Et Uniaxial kompressions eksperiment med CO2-bærende kul ved hjælp af et visualiseret og konstant volumen gas-solid kobling test system

Summary

Denne protokol demonstrerer, hvordan man forbereder en briket prøve og gennemfører et anbragt kompressions eksperiment med et briket i forskellige co₂ -tryk ved hjælp af et visualiseret og konstant volumen gas-solid koblings testsystem. Det har også til formål at undersøge ændringer i form af kul fysiske og mekaniske egenskaber induceret af CO₂ adsorption.

Abstract

Indsprøjtning af kuldioxid (CO₂) i en dyb kulsøm er af stor betydning for at reducere koncentrationen af drivhusgasser i atmosfæren og øge genopretningen af kulfiber metan. En visualiseret og konstant volumen gas-solid kobling system introduceres her for at undersøge indflydelsen af CO₂ sorption på de fysiske og mekaniske egenskaber af kul. At være i stand til at holde en konstant volumen og overvåge prøven ved hjælp af et kamera, dette system tilbyder potentialet til at forbedre instrumentets nøjagtighed og analysere fraktur Evolution med en fraktal geometri metode. Dette papir indeholder alle trin til at udføre et anbragt kompressions eksperiment med en briket prøve i forskellige co₂ -tryk med gassolid koblings testsystem. Et Briquette, koldpresset af rå kul og natrium humat cement, er indlæst i højtryks-CO₂, og dets overflade overvåges i realtid ved hjælp af et kamera. Men ligheden mellem briket og råkul skal stadig forbedres, og en brændbar gas som methan (Kap.₄) kan ikke injiceres til testen. Resultaterne viser, at co₂ sorption fører til spids styrke og elastisk modulus reduktion af briket, og fraktur udviklingen af briket i en fejltilstand indikerer fraktal egenskaber. Styrken, elastisk modulus, og fraktal dimension er alle korreleret med CO₂ tryk, men ikke med en lineær korrelation. Den visualiserede og konstant volumen gas-solid kobling testsystem kan tjene som en platform for eksperimentel forskning om rock mekanik i betragtning af multi Field Koblingseffekt.

Introduction

Den stigende koncentration af CO₂ i atmosfæren er en direkte faktor, der forårsager den globale opvarmning effekt. På grund af kuls stærke sorptionskapacitet betragtes CO₂ -binding i en kulsøm som et praktisk og miljøvenligt middel til at reducere den globale emission af drivhusgasser^1,2,3. Samtidig kan den injicerede Co₂ erstatte ch₄ og resultere i gasproduktion fremme i coalbed methan Recovery (ecbm)^4,5,6. De økologiske og økonomiske udsigter for CO₂ -binding har for nylig tiltrukket verdensomspændende opmærksomhed blandt forskere, såvel som blandt forskellige internationale miljøbeskyttelsesgrupper og statslige organer.

Kul er en heterogen, strukturelt Anisotropisk klippe bestående af en pore, fraktur, og kul matrix. Pore strukturen har et stort specifikt overfladeareal, som kan adsorbe en stor mængde gas, spille en afgørende rolle i gasbinding, og frakturen er den vigtigste vej til fri gasflow^7,8. Denne unikke fysiske struktur fører til en stor gasadsorptions kapacitet for CH₄ og co₂. Mine gassen deponeres i et par former: (1) adsorbet på overfladen af mikroporer og større porer; (2) absorberet i den kulmolekylære struktur; (3) som fri gas i frakturer og større porer; og (4) opløst i deponerings vand. Sorption opførsel af kul til ch₄ og co₂ forårsager matrix hævelse, og yderligere undersøgelser viser, at det er en heterogen proces og er relateret til kul litotyperne^9,10,11. Desuden kan gas sorption resultere i skade i konstitutiv forholdet af kul^12,13,14.

Råstenkuls prøven anvendes almindeligvis i forsøg med kul og CO₂ -kobling. Konkret skæres et stort stykke råkul fra arbejds ansigtet i en kulmine for at forberede en prøve. Men de fysiske og mekaniske egenskaber af råkul uundgåeligt har en høj dispersion grad på grund af den tilfældige rumlige fordeling af naturligt porer og frakturer i en kulsøm. Desuden er det gasbærende kul blødt og vanskeligt at blive omformet. Ifølge principperne i den ortogonale eksperimentelle metode, er Briquette, som er rekonstitueret med rå kul pulver og cement, betragtes som et ideelt materiale, der anvendes i kul sorption test^15,16. At være koldpresset med metal dør, kan dens styrke være forudindstillet og forbliver stabil ved at justere mængden af cement, hvilket gavner den komparative analyse af den enkelt variable effekt. Selv om porøsitet af briket prøven er ~ 4-10 gange, at af råkuls prøven, lignende adsorptions-og desorptionskarakteristika og stress-stamme kurve er blevet fundet i den eksperimentelle forskning^{17,18 , 19 , 20}. i dette dokument er der vedtaget en ordning med et lignende materiale til gasbærende kul for at forberede briket²¹. Den rå kul blev taget fra 4671B6 arbejder ansigt i Xinzhuangzi kulmine, Huainan, Anhui-provinsen, Kina. Kulsømmen er ca. 450 m under jordoverfladen og 360 m under havets overflade, og den neddypper på ca. 15 ° og er ca. 1,6 m i tykkelse. Højden og diameteren af briket prøven er henholdsvis 100 mm og 50 mm, hvilket er den anbefalede størrelse foreslået af international Society for rock Mechanics (isrm)²².

De tidligere uniaksiale eller triaksiale belastningstest instrumenter til gasbærende kul eksperimenter under laboratorieforhold har nogle mangler og begrænsninger, præsenteret som Fellows^{23,24,25,26 ,27,28}: (1) under lastningen aftager fartøjets volumen med det bevægende stempel, hvilket medfører udsving i gastrygtrykket og forstyrrelser i gassorptionen; (2) det er vanskeligt at foretage realtidsovervågningen af prøverne samt de omskårne deformations målinger i et højt gastryks miljø; (3) de er begrænset til stimulering af dynamiske belastnings forstyrrelser på forudindlæste prøver for at analysere deres mekaniske respons egenskaber. For at forbedre instrumentets præcision og dataindsamlingen i den gasfaste koblingstilstand er der udviklet et visualiseret og konstant volumen testsystem²⁹ (figur 1), herunder (1) et visualiseret læsse fartøj med en konstant volumen kammer, som er kernen komponent; 2) et gaspåfyldnings modul med en vakuum kanal, to påfyldnings kanaler og en frigørende kanal (3) et aksial læsse modul bestående af en elektrohydraulisk servo Universal test maskine og kontrol computer; (4) et dataindsamlings modul bestående af et måleapparat for forskydning af fordrivelse, en gastryks sensor og et kamera ved vinduet på det visualiserede læsse fartøj.

Det grundlæggende visualiserede fartøj (figur 2) er specielt konstrueret således, at to justerings cylindre er fastgjort på den øverste plade, og deres stempler bevæger sig samtidig med lastning en gennem en stråle, og det tværsnitsareal af lastning stempel er lig med den summen af justerings cylindrene. Flyder gennem et indre hul og bløde rør, er højtryks gassen i beholderen og de to cylindre tilsluttet. Derfor, når skibet-lastning stempel bevæger sig nedad og komprimerer gassen, denne struktur kan udligne ændringen i volumen og eliminere tryk interferens. Desuden forhindres den enorme gasinducerede kontra styrke, der udøver stemplet, under testen, hvilket væsentligt forbedrer instrumentets sikkerhed. Vinduerne, der er udstyret med hærdet borosilikat glas og beliggende på tre sider af fartøjet, giver en direkte måde at tage et fotografi af prøven. Dette glas er blevet testet med succes og har vist sig at modstå op til 10 MPa gas med en lav ekspansions hastighed, høj styrke, lystransmission og kemisk stabilitet²⁹.

Dette papir beskriver proceduren til at udføre et anbragt komprimerings eksperiment af co₂-bærende kul med den nye visualiserede og konstant volumen gas-solid kobling testsystem, som omfatter beskrivelsen af alle stykker, der forbereder en briket prøve ved hjælp af rå kulpulver og natrium humat, samt de efterfølgende trin til injektion af højtryks-CO₂ og udføre uniaksial kompression. Hele prøven deformation proces overvåges ved hjælp af et kamera. Denne eksperimentelle tilgang tilbyder en alternativ måde at kvantitivt analysere adsorptions induceret skade og fraktur Evolution karakteristisk for gas-bærende kul.

Protocol

1. forberedelse af prøver Saml rå kul blokke fra 4671B6 arbejder ansigt fra Xinzhuangzi kulminen. Bemærk, at på grund af den lave styrke og løshed af strukturen, er råkul brudt og sandsynligvis blandet med urenheder. For at undgå indflydelse af disse interne og eksterne faktorer, samt reducere inhomogeniteten af kul så meget som muligt, skal du vælge store kul blokke (ca. 15 cm lang, 10 cm bred, og 10 cm høj). Brug en pincet til at fjerne urenheder blandet i kul og skrubbe kammeret med absor…

Representative Results

Den gennemsnitlige masse af briket prøven var 230 g. afhængigt af den industrielle analyse udviste briket et fugtindhold på 4,52% og et askeindhold på 15,52%. Desuden var det flygtige indhold ca. 31,24%. Da natrium humat blev udvundet fra kul, var komponenterne i briket magen til råkul. De fysiske egenskaber vises i tabel 2. Sammenligningen af de mekaniske egenskaber mellem råkul og briket er vist i <stron…

Discussion

I betragtning af faren for højtryks gas, nogle kritiske trin er vigtige under testen. Ventilerne og O-ringene skal inspiceres og udskiftes regelmæssigt, og enhver antændelseskilde bør ikke være tilladt i laboratoriet. Når du bruger den manuelle trykreguleringsventil, skal eksperimententer dreje ventilen langsomt for at få trykket i det visualiserede fartøj til at stige gradvist. Beholderen må ikke skilles ad under prøvningen. Når forsøget er færdigt, skal bagdøren af beholderen åbnes efter den totale frigi…

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