Ein uniaxiales Kompressionsexperiment mit CO2-Lagerkohle mit einem visualisierten und konstantvolumigen Gas-Solid-Kopplungs-Testsystem

Die zunehmende Konzentration von CO2 in der Atmosphäre ist ein direkter Faktor, der den Globalen Erwärmungseffekt verursacht. Aufgrund der starken Sorptionskapazität von Kohle wird die CO2-Sequestrierung in einer Kohleflöz als praktisches und umweltfreundliches Mittel zur Verringerung der weltweiten Emission von Treibhausgasen^1,2,3angesehen. Gleichzeitig kann das injizierte_CO2 CH₄ ersetzen und zur Förderung der Gasförderung bei der Gewinnung von Kohlenmethan (ECBM)^4,5,6führen. Die ökologischen und wirtschaftlichen Aussichten der CO2-Sequestrierung haben in jüngster Zeit weltweit Aufmerksamkeit bei Forschern sowie bei verschiedenen internationalen Umweltschutzgruppen und Regierungsbehörden erregt.

Kohle ist ein heterogenes, strukturell anisotropes Gestein, das aus einer Pore, einer Fraktur und einer Kohlematrix besteht. Die Porenstruktur hat eine große spezifische Oberfläche, die eine große Menge gasadsorbieren kann, spielt eine wichtige Rolle bei der Gassequestrierung, und die Fraktur ist der Hauptweg für freien Gasfluss^7,8. Diese einzigartige physikalische Struktur führt zu einer großen Gasadsorptionskapazität für CH₄ und CO₂. Grubengas wird in einer Koalvierung in einigen Formen abgelagert: (1) adsorbiert auf der Oberfläche von Mikroporen und größeren Poren; (2) in die Kohlenmolekülstruktur aufgenommen werden; (3) als freies Gas in Frakturen und größeren Poren; und (4) in Ablagerungswasser gelöst. Das Sorptionsverhalten von Kohle zu CH₄ und CO2 verursacht Matrixschwellungen, und weitere Studien zeigen, dass es sich um einen heterogenen Prozess handelt und mit den Kohlelithotypen^9,10,11zusammenhängt. Darüber hinaus kann die Gassorption zu Schäden im konstitutiven Verhältnis von Kohle^12,13,14führen.

Die Rohkohleprobe wird in der Regel in Kohle- und CO2-Kopplungsexperimenten verwendet. Insbesondere wird ein großes Stück Rohkohle aus der Arbeitsfläche in einem Kohlebergwerk geschnitten, um eine Probe vorzubereiten. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Rohkohle haben jedoch aufgrund der zufälligen räumlichen Verteilung natürlicher Poren und Brüche in einer Kohleflöz unweigerlich einen hohen Dispersionsgrad. Darüber hinaus ist die gasführende Kohle weich und schwer umzuformen. Nach den Prinzipien der orthogonalen Versuchsmethode gilt das Brikett, das mit Rohkohlepulver und Zement rekonstituiert wird, als ideales Material, das im Kohlesorptionstest^15,16verwendet wird. Da sie mit Metalldüsen kaltgepresst wird, kann ihre Festigkeit voreingestellt werden und bleibt stabil, indem die Zementmenge angepasst wird, was der vergleichenden Analyse des einvariablen Effekts zugute kommt. Obwohl die Porosität der Brikettprobe das 4-10-fache beträgt, wurden in der experimentellen Forschung ähnliche Adsorptions- und Desorptionseigenschaften und Spannungs-Dehnungs-Kurve gefunden^{17,18 , 19 , 20}. In diesem Papier wurde ein Schema eines ähnlichen Materials für gashaltige Kohle zur Herstellung des Briketts²¹angenommen. Die Rohkohle wurde aus dem 4671B6 Arbeitsgesicht in der Xinzhuangzi Kohlemine, Huainan, Provinz Anhui, China genommen. Die Kohlenflöze ist etwa 450 m unter dem Boden und 360 m unter dem Meeresspiegel, sinkt bei etwa 15° und ist etwa 1,6 m dick. Die Höhe und der Durchmesser der Brikettprobe betragen 100 mm bzw. 50 mm, was der empfohlenen Größe entspricht, die von der International Society for Rock Mechanics (ISRM)²²empfohlen wird.

Die bisherigen uniaxialen oder triaxialen Belastungsprüfgeräte für gasgelagerte Kohleexperimente unter Laborbedingungen haben einige Engpässe und Grenzen, dargestellt als Stipendiaten^{23,24,25,26 ,27,28}: (1) während des Ladevorgangs nimmt das Behältervolumen mit der Bewegung des Kolbens ab, was zu Schwankungen des Gasdrucks und Störungen der Gassorption führt; (2) Die Echtzeit-Bildüberwachung von Proben sowie umlaufende Verformungsmessungen in einer Umgebung mit hohem Gasdruck sind schwierig durchzuführen; (3) Sie beschränken sich auf die Stimulierung dynamischer Laststörungen an vorbelasteten Proben zur Analyse ihrer mechanischen Reaktionseigenschaften. Um die Gerätegenauigkeit und Datenerfassung im Zustand der Gas-Festkupplung zu verbessern, wurde ein visualisiertes und volumengleich gelastetes Prüfsystem²⁹ entwickelt (Abbildung 1), einschließlich (1) eines visualisierten konstante Volumenkammer, die die Kernkomponente ist; (2) ein Gasfüllmodul mit einem Vakuumkanal, zwei Füllkanälen und einem Freigabekanal; (3) ein axiales Lademodul, das aus einer elektrohydraulischen Servo-Universalprüfmaschine und einem Steuerrechner besteht; (4) ein Datenerfassungsmodul, das aus einem Umfänger-Verdrängungsmessgerät, einem Gasdrucksensor und einer Kamera am Fenster des visualisierten Ladebehälters besteht.

Das magnetisierte Kerngefäß (Abbildung 2) ist speziell so konzipiert, dass zwei Verstellzylinder auf der oberen Platte befestigt sind und ihre Kolben sich gleichzeitig mit dem Ladebehälter durch einen Strahl bewegen, und die Schnittfläche des Ladekolbens gleich dem Summe der der Einstellzylinder. Durch ein inneres Loch und weiche Rohre fließt das Hochdruckgas im Behälter und die beiden Zylinder sind miteinander verbunden. Wenn sich der Behälterladekolben nach unten bewegt und das Gas komprimiert, kann diese Struktur die Volumenänderung ausgleichen und Druckstörungen eliminieren. Darüber hinaus wird die enorme gasinduzierte Gegenkraft, die auf den Kolben ausgeübt wird, während des Tests verhindert, was die Sicherheit des Instruments erheblich verbessert. Die Fenster, die mit gehärtetem Borosilikatglas ausgestattet sind und sich auf drei Seiten des Schiffes befinden, bieten eine direkte Möglichkeit, die Probe zu fotografieren. Dieses Glas wurde erfolgreich getestet und erwies sich als bis zu 10 MPa Gas mit einer niedrigen Ausdehnungsrate, hoher Festigkeit, Lichtdurchlässigkeit und chemischer Stabilität²⁹.

Dieser Artikel beschreibt das Verfahren zur Durchführungeines uniaxialen Kompressionsexperiments von CO2-lagernder Kohle mit dem neuen visualisierten und konstantvolumigen Gas-Fest-Kopplungs-Prüfsystem, das die Beschreibung aller Teile enthält, die ein Brikett vorbereiten. Probe mit Rohkohlepulver und Natriumhumat, sowie die aufeinanderfolgenden Schritte zur Injektion von Hochdruck-CO2 und Durchführung uniaxialer Kompression. Der gesamte Probenverformungsprozess wird mit einer Kamera überwacht. Dieser experimentelle Ansatz bietet eine alternative Möglichkeit, die adsorptionsinduzierten Schäden und die Bruchentwicklung, die für gashaltige Kohle charakteristisch sind, quantitativ zu analysieren.