地热资源的工业化利用探讨

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(河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院， 河南 郑州 450045)

2013年以来,河南省持续多发的灰霾天气，已经成为人民群众反映强烈的热点问题，大气污染防治任务十分艰巨。煤炭直燃是增加大气PM2.5数值，形成雾霾天气的罪魁祸首。地热资源作为一种可再生、洁净能源，其开发既可缓解传统能源的紧张，又可减少PM2.5、二氧化碳等污染物的排放[1]。

1 地热地质条件

延津县地处中牟凹陷北侧边缘与内黄凸起交接处，受新乡—商丘断裂带影响，下新近系地层孔隙裂隙较发育，形成良好的热储层。本区热储层主要为新近系明化镇组热储层、馆陶组热储层及古近系热储层。

新近系明化镇组热储层：顶板埋深190 m左右，底板埋深1 100 m左右，总厚度910 m左右。热储层含水介质主要为粗砂、中砂、中细砂、细砂为主，盖层为新近系顶部及上覆第四系的粘性土层。

新近系馆陶组热储层：顶板埋深1 100 m左右，底板埋深1 900左右，总厚度800 m左右。热储层含水介质以细砂及粉细砂为主。

古近系热储层：顶板埋深1 900 m左右，古近系厚度1 900 m左右，热储含水介质岩性主要为中粒砂岩、细粒砂岩及泥岩为主。

2 开发利用方案

2.1 开发利用方案

延津县城区有10家地热水用户，井深一般在1 000～1 300 m，单井出水量40 m3/h左右，水温50℃左右，取水层位为800～1 300 m，主要开采新近系明化镇组(N2m)地热水，主要用途为取暖和洗浴用水。根据延津县地热地质条件及地热资源的开发利用现状，同时考虑地热资源的可持续利用，设计施工8眼地热井，4采4灌，#1-#4供一期工程，#6-#8供二期工程(#1-#6号井已投产使用)；为了不与周边已开采地热井“争夺能源”且达到业主温度的要求，井深设计2 200 m，取水热储层为1 300～2 200 m的下新近系和古近系的砂岩。

2014年我单位成功在延津克明面业施工6眼(3采3灌)地热井，水温高达75℃，单井涌水量80 m3/h；水化学类型为Cl-Na、Cl·HCO3-Na型；pH值7.45～7.90；矿化度2 500～3 000 mg/L。

延津克明面业地热采用1采1灌的“对井”开采回灌模式，利用潜水泵抽取地热井中的地热水(75℃)输送至挂面烘干车间，通过热交换提取热水中的热量对挂面进行烘干，尾水(45℃)通过加压回灌至地热井中，以实现地热资源的循环可持续使用(见图1)。

图1 延津克明面业地热开发利用方式示意图

2.2 回灌方案

古人把从地壳裂隙深处涌出地面的热水喻为“金汤”。近年来，随着温泉、地热供暖等产业的发展，“金汤”盲目开采严重，多为“只抽不灌”的消耗型开采，已经出现地热水位下降、资源衰减、环境破坏、开采成本不断上升等现象，实施地热尾水回灌是防止上述问题，保证地热资源可持续开发的关键性技术之一[2][3]。

由于地热水具有承压性，给地热水回灌带来了一定的难度，因此，回灌系统设计加压回灌，每眼回水井旁均安装加压回灌装置(见图2)，经过循环的热水通过图示加压装置向回灌井进行加压回灌，加压装置应放置在回水井附近，不应距离过远，同时为了安全起见在加压装置进出水两侧安装减压阀门(②和⑤)以保证回灌装置安全运行。

图2 回灌装置示意图

3 企业利用地热效益分析

3.1 经济效益分析

延津县克明面业有限公司成立于2008年，注册资金一亿元，占地面积达315亩，员工800余人，拥有8条全自动挂面生产线，年生产15万 t挂面，实现产值7亿元。

年生产挂面15万 t需要6眼地热井或6台锅炉。以15年投资期，使用6眼地热井或6台锅炉的经济效益分析(见表1)如下：

6台锅炉：一次性总投入330万元(设备费用180万元、房建、安装等费用150万元)；每年需燃烧焦炭6 300 t，能源费用为1 071万元；人工费为30万元；运行15年的能源费用为16 065万元，人工费为450万元，总共需要成本16 845万元。

6眼地热井(用水量170万 t)：一次性总投入1 700万元(成井及配套费用等)；每年能源费为388万元(水资源费255万元、电费133万元)；人工费10万元；运行15 a的能源费为5 820万元，人工费150万元，总共需要成本7 670万元。

表1 焦炭锅炉与利用地热能成本费用对比表

由此可见，虽然采用地热能一次性投入成本较大，但是从长远(15年)来看，采用地热能进行生产比采用锅炉节省成本近9 175万元，相当于每年节省近612万元，经济效益显著。

3.2 延津克明面业利用地热的环境效益分析

延津克明面业有限公司6眼地热井每年使用地热水170万 t，提取地热能1.99×1011KJ，相当于节约燃烧6 800 t标准煤，每年减少CO2排放1.6万 t，减少SO2排放115.6 t、减少NOX排放40.8 t、减少PM2.5排放81.6 t，环境效益显著。见表2。

表2 标准煤与利用地热能产生污染物排放量对比表(1a)

3.3 延津克明面业利用地热的社会效益分析

采用地热能相对于燃煤可以有效的减少固体废渣的产生和堆放，有效降低了大气污染，防止或避免雾霾天气的形成[4]，改善了人居环境，保障人民身体健康，实现了节约、清洁、安全和可持续的经济发展，提高了经济增长的质量和效益，产生了良好的社会效益。

4 结语

河南省地处我国中东部、黄河中下游，具有得天独厚的交通区位优势，境内地热资源丰富，分布广泛，开发历史悠久。据调查，目前河南省大部分省辖市(城区)及市、县均有地热井分布，地热井数量达800余眼，开采深度300～3 318 m不等，最高水温达98.5℃。地热开发已利用于洗浴、种植养殖、供暖等方面[5]。4 000 m以浅，全省可开采热水总量为56 070.18×104m3/a，可利用热能总量为110 868.44×1012J/a，折合标煤378.91×104T/a。延津克明面业地热开发利用模式，是节能环保的现实需求。不仅节约了企业的投资，而且创造了良好的社会、经济和环境效益，为开发利用地热资源探索了新的方向，具有很好的示范作用，值得推广使用。