JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

Een Uniaxiaal compressie-experiment met CO2-dragende kolen met behulp van een gevisualiseerd en constant volume-Gasmassief koppelings testsysteem

Published: June 12, 2019
doi:
10.3791/59405
, , , ,
1Research Center of Geotechnical and Structural Engineering,Shandong University

Summary

Dit protocol demonstreert hoe een Briket monster voor te bereiden en een uniaxiaal compressie experiment uit te voeren met een Briket in verschillende co2 -drukken met behulp van een gevisualiseerd en constant volume-gasmassief koppelings testsysteem. Het is ook bedoeld om veranderingen te onderzoeken in termen van de fysische en mechanische eigenschappen van kolen, geïnduceerd door CO2 -adsorptie.

Abstract

Het injecteren van koolstofdioxide (CO2) in een diepe kolen naad is van groot belang voor het verminderen van de concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer en het verhogen van het herstel van coalbed methaan. Hier wordt een gevisualiseerd en constant volume-gasvast koppelingssysteem geïntroduceerd om de invloed van CO2 -sorptie op de fysische en mechanische eigenschappen van kolen te onderzoeken. In staat zijn om een constant volume te behouden en het monster met behulp van een camera te bewaken, biedt dit systeem het potentieel om de nauwkeurigheid van het instrument te verbeteren en de fractuur evolutie te analyseren met een fractal geometrie methode. Dit artikel bevat alle stappen om een uniaxiaal compressie experiment uit te voeren met een Briket monster in verschillende co2 -druk met het gasvaste koppelings testsysteem. Een briquette, koudgeperst door ruwe kolen en natrium Humate cement, wordt geladen in hogedruk CO2, en het oppervlak wordt in real-time bewaakt met behulp van een camera. De gelijkenis tussen de Briket en de ruwe kolen moet echter nog worden verbeterd, en een ontvlambaar gas zoals methaan (h4) kan niet voor de test worden geïnjecteerd. De resultaten tonen aan dat co2 -sorptie leidt tot piekkracht en elastische modulus reductie van de Briket, en de breuk evolutie van de Briket in een storingstoestand duidt op fractale kenmerken. De sterkte, elastische modulus en fractal dimensie zijn allemaal gecorreleerd met CO2 -druk, maar niet met een lineaire correlatie. Het gevisualiseerde en constante volume-gasvaste koppelings testsysteem kan fungeren als een platform voor experimenteel onderzoek naar rotsmechanica gezien het multifield koppelings effect.

Introduction

De toenemende concentratie van CO2 in de atmosfeer is een directe factor die het broeikaseffect veroorzaakt. Vanwege de sterke sorptiecapaciteit van kolen wordt CO2 -sekwestratie in een steenkool naad beschouwd als een praktisch en milieuvriendelijk middel om de mondiale emissie van broeikasgassen1,2,3te verminderen. Tegelijkertijd kan de geïnjecteerde co2 CH4 vervangen en resulteren in gasproductie promotie in coalbed methaan Recovery (ecbm)4,5,6. De ecologische en economische vooruitzichten van CO2 -sekwestratie hebben onlangs wereldwijd aandacht gekregen onder onderzoekers, evenals tussen verschillende internationale milieubeschermings groepen en overheidsinstanties.

Steenkool is een heterogene, structureel anisotrope rots die bestaat uit een porie, breuk en kolen matrix. De poriënstructuur heeft een grote specifieke oppervlakte, die een grote hoeveelheid gas kan adsoreren, die een vitale rol speelt in gassekwestratie, en de breuk is het hoofdpad voor vrije gasstroom7,8. Deze unieke fysieke structuur leidt tot een grote gasadsorptie capaciteit voor CH4 en co2. Mijn gas wordt in een paar vormen in coalbed gestort: (1) geadsorberen op het oppervlak van micro poriën en grotere poriën; (2) geabsorbeerd in de steenkool moleculaire structuur; (3) als vrij gas in fracturen en grotere poriën; en (4) opgelost in stort water. Het sorptie gedrag van steenkool tot en met CH4 en co2 veroorzaakt matrix zwelling, en verdere studies tonen aan dat het een heterogeen proces is en gerelateerd is aan de kolen litho’s9,10,11. Bovendien kan gassorptie leiden tot schade in de constitutieve relatie van kolen12,13,14.

Het ruwe steenkool monster wordt over het algemeen gebruikt in kolen-en CO2 -koppelings experimenten. Concreet wordt een groot stukje ruwe kolen van het werkvlak in een kolenmijn gesneden om een monster te bereiden. De fysische en mechanische eigenschappen van ruwe kolen hebben echter onvermijdelijk een hoge dispersiegraad als gevolg van de willekeurige ruimtelijke verdeling van natuurlijke poriën en fracturen in een kolen naad. Bovendien is de gas-dragende kolen zacht en moeilijk te Hervorm. Volgens de principes van de orthogonale experimentele methode wordt de briquette, die wordt gereconstitueerd met ruw kolen poeder en cement, beschouwd als een ideaal materiaal dat wordt gebruikt in de steenkool sorptie test15,16. Omdat het koudgeperst is met metalen matrijzen, kan de sterkte vooraf worden ingesteld en blijft het stabiel door de hoeveelheid cement aan te passen, wat de vergelijkende analyse van het enkele variabele effect ten voorkomt. Bovendien is, hoewel de porositeit van het Briket monster ~ 4-10 keer is, die van het ruwe steenkool monster, soortgelijke adsorptie-en desorptie-eigenschappen en stress-strain curve gevonden in het experimentele onderzoek17,18 , 19 , 20. voor de bereiding van de Briket21is in dit document een regeling van soortgelijk materiaal voor kolen met gas vastgesteld. De ruwe kolen werden genomen uit de 4671B6 werk gezicht in de Xinzhuangzi kolenmijn, Huainan, Anhui Province, China. De kolen naad is ongeveer 450 m onder de grond en 360 m onder zeeniveau, en het dips op ongeveer 15 ° en is ongeveer 1,6 m dik. De hoogte en diameter van het Briket monster zijn respectievelijk 100 mm en 50 mm, wat de aanbevolen maat is die door de International Society for Rock Mechanics (isrm)22wordt voorgesteld.

De vorige uniaxiale of triaxiaal laadtest instrumenten voor steenkool experimenten met gaslagers onder laboratoriumomstandigheden hebben een aantal tekorten en beperkingen, gepresenteerd als Fellows23,24,25,26 ,27,28: (1) tijdens het laadproces neemt het volume van het vaartuig af naarmate de zuiger beweegt, waardoor schommelingen in de gasdruk en verstoringen in de gassorptie ontstaan; (2) de real-time beeld bewaking van monsters, evenals omtrek vervorming metingen in een hoge gasdruk omgeving, is moeilijk te voeren; (3) ze zijn beperkt tot stimulatie van dynamische last verstoringen op vooraf geladen monsters om hun mechanische reactie kenmerken te analyseren. Om de precisie van het instrument en het verzamelen van gegevens in de gasvaste koppelings toestand te verbeteren, is een gevisualiseerd en constant-volume testsysteem29 ontwikkeld (Figuur 1), inclusief (1) een gevisualiseerd laad schip met een constante volume kamer, de kerncomponent; (2) een gasvulmodule met een vacuüm kanaal, twee vulkanalen en een vrijgave kanaal; (3) een axiale laadmodule bestaande uit een elektrohydraulische servo-universele testmachine en besturings computer; (4) een module voor gegevensverwerving die bestaat uit een meetapparaat voor omtrek verplaatsing, een gasdruk sensor en een camera in het venster van het gevisualiseerde laad schip.

Het kern gevisualiseerde vat (Figuur 2) is speciaal ontworpen zodat twee instel cilinders op de bovenste plaat worden bevestigd en hun zuigers tegelijkertijd met de laad knop worden verplaatst door een straal, en het sectionaalgedeelte van de laad zuiger is gelijk aan de de som van die van de instel cilinders. Stroomt door een binnenste gat en zachte pijpen, het hogedrukgas in het vat en de twee cilinders is aangesloten. Daarom, wanneer de zuiger voor het laden van het vat naar beneden beweegt en het gas comprimeert, kan deze structuur de verandering in volume compenseren en de druk interferentie elimineren. Bovendien wordt de enorme door gas veroorzaakte contra kracht op de zuiger tijdens de test verhinderd, waardoor de veiligheid van het instrument aanzienlijk wordt verbeterd. De ramen, die zijn uitgerust met gehard borosilicaatglas en gelegen aan drie zijden van het vat, bieden een directe manier om een foto van het monster te maken. Dit glas is met succes getest en bewezen tot 10 MPa gas te weerstaan met een lage expansie snelheid, hoge sterkte, lichtdoorlatendheid en chemische stabiliteit29.

Dit artikel beschrijft de procedure voor het uitvoeren van een uniaxiaal compressie experiment van co2-dragende kolen met het nieuwe gevisualiseerde en constante volume-gasvaste koppelings testsysteem, dat de beschrijving bevat van alle stukken die een Briket bereiden monster met behulp van ruwe kolen poeder en natrium Humate, evenals de opeenvolgende stappen om hogedruk CO2 te injecteren en uniaxiale compressie uit te voeren. Het hele monster vervormingsproces wordt bewaakt met behulp van een camera. Deze experimentele aanpak biedt een alternatieve manier om de door adsorptie veroorzaakte schade en breuk evolutie die kenmerkend zijn voor koolstofdragende kolen, kwantitatief te analyseren.

Protocol

1. monstervoorbereiding Verzamel ruwe kolen blokken van de 4671B6 werk gezicht van de Xinzhuangzi kolenmijn. Merk op dat, vanwege de geringe sterkte en de losheid van de structuur, de ruwe kolen gebroken zijn en waarschijnlijk vermengd met onzuiverheden. Om de invloed van deze interne en externe factoren te vermijden en de inhomogeniteit van steenkool zoveel mogelijk te verminderen, selecteert u grote kolen blokken (ongeveer 15 cm lang, 10 cm breed en 10 cm hoog). Gebruik een pincet om onzuiverheden i…

Representative Results

De gemiddelde massa van het Briket monster was 230 g. afhankelijk van de industriële analyse vertoonde de Briket een vochtgehalte van 4,52% en een asgehalte van 15,52%. Bovendien bedroeg het vluchtige gehalte ongeveer 31,24%. Omdat de natrium Humate uit de kolen werd gewonnen, waren de componenten van de Briket vergelijkbaar met ruwe kolen. De fysische eigenschappen worden weergegeven in tabel 2. De vergelijkin…

Discussion

Gezien het gevaar van hogedruk gassen zijn enkele kritische stappen belangrijk tijdens de test. De kleppen en O-ringen moeten regelmatig worden geïnspecteerd en vervangen, en elke ontstekingsbron mag niet in het laboratorium worden toegelaten. Bij gebruik van de handmatige Drukregelklep moet de experimenteerder de klep langzaam draaien om de druk in het gevisualiseerde vat geleidelijk te laten toenemen. Demonteer het vat niet tijdens de test. Wanneer het experiment is voltooid, moet de achterdeur van het vat worden geop…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd gesteund door het China National Major Scientific Instruments ontwikkelings project (Grant No. 51427804) en de Shandong Province National Natural Science Foundation (Grant No. 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mazzotti, M., Pini, R., Storti, G. Enhanced coalbed methane recovery. Journal of Supercritical Fluids. 47 (3), 619-627 (2009).
  2. Litynski, J., et al. U.S. Department of Energy’s Regional Carbon Sequestration Partnership Program: Overview. Energy Procedia. 1 (1), 3959-3967 (2009).
  3. Lackner, K. S. A Guide to CO2 Sequestration. Science. 300 (5626), 1677-1678 (2015).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Nie, B. S., Li, X. C., Cui, Y. J., Lu, H. Q. . Theory and application of gas migration in coal seam. , (2014).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Larsen, J. W. The effects of dissolved CO2, on coal structure and properties. International Journal of Coal Geology. 57 (1), 63-70 (2004).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Barbara, D., et al. Balance of CO2/CH4 exchange sorption in a coal briquette. Fuel Processing Technology. 106 (2), 95-101 (2013).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Ulusay, R. . The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007-2014. , (2015).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Allen, T. . Particle Size Measure. , (1984).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Xia, G. Z. . Study on density and refractive index of near-critical fluid. , (2009).
  34. Ruppel, T. C., Grein, C. T., Bienstock, D. Adsorption of methane on dry coal at elevated pressure. Fuel. 53 (3), 152-162 (1974).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).

Tags

Uniaxial CompressionCO2-bearing CoalGas-solid CouplingCarbon Dioxide Geological SequestrationCoalbed Methane RecoveryPorous RockBriquetteSodium HumateElectrohydraulic Servo Universal Testing MachineVisualized VesselGas Pressure Sensor
check_url/59405?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Hou, W., Wang, H., Wang, W., Liu, Z., Li, Q. A Uniaxial Compression Experiment with CO2-Bearing Coal Using a Visualized and Constant-Volume Gas-Solid Coupling Test System. J. Vis. Exp. (148), e59405, doi:10.3791/59405 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image