सीओ2के साथ एक Uniaxial संपीड़न प्रयोग - असर कोयला एक दृश्य और लगातार-Volume गैस-ठोस युग्मन परीक्षण प्रणाली का उपयोग
Summary
इस प्रोटोकॉल दर्शाता है कि कैसे एक ब्रिकेट नमूना तैयार करने और एक visualized और निरंतर मात्रा गैस ठोस युग्मन परीक्षण प्रणाली का उपयोग कर विभिन्न सीओ2 दबाव में एक ब्रिकेट के साथ एक uniaxial संपीड़न प्रयोग का संचालन करने के लिए. इसका उद्देश्य सीओ2 अधिशोषण द्वारा प्रेरित कोयले के भौतिक और यांत्रिक गुणों के संदर्भ में परिवर्तनों की जांच करना भी है।
Abstract
वातावरण में ग्रीनहाउस गैसों की सांद्रता कम करने और कोलबेड मीथेन की वसूली में वृद्धि करने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड (ब्व्2) को गहरे कोयले की सीवन में लगाना बहुत महत्वपूर्ण है। कोयले के भौतिक और यांत्रिक गुणों पर सीओ2 अवशोषण के प्रभाव की जांच करने के लिए यहाँ एक कल्पना और स्थिर-मात्रा गैस-ठोस युग्मन प्रणाली शुरू की गई है। एक निरंतर मात्रा रखने के लिए और एक कैमरा का उपयोग कर नमूना की निगरानी करने में सक्षम होने के नाते, इस प्रणाली साधन सटीकता में सुधार और एक भग्न ज्यामिति विधि के साथ फ्रैक्चर विकास का विश्लेषण करने की क्षमता प्रदान करता है. यह कागज गैस ठोस युग्मन परीक्षण प्रणाली के साथ विभिन्न सीओ2 दबावों में एक ब्रिकेट नमूना के साथ एक uniaxial संपीड़न प्रयोग करने के लिए सभी चरणों प्रदान करता है। कच्चे कोयले और सोडियम ह्यूमेट सीमेंट द्वारा एक ब्रिकेट, ठंड से दबाया जाता है, उच्च दबाव वाले सीओ2में लोड किया जाता है, और इसकी सतह को कैमरे का उपयोग करके वास्तविक समय में मस्केट किया जाता है। हालांकि, ब्रिकेट और कच्चे कोयले के बीच समानता अभी भी सुधार की जरूरत है, और एक ज्वलनशील गैस जैसे मीथेन (CH4) परीक्षण के लिए इंजेक्शन नहीं किया जा सकता है. परिणाम बताते हैं कि सीओ2 शोषण शिखर शक्ति और फ़्रीकेट की लोचदार मापांक कमी की ओर जाता है, और एक विफलता राज्य में ब्रिकेट के फ्रैक्चर विकास भग्न विशेषताओं को इंगित करता है। शक्ति, लोचदार मापांक, और भग्न आयाम सभी सीओ2 दबाव के साथ सहसंबद्ध हैं, लेकिन एक रैखिक सहसंबंध के साथ नहीं। कल्पना और निरंतर मात्रा गैस ठोस युग्मन परीक्षण प्रणाली बहुक्षेत्र युग्मन प्रभाव पर विचार रॉक यांत्रिकी के बारे में प्रयोगात्मक अनुसंधान के लिए एक मंच के रूप में सेवा कर सकते हैं.
Introduction
वातावरण में सीओ2 की बढ़ती एकाग्रता एक सीधा कारक ग्लोबल वार्मिंग प्रभाव के कारण है. कोयले की प्रबल अवशोषण क्षमता के कारण, कोयले की सीवन में सीओ2 पृथक्करण को एक व्यावहारिक और पर्यावरण के अनुकूल साधन माना जाता है ताकि ग्रीनहाउस गैस 1,2,3के वैश्विक उत्सर्जन को कम किया जा सके। साथ ही, इंजेक्शन सीओ2 सीएच4 की जगह ले सकता है और इसके परिणामस्वरूप कोलबेड मीथेन रिकवरी (ईसीबीएम)4,5,6में गैस उत्पादन को बढ़ावा मिल सकता है । सीओ2 अलगाव के पारिस्थितिक और आर्थिक संभावनाओं ने हाल ही में शोधकर्ताओं के बीच दुनिया भर में ध्यान आकर्षित किया है, साथ ही विभिन्न अंतरराष्ट्रीय पर्यावरण संरक्षण समूहों और सरकारी एजेंसियों के बीच.
कोयला एक विषम, संरचनात्मक एनिसोट्रोपिक चट्टान है जो छिद्र, फ्रैक्चर, और कोयला मैट्रिक्स से बना है। छिद्र संरचना में एक बड़ा विशिष्ट सतह क्षेत्र होता है, जो बड़ी मात्रा में गैस को अधिशोषित कर सकताहै, गैस पृथक्करण में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है, और फ्रैक्चर मुक्त गैस प्रवाह 7,8के लिए मुख्य मार्ग है। इस अनूठी भौतिक संरचना से च4 तथा सव्2के लिए गैस अधिशोषण क्षमता में भारी वृद्धि होती है। मेरा गैस कुछ रूपों में coalbed में जमा है: (1) micropores और बड़े pores की सतह पर adsorbed; (2) कोयला आणविक संरचना में अवशोषित; (3) भंग और बड़े pores में मुक्त गैस के रूप में; और (4) जमा पानी में भंग. ब्एच4 और ब् व्2 को कोयले का शोषण व्यवहार मैट्रिक्स सूजन का कारण बनता है और आगे के अध्ययनों से पता चलता है कि यह एक विषम प्रक्रिया है और यह कोयला लिथोटाइप्स9,10,11से संबंधित है। इसके अतिरिक्त, गैस अवशोषण से कोयला12,13,14के गठन संबंध में क्षति हो सकती है ।
कच्चे कोयला नमूना आम तौर पर कोयला और सीओ2 युग्मन प्रयोगों में प्रयोग किया जाता है। विशेष रूप से, एक कोयला खान में काम कर चेहरे से कच्चे कोयले का एक बड़ा टुकड़ा एक नमूना तैयार करने के लिए काट रहा है. हालांकि, कच्चे कोयले के भौतिक और यांत्रिक गुणों अनिवार्य रूप से प्राकृतिक pores और एक कोयला सीवन में भंग की यादृच्छिक स्थानिक वितरण के कारण एक उच्च फैलाव डिग्री है। इसके अलावा, गैस असर कोयला नरम और आकार देने के लिए मुश्किल है। लंबकोणीय प्रायोगिक विधि के सिद्धांतों के अनुसार ब्रिकेट, जिसे कच्चे कोयला पाउडर और सीमेंट से पुनर्गठित किया जाता है, को कोयला शोषण परीक्षण15,16में प्रयुक्त एक आदर्श सामग्री माना जाता है। धातु के साथ ठंड दबाया जा रहा है, अपनी ताकत पूर्व निर्धारित किया जा सकता है और सीमेंट की मात्रा है, जो एकल चर प्रभाव के तुलनात्मक विश्लेषण लाभ का समायोजन करके स्थिर रहता है. इसके अतिरिक्त, हालांकि ब्रिकेट नमूने की porosity है $4-10 बार, कच्चे कोयला नमूने की है कि, इसी तरह के अधिशोषण और desorption विशेषताओं और तनाव तनाव वक्र प्रयोगात्मक अनुसंधान में पाया गया है17,18 , 19 , 20. इस पत्र में गैस धारी वाले कोयले के लिए इसी प्रकार की सामग्री की एक योजना अपनाई गई है ताकि ब्रिकेट21तैयार किया जा सके। कच्चे कोयला Xinzhuangzi कोयला खान, Huainan, Anhui प्रांत, चीन में 4671B6 काम कर चेहरे से लिया गया था. कोयला सीवन लगभग 450 मीटर जमीन के स्तर से नीचे और 360 मीटर समुद्र स्तर से नीचे है, और यह लगभग 15 डिग्री पर डुबकी और मोटाई में लगभग 1.6 मीटर है। ब्रिकेट नमूने की ऊंचाई और व्यास क्रमशः 100 मिमी और 50 मिमी है, जो इंटरनेशनल सोसायटी फॉर रॉक मैकेनिक्स (आईएसआरएम)22द्वारा सुझाए गए अनुशंसित आकार है।
प्रयोगशाला परिस्थितियों के अंतर्गत गैसधारी कोयला प्रयोगों के लिए पिछले एकाक्षयायाल या त्रिअक्षीय लदान परीक्षण उपकरणों में कुछ कमी और सीमाएं होती हैं, जिन्हें साथी23,24,25,26 के रूप में प्रस्तुत किया जाता है ,27,28: (1) लोडिंग प्रक्रिया के दौरान, पोत की मात्रा पिस्टन चलती के साथ कम हो जाती है, गैस के दबाव में उतार चढ़ाव और गैस शोषण में गड़बड़ी के कारण; (2) नमूनों की वास्तविक समय छवि निगरानी, साथ ही एक उच्च गैस दबाव वातावरण में परिधीय विरूपण माप, आचरण करने के लिए मुश्किल है; (3) वे अपने यांत्रिक प्रतिक्रिया विशेषताओं का विश्लेषण करने के लिए preloaded नमूनों पर गतिशील लोड गड़बड़ी की उत्तेजना तक सीमित हैं. गैस ठोस युग्मन हालत में साधन परिशुद्धता और डेटा अधिग्रहण में सुधार करने के लिए, एक कल्पना और निरंतर मात्रा परीक्षण प्रणाली29 विकसित किया गया है (चित्र 1), सहित (1) एक के साथ एक कल्पना लोडहोरहाइज़िंग पोत स्थिर मात्रा कक्ष, जो मुख्य घटक है; (2) एक वैक्यूम चैनल, दो भरने चैनलों, और एक रिलीज चैनल के साथ एक गैस भरने मॉड्यूल; (3) एक अक्षीय लोडिंग मॉड्यूल एक विद्युत-हाइड्रीय इमदादी सार्वभौमिक परीक्षण मशीन और नियंत्रण कंप्यूटर से मिलकर; (4) एक डेटा अधिग्रहण मॉड्यूल एक परिधीय विस्थापन माप उपकरण, एक गैस दबाव सेंसर, और visualized लोडहोज पोत की खिड़की पर एक कैमरा के शामिल.
कोर विज़ुअलाइज़्ड पोत (चित्र 2) विशेष रूप से इस प्रकार बनाया गया है कि दो समायोजन सिलेंडर ऊपरी प्लेट पर स्थिर हो जाएँ और उनके पिस्टन एक बीम के माध्यम से लोडिंग एक के साथ चलते हैं, और लोडिंग पिस्टन का अनुभागीय क्षेत्र के बराबर है समायोजन सिलेंडरों का योग। एक आंतरिक छेद और नरम पाइप के माध्यम से बह, पोत में उच्च दबाव गैस और दो सिलेंडर जुड़ा हुआ है. इसलिए, जब पोत-लोडिंग पिस्टन नीचे की ओर जाता है और गैस को संपीड़ित करता है, तो यह संरचना मात्रा में परिवर्तन को ऑफसेट कर सकती है और दबाव हस्तक्षेप को समाप्त कर सकती है। इसके अलावा, पिस्टन पर लगाया भारी गैस प्रेरित counterforce परीक्षण के दौरान रोका जाता है, काफी साधन की सुरक्षा में सुधार. खिड़कियां, जो टेम्पर्ड बोरोसिलिकेट ग्लास से सुसज्जित हैं और पोत के तीन पक्षों पर स्थित हैं, नमूने की एक तस्वीर लेने के लिए एक सीधा रास्ता प्रदान करते हैं। इस कांच का सफलतापूर्वक परीक्षण किया गया है और कम विस्तार दर, उच्च शक्ति, प्रकाश संचरण, और रासायनिक स्थिरता29के साथ 10 एमपीए गैस तक का विरोध करने के लिए साबित कर दिया है।
यह कागज सीओ2के एक uniaxial संपीड़न प्रयोग करने के लिए प्रक्रिया का वर्णन करता है – नए visualized और निरंतर मात्रा गैस ठोस युग्मन परीक्षण प्रणाली है, जो सभी टुकड़ों है कि एक ब्रिकेट तैयार का वर्णन भी शामिल है के साथ कोयला असर कच्चे कोयला पाउडर और सोडियम humate का उपयोग कर नमूना, साथ ही लगातार कदम उच्च दबाव सीओ2 इंजेक्ट करने के लिए और uniaxial संपीड़न आचरण. पूरे नमूना विरूपण प्रक्रिया एक कैमरा का उपयोग कर नजर रखी है. इस प्रयोगात्मक दृष्टिकोण मात्रा में अधिशोषण प्रेरित क्षति और गैस असर कोयले की फ्रैक्चर विकास विशेषता का विश्लेषण करने के लिए एक वैकल्पिक तरीका प्रदान करता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
उच्च दबाव गैस के खतरे को ध्यान में रखते हुए, परीक्षण के दौरान कुछ महत्वपूर्ण कदम महत्वपूर्ण हैं। वाल्व और ओ छल्ले का निरीक्षण किया जाना चाहिए और नियमित रूप से प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए, और प्रज्वलन ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को चीन के राष्ट्रीय प्रमुख वैज्ञानिक उपकरण विकास परियोजना (ग्रेंट नंबर 51427804) और शेडोंग प्रांत राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (ग्रेंट नं. $R2017MEE023).
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).
