Summary

Ein uniaxiales Kompressionsexperiment mit CO2-Lagerkohle mit einem visualisierten und konstantvolumigen Gas-Solid-Kopplungs-Testsystem

Published: June 12, 2019
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Summary

Dieses Protokoll zeigt, wie eine Brikettprobe vorbereitet wird und ein uniaxiales Kompressionsexperiment mit einem Brikett in verschiedenen CO2-Drücken mit einem visualisierten und konstanten Gas-Fest-Kopplungstestsystem durchgeführt wird. Außerdem sollen Veränderungen in Bezug auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Kohle untersucht werden, die durch die CO2-Adsorption induziert werden.

Abstract

Die Injektion vonKohlendioxid (CO2 ) in eine tiefe Kohlenflöz ist von großer Bedeutung für die Verringerung der Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre und die Erhöhung der Rückgewinnung von Kohlenmethan. Hier wird ein visualisiertes und volumengleich gasfestes Kopplungssystem eingeführt, um den Einfluss der CO2-Sorpttion auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Kohle zu untersuchen. Da dieses System in der Lage ist, ein konstantes Volumen zu halten und die Probe mit einer Kamera zu überwachen, bietet es das Potenzial, die Instrumentengenauigkeit zu verbessern und die Bruchentwicklung mit einer fraktalen Geometriemethode zu analysieren. Dieses Papier enthält alle Schritte, um ein uniaxiales Kompressionsexperiment mit einer Brikettprobe in verschiedenen CO2-Drücken mit dem Gas-Fest-Kupplungsprüfsystem durchzuführen. Ein Brikett, kaltgepresst durch Rohkohle und Natriumhumatezement, wirdin Hochdruck-CO2 geladen und seine Oberfläche wird in Echtzeit mit einer Kamera überwacht. Die Ähnlichkeit zwischen Brikett und Rohkohle muss jedoch noch verbessert werden, und einbrennbares Gas wie Methan (CH 4) kann für den Test nicht injiziert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass CO 2-Sorption führt zu Spitzenfestigkeit und elastische Modulreduktion der Briketts, und die Frakturentwicklung der Brikettin in einem Ausfallzustand zeigt fraktale Eigenschaften. Die Festigkeit, der elastische Modul und die fraktale Dimension sind alle mit dem CO2-Druck korreliert, jedoch nicht mit einer linearen Korrelation. Das visualisierte und volumengleich gasfeste Kopplungsprüfsystem kann als Plattform für experimentelle Forschungen zur Gesteinsmechanik unter Berücksichtigung des Multifield-Kopplungseffekts dienen.

Introduction

Die zunehmende Konzentration von CO2 in der Atmosphäre ist ein direkter Faktor, der den Globalen Erwärmungseffekt verursacht. Aufgrund der starken Sorptionskapazität von Kohle wird die CO2-Sequestrierung in einer Kohleflöz als praktisches und umweltfreundliches Mittel zur Verringerung der weltweiten Emission von Treibhausgasen1,2,3angesehen. Gleichzeitig kann das injizierteCO2 CH4 ersetzen und zur Förderung der Gasförderung bei der Gewinnung von Kohlenmethan (ECBM)4,5,6führen. Die ökologischen und wirtschaftlichen Aussichten der CO2-Sequestrierung haben in jüngster Zeit weltweit Aufmerksamkeit bei Forschern sowie bei verschiedenen internationalen Umweltschutzgruppen und Regierungsbehörden erregt.

Kohle ist ein heterogenes, strukturell anisotropes Gestein, das aus einer Pore, einer Fraktur und einer Kohlematrix besteht. Die Porenstruktur hat eine große spezifische Oberfläche, die eine große Menge gasadsorbieren kann, spielt eine wichtige Rolle bei der Gassequestrierung, und die Fraktur ist der Hauptweg für freien Gasfluss7,8. Diese einzigartige physikalische Struktur führt zu einer großen Gasadsorptionskapazität für CH4 und CO2. Grubengas wird in einer Koalvierung in einigen Formen abgelagert: (1) adsorbiert auf der Oberfläche von Mikroporen und größeren Poren; (2) in die Kohlenmolekülstruktur aufgenommen werden; (3) als freies Gas in Frakturen und größeren Poren; und (4) in Ablagerungswasser gelöst. Das Sorptionsverhalten von Kohle zu CH4 und CO2 verursacht Matrixschwellungen, und weitere Studien zeigen, dass es sich um einen heterogenen Prozess handelt und mit den Kohlelithotypen9,10,11zusammenhängt. Darüber hinaus kann die Gassorption zu Schäden im konstitutiven Verhältnis von Kohle12,13,14führen.

Die Rohkohleprobe wird in der Regel in Kohle- und CO2-Kopplungsexperimenten verwendet. Insbesondere wird ein großes Stück Rohkohle aus der Arbeitsfläche in einem Kohlebergwerk geschnitten, um eine Probe vorzubereiten. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Rohkohle haben jedoch aufgrund der zufälligen räumlichen Verteilung natürlicher Poren und Brüche in einer Kohleflöz unweigerlich einen hohen Dispersionsgrad. Darüber hinaus ist die gasführende Kohle weich und schwer umzuformen. Nach den Prinzipien der orthogonalen Versuchsmethode gilt das Brikett, das mit Rohkohlepulver und Zement rekonstituiert wird, als ideales Material, das im Kohlesorptionstest15,16verwendet wird. Da sie mit Metalldüsen kaltgepresst wird, kann ihre Festigkeit voreingestellt werden und bleibt stabil, indem die Zementmenge angepasst wird, was der vergleichenden Analyse des einvariablen Effekts zugute kommt. Obwohl die Porosität der Brikettprobe das 4-10-fache beträgt, wurden in der experimentellen Forschung ähnliche Adsorptions- und Desorptionseigenschaften und Spannungs-Dehnungs-Kurve gefunden17,18 , 19 , 20. In diesem Papier wurde ein Schema eines ähnlichen Materials für gashaltige Kohle zur Herstellung des Briketts21angenommen. Die Rohkohle wurde aus dem 4671B6 Arbeitsgesicht in der Xinzhuangzi Kohlemine, Huainan, Provinz Anhui, China genommen. Die Kohlenflöze ist etwa 450 m unter dem Boden und 360 m unter dem Meeresspiegel, sinkt bei etwa 15° und ist etwa 1,6 m dick. Die Höhe und der Durchmesser der Brikettprobe betragen 100 mm bzw. 50 mm, was der empfohlenen Größe entspricht, die von der International Society for Rock Mechanics (ISRM)22empfohlen wird.

Die bisherigen uniaxialen oder triaxialen Belastungsprüfgeräte für gasgelagerte Kohleexperimente unter Laborbedingungen haben einige Engpässe und Grenzen, dargestellt als Stipendiaten23,24,25,26 ,27,28: (1) während des Ladevorgangs nimmt das Behältervolumen mit der Bewegung des Kolbens ab, was zu Schwankungen des Gasdrucks und Störungen der Gassorption führt; (2) Die Echtzeit-Bildüberwachung von Proben sowie umlaufende Verformungsmessungen in einer Umgebung mit hohem Gasdruck sind schwierig durchzuführen; (3) Sie beschränken sich auf die Stimulierung dynamischer Laststörungen an vorbelasteten Proben zur Analyse ihrer mechanischen Reaktionseigenschaften. Um die Gerätegenauigkeit und Datenerfassung im Zustand der Gas-Festkupplung zu verbessern, wurde ein visualisiertes und volumengleich gelastetes Prüfsystem29 entwickelt (Abbildung 1), einschließlich (1) eines visualisierten konstante Volumenkammer, die die Kernkomponente ist; (2) ein Gasfüllmodul mit einem Vakuumkanal, zwei Füllkanälen und einem Freigabekanal; (3) ein axiales Lademodul, das aus einer elektrohydraulischen Servo-Universalprüfmaschine und einem Steuerrechner besteht; (4) ein Datenerfassungsmodul, das aus einem Umfänger-Verdrängungsmessgerät, einem Gasdrucksensor und einer Kamera am Fenster des visualisierten Ladebehälters besteht.

Das magnetisierte Kerngefäß (Abbildung 2) ist speziell so konzipiert, dass zwei Verstellzylinder auf der oberen Platte befestigt sind und ihre Kolben sich gleichzeitig mit dem Ladebehälter durch einen Strahl bewegen, und die Schnittfläche des Ladekolbens gleich dem Summe der der Einstellzylinder. Durch ein inneres Loch und weiche Rohre fließt das Hochdruckgas im Behälter und die beiden Zylinder sind miteinander verbunden. Wenn sich der Behälterladekolben nach unten bewegt und das Gas komprimiert, kann diese Struktur die Volumenänderung ausgleichen und Druckstörungen eliminieren. Darüber hinaus wird die enorme gasinduzierte Gegenkraft, die auf den Kolben ausgeübt wird, während des Tests verhindert, was die Sicherheit des Instruments erheblich verbessert. Die Fenster, die mit gehärtetem Borosilikatglas ausgestattet sind und sich auf drei Seiten des Schiffes befinden, bieten eine direkte Möglichkeit, die Probe zu fotografieren. Dieses Glas wurde erfolgreich getestet und erwies sich als bis zu 10 MPa Gas mit einer niedrigen Ausdehnungsrate, hoher Festigkeit, Lichtdurchlässigkeit und chemischer Stabilität29.

Dieser Artikel beschreibt das Verfahren zur Durchführungeines uniaxialen Kompressionsexperiments von CO2-lagernder Kohle mit dem neuen visualisierten und konstantvolumigen Gas-Fest-Kopplungs-Prüfsystem, das die Beschreibung aller Teile enthält, die ein Brikett vorbereiten. Probe mit Rohkohlepulver und Natriumhumat, sowie die aufeinanderfolgenden Schritte zur Injektion von Hochdruck-CO2 und Durchführung uniaxialer Kompression. Der gesamte Probenverformungsprozess wird mit einer Kamera überwacht. Dieser experimentelle Ansatz bietet eine alternative Möglichkeit, die adsorptionsinduzierten Schäden und die Bruchentwicklung, die für gashaltige Kohle charakteristisch sind, quantitativ zu analysieren.

Protocol

1. Probenvorbereitung Sammeln Sie Rohkohleblöcke aus der 4671B6 Arbeitsfläche aus der Kohlemine Xinzhuangzi. Beachten Sie, dass aufgrund der geringen Festigkeit und Lockerheit der Struktur, die Rohkohle gebrochen und wahrscheinlich mit Verunreinigungen gemischt wird. Um den Einfluss dieser inneren und äußeren Faktoren zu vermeiden und die Inhomogenität der Kohle so weit wie möglich zu reduzieren, wählen Sie große Kohleblöcke (ca. 15 cm lang, 10 cm breit und 10 cm hoch). Verwenden Sie eine Pin…

Representative Results

Die durchschnittliche Masse der Brikettprobe betrug 230 g. Je nach industrieller Analyse wies das Brikett einen Feuchtigkeitsgehalt von 4,52 % und einen Aschegehalt von 15,52 % auf. Darüber hinaus betrug der flüchtige Gehalt etwa 31,24 %. Da das Natriumhumate aus der Kohle gewonnen wurde, ähnelten die Bestandteile des Briketts rohkohle. Die physikalischen Merkmale sind in Tabelle 2dargestellt. Der Vergleich d…

Discussion

Angesichts der Gefahr von Hochdruckgas sind während des Tests einige kritische Schritte wichtig. Die Ventile und O-Ringe sollten regelmäßig überprüft und ausgetauscht werden, und jede Zündquelle sollte im Labor nicht zugelassen werden. Bei Verwendung des manuellen Druckregelventils sollte der Experimentator das Ventil langsam verdrehen, um den Druck im visualisierten Gefäß schrittweise zu erhöhen. Zerlegen Sie das Gefäß während der Prüfung nicht. Wenn das Experiment abgeschlossen ist, sollte die Hintertür d…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde vom China National Major Scientific Instruments Development Project (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

  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).

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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).

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