Un esperimento di compressione uniaxiale con CO₂-Bearing Coal utilizzando un sistema di test di accoppiamento gas-solido con flusso-solido con un sistema di prova

La crescente concentrazione di CO₂ nell’atmosfera è un fattore diretto che causa l’effetto del riscaldamento globale. A causa della forte capacità di sorption del carbone, il sequestro di CO₂ in una cucitura a carbone è considerato un mezzo pratico e rispettoso dell’ambiente per ridurre le emissioni globali di gas serra^1,2,3. Allo stesso tempo, il CO₂ iniettato può sostituire CH₄ e provocare la promozione della produzione di gas nel recupero del metano a carbone (ECBM)^4,5,6. Le prospettive ecologiche ed economiche del sequestro di CO₂ hanno recentemente attirato l’attenzione di tutto il mondo tra i ricercatori, nonché tra i diversi gruppi internazionali di protezione dell’ambiente e le agenzie governative.

Il carbone è una roccia eterogenea, strutturalmente anisotropica composta da un poro, frattura e matrice di carbone. La struttura dei pori ha una grande superficie specifica, che può adsorgare una grande quantità di gas, svolgendo un ruolo vitale nel sequestro del gas, e la frattura è il percorso principale per il flusso di gas libero^7,8. Questa struttura fisica unica porta ad una grande capacità di adsorbimento del gas per CH₄ e CO₂. Il gas minerario viene depositato in un carbone in alcune forme: (1) adsorbito sulla superficie di micropori e pori più grandi; (2) assorbito nella struttura molecolare del carbone; (3) come gas libero in fratture e pori più grandi; (4) disciolti nell’acqua di deposito. Il comportamento di sorption del carbone a CH₄ e CO₂ provoca gonfiore a matrice, e ulteriori studi dimostrano che si tratta di un processo eterogeneo ed è correlato ai litotipi di carbone^9,10,11. Inoltre, l’assorbimento del gas può causare danni nella relazione costitutiva del carbone^12,13,14.

Il campione di carbone grezzo è generalmente utilizzato negli esperimenti di accoppiamento del carbone e della CO 2. In particolare, un grosso pezzo di carbone grezzo dalla faccia di lavoro in una miniera di carbone viene tagliato per preparare un campione. Tuttavia, le proprietà fisiche e meccaniche del carbone grezzo hanno inevitabilmente un alto grado di dispersione a causa della distribuzione spaziale casuale di pori naturali e fratture in una cucitura di carbone. Inoltre, il carbone portante del gas è morbido e difficile da rimodellato. Secondo i principi del metodo sperimentale ortogonale, la bricchetta, che viene ricostituita con polvere di carbone grezzo e cemento, è considerata come un materiale ideale utilizzato nella prova di sorption carbone^15,16. Essendo pressato a freddo con i dadi metallici, la sua forza può essere preimpostata e rimane stabile regolando la quantità di cemento, che beneficia l’analisi comparativa dell’effetto a singola variabile. Inoltre, anche se la porosità del campione di bricchette è di 4-10 volte, quella del campione di carbone grezzo, caratteristiche di adsorbimento e desorption simili e curva di tensione-deformazione sono stati trovati nella ricerca sperimentale^{17,18 , 19} del 12 ^{, 20}. In questo documento è stato adottato uno schema analogo per il carbone portante del gas per preparare la bricchetta²¹. Il carbone grezzo è stato prelevato dalla faccia di lavoro 4671B6 nella miniera di carbone Xinzhuangzi, Huainan, provincia di Anhui, Cina. La cucitura del carbone si trova a circa 450 m sotto il livello del suolo e 360 m sotto il livello del mare, e si tuffa a circa 15 gradi ed è di circa 1,6 m di spessore. L’altezza e il diametro del campione di bricchette sono rispettivamente 100 mm e 50 mm, che è la dimensione consigliata suggerita dalla International Society for Rock Mechanics (ISRM)²².

I precedenti strumenti di prova di carico uniaxiale o triaxiale per esperimenti sul carbone a gas in condizioni di laboratorio presentano alcune carenze e limitazioni, presentati come borsisti^{23,24,25,26 ,27,28}: (1) durante il processo di carico, il volume della nave diminuisce con il movimento del pistone, causando fluttuazioni nella pressione del gas e disturbi nell’asorpto di gas; (2) è difficile condurre il monitoraggio in tempo reale dei campioni e le misurazioni della deformazione circonferenziale in un ambiente ad alta pressione gassosa; (3) sono limitati alla stimolazione di disturbi del carico dinamico su campioni precaricati per analizzare le loro caratteristiche di risposta meccanica. Al fine di migliorare la precisione dello strumento e l’acquisizione dei dati nella condizione di accoppiamento solido come gas, è stato sviluppato un sistema di test visualizzato e a volume costante²⁹ (Figura 1), incluso (1) un recipiente di carico visualizzato con camera a volume costante, che è la componente centrale; (2) un modulo di riempimento del gas con un canale a vuoto, due canali di riempimento e un canale di rilascio; (3) un modulo di carico assiale costituito da una macchina di prova elettronica-idraulica servo universale e da un computer di controllo; (4) un modulo di acquisizione dati composto da un apparato di misura dello spostamento circonferenziale, un sensore di pressione del gas e una telecamera nella finestra del recipiente di carico visualizzato.

Il recipiente di base visualizzato (Figura 2) è specificamente progettato in modo che due cilindri di regolazione siano fissati sulla piastra superiore e i loro pistoni si muovono contemporaneamente con quello di carico attraverso un fascio, e l’area sezionale del pistone di carico è uguale al somma di quella dei cilindri di regolazione. Scorrendo attraverso un foro interno e tubi morbidi, il gas ad alta pressione nella nave e i due cilindri è collegato. Pertanto, quando il pistone di carico della nave si muove verso il basso e comprime il gas, questa struttura può compensare la variazione di volume ed eliminare le interferenze di pressione. Inoltre, l’enorme controforza indotta dal gas esercitando sul pistone è prevenuta durante il test, migliorando significativamente la sicurezza dello strumento. Le finestre, dotate di vetro temperato e situate su tre lati della nave, forniscono un modo diretto per scattare una fotografia del campione. Questo vetro è stato testato con successo e ha dimostrato di resistere fino a 10 gas MPa con un basso tasso di espansione, alta resistenza, trasmissione della luce, e la stabilità chimica²⁹.

Questo documento descrive la procedura per eseguire un esperimento di compressione uniassiale del carbone CO₂-cuscinetto con il nuovo sistema di prova di accoppiamento gas-solido visualizzato e a volume costante, che include la descrizione di tutti i pezzi che preparano una bricchetta campione utilizzando polvere di carbone grezzo e humate di sodio, nonché le fasi successive per iniettare CO₂ ad alta pressione e condurre la compressione uniaxial. L’intero processo di deformazione del campione viene monitorato utilizzando una fotocamera. Questo approccio sperimentale offre un modo alternativo per analizzare quantitativamente il danno indotto dall’adsorpazione e l’evoluzione della frattura caratteristica del carbone portatore di gas.