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

Эксперимент по uniaxial Сжатию с CO2-Bearing Coal с использованием визуализированной и постоянно-объемной газо-твердой системы сцепления

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

Summary

Этот протокол демонстрирует, как подготовить образец брикета и провести эксперимент по однооясному сжатию с брикетом в различных давлениях CO2 с использованием визуализированной и постоянной газовой системы тестирования соединения. Она также направлена на изучение изменений с точки зрения физических и механических свойств угля, индуцированных CO2 адсорпцией.

Abstract

Инъекция двуокиси углерода (CO2) в глубокий угольный пласт имеет большое значение для снижения концентрации парниковых газов в атмосфере и увеличения извлечения метана угольного пласта. Здесь внедряется визуализированная и постоянно-объемная газотвердая система связи для исследования влияния сорбции CO2 на физические и механические свойства угля. Будучи в состоянии держать постоянный объем и контролировать образец с помощью камеры, эта система предлагает потенциал для повышения точности прибора и анализа эволюции перелома с помощью метода фрактальной геометрии. Эта статья предоставляет все шаги для выполнения эксперимента по однооаксиальному сжатию с образцом брикета в различных давлениях CO2 с газотвердой системой тестирования соединения. Брикет, холодного отжима сырого угля и цемента натрия humate, загружается в CO2высокого давления, и его поверхность контролируется в режиме реального времени с помощью камеры. Однако сходство между брикетом и сырым углем все еще нуждается вулучшении, и горючий газ, такой как метан (CH 4), не может быть введен для испытания. Результаты показывают, что сорбция CO2 приводит к пиковой прочности и упругому модулю сокращения брикета, а эволюция перелома брикета в состоянии отказа указывает на фрактальные характеристики. Прочность, упругий модуль и фрактальный размеры коррелируют с давлением CO2, но не с линейной корреляцией. Визуализированная и постояннообъемная газотвердая система тестирования соединения может служить платформой для экспериментальных исследований о механике горных пород с учетом эффекта многополевого соединения.

Introduction

Растущая концентрация CO2 в атмосфере является прямым фактором, вызывающим эффект глобального потепления. Из-за сильной мощности сорбции угля, поглощение CO2 в угольном пласте рассматривается как практическое и экологически чистое средство для сокращения глобальных выбросов парниковых газов1,2,3. В то же время, впрыснутый CO2 может заменить CH4 и привести к продвижению добычи газа в углепромере извлечения метана (ECBM) 4,5,6. Экологические и экономические перспективы секвестра CO2 в последнее время привлекают внимание всего мира среди исследователей, а также среди различных международных групп по охране окружающей среды и правительственных учреждений.

Уголь является неоднородной, структурно анизотропной породой, состоящей из пор, перелома и угольной матрицы. Структура пор имеет большую специфическую площадь поверхности, которая может адсорбировать большое количество газа, играя жизненно важную роль в улавливании газа, а перелом является основным путем для свободного потока газа7,8. Эта уникальная физическая структура приводит к большой мощности адсорбции газа для CH4 и CO2. Шахтный газ откладывается в угольных пластах в нескольких формах: (1) адсорбируется на поверхности микропор и более крупных пор; (2) поглощается в молекулярной структуре угля; (3) как свободный газ при переломах и больших порах; и (4) растворяется в депозитной воде. Сорбционное поведение угля до CH4 и CO2 вызывает отек матрицы, и дальнейшие исследования показывают, что это неоднородный процесс и связан с литотипами угля9,10,11. Кроме того, газососение может привести к повреждению составной связи угля12,13,14.

Образец сырого угля обычно используется в экспериментах по совмещению угля и CO 2. В частности, большой кусок сырого угля с рабочего лица в угольной шахте вырезается для подготовки образца. Однако физические и механические свойства сырого угля неизбежно имеют высокую степень дисперсии из-за случайного пространственного распределения естественных пор и переломов в угольном пласте. Кроме того, газоносный уголь является мягким и трудно поддавив сяртый. В соответствии с принципами ортогонального экспериментального метода, брикет, который воссоздан с сырым угольным порошком и цементом, считается идеальным материалом, используемым в тесте сорбции угля15,16. Будучи холодным нажатием с металлом умирает, его прочность может быть предустановленной и остается стабильным путем корректировки количества цемента, который приносит пользу сравнительный анализ однопеременного эффекта. Кроме того, хотя пористость образца брикета составляет 4-10 раз, что из образца сырого угля, аналогичные характеристики адсорбции и десорбции и стресс-напряжение кривой были найдены в экспериментальных исследованиях17,18 , 19 лет , 20. В этом документе была принята схема аналогичного материала для газоносного угля для подготовки брикета21. Сырой уголь был взят из 4671B6 рабочего лица в Синьчжуанцзи угольной шахте, Хуайнань, провинция Аньхой, Китай. Угольный пласт находится примерно на 450 м ниже уровня земли и на 360 м ниже уровня моря, а толщина около 15 градусов и составляет около 1,6 м. Высота и диаметр образца брикета составляют 100 мм и 50 мм соответственно, что является рекомендуемым размером, предложенным Международным обществом рок-механики (ISRM)22.

Предыдущие uniaxial или триосиальные инструменты испытания нагрузки для газовых экспериментов угля в лабораторных условиях имеют некоторые недостатки и ограничения, представленные как стипендиаты23,24,25,26 ,27,28: (1) во время процесса погрузки, объем судна уменьшается при движении поршня, вызывая колебания давления газа и нарушения в газоподъемности; (2) трудно проводить мониторинг изображений образцов в режиме реального времени, а также измерения окружной деформации в условиях высокого давления газа; (3) они ограничиваются стимуляцией динамических нарушений нагрузки на предварительно загруженные образцы для анализа их механических характеристик реакции. Для повышения точности прибора и получения данных в газотвердом состоянии соединения была разработана визуализированная и постоянная система испытаний(рисунок1), включая (1) визуализированное погрузочное судно с постоянная камера громкости, которая является основным компонентом; (2) модуль газозаполнения с вакуумным каналом, двумя каналами заполнения и каналом выпуска; (3) осевой погрузочный модуль, состоящий из электрогидравлического сервопривода универсального испытательного аппарата и управляющего компьютера; (4) модуль сбора данных, состоящий из прибора измерения окружного смещения, датчика давления газа и камеры в окне визуализированного погрузочного судна.

Ядро визуализированного судна(рисунок 2) специально разработан так, что два регулирующих цилиндра фиксируются на верхней пластине и их поршни двигаться одновременно с погрузкой один через луч, и секционная область погрузочного поршня равна суммы регулировки цилиндров. Протекает внутреннее отверстие и мягкие трубы, связан газ высокого давления в сосуде и двух цилиндрах. Поэтому, когда погрузочный поршень перемещается вниз и сжимает газ, эта структура может компенсировать изменение объема и устранить помехи давления. Кроме того, во время испытания предотвращается огромная газо-индуцированная контрсила, прилагающая к поршеню, что значительно повышает безопасность прибора. Окна, которые оснащены закаленного боросиликатного стекла и расположены с трех сторон судна, обеспечивают прямой способ сфотографировать образец. Это стекло было успешно протестировано и доказало, что сопротивляется до 10 MPa газа с низкой скоростью расширения, высокой прочностью, световой передачей, и химической стабильности29.

В настоящем документе описывается процедура проведения экспериментапо однооядному сжатию сосущего CO 2-подшипникового угля с новой визуализированной и постоянно-объемной газотвердой системой испытаний соединения, которая включает описание всех частей, которые готовят брикет образец с использованием сырого угольного порошка и хмата натрия, а также последовательные шаги по введению CO2 высокого давления и проведению одноосного сжатия. Весь процесс деформации образца контролируется с помощью камеры. Этот экспериментальный подход предлагает альтернативный способ количественно госанализа разрушений, вызванных адсорбцией, и эволюции переломов, характерных для газоносного угля.

Protocol

1. Подготовка образца Соберите сырые угольные блоки с рабочего лица 4671B6 с угольной шахты Синьчжуанцзи. Обратите внимание, что из-за низкой прочности и распущенности конструкции, сырой уголь нарушается и, вероятно, смешивается с примесями. Чтобы избежать влияния этих внутренних и в?…

Representative Results

Средняя масса образца брикета составила 230 г. В зависимости от промышленного анализа брикет показал содержание влаги в 4,52% и содержание золы 15,52%. Кроме того, летучий контент составил примерно 31,24%. Поскольку хмат натрия был извлечен из угля, компоненты брикета были похо?…

Discussion

Учитывая опасность газа высокого давления, некоторые критические шаги имеют важное значение во время испытания. Клапаны и кольца O должны регулярно проверяться и заменяться, и любой источник зажигания не должен допускаться в лабораторию. При использовании ручного клапана, регулирующе…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана Китайским национальным проектом развития научных инструментов (Грант No 51427804) и Национальным фондом естественных наук провинции Шаньдун (Грант No. NO2017MEE023).

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