[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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

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。

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泵，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。

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。

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。

产气效果评价与机理分析系统包括抽气动力泵、干燥装置、气体浓度及流量监测仪和混合气体分离装置，抽气动力泵的进气口与三通管之间通过第一气管连接，抽气动力泵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泵。

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。

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泵提供的压力；

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）打开循环泵的开关；在循环泵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℃，即二氧化碳、煤样和菌液反应的温度为35℃；

（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；