煤的微生物气化动力学建模研究
朱柳1
姚强岭1
朱沛霖1
刁望杰1
黄再兴2
李学华1
1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 2211162.中国矿业大学化学工程学院,江苏徐州 221116
摘要：煤的微生物原位气化开采技术在未开采的遗留煤炭、原位煤层具有广阔的应用前景.为了更好地了解煤微生物气化过程,掌握煤微生物气化的关键影响因素,根据煤微生物气化的研究进展,建立了一个煤生物气化的动力学模型,模型包含煤降解的5个过程,即煤的增溶、水解、产酸、产氢产乙酸和产甲烷.每个过程采用生化反应式表示,采用元素平衡和电子平衡确定生化反应方程化学计量数.采用Monod动力学方程来描述微生物的生长和死亡过程,同时考虑生物自身生长抑制和产物抑制.为校核该模型,在实验室开展了煤的厌氧发酵试验,利用试验获得产甲烷数据校核该模型.结果表明:建立的模型对煤的微生物气化和营养强化煤产甲烷过程均有较好的描述.对模型参数进行了敏感性分析,通过改变模型敏感性参数,分析中间参数变化规律和产甲烷特征.结果表明:煤炭初始物质的量浓度越大,甲烷产量越大,但存在一个最大浓度,超过该最优煤炭添加浓度将会抑制甲烷生产.煤炭溶解速度可以缩短煤产生物甲烷的启动时间,采用煤预处理的方法可提高煤的平衡溶解浓度,提高甲烷产量.微生物浓度同样影响煤产生物甲烷的特征.改变溶煤细菌和水解菌的初始浓度,可以缩短产气的延滞期,溶煤菌浓度增大10倍(1 mol/m3至10 mol/m3),延滞期可缩短83.33％,乙酸营养型产甲烷菌浓度影响最大产甲烷速率.添加蓝藻可以为微生物生长提供底物,同时也为产甲烷菌提供了产甲烷底物,显著提高模型的有机负荷率,提升甲烷产量,添加1.0、1.63、2.5、4.0 mol/m3蓝藻,甲烷产量分别提升了 12.9、20.8、27.7、54.3倍.研究结果丰富了煤炭微生物气化领域的数据建模方法,为该技术的实验室试验提供了重要的理论支撑和指导.同时,通过实验室试验与数值计算相结合的研究方法,可以提高对煤产生物甲烷机理的认识.
关键词：流态化开采煤的微生物气化生物甲烷动力学建模营养强化
分类号：TD82(矿山开采)
资助基金：国家自然科学基金(52404149)卓博计划资助项目(2024ZB177)国家资助博士后研究人员计划资助项目(GZC20241927)
论文发表日期：2025-08-31
在线出版日期：2025-09-29（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：12( 4054-4065 )
英文信息