CN109813001B - 一种免提式利用低温地热流体的方法及地热能提取装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种免提式利用低温地热流体的方法及地热能提取装置，利用复合二甲氧基甲烷和复合二乙氧基乙烷的混合液做为取热工质，通过取热工质的气液相变提取地热能并通过热交换的方式实现地热能的利用。本发明在对相对低温的浅层地热能采集利用时，可以避免其换热器深埋难题和地热流体回注难题，降低地源热泵系统的工程投资和维护运营及能耗成本。

Description

一种免提式利用低温地热流体的方法及地热能提取装置

技术领域

本发明涉及地热能采集技术领域，涉及一种免提式利用低温地热流体方法及地热能提取装置，具体是指利用取热工质的“液体--蒸汽”相变把中低温“地热能”从地下连续抽提到地面合理开发利用的技术。

背景技术

地热能是指在地球内部蕴藏的热能，它来源于地球熔融岩浆和放射性元素衰变时释放的热能以及太阳辐射的热能，这二大热源平衡的结果产生的热能。在地下十几米到二百米之下的温度基本是恒定的。

目前对于地热能的稳定提取，需要地热井内地热流体（是指地下热水与矿物质的混合物）或者热岩的温度高于100摄氏度，方能利用水等工质实现对地热井内热量的提取，而在我国已发现的多数浅层地热流体的温度比较低，大多在100摄氏度以下，通过上述方式无法对地热井内热量进行提取，故目前对于这种低品位浅层地热流体的地热能利用，基本上采用将地热流体直接抽出地面，通过热交换器，取得部分热量，然后送去供暖，这种直接将地热流体抽出地面的做法存在以下缺陷：

1、地热流体的热能利用率很低，一般只能达到30%左右，大量热量散失在地表，造成热污染，影响周边地表的生态平衡。

2、虽然监管部门明令回灌，但受地质条件，回灌成本等影响，无法回注到蓄热流体层，大部分只能回注到地表水系中。

3、大量抽取地热流体，直接造成地热流体的大量流失，地热流体是不可再生的，所以这种取热方式是不可持续的。

4、随着大量地热流体抽到地面，流体中的伴生物：如衰变或尚在衰变中的放射性元素铀、钍以及硼、氨等物质，也随着到了地面，进入地表水系中，造成环境问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种免提式利用低温地热能方法及地热能提取装置，可以通过取热工质的气液相变将浅层内100℃以下的地热流体的热量采集利用，实现低温地热能的免提式开采。

上述低温地热流体是泛指温度在100℃以下60℃以上的地下热水或其他伴生物，若要将地下流体中的热能采用“相变工质”提出地面，则要求此类相变工质的相变温度一般不应低于地热流体温度18-20℃以上，这是因为地热流体虽然是热导体，但必须通过“U”型工作室的管壁，才能与相变工质传递热量，而工质一旦发生相变，其取热速度是超导形式的，传热速度要跟上相变速度，则必须预留足够的温度区间，否则不能有效连续；不仅如此还得要求相变工质必须很稳定，不能因为连续相变发生过氧化倾向，否则会使整个体系发生变化；相变工质的质量密度应大于空气密度，回流速度不会受到意外影响；同时也应要求工质是绿色产品，即对人体安全，也对环境无害。能够满足条件的工质不是轻而易举能够找到的，故以往大多采用直接将低温地热流体抽出地面使用的主要原因。

本发明是通过如下技术方案实现的：

提供一种（免提式）不直接提取地热流体利用低温地热能的方法，即利用二甲氧基甲烷和二乙氧基乙烷的混合液做为取热工质，通过取热工质的气液相变提取地热能，并通过热交换的方式实现地热能的利用。

所述的取热工质通过吸收取热井内地热流体的热量发生相变。来提取地热流体的热能。所述的取热工质为二甲氧基甲烷和二乙氧基乙烷。

采用本方案的取热工质内二甲氧基甲烷和二乙氧基乙烷的混配前后要求均可以调控其混合液的蒸气压，使其共沸点可以根据实际取热井的温度来改变，以满足不同温度地热井的采热需求。上述二甲氧基甲烷和二乙氧基乙烷虽然名称与已有商品相同，但并不是完全按该商品原质量指标的产品。本发明需要的二甲氧基甲烷是专为提取低温地热流体热能的工质，其组分是与该产品常规用途及其质量不完全相同的物质，它在缩醛化制作过程中不需要刻意精馏提纯，而是要形成二甲氧基甲烷、醇等组分的符合特定条件下能产生相变共沸的相变工质的产物。

对上述乙氧基乙烷的需求是基于相同的理由。

本发明利用上述两种物质在合适的配比条件下，可以形成甲氧基乙氧基混合醚，在感受一定的温度区间和自升压条件下产生相变而将低温地热能高速传输到地面以供应用的新物质。

一种免提式利用低温地热能方法中二甲氧基甲烷的合成方法，以甲醇和甲醛为原料，所述的甲醇的质量百分比为90%~99.5%，所述的甲醛质量百分比为37-40%，利用对甲基苯磺酸作为均相催化剂，在温度65℃-45℃（最优选60℃-50℃），自升压力下反应30-60分钟（优选40-50分钟）得到，其中甲醇与甲醛的质量比1.5~3.5：0.5~1.5催化剂加入量占反应物总质量的1-5%最优选1.5-4。

一种免提式利用低温地热能方法中二乙氧基乙烷的制备方法，以乙醇与乙醛为原料，所述的乙醇的质量百分比为90%~95%，所述的乙醛的质量百分比为90%~99.5%。利用对甲基苯磺酸作为均相催化剂，在温度60℃±5℃，自升压反应30-45分钟得到，其中乙醇与乙醛的质量比优选2~3:1；催化剂加入量占反应物总质量的2-5%（优选2.5-3.5）。

一种使用免提式利用低温地热能方法的地热能提取装置，该装置是一个“U”字形工作室，包括通过第一环形管路密封连接的气升室和取热工质罐体，第一环形管路在气升室和取热工质罐体的下方伸入取热井内的热源区，还包括设置在气升室内的换热管，换热管的两端在气升室外通过第二环形管路与取热设备连接，第二环形管路和换热管内流动有换热介质，且第二环形管路在取热设备与气升室之间安装有加压循环泵。

取热工质通过第一环形管路在气升室与取热工质罐体内循环流动，取热工质在取热工质罐体下方由液态沿管路向下流动，在与取热井内的热源作用下，温度升高相变为气态将地热能从气升室沿管壁向上带出取热井，进入换热室，利用气升室内的换热管进行热交换，将取热井内的热量传递给取热设备供暖使用。

进一步的，所述的第一环形管路包括底部伸入取热井内的U型管， U型管的一端与取热工质罐体的工质出口连接，U型管的另一端与气升室的工质入口连接，U型管内在取热工质的工质出口处安装有增压泵，并在增压泵下方安装有第一阀门，还包括连接气升室的工质出口和罐体的工质入口的回流管。

U型管设置于取热井内用于取热工质进行相变，通过增压泵增压打开阀门后将取热工质压入U型管底部使其与吸收取热井内热量的管壁进行热交换，由液体变为气体，并沿U型管的另一端进入气升室内进行热交换，完成地热能的采集利用。

作为优选，所述的U型管连接取热工质罐体的一端、U型管连接气升室的一端、回流管三者之间的管径比为1:4:1。

取热工质由液体相变为气态时体积增大上千倍，通过设置管道的管体使得取热工质可以充分实现相变，吸收取热井内热源热量并将热量经由气升室带出取热井，完成对取热井的取热。

进一步的，所述的第二环形管路上通过第二阀门连接有换热介质补给罐。

换热介质补给罐用于补给换热管第二环形管路内的换热介质，保证换热的顺利进行。

作为优选，所述的U形管连接气升室的螺旋状管的一端。

U型管由薄壁钢管或铝镁合金等材质制成，制成螺旋状，使得取热工质相变为气流后，沿管壁螺旋上升，充分吸收管壁热量，提高采热效率。

作为优选，所述的U型管通过设置在取热井口的盖板吊挂安装在取热井内。

U型管吊挂安装在取热井中，通过盖板作为托架支撑，不仅把U型管托稳，同时也起到封盖取热井口的作用，减少热量损失。

本发明的有益效果：

一、通过调节取热工质中二甲氧基甲烷和二乙氧基乙烷的质量比，可以实现对取热工质的沸点进行调节，根据待采浅层地热能的温度，来调节取热工质混合液的沸点，保证取热工质可以通过液气相变将地热能从取热井内带至地面，方便使用。

二、利用取热工质低于100高于40摄氏度的沸点，可以实现对浅层地热资源的开采利用，解决了现有技术抽取地热流体进行换热后面临的环境、生态污染问题。

附图说明

图1为本发明中地热能提取装置的结构示意图；

图中所示：

1、取热井，2、地热流体进口，3、U型管，4、第一阀门，5、增压泵，6、取热工质罐体，7、回流管，8、气升室，9、第二阀门，10、补给罐，11、第二环形管路，12、循环泵，13、取热设备。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述，但不应看作是对本发明的限制。

一种免提式利用低温地热能方法，利用二甲氧基甲烷和二乙氧基乙烷的混合液做为取热工质，通过取热工质的气液相变提取地热能并在地面通过热交换的方式实现地热能的利用。

地热能的采集通常需要开钻2000米至3500米深的地热井，一般情况下这一区间的温度在摄氏60度至摄氏100度。所述的取热工质在取热井内充分吸取取热井地热流体的热能而发生循环相变。

取热井的地热流体层周壁地热流体渗入面，这样，井周边深处和井底部周边的地热流体就会源源不断的汇聚到井内补充不断提取的热能量。

本发明中制备取热工质的主要原材料包括：

（1）99.5%的甲醇，（2）95%的乙醇，（3）37-40%的甲醛，（4）99.5%乙醛，（5）对甲基苯磺酸（催化剂）。

取热工质组分（1）二甲氧基甲烷的反应条件：

甲醇与甲醛的优化质量比（1.5~3.5）:（0.5~1.5）；反应温度65~45℃；自升压下反应时间：40-50分钟；催化剂加入量：反应物总质量的1.5-3.5%。

取热工质组分（2）二乙氧基乙烷的反应条件：

乙醇与乙醛的优化质量比（2~3）:1；反应温度60℃±5℃；自升压下反应时间：40-50分钟；催化剂优化加量：反应物总质量的1.5-3.5%。

组分（1）：组分（2）=（2.5：1）~（5：1）。（实际比例依地热温度进行调整，可满足地热温度的取热要求）。

本发明根据分压定律的原理：将水和甲氧基甲烷、乙氧基乙烷液体一起共沸时，那样配制的混合液体，其整个体系蒸汽压力根据分压定律，应为各组分蒸气压力之和。即任何温度下，混合物的总蒸气压大于任何一组分的蒸气压，因为它包括了混合物其它组分的蒸气压，由此可见在相同的外压下，混溶混合物的沸点要比其中沸点最低的沸腾温度还要低，正是根据这一定律，可根据水和甲氧基甲烷、乙氧基乙烷组成共沸混合液的质量比，配制出沸点适合该处地热流体温度匹配的取热工质，能够自动连续的遵循受热气化，把地热提升至地面并进行换热降温，被换热介质取走热量，取热工质自身恢复液相，经增压泵再次压入取热井底部，再接受地热气化，如此循环往复，实现最合理提取地热能的目的。

实施例1：

以提取地热井内60摄氏度（上下偏差5摄氏度）的地热能为例，根据上述分析，调节取热工质的组份比例，即二甲氧基甲烷：二乙氧基乙烷为（5-20）：（1-4）其中甲氧基甲烷中相变温度低于60℃的成分占主要部分。两者混合后会形成部分甲氧基乙氧基醚等相变温度高于60℃的成分，故其混合物的相变温度可调节在60℃左右。

实施例2：

提取地热井内80摄氏度（上下偏差5摄氏度）的地热能，情况与实施例1类似，相变温度中低于80℃的成分占主要部分，甲氧基甲烷：二乙氧基乙烷的质量比为（4-20）:（1-5）。

实施例3：

提取地热井内90摄氏度（上下偏差5摄氏度）的地热能，相变温度中低于80℃的成分占主要部分， 甲氧基甲烷：二乙氧基乙烷的质量比为（3-20）：（1-6）。

由于一旦发生相变，传递速度会很快，但地热流体要通过工质管壁才能与工质进行热交换，故实际形成甲氧基乙氧基醚的配比，应根据气相密度进行必要的调整。

实施例4：

一种使用免提式利用低温地热能方法的地热能提取装置，包括通过第一环形管路密封连接的气升室8和取热工质罐体6，第一环形管路在气升室8和取热工质罐体6的下方伸入取热井1内的热源区，还包括设置在气升室8内的换热管，换热管的两端在气升室8外通过第二环形管路11与取热设备13连接，第二环形管路11和换热管内流动有换热介质，且第二环形管路11在取热设备13与气升室8之间安装有加压循环泵12。为了防止换热介质损耗，所述的第二环形管路11上通过第二阀门9连接有换热介质补给罐10。通常换热介质都为水，利用水循环流动，与取热工质在气升室8内换热，提升温度为取热设备13进行供热，一般取热设备13为取热用户的暖气，取热用户可以多个并联于第二环形管路11上。

所述的第一环形管路包括底部伸入取热井内的U型管3， U型管3的一端与取热工质罐体6的工质出口连接，U型管3的另一端与气升室8的工质入口连接，U形管3在该端呈螺旋状，便于增大换热面积，提高换热效率。

U型管3内在取热工质罐体6的工质出口处安装有增压泵5，并在增压泵5下方安装有第一阀门4，还包括连接气升室8的工质出口和取热工质罐体6的工质入口的回流管7。

所述的U型管3连接取热工质罐体6的一端、U形管3连接气升室8的一端、回流管7三者之间的管径比为1:4:1。

所述的U型管3通过设置在取热井1口的盖板吊挂安装在取热井1内。

本发明的U型管3的一端为液态取热工质的输入管，由井口至井底部，另一端为气态取热工质的输出管，由井底部通至井口。取热工质由U型管3一端进入井底，在进入过程中，随着深度的增加，井内温度不断提高，取热工质的温度也不断提高，并由液态变为气态，带着热能量返回地面并汇集至气升室内，携带热能量与气升室8内的换热管内的换热介质热交换，提升换热管内的换热介质温度用于供暖，气态取热工质在换热后温度降低相变为液态经回流管7回流至取热工质罐体6内，经过增压泵5增压后，重新进入U型管3的取热工质输入管内，循环往复将地热能不断的提取到地上。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.一种免提式利用低温地热能方法，其特征在于：利用二甲氧基甲烷和二乙氧基乙烷的混合液做为取热工质，通过取热工质的气液相变提取地热能并通过热交换的方式实现地热能的利用，通过调节取热工质中二甲氧基甲烷和二乙氧基乙烷的质量比，可以实现对取热工质的沸点进行调节，根据待采浅层地热能的温度，来调节取热工质混合液的沸点。

2.根据权利要求1所述的免提式利用低温地热能方法，其特征在于：所述的取热工质通过吸收取热井内地热流体的热量发生相变。

3.根据权利要求1或2所述的免提式利用低温地热能方法，其特征在于：所述的取热工质中二甲氧基甲烷和二乙氧基乙烷的摩尔比为2.5~5.0：1。

4.一种权利要求1所述的免提式利用低温地热能方法中取热工质的合成方法，其特征在于：包括二甲氧基甲烷的合成方法和二乙氧基乙烷的合成方法，其中，二甲氧基甲烷以甲醇和甲醛为原料，利用对甲基苯磺酸作为催化剂，在温度50℃±5℃，常压反应15-30分钟得到，甲醇与甲醛的摩尔比2~3:1，催化剂加入量占反应物总质量的3-5%；二乙氧基乙烷以乙醇与乙醛为原料，利用对甲基苯磺酸作为催化剂，在温度60℃±5℃，常压反应30-45分钟得到，其中乙醇与乙醛的摩尔比2~3:1；催化剂加入量占反应物总质量的3-5%。

5.根据权利要求4所述的取热工质的合成方法，其特征在于：所述的甲醇的质量百分比为90%~99.5%，所述的甲醛质量百分比为37-40%。

6.根据权利要求4所述的取热工质的合成方法，其特征在于：所述的乙醇的质量百分比为90%~95%，所述的乙醛的质量百分比为90%~99.5%。

7.一种使用权利要求1所述的免提式利用低温地热能方法的地热能提取装置，其特征在于：包括通过第一环形管路密封连接的气升室和取热工质罐体，第一环形管路在气升室和取热工质罐体的下方伸入取热井内的热源区，还包括设置在气升室内的换热管，换热管的两端在气升室外通过第二环形管路与取热设备连接，第二环形管路和换热管内流动有换热介质，且第二环形管路在取热设备与气升室之间安装有加压循环泵。

8.根据权利要求7所述的免提式利用低温地热能方法的地热能提取装置，其特征在于：所述的第一环形管路包括底部伸入取热井内的U型管， U型管的一端与取热工质罐体的工质出口连接，U型管的另一端与气升室的工质入口连接，U型管内在取热工质的工质出口处安装有增压泵，并在增压泵下方安装有第一阀门；还包括连接气升室的工质出口和罐体的工质入口的回流管。

9.根据权利要求8所述的免提式利用低温地热能方法的地热能提取装置，其特征在于：所述的U型管连接取热工质罐体的一端、U型管连接气升室的一端、回流管三者之间的管径比为1:4:1。

10.根据权利要求7所述的免提式利用低温地热能方法的地热能提取装置，其特征在于：所述的第二环形管路上通过第二阀门连接有换热介质补给罐。

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