褐煤酸碱预处理-微生物气化联产H2-CH4的实验研究

为探讨酸、碱处理煤的发酵联产生物气生成特征,对新疆伊宁矿区褐煤进行酸、碱预处理,以焦作古汉山矿井水为菌源进行发酵联产H2-CH4实验。对联产后的产气量、气体组分、HPE活性、COD质量浓度进行测定分析,对产气后煤样进行XRD和红外测试。结果发现：① 碱处理煤的产氢效果最佳,产气总量为20.25 mL/g,酸处理煤次之为17.05 mL/g,而原煤的产氢效果最差为14.4 mL/g;② HPE活性测定规律基本与之对应,碱处理煤产氢后菌体的氢化酶活性最优为4.35 mL/(mg·min);③ 酸处理煤的联产甲烷效果最好,产气总量为23.35 mL/g,而原煤和碱处理煤的联产甲烷效果基本一致;④ 联产中液相COD质量浓度均呈下降状态;⑤ 经预处理煤样的有机质降解率高,大分子结构更易被降解。实验结果得出了预处理煤联产生物气的生成特征,证实了联产H2-CH4有利于煤的资源化利用,明显提升了能源转化率。     

Fe2+、Ni2+及络合物对煤制生物甲烷的影响及动力学研究

厌氧发酵产甲烷过程及结果与微量元素及络合物的存在密切相关,为了研究Fe~(2+)、Ni~(2+)及络合物对煤制生物甲烷生成的影响以及产气过程中参数的变化,采用对比和放大试验的方法,以义马煤矿低煤阶煤为研究对象,矿井水作为菌种源,设置4种不同的方案,分别记录其产气数据和COD,并利用改进的Gompertz模型对各试验方案的产甲烷及降解过程进行模拟。试验结果表明:对比试验中加有15 mg/L的Fe~(2+)和0.005 mg/L的Ni~(2+)对生物产甲烷具有促进作用,有利于提高煤生物制甲烷的产量以及对有机质的降解,在上述试验基础上再加入5 mg/L的EDTA可以更好地促进产气,并使底物降解率更高,而放大试验的产气效果和底物降解率均要优于小样试验;改进的Gompertz模型对各试验方案的产甲烷及降解过程模拟结果得出,在加有Fe~(2+)、Ni~(2+)和EDTA的小样试验中,其产甲烷潜势(24.344 59 mL/g)、最大比产甲烷率(0.765 24 mL/(g·d))、底物降解率(4 535 mg/L)及最大底物降解速率(197.8 mg/(L·d))等参数都是最优的,且放大试验的以上参数均要优于小样试验。对各试验方案建立了相应的动力学方程,用数理统计方法对其进行检验,得出所建立的回归方程是可靠且高度显著的。该试验及其动力学研究有助于了解微量元素及络合物对煤制生物甲烷的影响,并有助于对产气过程中的各参数变化有进一步的认识,为煤制生物甲烷工程化提供一定的试验基础。     

复配高效菌群厌氧降解煤产甲烷实验研究

高效功能菌群是微生物增产煤层气技术的重要影响因素。通过复配降解芳香化合物的功能真菌菌群与降解煤产甲烷的真菌—产甲烷菌群，提高甲烷产量；分析菌群结构、中间产物和煤结构的演替规律，研究复配菌群降解褐煤产甲烷机理。研究结果表明：复配菌群能够厌氧降解褐煤，煤的甲烷产量为172μmol/g,是未复配的1.74倍，芳烃降解菌Cladosporium在第7天成为优势真菌属；具有较强环境适应性的Aspergillus、Penicillium等成为产气结束后的优势真菌，在第7天发酵液中检测到丰富的代谢中间产物脂肪酸和芳香酸，其占比在产气末期均下降50%以上；煤中芳香碳在降解后下降了12.27%,降解效果显著。研究结果为改善产甲烷菌群的煤降解能力，增强产甲烷效能提供了一种有效方法。     

内蒙胜利褐煤生物产气前后微生物群落变化

为研究微生物群落在褐煤生物产气过程中的作用以及产气前后煤样性质的变化。以内蒙古胜利褐煤为产气底物,寺河矿区煤层气井排出水中富集产气微生物为出发菌群,在实验室开展褐煤生物产气实验,采用Illumina高通量测序平台分析产气前后微生物群落变化,并利用气相色谱、扫描电子显微镜等手段对褐煤产甲烷量和产气前后煤样物化性质及其煤表面的菌体形貌进行分析。结果表明,内蒙胜利褐煤可以被所富集得到的菌群利用并产生甲烷,产气周期为49 d,期间累计产甲烷量为83. 1 mL,净产甲烷率为7.84 mL/g煤。褐煤生物产气微生物样本中细菌群落多样性丰富,主要优势菌门为厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、WWE1、拟杆菌门(Bacteroidetes)、互养菌门(Synergistetes)和少量的脱铁杆菌门(Deferribacteres)。原始微生物群落结构多样性较高,经褐煤和基本培养基培养产气后,群落多样性降低。在微生物属水平上菌群结构变化较大,其中W22,Proteiniclasticum,VadinCA02,Tissierella_soehngenia,Clostridium, Dasulfovibrio等菌属在产气过程中发挥重要功能。内蒙胜利褐煤挥发分较高,富氢、富氧,煤表面结构松散有明显裂隙,有利于微生物附着降解,适宜进行生物产气试验。褐煤经微生物作用产气后,水分、灰分、挥发分均降低,固定碳百分比升高,H/C升高,S元素比例下降,利用扫描电镜观察到产气体系中煤表面附着大量短杆状和球状微生物,并存在类似微生物纳米导线的结构。     

微生物增产煤层气菌种的驯化

采用厌氧培养方法,从厌氧污泥样品中富集出了产甲烷菌群,仅以煤为碳源对其进行驯化,得到了可以利用煤产甲烷的厌氧菌群。研究了该菌种利用煤产气的规律及常规碳源对菌种产气的影响。结果揭示：驯化后菌种对煤的利用能力显著提高,适应期由15 d缩短到6 d;产气量也显著增加。菌种产气具有规律性,产气周期共28 d,可分为3个阶段：适应期、产气期和稳定期。100 mL底物质量浓度为20 g/L的培养液总产气量达到182 mL,气体中的甲烷浓度约为16%。单日产气量呈先增加后减少的趋势,其中15~17 d的产气量最大,达到20 mL/d。菌种可以利用乙酸钠和甲醇产气,乙酸钠对菌种利用煤产气的增加效果更显著。     

褐煤生物制气产气率影响因素初步研究

对河南义马的褐煤煤样,开展了5、10、20 g用量水平及75 kg用量水平生物气化实验,结果表明,微生物可以利用褐煤产生甲烷,5、10和20 g煤粉的产生甲烷效率分别为765、686、521μmol/g,75 kg煤块的产甲烷效率为7.77μmol/g。产气效率随煤用量的增加而降低。块煤暴露在外的表面积少,能够被微生物作用的部分少,产气效率的降低尤其明显,说明提高产甲烷量不能单纯靠提高煤的用量,而应该增加微生物与煤直接接触的面积,相关技术还有待研究。     

多联产煤焦油加氢制取汽柴油试验研究

为了验证多联产工艺低温煤焦油加氢制取汽、柴油的可行性,以热电气焦油多联产装置热解的低温煤焦油的宽馏分油为原料,采用氧化铝作为载体,WO3,MoO3和NiO为活性成分的LH-03催化剂,在100 mL固定床加氢反应器上进行加氢精制工艺的研究。考察反应温度(340~420℃)、反应压力(7~15 MPa)、氢油体积比(900∶1~1 700∶1)和体积空速(LHSV)(0.3~0.7 h-1)对加氢精制产物性质的影响,并确定最佳加氢精制的工艺参数。结果表明,产物密度、氮(N)含量及硫(S)含量均随着反应温度、压力、氢油体积比的增大而减小,随着空速的增大而增大。产物密度最大降低15%,为0.862 8 g/mL,N含量最低为103μg/g,S含量最低降至8μg/g,碳/氢(H/C)原子比最大为1.81。对加氢产物油分馏,得到18%的汽油馏分(IBP~180℃)和67%柴油馏分(180~360℃),汽油馏分辛烷值为68.2,柴油十六烷值为31,可作为优质车用汽柴油调和组分。     

Fe~(3+)、Ni~(2+)对微生物降解煤制氢影响的试验研究

为了研究不同Fe~(3+)、Ni~(2+)浓度对煤制氢过程的控制作用,采用焦作古汉山煤矿井下煤层水培养的产氢菌为发酵菌,以内蒙古伊宁褐煤为碳源进行发酵产氢试验,对产气结束后的产氢量、细胞干重、煤降解率、蛋白酶及氢化酶活性进行了测定。结果发现:Fe~(3+)、Ni~(2+)浓度对产氢影响都具有先增后减效果,产气极值分别为142.07 m L和186.78 m L;煤降解率在产气高峰时达到极值,分别为1.65%和1.35%,并且蛋白酶与氢化酶活性极值与产气高峰相对应,但细胞干重和产气高峰不完全对应,主要表现为Fe~(3+)浓度影响的不同,当Fe~(3+)质量浓度为10 mg/L时,达到极大值0.16 g,过高浓度的Fe~(3+)抑制了菌群的繁殖。试验结果说明Fe~(3+)、Ni~(2+)对煤制生物氢代谢有明显的控制作用,为深入了解微生物降解煤过程提供了理论依据。     

石墨新浮选药剂流态化半微量浮选试验

石墨浮选药剂,传统是用煤油作捕收剂,二号油作起泡剂,其中煤油是沸点在200～270℃的蒸馏产物,主要成分是含11～16个碳原子的烷烃。这些烷烃不完全是直链的,还有相当一部分是带支链的。根据理论,带支链的烷烃,色散力比同碳原子数的直链烷烃为小。我们用键电量详细地计算了各种烷烃证实了这点。因此除去煤油中带支链的烷烃,全部使用直链烷烃的煤油,将提高对石墨的捕收性能。从煤油中除去带支链烷烃的方法有分子筛、溶剂和尿素三种。工业上的液体石蜡就是这种从     

无烟煤微生物成气中间代谢产物组成及其转化

研究了煤生物成气过程中中间产物的变化规律与成气过程的相互关系。以10 kg沁水盆地山西寺河矿的无烟煤为底物,以寺河矿区煤层气井口出水为菌源,进行了煤生物成气模拟实验,利用气相色谱-质谱联用对不同成气阶段发酵液中间产物进行了分析。实验发现煤生物成气有2个主要的产气周期,芳香环、杂环化合物和苯衍生物在反应初期转化为VFA等,发生在第1个产气周期;而长链烷烃的生成有2个高峰期,分别对应2个产气周期。根据煤生物成气模拟实验中间代谢产物的实验结果,进一步选取乙酸钠、丙酸钠、丁酸钠、己酸为底物,仍以同一煤层气井口出水为菌源,进行产气实验模拟,结果显示乙酸、丙酸、丁酸可以产气,而己酸则对成气呈现抑制作用。以底物计算甲烷产生效率为丁酸丙酸≈乙酸,丁酸约为乙酸和丙酸的4倍;而以碳数计算时甲烷产生效率则为丁酸乙酸丙酸,丁酸约为乙酸的2倍,说明不同的有机酸产甲烷时可能存在有机酸碳数奇偶性的差异。以上结果表明,VFA和长链烷烃在煤生物成气中发挥着重要的作用,而有关煤生物成气中VFA和长链烷烃的生成和转化以及其对成气的影响尚需进一步研究。     

煤层气井水力压裂液氮伴注与CO2驱替技术研究

在我国煤层气的开发中普遍面临煤层具有的低压、低渗、低饱和度等自然属性问题,针对此问题,提出利用液态气体伴注辅助水力压裂改造煤层技术。文章阐述了液氮伴注技术提高煤层临界解吸压力机理和CO2驱替煤层甲烷机理,结合芦岭煤矿地面煤层气工业试验,进行了液氮伴注辅助水利压裂、液态CO2驱替煤层甲烷试验以及效果分析。结果表明:注入液氮后氮气分子会挤占煤层甲烷分子的空间,为甲烷气体提供外部能量,同时能够降低煤层甲烷分子分压,提高其临界解吸压力,促使煤层更快的解吸出甲烷气体,提高产气量,试验2号井,达到产气峰值3145.2m^3/d仅用190d,稳产期平均产气量为1400m^3/d;CO2具有的强吸附性能够与吸附态煤层甲烷发生置换作用,促使煤层甲烷更快的由吸附态变为游离态,实现煤层甲烷大量解吸的效果,同时CO2在等压条件下还能够降低游离甲烷分压,进一步提高产气量,试验3号井,实际/理论临界解吸压力比值为3.29,达到产气峰值3351.9m^3/d仅用了124d,稳产期平均产气量为800m^3/d。对比可知:液氮伴注技术优势明显,且在后续煤矿工作面回采过程中无新的CO2突出风险。     

赵庄井田产甲烷菌群富集与产气条件优化

赵庄煤层气井水中富集产甲烷菌群,可优化产气能力。采用厌氧富集得到本源菌群,通过正交试验优化产气条件。水样中存在产甲烷菌群,实验室条件下最优产气条件:NH₄Cl为1.0 g/L,K₂HPO₄为1.5 g/L,MgCl₂为0.1 g/L,煤粉添加量160 g/L,60 d产甲烷量达18.07%。赵庄井田产甲烷菌群通过富集可以降解无烟煤产气,通过条件优化可提高其降解无烟煤产气的能力。     

煤气热电三联产系统能量利用率的研究

建立了煤气热电三联产系统热力系统模型，提出用能量利用率μ来评价煤气热电三联产系统.针对某煤气热电联产系统，计算了不同干馏温度下3种典型煤在产煤气10 000 m3/h，锅炉蒸汽负荷130 t/h的情况下，煤的总消耗量、能量利用率的变化情况.计算表明：当锅炉补煤量达到一定值时，总煤量具有最小值，系统的能量利用率具有最大值.     

煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限的影响研究

瓦斯和煤尘复合爆炸是煤矿井下爆炸灾害的主要形式之一,研究瓦斯/煤尘复合爆炸下限变化规律,是有效防治煤矿爆炸灾害的必备条件。为研究煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限的影响,特选用2种组分不同的煤尘(烟煤和无烟煤)。依据EN 14034标准,使用10 kJ化学点火头在标准20L球形爆炸容器中,分别对2种煤尘的最小爆炸浓度、相同试验条件下的瓦斯爆炸下限以及煤尘与瓦斯的复合爆炸下限进行了测量。试验测得烟煤和无烟煤的最小爆炸浓度分别为50 g/m^3和70 g/m^3,瓦斯爆炸下限为4%。当煤尘中分别通入1%、2%、3%、4%的瓦斯后,烟煤最小爆炸浓度分别降低至40、20、5、0 g/m^3,无烟煤最小爆炸浓度分别降低至50、20、5、0 g/m^3。基于上述测量结果,对比分析了煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限变化规律的影响,并探讨了Le Chatelier、Bartknecht、Jiang等气粉复合爆炸下限预测模型对瓦斯/煤尘复合体系的适用性。结果表明:2种煤尘的最小爆炸浓度均随瓦斯浓度的增大而降低,但挥发分含量低的煤尘降幅更大,即瓦斯对低挥发分煤尘最小爆炸浓度的影响更为显著。Jiang模型预测值远远偏离实际测量值;Le Chatelier模型预测值高于实际测量值,且误差随瓦斯浓度的增大而增大;Bartknecht模型适用性相对较好,且更适用于低挥发分瓦斯/煤尘复合体系。     

分散剂影响煤粉采出效果的实验研究

为了研究井筒中煤粉在排采过程中的产出规律,促进地层产出煤粉的有效排出,利用自主研发的CBM-WS型高压煤储层井筒模拟装置进行了模拟实验来探索井筒中煤粉采出的影响因素。实验结果表明,井筒中煤粉颗粒受地层中煤粉产出、排采速度和煤粉分散情况等因素的影响。当排采速度较低时,井筒中采出煤粉颗粒粒度<20 μm,大部分粒度40～100 μm的煤粉颗粒没有采出;随着排采速度的增加,采出煤粉数量显著增加,粒度也明显增大;在流体速度达到临界流速,煤粉采出量趋于稳定。加入FYXF-30分散剂后,能够将进入井筒中的较大颗粒煤粉分散并采出。     

爆炸性碳氢化合物微胞囊阻爆灭火材料研究

针对煤矿井下爆炸性气体共存、煤体多自燃危险的复杂条件,通过研究不同的微胞囊对甲烷以及长链烷烃的包裹效应、隔氧效果及其影响因素,开发出了一种pH值为中性、可完全生物降解、完全溶于水的无毒生态型微胞囊高分子阻爆灭火材料及其生产制备技术。     

Justification methodology of gas removal methods and their parameters in underground coal mines

The paper reports the researching into relationship of methane content, occurrence depth of coal, methane emission rate in stopes and average daily coal production; gas balance in highly productive stopes, methane content minimum value in coal beds to be put to preliminary gas removal; gas removal efficiency in close-occurred coal beds put to development. Gas removal experience in highly productive and high methane underground mines in the Kuznetsk Cola Basin is discussed.