“地热生物质”清洁能源耦合供能技术及应用 --以东营区项目为例
昌博舜纪淑琴王宇飞赵忠新李洪达黄政
（中国石油冀东油田公司）
要地热能作为重要的可再生清活他源，因部分地区地热资源品质纸，无法单独开发，限别了这部分地热能的规模开发应用.地热能和生物质能作为两种重要的可再生清活能源，其耦合供能技术具有广闻的发展前景和应用价值.本文从能源互补角度出发，分别闻述了两种能源目前开发利用技术现状及优缺 点，探讨了生物质能与地热能耦合技术，两种能源通过多种过程集成技术，实现能源互补.以东营区项目为例，梳理耦合供能系统在不同场景下的工艺挂术路线及效果分析.研究结果表明，与传统单一能源供能系统相比，“地热生物质“清活能源耦合供能技术能够显著提高能源综合利用效率，对携动他源结构优化、促进节能减排和实现可持续发展具有童要意叉，有望在术来他源领域得到更广泛的应用与推广.
关键词地热能；生物质能；锅合供能技术；能源效率：可持续发展
其中水热型地热能开发利用相对成熟，以其独特现“双碳”目标贡献力量.的开发高效、安全稳定等优势，在全球多地广泛应用于供暖、发电领域.
利用.第一个生物质气化发生炉是德国化学家比形式存在.的，截止目前已有一百八十年的历史.生物质具技术相对成熟.干热岩埋深数千米，资源潜力区 朔夫（KalGustav Christophbischof）于1839 年建成等优点，是最近吸引力的可再生能源之一.
发利用，国内外学者已进行了大量技术研究，应 用效果显著.然而单一能源在实际应用中存在诸热交换器为建筑供暖.经过多年的开发与实践，多局限性.地热能虽稳定，但分布不均，部分地区资源开发难度大，无法效益开发；生物质能能
在全球能源格局加速变革的当下，传统化石的原理、关键技术环节、实际应用效果，通过理将目光坚定地投向可再生清洁能源领域.地热能系统能源利用效率、降低成本的有效途径，解决 能源的有限性与环境问题的日益突出，促使人们论分析和案例分析相结合的方法，探索提高耦合源于地球内部放射性物质衰变产生的热能，是一技术应用中的实际问题，为该技术的大规模推广种稳定且储量巨大的能源.按照赋存形式，可分应用提供坚实的理论支持和实践指导，助力我国为水热型、干热岩型、地压型和岩浆型地热能，能源结构优化，推动可持续能源发展进程，为实
1地热能开发利用现状与存在问题
生物质能是一种清洁可再生能源，来源于生1.1中深基地热资源分布特点
物质如农作物秸秆、林业废弃物、能源作物等.中深层地热一般指埋藏在地下2000米至 其能量转换方式多样，通过燃烧、气化、发酵等4000米深度范围内的地热资源，其温度通常在技术转化为热能、电能或生物燃料，实现能源化60℃-150℃左右，主要以水热型和干热岩型等
水热型地热资源分布广泛，地热能开发利用备碳中和效应，且比化石能源的硫、氮等含量低主要分布在青藏高原、东南沿海、松辽、华北平原等地，尚处于探索阶段.
地热能和生物质能作为单一能源如何高效开1.2中深属地热供醒开发利用技本
地热能供暖是利用地热水或蒸汽直接或通过地热资源开发关键技术已成熟，通过闭式成井工艺，生产井和回注井循环提取地热能，将提取的量密度相对较低.目前“地热生物质“综合供能地热能梯级利用，不与地下水发生任何水力联 研究及应用比较少，因此，本文提出地热加生物系.利用数值模拟技术，确定井网、井距、部井质清洁能源耦合供能技术，通过分析中深层地热方式、采水量、回灌温度、采灌模式等关键参开发技术及生物质能利用技术.剖析该耦合技术数，采用丛式地热井整体部署方案，形成了中深
层地热能集群式开发.中深层砂岩储层无压回灌技术，要求“同层等量回灌，取热不耗水”，实现了采出水100%回灌.
1.3中深层地热能优缺点分析
地球内部蕴藏着巨大的热能，地热能几乎是取之不尽、用之不竭的，且地热能不受季节、气候、昼夜变化等因素的影响，能持续稳定地提供 热能.地热能属于清洁能源，不会释放大量的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染物，在开发利用过程中安全风险较低.
地热梯级利用技术即采用“先换热，再提热“换热工艺，直接利用地热水作为采暖用热的高位热源，再利用热泵提取低位热源，充分利用地热井采出水的热量，提高了地热水利用率，取得了较好经济效益.中深层地热开发利用模式流程见 图1.集中式供暖模式适合于大规模区域供暖，而分布式地热供暖适合小规模供暖.目前中深层水热型地热开发技术在中国东部地区已广泛应用.
受地热资源票赋影响，部分地区中深层地热资源品质不高，因此受地质条件限制，深部地热 资源开采技术难度大、成本高，限制了这部分地热能的规模开发应用，迫切需要将地热能与其他可再生能源整合，形成综合能源.
2“地热生物质”耦合供能技术研究
2.1生物质能特点分析
生物质作为一次能源，储量丰富，仅次于石油、煤、天然气三大化石能源.生物质气化技术是一种将生物质通过热化学反应转化为可燃气体（合成气，主要成分为含H，CO，CH等生物质 燃气）的技术，生物质气化包括生物质的干燥、热解、氧化和还原反应四个阶段，生物质气化燃烧系统见图2.
图1中深层地热开发利用模式流程示意图
图2生物质气化燃烧系统图
生物质原料来源丰富且可再生，如农林废弃物、秸秆、木屑、能源作物等，产生的可燃气可用于发电、供热、工业锅炉燃料，还可进一步合 成生物天然气、生物柴油等，提高能源利用效率，满足不同领域能源需求.
同时其能量密度较低，导致供能稳定性不足.
2.2“地热生物质”耦合供能技术分析
生物质能与地热能同属于可再生资源，但与地热能相比热量少，温度高，中低温地热资源 区，地热直接开发利用效益差，因此为突破单一能源的局限，实现能源高效、稳定的开发利用，将地热能与生物质能的优势有机整合，利用生物质能温度高的优势，将生物质能与地热资源品质 一般的中低温地热能结合，实现能源互补.
生物质能够根据不同的能源需求和实际情况，灵活地调整供能的方式、规模和时间，以实粉碎、筛分等预处理，增加了成本和工艺复杂性. 现高效、稳定的能源供应，但生物质需进行干燥、原料供应的季节性和波动性，以及气化过程对操作条件要求严格，使气化系统运行稳定性受影响，
研究发现，在地热能与生物质能耦合的过程中，为了提高较低温度（50-60℃）地热水的开发
利用效益，首先地热水通过换热器提取热量，再将提取的低温热量通过生物质利用锅炉、热泵或换热器等装置进行耦合，分析多种形式技术路线 （压缩式热泵或吸收式热泵），形成“地热生物质”不同工艺的耦合技术.
压缩式热泵技术上是一种通过消耗电能或燃烧能，将低温热源的热量转移到高温热源的高效电价便宜用压缩式热泵.采用吸收式热泵产生高 节能技术.压缩式热泵消耗的是高品位的电能，于驱动热源温度的热量从低温热源（地热水）中提取热量，并相互耦合，将提取的温度较低且无
3“地热生物质”耦合技术应用研究
3.1地热资源情况-以东营区为例
级）华北坳陷区（I级）济阳场陷（Ⅲ级）东营潜断 东营市经济技术开发区属于华北板块（1陷（IV级）东营潜凹陷（V级），东营凹陷以石村
图3单纯地热开发与地热生物质系统对比
图4东营凹陷二级构造带划分示意图
法利用的地热热量，使其提升到更高的温度后得以利用，吸收式热泵可以把热水温度提高15-30℃.最后形成地热蒸汽驱动吸收式热泵（生 物质气化炉生物质燃气蒸汽锅炉）制取高温热水给市政供热一次管网联合供热，或者制取过热蒸汽输送用户的完整的工艺技术.
在实际开发应用中，经济对比分析，以往单纯靠地热开发，水温较低，需采用电热泵系统， 耗电较大，难以效益开发：而利用“地热生物质“能系统耦合供能技术，可以实现效益开发，见图3.
断裂为界分为博兴和东营两个部分.在深陷带内则发育了中央隆起带，走向NEE，中央隆起带的形成在沙四早期具维形，后期发育了沙三和沙四，东营期发育最晚，从而形成现今的地质构造.隆 起带NW侧为利津注陷，SE侧为牛庄洼陷.本次研究项目均位于牛庄注陷东侧，如图4所示.
东营凹陷属于新生代沉积盆地热传导型热储，热源主要来源于地壳深部的热流，该区地热资源较丰富，开发潜力大.东营凹陷据2号能源 站及附近井的地质资料及沉积相特征分析，沙河街组一段、二段砂岩分布广、厚度大，是较好的热储层，沙河街组一段底部构造图见图5.地热
井出水温度在65℃左右，出水量在90m/h左右，地热资源具有开发潜力，但热储受地质构造及沉积特征的影响，地热资源品质不高，单独开 发成本较高.根据调研情况，东营及周边4市生物质资源丰富，因此丰富的生物质可以产生丰富的蒸汽资源.
图5沙河街组一段底部构造图
站通过一级板换和吸收式热泵，由45℃升为90℃后经循环泵加压，输送至中继加压站.热泵 低温余热水通过二级板式换热器与地热水进行换热，温度由22℃升温至45℃，升温后的余热水进人吸收式热泵蒸发器，温度由45℃降至22℃，通过余热水循环泵加压后输送至二级板式换热器进入生物质气化炉厌氧燃烧产生生物质燃气，然 继续升温.生物质原料经过生物质预处理系统后后进人生物质燃气蒸汽锅炉燃烧，将90C凝结水加热产生170℃饱和蒸汽输送至地热供热站，作为吸收式热泵驱动热源.
3.2“地热生物质”基中供暖项目耦合技术 左用
利用”地热生物质“能耦合供热，地热水经换热器换热后，再利用蒸汽驱吸收式热泵的工作原理，将换取的地热能与生物质能通过过程集成技术进行多级耦合，使其提升到更高的温度后得以利用.地热生物质耦合供热原理见图6.
65C采出水分别进人旋流除砂器和水气分离装置进行除砂和水气分离，而后进入地热供热站一级板换和二级板换进行换热，温度降至24℃进人对应回灌井.中继加压站回水进人地热供热
在此供热过程中，通过“地热生物质”的集成耦合技术，地热通过一级板换、二级板换换热实现了25.IMW的热负荷，生物质气化后经燃烧实现 蒸汽驱动热负荷23MW，共实现了供热负荷48.IMW.在实际生产过程中，如何根据地热能及生物质能在时间和空间上的能量互补特性实现运行参数的控制，有待进一步深入的科学研究与实践.
3.3“地热生物质“制蒸汽项目概合技术应用
根据东营经济技术开发区工业园区用户的蒸汽需求，65℃采水井经除砂和气水分离后，进入地热水换热器进行换热，地热水温度降至25℃
在实际应用中，将“地热生物质”工艺与纯生物质工艺相比较，见表1，前者增加投资850万元，但采用“地热生物质”加热较纯生物质加
图6“地热生物质”集中供暖耦合技术系统原理图
图7“地热生物质“制蒸汽耦合技术工艺原理图
进入回灌井.锅炉给水为常温水，全年平均温度约20℃.较低的锅炉给水温度为中深层地热的利用提供空间，同时对气化炉冷却水回收再利 用，将地热水加热到58℃，气化炉循环冷却水再将锅炉给水从58℃加热到70℃，再利用生物质加热产生蒸汽.生物质原料进入生物质气化炉厌氧燃烧产生生物质燃气，然后进人生物质燃气蒸汽锅炉燃烧，气化炉产生的炭渣进入炭渣蒸汽 锅炉，锅炉产生的250℃过热蒸汽通过蒸汽管道送至热用户，形成“地热生物质”的绿色能源梯级利用工艺，工艺原理见图7.
热年节约运行成本约300万元，因此“地热“更经济.经分析地热能与生物质能联合制蒸汽技术可充分利用当地的周边丰富的生物质资源，可以
