Une expérience de compression uniaxiale avec co2-Bearing Coal using a Visualized and Constant-Volume Gas-Solid Coupling Test System

Summary

Ce protocole montre comment préparer un échantillon de briquette et mener une expérience de compression uniaxiale avec une briquette dans différentes pressions de CO₂ à l’aide d’un système d’essai de couplage gaz-solide visualisé et à volume constant. Il vise également à étudier les changements en termes de propriétés physiques et mécaniques du charbon induits par l’adsorption co 2.

Abstract

L’injection de dioxyde de carbone (CO₂) dans une veine de charbon profonde est d’une grande importance pour réduire la concentration de gaz à effet de serre dans l’atmosphère et accroître la récupération du méthane des gisements houillers. Un système d’accouplement gazeux-solide à volume constant est introduit ici pour étudier l’influence de la sorption de CO₂ sur les propriétés physiques et mécaniques du charbon. Capable de maintenir un volume constant et de surveiller l’échantillon à l’aide d’une caméra, ce système offre le potentiel d’améliorer la précision des instruments et d’analyser l’évolution des fractures à l’aide d’une méthode de géométrie fractale. Cet article fournit toutes les étapes pour effectuer une expérience de compression uniaxiale avec un échantillon de briquette dans différentes pressions de CO₂ avec le système de test d’accouplement gaz-solide. Une briquette, pressée à froid par le charbon brut et le ciment humate de sodium, est chargée dans le CO₂à haute pression, et sa surface est surveillée en temps réel à l’aide d’une caméra. Cependant, la similitude entre la briquette et le charbon brut doit encore être améliorée, et un gaz inflammable comme le méthane (CH₄) ne peut pas être injecté pour l’essai. Les résultats montrent que la sorption de CO₂ mène à la résistance de pointe et à la réduction élastique de modulus de la briquette, et l’évolution de rupture de la briquette dans un état de défaillance indique des caractéristiques fractales. La force, le modulus élastique et la dimension fractale sont tous corrélés avec la pression du CO_2, mais pas avec une corrélation linéaire. Le système d’essai d’accouplement gazeux et à volume constant visualisé peut servir de plate-forme pour la recherche expérimentale sur la mécanique des roches compte tenu de l’effet d’accouplement multichamps.

Introduction

La concentration croissante de CO₂ dans l’atmosphère est un facteur direct à l’origine de l’effet du réchauffement climatique. En raison de la forte capacité de sorption du charbon, la séquestration du CO₂ dans une veine de charbon est considérée comme un moyen pratique et respectueux de l’environnement pour réduire les émissions mondiales de gaz à effet de serre^1,2,3. Dans le même temps, le CO₂ injecté peut remplacer le CH₄ et entraîner la promotion de la production de gaz dans la récupération du méthane de houille (ECBM)^4,5,6. Les perspectives écologiques et économiques de la séquestration du CO₂ ont récemment attiré l’attention du monde entier parmi les chercheurs, ainsi que parmi les différents groupes internationaux de protection de l’environnement et les organismes gouvernementaux.

Le charbon est une roche hétérogène et structurellement anisotrope composée d’une matrice de pores, de fractures et de charbon. La structure des pores a une grande surface spécifique, qui peut adsorb une grande quantité de gaz, jouant un rôle vital dans la séquestration du gaz, et la fracture est le chemin principal pour le flux de gaz libre^7,8. Cette structure physique unique conduit à une grande capacité d’adsorption de gaz pour CH₄ et CO₂. Le gaz de mine est déposé dans le lit de houille sous quelques formes : (1) adsorbé à la surface des micropores et des pores plus grands; (2) absorbédans la structure moléculaire du charbon; (3) comme gaz libre dans les fractures et les pores plus grands; et (4) dissous dans l’eau du dépôt. Le comportement de sorption du charbon au CH₄ et co₂ provoque l’enflure de matrice, et d’autres études démontrent qu’il s’agit d’un processus hétérogène et est lié aux lithotypes de charbon^9,10,11. En outre, la sorption de gaz peut entraîner des dommages dans la relation constitutive du charbon^12,13,14.

L’échantillon de charbon brut est généralement utilisé dans les expériences de couplage de charbon et de CO 2. Plus précisément, un gros morceau de charbon brut provenant du visage de travail dans une mine de charbon est coupé pour préparer un échantillon. Cependant, les propriétés physiques et mécaniques du charbon brut ont inévitablement un degré de dispersion élevé en raison de la distribution spatiale aléatoire des pores naturels et des fractures dans une couture de charbon. De plus, le charbon gazeux est doux et difficile à remodeler. Selon les principes de la méthode expérimentale orthogonale, la briquette, qui est reconstituée avec de la poudre de charbon brut et du ciment, est considérée comme un matériau idéal utilisé dans le test de sorption de charbon^15,16. Pressé à froid avec des matrices métalliques, sa résistance peut être préfixée et reste stable en ajustant la quantité de ciment, ce qui profite à l’analyse comparative de l’effet à une seule variable. De plus, bien que la porosité de l’échantillon de briquette soit de 4 à 10 fois, celle de l’échantillon de charbon brut, des caractéristiques similaires d’adsorption et de desorption et de la courbe de contrainte-souche ont été trouvées dans la recherche expérimentale^{17,18 , 19 ans,} états-unis qui ^{, 20}. Dans ce document, un schéma d’un matériau similaire pour le charbon gazeux a été adopté pour préparer la briquette²¹. Le charbon brut a été prélevé sur le visage de travail 4671B6 dans la mine de charbon de Xinzhuangzi, Huainan, province d’Anhui, Chine. La veine de charbon est d’environ 450 m sous le niveau du sol et 360 m sous le niveau de la mer, et elle plonge à environ 15 degrés et est d’environ 1,6 m d’épaisseur. La hauteur et le diamètre de l’échantillon de briquette sont respectivement de 100 mm et 50 mm, soit la taille recommandée par l’International Society for Rock Mechanics (ISRM)²².

Les précédents instruments d’essai de chargement uniaxial ou triaxial pour les expériences sur le charbon gazeux dans des conditions de laboratoire présentent certaines pénuries et limitations, présentés comme boursiers^{23,24,25,26 ,27,28}: (1) pendant le processus de chargement, le volume du navire diminue avec le déplacement du piston, provoquant des fluctuations de la pression du gaz et des perturbations dans la sorption de gaz; (2) la surveillance d’image en temps réel des échantillons, ainsi que les mesures circonférences de déformation dans un environnement à haute pression de gaz, est difficile à conduire; (3) ils se limitent à la stimulation des perturbations dynamiques de la charge sur les échantillons préchargés afin d’analyser leurs caractéristiques de réponse mécanique. Afin d’améliorer la précision des instruments et l’acquisition de données dans l’état d’accouplement gazeux, un système d’essai visualisé et à volume constant²⁹ a été mis au point (figure 1), y compris (1) un navire de chargement visualisé avec un chambre à volume constant, qui est la composante centrale; (2) un module de remplissage de gaz avec un canal de vide, deux canaux de remplissage, et un canal de libération; (3) un module de chargement axial composé d’une machine d’essai et d’un ordinateur de contrôle universels servo électro-hydrauliques; (4) un module d’acquisition de données composé d’un appareil de mesure du déplacement circonférence, d’un capteur de pression de gaz et d’une caméra à la fenêtre du navire de chargement visualisé.

Le vaisseau visualisé de base (Figure 2) est spécialement conçu de sorte que deux cylindres d’ajustage sont fixés sur la plaque supérieure et leurs pistons se déplacent simultanément avec le chargement d’un à travers un faisceau, et la zone sectionnelle du piston de chargement est égale à la somme de celle des cylindres d’ajustement. Flottant à travers un trou intérieur et des tuyaux mous, le gaz à haute pression dans le navire et les deux cylindres est connecté. Par conséquent, lorsque le piston de chargement du navire se déplace vers le bas et comprime le gaz, cette structure peut compenser le changement de volume et éliminer les interférences de pression. En outre, l’énorme contre-force induite par le gaz exercée sur le piston est empêchée pendant l’essai, améliorant considérablement la sécurité de l’instrument. Les fenêtres, qui sont équipées de verre borosilicate trempé et situé sur trois côtés du navire, fournissent un moyen direct de prendre une photographie de l’échantillon. Ce verre a été testé avec succès et s’est avéré résister jusqu’à 10 mPa de gaz avec un faible taux d’expansion, haute résistance, transmission de la lumière, et la stabilité chimique²⁹.

Cet article décrit la procédure pour effectuer une expériencede compression uniaxiale de charbon co 2-portant avec le nouveau système visualisé et à volume constant d’essai de couplage gaz-solide, qui inclut la description de toutes les pièces qui préparent une briquette échantillon à l’aide de poudre de charbon brut et de humate de sodium, ainsi que les étapes successives pour injecter du CO₂ à haute pression et effectuer une compression uniaxiale. L’ensemble du processus de déformation de l’échantillon est surveillé à l’aide d’une caméra. Cette approche expérimentale offre une autre façon d’analyser de façon quantitive les dommages causés par l’adsorption et l’évolution des fractures caractéristiques du charbon gazeux.

Protocol

1. Préparation de l’échantillon Recueillir des blocs de charbon brut de la face de travail 4671B6 de la mine de charbon Xinzhuangzi. Notez que, en raison de la faible résistance et le relâchement de la structure, le charbon brut est cassé et probablement mélangé avec des impuretés. Pour éviter l’influence de ces facteurs internes et externes, ainsi que pour réduire autant que possible l’inhomogénéité du charbon, sélectionnez de grands blocs de charbon (environ 15 cm de long, 10 cm de large et 10 c…

Representative Results

La masse moyenne de l’échantillon de briquette était de 230 g. Selon l’analyse industrielle, la briquette présentait une teneur en humidité de 4,52 % et une teneur en cendres de 15,52 %. De plus, le contenu volatil était d’environ 31,24 %. Comme le humate de sodium a été extrait du charbon, les composants de la briquette étaient semblables au charbon brut. Les caractéristiques physiques sont affichées dans le tableau 2. <p class="jove_content" fo:keep-togeth…

Discussion

Compte tenu du danger de gaz à haute pression, certaines étapes critiques sont importantes pendant l’essai. Les vannes et les anneaux O doivent être inspectés et remplacés régulièrement, et toute source d’inflammation ne doit pas être autorisée en laboratoire. Lors de l’utilisation de la soupape de régulation de la pression manuelle, l’expérimentateur doit tordre la valve lentement pour faire augmenter progressivement la pression dans le récipient visualisé. Ne démontez pas le navire pendant l’essai. Lorsqu…

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