СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ Российский патент 1999 года по МПК E21B43/295 C12N1/20 

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам переработки угля и углеотходов, результатом которых являются биогаз и водоугольная суспензия.

Известны способы переработки угля, твердого топлива и углеродсодержащих материалов, основанные на применении биотехнологии (1, 2).

В известном способе (1) переработки углеродсодержащего материала используют смесь микроорганизмов в водном растворе солей фосфора в аэробных условиях. Результатом переработки угля по данному способу являются мелкодисперсный уголь, гуминовые кислоты и соединения, активизирующие биохимические процессы в почве. Недостатком данного способа является практически трудно осуществимое требование постоянной аэрации и перемешивания в процессе переработки, т.к. последний проводится в присутствии кислорода.

Наиболее близким аналогом данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ (2) переработки твердого топлива, включающий вскрытие участка переработки скважинами, нагнетание метаногенного консорциума микроорганизмов с культуральной средой, выдерживание его в пласте и извлечение продуктов переработки угля (диспергированного угля и биогаза) на поверхность. Процесс ведут в анаэробных условиях, в закрытой системе. В качестве метаногенного консорциума используют сброженную навозную жижу и разведение рубца крупного рогатого скота, а также активный ил аэротенка, при оптимальном pH 7,2- 7,7, в термофильном режиме (при 50^oC).

Существенным недостатком известного способа является то, что уголь не перерабатывается микроорганизмами, т. к. в случае использования в качестве метаногенного консорциума навоза, рубца, а также ила аэротенка, органическое вещество последних является единственным источником углерода для микроорганизмов и более доступным, чем уголь, а уголь при этом микроорганизмами не перерабатывается. Кроме того, данный способ осуществляется в термофильном режиме. С повышением температуры в микробиологическом процессе уменьшается лаг-фаза (фаза адаптации микроорганизмов к субстрату) в закрытой системе, но в условиях угольного пласта такую температуру возможно установить только перед нагнетанием микроорганизмов, например, воздействием водяным паром. Процесс метаногенеза продолжается 40-60 дней и более. Поддерживать такую температуру в пласте непрерывно во время образования метана невозможно. Вследствие указанных недостатков данный способ неэффективен для переработки угля в пласте.

В основу изобретения положена задача разработать способ переработки угля путем нагнетания в скважины метаногенного консорциума микроорганизмов с культуральной средой в сочетании с обработкой угля водой и продувкой скважин воздухом в течение заданного промежутка времени, что способствует увеличению образования метана из угля путем его разрушения и переработки микроорганизмами и повышает эффективность переработки угля.

Задача решается тем, что предлагается способ переработки угля, включающий вскрытие участка переработки скважинами, нагнетание метаногенного консорциума микроорганизмов с культуральной средой, выдерживание его в пласте и извлечение продуктов переработки угля на поверхность, в котором согласно изобретению воду в скважины закачивают перед нагнетанием метаногенного консорциума микроорганизмов с культуральной средой, который, в свою очередь, нагнетают в скважины через заданный промежуток времени, определяемый уменьшением прочности угля после закачивания воды, скважины периодически продувают воздухом в течение заданного промежутка времени, определяемого увеличением выхода метана, а в качестве метаногенного консорциума микроорганизмов используют накопительную микробную культуру, выделенную на угле, и сброженный ил метантенка.

Соотношение накопительной микробной культуры, выделенной на угле, и сброженного ила метантенка в метаногенном консорциуме микроорганизмов составляет, например, 5:95.

Накопительную микробную культуру получают известным способом (3) - выделением на каменном угле в качестве единственного источника углерода и энергии после инокуляции среды остатками угля и грунта. Процесс выделения велся в течение двух лет. Культура пересевалась через 6 месяцев, затем через 2 месяца при температуре 30^oC. В состав накопительной микробной культуры, выделенной на угле, входят микроорганизмы, осуществляющие гидролиз, брожение и метаногенез, которые использует в качестве единственного источника углерода органическое вещество угля, перерабатывая уголь и продуцируя биогаз, состоящий в основном из метана и диоксида углерода. Сброженный ил метантенка является источником метаногенов, при этом сам он не дает существенного вклада метана.

Анализ накопительной микробной культуры проводили классическими таксономическими тестами, опираясь на определитель Берджи. В популяцию входили штаммы, принадлежащие родам Rhodococus sp., Pseudomonas sp., Mycobactenum sp., сульфатредукторы. Морфологически определялись виды Clostridium sp. и Bacillus sp.

Численность микроорганизмов, осуществляющих гидролиз и растущих на следующих субстратах, составляла: на целлюлозе 10⁶, на пептоне 10⁵, на крахмале 10⁵. Среди микроорганизмов, осуществляющих брожение, преобладали растущие на глюкозе, их численность составила 10¹¹. Численность метаногенных бактерий, растущих на следующих субстратах, составляла: на водороде 10⁶, на формиате 10¹¹, на ацетате 10¹⁰, на метаноле 10⁷.

В сброженном иле метантенка методом десятикратных разведений определена численность микроорганизмов, образующих ацетат, синтрофные микроорганизмы (клеток/мл. ), растущие на этаноле, пропионате, бутирате, валерате, и метанобразующие микроорганизмы: образующие ацетат, растущие на глюкозе 4 • 10⁸, лактате 6 • 10⁸; синтрофные микроорганизмы, растущие на этаноле 3 • 10⁸, пропионате 1 • 10⁷, бутирате 1,5 • 10⁷, валерате 1 • 10⁸; метаногенные микроорганизмы, растущие на водороде + CO₂ 2 • 10⁸, формиате 1,3 • 10⁸, ацетате 6 • 10⁷.

Содержание накопительной микробной культуры в метаногенном консорциуме должно составлять 2 - 10%. Содержание накопительной культуры менее 2% недостаточно для стимуляции процесса, содержание накопительной культуры свыше 10% снижает концентрацию метаногенов, основным источником которых является сброженный ил метантенка, кроме того, это экономически нецелесообразно.

Концентрация микроорганизмов в закачиваемой в угольный пласт смеси равна их концентрации в иле метантенка плюс концентрация микроорганизмов в накопительной культуре, разведенной в 20 раз при приготовлении смеси накопительной культуры и ила метантенка, например, в соотношении 5:95. Данное соотношение является оптимальным.

Способ моделировали в лабораторных условиях. В стеклянную колонку объемом 500 мл помещали 150 г угля и вносили метаногенный консорциум микроорганизмов, состоящий из накопительной микробной культуры, выделенной на угле, и сброженного ила метантенка, при оптимальном соотношении 5:95, совместно с культуральной средой на основе фосфатно-карбонатного буфера, pH 7,0:
Состав культуральной среды - г/л
KH₂PO₄ - 0,025
NH₄Cl - 0,05
MgCl₂ - 0,2
CaCl₂ - 0,04
Процесс проводили в анаэробных условиях, измеряя количество биогаза (метана) и анализируя его состав хроматографическим методом. Определяли образование метана из углей различных марок - от бурого до антрацита.

Закачивание воды в скважину перед нагнетанием метаногенного консорциума микроорганизмов с культуральной средой позволяет изменить некоторые физические и химические свойства угля и его реакционную способность при взаимодействии с водой. Обработка угля микроорганизмами в стадии изменения некоторых его свойств увеличивает доступность угольной поверхности для микроорганизмов за счет расклинивающего действия внедряющихся молекул воды и образования новых поверхностей, при этом увеличивается образование продуктов солюбилизации угля, которые в последующих стадиях микробиологической переработки трансформируются до биогаза (метана). Воду можно рассматривать как фоновый реагент, подготавливающий угольный субстрат к биоконверсии. Увеличение образования метана из углей различных марок при их предварительной обработке водой представлено в таблице 1.

Время обработки угля водой перед закачиванием микроорганизмов, необходимое для увеличения выхода метана, определялось экспериментально. По результатам экспериментальных исследований выделены три области структурных изменений свойств угля после его обработки водой. Первая область (1 - 10 суток) характеризуется физической гидрофилизацией поверхности частиц угля, вторая (10 - 24 суток) - уменьшением прочности угля, снижением вязкости осадка, ростом стабильности водоугольных суспензий, третья (более 24 суток) - упрочнением угольного вещества и снижением склонности к образованию суспензий. Экспериментально исследовали влияние обработки угля водой на выход метана (в зависимости от времени) перед его обработкой микроорганизмами. Для исследованных по данному способу углей получены результаты, представленные в таблице 2.

Из таблицы 2 следует, что обработка угля микроорганизмами через 10 - 24 суток (что соответствует второй области структурных преобразований угля) после предварительной обработки водой приводит к повышению выхода метана. По результатам данных исследований определен временной параметр, необходимый для уменьшения прочности угля и повышения выхода метана от 10 до 24 суток.

В состав накопительной микробной культуры, выделенной на угле, входят факультативные анаэробы, способные к жизнедеятельности в аэробных условиях. Процесс метаногенеза многостадийный, начальная его стадия - солюбилизация угля может осуществляться и в аэробных условиях. Образование метана из угля определяли с использованием ежедневной продувки колонки воздухом в течение 3 - 4 часов (табл. 3), выход метана в аэробно-анаэробном процессе повышался по сравнению с анаэробным. Время продувки определялось экспериментальным путем. Для увеличения выхода метана достаточно 3 - 4 часа, при более продолжительной продувке воздухом анаэробные условия нарушаются настолько, что затем трудно восстанавливаются в последующих стадиях метаногенеза, требующих анаэробных условий. Образование метана из угля марки "ГЖ" в анаэробном и аэробно-анаэробном процессах представлено в таблице 3.

В лабораторном эксперименте разрушение угля микроорганизмами привело к образованию 25 - 30 вес.% пылевидной фракции с размером частиц < 0,07 мм из исходных углей крупности -2,5 + 1,6 мм. Рентгенографический анализ показал изменения в строении и структуре образующихся угольных частиц, что может быть только следствием биохимических преобразований, а не результатом физического разрушения при набухании в среде. Выделяемые микроорганизмами поверхностно-активные вещества - биотенсиды стабилизируют водоугольную суспензию. В процессе биопереработки из угля удаляется сера и снижается зольность (см. табл. 4).

Способ осуществляют следующим образом. В угольном пласте бурят с поверхности подающие скважины и скважины для откачки продуктов переработки. Расстояние между скважинами определяют в зависимости от условий залегания, водопроницаемости пласта, технических характеристик угля. Подающие скважины бурят на глубину ниже 0,3 m от кровли пласта (m - мощность пласта), откачивающие - на 0,3 m не достигая почвы пласта. В нижней части откачивающей скважины устраивают камеру - сборник продуктов. Через подающие скважины производят гидроразрыв пласта, закачивая воду под давлением 1,5 - 2,5 МПа (для мягких углей) и 8 - 10 МПа (для крепких углей). Воду подают до момента ее появления в камерах - сборниках. Метаногенный консорциум микроорганизмов, состоящий из выделенной на угле накопительной микробной культуры, составляющей от 2 до 10%, и сброженного ила метантенка (оптимальное соотношение 5: 95), совместно с культуральной средой закачивают в пласт через 10 - 24 суток после обработки угля скважин водой.

Ежедневно в течение 3-4 часов скважины продувают воздухом под давлением 0,15-0,2 МПа через откачивающие скважины. Образующийся в результате переработки биогаз (метан), диспергированный уголь и продукты его переработки из камер - сборников извлекают на поверхность с помощью насосов.

Использование изобретения позволит повысить эффективность переработки угля.

Источники информации
1. Патент СССР N 1816394 A 3, КЛ. E 21 B 43/295.

2. Патент СССР N 1814686 A 3, КЛ. E 21 B 43/295, 1993 - прототип.

3. Намсараев Б.Б., Дулов Л.Е., Александров И.В., Терехова С.Е. и Шумков С. И. Сборник "Интродукция микроорганизмов в окружающую среду". M., РАН, 1994, с.71 - 72.

Способ включает закачивание в скважины метаногенного консорциума микроорганизмов с культуральной средой через заданный промежуток времени после нагнетания воды. Скважины периодически продувают воздухом в течение заданного промежутка времени. В качестве метаногенного консорциума используют накопительную микробную культуру, выделенную на угле, и сброженный ил метантенка. Сочетание указанных признаков способа увеличивает выход метана за счет изменения свойств угля и увеличения доступности угольной поверхности для микроорганизмов. Перерабатывая уголь, микроорганизмы продуцируют биогаз, состоящий в основном из метана и диоксида углерода. 1 з.п.ф-лы, 4 табл.

1. Способ переработки угля, включающий вскрытие участка переработки скважинами, нагнетание в них метаногенного консорциума микроорганизмов с культуральной средой, выдерживание его в пласте и извлечение продуктов переработки угля на поверхность, отличающийся тем, что перед нагнетанием метаногенного консорциума микроорганизмов с культуральной средой в скважины закачивают воду, а метаногенный консорциум микроорганизмов с культуральной средой нагнетают в скважины через заданный промежуток времени, определяемый уменьшением прочности угля после закачивания воды, скважины периодически продувают воздухом в течение заданного промежутка времени, определяемого увеличением выхода метана, при этом в качестве метаногенного консорциума микроорганизмов используют накопительную микробную культуру, выделенную на угле, и сброженный ил метантенка. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение накопительной микробной культуры, выделенной на угле, и сброженного ила метантенка в метаногенном консорциуме микроорганизмов составляет, например, 5 : 95.