Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

En Uniaxial sammenntrykking eksperiment med CO2-bærende kull ved hjelp av en visualisere og Constant-volum gass-solid kopling test system

Published: June 12, 2019 doi: 10.3791/59405
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University

Summary

Denne protokollen demonstrerer hvordan man klargjør en briquette prøve og gjennomfører et uniaxial komprimerings eksperiment med en briquette i forskjellige CO2 -trykk ved hjelp av en visualisere og konstant volum gass-solid koplings test system. Det har også som mål å undersøke endringer i form av kull fysiske og mekaniske egenskaper indusert av CO2 absorpsjon.

Abstract

Sprøytebruk karbondioksid (CO2) i en dyp kull søm er av stor betydning for å redusere konsentrasjonen av klimagasser i atmosfæren og øke utvinningen av coalbed metan. En visualisere og konstant volum gass-solid kopling system er innført her for å undersøke påvirkning av CO2 sorption på fysiske og mekaniske egenskaper av kull. Å kunne holde et konstant volum og overvåke prøven ved hjelp av et kamera, gir dette systemet potensial til å forbedre instrument nøyaktighet og analysere brudd evolusjon med en fraktal geometri metode. Dette papiret inneholder alle trinn for å utføre et uniaxial komprimerings eksperiment med et briquette utvalg i forskjellige CO2 -trykk med gass solide koplings test system. En briquette, kaldpresset av rå kull og natrium Humate sement, er lastet i høyt trykk CO2, og overflaten er overvåket i sanntid ved hjelp av et kamera. Men likheten mellom briquette og rå kull trenger fortsatt forbedring, og en brennbar gass som metan (CH4) kan ikke injiseres for testen. Resultatene viser at CO2 sorption fører til topp styrke og elastisk modul reduksjon av briquette, og brudd utviklingen av briquette i en feil tilstand indikerer fraktal egenskaper. Styrken, elastisk modul, og fraktal dimensjon er alle korrelert med CO2 press, men ikke med en lineær korrelasjon. Den visualisere og konstant volum gass-solid kopling test system kan tjene som en plattform for eksperimentell forskning om rock mekanikk vurderer multifield koblingseffekt.

Introduction

Den økende konsentrasjonen av CO2 i atmosfæren er en direkte faktor som forårsaker den globale oppvarmingen effekt. På grunn av den sterke sorption kapasiteten av kull, CO2 opptak i en kull søm regnes som en praktisk og miljøvennlig måte å redusere den globale utslipp av klimagasser1,2,3. På samme tid, injisert co2 kan erstatte ch4 og resultere i gassproduksjon forfremmelse i coalbed metan Recovery (ECBM)4,5,6. De økologiske og økonomiske utsiktene til CO2 opptak har nylig tiltrukket verdensomspennende oppmerksomhet blant forskere, samt blant ulike internasjonale miljøverngrupper og statlige etater.

Kull er en heterogen, strukturelt Anisotrop stein sammensatt av en pore, brudd, og kull matrise. Pore strukturen har en stor bestemt overflateareal, som kan adsorbere en stor mengde gass, spiller en viktig rolle i gass opptak, og brudd er den viktigste veien for fri gass Flow7,8. Denne unike fysiske strukturen fører til en flott gass absorpsjonskapasitet for CH4 og co2. Gruve gass avsettes i coalbed i noen former: (1) adsorberes på overflaten av micropores og større porer; (2) absorbert i kull molekylstrukturen; (3) som fri gass i frakturer og større porer; og (4) oppløst i depositum vann. Den sorption oppførselen til kull til ch4 og co2 årsaker Matrix hevelse, og videre studier viser at det er en heterogen prosess og er relatert til kull lithotypes9,10,11. I tillegg kan gass sorption føre til skader i konstituerende forhold av kull12,13,14.

Den rå kull prøven er vanligvis brukt i kull og CO2 kopling eksperimenter. Nærmere bestemt et stort stykke rått kull fra arbeidslivet ansiktet i en kullgruve er kuttet for å forberede en prøve. Men den fysiske og mekaniske egenskaper rå kull uunngåelig har en høy spredningsgrad på grunn av tilfeldig romlig fordeling av naturlige porer og brudd i en kull søm. Videre er det gass-bærende kull myk og vanskelig å bli omformet. Ifølge prinsippene i ortogonale eksperimentelle metoden, briquette, som er tilberedt med rå kull pulver og sement, regnes som et ideelt materiale som brukes i kull sorption test15,16. Å være kaldpresset med metall dør, kan dens styrke være forhåndsinnstilt og forblir stabil ved å justere mengden av sement, som fordeler den komparative analyse av enkelt variabel effekt. I tillegg, selv om porøsitet av briquette prøven er ~ 4-10 ganger, at av rå kull prøven, lignende absorpsjon og desorpsjon egenskaper og stress-belastning kurve har blitt funnet i eksperimentell forskning17,18 , 19 andre priser , 20. i dette dokumentet, en ordning av et lignende materiale for gass-bærende kull har blitt vedtatt å forberede briquette21. Den rå kull ble tatt fra 4671B6 arbeider ansikt i Xinzhuangzi Coal mine, Huainan, Anhui-provinsen, Kina. Kull sømmen er ca 450 meter under bakkenivå og 360 m under havoverflaten, og den synker på ca 15 ° og er ca 1,6 m i tykkelse. Høyden og diameteren av briquette prøven er 100 mm og 50 mm, henholdsvis, som er den anbefalte størrelsen foreslått av International Society for rock Mechanics (ISRM)22.

Den forrige uniaxial eller triaxial lasting testinstrumenter for gass-bærende kull eksperimenter under laboratorieforhold har noen knapphet og begrensninger, presentert som Fellows23,24,25,26 ,27,28: (1) under lasting prosessen, fartøyet volumet avtar med stempelet beveger seg, forårsaker svingninger i gasstrykk og forstyrrelser i gass sorption; (2) sanntids bilde overvåking av prøver, samt circumferential deformasjon målinger i et høyt gasstrykk miljø, er vanskelig å gjennomføre; (3) de er begrenset til stimulering av dynamiske belastnings forstyrrelser på forhåndslastede prøver for å analysere sine mekaniske reaksjons egenskaper. For å forbedre instrumentets presisjon og datainnhenting i den gass solide koplings tilstanden, er det utviklet en bilde-og konstant volum test system29 (figur 1), inkludert (1) en konstant volum kammer, som er kjernen komponenten; (2) en gass fyllings modul med en vakuum kanal, to Påfyllings kanaler, og en kanal som slippes; (3) en aksial lasting modul bestående av en elektro-hydraulisk servo universell testing maskin og kontroll datamaskin; (4) en datainnsamlings modul bestående av et circumferential måle apparat, en gasstrykk sensor og et kamera ved vinduet til det med følgende laste fartøyet.

Kjernen visualisere fartøyet (figur 2) er spesielt utformet slik at to justerings sylindre er festet på den øvre plate og deres stempler bevege seg samtidig med lasting en gjennom en bjelke, og Seksjons området av lasting stempelet er lik den summen av justerings flaskene. Ved å strømme gjennom et indre hull og myke rør, er høytrykks gassen i fartøyet og de to sylindere tilkoblet. Derfor, når fartøyet-lasting stempelet beveger seg nedover og komprimerer gassen, kan denne strukturen oppveie endringen i volum og eliminere trykk forstyrrelser. I tillegg er den enorme gass-indusert motkraft øve på stempelet forhindret under testen, betydelig bedre sikkerheten til instrumentet. Vinduene, som er utstyrt med herdet Borosilikatglass glass og ligger på tre sider av fartøyet, gir en direkte måte å ta et bilde av prøven. Dette glasset har blitt testet og viste seg å motstå opp til 10 MPa gass med lav ekspansjons hastighet, høy styrke, lystransmisjon og kjemisk stabilitet29.

Dette papiret beskriver prosedyren for å utføre en uniaxial komprimering eksperiment CO2-bærende kull med den nye visualisere og konstant volum gass-solid kopling test system, som inkluderer beskrivelse av alle brikkene som forbereder en briquette prøve å bruke rå kull pulver og natrium Humate, samt de påfølgende trinnene for å injisere høyt trykk CO2 og gjennomføre uniaxial kompresjon. Hele prøven deformasjon prosessen overvåkes ved hjelp av et kamera. Denne eksperimentelle tilnærmingen gir en alternativ måte å quantitively analysere absorpsjon-indusert skade og brudd evolusjon karakteristisk for gass-bærende kull.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. prøve forberedelser

  1. Samle rå kull blokker fra 4671B6 arbeider ansikt fra Xinzhuangzi kullgruve. Merk at på grunn av lav styrke og slakk av strukturen, er rå kull brutt og trolig blandet med urenheter. For å unngå påvirkning av disse interne og eksterne faktorer, samt redusere inhomogeneity av kull så mye som mulig, velger store kull blokker (ca 15 cm lang, 10 cm bred, og 10 cm høy).
  2. Bruk en TWEEZER å fjerne urenheter blandes i kull og skrubbe Crusher kammeret med absorberende bomull og acetaldehyd.
  3. Smash kullet blokkene i små biter med en kjeve Crusher, og ly dem i en sil shaker utstyrt med standardskjermer på 6 og 16 mesh. Plasser sortert kull pulveret separat i henhold til diameter.
  4. Veie 1 000 g og 300 g av pulverisert kull med en Partikkelstørrelsesfordeling på henholdsvis 0 – 1 mm og 1 – 3 mm. Sett dem sammen i et beger i en masse andel av 0.76:0.24 og bland dem godt med en glass stang (med en diameter på 6 mm).
    Merk: Ifølge Gaudian-Schuman funksjon av kontinuerlig pakking teori, når partikkel størrelses fordelings verdi (m) tilsvarer ca 0,25 (massen av partikkelstørrelse er 1-3 mm: Total masse = 0,24), er styrken av briquette maksimal30.
  5. For å forberede sement, Legg 4 g natrium Humate pulver (99,99% renhet) i et beger og tilsett ca 96 mL destillert vann. Bruk en glass stang til å røre dem og sørge for at alle natrium Humate er godt oppløst.
    Merk: konsentrasjonen av sement påvirker direkte kompresjons styrken til briquette. Tabell 1 avslører spesifikke forhold av briquette forberedelser, hvorav nr. 2 utvalget har blitt brukt for representative resultater.
  6. Sett 230 g av blandet kull pulver og 20 g natrium Humate løsning i et beger og bland dem sammen.
    Merk: basert på tidligere erfaringer med å lage prøver, en briquette produsert med 250 g av materiale, ved hjelp av kaldt trykk metoden, oppfyller størrelses kravet til en standard rock sample22, hvor kull pulver står for 92% og sement står for 8%.
  7. Kald-trykk på briquette med forme verktøyene tilpasset størrelsen på briquette (Figur 3).
    1. Å produsere en standard størrelse briquette, pels den indre overflaten av forme verktøy med smøreolje. Monter verktøy komponenter #2, #3 og #4 av Figur 3, og fyll hullet med 250 g av blandet materiale.
    2. Settkomponent #1 av Figur 3 på toppen av materialet, og plassere alt under stempelet av en elektro-hydraulisk servo universell testing maskin.
    3. Start programvaren WinWdw (eller tilsvarende) for å kontrollere elektro-hydraulisk servo universell testing maskin. Inne edb-programmer, falle i staver opp på Force omfang sette det maksimum Force å 50 KN, og falle i staver opp på restarte å rense luften forflytning salgsverdi.
    4. Venstre-klikk på alternativet tvinge lasting kontroll. Angi flytte forholdet ved 0,1 kN/s. Angi mål styrke verdien ved 29,4 kN og holde tid på 900 s. Deretter klikker du på Start.
    5. Ta ut forme verktøy og invertere dem på en gummiplate. Bruk en gummihammer til å demontere verktøy komponenter #4, #2, #3 og #1 i den rekkefølgen.
  8. Sett briquette i en 40 ° c inkubator for 48 h. Deretter veie sin masse med elektroniske vekter (med en presisjon på 0,01 g) og måle sin høyde og diameter med en Vernier-sko (med en presisjon på 0,02 mm) etter tørking.
  9. Mål fuktinnhold, askeinnhold og flyktig innhold i briquette ved hjelp av en Proximate analysator (se tabell over materialer) ved en temperatur på 20 ° c og en relativ fuktighet på 65% (per standard GB/T 212-2008). Utfør en vitrinite refleksjon måling på den polerte briquette ved hjelp av et fotometer mikroskop (per standard GB/T 6948-2008).
  10. Mål uniaxial kompresjons styrke, strekkfasthet, samhold, og intern friksjon vinkel, ved hjelp av en universell testing maskin og en belastning styrt direkte skjær apparater (per standard GB/T 23561-2010). Utfør en Poisson-måling ved hjelp av en motstands belastnings måler (per standard GB/T-22315-2008).
  11. Utfør en absorpsjons test av rå kull og briquette ved hjelp av et Isotherm absorpsjons instrument (per standard GB/T19560-2008).

2. eksperimentelle metoder

  1. Laboratorie oppsett
    1. Plasser test systemet i et stille, vibrasjonsfritt område av et rent laboratorium uten elektromagnetisk interferens. Romtemperaturen skal holde seg stabil under testen.
    2. Sett det visualisere fartøyet på plattformen av elektro-hydraulisk servo universell testing maskin. Koble stempelet på test maskinen til det aktuelle fartøyet ved hjelp av et spesifikt verktøy (se Figur 4).
    3. Monter en manuell trykkreduksjonsventil i gass tank munnstykket. Koble ventilen med gass Påfyllings kanalen på bunnplaten på det visualisere fartøyet med mykt rør (med en innvendig diameter på 5 mm og et maksimalt Trykk på 30 MPa). Koble vakuum kanalen og vakuumpumpen med samme rør.
    4. Fest bakdøren til det visualisere fartøyet med høy styrke bolter. Koble datamaskinen, datainnsamling boksen (DAQ boks), og den innebygde gasstrykk sensor til bakdøren.
  2. Lufttetthet test og blank måling
    1. Start programvaren DAQ sensor-16 (eller tilsvarende) for å innhente gasstrykk dataene i det visualisere fartøyet. På programvaren, klikk på Start.
    2. Start vakuumpumpen. Åpne ventilen v1 (figur 2) og Lukk v2, v3 og v4 (figur 2). Støvsugeren i et fartøy kammer. Slå av v1 og vakuum pumpe den til den er under vakuum.
    3. Åpne v2 og gasstanken (med helium). Bruk den manuelle trykk reduksjons ventilen til å justere utløpstrykket for gasstanken til omtrentlig 2 MPa (relativt trykk).
    4. Observer forsiktig gassen trykk kurven som vises på DAQ sensor-16. Når det er ca 2 MPa, slå av v2 og gasstanken.
      Merk: etter 24 h, hvis reduksjonen av gasstrykket er mindre enn 5%, er sealability av det visualisere fartøyet bra.
    5. For å måle friksjonen kraft lasting stempelet beveger seg nedover, starte programvaren WinWdw å kontrollere elektro-hydraulisk servo universell testing maskin.
    6. I programvaren, klikk på Force Range å sette maksimal kraft til 5 KN og klikk på reset for å fjerne forskyvningsverdien. Venstre-klikk på alternativet forskyvning lasting rate. Angi flytte forholdet på 1 mm/min; deretter klikker du på Start.
    7. Når forskyvningen som vises på WinWdw er ca 5 mm, klikk på Stopp. Venstre-klikk på data Lagre for å lagre Force-forskyvning kurve.
    8. Åpne v4 og Tøm helium i luft. Demonter bakdøren til det visualisere fartøyet og Lukk v4.
      FORSIKTIG: døren og vinduene skal være åpne for ventilasjon under gassutslipp på grunn av mulig fare for kvelning.
  3. Uniaxial komprimering eksperiment
    1. Mål høyden (h) og diameter (d) på briquette med en Vernier-tykkelse (med en presisjon på 0,02 mm). Veie massen (m) av briquette med elektroniske vekter (med en presisjon på 0,01 g). Beregn dens tilsynelatende tetthet (Equation 1) med følgende ligning.
      Equation 2
    2. Monter kjede rullen på circumferential deformasjon test apparat rundt midtposisjonen til briquette (figur 5, #1) og fest klemme holde ren (figur 5, #2). Koble til sensoren (figur 5, #3) med DAQ-boksen gjennom fly kontakten i det visualisere fartøyet (figur 2), og plasser dem under laste stempelet.
      Merk: for å sikre nøyaktigheten til datainnsamlingen, Juster kjede rullen og den øverste overflaten på prøven slik at de er parallelle med laste stempelet.
    3. Innlede WinWdw å administrere det universell tester apparat. I programvaren, venstre-klikk på alternativet forskyvning lasting rate. Angi flytte forholdet på 10 mm/min. Trykk ned -knappen på fjernkontrollen til den universelle test maskinen til avstanden mellom stempelet og prøven er 1 – 2 mm. Deretter monterer bakdøren til det visualisere fartøyet.
    4. Gjenta trinn 2.2.1 – 2.2.2. Åpne v3 og gasstanken (CO2, renhet = 99,99%). Bruk den manuelle trykk reduksjons ventilen til å justere utløpstrykket på gasstanken til en viss verdi.
    5. Observer nøye gass trykks kurven som vises i DAQ sensor-16. Når det blir nær nok til målet verdi, nær v3 og gasstanken (CO2).
      Merk: Når gasstrykk kurven forblir stabil, har briquette nådd absorpsjon og desorpsjon dynamisk likevekt tilstand. Vanligvis tar det 6 – 8 timer for briquette til fullt adsorbere. I denne testen er absorpsjons tiden satt til 24 timer.
    6. Etter 24 timer plasserer du kameraet med et stativ ved siden av vinduet til det Juster høyden og vinkelen for å sikre at bildet av prøven vises midt på kameraskjermen.
    7. Start programvaren SDU deformasjon oppkjøpet v 2.0 (eller tilsvarende) for å overvåke circumferential deformasjon av briquette. Klikk på Start.
    8. På WinWdw, klikk på ny prøve og skriv inn høyde og diameter på briquette, klikk på Seksjons område, og klikk deretter på Bekreft. Falle i staver opp på Force omfang sette det maksimum Force å 5 KN, og falle i staver opp på restarte å rense luften forskyvning salgsverdi.
    9. Venstre-klikk på alternativet forskyvning lasting rate og angi bevegelige ratio på 1 mm/min. Klikk på Start for å komprimere prøven. Samtidig trykker du på Start -knappen på kameraet for å starte videoopptak.
    10. Når prøven helt svikter, klikk på Stopp og data Lagre, i den rekkefølgen, i både WinWdw og SDU deformasjon oppkjøpet v 2.0. Trykk på Start -knappen på nytt på kameraet for å stoppe videoopptak.
    11. Gjenta trinn 2.2.8 for å frigjøre CO2 i fartøy kammeret. Koble fly kontaktene for gasstrykk giveren og circumferential deformasjon test apparater.
    12. Venstre-klikk på alternativet forskyvning lasting rate på WinWdw. Angi flytte forholdet på 10 mm/min. Trykk på opp -knappen på fjernkontrollen til den universelle test maskinen. Når laste stempelet på fartøyet er rundt 2 – 3 mm over briquette, tar du briquette ut og fjerner det fra kjede rullen.
    13. Demonter forbindelses verktøyet mellom stemplene. Rengjør beholderen med en støvsuger.
  4. Ferdigstillelse
    1. Basert på stress-aksial belastning kurve og circumferential belastning kurve innhentet fra WinWdw og SDU deformasjon oppkjøpet v 2.0, beregne volumet belastningen av prøven med følgende ligningen.
      Equation 3
      Her, Equation 4 = volum belastning; Equation 5 = aksial belastning; Equation 6 = circumferential belastning.
    2. Få topp styrke fra stress-aksial belastning kurve. Styrke reduksjons raten beregnes som følger.
      Equation 7
      Her, Equation 8 = styrke reduksjons rate; Equation 9 = peak styrke av prøven under et annet trykk av co2; Equation 10 = topp styrken på prøven i atmosfærisk luft.
    3. Beregn elastisk modul ved hjelp av lineær fase i stress-aksial belastning kurve i henhold til følgende ligning.
      Equation 11
      Her Equation 12 = elastisk modul av prøven; Equation 13 = stress økning av lineær scenen (i megapascal); Equation 14 = strekk økning på den lineære scenen. Beregn reduksjons hastigheten for elastisk modul som følger.
      Equation 15
      Her, Equation 16 = elastisk modul reduksjons rate, Equation 12 = elastisk modul av prøven under et annet trykk av co2; Equation 17 = elastisk modul av prøven i atmosfærisk luft.
    4. Velg sample bilder under test og statistikk brudd dekker området ved hjelp av et program (for eksempel skrevet i MATLAB) i henhold til boksen-telling dimensjon metoden.
      Equation 18
      Her, Equation 19 = Grid nummer for å dekke brudd området på torget rutenettet side lengde Equation 20 ; Equation 21 = en konstant; Equation 22 = fraktal dimensjon; Equation 20 = side lengde i rutenettet. Den minste rutenettstørrelsen er lik pikselstørrelsen i denne testen.
      1. Beregn korrelasjonskoeffisienten i henhold til følgende ligning.
        Equation 23
        HerEquation 24 = korrelasjonskoeffisient; Equation 25 = kovariansen av Equation 26 og Equation 27 ; Equation 28 = varians for Equation 26 ; Equation 29 = varians for Equation 27 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den gjennomsnittlige massen av briquette prøven var 230 g. avhengig av industriell analyse, briquette utstilt et fuktighetsinnhold på 4,52% og en askeinnhold på 15,52%. Videre var det flyktige innholdet ca 31,24%. Som natrium Humate ble utvunnet fra kull, var komponentene i briquette lik rå kull. De fysiske egenskapene vises i tabell 2.

Sammenligningen av mekaniske egenskaper mellom rå kull og briquette er vist i tabell 3, og den isotermiske absorpsjons testen viste sin tilsvarende kapasitet for gass absorpsjon (figur 6). Styrken på de briquette prøvene som ble brukt i testen hadde noen svingninger (figur 7). Men sammenlignet med styrke reduksjonen indusert av CO2 absorpsjon, det var ganske liten og hadde liten innflytelse på analyse av eksperimentelle resultater.

Når under forskjellige CO2 press, stress-aksial belastning kurver viste åpenbare komprimering, elastisk, og plast deformasjon faser (figur 8a). I post-peak tilstand, briquette gradvis mislyktes, med en overflate sprekk utvide og koble. En volumutvidelse ble observert fra belastnings kurvene for belastnings volum, og den økte med CO2 -trykket i ferd med å bli høyere (figur 8a). CO2 sorption forårsaket skade på kull kroppen, som direkte redusert sin uniaxial kompresjons styrke. Briquette topp styrker var 1,011 MPa, 0,841 MPa, 0,737 MPa, 0,659 MPa, 0,611 MPa og 0,523 MPa under CO2 -trykk fra 0 MPa, 0,4 mpa, 0,8 mpa, 1,2 mpa og 1,6 mpa til 2,0 MPA. Som CO2 -trykket økte, sank topp styrken til kull prøven, der den viste en ikke-lineær relasjon (figur 8B). I tillegg var den elastiske moduli 66,974 for MPa, 48,271 MPa, 42,234 MPa, 36,434 MPa, 32,509 MPa og 29,643 MPA, i denne rekkefølgen av CO2 Pressure fra 0 til 2,0 MPA. Resultatene tyder på at den elastiske modulen ble redusert under CO2 mettet tilstand og at forholdet mellom den elastiske modulen reduseres og gasstrykket var ikke-lineær, som var lik som peak styrke (figur 8c ).

Bildene innhentet gjennom kameraet Evince brudd ' evolusjon på prøven overflate under forskjellige CO2 press. For å skille mellom ulike frakturer, ble alle bildene overført til binære bilder og flere farger ble brukt for å indikere områder som dekkes av frakturer (figur 9a). Den Box-telling dimensjon metoden ble vedtatt for å beskrive funksjonen av frakturer i feil tilstandEquation 30(; her Equation 31 , = stress av prøven i post-peak tilstand; Equation 32 = peak styrke av prøven) under forskjellige co2 press. Korrelasjonskoeffisienter mellom boks nummeret (Equation 33) og sidelengden (Equation 34) var alle mer enn 0,95 (figur 9B), som verifiserer de åpenbare fraktal egenskapene til frakturer. De fraktal dimensjonene (Equation 35) var 1,3495, 1,3711, 1,4336, 1,4637, 1,5175 og 1,5191 for briquette under 0 MPA, 0,4 mpa, 0,8 mpa, 1,2 mpa, 1,6 mpa og 2,0 MPA co2. Verdiene av fraktal dimensjonen var proporsjonal med de CO2 press, og deres trend indikert likhet med at graden av skade på kull kroppen.

Figure 1
Figur 1: eksperimentell oppsett av den visualisere og konstant volum gass-solid koplings test system. Figuren demonstrerer oppsettet av en uniaxial kompresjon eksperiment av CO2-bærende kull. (A) for å laste fartøy. (B) gass fyllings modul. (C) aksial laste modul. (D) data innsamlings modul. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: det med følgende laste fartøyet. Skjematisk tegninger av fartøyet er vist ovenfor. Selv om prøven (høyde = 100 mm, diameter = 50 mm) lå innenfor fartøyet, ble aksial trykk påført av den uavhengige universelle test maskinen gjennom laste stempelet, og høytrykks gassen ble injisert fra gasstanken gjennom det myke røret og Påfyllings Kanal. Når prøven ble vridd av den termiske sammentrekbar plast ermet, ble det confining trykket også levert av høytrykks helium. De to justere sylinder stempler og lasting en av det visualisere fartøyet flyttet samtidig, der bevegelsen-indusert volum endringen ble oppveid på grunn av deres samme Seksjons område. Denne strukturen holdt fartøyet volum konstant og eliminert antiforce påføres på lasting stempelet fra gass. Prøven kan overvåkes med et kamera gjennom vinduene på tre sider. Fly kontakten ble satt i fartøyet for en ledningstilkobling. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: forme verktøy som kreves for å kjøle Trykk på standard briquette. 3D-skjematisk visning av hvordan briquette ble trykket (29,4 KN i 15 minutter). Prøven lå i det indre hullet i verktøy komponentene, og høyden og diameteren var henholdsvis 100 mm og 50 mm. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Bilde 4: verktøy som kreves for å koble til innlastings stemplene. 3D skjematisk utsikt over feste verktøyet mellom stempelet av elektro-hydrauliske servo tester og at av det visualisere fartøyet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: standard test apparat for circumferential deformasjon av steinprøver. Skjematisk og fysisk representasjon av circumferential deformasjon oppkjøpet brukes i protokollen. Ved å måle kantete forskyvning indusert ved prøven circumferential deformasjon, ble den circumferential belastningen oppnådd. Dette apparatet kan stabilt operere i høytrykksgass og hydraulikkolje. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: sammenligning av absorpsjons kapasiteten mellom rå kull og briquette. Panelet viser metan isotermiske absorpsjon data ved hjelp av rå kull og briquette i henhold til per standard GB/T19560-2008. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: full belastning kurver generert fra test systemet ved hjelp briquette. En uniaxial komprimerings test ble utført med tre briquette prøver uten å fylle på CO2 , og resultatene viser at briquette har en stabil uniaxial kompresjons styrke (1,0 MPA). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8: Uniaxial kompresjon eksperiment av CO2-bærende kull. (A) belastnings KURVER under forskjellige co2 -trykk. (B) trenden med endring i topp styrke. (C) trend endring i elastisk modul. Belastnings kurvene for stress-aksial belastningEquation 36(), circumferential strekk kurver (Equation 37), og strekk kurver for stress volum (Equation 38) vises i panel A. Etterfylling med CO2, briquette opplevde peak styrke og elastisk modul reduksjon, og kurvene i panelene B og C indikerer en ikke-lineær sammenheng mellom reduksjon rate og gasstrykk. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 9
Figur 9: bilder av frakturer og fraktal beregning i feil tilstand (Equation 39). (A) brudd evolusjon på briketter ' overflater, med forskjellige farger som representerer varierte frakturer. (B) fraktal dimensjon kurver ved hjelp av boksen-telling dimensjon metoden. Frakturer ble trukket ut og dekket området ble beregnet basert på fraktal geometri. Alle korrelasjonskoeffisienter (R2) under forskjellige co2 Press var mer enn 0,95, noe som beviser den fraktal egenskaper. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 10
Figur 10: verktøy som kreves for å bruke dynamisk belastning og bilde av test systemet. 3D-visning og fysisk bilde av førings stangen og den sylindriske vekten for dynamisk Last som søker. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

nei. Kull korn sammensetning
(0 ~ 1 mm: 1 ~ 3 mm)		 Konsentrasjon av
solidum Humate løsning/%		 Raito
(kull pulver: sement)		 Masse/g Støping Pressure
/MPa		 Tid
/min		 Peak styrke
/MPa
1 0.76:0.24 1 0.92:0.08 250 15 15 0,5
2 4 1
3 7 1,5
4 12 2

Tabell 1: ordningen med briquette forberedelser.

Eksempel tilsynelatende tetthet
(g/cm3)		 Porøsitet
(%)		 Fuktinnhold
(%)		 Ash-innhold
(%)		 Flyktig innhold
(%)		 Maksimalt vitrinite refleksjon
(%)
Briquette 1,17 15 4,52 15,52 31,24 0,82
Rå kull 1,4 3,45 4,09 15,36 31,17 0,85

Tabell 2: sammenligningen av industrielle analyse parametre for briquette og rå kull.

Eksempel Uniaxial
kompresjons
styrke (MPa)		 Elastisk
Modulus
GPA		 Strekk
Styrke
MPA		 Interne
Friksjon
vinkel (°)		 Samhold
MPA		 Pission
Forholdet
rå kull 25,23 4,529 2,30 30 0,800 0,25
briquette 1,011 0,067 0,11 29 0,117 0,25

Tabell 3: mekaniske egenskaper av rå kull og briquette.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Med tanke på faren for høytrykksgass er noen kritiske trinn viktige under testen. Ventilene og O-ringene skal inspiseres og skiftes ut regelmessig, og enhver antennelseskilde bør ikke være tillatt i laboratoriet. Ved bruk av den manuelle trykk reguleringsventilen bør eksperimentator vri ventilen langsomt for å øke trykket i det med følgende Ikke Demonter fartøyet under testen. Når eksperimentet er ferdig, bør bakdøren til fartøyet åpnes etter den totale utgivelsen av høytrykks gassen; ellers er det fare for personskader. Bruk en støvsuger for å fjerne alle briquette fra fartøyet, for ikke å påvirke mengden av absorpsjon av gass under neste test.

CO2-Coal kopling eksperimentelle metoden ble utformet for å fremme test presisjon og gi fotografi overvåking for gass-bærende kull eksperimenter. Den briquette prøven besitter flere fordeler, for eksempel kostnadseffektivitet, nontoxicity, enkel produksjon, stabil ytelse, og justerbar styrke, og dens isotermiske absorpsjons kurven er enig godt med det av rå kull. Modellen test av kull og gass utbrudd beviser også at briquette kan simulere adsorptive og desorptive oppførsel av gass-bærende kull29,31. I tillegg, etter fem generasjoner med forbedring, har det eksperimentelle apparatet høy nøyaktighet, presisjon, stabilitet og sikkerhet, som overholder standardene for sikkerhet ved høytrykks eksperimenter. Det er ingen spesiell forutsetning for arten av prøven, så lenge det er en porøs stein, inkludert rå kull og skifer stein.

De viktigste grensene for CO2-kull kopling eksperimentell metode er først, at briquette har en lavere styrke sammenlignet med rå kull, på grunn av sin måte å formasjon. Likheten av mekaniske egenskaper mellom rå kull og briquette trenger fortsatt forbedring, og relaterte eksperimentelle resultater bør evalueres og valideres av rå kull og en in situ test. For det andre, siden LED-lampene og luftfart kontakten ble satt i et sett med et annet kar, bør det ikke fylles med brennbar gass, slik som CH4. Ellers vil det sannsynligvis oppstå en eksplosiv ulykke under gass fylling. Heldigvis kan en brennbart gass som ligner på metan simulere CH4-kull interaksjon og det har blitt bevist som et trygt og effektivt materiale til å søke i kull og gass utbrudd fysisk simulering eksperimenter32.

I tillegg er briquette innpakket av en termisk sammentrekbar plast ermet for confining trykket brukes under triaxial komprimering test, som åpenbart vil svekke kvaliteten på prøven bildet. Når prøven er lastet under en annen gass-, temperatur-og gasstrykk, må den dynamiske indeksen for brytningen tas med i betraktningen under bildeopptak. Ettersom trykkforskjellen i testen er relativt lav, kan indeksen for brytning ses som en konstant33.

Bortsett fra uniaxial og triaxial komprimering, kan dynamisk belastning forstyrrelse brukes under testen for å undersøke samspillet mellom prøven og gassen. Førings stangen og en 1 kg sylindrisk vekt legges mellom stemplene til den universelle test maskinen og det visualisere fartøyet (Figur 10). Trykksensoren monteres på undersiden av laste stempelet for å få det dynamiske trykket som brukes på prøven. Under testen, den sylindriske vekten, i en viss høyde, er utgitt i ulike stress tilstander å studere prøven dynamiske svikt egenskaper.

Den sorption skade på kull legemet er makroskopisk avslørt som en reduksjon av uniaxial kompresjons styrke og elastisk modul. Jo høyere sorption trykket er, jo større kull skade årsaker, som er en ikke-lineær forhold. Absorpsjons prosessen kan beskrives av Langmuir-modellen34. Ifølge modellen ligningen, Equation 40 (V = tilsvarende absorpsjons volum; Vm, b = konstant; p = gasstrykk) øker absorpsjons mengden etter hvert som gasstrykket øker. Denne forskjellen resulterer i de ulike reduksjon utbredelsen av peak styrke briquette. Kull styrke eller elastisk modul reduksjon av co2 metning observert fra eksperimentelle resultater har god overensstemmelse med tidligere forskning35,36,37. Som konklusjon, må det være en viss sammenheng mellom mekaniske skader forårsaket av sorption og gass absorpsjons mengde.

Den deformasjon karakteristikk av briquette er oppsummert som kompresjon/ekspansjon tilkobling av microcracks og den endelige dannelsen av makroskopisk frakturer. Det er antydet at brudd utviklingen av CO2-bærende kull viste fraktal egenskaper. Den maksimale fraktal dimensjonen var 1,5191 (2 MPa CO2) i testen. Tatt i betraktning at rå kull er mer heterogen enn briquette, verdien av fraktal dimensjonen kan være forskjellig for rå kull test.

Rock er et solid medium, og ulike eksterne effekter vil forårsake skade på den. På grunn av usikkerheten av crack forplantning under feil prosessen, spesielt med tanke på koplings effekten av sorption og lasting, noen tradisjonelle rock mekanikk forskningsmetoder manifest åpenbare begrensninger. Imidlertid gir fraktal teori en ny måte å beskrive og studere komplekse mekaniske prosesser og mekanismer for rock brudd utvikling. Tidligere studier har gjort det klart at brudd utviklingen av rock materialer har fraktal funksjoner38,39,40,41. Imidlertid er test forskning på brudd utviklingen av gass-bærende kull mangler, hovedsakelig på grunn av en begrensning av det eksperimentelle apparatet. CO2-Coal kopling eksperimentell metode gir forskere en måte å fange og trekke ut overflaten brudd nettverk av prøven gjennom Vinduer og får fraktal dimensjon i ulike koplings forhold. Den fraktal dimensjon kan brukes til å kvantitativt beskrive skaden grad, brudd utvikling, og delen kompleksiteten av kull kroppen under lasting status. Det kan bli en evaluering indeks for strukturelle egenskaper og mekaniske egenskaper av kull. Derfor er det av stor betydning for evalueringen av gass lagringskapasitet og injeksjon innflytelse parametre i praksisen med CO2 geologiske opptak.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av China National Major vitenskapelige instrumenter Development Project (Grant no. 51427804) og Shandong-provinsen National Natural Science Foundation (Grant no. ZR2017MEE023).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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. , 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).

Tags

Environmental Sciences utgave 148 Environmental Science karbondioksid sorption kull briquette sanntids bilde overvåking uniaxial kompresjon fraktal dimensjon
En Uniaxial sammenntrykking eksperiment med CO<sub>2</sub>-bærende kull ved hjelp av en visualisere og Constant-volum gass-solid kopling test system
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hou, W., Wang, H., Wang, W., Liu,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter