تجربة ضغط أحادية المحورمع CO 2-وإذ تضع الفحم باستخدام تصور وثابت الحجم الغاز الصلبة اقتران نظام اختبار
Summary
يوضح هذا البروتوكول كيفية إعداد عينة فحم حجري وإجراء تجربة ضغط أحادي المحور مع فحم حجري في ضغوط CO2 مختلفة باستخدام نظام اختبار اقتران الغاز الصلب ة ذات الحجم الثابت والمرئي والثابت. كما يهدف إلى التحقيق في التغيرات من حيث الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للفحم الناجمة عن امتصاص ثاني أكسيد الكربون.
Abstract
وحقن ثاني أكسيدالكربون (CO 2) في التماس فحم عميق له أهمية كبيرة في الحد من تركيز غازات الدفيئة في الغلاف الجوي وزيادة استعادة الميثان بالفحم. يتم إدخال نظام اقتران الغاز الصلبة ذات الحجم الثابت والمرئي والثابت هنا للتحقيق في تأثير امتصاص ثاني أكسيد الكربون على الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للفحم. القدرة على الحفاظ على حجم ثابت ورصد العينة باستخدام الكاميرا، وهذا النظام يوفر القدرة على تحسين دقة الصك وتحليل تطور الكسر مع طريقة الهندسة كسورية. توفر هذه الورقة جميع الخطوات لإجراء تجربة ضغط أحادي المحور مع عينة فحم حجري في مختلف ضغوط ثاني أكسيد الكربون مع نظام اختبار اقتران الغاز الصلبة. يتم تحميل فحم حجري، مضغوط الباردة من الفحم الخام والاسمنت هوميتالصوديوم، في ارتفاع ضغط CO 2، ويتم رصد سطحه في الوقت الحقيقي باستخدام الكاميرا. ومع ذلك، فإن التشابه بين فحم حجري والفحم الخام لا يزال يحتاج إلىتحسين، ولا يمكن حقن غاز قابل للاشتعال مثل الميثان (CH 4) للاختبار. وتظهر النتائج أن CO2 sorption يؤدي إلى ذروة القوة والحد من معامل مرنة من فحم حجري، وتطور كسر فحم حجري في حالة فشل يشير إلى خصائص كسورية. ترتبط كل من القوة، ومعامل مرن، والبعد كسوري مع ضغط CO2 ولكن ليس مع ارتباط خطي. يمكن أن يكون نظام اختبار اقتران الغاز الصلب ة والثابتة من تصوّر وثابت الحجم بمثابة منصة للبحوث التجريبية حول ميكانيكا الصخور مع النظر في تأثير اقتران متعدد الحقول.
Introduction
إن التركيز المتزايد لثاني أكسيد الكربونفي الغلاف الجوي عامل مباشر يسبب تأثير الاحترار العالمي. نظرا ً لقدرة الامتصاص القوية للفحم، يعتبر عزل ثاني أكسيد الكربون في التماس الفحم وسيلة عملية وصديقة للبيئة للحد من الانبعاثات العالمية لغازات الاحتباس الحراري1 و2و3. وفي الوقت نفسه، يمكن أن يحل ثاني أكسيد الكربون المحقون محل الميثان4 ويؤدي إلى تعزيز إنتاج الغاز في استعادة الميثان بالفحم (ECBM)4و5و6. وقد اجتذبت الآفاق الإيكولوجية والاقتصادية لعزل ثاني أكسيد الكربون مؤخرا ً اهتماماً عالمياً بين الباحثين، وكذلك بين مختلف المجموعات الدولية لحماية البيئة والوكالات الحكومية.
الفحم هو صخرة غير متجانسة، غير متجانسة هيكليا تتكون من المسام، والكسر، ومصفوفة الفحم. هيكل المسام لديه مساحة سطح ية كبيرة محددة، والتي يمكن أن تتنكم كمية كبيرة من الغاز، ولعب دورا حيويا في عزل الغاز، والكسر هو المسار الرئيسي لتدفق الغاز الحر7،8. هذا الهيكل المادي الفريد يؤدي إلى قدرة امتصاص الغاز كبيرة لCH4 وCO2. ويودع غاز المناجم في مفرش الفحم في أشكال قليلة: (1) ممتز على سطح المسام الدقيقة والمسام الأكبر؛ (2) الغازات الممتزة على سطح الجراثيم والمسام الأكبر حجماً؛ (3) الغازات الممتزة على سطح الجراثيم والمسام الأكبر حجماً؛ (3) الغازات الممتزة على سطح الجراثيم والمسام الأكبر حجماً؛ (3) الغازات الممتزة على (2) استيعابها في الهيكل الجزيئي للفحم؛ (3) كغاز حر في كسور والمسام أكبر. و (4) حل في مياه الودائع. سلوك امتصاص الفحم إلى CH4 وCO2 يسبب تورم المصفوفة، ودراسات أخرى تبين أنه عملية غير متجانسة ويرتبط بالكائنات الحجرية الفحم9،10،11. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي امتصاص الغاز إلى تلف في العلاقة التأسيسية للفحم12،13،14.
وتستخدم عينة الفحم الخام عموما في الفحم وCO2 تجارب اقتران. وعلى وجه التحديد، يتم قطع قطعة كبيرة من الفحم الخام من الوجه العامل في منجم للفحم لإعداد عينة. ومع ذلك، فإن الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للفحم الخام لا بد أن يكون لها درجة تشتت عالية بسبب التوزيع المكاني العشوائي للالمسام الطبيعية والكسور في التماس الفحم. وعلاوة على ذلك، فإن الفحم الحامل للغاز لين ويصعب إعادة تشكيله. وفقا لمبادئ الطريقة التجريبية المتعامدة ، ويعتبر فحم حجري ، الذي أعيد تشكيله مع مسحوق الفحم الخام والاسمنت ، كمادة مثالية تستخدم في اختبار امتصاص الفحم15،16. يجري الباردة الضغط مع يموت المعادن، يمكن أن تكون قوتها مسبقا وتبقى مستقرة عن طريق ضبط كمية من الاسمنت، مما يعود بالفائدة على التحليل المقارن للتأثير واحد متغير. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من أن المسامية من عينة فحم حجري هو ~ 4-10 مرات، أن من عينة الفحم الخام، وخصائص الامتزاز مماثلة وخصائص الامتصاص ومنحنى الإجهاد الإجهاد الإجهاد تم العثور عليها في البحوث التجريبية17،18 , 19 سنة , 20– وفي هذه الورقة، اعتُمد مخطط لمادة مماثلة للفحم الحامل للغاز لإعداد فحم حجري21. تم أخذ الفحم الخام من وجه العمل 4671B6 في منجم فحم شينتشوانغزي، هواينان، مقاطعة انهوى، الصين. يبلغ مستوى الفحم حوالي 450 مترًا تحت مستوى سطح الأرض و360 مترًا تحت مستوى سطح البحر، وينخفض عند حوالي 15 درجة وسمكًا يبلغ حوالي 1.6 متر. ارتفاع وقطر عينة فحم حجري هي 100 ملم و 50 ملم، على التوالي، وهو الحجم الموصى به الذي اقترحته الجمعية الدولية لميكانيكا الصخور (ISRM)22.
أجهزة اختبار التحميل أحادية المحور أو الثلاثي المحور السابقة لتجارب الفحم الحاملة للغاز في ظل الظروف المختبرية لديها بعض النقص والقيود، وقدمت كزملاء23،24،25،26 ،27،28: (1) خلال عملية التحميل ، ينخفض حجم السفينة مع تحرك المكبس ، مما تسبب في تقلبات في ضغط الغاز واضطرابات في امتصاص الغاز؛ (2) من الصعب إجراء رصد الصورة في الوقت الحقيقي للعينات، فضلا عن قياسات تشوه محيطي في بيئة ارتفاع ضغط الغاز؛ (3) وهي تقتصر على تحفيز اضطرابات الحمل الديناميكي على عينات محملة مسبقا لتحليل خصائص الاستجابة الميكانيكية. من أجل تحسين دقة الأداة والحصول على البيانات في حالة اقتران الغاز الصلبة، تم تطويرنظام اختبار تصور وثابت الحجم29 (الشكل 1)، بما في ذلك (1) سفينة تحميل تصور مع غرفة حجم ثابت، وهو العنصر الأساسي؛ (2) وحدة تعبئة الغاز مع قناة فراغ، قناتين ملء، وقناة الإفراج؛ (3) وحدة تحميل محورية تتكون من جهاز اختبار عالمي للأجهزة الكهربائية الهيدروليكية وكمبيوتر التحكم؛ (4) وحدة لاقتناء البيانات تتألف من جهاز لقياس الإزاحة المحيطة، وجهاز استشعار لضغط الغاز، وكاميرا عند نافذة سفينة التحميل المتصورة.
تم تصميم السفينةتصور الأساسية (الشكل 2) على وجه التحديد بحيث يتم إصلاح اثنين من اسطوانات ضبط على اللوحة العليا والمكابس الخاصة بهم تتحرك في وقت واحد مع تحميل واحد من خلال شعاع، والمنطقة المقطعية من مكبس التحميل يساوي مجموع ذلك من اسطوانات ضبط. يتدفق من خلال ثقب داخلي وأنابيب لينة، يتم توصيل الغاز الضغط العالي في السفينة والأسطوانتين. لذلك، عندما يتحرك المكبس تحميل السفينة إلى أسفل ويضغط الغاز، يمكن لهذا الهيكل تعويض التغير في الحجم والقضاء على تداخل الضغط. وبالإضافة إلى ذلك، يتم منع القوة المضادة الهائلة الناجمة عن الغاز التي تمارس على المكبس أثناء الاختبار، مما يحسن بشكل كبير من سلامة الأداة. وتوفر النوافذ، المجهزة بزجاج البورسليكات المقسى وتقع على ثلاثة جوانب من السفينة، طريقة مباشرة لالتقاط صورة للعينة. وقد تم اختبار هذا الزجاج بنجاح وثبت لمقاومة ما يصل إلى 10 MPa الغاز مع انخفاض معدل التوسع، وقوة عالية، ونفاذية الضوء، والاستقرار الكيميائي29.
تصف هذه الورقة الإجراء لإجراء تجربة ضغطأحادي المحور من ثاني أكسيد الكربون- تحمل الفحم مع نظام اختبار اقتران الغاز الصلبة الجديدة والثابتة الحجم، والذي يتضمن وصف جميع القطع التي تعد فحم حجري عينة باستخدام مسحوق الفحم الخام وهومات الصوديوم، فضلا عن الخطوات المتعاقبة لحقن الضغط العالي CO2 وإجراء ضغط أحادي المحور. يتم مراقبة عملية تشوه العينة بأكملها باستخدام كاميرا. ويوفر هذا النهج التجريبي طريقة بديلة لتحليل الضرر الناجم عن الامتزاز وتطور الكسور التي تتسم بها خصائص الفحم الحامل للغاز.
Protocol
Representative Results
Discussion
وبالنظر إلى خطر ارتفاع ضغط الغاز، فإن بعض الخطوات الحاسمة مهمة أثناء الاختبار. وينبغي فحص الصمامات وحلقات O واستبدالها بانتظام، ولا ينبغي السماح بأي مصدر للاشتعال في المختبر. عند استخدام صمام تنظيم الضغط اليدوي، يجب على المجرب التواء الصمام ببطء لجعل الضغط في السفينة تصور زيادة تدريجيا. ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعم هذا العمل المشروع الوطني الصيني لتطوير الأدوات العلمية الرئيسية (المنحة رقم 51427804) والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في مقاطعة شاندونغ (المنحة رقم. ZR2017MEE023).
Materials
| 3Y-Leica MPV-SP photometer microphotometric system | Leica,Germany | M090063016 | Used for vitrinite reflectance measurement |
| Automatic isotherm adsorption instrument | BeiShiDe Instrument Technology (Beijing)CO.,Ltd. | 3H-2000PH | Isothermal adsorption test |
| Electro hydraulic servo universal testing machine | Jinan Shidaishijin testing machine CO.,Ltd | WDW-100EIII | Used to provide axial pressure |
| Gas pressure sensor | Beijing Star Sensor Technology CO.,LTD | CYYZ11 | Gas pressure monitoring |
| Gas tank(carbon dioxide/helium) | Heifei Henglong Gas.,Ltd | Gas resource | |
| high-speed camera | Sony corporation | FDR-AX30 | Image monitoring |
| Incubator | Yuyao YuanDong Digital Instrument Factory | XGQ-2000 | Briquette drying |
| jaw crusher | Hebi Tianke Instrument CO.,Ltd | EP-2 | Coal grinding |
| Manual pressure reducing valve | Shanghai Saergen Instrument CO.,Ltd | R41 | Outlet gas pressure adjustment |
| Proximate Analyzer | Changsha Kaiyuan Instrument CO.,Ltd | 5E-MAG6700 | Coal industrial analysis |
| Resistance strain gauge | Jinan Sigmar Technology CO.,LTD | ASMB3-16/8 | Poisson ratio measurement |
| Sieve shaker (6,16mesh) | Hebi Tianguan Instrument CO.,Ltd | GZS-300 | Coal powder shelter |
| Soft pipe | Jinan Quanxing High pressure pipe CO.,Ltd | Inner diameter=5 mm maximal pressure=30 MPa |
|
| Standard rock sample circumferential deformation test apparatus | Huainan Qingda Machinery CO.,Ltd | Circumferential deformation acquisition |
|
| Strain controlled direct shear apparatus |
Beijing Aerospace Huayu Test Instrument CO.,LTD | ZJ-4A | Tensile strength, cohesion, internal friction angle measurement |
| Vaccum pump | Fujiwara,Japan | 750D | Used to vaccumize the vessel |
| Valve | Jiangsu Subei Valve Co.,Ltd | S4 NS-MG16-MF1 | Gas seal |
| Visual loading vessel | Huainan Qingda Machinery CO.,Ltd | Instrument for sample loading and real-time monitoring |
References
- Mazzotti, M., Pini, R., Storti, G. Enhanced coalbed methane recovery. Journal of Supercritical Fluids. 47 (3), 619-627 (2009).
- Litynski, J., et al. U.S. Department of Energy’s Regional Carbon Sequestration Partnership Program: Overview. Energy Procedia. 1 (1), 3959-3967 (2009).
- Lackner, K. S. A Guide to CO2 Sequestration. Science. 300 (5626), 1677-1678 (2015).
- Zhou, F. D., et al. A feasibility study of ECBM recovery and CO2, storage for a producing CBM field in Southeast Qinshui Basin, China. International Journal of Greenhouse Gas Control. 19 (19), 26-40 (2013).
- Zhou, F., Hussain, F., Cinar, Y. Injecting pure N2 and CO2 to coal for enhanced coalbed methane: Experimental observations and numerical simulation. International Journal of Coal Geology. 116 (5), 53-62 (2013).
- Pini, R., Ottiger, S., Storti, G., Mazzotti, M. Pure and competitive adsorption of CO2, CH4 and N2 on coal for ECBM. Energy Procedia. 1 (1), 1705-1710 (2009).
- Nie, B. S., Li, X. C., Cui, Y. J., Lu, H. Q. . Theory and application of gas migration in coal seam. , (2014).
- Scott, A. R., Mastalerz, M., Glikson, M., Golding, S. D. Improving coal gas recovery with microbially enhanced coalbed methane. Coalbed Methane: Scientific, Environmental and Economic Evaluation. , 89-110 (1999).
- Gorucu, F., et al. Effects of matrix shrinkage and swelling on the economics of enhanced-coalbed-methane production and CO2 sequestration in coal. Spe Reservoir Evaluation Engineering. 10 (4), 382-392 (2007).
- Liu, S. M., Wang, Y., Harpalani, S. Anisotropy characteristics of coal shrinkage/swelling and its impact on coal permeability evolution with CO2 injection. Greenhouse Gases Science & Technology. 6 (5), 615-632 (2016).
- Larsen, J. W. The effects of dissolved CO2, on coal structure and properties. International Journal of Coal Geology. 57 (1), 63-70 (2004).
- Mastalerz, M., Gluskoter, H., Rupp, J. Carbon dioxide and methane sorption in high volatile bituminous coals from Indiana, USA. International Journal of Coal Geology. 60 (1), 43-55 (2004).
- Li, X. C., Nie, B. S., He, X. Q., Zhang, X., Yang, T. Influence of gas adsorption on coal body. Journal of China Coal Society. 36 (12), 2035-2038 (2011).
- Du, Q. H., Liu, X. L., Wang, E. Z., Wang, S. J. Strength Reduction of Coal Pillar after CO2 Sequestration in Abandoned Coal Mines. Minerals. 7 (2), 26-41 (2017).
- Zhao, B., et al. Similarity criteria and coal-like material in coal and gas outburst physical simulation. International Journal of Coal Science and Technology. 5 (2), 167-178 (2018).
- Xu, J., Ye, G. -. b., Li, B. -. b., Cao, J., Zhang, M. Experimental study of mechanical and permeability characteristics of moulded coals with different binder ratios. Rock and Soil Mechanics. 36 (1), 104-110 (2015).
- Barbara, D., et al. Balance of CO2/CH4 exchange sorption in a coal briquette. Fuel Processing Technology. 106 (2), 95-101 (2013).
- Benk, A., Coban, A. Molasses and air blown coal tar pitch binders for the production of metallurgical quality formed coke from anthracite fines or coke breeze. Fuel Processing Technology. 92 (5), 1078-1086 (2011).
- Zhao, H. B., Yin, G. Z. Study of acoustic emission characteristics and damage equation of coal containing gas. Rock and Soil Mechanics. 32 (3), 667-671 (2011).
- Cao, S. G., Li, Y., Guo, P., Bai, Y. J., Liu, Y. B. Comparative research on permeability characteristics in complete stress-strain process of briquette and coal samples. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 29 (5), 899-906 (2010).
- Wang, H. P., et al. Development of a similar material for methane-bearing coal and its application to outburst experiment. Rock and Soil Mechanics. 36 (6), 1676-1682 (2015).
- Ulusay, R. . The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007-2014. , (2015).
- Ranathunga, A. S., Perera, M. S. A., Ranjith, P. G. Influence of CO2 adsorption on the strength and elastic modulus of low rank Australian coal under confining pressure. International Journal of Coal Geology. 167, 148-156 (2016).
- Ranjith, P. G., Perera, M. S. A. Effects of cleat performance on strength reduction of coal in CO2, sequestration. Energy. 45 (1), 1069-1075 (2012).
- Masoudian, M. S., Airey, D. W., El-Zein, A. Experimental investigations on the effect of CO2, on mechanics of coal. International Journal of Coal Geology. 128 (3), 12-23 (2014).
- Wang, S. G., Elsworth, D., Liu, J. S. Rapid decompression and desorption induced energetic failure in coal. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 7 (3), 345-350 (2015).
- Hadi Mosleh, M., Turner, M., Sedighi, M., Vardon, P. J. Carbon dioxide flow and interactions in a high rank coal: Permeability evolution and reversibility of reactive processes. International Journal of Greenhouse Gas Control. 70, 57-67 (2018).
- Abhijit, M., Harpalani, S., Liu, S. M. Laboratory measurement and modeling of coal permeability with continued methane production: Part 1 – Laboratory results. Fuel. 94 (1), 110-116 (2012).
- Li, Q. C., et al. Development and application of a gas-solid coupling test system in the visualized and constant volume loading state. Journal of China University of Mining & Technology. 47 (1), 104-112 (2018).
- Allen, T. . Particle Size Measure. , (1984).
- Wang, H. P., et al. Coal and gas outburst simulation system based on CRISO model. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 34 (11), 2301-2308 (2015).
- Zhang, Q. H., et al. Exploration of similar gas like methane in physical simulation test of coal and gas outburst. Rock and Soil Mechanics. 38 (2), 479-486 (2017).
- Xia, G. Z. . Study on density and refractive index of near-critical fluid. , (2009).
- Ruppel, T. C., Grein, C. T., Bienstock, D. Adsorption of methane on dry coal at elevated pressure. Fuel. 53 (3), 152-162 (1974).
- Ranjith, P. G., Jasinge, D., Choi, S. K., Mehic, M., Shannon, B. The effect of CO2 saturation on mechanical properties of Australian black coal using acoustic emission. Fuel. 89 (8), 2110-2117 (2010).
- Viete, D. R., Ranjith, P. G. The effect of CO2, on the geomechanical and permeability behaviour of brown coal: Implications for coal seam CO2 sequestration. International Journal of Coal Geology. 66 (3), 204-216 (2006).
- Jiang, Y. D., Zhu, J., Zhao, Y. X., Liu, J. H., Wang, H. W. Constitutive equations of coal containing methane based on mixture theory. Journal of China Coal Society. 32 (11), 1132-1137 (2007).
- Xie, H. P., Gao, F., Zhou, H. W., Zuo, J. P. Fractal fracture and fragmentation in rocks. Journal of Seismology. 23 (4), 1-9 (2003).
- Miao, T. J., Yu, B. M., Duan, Y. G., Fang, Q. T. A fractal analysis of permeability for fractured rocks. International Journal of Heat & Mass Transfer. 81 (81), 75-80 (2015).
- Liu, R. C., Jiang, Y. J., Li, B., Wang, X. S. A fractal model for characterizing fluid flow in fractured rock masses based on randomly distributed rock fracture networks. Computers & Geotechnics. 65, 45-55 (2015).
- Pan, J. N., et al. Micro-pores and fractures of coals analysed by field emission scanning electron microscopy and fractal theory. Fuel. 164, 277-285 (2016).
