УСТАНОВКА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ УСЛОВИЙ ДЕСТРУКЦИИ ШЛАМОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ И НИЗКОКАЧЕСТВЕННЫХ УГЛЕЙ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

Изобретение направлено на создание биореакторных систем, которые обеспечивают моделирование условий для эффективного производства жидких и газообразных продуктов из шламов углеобогащения и низкокачественных углей. При этом обеспечивается предварительная обработка, которая делает шламы углеобогащения и низкокачественные угли восприимчивыми к микробиологическому разложению.

Общая проблема при сжигании низкокачественных углей или отходов углеобогащения - это низкая теплотворная способность, значительное загрязнение окружающей среды и высокие транспортные издержки. Реализовать эффективное, чистое и «зеленое» использование такого топлива можно с помощью биосинтеза газа. Уголь может анаэробно разлагаться микроорганизмами до метана, при этом состав питательной среды, температура, рН и другие условия окружающей среды существенно влияют на выход и скорость производства биометана.

Другим применением микробиологического разложения шламов углеобогащения и низкокачественных углей является получение биоорганических удобрений. Например, в изобретении [1] используют микробную ферментацию, а в качестве сырья используют отходы сталеплавильного производства (шлак), отходы производства уксуса и окисленные угли.

Известно изобретение [2], описывающее устройство и способ получения биометана из угля с целью реализации моделирования реальных геологических условий угольного пласта в лаборатории и технико-экономического обоснования производства биометана в подземном угольном пласте.

Несмотря на широкий диапазон давлений и возможность изменения атмосферы, использовать указанную установку для моделирования условий на шламовых отвалах невозможно из-за отсутствия лампы для облучения образца УФ светом для ускоренного окисления. Также в камере описываемой установки отсутствует датчик влажности, а в контуре реактора не осуществляется непрерывный контроль выделяющихся газов.

Известна также биореакторная система с псевдоожиженным слоем для превращения угля в микробно-солюбилизированные угольные продукты [3]. Биореактор с псевдоожиженным слоем непрерывно или периодически получает уголь и биологические реагенты и обеспечивает экономичное и эффективное производство микробиологически солюбилизированных углей. Изобретение направлено на создание крупномасштабных биореакторных систем, которые обеспечивают биологические и экологические условия для эффективного производства жидких и газообразных продуктов из углей.

В указанной биореакторной установке предусмотрен процесс облучения угля УФ лампой в потоке кислорода, только реализовано это в отдельной камере, что требует дополнительной загрузки и выгрузки образца, что снижает производительность установки в целом.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является биореакторная установка, предложенная в [4]. Состоит установка из герметичной камеры, в которой расположена пластинка из кварцевого стекла для размещения угля и осветительных УФ ламп. В потоке кислорода под действием УФ излучения уголь окисляется, после чего в отдельной емкости окисленный пылевидный уголь подвергается воздействию бактерий. Через 8-14 дней центрифугированием отделяют гуминовую кислоту.

Недостатками данного технического решения являются двухстадийность процесса (окисление угля в одном реакторе, а микробная солюбилизация в другом); отсутствие контроля газовыделения как при предварительной обработке, так и при микробиологическом воздействии; невозможность создания анаэробной среды.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является моделирование условий для эффективного производства жидких и газообразных продуктов из углей микробиологическим воздействием. Предлагаемое техническое решение позволяет проводить исследовательские эксперименты по биогазификации и ожижению углесодержащих веществ, осуществлять разработку и технико-экономическое обоснование технологии биогазификации и ожижения, а также моделировать процессы, протекающие на отвалах углеобогатительных фабрик, где углесодержащие отходы подвергаются воздействию окружающей среды.

Данная задача решается за счет того, что заявленная установка для моделирования условий газификации и ожижения шламов углеобогащения и низкокачественных углей микробиологическим воздействием состоящая из термостатированного реактора, контура реакторных газов включающего циркуляционный насос, ресивер и гребенку для установки датчиков, отличающаяся тем, что позволяет непрерывно осуществлять предварительную обработку углесодержащих образцов УФ светом в потоке кислорода и последующее микробиологическое воздействие, заключающееся в биогазификации и/или солюбилизации в атмосфере, воздуха, кислорода, азота или инертного газа и при этом контролировать в реакторе температуру, влажность, состав атмосферы.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является биореакторная система, которая обеспечивает моделирование условий для эффективного производства жидких и газообразных продуктов из шламов углеобогащения и низкокачественных углей. При этом обеспечивается предварительная обработка, которая делает шламы углеобогащения и низкокачественные угли восприимчивыми к микробиологическому разложению.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена схема установки для моделирования условий деструкции шламов углеобогащения и низкокачественных углей микробиологическим воздействием.

Корпус реактора (1) выполнен из нержавеющей стали с двойными стенками (рубашка) для циркуляции теплоносителя. Рубашка реактора гибкими трубками соединена с лабораторным термостатом (16) объемом 10 л для поддержания заданной температуры в диапазоне от комнатной (20-25°С) до 100°С. В верхней крышке реактора сделано окно из кварцевого стекла (3), над которым размещена ртутная лампа (2) высокого давления мощностью 120 Вт. Внутри реактора расположены датчики влажности (4) и температуры (5). Датчик температуры выполнен в виде гибкой термопары в защитной оболочке. В боковых стенках реактора выполнены штуцеры для контура реакторных газов, включающий насос (6), гребенку (7), два клапана (8) и соединительные трубки. Впускной и выпускной клапаны (8) предназначены для продува всего контура реактора азотом, кислородом или воздухом. На гребенке размещены 6 штуцеров для подключения ресивера (9), клапана (8) и газовых сенсоров (10) для газообразных углеводородов (С_xН_y), метана (СН₄), диоксида углерода (СO₂), оксида углерода (СО), сероводорода (H₂S).

Работает устройство следующим образом: образец шлама (13) углеобогащения или низкокачественный уголь, измельченный до размеров менее 0,2 мм, в количестве 2 г помещается на слой хлопчатобумажного ватного диска (14) и размещается в стеклянной кювете (17) диаметром 3,5 см и высотой 3 см. На высоте 0,5 см от дна в кювету помещается полимерная сеточка (15). Кювета (17) реактора расположена внутри реактора.

На первом этапе камера реактора через клапаны (8) продувается током кислорода при включенной лампе (2) в течении времени от 30 мин до 8 ч. При этом в реакторе поддерживается постоянная температура в интервале от 30 до 100°С. Изменение времени и температуры при фотоокислении в потоке кислорода позволяет моделировать и определять оптимальные условия для биоизвлечения вторичных гуминовых кислот из шламов углеобогащения и низкокачественных углей. Также на этом этапе можно моделировать условия отвалов углеобогатительных фабрик, где шламы углеобогащения подвержены фото- и термической деструкции.

Второй этап начинается с установки в реакторе наиболее подходящей для культивирования используемых микроорганизмов температуры в интервале 20-40°С и продува камеры реактора кислородом, азотом, воздухом или инертным газом в зависимости от применяющегося консорциума микроорганизмов. Затем в кювету с образцом с помощью перистальтических насосов (11) подается питательный раствор и раствор, содержащий микроорганизмы из колб (12) с заданной скоростью от 0,1 до 1 мл/мин. Растворы подаются в объемах, необходимых для поддержания достаточной концентрации микроорганизмов, причем питательный раствор в последующем подается неоднократно. Одновременно контролируется состав атмосферы реактора и объем ресивера. Общее время второго этапа может варьироваться от 4 часов до 16 суток. На этом этапе подбираются условия, при которых максимален выход продуктов биогазификации и/или ожижения из шламов углеобогащения или низкокачественных углей. Количество выделяющегося биогаза определяют по его концентрации в контуре реактора и изменению объема ресивера (9).

По завершении второго этапа камеру реактора продувают воздухом, выключают термостат, насосы, датчики, контролирующие атмосферу, температуру и влажность в ректоре. Затем открывают верхнюю крышку (3) и извлекают кювету. Образец промывают водой, центрифугируют и полученный фугат анализируют на содержание гуминовых кислот.

При микробиологическом воздействии на отходы углеобогащения и низкокачественные угли установка позволяет варьировать: температуру, количество и состав питательных растворов, состав консорциума микроорганизмов. При этом контролируется температура в образце, состав выделяющихся газов, объем выделяющихся газов и количество гуминовых кислот перешедших в жидкую фазу.

Пример

Угольный шлам от обогащения угля марки «Ж» измельчают до размеров менее 0,2 мм. Навеску измельченного шлама в количестве 2 г помещают на слой хлопчатобумажного ватного диска (14), который размещают в стеклянной кювете (17).

На первом этапе происходит окисление шлама в токе кислорода под действием УФ света в течении 1 ч. Для этого камеру реактора через клапаны (8) продувают током кислорода при включенной лампе (2). При этом в реакторе поддерживается постоянная температура 60°С.

Во время второго этапа осуществляют продув камеры реактора воздухом в течении 5 мин.

Затем в кювету с образцом с помощью перистальтических насосов (11) подается питательный раствор (состава: сок картофеля - 20 масс. %, глюкоза - 2 масс. %, агар - масс. 2%, вода - 76 масс. %.) с раствором, содержащим микроорганизмы Penicillium simplicissimum F327 из колб (12) в объеме 1 мл с заданной скоростью 0,5 мл/мин. Выдерживают при температуре в реакторе 28°С в течении 1 часа.

По истечении указанного времени проводят повторную подачу раствора питательной среды - 0,2 мл. В последующие 9 часов с интервалом в 1 час подается еще по 0,2 мл раствора питательной среды до общего объема 2 мл. После чего в реакторе в течении 10 часов продолжают поддерживать температуру 28°С. Таким образом общее время биотрансформации составляет 20 часов.

По завершении второго этапа камеру реактора продувают воздухом, выключают термостат, насосы, датчики, контролирующие атмосферу, температуру и влажность в ректоре. Затем открывают верхнюю крышку (3) и извлекают кювету. Образец промывают в 50 мл дистиллированной воды, центрифугируют и полученный фугат анализируют на содержание гуминовых кислот. В сравнении с результатами определения гуминовых кислот по ГОСТ 9517-94 «Топливо твердое. Методы определения выхода гуминовых кислот» выход увеличивается в 1,2-2,5 раза.

Литература:

1. Патент CN 101786916: Bio-fertilizer produced by fermenting steel slag, vinegar residue and weathered coal through microbes and preparation method thereof

2. Патент CN 106405043: Device for coal-derived bio-methane and method thereof

3. Патент US 4,846,964: Fluidized-bed bioreactor process for the microbial solubiliztion of coal

4. Патент CN 101580851: Method for directionally transforming low-deterioration coal through photo-bio coupling