En enaxiell kompressions experiment med CO2-bärande kol med hjälp av en visualiseras och konstant volym gas-solid koppling test system
Summary
Detta protokoll visar hur man förbereder en briquette prov och genomföra en enaxiell kompressions experiment med en briquette i olika CO2 tryck med en visualiserad och konstant volym gas-solid koppling testsystem. Det syftar också till att undersöka förändringar i termer av kol fysiska och mekaniska egenskaper induceras av CO2 adsorption.
Abstract
Injicera koldioxid (CO2) i en djup kolsöm är av stor betydelse för att minska koncentrationen av växthusgaser i atmosfären och öka återvinningen av kolsyra metan. En visualiserad och konstant volym gas-solid kopplingssystem införs här för att undersöka påverkan av CO2 sorption på fysiska och mekaniska egenskaper av kol. Att kunna hålla en konstant volym och övervaka provet med hjälp av en kamera, detta system erbjuder potential att förbättra instrumentets noggrannhet och analysera fraktur Evolution med en fraktal geometri metod. Detta papper innehåller alla steg för att utföra en enaxiell kompressions experiment med en briquette prov i olika CO2 tryck med gas-solid koppling testsystem. En briquette, kallpressad av rå kol och natrium Humate cement, lastas i högtrycks CO2, och dess yta övervakas i realtid med hjälp av en kamera. Likheten mellan brikett och det råa kolet behöver dock fortfarande förbättras, och en brandfarlig gas som metan (CH4) kan inte injiceras för provet. Resultaten visar att CO2 sorption leder till topp styrka och elastisk Modulus reduktion av briquette, och fraktur utvecklingen av Briquette i ett misslyckande tillstånd indikerar fraktala egenskaper. Styrkan, elastisk Modulus, och fraktal dimensionen är alla korrelerade med CO2 tryck men inte med en linjär korrelation. Den visualiserade och konstant volym gas-solid koppling testsystem kan fungera som en plattform för experimentell forskning om bergmekanik med tanke på multifield koppling effekt.
Introduction
Den ökande koncentrationen av CO2 i atmosfären är en direkt faktor som orsakar den globala uppvärmningen effekt. På grund av den starka sorption kapacitet kol, CO2 upptagning i en kolsöm betraktas som en praktisk och miljövänlig sätt att minska den globala utsläpp av växthusgaser1,2,3. Samtidigt kan den injicerade Co2 ersätta CH4 och resultera i gasproduktion befordran i metangas metan Recovery (ecbm)4,5,6. De ekologiska och ekonomiska utsikterna för CO2 -bindning har nyligen uppmärksammats i hela världen bland forskare, samt bland olika internationella miljöskyddsgrupper och statliga organ.
Kol är en heterogen, strukturellt anisotropisk klippa består av en por, fraktur, och kol matris. Porstrukturen har en stor specifik yta, som kan adsorberas en stor mängd gas, spelar en viktig roll i gas bindning, och frakturen är den viktigaste vägen för fritt gas flöde7,8. Denna unika fysiska struktur leder till en stor gas adsorption kapacitet för CH4 och co2. Min gas deponeras i metangas i några former: (1) adsorberat på ytan av mikroporer och större porer; (2) absorberas i kol molekylära struktur; (3) som fri gas i frakturer och större porer; och (4) upplöst i insättnings vatten. Sorption beteende kol till CH4 och co2 orsakar matris svullnad, och ytterligare studier visar att det är en heterogen process och är relaterad till kol litotyper9,10,11. Dessutom kan gas sorption resultera i skador i konstitutiva förhållandet av kol12,13,14.
Det råa kol provet används vanligtvis i kol-och CO2 -kopplingsexperiment. Specifikt, en stor bit av rå kol från arbetsytan i en kolgruva skärs för att förbereda ett prov. Men de fysiska och mekaniska egenskaperna hos rå kol oundvikligen har en hög dispersion grad på grund av den slumpmässiga rumsliga fördelningen av naturliga porer och frakturer i en kolsöm. Dessutom är det gasbärande kol mjukt och svårt att omformas. Enligt principerna i den ortogonal experimentella metoden betraktas den briquette, som bereds med rå kolpulver och cement, som ett idealiskt material som används i kol sorptionsprovet15,16. Att vara kallpressad med metall dör, dess styrka kan förinställas och förblir stabil genom att justera mängden cement, som gynnar den jämförande analysen av enkelvariabeleffekten. Dessutom, även om porositet av Briquette provet är ~ 4-10 gånger, att den råa kol provet, liknande adsorption och desorption egenskaper och stress-stam kurva har hittats i den experimentella forskningen17,18 , 19 , 20. i detta dokument har ett system med liknande material för gasbärande kol antagits för beredning av Briquette21. Den råa kol togs från 4671B6 arbetar ansiktet i Xinzhuangzi kolgruva, Huainan, Anhui-provinsen, Kina. Kolsömmen är cirka 450 m under marknivå och 360 m under havsytan, och det dips på ca 15 ° och är cirka 1,6 m i tjocklek. Den höjd och diameter av Briquette provet är 100 mm och 50 mm, respektive, vilket är den rekommenderade storleken föreslagits av International Society for Rock mekanik (ISRM)22.
De tidigare enaxiella eller triaxiala Last provnings instrumenten för gasbärande kol experiment under laboratorieförhållanden har vissa brister och begränsningar, presenterade som stipendiater23,24,25,26 ,27,28: (1) under lastnings processen minskar fartygs volymen med kolven i rörelse, vilket leder till svängningar i gastrycket och störningar i gassorptionen. (2) realtid bild övervakning av prover, liksom omvärldsbevakning deformation mätningar i en hög gas tryck miljö, är svår att genomföra; (3) de är begränsade till stimulering av dynamiska belastnings störningar på förladdade prover för att analysera deras mekaniska responsegenskaper. För att förbättra instrumentets precision och datainsamling i det gas fasta kopplingsvillkoret har ett visualiserat och konstant volym testsystem29 utvecklats (figur 1), inklusive (1) ett visualiserat lastfartyg med en konstant volym kammare, som är kärna ur beståndsdelen; (2) en gas fyllning modul med en vakuum kanal, två fyllning kanaler, och en frigöra kanal; (3) en axiell lastmodul bestående av en elektrohydraulisk servo universell provningsmaskin och styrdator. (4) en modul för datainsamling bestående av en utrustning för mätning av omlokaliseringar, en gas trycks givare och en kamera vid fönstret för det visualiserade lastfartyget.
Det centrala visualiserade kärlet (figur 2) är särskilt utformat så att två justerings cylindrar är fixerade på den övre plattan och deras kolvar rör sig samtidigt med lastningen en genom en balk, och den sektions Area av lastkolv är lika med den summan av justercylindrarnas. Genom ett inre hål och mjuka rör ansluts högtrycks gasen i kärlet och de två cylindrarna. Därför, när kärlet lastning kolven rör sig nedåt och komprimerar gasen, kan denna struktur kompensera förändringen i volym och eliminera tryck störningar. Dessutom förhindras den enorma gasinducerade motkraften som utövar på kolven under provningen, vilket avsevärt förbättrar instrumentets säkerhet. Fönstren, som är utrustade med härdat borosilikatglas och ligger på tre sidor av fartyget, ger ett direkt sätt att ta ett fotografi av provet. Detta glas har framgångsrikt testats och visat sig motstå upp till 10 MPa gas med en låg expansions hastighet, hög hållfasthet, ljusgenomsläpplighet, och kemisk stabilitet29.
Denna uppsats beskriver förfarandet för att utföra en enaxiell kompressions experiment av CO2-bärande kol med den nya visualiseras och konstant volym gas-solid koppling testsystem, som innehåller en beskrivning av alla delar som förbereder en briquette prov med hjälp av rå kolpulver och natrium Humate, samt de successiva steg för att injicera högtryck CO2 och bedriva enaxiell kompression. Hela provet deformationsprocessen övervakas med hjälp av en kamera. Detta experimentella tillvägagångssätt erbjuder ett alternativt sätt att kvantitivt analysera den adsorption-inducerad skada och fraktur evolution kännetecken för gas-bärande kol.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med tanke på faran med högtrycks gas är vissa kritiska steg viktiga under provningen. Ventilerna och O-ringarna bör inspekteras och bytas ut regelbundet, och alla antändningskällor bör inte tillåtas i laboratoriet. När man använder den manuella tryckregleringsventilen bör försöksledaren vrida ventilen långsamt för att göra trycket i det visualiserade fartyget att öka successivt. Demontera inte kärlet under provningen. När experimentet är avslutat bör fartygets bakdörr öppnas efter den totala frisä…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Kinas nationella stora vetenskapliga instrument utvecklingsprojekt (Grant nr 51427804) och Shandong Province National Natural Science Foundation (Grant No. 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 |
References
- Mazzotti, M., Pini, R., Storti, G. Enhanced coalbed methane recovery. Journal of Supercritical Fluids. 47 (3), 619-627 (2009).
- Litynski, J., et al. U.S. Department of Energy’s Regional Carbon Sequestration Partnership Program: Overview. Energy Procedia. 1 (1), 3959-3967 (2009).
- Lackner, K. S. A Guide to CO2 Sequestration. Science. 300 (5626), 1677-1678 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Nie, B. S., Li, X. C., Cui, Y. J., Lu, H. Q. . Theory and application of gas migration in coal seam. , (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Larsen, J. W. The effects of dissolved CO2, on coal structure and properties. International Journal of Coal Geology. 57 (1), 63-70 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Barbara, D., et al. Balance of CO2/CH4 exchange sorption in a coal briquette. Fuel Processing Technology. 106 (2), 95-101 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ulusay, R. . The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007-2014. , (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Allen, T. . Particle Size Measure. , (1984).
- 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).
- 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).
- Xia, G. Z. . Study on density and refractive index of near-critical fluid. , (2009).
- Ruppel, T. C., Grein, C. T., Bienstock, D. Adsorption of methane on dry coal at elevated pressure. Fuel. 53 (3), 152-162 (1974).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
