通过ReaxFF分子动力学和动力学数值模拟，深入研究了氨/二甲氧基甲烷的共燃特性及氮氧化物（NOx）排放情况

《Fuel》：Insights into the co-combustion properties and NOx emissions of ammonia/dimethoxymethane via ReaxFF molecular dynamics and kinetic numerical simulations

该研究通过现场监测与实验室动态厌氧消化模拟，发现低硫煤层气排水中硫酸盐还原菌通过代谢地下水硫酸盐生成H2S，最佳产量条件需与菌代谢周期匹配。

　　在新疆南部准噶尔盆地的福康区块，煤层气（CBM）的开发具有重要的经济和能源意义。然而，在煤层气开采过程中，尤其是在中后期阶段，氢硫化物（H?S）的浓度异常升高，这一现象给开采安全和环境带来了重大挑战。通常情况下，煤层气中的硫含量较低，但H?S的高浓度出现却无法用传统的热成因或生物成因机制来解释。因此，深入研究H?S的形成机制显得尤为必要。

为了探究这一异常现象的成因，研究人员对CBM井CSD-05进行了长期现场监测，并设计了一个实验室尺度的动态厌氧消化系统，模拟不同速率的H?S补充过程。研究发现，在煤层气开采过程中，地下水持续将营养物质和硫酸盐离子输送至煤层中。在动态厌氧条件下，硫酸盐还原菌（如Desulfobulbus、Desulfomicrobium）利用由产酸菌（如Pseudomonas、Romboutsia）或甲烷生成菌提供的乙酸或甲烷作为电子供体，将地下水中的硫酸盐还原为H?S。H?S的生成达到峰值时，地下水补充速率、煤层气开采速率以及硫酸盐还原菌的代谢周期三者之间形成了最佳匹配。

现场监测与实验室模拟结果表明，这些因素之间存在协同作用，对H?S的生成产生显著影响。例如，当现场每日的水产量保持在约6立方米/天时，充足的营养物质和硫酸盐供应促使硫酸盐还原菌的数量增加，从而使得H?S的浓度高达641 ppm。而在实验室模拟中，当煤层水的流速为0.05 mL/min时，H?S的累积产量达到了12.24 mL/g。相比之下，当营养物质和硫酸盐的供应不足或中断时，H?S的浓度会下降至25 ppm或0 ppm。如果补充速率过快，外部的补给速率超过了细菌群落的生长和代谢速率，H?S的累积产量也会下降至5.9 mL/g。研究结果表明，当发酵系统的液体补给和排水速率每两周进行调整，与硫酸盐还原菌的代谢周期精确匹配时，可以实现H?S的最大生成。

在研究过程中，现场监测和实验室模拟相互结合，为H?S生成机制提供了更加全面的理解。现场监测数据显示，福康区块的煤层气资源丰富，估算储量高达4.5×101?立方米，表明其具备良好的商业开发潜力。自2008年开始，福康区块的煤层气开发逐步推进，到2022年，年产量已达到4.3×10?立方米。以CS子区块的井为例，早期勘探测试表明，煤层气含量范围在6.46至17立方米/吨之间，平均为13.64立方米/吨。然而，CBM中的H?S含量却在开采中后期显著升高，这一现象在传统理论中难以解释，凸显了对H?S形成机制进行深入研究的必要性。

研究团队通过实验室模拟，进一步验证了H?S生成的动态过程。在模拟系统中，研究人员使用福康区块的煤作为碳源，以及原生煤层水作为细菌和厌氧消化液，以研究不同排水速率对H?S生成的影响。实验结果表明，在最佳排水速率条件下，发酵液的光学密度（OD???）在第3至12天迅速上升，达到峰值。微生物数量也在此期间达到最高值，为4.5×10?个/mL。整个消化系统的气体生成过程持续了33天，期间H?S的生成呈现出明显的动态变化。

在H?S生成的控制因素方面，研究人员对CSD-05井的监测显示，当泵在第2736天停止运行，导致气体和水的输出中断时，营养物质的供应也随之终止，H?S的生成过程也随之停止。排水恢复后，特别是在第2741至2750天的初期阶段，地下水的供应不足，导致H?S的浓度较低，这主要是由于营养物质和硫酸盐还原菌（如Desulfomicrobium）的供应有限。这一发现进一步说明了H?S生成与地下水补给速率之间的紧密联系。

此外，研究还发现，H?S的生成不仅受到地下水补给和排水速率的影响，还与微生物群落的动态变化密切相关。在实验室模拟中，当排水速率处于某个特定范围时，微生物群落的结构和功能会呈现出最佳状态，从而促进H?S的高效生成。这一现象表明，H?S的生成并非一个静态过程，而是在多种因素的共同作用下动态变化的。因此，研究团队提出了“表生生物成因H?S”的新概念，以描述这一动态生成机制。

从实际应用角度来看，这一研究成果对于煤层气开发具有重要意义。首先，它为煤层气开采过程中H?S的控制提供了理论依据。通过对H?S生成机制的深入理解，可以优化排水策略，减少H?S的生成，从而降低对开采设备的腐蚀风险。其次，这一机制的发现有助于提高煤层气开采的安全性。H?S的高浓度不仅对设备造成损害，还对工作人员的健康构成威胁。因此，了解H?S的生成过程，可以为制定有效的脱硫措施提供支持。

此外，研究还揭示了H?S生成与煤层气开采过程之间的复杂关系。在某些情况下，H?S的生成与煤层气的开采速率呈正相关，而在其他情况下，两者之间的关系则可能变得不显著。这种变化可能与地下水的补给速率、微生物群落的动态变化以及有机物质的分解速率等因素有关。因此，研究团队建议在煤层气开采过程中，应综合考虑这些因素，以实现对H?S的精确控制。

从环境角度来看，H?S的生成不仅影响煤层气开采的安全性，还可能对周围生态系统产生潜在影响。H?S是一种具有强烈刺激性气味的气体，其高浓度可能对空气质量和水体环境造成污染。因此，了解H?S的生成机制，有助于制定更加环保的开采策略，减少对环境的负面影响。

在技术层面，研究团队采用了一系列先进的实验方法和监测技术，以确保研究结果的准确性和可靠性。这些方法包括动态厌氧消化实验、微生物群落分析、气体产量监测等。通过这些实验，研究人员能够全面了解H?S生成的动态过程，以及影响这一过程的关键因素。这些技术手段的应用，为后续研究提供了重要的参考价值。

总的来说，这一研究不仅揭示了H?S生成的动态机制，还为煤层气开发提供了重要的理论支持和实践指导。通过结合现场监测和实验室模拟，研究人员能够更全面地理解H?S的生成过程，并为制定有效的脱硫措施和优化开采策略提供依据。这些成果对于提高煤层气开发的安全性和经济性，以及减少对环境的负面影响具有重要意义。未来，随着研究的深入，有望进一步优化H?S的控制方法，为煤层气的可持续开发提供更加坚实的科学基础。