煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置及实验方法
【专利摘要】煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置，包括生物转化与循环系统、菌群活性与代谢环境监测系统、温度调控系统、产气效果评价与机理分析系统。本发明还公开了生物甲烷化模拟实验装置的实验方法。本发明利用煤为底物，二氧化碳为介质，在适宜条件下对产甲烷菌群的培养和优选菌液，在室内模拟不同温度、不同煤阶、粒度、二氧化碳压力、菌群种类和代谢环境的二氧化碳生物甲烷化的效果，进而实现二氧化碳生物转化甲烷技术。本发明的反应条件容易控制，装置结构紧凑，成本低廉，操作方便，具有重要的科学意义和实用价值。
【专利说明】
煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置及实验方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置及实验方法。
【背景技术】
[0002]二氧化碳作为主要的温室气体，来源于煤、石油和天然气等化石燃料的利用，它与能源消耗有密切的关系。随着我国经济的快速发展，能源消耗持续增加，二氧化碳排放引发一系列环境问题，如何实现节能减排成为世界关注的焦点，其中二氧化碳的捕集和封存对遏止温室效应有重要意义。近年来，随着生物成因煤层气的深入研究，生物成因煤层气主要以二氧化碳还原为主。通过微生物技术激活煤层本源菌群，使其以煤为底物，把封存在其中的二氧化碳转化为生物甲烷，不但可以降低温室气体排放，还可以提高煤层气资源量获取洁净能源。研究煤层封存二氧化碳生物转化甲烷技术，也必将丰富煤层气生物工程的研究内涵，有助于缩小与国外煤层气生物工程研究差距。
【发明内容】
[0003]本发明为了解决现有技术的不足之处，提供了一种煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置及实验方法。该装置及实验方法探索二氧化碳在煤层本源菌作用下转化为甲烷的条件和转化效率，同时利用含有碳示踪同位素的二氧化碳与含有氢示踪同位素的营养液对煤层气的生物成因机理进行分析。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置，包括生物转化与循环系统、菌群活性与代谢环境监测系统、温度调控系统、产气效果评价与机理分析系统；
生物转化与循环系统包括自上而下依次串联的上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管，上螺旋玻璃管顶部设有产甲烷菌群及营养液装入口和上循环口，产甲烷菌群及营养液装入口出设有密封盖，上螺旋玻璃管顶部在上循环口处设有三通管，下螺旋玻璃管底部设有取液口、二氧化碳注入口和下循环口，上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管内装入不同煤阶和粒度的煤样，二氧化碳注入口连接有二氧化碳注入装置，三通管和下循环口之间通过玻璃导管连接，玻璃导管下部设有循环栗，玻璃导管上部设有甲烷浓度探测器；
取液口与菌群活性与代谢环境监测系统连接，温度调控系统设在上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管的外部，产气效果评价与机理分析系统的进气口与三通管连接。
[0005]二氧化碳注入装置包括二氧化碳高压钢瓶，二氧化碳高压钢瓶的出气口与二氧化碳注入口之间通过注入管连接，注入管上沿气流方向依次设有减压阀、压力表和流量计。
[0006]温度调控系统包括恒温箱和用于调控恒温箱温度的智能恒温控制装置，恒温箱内壁设有隔热层，上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管均位于恒温箱内。
[0007]产气效果评价与机理分析系统包括抽气动力栗、干燥装置、气体浓度及流量监测仪和混合气体分离装置，抽气动力栗的进气口与三通管之间通过第一气管连接，抽气动力栗的出气口与干燥装置的进气口通过第二气管连接，气体浓度及流量监测仪设在第二气管上，干燥装置的出气口与混合气体分离装置的进气口通过第三气管连接，混合气体分离装置通过第四气管连接有真空栗。
[0008]混合气体分离装置包括分离密闭箱和顶部敞口的电加热槽，分离密闭箱放置在电加热槽内，分离密闭箱内的中下部填充有吸收剂，吸收剂为乙醇胺或聚酰胺，分离密闭箱上设有位于吸收剂上方的二氧化碳浓度监控仪和气体取样口，第四气管连接在分离密闭箱上部。
[0009]煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤，
(1)打开先将上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管内装入煤样，接着将已装入煤样的上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管依次连接，连接安装模拟实验装置各部件，在所有接口处采用环氧树脂胶进行密封，并且密封压力要大于二氧化碳注入压力和循环栗提供的压力；
打开二氧化碳高压钢瓶，二氧化碳气体通过注入管向下螺旋玻璃管内通入二氧化碳，同时检查所有连接管道的气密性，然后将PH为7的产甲烷菌培养液快速通过产甲烷菌群及营养液装入口加入到煤样中，最后将密封盖密封产甲烷菌群及营养液装入口，其中二氧化碳气体内含有碳示踪同位素、营养液中含有氢示踪同位素；
(2)打开循环栗的开关;在循环栗提供动力驱动二氧化碳气体充满煤样中，并驱动二氧化碳气体及产甲烷菌培养液沿玻璃导管、下螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和上螺旋玻璃管中循环，使二氧化碳、煤样和产甲烷菌培养液充分接触反应；
(3)通过操控智能恒温控制装置将恒温箱内的温度智能控制在35°C，即二氧化碳、煤样和菌液反应的温度为35°C ;
(4)反应一段时间后，观察甲烷浓度探测器显示的数值达到预设要求时；打开取液口，操控菌群活性与代谢环境监测系统测定反应体系的菌群活性与代谢环境的菌液变化；
(5)关闭取液口，打开抽气动力栗，利用抽气动力栗的动力，混合气体先通过干燥装置进行干燥；
(6)干燥后的气体通过第二气管，通过第二气管上的气体浓度及流量监测仪记录混合气体浓度、瞬间气量和累计气体流量；
(7)干燥的混合气体进入混合气体分离装置的，混合气体中的二氧化碳被吸收剂吸收，此时二氧化碳浓度监控仪的读数为O，使用抽气筒连接气体取样口抽取一定量的气体，用于气体成分的同位素测试；
(8)测试被吸收气体的同位素，打开抽真空栗把分离箱内的气体迅速抽出，然后打开操控电加热槽升温使分离箱中的吸收剂吸收的二氧化碳解吸，再打开气体取样口，使用抽气筒对解吸后的二氧化碳抽气，测定二氧化碳气体中的同位素。
[0010]采用上述技术方案，二氧化碳注入装置中的减压阀、压力表和流量计组成，可以实现二氧化碳注入压力和注入量的控制与记录;动力栗把二氧化碳气体和产甲烷菌培养液的气液混合物从下螺旋玻璃管栗入，向上依次流经三段装煤样的中螺旋玻璃管和上螺旋玻璃管，再通过玻璃导管到动力栗完成循环，同时在玻璃导管安装一个甲烷浓度探测器，随时记录循环系统的甲烷浓度。
[0011]菌群活性与代谢环境监测系统主要是利用下段螺旋玻璃的取液口进行，在生物转化的任何阶段均可以获得反应体系的含菌液体，通过菌种分离、鉴定、计数和菌群活性等测试指标，分析反应体系的菌群活性变化特征;通过分析液体的碳源、氮源、无机盐、pH、Eh及微量元素等指标监测微生物的代谢环境变化。所述温度调控系统由恒温箱和智能恒温控制装置组成，主要功能是保证反应体系在预设温度下进行。
[0012]产气效果评价与机理分析系统中的混合气体分离装置包括二氧化碳浓度监控与吸收功能，还可以通过加热槽使被吸收的二氧化碳释放出来，实现混合气体分离以便进行不同气体成分的同位素测试。
[0013]产甲烷菌培养液要从上段螺旋玻璃管装入，循环栗要把气液混合物从下螺旋玻璃管栗入。
[0014]本发明可以在实验室内模拟二氧化碳生物甲烷化的过程，通过对不同温度产气、产气量和气体组分的测定，评价二氧化碳转化条件与效率，同时利用含有碳示踪同位素的二氧化碳与含有氢示踪同位素的营养液，通过测试不同组分的同位素组成，分析煤层气的生物成因机理。从而查明煤层封存二氧化碳的生物甲烷的生成机理。
[0015]本发明实验初始条件:恒温箱的温度设置为35°C，上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管内装入一定粒度的煤样、二氧化碳高压钢瓶、所有接口处采用高性能密封材料(如环氧树脂胶)，并且密封压力要大于二氧化碳注入压力和循环系统动力栗提供的压力。
[0016]由上所述，本发明利用煤为底物，二氧化碳为介质，在适宜条件下对产甲烷菌群的培养和优选菌液，在室内模拟不同温度、不同煤阶、粒度、二氧化碳压力、菌群种类和代谢环境(微量元素、pH、Eh、碳氮源和菌种浓度等)的二氧化碳生物甲烷化的效果，进而实现二氧化碳生物转化甲烷技术。本发明的反应条件容易控制，装置结构紧凑，成本低廉，操作方便，具有重要的科学意义和实用价值。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]如图1所示，本发明的煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置，包括生物转化与循环系统、菌群活性与代谢环境监测系统、温度调控系统、产气效果评价与机理分析系统；
生物转化与循环系统包括自上而下依次串联的上螺旋玻璃管1、中螺旋玻璃管2和下螺旋玻璃管3，上螺旋玻璃管I顶部设有产甲烷菌群及营养液装入口 4和上循环口 5，产甲烷菌群及营养液装入口 4出设有密封盖6，上螺旋玻璃管I顶部在上循环口 5处设有三通管7，下螺旋玻璃管3底部设有取液口 8、二氧化碳注入口 9和下循环口 10，上螺旋玻璃管1、中螺旋玻璃管2和下螺旋玻璃管3内装入不同煤阶和粒度的煤样，二氧化碳注入口 9连接有二氧化碳注入装置，三通管7和下循环口 10之间通过玻璃导管11连接，玻璃导管11下部设有循环栗12，玻璃导管11上部设有甲烷浓度探测器13。
[0019]取液口8与菌群活性与代谢环境监测系统(图中未示意出来)连接，温度调控系统设在上螺旋玻璃管1、中螺旋玻璃管2和下螺旋玻璃管3的外部，产气效果评价与机理分析系统的进气口与三通管7连接。
[0020]二氧化碳注入装置包括二氧化碳高压钢瓶14，二氧化碳高压钢瓶14的出气口与二氧化碳注入口 9之间通过注入管15连接，注入管15上沿气流方向依次设有减压阀16、压力表17和流量计18。
[0021]温度调控系统包括恒温箱19和用于调控恒温箱19温度的智能恒温控制装置20，恒温箱19内壁设有隔热层，上螺旋玻璃管1、中螺旋玻璃管2和下螺旋玻璃管3均位于恒温箱19内。
[0022]产气效果评价与机理分析系统包括抽气动力栗21、干燥装置22、气体浓度及流量监测仪23和混合气体分离装置，抽气动力栗21的进气口与三通管7之间通过第一气管24连接，抽气动力栗21的出气口与干燥装置22的进气口通过第二气管25连接，气体浓度及流量监测仪23设在第二气管25上，干燥装置22的出气口与混合气体分离装置的进气口通过第三气管26连接，混合气体分离装置通过第四气管27连接有真空栗28。
[0023]混合气体分离装置包括分离密闭箱29和顶部敞口的电加热槽30，分离密闭箱29放置在电加热槽30内，分离密闭箱29内的中下部填充有吸收剂31，吸收剂31为乙醇胺或聚酰胺，分离密闭箱29上设有位于吸收剂31上方的二氧化碳浓度监控仪32和气体取样口 33，第四气管27连接在分离密闭箱29上部。
[0024]煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤，
(1)打开先将上螺旋玻璃管1、中螺旋玻璃管2和下螺旋玻璃管3内装入煤样，接着将已装入煤样的上螺旋玻璃管1、中螺旋玻璃管2和下螺旋玻璃管3依次连接，连接安装模拟实验装置各部件，在所有接口处采用环氧树脂胶进行密封，并且密封压力要大于二氧化碳注入压力和循环栗12提供的压力；
打开二氧化碳高压钢瓶14，二氧化碳气体通过注入管15向下螺旋玻璃管3内通入二氧化碳，同时检查所有连接管道的气密性，然后将PH为7的产甲烷菌培养液快速通过产甲烷菌群及营养液装入口 4加入到煤样中，最后将密封盖6密封产甲烷菌群及营养液装入口 4，其中二氧化碳气体内含有碳示踪同位素、营养液中含有氢示踪同位素；
(2)打开循环栗12的开关;在循环栗12提供动力驱动二氧化碳气体充满煤样中，并驱动二氧化碳气体及产甲烷菌培养液沿玻璃导管U、下螺旋玻璃管3、中螺旋玻璃管2和上螺旋玻璃管I中循环，使二氧化碳、煤样和产甲烷菌培养液充分接触反应；
(3)通过操控智能恒温控制装置20将恒温箱19内的温度智能控制在35°C，即二氧化碳、煤样和菌液反应的温度为35°C ;
(4)反应一段时间后，观察甲烷浓度探测器13显示的数值达到预设要求时;打开取液口8，操控菌群活性与代谢环境监测系统测定反应体系的菌群活性与代谢环境的菌液变化；
(5)关闭取液口8，打开抽气动力栗21，利用抽气动力栗21的动力，混合气体先通过干燥装置22进行干燥；
(6)干燥后的气体通过第二气管25，通过第二气管25上的气体浓度及流量监测仪23记录混合气体浓度、瞬间气量和累计气体流量；
(7)干燥的混合气体进入混合气体分离装置的，混合气体中的二氧化碳被吸收剂31吸收，此时二氧化碳浓度监控仪32的读数为O，使用抽气筒连接气体取样口 33抽取一定量的气体，用于气体成分的同位素测试； (8)测试被吸收气体的同位素，打开抽真空栗28把分离箱内的气体迅速抽出，然后打开操控电加热槽30升温使分离箱中的吸收剂31吸收的二氧化碳解吸，再打开气体取样口 33，使用抽气筒对解吸后的二氧化碳抽气，测定二氧化碳气体中的同位素。
[0025]以上所述仅为本发明的一种具体实施例，但本发明的实施例并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置，其特征在于:包括生物转化与循环系统、菌群活性与代谢环境监测系统、温度调控系统、产气效果评价与机理分析系统； 生物转化与循环系统包括自上而下依次串联的上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管，上螺旋玻璃管顶部设有产甲烷菌群及营养液装入口和上循环口，产甲烷菌群及营养液装入口出设有密封盖，上螺旋玻璃管顶部在上循环口处设有三通管，下螺旋玻璃管底部设有取液口、二氧化碳注入口和下循环口，上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管内装入不同煤阶和粒度的煤样，二氧化碳注入口连接有二氧化碳注入装置，三通管和下循环口之间通过玻璃导管连接，玻璃导管下部设有循环栗，玻璃导管上部设有甲烷浓度探测器； 取液口与菌群活性与代谢环境监测系统连接，温度调控系统设在上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管的外部，产气效果评价与机理分析系统的进气口与三通管连接。2.根据权利要求1所述的煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置，其特征在于:二氧化碳注入装置包括二氧化碳高压钢瓶，二氧化碳高压钢瓶的出气口与二氧化碳注入口之间通过注入管连接，注入管上沿气流方向依次设有减压阀、压力表和流量计。3.根据权利要求2所述的煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置，其特征在于:温度调控系统包括恒温箱和用于调控恒温箱温度的智能恒温控制装置，恒温箱内壁设有隔热层，上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管均位于恒温箱内。4.根据权利要求3所述的煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置，其特征在于:产气效果评价与机理分析系统包括抽气动力栗、干燥装置、气体浓度及流量监测仪和混合气体分离装置，抽气动力栗的进气口与三通管之间通过第一气管连接，抽气动力栗的出气口与干燥装置的进气口通过第二气管连接，气体浓度及流量监测仪设在第二气管上，干燥装置的出气口与混合气体分离装置的进气口通过第三气管连接，混合气体分离装置通过第四气管连接有真空栗。5.根据权利要求4所述的煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置，其特征在于:混合气体分离装置包括分离密闭箱和顶部敞口的电加热槽，分离密闭箱放置在电加热槽内，分离密闭箱内的中下部填充有吸收剂，吸收剂为乙醇胺或聚酰胺，分离密闭箱上设有位于吸收剂上方的二氧化碳浓度监控仪和气体取样口，第四气管连接在分离密闭箱上部。6.根据权利要求5所述的煤层封存二氧化碳的生物甲烷化模拟实验装置的实验方法，其特征在于:包括以下步骤， (1)打开先将上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管内装入煤样，接着将已装入煤样的上螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和下螺旋玻璃管依次连接，连接安装模拟实验装置各部件，在所有接口处采用环氧树脂胶进行密封，并且密封压力要大于二氧化碳注入压力和循环栗提供的压力； 打开二氧化碳高压钢瓶，二氧化碳气体通过注入管向下螺旋玻璃管内通入二氧化碳，同时检查所有连接管道的气密性，然后将PH为7的产甲烷菌培养液快速通过产甲烷菌群及营养液装入口加入到煤样中，最后将密封盖密封产甲烷菌群及营养液装入口，其中二氧化碳气体内含有碳示踪同位素、营养液中含有氢示踪同位素； (2)打开循环栗的开关;在循环栗提供动力驱动二氧化碳气体充满煤样中，并驱动二氧化碳气体及产甲烷菌培养液沿玻璃导管、下螺旋玻璃管、中螺旋玻璃管和上螺旋玻璃管中循环，使二氧化碳、煤样和产甲烷菌培养液充分接触反应； (3)通过操控智能恒温控制装置将恒温箱内的温度智能控制在35°C，即二氧化碳、煤样和菌液反应的温度为35°C ; (4)反应一段时间后，观察甲烷浓度探测器显示的数值达到预设要求时；打开取液口，操控菌群活性与代谢环境监测系统测定反应体系的菌群活性与代谢环境的菌液变化； (5)关闭取液口，打开抽气动力栗，利用抽气动力栗的动力，混合气体先通过干燥装置进行干燥； (6)干燥后的气体通过第二气管，通过第二气管上的气体浓度及流量监测仪记录混合气体浓度、瞬间气量和累计气体流量； (7)干燥的混合气体进入混合气体分离装置的，混合气体中的二氧化碳被吸收剂吸收，此时二氧化碳浓度监控仪的读数为O，使用抽气筒连接气体取样口抽取一定量的气体，用于气体成分的同位素测试； (8)测试被吸收气体的同位素，打开抽真空栗把分离箱内的气体迅速抽出，然后打开操控电加热槽升温使分离箱中的吸收剂吸收的二氧化碳解吸，再打开气体取样口，使用抽气筒对解吸后的二氧化碳抽气，测定二氧化碳气体中的同位素。
【文档编号】C12M1/38GK105838598SQ201610372669
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】夏大平, 郭红玉, 符超勇, 苏现波, 刘喜乐, 陈曦, 董志伟, 高志祥
【申请人】河南理工大学