Способ переработки угля

Изобретение относится к горному делу. Способ заключается в воздействии на уголь метаногенным консорциумом микроорганизмов непрерывным прокачиванием культуральной среды через скважины и емкость, в которую помещен метаногенный консорциум микроорганизмов с культуральной средой. Емкость устанавливают на поверхности над скважинами, а прокачивание культуральной среды производят со дна емкости вверх через метаногенный консорциум микроорганизмов. Результатом переработки угля данным способом являются биогаз и водоугольное топливо. Способ позволяет за счет непрерывного культивирования микроорганизмов увеличить выход биогаза и повысить качество извлекаемого водоугольного топлива при биопереработке угля. 2 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам переработки угля, результатом которой являются биогаз и водоугольное топливо.

Известен способ (1) переработки твердого топлива, который осуществляют воздействием на него путем закачивания в скважины метаногенного консорциума микроорганизмов в анаэробных условиях. В качестве метаногенного консорциума используют сброженную навозную жижу и разведение рубца крупного рогатого скота, а также активный ил аэротенка, при оптимальном рН=7,2-7,7, в термофильном режиме при 50°С. Для переработки угля в скважины закачивают навоз, рубец и ил аэротенка. Существенным недостатком такого способа является то, что органическое вещество навоза, рубца и ила аэротенка является более доступным источником углерода для микроорганизмов, чем уголь. Уголь в данном способе микроорганизмами не перерабатывается и не диспергируется, а метан образуется из навоза, рубца и ила аэротенка. Вторым недостатком является невозможность поддержания термофильного режима в течение длительного времени образования метана в пласте. Перед закачиванием в скважины метаногенного консорциума перерабатываемый материал прогревают перегретым паром до 50°С. После закачивания метаногенного консорциума скважины герметизируют до образования биогаза. Процесс происходит в закрытой системе, прогрев которой невозможен.

Наиболее близким аналогом заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ (2) переработки угля, включающий вскрытие участка переработки скважинами, закачивание воды в скважины и выдерживание ее в течение заданного времени, определяемого уменьшением прочности угля после закачивания воды, нагнетание в скважины метаногенного консорциума микроорганизмов с культуральной средой, периодическую продувку скважин воздухом в течение заданного времени, определяемого увеличением выхода метана, и извлечение продуктов переработки угля. В качестве метаногенного консорциума микроорганизмов используют накопительную микробную культуру, выделенную на угле, и сброженный ил метантенка в заданном соотношении, например, 5:95.

Процесс ведут в анаэробных условиях, при продувке угля воздухом активируют факультативные анаэробы, повышающие эффективность микробиологического воздействия на уголь. Продуктами переработки являются биогаз и водоугольная суспензия.

Однако в прототипе закачивание микроорганизмов и выдерживание их в пласте до появления продуктов переработки проводят в закрытой системе. Закрытая система обладает рядом недостатков. В ней не осуществляется непрерывное культивирование микроорганизмов и возможно отмирание культуры в определенной фазе развития или ингибирование процесса продуктами метаболизма. Производительность закрытой системы меньше по сравнению с открытой проточной системой. Закрытая система характеризуется сложным технологическим циклом.

В основу изобретения положена задача разработать способ переработки угля, в котором воздействие на уголь метаногенным консорциумом микроорганизмов осуществляют непрерывным прокачиванием кудьтуральной среды через скважины и емкость, которую устанавливают на поверхности над скважинами, со дна емкости вверх через метаногенный консорциум микроорганизмов, что способствует увеличению выхода биогаза и повышению качества извлекаемого водоугольного топлива при биопереработке угля за счет непрерывного культивирования микроорганизмов.

Задача решается тем, что предлагается способ переработки угля, включающий вскрытие участка переработки скважинами, закачивание в них воды через заданный промежуток времени, определяемый уменьшением прочности угля, воздействие на уголь метаногенным консорциумом микроорганизмов, состоящим из накопительной микробной культуры, выделенной на угле, и сброженного ила метантенка с культуральной средой, периодическую продувку скважин воздухом в течение заданного промежутка времени, определяемого увеличением выхода метана, и извлечение продуктов переработки угля на поверхность, в котором, согласно изобретению, метаногенный консорциум микроорганизмов с культуральной средой помещают в емкость, которую устанавливают на поверхности над скважинами, воздействие на уголь метаногенным консорциумом микроорганизмов осуществляют непрерывным прокачиванием культуральной среды через скважины и емкость с метаногенным консорциумом микроорганизмов, причем через метаногенный консорциум микроорганизмов культуральную среду прокачивают со дна емкости.

В предлагаемом способе переработку угля в пласте проводят в открытой проточной системе. Культивирование микроорганизмов в открытых проточных системах имеет ряд преимуществ, состоящих в стандартности условий проведения процесса, интенсификации процесса при высокой производительности культивирования микроорганизмов и стабилизации отдельных фаз биологического процесса в обрабатываемом объеме. К преимуществам непрерывного процесса относится также возможность его проведения в режиме восходящего потока культуральной среды через слой микроорганизмов, образующих гранулы и не выносящихся потоком жидкости.

При прокачке культуральной среды через метаногенный консорциум микроорганизмов со дна емкости, в которой он помещен, в режиме восходящего потока культуральной среды через слой метаногенного консорциума, образуются легко оседающие бактериальные флокулы в виде гранул диаметром 1-5 мм. Метаногенный консорциум микроорганизмов, благодаря образованию гранул сферической формы плотностью 1,040-1,080, обладает хорошей седиментационной способностью и не выносится восходящим потоком культуральной среды. К преимуществам системы относится то, что микроорганизмы, находящиеся в тесной трофической взаимосвязи, компактно сконцентрированы в физическом пространстве. Такая организация микробного сообщества влияет на общую стехиометрию процесса, она выгодна для массопереноса промежуточных продуктов, прежде всего водорода, являющегося основным промежуточным и регуляторным компонентом в метаногенной системе. Механическая смесь тех же микроорганизмов гораздо менее активна, чем агрегированный метаногенный консорциум микроорганизмов. В агрегированном метаногенном консорциуме перенос водорода между двумя видами бактерий увеличивается на два порядка по сравнению с дисперсным.

Концентрация метаногенного консорциума микроорганизмов уменьшается от нижней части емкости к верхней, однако удельная активность микрофлоры в верхней части в 5-10 раз выше, чем в нижней, т.к. молодые наиболее активные гранулы благодаря газолифтному эффекту выносятся наверх и функционируют в средней и верхней частях емкости. К преимуществам прокачивания культуральной среды через метаногенный консорциум микроорганизмов восходящим потоком со дна емкости относится и то, что агрегирование метаногенного консорциума обладает технологическими преимуществами по сравнению с дисперсным ростом.

Анаэробная конверсия угля является сложным многостадийным процессом, протекающим через образование водорастворимых соединений на начальных стадиях деполимеризации и солюбилизации угля. На следующих этапах конверсии образуются соединения - предшественники метана, превращающиеся в конечный продукт - метан.

Переработка угля с образованием биогаза может быть проведена без разделения и с разделением стадий солюбилизации угля и метаногенеза. При переработке угля в пласте культуральная среда, непрерывно прокачиваемая между углем и емкостью с метаногенным консорциумом, омывает уголь и переносит микроорганизмы, растущие вне гранул, из емкости с метаногенным консорциумом в пласт, где они закрепляются на угле и непосредственно участвуют в процессе его переработки. Солюбилизированные частицы угля и водорастворимые соединения переносятся культуральной средой из пласта в емкость с метаногенным консорциумом, конвертирующим эти соединения до биогаза. В двухстадийном процессе возможно сохранение и многократное использование метаногенного консорциума, а также проведение частичной аэрации для активирования факультативных анаэробов, закрепившихся на угле, при этом сохраняя жизнеспособность анаэробных микроорганизмов в емкости с метаногенным консорциумом.

Способ моделировали в лабораторных условиях. В колонку объемом 1000 мл помещали 300 г угля марки Д. Уголь заливали водой и оставляли на 14-18 дней. Время воздействия на уголь водой определяли, анализируя прочность угля. Затем колонку с углем соединяли со второй колонкой, в которую помещали метаногенный консорциум микроорганизмов, состоящий из накопительной микробной культуры, выделенной на угле, и гранулированного сброженного ила метантенка, в соотношении 5:95 совместно с культуральной средой на основе фосфатно-карбонатного буфера, рН=7,0. Состав культуральной среды (г/л):

К₂НРО₄-0,025; NH₄Cl-0,05; MgCl₂-0,2; CaCl₂-0,04.

Перистальтическим насосом через колонку с углем и колонку с метаногенным консорциумом непрерывно прокачивали культуральную среду со скоростью 2 л/сутки.

Культуральную среду прокачивали через колонку с метаногенным консорциумом со дна колонки восходящим потоком. Образующийся биогаз собирали в емкость над колонкой с метаногенным консорциумом. Количество метана в биогазе определяли методом хроматографического анализа.

В колонку с углем дополнительно подавали культуральную среду из емкости с культуральной средой со скоростью 1 л/сутки. Колонку с углем ежедневно продували воздухом в течение 4 часов. Анализировали исходный уголь и после окончания биопереработки. Сравнивали выход метана в непрерывном и периодическом режимах (табл.1). В периодическом режиме уголь обрабатывали метаногенным консорциумом в культуральной среде в колонке, которую закрывали до окончания процесса.

После окончания эксперимента определяли количество образовавшейся мелкодисперсной фракции и проводили анализ изменений свойств угля (табл. 2). Сравнивали эти результаты с таковыми для закрытой системы. Было получено 32% вес. новой мелкодисперсной фракции с размером частиц <0,07 мм из исходного угля марки Д с размером частиц -2,5+1,6 мм, тогда как после процесса в закрытой системе образовалось 19% вес. мелкодисперсной фракции. Снизились зольность и содержание серы в угле (табл.2).

На чертеже дана схема осуществления способа. На схеме изображены: подающая 1 и откачивающая 2 скважины, рециркуляционные насосы 3 и 4, отстойник 5 твердых частиц угля, емкость 6 с метаногенным консорциумом микроорганизмов, уравнительная емкость 7, насос 8, емкость 9 с минеральной средой, компрессор 10 и газосборный колпак 11. Емкость 6 с метаногенным консорциумом микроорганизмов соединена через отстойник 5 твердых частиц угля с откачивающей скважиной 2 и через уравнительную емкость 7 - с подающей скважиной 1.

Способ осуществляют следующим образом. В угольном пласте бурят с поверхности подающую 1 и откачивающую 2 скважины. Расстояние между скважинами определяют в зависимости от условий залегания, водопроницаемости пласта, технических характеристик угля. Через подающие скважины производят гидроразрыв пласта. Через определенное экспериментальным путем время (10-24 сутки) контакта угля с водой в пласт закачивают метаногенный консорциум микроорганизмов, состоящий из накопительной микробной культуры и сброженного ила метантенка в соотношении 5:95, совместно с культуральной средой. Культуральную среду прокачивают непрерывно насосом 3 по подающей скважине 1 в пласт. Культуральная среда поступает по пласту к откачивающей скважине 2, из которой насосом 4 ее подают через отстойник 5 твердых частиц угля к емкости 6 с метаногенным консорциумом микроорганизмов. В емкости 6 культуральную среду прокачивают в направлении со дна емкости 6 вверх, а от нее через уравнительную емкость 7 к насосу 3, который подает ее в скважину 1. При падении уровня культуральной среды в уравнительную емкость 7 насосом 8 дополнительно подают культуральную среду из емкости 9 до требуемого уровня. Ежедневно в течение 3-4 часов подаваемую культуральную среду до поступления в закачивающий насос аэрируют воздухом с помощью компрессора 10. Образующийся биогаз собирают над емкостью с микробным консорциумом в газосборный колпак 11. Водоугольное топливо в виде суспензии угля, диспергированного в водной среде, откачивают на поверхность после окончания процесса.

При мощности пласта 0,5 м и зоне действия гидроразрыва 20 м объем емкости с метаногенным консорциумом составляет 15 м³, емкость отстойника 1 м³, объем уравнительной емкости 2 м³.

Использование изобретения позволит повысить качество извлекаемого водоугольного топлива и выход биогаза. Сжигание водоугольного топлива имеет ряд преимуществ перед сжиганием угля: не требует предварительного обезвоживания и сушки, значительно снижает выбросы в атмосферу окислов серы, азота, токсичных металлов, что снижает негативное воздействие на окружающую среду. Затраты на его транспортировку трубопроводом значительно ниже перевозок угля другими видами транспорта.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент СССР №1814686 А 3, кл. Е 21 В 43/ 295,1993.

2. Патент РФ №2139426, кл. Е 21 В 43/295, C 12 N 1/20, 1999.

Таблица 1
Образование метана из углей в периодическом и непрерывном режимах
Время	Выход метана, мл /300 г. угля
Сутки	Периодический режим	Непрерывный режим
0	0	0
1	2	2
10	3	3
15	20	34
20	38	42
25	50	52
30	52	64
40	57	78
60	67	86
Таблица 2
Изменения содержания серы и зольности в угле
	S, %	Ash, %
Уголь исходный	1,10	17,2
Уголь после переработки:
непрерывный режим	0,64	11,4
периодический режим	0,82	14,1

Способ переработки угля, включающий вскрытие участка переработки скважинами, закачивание в них воды через заданный промежуток времени, определяемый уменьшением прочности угля после закачивания воды, воздействие на уголь метаногенным консорциумом микроорганизмов, состоящим из накопительной микробной культуры, выделенной на угле, и сброженного ила метантенка с культуральной средой, периодическую продувку скважин воздухом в течение заданного промежутка времени, определяемого увеличением выхода метана, и извлечение продуктов переработки угля на поверхность, отличающийся тем, что метаногенный консорциум микроорганизмов с культуральной средой помещают в емкость, которую устанавливают на поверхности над скважинами, воздействие на уголь метаногенным консорциумом микроорганизмов осуществляют непрерывным прокачиванием культуральной среды через скважины и емкость с метаногенным консорциумом микроорганизмов, причем через метаногенный консорциум микроорганизмов культуральную среду прокачивают со дна емкости.