Artykuł metodologiczny

Eksperyment jednoosiowego sprężania z węglem zawierającym CO2 przy użyciu wizualizowanego systemu testowego sprzężenia gaz-ciało stałe o stałej objętości

DOI:

10.3791/59405

⸱

12 czerwca 2019

 ,  ,  ,  , 
1Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten protokół pokazuje, jak przygotować próbkę brykietu i przeprowadzić eksperyment jednoosiowego ściskania brykietu przy różnych ciśnieniach CO2 przy użyciu wizualizowanego systemu testowania sprzężenia gaz-ciało stałe o stałej objętości. Jego celem jest również zbadanie zmian w zakresie właściwości fizycznych i mechanicznych węgla wywołanych adsorpcją CO2 .

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wstrzykiwanie dwutlenku węgla (CO2) do głębokiego pokładu węgla ma ogromne znaczenie dla zmniejszenia stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze i zwiększenia odzysku metanu z pokładów węgla. Wprowadzono tu wizualizowany i stałoobjętościowy system sprzęgania gaz-ciało stałe w celu zbadania wpływu sorpcji CO2 na właściwości fizyczne i mechaniczne węgla. Będąc w stanie utrzymać stałą objętość i monitorować próbkę za pomocą kamery, system ten oferuje potencjał do poprawy dokładności instrumentu i analizy ewolucji pęknięć za pomocą metody geometrii fraktalnej. W tym artykule przedstawiono wszystkie kroki do przeprowadzenia eksperymentu jednoosiowego ściskania z próbką brykietu przy różnych ciśnieniach CO2 za pomocą systemu testowego sprzężenia gaz-ciało stałe. Brykiet, tłoczony na zimno surowym węglem i cementem humusowym sodu, jest ładowany do wysokociśnieniowegoCO2, a jego powierzchnia jest monitorowana w czasie rzeczywistym za pomocą kamery. Jednak podobieństwo między brykietem a surowym węglem nadal wymaga poprawy, a do badania nie można wstrzyknąć łatwopalnego gazu, takiego jak metan (CH4). Wyniki pokazują, że sorpcja CO2 prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości szczytowej i modułu sprężystości brykietu, a ewolucja pękania brykietu w stanie uszkodzenia wskazuje na charakterystykę fraktalną. Wytrzymałość, moduł sprężystości i wymiar fraktalny są skorelowane z ciśnieniem CO2 , ale nie z korelacją liniową. Zobrazowany system testowania sprzężenia gaz-ciało stałe o stałej objętości może służyć jako platforma do badań eksperymentalnych nad mechaniką skał z uwzględnieniem efektu sprzężenia wielopolowego.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rosnące stężenie CO2 w atmosferze jest bezpośrednim czynnikiem powodującym efekt globalnego ocieplenia. Ze względu na dużą zdolność sorpcyjną węgla, sekwestracja CO2 w pokładzie węgla jest uważana za praktyczny i przyjazny dla środowiska sposób na zmniejszenie globalnej emisji gazów cieplarnianych1,2,3. Jednocześnie wstrzykiwany CO2 może zastąpić CH4 i spowodować promocję produkcji gazu w procesie odzysku metanu z pokładów węgla (ECBM)4,5,6. Ekologiczne i ekonomiczne perspektywy sekwestracji CO2 przyciągnęły ostatnio uwagę naukowców na całym świecie, a także na różne międzynarodowe grupy ochrony środowiska i agencje rządowe.

Węgiel to niejednorodna, strukturalnie anizotropowa skała składająca się z porów, szczelin i matrycy węglowej. Struktura porów ma dużą powierzchnię właściwą, która może adsorbować dużą ilość gazu, odgrywając istotną rolę w sekwestracji gazu, a pęknięcie jest główną ścieżką swobodnego przepływu gazu7,8. Ta unikalna struktura fizyczna prowadzi do doskonałej zdolności adsorpcji gazów dlaCH4 i CO2 . Gaz kopalniany osadza się w złożu węgla w kilku formach: (1) zaadsorbowany na powierzchni mikroporów i większych porów; (2) wchłonięty w strukturę molekularną węgla; (3) jako wolny gaz w szczelinach i większych porach; oraz (4) rozpuszczone w wodzie osadowej. Zachowanie sorpcyjne węgla do CH4 i CO2 powoduje pęcznienie matrycy, a dalsze badania wykazują, że jest to proces niejednorodny i jest związany z litotypami węgla9,10,11. Ponadto sorpcja gazu może spowodować uszkodzenie w relacji konstytutywnej węgla12,13,14.

Próbka surowego węgla jest zazwyczaj używana w eksperymentach z łączeniem węgla i CO2. W szczególności w celu przygotowania próbki wycina się duży kawałek surowego węgla ze ściany roboczej w kopalni węgla. Jednak właściwości fizyczne i mechaniczne surowego węgla nieuchronnie mają wysoki stopień dyspersji ze względu na losowy rozkład przestrzenny naturalnych porów i pęknięć w pokładzie węgla. Ponadto węgiel gazonośny jest miękki i trudny do przekształcenia. Zgodnie z zasadami ortogonalnej metody eksperymentalnej, brykiet, który jest odtwarzany z surowego proszku węglowego i cementu, jest uważany za idealny materiał używany w teście sorpcji węgla15,16. Będąc tłoczonym na zimno za pomocą matryc metalowych, jego wytrzymałość może być wstępnie ustawiona i pozostaje stabilna poprzez regulację ilości cementu, co korzystnie wpływa na analizę porównawczą efektu pojedynczej zmiennej. Dodatkowo, chociaż porowatość próbki brykietu jest ~4-10 razy większa niż próbki surowego węgla, podobne charakterystyki adsorpcji i desorpcji oraz krzywej naprężenie-odkształcenie stwierdzono w badaniach eksperymentalnych17,18,19,20. W niniejszej pracy przyjęto schemat podobnego materiału dla węgla gazonośnego do przygotowania brykietu21. Surowiec węglowy został pobrany z przodka 4671B6 w kopalni węgla kamiennego Xinzhuangzi w Huainan w prowincji Anhui w Chinach. Pokład węgla znajduje się na głębokości około 450 m p.p.t. i 360 m p.p.p.p.m., zapada pod kątem około 15° i ma miąższość ok. 1,6 m. Wysokość i średnica próbki brykietu wynoszą odpowiednio 100 mm i 50 mm, co jest zalecanym rozmiarem sugerowanym przez Międzynarodowe Towarzystwo Mechaniki Górotworu (ISRM)22.

Poprzednie jednoosiowe lub trójosiowe przyrządy do testowania obciążenia do eksperymentów z węglem gazodonośnym w warunkach laboratoryjnych mają pewne braki i ograniczenia, przedstawione jako fellows23,24,25,26,27,28: (1) podczas procesu załadunku objętość naczynia zmniejsza się wraz z ruchem tłoka, powodując wahania ciśnienia gazu i zaburzenia sorpcji gazu; (2) monitorowanie obrazu próbek w czasie rzeczywistym, a także pomiary odkształceń obwodowych w środowisku o wysokim ciśnieniu gazu, jest trudne do przeprowadzenia; (3) Ograniczają się one do stymulacji zaburzeń obciążenia dynamicznego na wstępnie obciążonych próbkach w celu analizy ich charakterystyki reakcji mechanicznej. W celu poprawy precyzji przyrządu i pozyskiwania danych w warunkach sprzężenia gaz-ciało stałe, opracowano wizualizowany system testowania o stałej objętości 29 (Rysunek 1), w tym (1) wizualizowane naczynie załadowcze z komorą o stałej objętości, która jest kluczowym elementem; (2) moduł napełniania gazem z kanałem podciśnieniowym, dwoma kanałami napełniania i kanałem spustowym; (3) osiowy moduł załadowczy składający się z elektrohydraulicznej serwouniwersalnej maszyny wytrzymałościowej i komputera sterującego; (4) moduł akwizycji danych składający się z aparatury do pomiaru przemieszczenia obwodowego, czujnika ciśnienia gazu oraz kamery umieszczonej przy oknie wizualizowanego zbiornika załadowczego.

Główny wizualizowany statek (Rysunek 2) jest specjalnie zaprojektowany tak, że dwa cylindry regulacyjne są zamocowane na górnej płycie, a ich tłoki poruszają się jednocześnie z cylindrem ładującym przez belkę, a pole przekroju tłoka ładującego jest równe sumie cylindrów regulacyjnych. Przepływając przez wewnętrzny otwór i miękkie rury, gaz pod wysokim ciśnieniem w naczyniu i dwóch butlach jest połączony. Dlatego, gdy tłok ładujący naczynie porusza się w dół i spręża gaz, struktura ta może zrównoważyć zmianę objętości i wyeliminować zakłócenia ciśnienia. Ponadto podczas testu zapobiega się ogromnej sile przeciwnej wywieranej przez gaz na tłok, co znacznie poprawia bezpieczeństwo urządzenia. Okna, które są wyposażone w hartowane szkło borokrzemianowe i umieszczone z trzech stron naczynia, zapewniają bezpośredni sposób wykonania zdjęcia próbki. Szkło to zostało pomyślnie przetestowane i udowodniono, że jest odporne na gaz do 10 MPa przy niskim współczynniku rozszerzalności, wysokiej wytrzymałości, przepuszczalności światła i stabilności chemicznej29.

Ten artykuł opisuje procedurę przeprowadzania eksperymentu jednoosiowego sprężania węgla zawierającego CO2 za pomocą nowego wizualizowanego systemu testowania sprzężenia gaz-ciało stałe o stałej objętości, który zawiera opis wszystkich elementów, które przygotowują próbkę brykietu przy użyciu surowego proszku węglowego i humatu sodu, a także kolejne kroki do wstrzykiwania wysokociśnieniowego CO2 i przeprowadzić ściskanie jednoosiowe. Cały proces deformacji próbki jest monitorowany za pomocą kamery. To eksperymentalne podejście oferuje alternatywny sposób ilościowej analizy uszkodzeń wywołanych adsorpcją i ewolucji pęknięć charakterystycznych dla węgla gazonośnego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie próbki

  1. Zbieranie surowych bloków węgla z przodka roboczego 4671B6 z kopalni węgla kamiennego Xinzhuangzi. Należy pamiętać, że ze względu na niską wytrzymałość i luźność konstrukcji, surowy węgiel jest pokruszony i prawdopodobnie zmieszany z zanieczyszczeniami. Aby uniknąć wpływu tych czynników wewnętrznych i zewnętrznych, a także maksymalnie zmniejszyć niejednorodność węgla, wybierz duże bloki węglowe (około 15 cm długości, 10 cm szerokości i 10 cm wysokości).
  2. Za pomocą pęsety usuń zanieczyszczenia zmieszane z węglem i wyszoruj komorę kruszarki chłonną bawełną i aldehydem octowym.
  3. Rozdrobnij bloki węgla na małe kawałki za pomocą kruszarki szczękowej i skryj je w wytrząsarce sitowej wyposażonej w standardowe sita o oczkach 6 i 16. Posortowany proszek węglowy należy umieścić oddzielnie w zależności od średnicy.
  4. Odważyć 1 000 g i 300 g pyłu węglowego o rozkładzie wielkości cząstek odpowiednio 0–1 mm i 1–3 mm. Umieść je razem w zlewce w proporcji masowej 0,76:0,24 i dobrze wymieszaj szklaną pałeczką (o średnicy 6 mm).
    UWAGA: Zgodnie z funkcją Gaudiana-Schumana teorii ciągłego upakowania, gdy wartość rozkładu wielkości cząstek (m) wynosi w przybliżeniu 0,25 (masa wielkości cząstek wynosi 1–3 mm: masa całkowita = 0,24), wytrzymałość brykietu jest maksymalna30.
  5. Aby przygotować cement, wsyp 4 g humusu sodu w proszku (czystość 99,99%) do zlewki i dodaj około 96 ml wody destylowanej. Użyj szklanej pałeczki, aby je wymieszać i upewnij się, że cały humat sodu jest dobrze rozpuszczony.
    UWAGA: Stężenie cementu bezpośrednio wpływa na wytrzymałość brykietu na ściskanie. Tabela 1 przedstawia konkretne proporcje przygotowania brykietu, z których do uzyskania reprezentatywnych wyników wykorzystano próbkę nr 2.
  6. Do zlewki wsypać 230 g zmieszanego proszku węglowego i 20 g roztworu humusu sodu i wymieszać je ze sobą.
    UWAGA: Bazując na wcześniejszych doświadczeniach z wykonywaniem próbek, brykiet wyprodukowany z 250 g materiału, metodą tłoczenia na zimno, spełnia wymagania dotyczące wielkości standardowej próbki skały22, gdzie proszek węglowy stanowi 92%, a cement 8%.
  7. Brykiet należy wyprasować na zimno za pomocą narzędzi do formowania dostosowanych do wielkości brykietu (Rysunek 3).
    1. Aby uzyskać brykiet o standardowej wielkości, należy pokryć wewnętrzną powierzchnię narzędzi kształtujących olejem smarowym. Zmontuj elementy narzędzia #2, #3 i #4 z Rysunek 3, i wypełnij otwór 250 g zmieszanego materiału.
    2. Umieść komponent #1 z Rysunek 3 na wierzchu materiału i umieść wszystko pod tłokiem uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej z serwomechanizmem elektrohydraulicznym.
    3. Uruchom oprogramowanie WinWdw (lub jego odpowiednik), aby sterować uniwersalną maszyną wytrzymałościową z serwomechanizmem elektrohydraulicznym. W oprogramowaniu kliknij Zakres siły, aby ustawić maksymalną siłę na 50 kN, a następnie kliknij Resetuj, aby wyczyścić wartość przemieszczenia.
    4. Kliknij lewym przyciskiem myszy opcję wymuś kontrolę ładowania. Ustaw współczynnik ruchu na 0,1 kN/s. Ustaw wartość siły docelowej na 29,4 kN i czas podtrzymania na 900 s. Następnie kliknij Start.
    5. Wyjmij narzędzia do kształtowania i odwróć je na gumową płytkę. Użyj gumowego młotka, aby zdemontować elementy narzędzia #4, #2, #3 i #1 w tej kolejności.
  8. Brykiet umieścić w inkubatorze o temperaturze 40 °C na 48 godzin. Następnie zważ jego masę za pomocą wagi elektronicznej (z dokładnością do 0,01 g), a po wysuszeniu zmierz jego wysokość i średnicę suwmiarką z noniuszem (z dokładnością do 0,02 mm).
  9. Zmierzyć zawartość wilgoci, popiół i zawartość substancji lotnych w brykiecie za pomocą analizatora zbliżeniowego (patrz tabela materiałów) w temperaturze 20 °C i wilgotności względnej 65% (zgodnie z normą GB/T 212-2008). Wykonaj pomiar odbicia witrynitu na polerowanym brykiecie za pomocą mikroskopu fotometrycznego (zgodnie z normą GB / T 6948-2008).
  10. Zmierz jednoosiową wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na rozciąganie, spójność i kąt tarcia wewnętrznego za pomocą uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej i aparatu do bezpośredniego ścinania sterowanego odkształceniem (zgodnie z normą GB / T 23561-2010). Wykonaj pomiar współczynnika Poissona za pomocą tensometru rezystancyjnego (zgodnie z normą GB/T 22315-2008).
  11. Przeprowadź test adsorpcji surowego węgla i brykietu za pomocą przyrządu do adsorpcji izotermy (zgodnie z normą GB / T19560-2008).

2. Metody eksperymentalne

  1. Konfiguracja laboratorium
    1. Umieść system testowy w cichym, wolnym od wibracji miejscu w czystym laboratorium bez zakłóceń elektromagnetycznych. Podczas badania temperatura w pomieszczeniu powinna pozostać stabilna.
    2. Umieść wizualizowane naczynie na platformie uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej z serwomechanizmem elektrohydraulicznym. Połącz tłok maszyny wytrzymałościowej z tłokiem wizualizowanego naczynia za pomocą specjalnego narzędzia (patrz Rysunek 4).
    3. Zamontuj ręczny zawór redukcyjny ciśnienia w dyszy zbiornika gazu. Połączyć zawór z kanałem napełniania gazem na dolnej płycie wizualizowanego naczynia miękką rurką (o średnicy wewnętrznej 5 mm i maksymalnym ciśnieniu 30 MPa). Połącz kanał próżniowy i pompę próżniową tą samą rurą.
    4. Zamocuj tylne drzwi wizualizowanego naczynia za pomocą o wysokiej wytrzymałości. Podłącz komputer, skrzynkę akwizycji danych (skrzynkę DAQ) i wbudowany czujnik ciśnienia gazu do tylnych drzwi.
  2. Test szczelności powietrznej i ślepa próba
    1. Aby uzyskać dane o ciśnieniu gazu w wizualizowanym zbiorniku, uruchom oprogramowanie DAQ Sensor-16 (lub jego odpowiednik). W oprogramowaniu kliknij Start.
    2. Uruchom pompę próżniową. Otwórz zawór V1 (Rysunek 2) i zamknij V2, V3 i V4 (Rysunek 2). Odkurz wizualizowaną komorę naczynia. Wyłącz V1 i pompuj go próżniowo, aż znajdzie się pod próżnią.
    3. Otwórz V2 i zbiornik gazu (z helem). Użyj ręcznego zaworu redukcyjnego, aby wyregulować ciśnienie wylotowe zbiornika gazu na przybliżone 2 MPa (ciśnienie względne).
    4. Uważnie obserwuj krzywą ciśnienia gazu wyświetlaną na czujniku DAQ-16. Gdy temperatura wynosi około 2 MPa, wyłącz V2 i zbiornik gazu.
      UWAGA: Po 24 godzinach, jeśli spadek ciśnienia gazu jest mniejszy niż 5%, szczelność wizualizowanego naczynia jest dobra.
    5. Aby zmierzyć siłę tarcia tłoka ładującego poruszającego się w dół, uruchom oprogramowanie WinWdw do sterowania elektrohydrauliczną serwouniwersalną maszyną wytrzymałościową.
    6. W oprogramowaniu kliknij Zakres siły, aby ustawić maksymalną siłę na 5 kN i kliknij Resetuj, aby wyczyścić wartość przemieszczenia. Kliknij lewym przyciskiem myszy opcję Szybkość ładowania przemieszczenia. Ustaw współczynnik ruchu na 1 mm/min; następnie kliknij Start.
    7. Gdy przemieszczenie wyświetlane na WinWdw wynosi około 5 mm, kliknij Zatrzymaj. Kliknij lewym przyciskiem myszy Zapisz dane, aby zapisać krzywą siła-przemieszczenie.
    8. Otwórz V4 i wypuść hel do powietrza. Zdemontuj tylne drzwiczki wizualizowanego naczynia i zamknij V4.
      UWAGA: Drzwi i okna powinny być otwarte w celu wentylacji podczas uwalniania gazu ze względu na możliwe ryzyko uduszenia.
  3. Eksperyment z kompresją jednoosiową
    1. Zmierz wysokość (h) i średnicę (d) brykietu suwmiarką z noniuszem (z dokładnością do 0,02 mm). Zważyć masę (m) brykietu za pomocą wagi elektronicznej (z dokładnością do 0,01 g). Oblicz jego gęstość pozorną (figure-protocol-1) za pomocą następującego równania.
      figure-protocol-2
    2. Zamontuj rolkę łańcuchową aparatu do badania odkształceń obwodowych wokół środkowej pozycji brykietu ( Rysunek 5, # 1) i zamocuj uchwyt zacisku ( Rysunek 5, #2). Połącz czujnik (Rysunek 5, #3) ze skrzynką DAQ przez złącze lotnicze w wizualizowanym naczyniu (Rysunek 2) i umieść je pod tłokiem załadowczym.
      UWAGA: Aby zapewnić dokładność zbierania danych, wyreguluj rolkę łańcucha i górną powierzchnię próbki tak, aby były równoległe do tłoka ładującego.
    3. Uruchom WinWdw, aby sterować uniwersalną maszyną testującą. W oprogramowaniu kliknij lewym przyciskiem myszy opcję Szybkość obciążenia przemieszczenia. Ustaw przełożenie ruchu na 10 mm/min. Naciśnij przycisk w dół na pilocie zdalnego sterowania uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej, aż odległość między tłokiem a próbką wyniesie 1–2 mm. Następnie zamontuj tylne drzwi wizualizowanego naczynia.
    4. Powtórz kroki 2.2.1–2.2.2. Otwórz V3 i zbiornik gazu (CO2, czystość = 99,99%). Użyj ręcznego zaworu redukcyjnego, aby wyregulować ciśnienie wylotowe zbiornika gazu do określonej wartości.
    5. Uważnie obserwuj krzywą ciśnienia gazu wyświetlaną w DAQ Sensor-16. Gdy zbliży się wystarczająco do wartości docelowej, zamknij V3 i zbiornik gazu (CO2).
      UWAGA: Gdy krzywa ciśnienia gazu pozostaje stabilna, brykiet osiągnął stan równowagi dynamicznej adsorpcji i desorpcji. Na ogół potrzeba 6–8 godzin, aby brykiet w pełni się zaadsorbował. W tym teście czas adsorpcji uzyskuje się na 24 godziny.
    6. Po 24 godzinach należy ustawić kamerę ze statywem przy oknie wizualizowanego naczynia. Dostosuj wysokość i kąt, aby upewnić się, że obraz próbki jest wyświetlany na środku ekranu aparatu.
    7. Uruchom oprogramowanie SDU Deformation Acquisition V2.0 (lub równoważne), aby monitorować odkształcenia obwodowe brykietu. Kliknij Start.
    8. Na WinWdw kliknij Nowa próbka i wpisz wysokość i średnicę brykietu, kliknij Pole przekroju, a następnie kliknij Potwierdź. Kliknij Zakres siły, aby ustawić maksymalną siłę na 5 kN, a następnie kliknij Resetuj, aby wyczyścić wartość przemieszczenia.
    9. Kliknij lewym przyciskiem myszy na opcję Szybkość ładowania przemieszczenia i ustaw współczynnik ruchu na 1 mm/min. Kliknij Start, aby skompresować próbkę. W tym samym czasie naciśnij przycisk Start na aparacie, aby rozpocząć nagrywanie wideo.
    10. Gdy próbka całkowicie się nie powiedzie, kliknij Zatrzymaj i Zapisz dane, w tej kolejności, zarówno w WinWdw, jak i SDU deformacji V2.0. Naciśnij ponownie przycisk Start na aparacie, aby zatrzymać nagrywanie wideo.
    11. Powtórzyć krok 2.2.8, aby uwolnić CO2 w komorze naczynia. Odłączyć złącza lotnicze czujnika ciśnienia gazu i aparatury do badania odkształceń obwodowych.
    12. Kliknij lewym przyciskiem myszy opcję Szybkość ładowania przemieszczenia w WinWdw. Ustaw przełożenie ruchu na 10 mm/min. Naciśnij przycisk w górę na pilocie zdalnego sterowania uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej. Gdy tłok załadowczy naczynia znajdzie się około 2–3 mm nad brykietem, wyjmij brykiet i wyjmij go z rolki łańcucha.
    13. Zdemontuj narzędzie łączące między tłokami. Wyczyść wizualizowane naczynie odkurzaczem.
  4. ukończenie
    1. Na podstawie krzywej odkształcenia naprężeniowo-osiowego i krzywej odkształcenia obwodowego uzyskanej z WinWdw i akwizycji odkształceń SDU V2.0 oblicz odkształcenie objętościowe próbki za pomocą następującego równania.
      figure-protocol-3
      Tutaj figure-protocol-4 = obciążenie objętościowe; figure-protocol-5 = odkształcenie osiowe; figure-protocol-6 = odkształcenie obwodowe.
    2. Uzyskaj maksymalną wytrzymałość z krzywej naprężenie-odkształcenie osiowe. Współczynnik redukcji wytrzymałości oblicza się w następujący sposób.
      figure-protocol-7
      Tutaj figure-protocol-8 = stopień redukcji siły; figure-protocol-9 = szczytowa wytrzymałość próbki pod innym ciśnieniem CO2 ; figure-protocol-10 = szczytowa moc próbki w powietrzu atmosferycznym.
    3. Obliczyć moduł sprężystości przy użyciu etapu liniowego na krzywej odkształcenia naprężeniowo-osiowego zgodnie z następującym równaniem.
      figure-protocol-11
      Tutaj figure-protocol-12 = moduł sprężystości próbki; figure-protocol-13 = przyrost naprężenia liniowego etapu (w megapaskalach); figure-protocol-14 = przyrost odkształcenia stopnia liniowego. Oblicz współczynnik redukcji modułu sprężystości w następujący sposób.
      figure-protocol-15
      Tutaj figure-protocol-16 = szybkość redukcji modułu sprężystości, figure-protocol-17 = moduł sprężystości próbki pod innym ciśnieniem CO2; figure-protocol-18 = moduł sprężystości próbki w powietrzu atmosferycznym.
    4. Wybierz przykładowe zdjęcia podczas testu i statystykuj obszar pokrycia pęknięcia za pomocą programu (np. napisanego w MATLAB) zgodnie z metodą wymiarów pudełkowych.
      figure-protocol-19
      Tutaj figure-protocol-20 = numer siatki pokrywający obszar pęknięcia na boku siatki kwadratowej o długości figure-protocol-21; figure-protocol-22 = stała; figure-protocol-23 = wymiar fraktalny; figure-protocol-24 = długość boku kwadratowej siatki. Minimalny rozmiar siatki jest równy rozmiarowi piksela w tym teście.
      1. Oblicz współczynnik korelacji zgodnie z następującym równaniem.
        figure-protocol-25
        Tutaj,figure-protocol-26 = współczynnik korelacji; figure-protocol-27 = kowariancja figure-protocol-28 i figure-protocol-29; figure-protocol-30 = wariancja figure-protocol-31; figure-protocol-32 = wariancja figure-protocol-33.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Średnia masa próbki brykietu wynosiła 230 g. W zależności od analizy przemysłowej, brykiet wykazywał zawartość wilgoci 4,52% i zawartość popiołu 15,52%. Ponadto zawartość substancji lotnych wynosiła około 31,24%. Ponieważ humat sodu został wyekstrahowany z węgla, składniki brykietu były podobne do węgla surowego. Charakterystyki fizyczne przedstawiono w tabeli 2.

Porównanie właściwości mechanicznych między surow...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Biorąc pod uwagę niebezpieczeństwo związane z gazem pod wysokim ciśnieniem, podczas testu należy wykonać kilka krytycznych kroków. Zawory i O-ringi powinny być regularnie sprawdzane i wymieniane, a w laboratorium nie powinno być dozwolone żadne źródło zapłonu. Korzystając z ręcznego zaworu regulującego ciśnienie, eksperymentator powinien powoli przekręcać zawór, aby ciśnienie w wizualizowanym naczyniu stopniowo rosło. Nie demontuj naczynia podczas testu. Po zakończeniu doświadczenia tylne drzwiczki naczynia powinny zosta...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca była wspierana przez China National Major Scientific Instruments Development Project (Grant No. 51427804) oraz Shandong Province National Natural Science Foundation (Grant No. ZR2017MEE023).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
3Y-Leica MPV-SP fotometr system mikrofotometrycznyLeica, NiemcyM090063016Używany do pomiaru odbicia witrynitu
Automatyczny przyrząd do adsorpcji izotermyBeiShiDe Instrument Technology (Beijing) CO., Ltd.3H-2000PHTest adsorpcji izotermicznej
Uniwersalna maszyna testująca serwo elektrohydrauliczneJinan Shidaishijin maszyna testująca CO., LtdWDW-100EIIISłuży do dostarczania
ciśnienia osiowego
Czujnik ciśnienia gazuBeijing Star Sensor Technology CO., LTDCYYZ11Monitorowanie ciśnienia gazu
Zbiornik gazu (dwutlenek węgla / hel)Heifei Henglong Gas., LtdGaz zasób
szybka kameraSony corporationFDR-AX30Monitorowanie obrazu
InkubatorYuyao YuanDong Fabryka instrumentów cyfrowychXGQ-2000do suszenia brykietu
Hebi Tianke Instrument CO., LtdEP-2Mielenie węgla
Ręczny zawór redukcyjnyciśnienia Shanghai Saergen Instrument CO., LtdR41Ciśnienie gazu wylotowego regulacja
Analizator zbliżeniowyChangsha Kaiyuan Instrument CO., Ltd5E-MAG6700Analiza przemysłowa węgla
Tensometr rezystancyjnyJinan Sigmar Technology CO., LTDASMB3-16/8Pomiar współczynnika Poissona
Wytrząsarka sitowa (6,16mesh)Hebi Tianguan Instrument CO., LtdGZS-300Schronienie w postaci proszku węglowego
Miękka ruraJinan Quanxing Rura wysokociśnieniowa CO., Średnica wewnętrzna = 5 mm < br / > maksymalne ciśnienie = 30 MPa
Standardowa aparatura do badania odkształceń obwodowych próbki skałyHuainan Qingda Machinery CO., LtdDeformacja obwodowa
akwizycja
Aparat do bezpośredniego ścinania z kontrolą odkształcenia
Beijing Aerospace Huayu Przyrząd testowy CO., LTDZJ-4AWytrzymałość na rozciąganie, kohezja, tarcie wewnętrzne
pomiar
Pompapróżniowa Fujiwara, Japonia750DSłuży do odkurzania naczynia
ZawórJiangsu Subei Valve Co., LtdS4 NS-MG16-MF1Uszczelka gazowa
Wizualny statek załadowczyHuainan Qingda Machinery CO., LtdPrzyrząd do ładowania próbek
i monitorowania w czasie rzeczywistym
Kruszarka szczękowa Ltd

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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. , Science Press. Beijing, China. (2014).
  8. Scott, A. R. Improving coal gas recovery with microbially enhanced coalbed methane. Coalbed Methane: Scientific, Environmental and Economic Evaluation. Mastalerz, M., Glikson, M., Golding, S. D. , Springer. Netherlands. 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. , Springer International Publishing. Switzerland. (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. , China Architecture & Building Press. Beijing, China. (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. , Huazhong University of Science and Technology. Master’s degree thesis (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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Analiza sorpcji CO2system sprz enia gaz cia o sta ewizualizacja sta ej obj to cimetoda geometrii fraktalnejprzygotowanie pr bek brykietowychCO2 pod wysokim ci nieniemtest deformacji obwodowejelektrohydrauliczne badanie serwowymiar pude kowy

Powiązane artykuły