1、微生物作用对煤组分及结构的影响规律研究摘 要 微生物增产煤层气作为煤层气研究重点，以被研究者们大量研究，但对微生物作用后生物甲烷以及煤层组分结构的研究并不是很广泛，为了更加深入的研究，亟需形成微生物与煤层作用过程前后代谢产物及煤组分和结构检测评价方法，为微生物增产煤层气技术研究提供技术支持。因此本论文采用气相色谱与标准曲线法，对微生物代谢产物进行处理分析；采用傅立叶变换红外光谱法分析了微生物作用前后煤组分的变化；X射线衍射等方法对微生物作用前后煤结构变化进行检测分析。从三个方面开展微生物增产煤层气研究，以进一步探索微生物对煤组分和结构的影响。结果表明，煤在微生物作用后产生以甲烷为主的生物气，生
2、物甲烷代谢促使煤中大分子的官能团或侧链脱落，从而致使C含量降低，孔隙率增大，实现了生物增透。关键词：生物成因煤层气；煤组分；煤结构；孔隙率AbstractMicrobial yield CBM as a research priorities in CBM, its has been studied by a varity of researchers, but the study of biogenic methane after action of microorganisms and the study of coal seam component structure is not ve
3、ry wide, in order to more in-depth research , urgent need for the formation of evaluation and detect methods that metabolites and coal composition and structure cross-reference of microorganisms and seam, for provide technical support for Microbial yield CBM technology. Therefore, this paper adopt g
4、as chromatography，standard calibration curve method，fourier transform infrared spectrometry，x-ray diffraction method and other methods to carry out three studies of Microbial yield CBM. To further explore the impact of microbial for coal composition and structure. The results showed that, after the
5、microorganisms coal will produce the biogas of methane-based. Biomethane metabolic urge coal macromolecular functional group or a side chain off, content of C decreased, and the porosity increases achieved biological antireflection. Keywords：biogenic coal-bed methane;coal composition;coal structure；
6、porosity目 录第1章 前言11.1微生物增产煤层气概述11.2国内外煤层气研究及开采利用概况21.2.1国内概况21.2.2国外概况31.3微生物增产煤层气机理31.3.1微生物与煤作用过程中相关微生物群落及其功能41.3.2 微生物对煤组分和结构的影响51.4本论文的研究背景及研究内容6第2章 实验方法72.1生物甲烷代谢检测72.2生物气对煤样组分影响的检测82.2.1 煤样元素分析82.2.2 煤样官能团分析112.3微生物对煤样结构影响的检测122.3.1 煤样微晶结构的X射线衍射分析122.3.2 煤样孔隙率分析13第3章 结果与讨论153.1生物甲烷代谢检测分析153.2微
7、生物对煤组分的影响规律分析183.2.1微生物对煤元素的影响规律分析193.2.2微生物对煤官能团的影响规律分析203.3微生物对煤结构的影响规律分析233.3.1微生物对煤孔隙率的影响规律分析243.3.2微生物对煤微晶结构的影响规律分析24第4章 结论26致谢27参考文献28第1章 前言第1章 前言煤层气（coal bed methane,CBM），即为gas也就是我们生活中的瓦斯，一般吸附或者游离在煤层中，是煤的伴生矿产资源。它以甲烷为主要成分，是一种自生自储的非常规天然气。因为煤层气洁净、能源性质优质，近一二十年在国际上迅速崛起。我国是煤炭资源大国,煤层气储量非常丰富，位居世界第三。采
8、煤的同时会有煤层气的排放，每年在采煤期间排放的煤层气在130亿立方米以上。合理抽取排放的煤层气理论上可以达到35亿立方米左右，除掉现在已经利用的部分，每年仍然有30亿立方米左右的剩余煤层气，加上地面钻井开采出来的50亿立方米煤层气，可以利用的总量达到了80亿立方米，折合约标煤1000万吨。如过将这些煤层气用来发电，每年可发电将近300亿千瓦时，这个数字是非常可观的。在我国，煤储量在1000亿m3以上的矿区有：晋城、离柳、韩城、阳泉、淮南、盘江、淮北等。储量在一百至数百亿立方米的矿区更是丰富。在当今能源紧缺和环境污染严重的前提下，煤层气作为一类非常规天然气，越来越受到人们的重视。煤层气产业的发展
9、，能够改善能源供给结构，有效缓解化石能源供应不足的能源危机。传统观点认为煤层甲烷多由高温热解产生，但是根据甲烷的同位素特征来判断，世界很多地方（包括我国鄂尔多斯、淮南等地）的煤层气多属生物成因或者生物和热成因混合。矿井中，煤层气的来源主要有四种：（1）从采落下来的煤中释放；（2）从采掘工作面煤壁内释放（3）煤巷两帮及顶底板释放；（4）从采空区及围岩煤壁释放。 1.1 微生物增产煤层气概述MECoM即微生物增产煤层气，该项技术在很多国家都进行过生产试验，基于在煤层中注入多种菌群和不同营养物质，使得煤层中甲烷气的含量增加，同时储层的渗透性在微生物的运动下得到增强，使得煤矿开采更加便利。在大量研究者
10、多年努力研究下，可以证明一点，那就是微生物菌群确实能够将煤转化为甲烷。 在看到成功实验的情况下，世界上许多产煤大国纷纷加入到煤层气开发利用当中，美国最早实现了煤层气的大规模商业化开发。我国煤层气的井下抽采和地面开采利用也非常活跃，煤层气产量逐年增大。目前中国及国外采取增产煤层气的技术主要有: 水力压裂改造技术、煤中多元气体驱替技术、定向羽状水平钻井技术等。1.2 国内外煤层气研究及开采利用概况世界上一些主要产煤国家自20 世纪70 年代以来,纷纷涉足微生物增产煤层气领域,目前， 美国，加拿大，澳大利亚、俄罗斯和中国等国家，是世界上开展煤层气勘探开发的主要国家。其中美国是在商业化勘探开发中最成功
11、的案例,取得了卓越的成就。一举成为全球煤层气产量最高的国家。煤层气研究领域的主要方面包括微生物增产煤层气的理论途径及国内外开采利用方面等，而针对微生物降解煤的途径等研究主要建立在实验室模拟产气过程。1.2.1 国内概况国内研究学者对微生物对煤的生物降解研究关注较多，并在该方面的研究中硕果累累。其中，林海课题组采集了厌氧污泥中的产甲烷菌群，并以煤为营养物质，让煤提供碳元素，驯化了采集的菌群。他们经过实验证实产甲烷菌群可以利用复杂有机物降解后的产甲烷底物（在1.3中会详细介绍）产生理想的煤层气气体甲烷 1-2。苏现波课题组则对微生物降解煤产甲烷过程，进行了一系列关于影响微生物甲烷生成因素的模拟实验
12、研究。他们发现煤的生物甲烷生成受到盐度、pH 和氧化还原电位的影响3-4。此外，苏现波课题组的研究证实了，微生物作用后的煤中C 含量减少，H 和O 的含量增加5。另外，王爱宽等人从褐煤中采集得到了厌氧微生物菌群，模拟生物气生成实验，实验证实采集的菌群能够降解褐煤产生甲烷6-8。在我国煤层气开采利用在2005年逐步进入到了大规模商业化中。早在新中国成立初期我国对于煤炭开采瓦斯开发还处于抽放阶段，这一阶段一直延续到20世纪90年代末，这表明在很长的一段时间中，我国对于煤矿产资源的开发利用一直处于科技化落后，产业化不完善，商业化不健全，环境保护不具备的情况下。之后，在20世纪90年代初至2005年这
13、期间，开始开发探索地表煤层气。但近日，云集着大大小小几百家煤矿的煤城鄂尔多斯，正面临着一半煤矿停产的空前的焦虑。关于煤矿市场的趋势，值得大家关注。1.2.2国外概况国外研究学者相比于国内实验室模拟实验，则着眼于将微生物实际应用于微生物增产煤层气产业当中。Green 等人研究了粉河盆地煤层气田，他们研究发现，产甲烷速率随着温度的升高而提高；培养液pH 降低也有效产提高了甲烷速率；同时颗粒煤粒粒径越小，产甲烷速率越高9。Harris等也研究了粉河盆地，另外增加了Fort Yukon 地区的煤样讲解产微生物实验对比，他们得出结论，煤中的有效产甲烷底物和不同微生物菌群之间是存在竞争的，同时产甲烷底物和
14、微生物菌群是煤层产甲烷的两大影响因素10。粉河盆地被很多科学家所热爱，nal等也来这里采集了产甲烷菌群，他们区别于上两位研究团队，主要针对8 种微量元素(Fe、Ni、Co、Mo、Zn、Mn、B和Cu)对产甲烷的影响。他们发现适当微量元素能够促进煤层气产出甲烷11。Fallgren等证实了，特殊营养物质可以激活本来存在在褐煤中的多种微生物，从而自行产生甲烷气体12。Gupta 等采集了矿井水中的微生物群落；同时分析了影响矿井水中微生物降解煤的因素，得出最适合微生物降解的pH值、煤粒度和微生物生长存活温度13。国外在煤层气开采利用上，仅有美国、加拿大、澳大利亚三个国家进入到工业化规模生产，像德国、
15、英国等国家因地理因素、矿产资源等原因仍旧处于基础研究阶段，矿产资源丰富的俄罗斯也处于基础研究阶段，煤层气开发进展很缓慢。1.3微生物增产煤层气机理微生物增产煤层气是指微生物注入煤层，与煤层作用降解煤层，从而将煤转化为甲烷气。煤是复杂碳水化合物，包含C、N、O、S等元素。因为煤具有以上特性且是以芳香族和木质素衍生的杂环大分子化合物，所以它能为微生物生长提供优渥环境和微生物作用产甲烷过程中所需要的营养物质。因此，煤是非常好的产甲烷本源。目前，国际上普遍采用微生物降解复杂有机物产甲烷的代谢模型。该模型将煤的生物降解产甲烷过程分为三个步骤，（1）第一步：复杂有机物（本文中即为华北油田提供煤样）首先被发酵、分解，成为脂肪酸、有机酸、醇类等化合物；（2）然后脂肪酸、有机酸、醇类等这些物质作为中间代谢产物被进一步降解，形成产甲烷底物，如CO2、H2、-COOH等，为后一步做准备，到此复杂有机物已降解成简单有机物；（3）最后产甲烷菌利用上一步产生的底物产出甲烷（图1-1）。图1-1 煤的生物降解过程及中间产物由此可以看出，由单一微生物不可能实现煤的厌氧生物降解，没得生物降解需要不同代谢功能的多种微生物菌群相互配合共同完成。1.3.1微生物与煤作用过程中相关微生物群落及其功能微生物与煤反应，使煤转化成甲烷的过程需要
