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

A tek eksenli sıkıştırma deney ile CO2-rulman kömür kullanarak bir Visualized ve Constant-hacim gaz-katı kavrama test sistemi

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

Summary

Bu protokol, bir briket örneğinin nasıl hazırlanacağını ve farklı CO2 basınçlarında bir briket ile tek eksenli sıkıştırma deneyi görselleştirilen ve sabit hacimli gaz-katı bağlantı test sistemini kullanarak nasıl yapılacağını gösterir. Ayrıca, CO2 adsorpsiyon tarafından indüklenen kömür fiziksel ve mekanik özellikleri açısından değişiklikleri araştırmak amaçlamaktadır.

Abstract

Karbon dioksit enjekte (CO2) içine derin bir kömür dikiş atmosferinde sera gazlarının konsantrasyonu azaltmak için büyük öneme sahiptir ve kömür yatağı metan kurtarma artan. Bir görselleştirilmiş ve sabit hacimli gaz-katı bağlantı sistemi burada CO2 sorpsiyon kömür fiziksel ve mekanik özellikleri üzerinde etkisini araştırmak için tanıtıldı. Sabit bir hacim tutmak ve örnek bir kamera kullanarak izlemek mümkün olmak, bu sistem enstrüman doğruluğu geliştirmek ve fraktal geometri yöntemi ile kırık evriminin analiz potansiyeli sunuyor. Bu yazıda, farklı CO2 basınçlarında, gaz katı bağlantı testi sistemi ile bir briket örneği ile tek eksenli sıkıştırma deneyi gerçekleştirmek için tüm adımlar sağlanır. Ham kömür ve sodyum humat çimento ile soğuk basılmış bir briket, yüksek basınçlı CO2‘ ye yüklenir ve yüzeyi gerçek zamanlı olarak bir kamera kullanılarak izlenir. Ancak, Briket ve ham kömür arasındaki benzerlik hala iyileştirme ihtiyacı ve metan gibi yanıcı bir gaz (CH4) test için enjekte edilemez. Sonuç olarak, Co2 sorpsiyon, briketin en yüksek mukavemet ve elastik modülü azaltılmasına yol açar ve bir başarısızlık durumunda briket kırığı evrimi fraktal özellikleri gösterir. Güç, elastik Modulus ve Fraktal boyut tüm CO2 basıncı ile ilişkilidir, ancak doğrusal bir korelasyon ile. Görselleştirilen ve sabit hacimli gaz-katı bağlama test sistemi, multifield bağlantı efekti dikkate alınarak rock mekaniği hakkında deneysel araştırmalar için bir platform olarak hizmet verebilir.

Introduction

Atmosferdeki CO2 ‘ nin artan konsantrasyonu, küresel ısınma efektine neden olan doğrudan bir faktördür. Kömür güçlü sorpsiyon kapasitesi nedeniyle, bir kömür dikiş Co2 sekestrasyon sera gazı küresel emisyon azaltmak için pratik ve çevre dostu bir araç olarak kabul edilir1,2,3. Aynı zamanda, enjekte Co2 , CH4 ‘ ü değiştirebilir ve Coalbed metan iyileşme (ecbm)4,5,6‘ da gaz üretim promosyonuna neden olabilir. Co2 sekestrasyon ekolojik ve ekonomik umutları son zamanlarda araştırmacılar arasında dünya çapında dikkat çekti, yanı sıra farklı uluslararası çevre koruma grupları ve devlet kurumları arasında.

Kömür, bir gözenek, kırık ve kömür matrisinden oluşan heterojen, yapısal anisotropik bir kaya şeklindedir. Gözenek yapısı, gaz sequestration hayati bir rol oynarken, büyük miktarda gaz adsorbe, büyük bir özel yüzey alanı vardır ve kırık ücretsiz gaz akışı için ana yoldur7,5. Bu benzersiz fiziksel yapı, CH4 ve Co2için büyük bir gaz adsorpsiyon kapasitesine yol açar. Maden gazı birkaç formda kömür yatağında yatırılır: (1) Mikrogözenekler ve daha büyük gözenekler yüzeyinde adsorbe; (2) kömür moleküler yapısında absorbe; (3) kırıklar ve daha büyük gözenekler ücretsiz gaz olarak; ve (4) mevduat suyunda çözülür. Ko4 ve Co2 için kömür sorpsiyon davranış matris şişme nedenleri ve daha fazla çalışmalar bu heterojen bir süreçtir ve kömür litotypes ile ilgili olduğunu göstermektedir9,10,11. Buna ek olarak, gaz Sorpsiyonu kömür kurucu ilişkisi hasar neden olabilir12,13,14.

Ham kömür örneği genellikle kömür ve CO2 kavrama deneylerinde kullanılır. Özellikle, bir kömür madeninde çalışan yüz ham kömür büyük bir parçası bir örnek hazırlamak için kesilir. Ancak, ham kömür fiziksel ve mekanik özellikleri kaçınılmaz bir kömür dikiş doğal gözenekleri ve kırıklar rasgele uzamsal dağılımı nedeniyle yüksek dağılım derecesi var. Dahası, gaz taşıyan kömür yumuşak ve yeniden şekillendirilmelidir zordur. Ortogonal deneysel yöntemin ilkelerine göre, ham kömür tozu ve çimento ile reconstituted briket, kömür sorpsiyon testi kullanılan ideal bir malzeme olarak kabul edilir15,16. Metal ile soğuk preslenmiş olmak, gücü önceden ayarlanmış olabilir ve tek değişkenli etkisi karşılaştırmalı analiz faydaları çimento, miktarını ayarlayarak kararlı kalır. Ayrıca, briket numunesi gözenekliliği ~ 4-10 kez ise, ham kömür numunesi, benzer adsorpsiyon ve desorpsiyon özellikleri ve stres-gerinim eğrisi deneysel araştırma bulunmuştur17,18 , 19 , 20. Bu yazıda, gaz taşıyan kömür için benzer bir malzeme şeması briket21hazırlamak için benimsenmiştir. Ham kömür, Xinzhuangzi kömür madeni, Huainan, Anhui eyaleti, Çin ‘de 4671B6 çalışma yüzü alınmıştır. Kömür dikiş yaklaşık 450 m zemin seviyesinde ve 360 m deniz seviyesinin altında, ve yaklaşık 15 ° ‘ de dips ve kalınlıkta neredeyse 1,6 m. Briket numunesi yüksekliği ve çapı 100 mm ve 50 mm ‘dir, sırasıyla Uluslararası kaya mekaniği Derneği (ıSRM)22tarafından önerilen boyuttadır.

Laboratuvar koşullarında gaz taşıyan kömür deneyleri için önceki tek eksenli veya Triaksiyel yükleme test aletleri, arkadaşlar23,24,25,26 olarak sunulan bazı eksiklik ve sınırlamalar var ,27,28: (1) yükleme işlemi sırasında, gemi hacmi piston hareket ile azalır, gaz basıncında dalgalanmalara neden ve gaz Sorpsiyonu bozuklukları; (2) numunelerin gerçek zamanlı görüntü izleme yanı sıra yüksek gaz basıncı ortamında çevresel deformasyon ölçümleri, yürütmek zordur; (3) onlar mekanik yanıt özelliklerini analiz etmek için önceden yüklenmiş numunelerde dinamik yük bozuklukları stimülasyon ile sınırlıdır. Gaz-katı bağlama koşulunda enstrüman hassasiyetini ve veri alımını iyileştirmek için, (1) bir görselleştirme ile bir görselleştirilmiş yükleme gemisi de dahil olmak üzere, bir görselleştirilmiş ve sabit hacimli test sistemi29 geliştirilmiştir (Şekil 1) çekirdek bileşeni olan sabit hacim odası; (2) bir vakum kanalı ile bir gaz dolum modülü, iki dolum kanalları, ve bir serbest Kanal; (3) bir elektro-hidrolik servo üniversal test makinesi ve kontrol bilgisayardan oluşan bir Aksiyel yükleme modülü; (4) bir veri edinme modülü bir çevresel Deplasman Ölçüm aparatı oluşan, bir gaz basıncı sensörü, ve görselleştirilmiş yükleme gemisi penceresinde bir kamera.

Çekirdek görselleştirilmiş gemi (Şekil 2), iki ayar silindirinin üst plakaya sabitlenmesine ve pistonların aynı anda bir kiriş üzerinden yükleme ile hareket etmesi ve yükleme pistonunun kesit alanı ile aynı şekilde tasarlanmıştır. ayar silindirlerinin toplamı. Bir iç delik ve yumuşak borulardan akan, gemide yüksek basınçlı gaz ve iki silindir bağlanır. Bu nedenle, gemi yükleme pistonlu aşağı hareket ettiğinde ve gaz sıkıştırır, bu yapı hacim değişikliği ofset ve basınç paraziti ortadan kaldırabilir. Buna ek olarak, piston üzerinde uygulanan devasa gaz kaynaklı karşı kuvvet, test sırasında cihazın güvenliğini önemli ölçüde arttırarak engellenir. Temperli borosilikat cam ile donatılmış ve geminin üç tarafında bulunan pencereler, numunenin bir fotoğrafını çekmek için doğrudan bir yol sağlar. Bu cam başarıyla test edilmiş ve düşük genişleme oranı, yüksek mukavemetli, ışık geçirgenliği ve kimyasal istikrar29Ile 10 MPa gaz kadar direnmeye kanıtlanmıştır.

Bu yazıda, bir briket hazırlamak tüm parçaların açıklamasını içeren yeni görselleştirilmiş ve sabit hacimli gaz-katı bağlantı test sistemi ile CO2-rulman kömür bir tek eksenli sıkıştırma deneyi gerçekleştirmek için prosedür açıklanır ham kömür tozu ve sodyum humat kullanarak örnek, hem de yüksek basınç CO2 enjekte ve tek eksenli sıkıştırma davranış ardışık adımlar. Tüm örnek deformasyon işlemi bir kamera kullanılarak izlenir. Bu deneysel yaklaşım, gaz taşıyan kömürün adsorpsiyon kaynaklı hasarı ve kırık evrimini karakteristik olarak analiz etmenin alternatif bir yolunu sunar.

Protocol

1. numune hazırlama Xinzhuangzi kömür madeninden 4671B6 çalışma yüzü ham kömür blokları toplayın. Düşük mukavemet ve yapının gevşemesi nedeniyle, çiğ kömür kırık ve muhtemelen kirleri ile karışık olduğunu unutmayın. Bu iç ve dış faktörlerin etkisini önlemek için, yanı sıra mümkün olduğunca kömür inhomojenliği azaltmak, büyük kömür blokları seçin (yaklaşık 15 cm uzunluğunda, 10 cm genişliğinde, ve 10 cm yüksekliğinde). Kömür karışık kirleri k…

Representative Results

Briket örneğinin ortalama kütlesi 230 g idi. Endüstriyel analizlere bağlı olarak, briket% 4,52 nem içeriği ve% 15,52 ‘ lik bir kül içeriği sergiledi. Ayrıca, uçucu içerik yaklaşık% 31,24 oldu. Sodyum humat kömür elde edildi gibi, briket bileşenleri ham kömür benzer. Fiziksel özellikler Tablo 2’ de görüntülenir. Ham kömür ve briket arasındaki mekanik özelliklerin karşılaştırılmas…

Discussion

Yüksek basınçlı gaz tehlikesi göz önüne alındığında, test sırasında bazı kritik adımlar önemlidir. Vanalar ve O halkalar düzenli olarak denetlenmeli ve değiştirilmesi gerekir ve herhangi bir ateşleme kaynağı laboratuvarda izin verilmez. Manuel basınç düzenleyen vanayı kullanırken, deney kapağı yavaş yavaş görselleştirilmiş damar artışı basınç yapmak için vana büküm gerekir. Test sırasında geminin parçalarına ayırmayın. Deney bittiğinde, geminin arka kapısı yüksek basın…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma Çin Ulusal Major bilimsel enstrümanlar geliştirme projesi (Grant No. 51427804) ve Shandong Eyaleti Ulusal Doğal Bilim Vakfı (Grant Hayır tarafından desteklenmektedir. 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