超長重力熱管地熱開發技術獲進展

近日，中國科學院廣州能源研究所研究員蔣方明團隊與中國地質科學院水文地質環境地質研究所研究員王貴玲團隊合作，在超長重力熱管地熱開發技術方面取得重要進展，發明了具有階梯回流結構的重力熱管。相關成果發表于《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）。

地殼的中深層和深層蘊藏著巨量的地熱資源，足以滿足人類數千年的用能需求。然而，有效可靠的開發技術缺乏，阻礙了該能源的大規模開發利用。傳統的“取水用熱”地熱開發利用技術可能導致二次環境問題，容易引發地下水位降低、地表沉降、管道/設備腐蝕結垢及地面環境污染等問題；用于開發干熱巖熱能的增強型地熱系統（EGS）推進緩慢，人工造儲、井下井間連通困難和易于誘發地震等問題一直未能獲得有效解決。

近年來，重力熱管因其突出的傳熱能力和“取熱不取水”的技術特點獲得了廣泛關注。利用重力熱管開采地熱資源可以有效避免“取水用熱”和EGS地熱開采所遇到的問（難）題。然而，由于存在深液池蒸發抑制和氣液卷攜等問題，重力熱管長度延長后傳熱性能大幅下降甚至運行失敗。將重力熱管擴展到數千米長度、滿足深部地熱開發的應用需求，仍具有極大的挑戰。

研究團隊在國家重點研發計劃項目的資助下，研究發明了具有階梯回流結構的重力熱管。這種創新性的結構設計可以有效克服深液池蒸發抑制和氣液卷攜等問題，實現數公里長度超長重力熱管的穩定運行，再結合熱管工質流體的優選，可以使超長重力熱管獲得卓越的傳熱能力。

研究團隊研制了一根以氨作為工質的4149米長度的重力熱管并安裝在河北雄安一口地熱深井內。取熱實驗證明了該超長重力熱管地熱系統的連續熱產出可以超過1兆瓦，熱管徑向截面的熱通量達4×10⁷瓦特每平方米。

此外，研究團隊提出了熱管蒸汽直驅發電的地熱發電技術方案，首創熱管產出氨蒸汽直接驅動的地熱發電機組，并與熱管地熱開采系統集成。基于該原理研制的樣機在72小時發電測試中能夠以大約7千瓦功率穩定發電，確證了該地熱發電技術路線的可行性。

相關論文信息：https://doi.org/10.1039/D4EE01235F