시각화되고 일정한 부피의가스 고체 커플링 테스트 시스템을 사용하여 CO 2-베어링 석탄을 사용한 축축한 압축 실험
Summary
이 프로토콜은 시각화되고 일정한 부피가 나는 가스 고체 커플링 테스트 시스템을 사용하여 연탄 샘플을 준비하고 상이한 CO2 압력에서 연탄으로 공축 압축 실험을 수행하는 방법을 보여줍니다. 또한 CO2 흡착에 의해 유발되는 석탄의 물리적 및 기계적 특성의 변화를 조사하는 것을 목표로합니다.
Abstract
깊은 석탄 솔기에이산화탄소 (CO2)를 주입하는 것은 대기 중 온실 가스의 농도를 줄이고 석탄 층 메탄의 회수를 증가시키는 데 큰 의미가 있습니다. 석탄의 물리적 및 기계적 특성에 대한 CO2 흡착의 영향을 조사하기 위해 시각화되고 일정한 부피의 가스 고체 커플링 시스템이 여기에 도입되었습니다. 일정한 볼륨을 유지하고 카메라를 사용하여 샘플을 모니터링 할 수있는이 시스템은 계측기의 정확도를 개선하고 프랙탈 지오메트리 방법으로 골절 진화를 분석 할 수있는 잠재력을 제공합니다. 이 백서는 가스 고체 커플링 테스트 시스템과 상이한 CO2 압력에서 연탄 샘플을 사용하여 축축 압축 실험을 수행하는 모든 단계를 제공합니다. 생석탄과 후메이트 시멘트에 의해 냉압압착된 연탄은 고압CO2에 적재되고, 표면은 카메라를 사용하여 실시간으로 모니터링됩니다. 그러나 연탄과 원석탄 의 유사성은 여전히 개선이 필요하며, 메탄(CH4)과같은 인화성 가스는 시험을 위해 주입될 수 없다. 결과는 CO2 흡착이 연탄의 피크 강도 및 탄성 계수 감소로 이어지고, 실패 상태에서 연탄의 골절 진화가 프랙탈 특성을 나타낸다는 것을 보여준다. 강도, 탄성 계수 및 프랙탈 치수는 모두 CO2 압력과 상관관계가 있지만 선형 상관관계는 없습니다. 시각화되고 일정한 부피의 가스 고체 커플링 테스트 시스템은 멀티필드 커플링 효과를 고려하여 암석 역학에 대한 실험적인 연구를 위한 플랫폼역할을 할 수 있습니다.
Introduction
대기 중의CO2 농도가 증가하는 것은 지구 온난화 효과를 유발하는 직접적인 요인입니다. 석탄의 강력한 흡착 능력으로 인해, 석탄 솔기의 CO2 격리는 온실 가스 1,2,3의글로벌 배출을 감소시키는 실용적이고 환경 친화적 인 수단으로 간주됩니다. 동시에, 주입된CO2는 CH4를 대체할 수 있고 석탄층 메탄 회수(ECBM) 4,5,6에서가스 생산 촉진을 초래할 수 있다. CO2 격리의 생태 및 경제 전망은 최근 연구자들 뿐만 아니라 다양한 국제 환경 보호 그룹 및 정부 기관 사이에서 전 세계적으로 주목을 받고 있습니다.
석탄은 기공, 골절 및 석탄 매트릭스로 구성된 이질적이고 구조적으로 이방성 암석입니다. 기공 구조는 많은 양의 가스를 흡착 할 수있는 큰 비 표면적을 가지며, 가스 격리에 중요한 역할을하며, 골절은자유 가스 흐름 7,8의주요 경로입니다. 이 독특한 물리적 구조는 CH4 및 CO2에대한 훌륭한 가스 흡착 용량으로 이어집니다. 광산 가스는 몇 가지 형태로 석탄에 증착된다 : (1) 미세 기공과 큰 기공의 표면에 흡착; (2) 석탄 분자 구조에 흡수; (3) 골절 및 더 큰 기공에서 자유 가스로; (4) 퇴적물에 용해됩니다. CH4 및 CO2에 대한 석탄의 흡착 거동은 매트릭스 부종을 유발하며, 추가 연구는 이질적인 과정이며 석탄 리소타입9,10,11과관련이 있음을 입증한다. 또한, 가스 흡착은 석탄12,13,14의구성 관계에 손상을 초래할 수 있다.
원석탄 샘플은 일반적으로 석탄 및 CO2 커플링 실험에 사용된다. 특히, 석탄 광산의 작업 면에서 큰 석탄 조각을 절단하여 샘플을 준비합니다. 그러나, 원석탄의 물리적 및 기계적 성질은 석탄 솔기에서 천연 기공과 골절의 무작위 공간 분포로 인해 필연적으로 높은 분산도를 갖는다. 또한 가스 베어링 석탄은 부드럽고 모양을 변경하기가 어렵습니다. 직교 실험 방법의 원리에 따르면, 연탄은 원탄 분말 및 시멘트로 재구성되며, 석탄 흡착 시험15,16에사용되는 이상적인 재료로 간주됩니다. 금속 다이로 냉간 압착되기 때문에 강도를 미리 설정할 수 있으며 시멘트의 양을 조정하여 안정적으로 유지되어 단일 가변 효과의 비교 분석에 이점을 얻을 수 있습니다. 또한 연탄 시료의 다공성은 ~4-10배이지만, 원석탄 시료의 흡착 및 탈착 특성 및 응력-변형 곡선이 실험 연구17,18에서 발견되었습니다. , 19세 , 20. 이 논문에서는 연탄21을제조하기 위해 가스 베어링 석탄에 대한 유사한 재료의 계획이 채택되었습니다. 이 원유는 중국 안후이성 화이난의 신좡지 탄광에서 4671B6 작업용 으로 채취되었다. 석탄 솔기는 지하 약 450m, 해발 360m이며, 약 15°로 떨어지고 두께는 약 1.6m입니다. 연탄 시료의 높이와 직경은 각각 100mm와 50mm이며, 이는 국제 암석 역학 협회(ISRM)22에서권장하는 크기입니다.
실험실 조건하에서 가스 베어링 석탄 실험을위한 이전의 축축 또는 삼축 적재 테스트 장비는 동료 23,24,25,26으로 제시 된 몇 가지 부족과 한계를 가지고 있습니다. ,27,28: (1) 적재 과정에서 피스톤이 움직일 때 용기 부피가 감소하여 가스 압력의 변동과 가스 흡착의 교란을 일으킵니다. (2) 고가스 압력 환경에서 시료의 실시간 영상 모니터링뿐만 아니라 원주 변형 측정은 수행하기 어렵다; (3) 기계적 반응 특성을 분석하기 위해 미리로드 된 샘플에 동적 부하 장애의 자극으로 제한됩니다. 기체 고체 커플링 조건에서 기기 정밀도 및 데이터 수집을 개선하기 위해, 가시화 및 상량 량 테스트시스템(29)이 개발되었으며(도1),(1) 시각화된 로딩 용기를 포함하는 핵심 성분인 상수 체임버; (2) 진공 채널, 2개의 충진 채널 및 방출 채널을 가진 가스 충진 모듈; (3) 전기 유압 서보 범용 테스트 기계 및 제어 컴퓨터로 구성된 축 로딩 모듈; (4) 원주 변위 측정 장치, 가스 압력 센서 및 시각화 된 적재 용기의 창에 카메라로 구성된 데이터 수집 모듈.
코어 시각화 용기(그림 2)는 두 개의 조정 실린더가 상부 플레이트에 고정되고 피스톤이 빔을 통해 로딩과 동시에 이동하고 로딩 피스톤의 단면적이 동일한지 에 대해 특별히 설계되었습니다. 조정 실린더의 합계입니다. 내부 구멍과 연질 파이프를 통해 흐르는 용기와 두 개의 실린더의 고압 가스가 연결됩니다. 따라서 용기 로딩 피스톤이 아래쪽으로 이동하고 가스를 압축하면 이 구조는 부피 변화를 상쇄하고 압력 간섭을 제거할 수 있습니다. 또한, 피스톤에 가해지는 막대한 가스 유도 역력이 시험 중에 방지되어 기기의 안전도크게 향상됩니다. 강화 된 보로 실리 케이트 유리가 장착되어 있으며 선박의 3 면에 위치한 창문은 샘플 사진을 찍을 수있는 직접적인 방법을 제공합니다. 이 유리는 낮은 팽창 속도, 고강도, 광 투과율 및 화학적 안정성29로최대 10MPa 가스에 대한 테스트를 성공적으로 완료하고 입증되었습니다.
이 백서는 연탄을 준비하는 모든 조각에 대한설명을 포함하는 새로운 시각화 및 일정한 부피 가스 고체 커플링 테스트 시스템과 함께 CO2-베어링 석탄의 축축 압축 실험을 수행하는 절차를 설명합니다. 원료 석탄 분말과 나트륨 humate를 사용하여 샘플뿐만 아니라 고압 CO2를 주입하고 축축 압축을 수행하는 연속단계. 전체 샘플 변형 프로세스는 카메라를 사용하여 모니터링됩니다. 이 실험 적 접근법은 가스 베어링 석탄의 흡착 유발 손상 및 골절 진화 특성을 정량적으로 분석하는 대체 방법을 제공합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
고압 가스의 위험을 고려할 때 테스트 중에 몇 가지 중요한 단계가 중요합니다. 밸브와 O 링은 정기적으로 검사하고 교체해야 하며, 실험실에서 발화원을 허용해서는 안 됩니다. 수동 압력 조절 밸브를 사용할 때 실험자는 밸브를 천천히 비틀어 시각화 된 용기의 압력이 점차 증가하도록해야합니다. 시험 중에 용기를 분해하지 마십시오. 실험이 완료되면, 용기의 백도어는 고압 가스의 총 방출 후?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 중국 국립 주요 과학 기기 개발 프로젝트 (그랜트 번호 51427804)와 산동성 국립 자연 과학 재단 (그랜트 번호)에 의해 지원되었다. ZR2017MEE023).
Materials
| 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 |
Referências
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