Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

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

7.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/59405

⸱

12 czerwca 2019

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

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

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

1. Przygotowanie próbek

  1. Pobrać bloki surowego węgla z przodka 4671B6 w kopalni węgla Xinzhuangzi. Należy pamiętać, że ze względu na niską wytrzymałość i luźną strukturę surowy węgiel jest pokruszony i prawdopodobnie zmieszany z zanieczyszczeniami. Aby uniknąć wpływu tych czynników wewnętrznych i zewnętrznych, a także maksymalnie ograniczyć niejednorodność węgla, należy wybrać duże bloki węgla (o długości około 15 cm, szerokości 10 cm i wysokości 10 cm).
  2. Za pomocą pęsety usunąć zanieczyszczenia zmieszane z węglem, a komorę kruszarki przetrzeć watą absorbującą i acetaldehydem.
  3. Rozkruszyć bloki węgla na małe kawałki za pomocą kruszarki szczękowej, a następnie umieścić je w wibracyjnym przesiewaczu wyposażonym w standardowe sita o oczkach 6 i 16 mesh. Posortowany proszek węglowy należy umieścić w osobnych naczyniach zgodnie z rozmiarem ziarna.
  4. Odważyć odpowiednio 1 000 g i 300 g sproszkowanego węgla o rozkładzie wielkości cząstek odpowiednio 0–1 mm i 1–3 mm. Umieścić je razem w zlewce w proporcji masowej 0,76:0,24 i dobrze wymieszać za pomocą szklanej rurki (o średnicy 6 mm).
    UWAGA: Zgodnie z funkcją Gaudiana-Schumana teorii ciągłego upakowania, gdy wartość rozkładu wielkości cząstek (m) wynosi około 0,25 (masa cząstek 1–3 mm względem całkowitej masy = 0,24), wytrzymałość brykietu jest maksymalna30.
  5. Aby przygotować spoiwo, wsypać 4 g proszku humianu sodu (czystość 99,99%) do zlewki i dodać około 96 mL wody destylowanej. Zamieszać za pomocą szklanej rurki, upewniając się, że cały humian sodu został całkowicie rozpuszczony.
    UWAGA: Stężenie spoiwa bezpośrednio wpływa na wytrzymałość na ściskanie brykietu. Tabela 1 przedstawia konkretne proporcje przygotowania brykietów, z których do uzyskania reprezentatywnych wyników wykorzystano próbkę nr 2.
  6. Włożyć 230 g zmieszanego proszku węglowego i 20 g roztworu humianu sodu do zlewki i wymieszać.
    UWAGA: Na podstawie wcześniejszych doświadczeń w przygotowywaniu próbek, brykiet wykonany z 250 g materiału metodą prasowania na zimno spełnia wymogi rozmiarowe standardowej próbki skalnej22, gdzie proszek węglowy stanowi 92%, a spoiwo 8%.
  7. Prasować brykiet na zimno, używając narzędzi formujących dostosowanych do rozmiaru brykietu (Rysunek 3).
    1. Aby uzyskać brykiet o standardowym rozmiarze, pokryć wewnętrzną powierzchnię narzędzi formujących olejem smarującym. Złożyć elementy narzędzia nr 2, 3 i 4 z Rysunku 3 i wypełnić otwór 250 g zmieszanego materiału.
    2. Umieścić element nr 1 z Rysunku 3 na materiale, a następnie umieścić całość pod tłokiem uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej z serwo-napędem elektrohydraulicznym.
    3. Uruchomić oprogramowanie WinWdw (lub równoważne) do sterowania uniwersalną maszyną wytrzymałościową z serwo-napędem elektrohydraulicznym. W oprogramowaniu kliknąć Force Range, aby ustawić maksymalną siłę na 50 kN, a następnie kliknąć Reset, aby wyzerować wartość przemieszczenia.
    4. Kliknąć lewym przyciskiem myszy opcję sterowania obciążeniem siłowym (force loading control). Ustawić prędkość obciążania na 0,1 kN/s. Ustawić docelową wartość siły na 29,4 kN i czas utrzymania na 900 s. Następnie kliknąć Start.
    5. Wyjąć narzędzia formujące i odwrócić je na gumowej podkładce. Użyć gumowego młotka, aby rozmontować elementy narzędzia w kolejności: nr 4, 2, 3 i 1.
  8. Umieścić brykiet w inkubatorze w temperaturze 40 °C na 48 h. Następnie, po wysuszeniu, zważyć jego masę za pomocą wagi elektronicznej (z dokładnością do 0,01 g) i zmierzyć wysokość oraz średnicę za pomocą suwmiarki (z dokładnością do 0,02 mm).
  9. Zmierzyć zawartość wilgoci, zawartość popiołu i zawartość substancji lotnych w brykiecie, używając analizatora składu bezpośredniego (patrz Tabela Materiałów) w temperaturze 20 °C i wilgotności względnej 65% (zgodnie z normą GB/T 212-2008). Wykonać pomiar odbiciowości witrynitu na wypolerowanym brykiecie, używając mikroskopu fotometrycznego (zgodnie z normą GB/T 6948-2008).
  10. Zmierzyć jednoosiową wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na rozciąganie, spójność i kąt tarcia wewnętrznego, używając uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej i aparatu do bezpośredniego ścinania z kontrolą odkształceń (zgodnie z normą GB/T 23561-2010). Wykonać pomiar współczynnika Poissona za pomocą tensometru rezystancyjnego (zgodnie z normą GB/T 22315-2008).
  11. Przeprowadzić test adsorpcji surowego węgla i brykietu, używając urządzenia do pomiaru izoterm adsorpcji (zgodnie z normą GB/T19560-2008).

2. Metody eksperymentalne

  1. Konfiguracja laboratorium
    1. Należy umieścić system testowy w cichym obszarze czystego laboratorium, wolnym od wibracji i zakłóceń elektromagnetycznych. Temperatura w pomieszczeniu powinna pozostać stabilna podczas przeprowadzania testu.
    2. Umieść wizualizowane naczynie na platformie elektrohydraulicznej serwomaszyny uniwersalnej do badań. Połącz tłok maszyny badawczej z tłokiem wizualizowanego naczynia za pomocą specjalistycznego narzędzia (patrz Rysunek 4).
    3. Zainstaluj ręczny zawór redukcyjny w dyszy zbiornika gazu. Połącz zawór z kanałem napełniania gazem w płycie dolnej wizualizowanego naczynia za pomocą elastycznego przewodu (o średnicy wewnętrznej 5 mm i maksymalnym ciśnieniu 30 MPa). Połącz kanał próżniowy i pompę próżniową za pomocą analogicznego przewodu.
    4. Przymocuj tylne drzwiczki wizualizowanego naczynia za pomocą śrub o wysokiej wytrzymałości. Podłącz komputer, moduł akwizycji danych (moduł DAQ) oraz wbudowany czujnik ciśnienia gazu do tylnych drzwiczek.
  2. Test szczelności powietrznej i pomiar tła
    1. Aby uzyskać dane dotyczące ciśnienia gazu w wizualizowanym naczyniu, uruchom oprogramowanie Czujnik DAQ-16 (lub odpowiednik). W oprogramowaniu kliknij Start.
    2. Uruchom pompę próżniową. Otwórz zawór V1 (Rysunek 2) i zamknąć V2, V3 oraz V4 (Rysunek 2). Odssać powietrze z komory naczynia wizualizacyjnego. Zamknąć zawór V1 i pompować do momentu wytworzenia próżni.
    3. Otwórz zawór V2 oraz butlę z gazem (hel). Za pomocą ręcznego zaworu redukcyjnego dostosuj ciśnienie wylotowe z butli do wartości około 2 MPa (ciśnienie względne).
    4. Uważnie obserwuj krzywą ciśnienia gazu wyświetlaną na Czujnik DAQ Sensor-16Gdy ciśnienie wyniesie około 2 MPa, zamknąć zawór V2 oraz butlę z gazem.
      UWAGA: Jeśli po 24 h spadek ciśnienia gazu jest mniejszy niż 5%, szczelność wizualizowanego naczynia jest dobra.
    5. Aby zmierzyć siłę tarcia tłoka obciążającego poruszającego się w dół, uruchom oprogramowanie WinWdw do sterowania uniwersalną maszyną wytrzymałościową z elektrohydraulicznym układem serwo.
    6. W oprogramowaniu kliknij Siła Zakres należy ustawić maksymalną siłę na 5 kN i kliknąć w Resetuj aby wyzerować wartość przemieszczenia. Kliknij lewym przyciskiem myszy na tę opcję Przemieszczenie Ładowanie SzybkośćUstaw prędkość przemieszczania na 1 mm/min, a następnie kliknij Start.
    7. Gdy wyświetlane przemieszczenie na WinWdw wynosi około 5 mm, kliknij w StopKliknij lewym przyciskiem myszy w Dane Zapisz w celu zapisania krzywej siła-przemieszczenie.
    8. Otwórz zawór V4 i wypuść hel do powietrza. Zdemontuj tylne drzwiczki naczynia wizualizacyjnego i zamknij zawór V4.
      OSTRZEŻENIE: Podczas uwalniania gazu drzwi i okna powinny być otwarte w celu zapewnienia wentylacji ze względu na możliwe ryzyko uduszenia.
  3. Doświadczenie z jednociernego ściskania
    1. Zmierz wysokość (h) i średnicę (d) brykietu za pomocą suwmiarki (z dokładnością do 0,02 mm). Zważ masę (m) brykietu na wadze elektronicznej (z dokładnością do 0,01 g). Oblicz jego gęstość objętościową (Równanie stanu równowagi statycznej ΣFx=0 na schemacie, ilustrujące mechanikę optyczną i analizę równowagi sił.) za pomocą następującego równania.
      ​Wzór na gęstość ρ=4m/πd²h; równanie przedstawiające obliczanie gęstości obiektu.
    2. Zainstaluj rolkę łańcuchową aparatury do testów odkształceń obwodowych wokół środkowej pozycji brykietu (Rycina 5, #1) i zamocuj uchwyt zacisku (Rycina 5, #2). Podłącz czujnik (Rycina 5, #3) z modułem DAQ poprzez złącze lotnicze w wizualizowanym naczyniu (Rycina 2) i umieść je pod tłokiem obciążającym.
      UWAGA: Aby zapewnić dokładność pozyskiwania danych, należy wyregulować rolkę łańcucha oraz górną powierzchnię próbki w taki sposób, aby były one równoległe do tłoka obciążającego.
    3. Uruchomienie WinWdw do sterowania uniwersalną maszyną wytrzymałościową. W oprogramowaniu należy kliknąć lewym przyciskiem myszy opcję Przemieszczenie Ładowanie SzybkośćUstaw prędkość przesuwania na 10 mm/min. Naciśnij przycisk W dół przycisk na kontrolerze zdalnym uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej, aż pozostała odległość między tłokiem a próbką wyniesie 1–2 mm. Następnie zamontuj tylne drzwiczki wizualizowanego naczynia.
    4. Powtórz kroki 2.2.1–2.2.2. Otwórz V3 oraz zbiornik z gazem (CO2, czystość = 99,99%). Za pomocą ręcznego zaworu redukcyjnego należy dostosować ciśnienie wylotowe butli z gazem do określonej wartości.
    5. Uważnie obserwuj krzywą ciśnienia gazu wyświetlaną w Czujnik DAQ Sensor-16Gdy wartość zbliży się do wartości docelowej, należy zamknąć zawór V3 oraz butlę z gazem (CO2).2).
      UWAGA: Gdy krzywa ciśnienia gazu pozostaje stabilna, brykiet osiągnął stan dynamicznej równowagi adsorpcji i desorpcji. Zazwyczaj pełna adsorpcja brykietu trwa od 6 do 8 h. W niniejszym badaniu czas adsorpcji ustalono na 24 h.
    6. Po 24 h ustaw kamerę na statywie obok okna naczynia poddanego wizualizacji. Dostosuj wysokość i kąt nachylenia tak, aby obraz próbki znajdował się w centrum ekranu kamery.
    7. Uruchom oprogramowanie Pozyskiwanie odkształceń SDU V2.0 (lub odpowiednik), aby monitorować odkształcenie obwodowe brykietu. Kliknij w Start.
    8. Włączony WinWdw, kliknij w Nowy Próbka następnie wpisz wysokość i średnicę brykietu i kliknij Przekrojowy Obszar, a następnie kliknij PotwierdźKliknij w Siła Zakres aby ustawić maksymalną siłę na 5 kN, a następnie kliknąć w Resetuj aby wyzerować wartość przesunięcia.
    9. Kliknij lewym przyciskiem myszy tę opcję Przemieszczenie Ładowanie Szybkość oraz ustaw prędkość przesuwu na 1 mm/min. Kliknij w Start aby skompresować próbkę. Jednocześnie naciśnij Start przycisk na kamerze służący do rozpoczęcia nagrywania wideo.
    10. W przypadku całkowitego błędu próbki należy kliknąć Zatrzymaj i Dane Zapiszw tej kolejności, w obu WinWdw i Pozyskiwanie odkształceń SDU V2.0Naciśnij przycisk Start ponownie naciśnij przycisk na kamerze, aby zatrzymać nagrywanie wideo.
    11. Powtórzyć krok 2.2.8, aby uwolnić CO.2 w komorze naczynia. Odłącz złącza lotnicze czujnika ciśnienia gazu oraz aparatury do badania odkształceń obwodowych.
    12. Kliknij lewym przyciskiem myszy wybraną opcję Przemieszczenie Ładowanie Szybkość włączone WinWdwUstaw prędkość przesuwu na 10 mm/min. Naciśnij przycisk W górę przycisk na kontrolerze zdalnym maszyny wytrzymałościowej. Gdy tłok obciążający naczynia znajdzie się około 2–3 mm powyżej brykietu, należy wyjąć brykiet i zdjąć go z rolki łańcuchowej.
    13. Zdemontuj narzędzie łączące tłoki. Oczyść widoczne naczynie za pomocą odkurzacza.
  4. Ukończenie
    1. Na podstawie krzywej naprężenia i odkształcenia osiowego oraz krzywej odkształcenia obwodowego otrzymanych z WinWdw i Pozyskiwanie odkształceń SDU V2.0oblicz odkształcenie objętościowe próbki, korzystając z następującego równania.
      Równanie równowagi statycznej, εv=ε1+2ε2, analiza wzoru, zasada mechaniki.
      Tutaj, Równowaga statyczna; ΣFx=0, ΣFy=0, MA=0; diagram; ilustracja wektora siły; edukacja fizyczna. = odkształcenie objętościowe; Diagram równowagi statycznej; ΣFx=0, MA=0; ilustracja zrównoważenia sił i momentów. = odkształcenie osiowe; równowaga statyczna, ΣFx=0, schemat, analiza systemów mechanicznych, bilans sił, studium inżynieryjne = odkształcenie obwodowe.
    2. Wyznacz maksymalną wytrzymałość z krzywej naprężenie–odkształcenie osiowe. Tempo spadku wytrzymałości oblicza się w następujący sposób.
      Równowaga statyczna, wzór: a=(1-σ_max/σ_0)*10%, procentowa redukcja, równanie matematyczne.
      Tutaj, Symbol chromatografii, ΣFx=0, schemat ilustrujący równowagę statyczną w procesie rozdzielania = szybkość redukcji wytrzymałości; wzór na σ_max, symbol analizy naprężeń, istotny dla badań równowagi statycznej. = maksymalna wytrzymałość próbki przy innym ciśnieniu CO2; Równowaga statyczna, ΣFx=0, ΣFy=0, Στ=0, schemat sił i momentów, analiza równowagi mechanicznej. = maksymalna wytrzymałość próbki w powietrzu atmosferycznym.
    3. Oblicz moduł sprężystości, wykorzystując liniowy odcinek krzywej naprężenie-odkształcenie osiowe, zgodnie z poniższym równaniem.
      Wzór na moduł sprężystości, E=Δσ/Δε, ilustrujący zależność między naprężeniem a odkształceniem w inżynierii materiałowej.
      Tutaj, Równowaga statyczna, ΣFx=0, diagram; przedstawia równowagę sił i rozkład wektorów dla celów edukacyjnych w zakresie fizyki. = moduł sprężystości próbki; symbol Δσ, równanie równowagi statycznej, zastosowanie edukacyjne, analiza mechaniczna. = przyrost naprężenia stopnia liniowego (w megapaskalach); równowaga statyczna ΣFx=0 ΣFy=0 schemat; równania analizy sił i równowagi układu = przyrost odkształcenia etapu liniowego. Oblicz tempo redukcji modułu sprężystości w następujący sposób.
      Wzór na błąd procentowy: równanie \(b = \left(1 - \frac{E}{E_0}\right) \times 10\%\)
      Tutaj, Równowaga statyczna; diagram ΣFx=0, MA=0; siły w równowadze; koncepcja fizyki edukacyjnej. = szybkość spadku modułu sprężystości, Równowaga statyczna, ΣFx=0, schemat; przedstawia bilans sił i rozkład wektorów na potrzeby edukacji z zakresu fizyki. = moduł sprężystości próbki przy innym ciśnieniu CO2; Schemat równania równowagi ΣFx=0; analiza statycznych sił działających na ciało; edukacyjny koncept z dziedziny fizyki. = moduł sprężystości próbki w powietrzu atmosferycznym.
    4. Wybierz zdjęcia próbek wykonane podczas testu i oblicz statystycznie obszar pokrycia pęknięć za pomocą programu (np. napisanego w języku MATLAB) zgodnie z metodą wymiaru pudełkowego.
      Równanie wymiaru fraktalnego lgN(δ)=lgk+Dlgδ, wzór matematyczny, metoda, zastosowanie edukacyjne.
      Tutaj, Wzór rozkładu normalnego N(δ), symbol statystyczny w matematyce, schemat edukacyjny. = liczba pól siatki niezbędna do pokrycia obszaru złamania przy długości boku kwadratowej siatki wynoszącej Koncepcja równowagi statycznej, schemat ΣFx=0, przedstawiający zrównoważone siły za pomocą wektorów.; Równowaga statyczna; ΣFx=0; diagram; schemat ciała swobodnego; edukacyjna analiza fizyczna. = stała; Termodynamika; równanie W=−PΔV; schemat fizyczny; proces pracy tłoka w cylindrze; ciśnienie-objętość. wymiar fraktalny; Koncepcja równowagi statycznej, schemat ΣFx=0, przedstawiający zrównoważone siły za pomocą wektorów. = długość boku kwadratowej siatki. Minimalny rozmiar siatki odpowiada rozmiarowi piksela w tym teście.
      1. Oblicz współczynnik korelacji zgodnie z poniższym równaniem.
        Wzór na współczynnik korelacji, R², równanie, przedstawiające kowariancję i wariancję, analiza statystyczna.
        Tutaj,Analiza współczynnika korelacji \(R^2\), dopasowanie danych statystycznych, reprezentacja równania. = współczynnik korelacji; Wzór na kowariancję, COV(lgN(δ), lgδ), dla statystycznej analizy danych. kowariancja Zapis logarytmiczny, równanie matematyczne, reprezentujące lgN(δ) w kontekście edukacyjnym. i Symbol równania logarytmicznego lg(δ); stosowany w obliczeniach matematycznych i naukowych.; Wzór na wariancję Var[lgN(δ)], równanie analizy statystycznej, metoda badawcza. = wariancja Zapis logarytmiczny, równanie matematyczne, reprezentujące lgN(δ) w kontekście edukacyjnym.; Wzór na wariancję Var[lgδ] dla statystycznej analizy danych, symbol matematyczny. = wariancja Symbol równania logarytmicznego lg(δ); stosowany w obliczeniach matematycznych i naukowych..

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

Wyniki

Średnia masa próbki brykietu wynosiła 230 g. Na podstawie analizy przemysłowej stwierdzono, że brykiet charakteryzował się zawartością wilgoci na poziomie 4,52% oraz zawartością popiołu wynoszącą 15,52%. Ponadto zawartość substancji lotnych wynosiła około 31,24%. Ponieważ humian sodu został wyekstrahowany z węgla, składniki brykietu były zbliżone do składników węgla surowego. Charakterystyka fizyczna została przedstawiona w Tabeli 2.

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

Dyskusja

Biorąc pod uwagę niebezpieczeństwo związane z gazem pod wysokim ciśnieniem, podczas badania kluczowe jest przestrzeganie niektórych istotnych kroków. Zawory i pierścienie O-ring należy regularnie kontrolować i wymieniać, a w laboratorium nie mogą znajdować się żadne źródła zapłonu. Podczas korzystania z ręcznego zaworu regulacyjnego ciśnienia, eksperymentator powinien powoli obracać zaworem, aby ciśnienie w naczyniu wizualizacyjnym wzrastało stopniowo. Nie wolno rozmontowywać naczynia w trakcie badania. Po zakończeniu ek...

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

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

  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

Tagi

Analiza sorpcji CO2system sprzężenia gaz-ciało stałewizualizacja stałej objętościmetoda geometrii fraktalnejprzygotowanie próbek brykietowychCO2 pod wysokim ciśnieniemtest deformacji obwodowejelektrohydrauliczne badanie serwowymiar pudełkowy
Eksperyment jednoosiowego sprężania z węglem zawierającym CO2 przy użyciu wizualizowanego systemu testowego sprzężenia gaz-ciało stałe o stałej objętości
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.