CC BY
47
Р 14
1ЛД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ Г0РНЯКА-2000 А.^МГГУ.я31яянваряя-я4яфевраляя2000^годая
"
С.И. Шумков, С.Е. Терехова,
2000
УАК
С.И. Шумков, С.Е. Терехова
БЕСШАХТНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖАЕНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УГЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МЕТОАА
Бесшахтная технология разработки угольного месторождения предусматривает перевод угля в другое (подвижное) агрегатное состояние с извлечением вторичных ресурсов через систему скважин.
Эффективность такой технологии определяется, в конечном итоге, способом воздействия на уголь.
Хорошо известны такие способы, как подземная газификация, скважинная гидродобыча, а также способы, основанные на физикохимическом воздействии на уголь.
Осознавая огромные перспективы, открываемые возможностями бесшахтной технологии, нами в 1988-1998 гг. был проведен цикл исследований по микробиологическому воздействию на уголь. Преимуществом такого воздействия, по сравнению с известными физико-химическими и термическими способами, является возможность его проведения в естественных условиях - температурных и давления, без внесения дорогостоящих катализаторов.
В подземных условиях, в отсутствии достаточного количества кислорода для проведения аэробных микробиологических процессов, перспективно применение биотехнологического метода анаэробной конверсии угля, или биогазификации. Результатом такого микробиологического воздействия являются биогаз и водоугольная суспензия.
Сложный и многостадийный процесс превращения в биогаз угля как субстрата для микроорганизмов (рис. 1) требует микробного консорциума, в котором отдельные группы микроорганизмов, находящиеся в тесной трофической свя-
зи, воздействуют на уголь на различных этапах его конверсии.
Кроме метана, в состав биогаза входят диоксид углерода и небольшое количество углеводородных газов.
Для разработки способа биогазификации угля были выделены три анаэробные накопительные культуры, способные конвертировать уголь с образованием биогаза, и оптимизирован состав минеральной питательной среды для микроорганизмов. [1, 2].
Образование биометана возможно на углях различных стадий метаморфизма. Однако угли низких стадий метаморфизма обладают большей способностью к микробиологической конверсии. При воздействии микробной культуры на угольное вещество превращению подвергаются в первую очередь алифатические группы, наиболее трудно разрываются ароматические связи.
При обработке углей различных стадий метаморфизма выделенными микробными культурами наблюдается увеличение образования метана от середины к началу и концу метаморфического ряда углей [2]. Однако для бурого угля и антрацита метанообразование значительно изменяется в зависимости от использованной культуры.
Проведение биогазификации угля возможно в двух режимах: периодическом и непрерывном. Первый представляет закрытую систему, второй - открытую, когда непрерывно осуществляется
Уголь
деполимеризация солюбилизация (окислители) водорастворимые вещества
гидролитики низкомолекулярные вещества
бродильщики летучие жирные кислоты, спирты, метиламины,
Н2,С02 I
метаногены
СН4
Рис. 1. Схема образования метана из угля
циркуляция культуральной среды.
В закрытых системах выделяют несколько фаз в развитии культуры [3]: индукционный период, или лаг-фаза, связанная с накоплением веществ в системе и определяемая адаптационными процессами; фаза экспоненциального роста, во время которой накапливаются продукты реакций; фаза линейного роста; стационарная фаза, когда скорость прироста биомассы компенсируется скоростью лизиса клеток. При полном истощении системы по субстрату или значительном накоплении продуктов - ингибиторов может наблюдаться фаза отмирания культуры.
Преимущества открытых систем состоят в стандартности условий проведения процесса, высокой производительности культивирования микроорганизмов. Оптимальной является циркуляция культуральной среды в режиме восходящего потока жидкости через слой анаэробного ила, что было показано при моделировании открытой системы, проведенном в иЛ8Б-реакторе [4, 6]. При таком режиме обработки угля биомасса агрегируется с образованием гранул, плотность которых выше плотности воды, и не выносится жидкостью наверх, оставаясь на угле Гранулированный ил способен сохранять свою активность в условиях остановки процесса на многие месяцы.
Для разрушения угля в микробиологическом процессе необходимо
его деполимеризовать до относительно небольших молекул. На следующем этапе субРис. 2. Образование метана из угля Д без предварительной обработки (1) и обработанного водой (2)
страт используется консорциумом микроорганизмов, способных разрушать полицикличе-ские соединения до более простых метаболитов и уже последние можно окончательно разрушить в хорошо изученных процессах аэробной или анаэробной деградации органических веществ. Отличие биохимического разрушения угля и трудности, связанные с его успешным проведением, заключается в осуществлении деполимеризации, солюбилизации и первичного гидролиза с образованием водорастворимых соединений (рис. 1), пригодных для дальнейшей трансформации в последующих стадиях биоконверсии. Исходя из этого, воду можно рассматривать как фоновый реагент биоконверсии.
Предварительная обработка угля водой в течение 20 суток повышает
выход метана, образованного из угля, до 50 % [5] (рис. 2). Закачивание воды в скважину перед нагнетанием метаногенного консорциума микроорганизмов с культуральной средой позволяет изменить некоторые физические и химические свойства угля и его реакционную способность. Обработка микроорганизмами угля, предварительно подвергнутого воздействию воды, 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 микробиологического процесса трансформируются до биогаза.
Показано, что периодическая аэрация увеличивает выход биометана из угля [4, 6] (рис. 3.). Продувка воздухом в течение 3-4 часов в день
Сутки
активизирует некоторые группы микроорганизмов, являющихся факультативными анаэробами, и повышает эффективность солюбилизации угля. Определенное экспериментальным путем время продувки воздухом [5] достаточно для увеличения выхода метана, при более продолжительной продувке анаэробные условия нарушаются настолько, что затем трудно восстанавливаются в последующих стадиях метаноге-неза, требующих анаэробных условий.
Микробиологическое воздействие приводит к развитию макродефектов сплошности угля и его разрушению с образованием высокодисперсных фаз. [7]. Такая водоугольная суспензия стабилизирована поверхностно - активными веществами, вырабатываемыми самими микроорганизмами, и может быть извлечена на поверхность по трубопроводу.
В результате биологической обработки изменяются некоторые характеристики угля: удаляется пиритная сера и снижается зольность, уменьшается содержание азота.
Полученные результаты исследований позволяют реализовать на практике принципиально новую технологию бесшахтной разработки месторождения энергетических углей.
Рис. 3. Образование метана из угля ГЖ в анаэробном (1) и аэробно-анаэробном (2) процессах
При использовании для сжигания на электростанциях водоугольной суспензии, полученной биотехнологическим методом, уменьшается негативное воздействие на окружающую среду за счет снижения выбросов серо - и азотсодержащих газов в атмосферу.
Полученные результаты исследований позволяют реализовать на практике принципиально новую технологию бесшахтной разработки месторождения энергетических углей.
Данная технология отличается от известных тем, что в ней отсутствуют непосредственно горные работы по добыче угля. Вместо этого предусматривается после откачки воды и газа из неразгруженного пласта доставка по той же сетке скважин анаэробной биокультуры, а затем извлечение продуцированного микроорганизмами биогаза и водоугольной суспензии для дальнейшей переработки в тепловую и электрическую энергии.
Разработанный способ переработки угля защищен патентом [5]. В настоящее время готовится комплексная программа дальнейших.
1. Намсараев Б., Дулов Л.Е., Александров И.В., Терехова С.Е., Шумков С.И. Бактериальная обработка каменных и бурых углей. Интродукция микроорганизмов в окружающую среду. Тезисы докл. конф. М., РАН, (1994), стр.71-72.
2. Shumkov,S., Terekhova,S. Biological treatment of coals for their conversion to methane. In ‘Coal Science’, 8-th ICCS, Oviedo, Spain, J. A. Pajares and Tascon Eds. The Netherlands: Elsevier (1995), vol. 2, p. 1757-1760.
3. Варфоломеев С.Д., Калюжный С. В. Биотехнология. Кинетические основы микробиологиче-
ских процессов, М., Высш.шк., .(1990),295 с.
4. Shumkov,S., Terekhova,S., Laurinavihius, K. Biogasification of coal in aerobic - anaerobic bioreactor. In « Coal Science’, 9-th ICCS, Essen, Germany, A. Zigler, K. H. van Heek, J. Klein and W. Wanzl Eds. Druck und Verlag GMBH (1997), vol. 3, p. 1623-1626.
5. Способ переработки угля. Патент 2139426 Е21В 43/295,C12N 1/20, опубл. БИ (1999) №28,. Шумков С.И., Малышев Ю.Н., Терехова С.Е., Лау-ринавичюс К. С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Шумков С.И., Лауринавичюс К.С., Терехова С.Е. Биогазифака-ция угля в комбинированном аэробно-анаэробном биореакторе. Прикладная биохимия и микробиология, (1998), т.34, №3, стр. 261-264
7. Шумков С.И., Бунин И.Ж., Терехова С.Е., Зверев И.В., Долгова М. О. Фрактальная природа процесса дезинтеграции частиц угля при взаимодействии с метаногенной ассоциацией микроорганизмов. Доклады Академии Наук (1998), т.360, №5, стр.652-654.
ЦТ
Шумков Сергей Иванович - ген. директор Нау чно-технической горной ассоциации, г. Москва.
Терехова Светлана Евгеньевна ст. нау чный сотру дник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
ШУМКОВ
в:\С диска по работе в универе\01ЛБ_20\01ЛБ12_0\МЛСБТ С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коат1^\М1сго80й\ШаблоныШогта1Ло1т Бесшахтная технология разработки месторождений энергетических углей с
применением биотехнологического метода Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
Гитис Л.Х.
30.11.2000 10:30:00 9
10.12.2008 23:38:00 Таня
29 мин.
11.12.2008 0:10:00
3
1 476 (прибл.)
8 415 (прибл.)
