En Uniaxial sammenntrykking eksperiment med CO2-bærende kull ved hjelp av en visualisere og Constant-volum gass-solid kopling test system

Summary

Denne protokollen demonstrerer hvordan man klargjør en briquette prøve og gjennomfører et uniaxial komprimerings eksperiment med en briquette i forskjellige CO₂ -trykk ved hjelp av en visualisere og konstant volum gass-solid koplings test system. Det har også som mål å undersøke endringer i form av kull fysiske og mekaniske egenskaper indusert av CO₂ absorpsjon.

Abstract

Sprøytebruk karbondioksid (CO₂) i en dyp kull søm er av stor betydning for å redusere konsentrasjonen av klimagasser i atmosfæren og øke utvinningen av coalbed metan. En visualisere og konstant volum gass-solid kopling system er innført her for å undersøke påvirkning av CO₂ sorption på fysiske og mekaniske egenskaper av kull. Å kunne holde et konstant volum og overvåke prøven ved hjelp av et kamera, gir dette systemet potensial til å forbedre instrument nøyaktighet og analysere brudd evolusjon med en fraktal geometri metode. Dette papiret inneholder alle trinn for å utføre et uniaxial komprimerings eksperiment med et briquette utvalg i forskjellige CO₂ -trykk med gass solide koplings test system. En briquette, kaldpresset av rå kull og natrium Humate sement, er lastet i høyt trykk CO₂, og overflaten er overvåket i sanntid ved hjelp av et kamera. Men likheten mellom briquette og rå kull trenger fortsatt forbedring, og en brennbar gass som metan (CH₄) kan ikke injiseres for testen. Resultatene viser at CO₂ sorption fører til topp styrke og elastisk modul reduksjon av briquette, og brudd utviklingen av briquette i en feil tilstand indikerer fraktal egenskaper. Styrken, elastisk modul, og fraktal dimensjon er alle korrelert med CO₂ press, men ikke med en lineær korrelasjon. Den visualisere og konstant volum gass-solid kopling test system kan tjene som en plattform for eksperimentell forskning om rock mekanikk vurderer multifield koblingseffekt.

Introduction

Den økende konsentrasjonen av CO₂ i atmosfæren er en direkte faktor som forårsaker den globale oppvarmingen effekt. På grunn av den sterke sorption kapasiteten av kull, CO₂ opptak i en kull søm regnes som en praktisk og miljøvennlig måte å redusere den globale utslipp av klimagasser^1,2,3. På samme tid, injisert co₂ kan erstatte ch₄ og resultere i gassproduksjon forfremmelse i coalbed metan Recovery (ECBM)^4,5,6. De økologiske og økonomiske utsiktene til CO₂ opptak har nylig tiltrukket verdensomspennende oppmerksomhet blant forskere, samt blant ulike internasjonale miljøverngrupper og statlige etater.

Kull er en heterogen, strukturelt Anisotrop stein sammensatt av en pore, brudd, og kull matrise. Pore strukturen har en stor bestemt overflateareal, som kan adsorbere en stor mengde gass, spiller en viktig rolle i gass opptak, og brudd er den viktigste veien for fri gass Flow^7,8. Denne unike fysiske strukturen fører til en flott gass absorpsjonskapasitet for CH₄ og co₂. Gruve gass avsettes i coalbed i noen former: (1) adsorberes på overflaten av micropores og større porer; (2) absorbert i kull molekylstrukturen; (3) som fri gass i frakturer og større porer; og (4) oppløst i depositum vann. Den sorption oppførselen til kull til ch₄ og co₂ årsaker Matrix hevelse, og videre studier viser at det er en heterogen prosess og er relatert til kull lithotypes^9,10,11. I tillegg kan gass sorption føre til skader i konstituerende forhold av kull^12,13,14.

Den rå kull prøven er vanligvis brukt i kull og CO₂ kopling eksperimenter. Nærmere bestemt et stort stykke rått kull fra arbeidslivet ansiktet i en kullgruve er kuttet for å forberede en prøve. Men den fysiske og mekaniske egenskaper rå kull uunngåelig har en høy spredningsgrad på grunn av tilfeldig romlig fordeling av naturlige porer og brudd i en kull søm. Videre er det gass-bærende kull myk og vanskelig å bli omformet. Ifølge prinsippene i ortogonale eksperimentelle metoden, briquette, som er tilberedt med rå kull pulver og sement, regnes som et ideelt materiale som brukes i kull sorption test^15,16. Å være kaldpresset med metall dør, kan dens styrke være forhåndsinnstilt og forblir stabil ved å justere mengden av sement, som fordeler den komparative analyse av enkelt variabel effekt. I tillegg, selv om porøsitet av briquette prøven er ~ 4-10 ganger, at av rå kull prøven, lignende absorpsjon og desorpsjon egenskaper og stress-belastning kurve har blitt funnet i eksperimentell forskning^{17,18 , 19} andre priser ^{, 20}. i dette dokumentet, en ordning av et lignende materiale for gass-bærende kull har blitt vedtatt å forberede briquette²¹. Den rå kull ble tatt fra 4671B6 arbeider ansikt i Xinzhuangzi Coal mine, Huainan, Anhui-provinsen, Kina. Kull sømmen er ca 450 meter under bakkenivå og 360 m under havoverflaten, og den synker på ca 15 ° og er ca 1,6 m i tykkelse. Høyden og diameteren av briquette prøven er 100 mm og 50 mm, henholdsvis, som er den anbefalte størrelsen foreslått av International Society for rock Mechanics (ISRM)²².

Den forrige uniaxial eller triaxial lasting testinstrumenter for gass-bærende kull eksperimenter under laboratorieforhold har noen knapphet og begrensninger, presentert som Fellows^{23,24,25,26 ,27,28}: (1) under lasting prosessen, fartøyet volumet avtar med stempelet beveger seg, forårsaker svingninger i gasstrykk og forstyrrelser i gass sorption; (2) sanntids bilde overvåking av prøver, samt circumferential deformasjon målinger i et høyt gasstrykk miljø, er vanskelig å gjennomføre; (3) de er begrenset til stimulering av dynamiske belastnings forstyrrelser på forhåndslastede prøver for å analysere sine mekaniske reaksjons egenskaper. For å forbedre instrumentets presisjon og datainnhenting i den gass solide koplings tilstanden, er det utviklet en bilde-og konstant volum test system²⁹ (figur 1), inkludert (1) en konstant volum kammer, som er kjernen komponenten; (2) en gass fyllings modul med en vakuum kanal, to Påfyllings kanaler, og en kanal som slippes; (3) en aksial lasting modul bestående av en elektro-hydraulisk servo universell testing maskin og kontroll datamaskin; (4) en datainnsamlings modul bestående av et circumferential måle apparat, en gasstrykk sensor og et kamera ved vinduet til det med følgende laste fartøyet.

Kjernen visualisere fartøyet (figur 2) er spesielt utformet slik at to justerings sylindre er festet på den øvre plate og deres stempler bevege seg samtidig med lasting en gjennom en bjelke, og Seksjons området av lasting stempelet er lik den summen av justerings flaskene. Ved å strømme gjennom et indre hull og myke rør, er høytrykks gassen i fartøyet og de to sylindere tilkoblet. Derfor, når fartøyet-lasting stempelet beveger seg nedover og komprimerer gassen, kan denne strukturen oppveie endringen i volum og eliminere trykk forstyrrelser. I tillegg er den enorme gass-indusert motkraft øve på stempelet forhindret under testen, betydelig bedre sikkerheten til instrumentet. Vinduene, som er utstyrt med herdet Borosilikatglass glass og ligger på tre sider av fartøyet, gir en direkte måte å ta et bilde av prøven. Dette glasset har blitt testet og viste seg å motstå opp til 10 MPa gass med lav ekspansjons hastighet, høy styrke, lystransmisjon og kjemisk stabilitet²⁹.

Dette papiret beskriver prosedyren for å utføre en uniaxial komprimering eksperiment CO₂-bærende kull med den nye visualisere og konstant volum gass-solid kopling test system, som inkluderer beskrivelse av alle brikkene som forbereder en briquette prøve å bruke rå kull pulver og natrium Humate, samt de påfølgende trinnene for å injisere høyt trykk CO₂ og gjennomføre uniaxial kompresjon. Hele prøven deformasjon prosessen overvåkes ved hjelp av et kamera. Denne eksperimentelle tilnærmingen gir en alternativ måte å quantitively analysere absorpsjon-indusert skade og brudd evolusjon karakteristisk for gass-bærende kull.

Protocol

1. prøve forberedelser Samle rå kull blokker fra 4671B6 arbeider ansikt fra Xinzhuangzi kullgruve. Merk at på grunn av lav styrke og slakk av strukturen, er rå kull brutt og trolig blandet med urenheter. For å unngå påvirkning av disse interne og eksterne faktorer, samt redusere inhomogeneity av kull så mye som mulig, velger store kull blokker (ca 15 cm lang, 10 cm bred, og 10 cm høy). Bruk en TWEEZER å fjerne urenheter blandes i kull og skrubbe Crusher kammeret med absorberende bomull og ac…

Representative Results

Den gjennomsnittlige massen av briquette prøven var 230 g. avhengig av industriell analyse, briquette utstilt et fuktighetsinnhold på 4,52% og en askeinnhold på 15,52%. Videre var det flyktige innholdet ca 31,24%. Som natrium Humate ble utvunnet fra kull, var komponentene i briquette lik rå kull. De fysiske egenskapene vises i tabell 2. Sammenligningen av mekaniske egenskaper mellom rå kull og briquette er …

Discussion

Med tanke på faren for høytrykksgass er noen kritiske trinn viktige under testen. Ventilene og O-ringene skal inspiseres og skiftes ut regelmessig, og enhver antennelseskilde bør ikke være tillatt i laboratoriet. Ved bruk av den manuelle trykk reguleringsventilen bør eksperimentator vri ventilen langsomt for å øke trykket i det med følgende Ikke Demonter fartøyet under testen. Når eksperimentet er ferdig, bør bakdøren til fartøyet åpnes etter den totale utgivelsen av høytrykks gassen; ellers er det fare fo…

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