Denne protokol demonstrerer, hvordan man forbereder en briket prøve og gennemfører et anbragt kompressions eksperiment med et briket i forskellige co2 -tryk ved hjælp af et visualiseret og konstant volumen gas-solid koblings testsystem. Det har også til formål at undersøge ændringer i form af kul fysiske og mekaniske egenskaber induceret af CO2 adsorption.
Indsprøjtning af kuldioxid (CO2) i en dyb kulsøm er af stor betydning for at reducere koncentrationen af drivhusgasser i atmosfæren og øge genopretningen af kulfiber metan. En visualiseret og konstant volumen gas-solid kobling system introduceres her for at undersøge indflydelsen af CO2 sorption på de fysiske og mekaniske egenskaber af kul. At være i stand til at holde en konstant volumen og overvåge prøven ved hjælp af et kamera, dette system tilbyder potentialet til at forbedre instrumentets nøjagtighed og analysere fraktur Evolution med en fraktal geometri metode. Dette papir indeholder alle trin til at udføre et anbragt kompressions eksperiment med en briket prøve i forskellige co2 -tryk med gassolid koblings testsystem. Et Briquette, koldpresset af rå kul og natrium humat cement, er indlæst i højtryks-CO2, og dets overflade overvåges i realtid ved hjælp af et kamera. Men ligheden mellem briket og råkul skal stadig forbedres, og en brændbar gas som methan (Kap.4) kan ikke injiceres til testen. Resultaterne viser, at co2 sorption fører til spids styrke og elastisk modulus reduktion af briket, og fraktur udviklingen af briket i en fejltilstand indikerer fraktal egenskaber. Styrken, elastisk modulus, og fraktal dimension er alle korreleret med CO2 tryk, men ikke med en lineær korrelation. Den visualiserede og konstant volumen gas-solid kobling testsystem kan tjene som en platform for eksperimentel forskning om rock mekanik i betragtning af multi Field Koblingseffekt.
Den stigende koncentration af CO2 i atmosfæren er en direkte faktor, der forårsager den globale opvarmning effekt. På grund af kuls stærke sorptionskapacitet betragtes CO2 -binding i en kulsøm som et praktisk og miljøvenligt middel til at reducere den globale emission af drivhusgasser1,2,3. Samtidig kan den injicerede Co2 erstatte ch4 og resultere i gasproduktion fremme i coalbed methan Recovery (ecbm)4,5,6. De økologiske og økonomiske udsigter for CO2 -binding har for nylig tiltrukket verdensomspændende opmærksomhed blandt forskere, såvel som blandt forskellige internationale miljøbeskyttelsesgrupper og statslige organer.
Kul er en heterogen, strukturelt Anisotropisk klippe bestående af en pore, fraktur, og kul matrix. Pore strukturen har et stort specifikt overfladeareal, som kan adsorbe en stor mængde gas, spille en afgørende rolle i gasbinding, og frakturen er den vigtigste vej til fri gasflow7,8. Denne unikke fysiske struktur fører til en stor gasadsorptions kapacitet for CH4 og co2. Mine gassen deponeres i et par former: (1) adsorbet på overfladen af mikroporer og større porer; (2) absorberet i den kulmolekylære struktur; (3) som fri gas i frakturer og større porer; og (4) opløst i deponerings vand. Sorption opførsel af kul til ch4 og co2 forårsager matrix hævelse, og yderligere undersøgelser viser, at det er en heterogen proces og er relateret til kul litotyperne9,10,11. Desuden kan gas sorption resultere i skade i konstitutiv forholdet af kul12,13,14.
Råstenkuls prøven anvendes almindeligvis i forsøg med kul og CO2 -kobling. Konkret skæres et stort stykke råkul fra arbejds ansigtet i en kulmine for at forberede en prøve. Men de fysiske og mekaniske egenskaber af råkul uundgåeligt har en høj dispersion grad på grund af den tilfældige rumlige fordeling af naturligt porer og frakturer i en kulsøm. Desuden er det gasbærende kul blødt og vanskeligt at blive omformet. Ifølge principperne i den ortogonale eksperimentelle metode, er Briquette, som er rekonstitueret med rå kul pulver og cement, betragtes som et ideelt materiale, der anvendes i kul sorption test15,16. At være koldpresset med metal dør, kan dens styrke være forudindstillet og forbliver stabil ved at justere mængden af cement, hvilket gavner den komparative analyse af den enkelt variable effekt. Selv om porøsitet af briket prøven er ~ 4-10 gange, at af råkuls prøven, lignende adsorptions-og desorptionskarakteristika og stress-stamme kurve er blevet fundet i den eksperimentelle forskning17,18 , 19 , 20. i dette dokument er der vedtaget en ordning med et lignende materiale til gasbærende kul for at forberede briket21. Den rå kul blev taget fra 4671B6 arbejder ansigt i Xinzhuangzi kulmine, Huainan, Anhui-provinsen, Kina. Kulsømmen er ca. 450 m under jordoverfladen og 360 m under havets overflade, og den neddypper på ca. 15 ° og er ca. 1,6 m i tykkelse. Højden og diameteren af briket prøven er henholdsvis 100 mm og 50 mm, hvilket er den anbefalede størrelse foreslået af international Society for rock Mechanics (isrm)22.
De tidligere uniaksiale eller triaksiale belastningstest instrumenter til gasbærende kul eksperimenter under laboratorieforhold har nogle mangler og begrænsninger, præsenteret som Fellows23,24,25,26 ,27,28: (1) under lastningen aftager fartøjets volumen med det bevægende stempel, hvilket medfører udsving i gastrygtrykket og forstyrrelser i gassorptionen; (2) det er vanskeligt at foretage realtidsovervågningen af prøverne samt de omskårne deformations målinger i et højt gastryks miljø; (3) de er begrænset til stimulering af dynamiske belastnings forstyrrelser på forudindlæste prøver for at analysere deres mekaniske respons egenskaber. For at forbedre instrumentets præcision og dataindsamlingen i den gasfaste koblingstilstand er der udviklet et visualiseret og konstant volumen testsystem29 (figur 1), herunder (1) et visualiseret læsse fartøj med en konstant volumen kammer, som er kernen komponent; 2) et gaspåfyldnings modul med en vakuum kanal, to påfyldnings kanaler og en frigørende kanal (3) et aksial læsse modul bestående af en elektrohydraulisk servo Universal test maskine og kontrol computer; (4) et dataindsamlings modul bestående af et måleapparat for forskydning af fordrivelse, en gastryks sensor og et kamera ved vinduet på det visualiserede læsse fartøj.
Det grundlæggende visualiserede fartøj (figur 2) er specielt konstrueret således, at to justerings cylindre er fastgjort på den øverste plade, og deres stempler bevæger sig samtidig med lastning en gennem en stråle, og det tværsnitsareal af lastning stempel er lig med den summen af justerings cylindrene. Flyder gennem et indre hul og bløde rør, er højtryks gassen i beholderen og de to cylindre tilsluttet. Derfor, når skibet-lastning stempel bevæger sig nedad og komprimerer gassen, denne struktur kan udligne ændringen i volumen og eliminere tryk interferens. Desuden forhindres den enorme gasinducerede kontra styrke, der udøver stemplet, under testen, hvilket væsentligt forbedrer instrumentets sikkerhed. Vinduerne, der er udstyret med hærdet borosilikat glas og beliggende på tre sider af fartøjet, giver en direkte måde at tage et fotografi af prøven. Dette glas er blevet testet med succes og har vist sig at modstå op til 10 MPa gas med en lav ekspansions hastighed, høj styrke, lystransmission og kemisk stabilitet29.
Dette papir beskriver proceduren til at udføre et anbragt komprimerings eksperiment af co2-bærende kul med den nye visualiserede og konstant volumen gas-solid kobling testsystem, som omfatter beskrivelsen af alle stykker, der forbereder en briket prøve ved hjælp af rå kulpulver og natrium humat, samt de efterfølgende trin til injektion af højtryks-CO2 og udføre uniaksial kompression. Hele prøven deformation proces overvåges ved hjælp af et kamera. Denne eksperimentelle tilgang tilbyder en alternativ måde at kvantitivt analysere adsorptions induceret skade og fraktur Evolution karakteristisk for gas-bærende kul.
I betragtning af faren for højtryks gas, nogle kritiske trin er vigtige under testen. Ventilerne og O-ringene skal inspiceres og udskiftes regelmæssigt, og enhver antændelseskilde bør ikke være tilladt i laboratoriet. Når du bruger den manuelle trykreguleringsventil, skal eksperimententer dreje ventilen langsomt for at få trykket i det visualiserede fartøj til at stige gradvist. Beholderen må ikke skilles ad under prøvningen. Når forsøget er færdigt, skal bagdøren af beholderen åbnes efter den totale frigi…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af Kinas nationale store videnskabelige instrumenter udviklingsprojekt (Grant nr. 51427804) og Shandong-provinsen National Natural Science Foundation (Grant nr. ZR2017MEE023).
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 |