本發(fā)明涉及一種煤制生物甲烷的裝置及方法，屬于生物合成
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：目前，煤炭約占世界一次能源消費的30%，占我國一次能源的比例超過70%。然而，煤炭直接燃燒的熱值低、污染大、運輸成本高。如何實現(xiàn)煤炭的高效、清潔、綠色利用，是制約煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素，也是煤炭利用的重點。微生物能夠?qū)⒚涸诿簩釉晦D(zhuǎn)化為生物甲烷，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槊簩託膺@一清潔能源。煤炭的原位轉(zhuǎn)化生物甲烷不消耗額外能源、無環(huán)境污染，可以有效克服煤炭直接燃燒的一系列問題，實現(xiàn)煤炭的清潔、綠色利用。已有研究發(fā)現(xiàn)，煤能夠被微生物厭氧降解產(chǎn)生甲烷，營養(yǎng)液成分、溫度、pH等環(huán)境條件顯著影響生物甲烷的產(chǎn)量及產(chǎn)生速率。然而，這些研究結(jié)果均是在煤樣研磨后、mm級煤粉的基礎(chǔ)上研究獲得的，且大多采用1g煤粉、10mL-100mL培養(yǎng)液的反應(yīng)體系，其試驗條件與地下煤層原位的真實環(huán)境條件相距甚遠(yuǎn)。為模擬更加真實的煤層原位條件，研究生物甲烷在煤層原位的產(chǎn)生情況，需要開發(fā)一套新型試驗裝置及配套試驗方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明旨在提供一種煤制生物甲烷的裝置及方法，以實現(xiàn)在實驗室內(nèi)模擬煤層原位的地質(zhì)條件，對地下煤層中煤制生物甲烷進(jìn)行可行性試驗研究，為研究煤的生物降解機理、煤層原位的生物甲烷產(chǎn)生機制及影響因素等提供便利條件。本發(fā)明提供了一種煤制生物甲烷的裝置，包括反應(yīng)釜、厭氧裝置、進(jìn)料裝置、分離裝置；所述厭氧裝置包括氮氣瓶、真空泵；所述進(jìn)料裝置包括營養(yǎng)液瓶、菌液瓶，營養(yǎng)液瓶、菌液瓶出口上方分別設(shè)有蠕動泵和逆止閥，營養(yǎng)液瓶、菌液瓶與反應(yīng)釜連接管道上設(shè)有流量計；所述反應(yīng)釜連接溫度控制器；反應(yīng)釜上方設(shè)有溫度傳感器；所述分離裝置包括分離釜，分離釜上方設(shè)有壓力表和氣體采集口，分離釜下部設(shè)有液體出料閥；所述氮氣瓶、營養(yǎng)液瓶、菌液瓶、真空泵、分離釜分別與反應(yīng)釜連接，且連接管道上均設(shè)有逆止閥。上述裝置中，所述蠕動泵分別設(shè)置在營養(yǎng)液瓶、菌液瓶與反應(yīng)釜連接的管道上，且蠕動泵的連接管路為內(nèi)徑為6mm的抗腐蝕塑料管；其余管路為內(nèi)徑為6mm的不銹鋼管。所述壓力表、流量計均為本質(zhì)安全型零部件。上述裝置中，所述反應(yīng)釜為密閉的承壓反應(yīng)容器，尺寸為200×200×400mm的長方體，最大承受壓力為20MPa。進(jìn)一步地，所述氮氣瓶、營養(yǎng)液瓶、菌液瓶的體積均為10L，所述分離釜的體積為40L。更進(jìn)一步地，所述氣體采集口的材質(zhì)為橡膠，便于進(jìn)行氣體的取樣操作，取樣口的直徑為20mm。本發(fā)明提供了一種采用上述裝置進(jìn)行煤制生物甲烷的方法，包括以下步驟：1）在反應(yīng)釜內(nèi)放入需要進(jìn)行實驗的煤樣；2）在所有逆止閥開啟的狀態(tài)下，打開真空泵，對進(jìn)料裝置、反應(yīng)釜和分離裝置進(jìn)行抽真空，使整個裝置中壓強達(dá)到-1MPa；3）打開氮氣瓶閥門，向裝置內(nèi)充入氮氣，至壓力達(dá)到常壓，并關(guān)閉氮氣瓶閥門；4）重復(fù)操作步驟2）和步驟3）3次，以確保裝置內(nèi)處于嚴(yán)格厭氧狀態(tài)；5）保持真空泵與反應(yīng)釜之間的逆止閥開啟，關(guān)閉裝置中其它逆止閥；6）打開溫控裝置，設(shè)置反應(yīng)所需溫度；7）待裝置溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度25℃—45℃時，通過在厭氧條件下向營養(yǎng)液瓶和菌液瓶內(nèi)分別接入營養(yǎng)液和菌液；8）打開菌液瓶連接的逆止閥、蠕動泵，將菌液注入反應(yīng)釜內(nèi)；菌液與煤樣的用量比為3：1；9）關(guān)閉菌液瓶連接的逆止閥、蠕動泵，反應(yīng)30天；10）打開營養(yǎng)液瓶連接的逆止閥、蠕動泵，以0.6ml/min的恒定流速將營養(yǎng)液持續(xù)注入反應(yīng)釜內(nèi)；營養(yǎng)液與煤樣的用量比為為4.2:1；11）打開分離釜連接的逆止閥，在分離釜內(nèi)收集反應(yīng)產(chǎn)出的氣體和液體，以便進(jìn)一步檢測、分析。上述方法中，所述煤樣是煤粉壓制成的型煤或原位采集的煤試樣。上述方法中，通過蠕動泵提供足夠的動力將營養(yǎng)液及菌液壓入至反應(yīng)釜中。上述方法中，所述營養(yǎng)液中各組分的質(zhì)量百分比如下：基礎(chǔ)培養(yǎng)基：10%；微量元素：1%；維生素：1%；刃天青：0.001%；0.2%硫酸亞鐵銨：0.1%；1.25%半胱氨酸-1.25%硫化鈉（是指二者的混合液）：4%；生物緩沖液：在營養(yǎng)液中的摩爾濃度為10mmol/L；其余為水。進(jìn)一步地：所述基礎(chǔ)培養(yǎng)基由以下組分組成：KCl、MgCl2·2H2O、MgSO4·7H2O、NH4Cl、CaCl2·2H2O、K2HPO4、NaCl、酵母粉，各組分的質(zhì)量配比為：0.335∶2.75∶3.45∶0.25∶0.14∶0.14∶11∶1。進(jìn)一步地：所述微量元素包括以下組分：FeCl2·4H2O、ZnCl2、MnCl2·4H2O、CuCl2、CoCl2·6H2O、AlK(SO4)2、NiCl2·6H2O、NaMoO4、H3BO3，各組分的質(zhì)量配比為：15∶7∶10∶0.2∶19∶1∶2.4∶0.6∶3.6；將上述組分溶于25%HCl中，25%HCl的含量為1ml/L。進(jìn)一步地：所述維生素由以下組分組成：維生素H、葉酸、維生素B2、硫辛酸、維生素B12、維生素B1、鹽酸硫胺素、煙酸、脂苯甲酸，各組分的質(zhì)量配比為：0.2∶0.2∶0.5∶0.5∶0.01∶1∶0.5∶0.5∶0.5。所述生物緩沖液的pH=7.5，由以下組分組成：NaCl：137mmol/L，KCl：2.7mmol/L，Na2HPO4：10mmol/L，KH2PO4：2mmol/L。上述方法中，所述菌液成分組成如下：甲烷八疊球菌屬、甲烷葉菌屬、甲烷細(xì)菌、甲烷絲狀菌、甲烷鹽菌屬。本發(fā)明中使用的菌液為：取煤層氣井產(chǎn)出水30ml，加入1g煤，以及培養(yǎng)液，厭氧條件下進(jìn)行傳代培養(yǎng)，傳代時間為30d；傳至第6代時，甲烷產(chǎn)量基本穩(wěn)定，得到穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷菌群，然后對菌液進(jìn)行DNA測序，獲得產(chǎn)甲烷菌群種類。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明可以實現(xiàn)大煤樣條件下模擬煤層原位厭氧、溫度、壓力等條件。與現(xiàn)有煤制生物甲烷的裝置及方法相比，該裝置可以更大程度反映煤層原位真實情況，對煤制生物甲烷的現(xiàn)場應(yīng)用具有重要的意義。同時，利用該裝置可以將產(chǎn)出的甲烷和菌液進(jìn)行分離，不僅可以精確計算甲烷、二氧化碳等氣體的產(chǎn)量，而且可以分析菌液的成分變化，實現(xiàn)煤制生物甲烷不同階段反應(yīng)產(chǎn)物（氣體和液體）的檢測。附圖說明圖1為煤制生物甲烷的裝置示意圖。圖中：1—氮氣瓶，2—營養(yǎng)液瓶，3—菌液瓶，4—蠕動泵，5—逆止閥，6—流量計，7—溫度控制器，8—反應(yīng)釜，9—壓力表，10—溫度傳感器，11—真空泵，12—氣體采集口，13—分離釜，14—液體出料閥。具體實施方式下面通過實施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。如圖1所示，一種煤制生物甲烷的裝置，包括反應(yīng)釜8、厭氧裝置、進(jìn)料裝置、分離裝置；所述厭氧裝置包括氮氣瓶1、真空泵11；所述進(jìn)料裝置包括營養(yǎng)液瓶2、菌液瓶3，營養(yǎng)液瓶2、菌液瓶3出口上方分別設(shè)有蠕動泵4和逆止閥5，營養(yǎng)液瓶2、菌液瓶3與反應(yīng)釜8連接管道上設(shè)有流量計6；所述反應(yīng)釜8連接溫度控制器7；反應(yīng)釜8上方設(shè)有溫度傳感器10；所述分離裝置包括分離釜13，分離釜13上方設(shè)有壓力表和氣體采集口12，分離釜13下部設(shè)有液體出料閥14；所述氮氣瓶1、營養(yǎng)液瓶2、菌液瓶3、真空泵11、分離釜13分別與反應(yīng)釜8連接，且連接管道上均設(shè)有逆止閥。上述裝置中，所述蠕動泵4分別設(shè)置在營養(yǎng)液瓶2、菌液瓶3與反應(yīng)釜8連接的管道上，且蠕動泵4的連接管路為內(nèi)徑為6mm的抗腐蝕塑料管；其余管路為內(nèi)徑為6mm的不銹鋼管。所述壓力表、流量計均為本質(zhì)安全型零部件。上述裝置中，所述反應(yīng)釜8為密閉的承壓反應(yīng)容器，尺寸為200×200×400mm的長方體，最大承受壓強為20MPa。進(jìn)一步地，所述氮氣瓶1、營養(yǎng)液瓶2、菌液瓶3的體積均為10L，所述分離釜8的體積為40L。更進(jìn)一步地，所述氣體采集口12的材質(zhì)為橡膠，便于進(jìn)行氣體的取樣操作，取樣口的直徑為20mm。采用上述裝置進(jìn)行煤制生物甲烷的方法為：1）在反應(yīng)釜內(nèi)放入需要進(jìn)行實驗的煤樣；所述煤樣是煤粉壓制成的型煤或原位采集的煤試樣；2）在所有逆止閥開啟的狀態(tài)下，打開真空泵，對進(jìn)料裝置、反應(yīng)釜和分離裝置進(jìn)行抽真空，使整個裝置中壓強達(dá)到-1MPa；3）打開氮氣瓶閥門，向裝置內(nèi)充入氮氣，至壓力達(dá)到常壓，并關(guān)閉氮氣瓶閥門；4）重復(fù)操作步驟2）和步驟3）3次，以確保裝置內(nèi)處于嚴(yán)格厭氧狀態(tài)；5）保持真空泵與反應(yīng)釜之間的逆止閥開啟，關(guān)閉裝置中其它逆止閥；6）打開溫控裝置，設(shè)置反應(yīng)溫度；7）待裝置溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度25℃—45℃時，通過在厭氧條件下向營養(yǎng)液瓶和菌液瓶內(nèi)分別接入營養(yǎng)液和菌液；8）打開菌液瓶連接的逆止閥、蠕動泵，將菌液注入反應(yīng)釜內(nèi)；菌液與煤樣的用量比為3：1；通過蠕動泵提供足夠的動力將菌液壓入至反應(yīng)釜中；所述菌液成分組成如下：甲烷八疊球菌屬、甲烷葉菌屬、甲烷細(xì)菌、甲烷絲狀菌、甲烷鹽菌屬。本實施例中使用的菌液為：取煤層氣井產(chǎn)出水30ml，加入1g煤，以及培養(yǎng)液，厭氧條件下進(jìn)行傳代培養(yǎng)，傳代時間為30d；傳至第6代時，甲烷產(chǎn)量基本穩(wěn)定，得到穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷菌群，然后對菌液進(jìn)行DNA測序，獲得產(chǎn)甲烷菌群種類。9）關(guān)閉菌液瓶連接的逆止閥、蠕動泵，反應(yīng)30天；10）打開營養(yǎng)液瓶連接的逆止閥、蠕動泵，以0.6ml/min的恒定流速將營養(yǎng)液持續(xù)注入反應(yīng)釜內(nèi)；營養(yǎng)液與煤樣的用量比為為4.2:1；通過蠕動泵提供足夠的動力將營養(yǎng)液壓入至反應(yīng)釜中；1L營養(yǎng)液包含100mL基礎(chǔ)培養(yǎng)基，10mL微量元素，10mL維生素，10mM生物緩沖液（pH=7.5），0.001%刃天青，1mL0.2%硫酸亞鐵銨以及40mL1.25%半胱氨酸-1.25%硫化鈉。用上述配比制成營養(yǎng)液，如下表所示。表1基礎(chǔ)培養(yǎng)基組成成分含量（g/L）成分含量（g/L）KCl0.335CaCl2·2H2O0.14MgCl2·2H2O2.75K2HPO40.14MgSO4·7H2O3.45NaCl11NH4Cl0.25酵母粉1表2微量元素組成成分含量（mg/L）成分含量（mg/L）FeCl2·4H2O0.1500AlK(SO4)21ZnCl27NiCl2·6H2O2.4MnCl2·4H2O10NaMoO40.6CuCl20.2H3BO33.6CoCl2·6H2O1925%HCl1ml/L表3維生素組成成分含量（mg/L）成分含量（mg/L）維生素H0.2維生素B11葉酸0.2鹽酸硫胺素0.5維生素B20.5煙酸0.5硫辛酸0.5脂苯甲酸0.5維生素B120.01所述生物緩沖液由以下組分組成：NaCl：137mmol/L，KCl：2.7mmol/L，Na2HPO4：10mmol/L，KH2PO4：2mmol/L。11）打開分離釜連接的逆止閥，在分離釜內(nèi)收集反應(yīng)產(chǎn)出的氣體和液體，以便進(jìn)一步檢測、分析。當(dāng)前第1頁1 2 3