Un esperimento di compressione uniaxiale con CO2-Bearing Coal utilizzando un sistema di test di accoppiamento gas-solido con flusso-solido con un sistema di prova
Summary
Questo protocollo dimostra come preparare un campione di bricchetta e condurre un esperimento di compressione uniaxiale con una bricchetta in diverse pressioni di CO2 utilizzando un sistema di test di accoppiamento gas-solido visualizzato e a volume costante. Ha anche lo scopo di studiare i cambiamenti in termini di proprietà fisiche e meccaniche del carbone indotti dall’adsorbimento della CO 2.
Abstract
L’iniezione dianidride carbonica (CO 2) in una profonda cucitura a carbone è di grande importanza per ridurre la concentrazione di gas a effetto serra nell’atmosfera e aumentare il recupero del metano carbonizzato. Un sistema di accoppiamento gas-solido visualizzato e a volume costante viene introdotto qui per studiare l’influenza dell’asorption di CO2 sulle proprietà fisiche e meccaniche del carbone. Essendo in grado di mantenere un volume costante e monitorare il campione utilizzando una fotocamera, questo sistema offre il potenziale per migliorare la precisione dello strumento e analizzare l’evoluzione della frattura con un metodo di geometria frattale. Questa carta fornisce tutte le fasi necessarie per eseguire un esperimento di compressione uniassiale con un campione di bricchette in diverse pressioni di CO2 con il sistema di test di accoppiamento gas-solido. Una bricchetta, pressata a freddo da carbone grezzo e cemento umido di sodio, viene caricata in CO2ad alta pressione e la sua superficie viene monitorata in tempo reale utilizzando una fotocamera. Tuttavia, la somiglianza tra la bricchetta e il carbone grezzo ha ancora bisognodi miglioramenti e un gas infiammabile come il metano (CH 4) non può essere iniettato per la prova. I risultati mostrano che l’asorptione di CO2 porta alla forza di picco e alla riduzione del modulo elastico della bricchetta, e l’evoluzione della frattura della bricchetta in uno stato di guasto indica caratteristiche frattali. La forza, il modulo elastico e la dimensione frattale sono tutti correlati con la pressione di CO2, ma non con una correlazione lineare. Il sistema di test di accoppiamento gas-solido visualizzato e a volume costante può servire da piattaforma per la ricerca sperimentale sulla meccanica delle rocce considerando l’effetto di accoppiamento multicampo.
Introduction
La crescente concentrazione di CO2 nell’atmosfera è un fattore diretto che causa l’effetto del riscaldamento globale. A causa della forte capacità di sorption del carbone, il sequestro di CO2 in una cucitura a carbone è considerato un mezzo pratico e rispettoso dell’ambiente per ridurre le emissioni globali di gas serra1,2,3. Allo stesso tempo, il CO2 iniettato può sostituire CH4 e provocare la promozione della produzione di gas nel recupero del metano a carbone (ECBM)4,5,6. Le prospettive ecologiche ed economiche del sequestro di CO2 hanno recentemente attirato l’attenzione di tutto il mondo tra i ricercatori, nonché tra i diversi gruppi internazionali di protezione dell’ambiente e le agenzie governative.
Il carbone è una roccia eterogenea, strutturalmente anisotropica composta da un poro, frattura e matrice di carbone. La struttura dei pori ha una grande superficie specifica, che può adsorgare una grande quantità di gas, svolgendo un ruolo vitale nel sequestro del gas, e la frattura è il percorso principale per il flusso di gas libero7,8. Questa struttura fisica unica porta ad una grande capacità di adsorbimento del gas per CH4 e CO2. Il gas minerario viene depositato in un carbone in alcune forme: (1) adsorbito sulla superficie di micropori e pori più grandi; (2) assorbito nella struttura molecolare del carbone; (3) come gas libero in fratture e pori più grandi; (4) disciolti nell’acqua di deposito. Il comportamento di sorption del carbone a CH4 e CO2 provoca gonfiore a matrice, e ulteriori studi dimostrano che si tratta di un processo eterogeneo ed è correlato ai litotipi di carbone9,10,11. Inoltre, l’assorbimento del gas può causare danni nella relazione costitutiva del carbone12,13,14.
Il campione di carbone grezzo è generalmente utilizzato negli esperimenti di accoppiamento del carbone e della CO 2. In particolare, un grosso pezzo di carbone grezzo dalla faccia di lavoro in una miniera di carbone viene tagliato per preparare un campione. Tuttavia, le proprietà fisiche e meccaniche del carbone grezzo hanno inevitabilmente un alto grado di dispersione a causa della distribuzione spaziale casuale di pori naturali e fratture in una cucitura di carbone. Inoltre, il carbone portante del gas è morbido e difficile da rimodellato. Secondo i principi del metodo sperimentale ortogonale, la bricchetta, che viene ricostituita con polvere di carbone grezzo e cemento, è considerata come un materiale ideale utilizzato nella prova di sorption carbone15,16. Essendo pressato a freddo con i dadi metallici, la sua forza può essere preimpostata e rimane stabile regolando la quantità di cemento, che beneficia l’analisi comparativa dell’effetto a singola variabile. Inoltre, anche se la porosità del campione di bricchette è di 4-10 volte, quella del campione di carbone grezzo, caratteristiche di adsorbimento e desorption simili e curva di tensione-deformazione sono stati trovati nella ricerca sperimentale17,18 , 19 del 12 , 20. In questo documento è stato adottato uno schema analogo per il carbone portante del gas per preparare la bricchetta21. Il carbone grezzo è stato prelevato dalla faccia di lavoro 4671B6 nella miniera di carbone Xinzhuangzi, Huainan, provincia di Anhui, Cina. La cucitura del carbone si trova a circa 450 m sotto il livello del suolo e 360 m sotto il livello del mare, e si tuffa a circa 15 gradi ed è di circa 1,6 m di spessore. L’altezza e il diametro del campione di bricchette sono rispettivamente 100 mm e 50 mm, che è la dimensione consigliata suggerita dalla International Society for Rock Mechanics (ISRM)22.
I precedenti strumenti di prova di carico uniaxiale o triaxiale per esperimenti sul carbone a gas in condizioni di laboratorio presentano alcune carenze e limitazioni, presentati come borsisti23,24,25,26 ,27,28: (1) durante il processo di carico, il volume della nave diminuisce con il movimento del pistone, causando fluttuazioni nella pressione del gas e disturbi nell’asorpto di gas; (2) è difficile condurre il monitoraggio in tempo reale dei campioni e le misurazioni della deformazione circonferenziale in un ambiente ad alta pressione gassosa; (3) sono limitati alla stimolazione di disturbi del carico dinamico su campioni precaricati per analizzare le loro caratteristiche di risposta meccanica. Al fine di migliorare la precisione dello strumento e l’acquisizione dei dati nella condizione di accoppiamento solido come gas, è stato sviluppato un sistema di test visualizzato e a volume costante29 (Figura 1), incluso (1) un recipiente di carico visualizzato con camera a volume costante, che è la componente centrale; (2) un modulo di riempimento del gas con un canale a vuoto, due canali di riempimento e un canale di rilascio; (3) un modulo di carico assiale costituito da una macchina di prova elettronica-idraulica servo universale e da un computer di controllo; (4) un modulo di acquisizione dati composto da un apparato di misura dello spostamento circonferenziale, un sensore di pressione del gas e una telecamera nella finestra del recipiente di carico visualizzato.
Il recipiente di base visualizzato (Figura 2) è specificamente progettato in modo che due cilindri di regolazione siano fissati sulla piastra superiore e i loro pistoni si muovono contemporaneamente con quello di carico attraverso un fascio, e l’area sezionale del pistone di carico è uguale al somma di quella dei cilindri di regolazione. Scorrendo attraverso un foro interno e tubi morbidi, il gas ad alta pressione nella nave e i due cilindri è collegato. Pertanto, quando il pistone di carico della nave si muove verso il basso e comprime il gas, questa struttura può compensare la variazione di volume ed eliminare le interferenze di pressione. Inoltre, l’enorme controforza indotta dal gas esercitando sul pistone è prevenuta durante il test, migliorando significativamente la sicurezza dello strumento. Le finestre, dotate di vetro temperato e situate su tre lati della nave, forniscono un modo diretto per scattare una fotografia del campione. Questo vetro è stato testato con successo e ha dimostrato di resistere fino a 10 gas MPa con un basso tasso di espansione, alta resistenza, trasmissione della luce, e la stabilità chimica29.
Questo documento descrive la procedura per eseguire un esperimento di compressione uniassiale del carbone CO2-cuscinetto con il nuovo sistema di prova di accoppiamento gas-solido visualizzato e a volume costante, che include la descrizione di tutti i pezzi che preparano una bricchetta campione utilizzando polvere di carbone grezzo e humate di sodio, nonché le fasi successive per iniettare CO2 ad alta pressione e condurre la compressione uniaxial. L’intero processo di deformazione del campione viene monitorato utilizzando una fotocamera. Questo approccio sperimentale offre un modo alternativo per analizzare quantitativamente il danno indotto dall’adsorpazione e l’evoluzione della frattura caratteristica del carbone portatore di gas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Considerando il pericolo del gas ad alta pressione, alcuni passaggi critici sono importanti durante il test. Le valvole e gli anelli O devono essere ispezionati e sostituiti regolarmente e qualsiasi fonte di accensione non deve essere consentita in laboratorio. Quando si utilizza la valvola manuale di regolazione della pressione, lo sperimentatore deve ruotare lentamente la valvola per aumentare gradualmente la pressione nel recipiente visualizzato. Non smontare il recipiente durante la prova. Al termine dell’esperimento…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dal China National National Scientific Instruments Development Project (Grant no. 1R2017MEE023).
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 |
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