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

可視化・定量ガス固体結合試験システムを用いたCO2-ベアリング石炭を用いた単軸圧縮実験

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

Summary

このプロトコルは、可視化された定量のガス固体結合試験システムを使用して、ブリケットサンプルを調製し、異なるCO2圧力のブリケットを用いて単軸圧縮実験を行う方法を示しています。また、CO2吸着によって引き起こされる石炭の物理的・機械的特性の変化を調査することを目的としています。

Abstract

深い石炭の継ぎ目に二酸化炭素(CO2)を注入することは、大気中の温室効果ガスの濃度を低減し、石炭メタンの回収を増加させる上で大きな意義があります。CO2吸収が石炭の物理的および機械的特性に及ぼす影響を調べるために、可視化された一定量のガス固体結合システムを導入する。一定の容積を維持し、カメラを使用してサンプルを監視することができるので、このシステムは器械の正確さを改善し、フラクタル幾何学の方法によって骨折の進化を分析する可能性を提供する。このホワイトペーパーでは、ガス固体カップリング試験システムを用いて異なるCO2圧力のブリケットサンプルを用いて単軸圧縮実験を行うすべてのステップを提供する。原料石炭とハメートセメントで冷間プレスされたブリケットを高圧CO2に装填し、カメラを使用してリアルタイムで表面を監視します。しかし、ブリケットと生石炭の類似性は依然として改善が必要であり、メタン(CH4)などの可燃性ガスを試験用に注入することはできません。その結果、CO2吸着がブリケットのピーク強度と弾性率の低下につながり、故障状態におけるブリケットの破壊進化はフラクタル特性を示す。強度、弾性率、およびフラクタル寸法はすべて CO2圧力と相関しますが、線形相関とは相関しません。可視化され、定量のガス固体結合試験システムは、マルチフィールド結合効果を考慮した岩盤力学に関する実験研究のプラットフォームとして機能します。

Introduction

大気中のCO2濃度の上昇は、地球温暖化の影響を引き起こす直接的な要因です。石炭の吸収能力が高いため、石炭継ぎ目におけるCO2隔離は、温室効果ガス1、2、3の世界的な排出を削減する実用的で環境に優しい手段とみなされています。同時に、注入されたCO2はCH4を置き換えることができ、石炭メタン回収(ECBM)4、5、6におけるガス生産促進をもたらす。CO2隔離の生態学的・経済的見通しは、最近、研究者の間だけでなく、異なる国際的な環境保護グループや政府機関の間で世界的な注目を集めています。

石炭は、細孔、骨折、石炭マトリックスからなる不均一で構造的に異方性の岩石です。細孔構造は、大量のガスを吸着することができ、ガス隔離に重要な役割を果たすことができる大きな特定の表面積を有し、骨折は、自由ガス流7、8のための主要な経路である。この独特な物理的構造はCH4およびCO2のための大きいガス吸着容量につながる。鉱山ガスは、いくつかの形態で石炭に堆積される:(1)微細孔と大きな細孔の表面に吸着。(2)石炭分子構造に吸収される。(3)骨折や大きな毛穴のフリーガスとして;(4)堆積水に溶解する。CH4およびCO2に対する石炭の吸着挙はマトリックス腫脹を引き起こし、さらなる研究は、それが不均一なプロセスであり、石炭リソタイプ9、10、11に関連していることを示している。また、ガス吸着は、石炭12、13、14の構成関係に損傷を与える可能性がある。

生石炭試料は、一般に石炭およびCO2結合実験で使用されます。具体的には、炭鉱の作業面から大きな生石炭を切断してサンプルを調作する。しかし、生石炭の物理的・機械的特性は、石炭の継ぎ目における自然毛穴や骨折のランダムな空間分布により、必然的に高い分散度を有する。また、ガスベアリング石炭は柔らかく、形状を変えるのが難しい。直交実験法の原理によれば、生石炭粉末およびセメントで再構成されるブリケットは、石炭吸着試験15、16で使用される理想的な材料とみなされている。金属金型で冷間プレスされているので、その強度は、セメントの量を調整することによって予め設定され、安定したままであり、単一変数効果の比較分析に利点があります。また、ブリケット試料の多孔性は~4~10倍であるが、生石炭試料のそれと同様の吸着・脱着特性及び応力歪み曲線が実験研究17,18で見出された。,19歳,20.本論文では、ブリケット21を調製するために、ガスベアリング石炭に対する同様の材料のスキームが採用されている。原石炭は、中国安寧省華南省の新珠江炭鉱4671B6作業面から採取された。石炭の継ぎ目は地下約450m、海抜360mで、約15°、厚さ約1.6mです。ブリケットサンプルの高さと直径はそれぞれ100mmと50mmで、これは国際岩力学会(ISRM)22が推奨するサイズです。

実験室条件下でのガスベアリング石炭実験のための以前の単軸または三軸負荷試験装置は、仲間23、24、25、26として提示されたいくつかの不足と制限を有する 、27,28: (1) ローディングプロセス中に、容器の容積はピストンの移動に伴って減少し、ガス圧力の変動およびガス吸着の乱れを引き起こす。(2)サンプルのリアルタイム画像監視、高ガス圧環境での周変形測定は行いにくい。(3)それらは、機械的応答特性を分析するために、プリロードされたサンプルの動的負荷障害の刺激に限定される。ガス固体結合状態における器具の精度とデータ取得を向上させるために、(図1)可視化積載容器を含む可視化・定量試験システム29を開発した。コアコンポーネントである一定の容積チャンバー、(2)真空チャネル、2つの充填チャネル、および放出チャネルを備えたガス充填モジュール。(3)電気油圧サーボユニバーサル試験機と制御コンピュータからなる軸ローディングモジュール。(4)周回変位測定装置、ガス圧センサ、及び可視積載容器の窓にカメラで構成されるデータ集録モジュール。

コア可視化容器(図2)は、2つの調整シリンダが上部プレート上に固定され、ピストンがビームを通るローディング1と同時に移動するように特別に設計されており、ローディングピストンの断面積は、調整シリンダーの合計。内側の穴と柔らかいパイプを通って流れ、容器と2つのシリンダーの高圧ガスが接続されています。従って、容器積載ピストンが下方に移動し、ガスを圧縮するとき、この構造は容積の変化を相殺し、圧力干渉を除去できる。さらに、ピストンにかかる巨大なガス誘導カウンターフォースは、試験中に防止され、機器の安全性が大幅に向上します。強化されたホウ酸塩ガラスが装備され、容器の3つの側面に置かれている窓はサンプルの写真を撮るための直接の方法を提供する。このガラスは正常にテストされ、低い膨張率、高い強さ、光透過率および化学安定性29の10 MPaガスまで抵抗することを証明した。

本論文では、新たに可視化され、定量のガス固体結合試験システムを用いてCO2-ベアリング石炭の単軸圧縮実験を行う手順について説明する。生の石炭粉末とフマテナトリウムを使用したサンプル、ならびに高圧CO2を注入し、単軸圧縮を行う連続したステップ。全体のサンプル変形プロセスは、カメラを使用して監視されます。この実験的アプローチは、ガスベアリング石炭の吸着誘発損傷および破壊進化特性を定量的に分析する別の方法を提供する。

Protocol

1. サンプル調製 新庄州炭鉱から4671B6作業面から生の石炭ブロックを回収します。なお、構造物の強度が低く緩いため、原石炭は壊れており、不純物と混ざっている可能性が高い。これらの内部および外的要因の影響を避けるだけでなく、石炭の不均質性を可能な限り減らすために、大きな石炭ブロック(長さ約15センチ、幅約10センチ、高さ10cm)を選択します。 石炭に混入した?…

Representative Results

ブリケットサンプルの平均質量は230gであった工業分析により、ブリケットは4.52%の水分含有量と15.52%の灰含有量を示した。さらに、揮発性含有量は約31.24%であった。フマテナトリウムを石炭から抽出したので、ブリケットの成分は生石炭に類似していた。物理的特性は表 2に表示されます。 生石炭とブリケッ?…

Discussion

高圧ガスの危険性を考慮すると、テスト中にいくつかの重要なステップが重要です。弁およびOリングは定期的に点検され、取り替えられるべきであり、点火の源は実験室で許可されるべきではない。手動圧力調整弁を使用する場合、実験者はバルブをゆっくりとねじり、可視化された容器内の圧力を徐々に増加させる必要があります。試験中に容器を分解しないでください。実験が終了した…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、中国国家主要科学機器開発プロジェクト(助成金第51427804号)と山東省国立自然科学財団(助成金第1号)によって支援されました。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