范围内已经找到许多种可以提取燃料油的植物。除了我们所熟悉的油菜子、向日葵等油料作物外,在美国发现了一种名叫美洲香槐的石油树,这种树长成时,可以像割橡胶一样,从树干的表皮取出白色乳汁,这种乳汁只要稍加提炼,就会得到石油。此外,东南亚的合欢树,我国台湾省的高冠树,美国的“绿玉树”、“续随树”,都属于石油树。

还有一种能适应沙漠恶劣环境下生活的灌木植物,名叫霍霍巴,它的果实含有50%-60%油性乳汁,经过提炼就是高级精密机械的润滑油。

油料作物还有大豆、花生、棉籽、油橄榄、橘皮等,都可榨油。

我国是研究油料植物较早的国家之一,但由于食油缺乏,油料作物得先满足人民日常生活食油所需,作为燃料的为数不多。不过,亦有一些地区的农村,在农忙季节,因柴油缺乏也曾以植物油代替柴油,也收到了较好的经济效果。

可以预计,随着石油资源的消耗,石油产量的下降,人类终将打开“绿色的油库”,为满足社会对液态燃料的日益增多的需要。

未来的洁净能源——氢能

早在1874年,富于幻想的作家米尔斯·维恩曾预言,世界能源最终将以氢为基础。发展趋势表明,本世纪过渡到使用无碳燃料已在所难免。氢原子将取代碳原子,使地球恢复洁净。

自从工业革命开始以来,人类通过燃烧化石燃料,已经把数十亿吨有毒污染物倾倒在大气层中。燃烧化石燃料,每年有50亿吨炭、约1000万吨硫和比此数少一些的氮氧化物进入大气层。

氢作为燃料的独一无二的优点是,它的燃烧产物是水,不会污染环境,燃料循环与生物圈相吻合。

氢的运输和销售费用要比输电的便宜,在许多情况下,把现有的天然气管线改造一下,就能用来运输氢。运送氢的费用只为远距离输电的八分之一。氢还可能比电更宜于储存。按重量计算,氢的能量是同量汽油能量的2.5倍左右。如果把喷气机上的燃料换成同等效能的氢,就会大大节省重量,这也使氢成为一种航空燃料具有的明显优点。

如果把气态氢效率高的优点考虑进去,那么生产相当于3.78升汽油的气态氢需花费约1.4美元。如果要化石燃料燃烧对环境污染负责的话,则每升汽油的实际成本至少要再增加25美分。因此,当考虑总的社会开支时,甚至现在用氢也比用化石燃料便宜。

在可再生能源得到大量应用之前,氢主要由天然气做原料来生产。21世纪中叶以前,煤炭可能成为生产氢的最便宜的原料。高温气冷堆将是制备氢的理想热源,它可提供高达1000℃以上的高温。

现在,世界各国都在探索用廉价的方法制备氢的途径,而且取得了许多新成果。

美国能源部1993年投资6300多万美元,用于研究与开发利用氢气代替汽油作汽车燃料。科学家们认为氢气将是21世纪后半期汽车的主要燃料。氢气具有对大气污染少,燃烧时不会排放SOx、NOx和CO2等有害气体,完全符合美国于1990年颁布的净化空气法的要求。石油、天然气和煤炭等化石燃料,生成过程很慢,要经历几百万年,甚至几亿年,开采一点少一点,终究有一天会枯竭的。而氢气却是取之不尽,用之不竭的能源,可减少对进口石油的依赖,能实现能源自给自足,可节约大量用于进口石油的外汇。但是,美国过去对研究与开发氢气重视不够,大大落后于德国、瑞典和日本等国家,所以,现在要迎头赶上。

关于利用氢气作汽车燃料的问题,美国研究的重点是开发燃料电池。这种电池,除了用氢气外,还可用天然气、甲醇、乙醇和其他气体。美国科学家瑟法斯说:燃料电池的能源转换效率可达到40%-55%,如果利用它的热能,还可使能源转换效率提高到80%。

美国液化空气专家珀要称:氢气为“未来的燃料”,在21世纪下半期,也许会取代汽油作车用燃料。

日本从1993年度实行以氢作燃料的发电技术计划。预计2020年为实行此计划将投入资金3000亿日元。

使系统实用化的关键技术是:以氢作燃料的涡轮发电机;高效率的分解水技术;安全而低成本的氢储存技术。

由日本万事发车厂研制的实验性汽车,燃料不是汽油、柴油、酒精,而是用氢气发动。而含氢成分极高的水正是它的原料。尽管这种实验性汽车使用成本极高,而油价目前相对较低,但由于对地球环境污染问题日益重视,而石油总有耗尽一日,用氢作为汽车燃料最为吸引人,因氢与氧结合成为水,而地球上正好有大量的水。

不过以水代替汽油,仍有许多难题。首先将氢从水中分解出来就需用大量的电,这是成本高的一个原因。需用大量的电,意味着用氢作汽车燃料也不是绝对干净,因为发电过程会产生有害物质,不过这个问题可用水力发电解决。另一个问题是如何将氢储藏在汽车内,将气体氢变成液体氢,便于储藏,但必须在零下253℃。尽管难题很多,但是氢作燃料是本世纪的选择,前途十分光明。

现在,利用液氢作为燃料的氢能飞机已经研制成功,并且进行了试验,性能十分稳定。德国和俄罗斯目前正在合作研制一种空中客机,它由液氢作燃料,可望在2010年前后投入使用。

德俄研制这种飞机的原因:第一,在不久的将来可能出现石油供应短缺。需研究新能源取而代之;第二,从保护环境的角度来看,液氢是最理想的无污染燃料。

目前欧洲每天仅生产液氢20吨,而一旦这种燃料投入使用,估计欧洲每天需消耗液氢6000吨。

可以预料,随着科学技术的突飞猛进,氢将逐渐取代常规能源,在不久的将来,它将成为能源舞台上的重要角色之一。氢能时代将会在本世纪后期到来。

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