A tek eksenli sıkıştırma deney ile CO₂-rulman kömür kullanarak bir Visualized ve Constant-hacim gaz-katı kavrama test sistemi

Bu protokol, bir briket örneğinin nasıl hazırlanacağını ve farklı CO₂ basınçlarında bir briket ile tek eksenli sıkıştırma deneyi görselleştirilen ve sabit hacimli gaz-katı bağlantı test sistemini kullanarak nasıl yapılacağını gösterir. Ayrıca, CO₂ adsorpsiyon tarafından indüklenen kömür fiziksel ve mekanik özellikleri açısından değişiklikleri araştırmak amaçlamaktadır.

Karbon dioksit enjekte (CO₂) içine derin bir kömür dikiş atmosferinde sera gazlarının konsantrasyonu azaltmak için büyük öneme sahiptir ve kömür yatağı metan kurtarma artan. Bir görselleştirilmiş ve sabit hacimli gaz-katı bağlantı sistemi burada CO₂ sorpsiyon kömür fiziksel ve mekanik özellikleri üzerinde etkisini araştırmak için tanıtıldı. Sabit bir hacim tutmak ve örnek bir kamera kullanarak izlemek mümkün olmak, bu sistem enstrüman doğruluğu geliştirmek ve fraktal geometri yöntemi ile kırık evriminin analiz potansiyeli sunuyor. Bu yazıda, farklı CO₂ basınçlarında, gaz katı bağlantı testi sistemi ile bir briket örneği ile tek eksenli sıkıştırma deneyi gerçekleştirmek için tüm adımlar sağlanır. Ham kömür ve sodyum humat çimento ile soğuk basılmış bir briket, yüksek basınçlı CO₂' ye yüklenir ve yüzeyi gerçek zamanlı olarak bir kamera kullanılarak izlenir. Ancak, Briket ve ham kömür arasındaki benzerlik hala iyileştirme ihtiyacı ve metan gibi yanıcı bir gaz (CH₄) test için enjekte edilemez. Sonuç olarak, Co₂ sorpsiyon, briketin en yüksek mukavemet ve elastik modülü azaltılmasına yol açar ve bir başarısızlık durumunda briket kırığı evrimi fraktal özellikleri gösterir. Güç, elastik Modulus ve Fraktal boyut tüm CO₂ basıncı ile ilişkilidir, ancak doğrusal bir korelasyon ile. Görselleştirilen ve sabit hacimli gaz-katı bağlama test sistemi, multifield bağlantı efekti dikkate alınarak rock mekaniği hakkında deneysel araştırmalar için bir platform olarak hizmet verebilir.

Atmosferdeki CO₂ ' nin artan konsantrasyonu, küresel ısınma efektine neden olan doğrudan bir faktördür. Kömür güçlü sorpsiyon kapasitesi nedeniyle, bir kömür dikiş Co₂ sekestrasyon sera gazı küresel emisyon azaltmak için pratik ve çevre dostu bir araç olarak kabul edilir^1,2,3. Aynı zamanda, enjekte Co₂ , CH₄ ' ü değiştirebilir ve Coalbed metan iyileşme (ecbm)^4,5,6' da gaz üretim promosyonuna neden olabilir. Co₂ sekestrasyon ekolojik ve ekonomik umutları son zamanlarda araştırmacılar arasında dünya çapında dikkat çekti, yanı sıra farklı uluslararası çevre koruma grupları ve devlet kurumları arasında.

Kömür, bir gözenek, kırık ve kömür matrisinden oluşan heterojen, yapısal anisotropik bir kaya şeklindedir. Gözenek yapısı, gaz sequestration hayati bir rol oynarken, büyük miktarda gaz adsorbe, büyük bir özel yüzey alanı vardır ve kırık ücretsiz gaz akışı için ana yoldur^7,5. Bu benzersiz fiziksel yapı, CH₄ ve Co₂için büyük bir gaz adsorpsiyon kapasitesine yol açar. Maden gazı birkaç formda kömür yatağında yatırılır: (1) Mikrogözenekler ve daha büyük gözenekler yüzeyinde adsorbe; (2) kömür moleküler yapısında absorbe; (3) kırıklar ve daha büyük gözenekler ücretsiz gaz olarak; ve (4) mevduat suyunda çözülür. Ko₄ ve Co₂ için kömür sorpsiyon davranış matris şişme nedenleri ve daha fazla çalışmalar bu heterojen bir süreçtir ve kömür litotypes ile ilgili olduğunu göstermektedir^9,10,11. Buna ek olarak, gaz Sorpsiyonu kömür kurucu ilişkisi hasar neden olabilir^12,13,14.

Ham kömür örneği genellikle kömür ve CO₂ kavrama deneylerinde kullanılır. Özellikle, bir kömür madeninde çalışan yüz ham kömür büyük bir parçası bir örnek hazırlamak için kesilir. Ancak, ham kömür fiziksel ve mekanik özellikleri kaçınılmaz bir kömür dikiş doğal gözenekleri ve kırıklar rasgele uzamsal dağılımı nedeniyle yüksek dağılım derecesi var. Dahası, gaz taşıyan kömür yumuşak ve yeniden şekillendirilmelidir zordur. Ortogonal deneysel yöntemin ilkelerine göre, ham kömür tozu ve çimento ile reconstituted briket, kömür sorpsiyon testi kullanılan ideal bir malzeme olarak kabul edilir^15,16. Metal ile soğuk preslenmiş olmak, gücü önceden ayarlanmış olabilir ve tek değişkenli etkisi karşılaştırmalı analiz faydaları çimento, miktarını ayarlayarak kararlı kalır. Ayrıca, briket numunesi gözenekliliği ~ 4-10 kez ise, ham kömür numunesi, benzer adsorpsiyon ve desorpsiyon özellikleri ve stres-gerinim eğrisi deneysel araştırma bulunmuştur^{17,18 , 19 , 20}. Bu yazıda, gaz taşıyan kömür için benzer bir malzeme şeması briket²¹hazırlamak için benimsenmiştir. Ham kömür, Xinzhuangzi kömür madeni, Huainan, Anhui eyaleti, Çin 'de 4671B6 çalışma yüzü alınmıştır. Kömür dikiş yaklaşık 450 m zemin seviyesinde ve 360 m deniz seviyesinin altında, ve yaklaşık 15 ° ' de dips ve kalınlıkta neredeyse 1,6 m. Briket numunesi yüksekliği ve çapı 100 mm ve 50 mm 'dir, sırasıyla Uluslararası kaya mekaniği Derneği (ıSRM)²²tarafından önerilen boyuttadır.

Laboratuvar koşullarında gaz taşıyan kömür deneyleri için önceki tek eksenli veya Triaksiyel yükleme test aletleri, arkadaşlar^23,24,25,26 olarak sunulan bazı eksiklik ve sınırlamalar var ^,27,28: (1) yükleme işlemi sırasında, gemi hacmi piston hareket ile azalır, gaz basıncında dalgalanmalara neden ve gaz Sorpsiyonu bozuklukları; (2) numunelerin gerçek zamanlı görüntü izleme yanı sıra yüksek gaz basıncı ortamında çevresel deformasyon ölçümleri, yürütmek zordur; (3) onlar mekanik yanıt özelliklerini analiz etmek için önceden yüklenmiş numunelerde dinamik yük bozuklukları stimülasyon ile sınırlıdır. Gaz-katı bağlama koşulunda enstrüman hassasiyetini ve veri alımını iyileştirmek için, (1) bir görselleştirme ile bir görselleştirilmiş yükleme gemisi de dahil olmak üzere, bir görselleştirilmiş ve sabit hacimli test sistemi²⁹ geliştirilmiştir (Şekil 1) çekirdek bileşeni olan sabit hacim odası; (2) bir vakum kanalı ile bir gaz dolum modülü, iki dolum kanalları, ve bir serbest Kanal; (3) bir elektro-hidrolik servo üniversal test makinesi ve kontrol bilgisayardan oluşan bir Aksiyel yükleme modülü; (4) bir veri edinme modülü bir çevresel Deplasman Ölçüm aparatı oluşan, bir gaz basıncı sensörü, ve görselleştirilmiş yükleme gemisi penceresinde bir kamera.

Çekirdek görselleştirilmiş gemi (Şekil 2), iki ayar silindirinin üst plakaya sabitlenmesine ve pistonların aynı anda bir kiriş üzerinden yükleme ile hareket etmesi ve yükleme pistonunun kesit alanı ile aynı şekilde tasarlanmıştır. ayar silindirlerinin toplamı. Bir iç delik ve yumuşak borulardan akan, gemide yüksek basınçlı gaz ve iki silindir bağlanır. Bu nedenle, gemi yükleme pistonlu aşağı hareket ettiğinde ve gaz sıkıştırır, bu yapı hacim değişikliği ofset ve basınç paraziti ortadan kaldırabilir. Buna ek olarak, piston üzerinde uygulanan devasa gaz kaynaklı karşı kuvvet, test sırasında cihazın güvenliğini önemli ölçüde arttırarak engellenir. Temperli borosilikat cam ile donatılmış ve geminin üç tarafında bulunan pencereler, numunenin bir fotoğrafını çekmek için doğrudan bir yol sağlar. Bu cam başarıyla test edilmiş ve düşük genişleme oranı, yüksek mukavemetli, ışık geçirgenliği ve kimyasal istikrar²⁹Ile 10 MPa gaz kadar direnmeye kanıtlanmıştır.

Bu yazıda, bir briket hazırlamak tüm parçaların açıklamasını içeren yeni görselleştirilmiş ve sabit hacimli gaz-katı bağlantı test sistemi ile CO₂-rulman kömür bir tek eksenli sıkıştırma deneyi gerçekleştirmek için prosedür açıklanır ham kömür tozu ve sodyum humat kullanarak örnek, hem de yüksek basınç CO₂ enjekte ve tek eksenli sıkıştırma davranış ardışık adımlar. Tüm örnek deformasyon işlemi bir kamera kullanılarak izlenir. Bu deneysel yaklaşım, gaz taşıyan kömürün adsorpsiyon kaynaklı hasarı ve kırık evrimini karakteristik olarak analiz etmenin alternatif bir yolunu sunar.

1. numune hazırlama

1. Xinzhuangzi kömür madeninden 4671B6 çalışma yüzü ham kömür blokları toplayın. Düşük mukavemet ve yapının gevşemesi nedeniyle, çiğ kömür kırık ve muhtemelen kirleri ile karışık olduğunu unutmayın. Bu iç ve dış faktörlerin etkisini önlemek için, yanı sıra mümkün olduğunca kömür inhomojenliği azaltmak, büyük kömür blokları seçin (yaklaşık 15 cm uzunluğunda, 10 cm genişliğinde, ve 10 cm yüksekliğinde).
2. Kömür karışık kirleri kaldırmak ve emici pamuk ve asetaldehit ile kırıcı odası fırçalamak için bir cımbız kullanın.
3. Bir çene kırıcı ile küçük parçalar halinde kömür blokları Smash ve 6 ve 16 Mesh standart ekranlar ile donatılmış bir elek Shaker onları barınak. Sıralanmış kömür tozunu çapa göre ayrı olarak yerleştirin.
4. Sırasıyla 0 – 1 mm ve 1 – 3 mm 'lik partikül boyutu dağılımı ile 1.000 g ve 300 g 'lik Pulverize kömür tartın. 0.76 bir kütle oranında bir kabı bir araya koyun: 0.24 ve bir cam çubuk ile iyi karıştırın (6 mm çapı ile).
   Not: sürekli ambalaj teorisinin Gaudian-Schuman işlevine göre, parçacık boyutu dağılım değeri (m) yaklaşık 0,25 eşittir (partikül boyutu kütlesi 1 – 3 mm 'dir: Toplam kütle = 0,24), briket gücü maksimum³⁰.
5. Çimento hazırlamak için, bir kabı içine sodyum humat tozu (99,99% saflık) 4 gr koymak ve damıtılmış su yaklaşık 96 ml ekleyin. Onları karıştırın ve tüm sodyum humat iyi çözünmüş olduğundan emin olmak için bir cam çubuk kullanın.
   Not: Çimento konsantrasyonu doğrudan briket sıkıştırıcı gücünü etkiler. Tablo 1 , temsili sonuçlar Için 2 No 'lu numunenin kullanıldığı özel briket hazırlama oranlarını ortaya çıkarır.
6. 230 g karışık kömür tozu ve 20 g sodyum humat solüsyonu bir kabı içine koyun ve onları bir araya karıştırın.
   Not: numuneler yapma önceki deneyimleri dayanarak, bir briket 250 g malzeme ile üretilen, soğuk basın yöntemi kullanarak, standart rock örneği²², nerede kömür tozu hesapları için 92% ve çimento hesapları% 8 için boyut gereksinimi karşılar.
7. Briket büyüklüğüne uyarlanmış şekillendirme araçlarını kullanarak briket soğuk basın (Şekil 3).
   1. Standart boyutlu bir briket üretmek için, şekillendirme araçlarının iç yüzeyini yağlama yağı ile kat. Şekil 3' ün #2, #3 ve #4 takım bileşenlerini birleştirin ve 250 g karışık malzeme ile deliği doldurun.
   2. Malzeme üzerine Şekil 3 ' ün bileşen #1 koyun ve her şeyi bir elektro-hidrolik servo üniversal test makinesinin pistonunun altına yerleştirin.
   3. Elektro-hidrolik servo üniversal test makinesini kontrol etmek için Winwdw (veya eşdeğeri) yazılımını başlatın. Yazılım, 50 kN için maksimum kuvvet ayarlamak için kuvvet aralığı tıklayın ve değiştirme değeri temizlemek için Sıfırla tıklayın.
   4. Seçenek kuvvet yükleme denetimini sol tıklayın. 0,1 kN/s 'de hareketli oranı ayarlayın. 29,4 kN 'da hedef kuvvet değerini ayarlayın ve 900 s 'de tutma süresi. Ardından, Başlat'a tıklayın.
   5. Şekillendirme araçlarını çıkarın ve onları kauçuk bir plakaya çevirin. Takım bileşenlerini #4, #2, #3 ve #1 bu sırayla sökmek için kauçuk çekiç kullanın.
8. 48 h için 40 °C ' lik kuluçte briket koyun. Sonra, elektronik ölçeklerle kütlesini tartmak (0,01 g hassasiyetle) ve kurutduktan sonra bir Vernier Kaliper (0,02 mm hassasiyetle) ile yüksekliği ve çapını ölçmek.
9. 20 °C sıcaklıkta ve% 65 bağıl nem (Standart GB/T 212-2008) ile ( malzeme tablosunabakın) bir kısmi analizörü kullanarak, briket nem içeriği, kül içeriği ve uçucu içeriği ölçmek. Parlak briket üzerinde bir Vitrinit yansıma ölçümü gerçekleştirin, bir fotometre mikroskop kullanarak (Standart GB/T 6948-2008 başına).
10. Evrensel bir test makinesi ve bir gerinim kontrollü doğrudan kesme aparatı (Standart GB/T 23561-2010 başına) kullanarak tek eksenli basınç dayanımı, çekme dayanımı, uyum ve iç sürtünme açısını ölçün. Bir direnç gerilme ölçer (Standart GB/T 22315-2008 başına) kullanarak bir Poisson oranı ölçümü gerçekleştirin.
11. Ham kömür ve briket bir adsorpsiyon testi yapmak, bir İzoterm adsorpsiyon enstrüman kullanarak (Standart GB/T19560-2008 başına).

2. deneysel yöntemler

1. Laboratuvar kurulumu
   1. Test sistemini elektromanyetik parazit olmadan temiz bir laboratuvarda sessiz ve titreşimsiz bir alana yerleştirin. Oda sıcaklığı test sırasında istikrarlı kalmalıdır.
   2. Görselleştirilmiş gemisi elektro-hidrolik servo üniversal test makinesinin platformuna koyun. Test makinesinin pistonu, belirli bir aracın kullanımı ile görselleştirilen gemiyle bağlayın (bkz. Şekil 4).
   3. Gaz tankı nozulunda manuel basınç azaltma valfi takın. Vanayı, görselleştirilmiş geminin alt plakasına yumuşak boru ile (5 mm iç çapı ve 30 MPa 'lik maksimal basınç) gaz dolum kanalına bağlayın. Vakum kanalını ve vakum pompasını aynı boruyla bağlayın.
   4. Yüksek mukavemetli cıvatalar ile görselleştirilmiş geminin arka kapısını düzeltin. Bilgisayarı, veri edinme kutusunu (DAQ kutusu) ve gömülü gaz basıncı sensörünü arka kapıya bağlayın.
2. Hava sızdırmazlığı testi ve boş ölçüm
   1. Görselleştirilmiş gemide gaz basıncı verileri elde etmek için, yazılım Daq Sensor-16 (veya eşdeğer) başlatın. Yazılım üzerinde, Başlat'ı tıklatın.
   2. Vakum pompasına başla. Vana v1 (Şekil 2) açın ve v2, v3 ve v4 (Şekil 2) kapatın. Görselleştirilmiş gemi odasını vakum. V1 kapatın ve vakum altında kadar vakum pompa.
   3. Açık v2 ve gaz tankı (helyum ile). Gaz tankının çıkış basıncını yaklaşık 2 MPa (bağıl basınç) ayarlamak için manuel basınç azaltma valfi kullanın.
   4. Daq Sensor-16üzerinde görüntülenen gaz basıncı eğrisini dikkatle inceleyin. Yaklaşık 2 MPa olduğunda, v2 'yi ve gaz tankını kapatın.
      Not: 24 saat sonra, gaz basıncının azaltılması% 5 ' ten az ise, görselleştirilen geminin mühürleştirmesi iyidir.
   5. Aşağı hareketli yükleme pistonunun sürtünme gücünü ölçmek için, Electro-hidrolik servo üniversal test makinesini kontrol etmek için yazılım Winwdw başlatın.
   6. Yazılım, Güç aralığı 5 kN maksimum kuvvet ayarlamak için tıklayın ve sıfırlama üzerine tıklayın yer değiştirme değerini temizlemek için. Seçenek deplasman yükleme hızınısol tıklatın. Hareketli oranı 1 mm/dak olarak ayarlayın; sonra Başlat' ı tıklatın.
   7. Winwdw 'de görüntülenen yer değiştirme yaklaşık 5 mm ise stopüzerine tıklayın. Güç yer değiştirme eğrisini kaydetmek için veri Kaydet 'e sol tıklayın.
   8. V4 'u açın ve helyumu havaya boşaltın. Görselleştirilmiş geminin arka kapısını sökün ve v4 'ü kapatın.
      DIKKAT: olası boğulma tehlikesi nedeniyle gaz salınımı sırasında kapı ve pencereler havalandırma için açık olmalıdır.
3. Tek eksenli sıkıştırma deneyi
   1. Bir Vernier Kaliper (0,02 mm hassasiyetle) ile briket yüksekliği (h) ve çapı (d) ölçmek. Elektronik ölçeklerle (0,01 g hassasiyetle) briket kütlesini (m) tartın. Aşağıdaki denklemle belirgin yoğunluğunu () hesaplayın.
      
   2. Çevresel deformasyon test cihazının zincir silindirini briket orta pozisyonuna takın (Şekil 5, #1) ve kelepçe tutucusunu (Şekil 5, #2) düzeltin. Sensörün (Şekil 5, #3) Daq kutusunu, görselleştirilmiş geminin Havacılık konnektöründen (Şekil 2) bağlayın ve yükleme pistonunun altına yerleştirin.
      Not: veri edinimi doğruluğunu sağlamak Için, zincir silindirini ve numunenin üst yüzeyini yükleme pistonunun paralel olması Için ayarlayın.
   3. Universal test makinesini kontrol etmek için Winwdw 'yi başlatın. Yazılım, seçenek deplasman yükleme hızısol tıklayın. Hareketli oranı 10 mm/dak olarak ayarlayın. piston ile örnek arasında kalan mesafe 1 – 2 mm olana kadar evrensel test makinesinin uzaktan kumandasının aşağı düğmesine basın. Sonra, görselleştirilmiş geminin arka kapısını birleştirin.
   4. 2.2.1 – 2.2.2 arasındaki adımları yineleyin. Açık v3 ve gaz tankı (CO₂, saflık = 99,99%). Gaz tankının çıkış basıncını belirli bir değere ayarlamak için manuel basınç azaltma valfi kullanın.
   5. Daq Sensor-16' da görüntülenen gaz basıncı eğrisini dikkatle inceleyin. Hedef değere yeterince yaklaştığınızda, v3 ve gaz tankı (CO₂) kapatın.
      Not: gaz basıncı eğrisi kararlı olduğunda, briket adsorpsiyon ve desorpsiyon dinamik denge durumuna ulaştı. Genellikle, tam adsorb için briket için 6-8 h alır. Bu testte, adsorpsiyon süresi 24 saat olarak ayarlanmıştır.
   6. 24 saat sonra, kamerayı görselleştirilmiş geminin penceresinin yanında bir tripod ile yerleştirin. Örnek görüntünün kamera ekranının ortasında gösterildiğinden emin olmak için yüksekliği ve açısı ayarlayın.
   7. Briket çevresel deformasyonunu izlemek için yazılım SDU deformasyon edinme v 2.0 (veya eşdeğer) başlatın. Başlat'a tıklayın.
   8. Winwdwüzerinde, Yeni örnek üzerine tıklayın ve briket yüksekliği ve çapı yazın, kesit alanınatıklayın ve ardından Onaylatıklayın. Maksimum kuvveti 5 kN olarak ayarlamak için kuvvet aralığı 'na tıklayın ve yer değiştirme değerini temizlemek için Sıfırla 'ya tıklayın.
   9. Seçenek deplasman yükleme hızı sol tıklayın ve 1 mm/dakika içinde hareketli oranı set örnek sıkıştırmak için Başlat 'ı tıklatın. Aynı zamanda, video kaydını başlatmak için kameranın Başlangıç düğmesine basın.
   10. Ne zaman örnek tamamen başarısız, tıklayın stop ve veri kaydetmek, bu sırada, hem winwdw ve SDU deformasyon edinme v 2.0. Video kaydını durdurmak için kamera üzerinde Başlat düğmesine tekrar basın.
   11. CO₂ ' yi gemi odasında serbest bırakmak için adım 2.2.8 tekrarlayın. Gaz basıncı sensörü ve çevresel deformasyon test aparatı için havacılık konnektörlerinin bağlantısını kesin.
   12. Winwdwüzerinde seçenek deplasman yükleme hızı sol tıklayın. Hareketli oranı 10 mm/dak olarak ayarlayın. Evrensel test makinesinin uzaktan kumandasının yukarı düğmesine basın. Geminin yükleme pistonu, briket üzerinde 2 – 3 mm civarında olduğunda, briket çıkarın ve zincir silindirinden çıkarın.
   13. Bağlantı aracını pistonlar arasında sökün. Görselleştirilmiş kabı bir elektrikli süpürge ile temizleyin.
4. Tamamlama
   1. Winwdw ve SDU deformasyon edinme v 2.0elde edilen stres eksenli gerinim eğrisi ve çevresel gerinim eğrisi dayanarak, aşağıdaki denklem ile numunenin hacim gerinim hesaplayın.
      
      Burada, = hacim gerinim; = Aksiyel gerinim; = çevresel gerginlik.
   2. Gerilim eksenli gerinim eğrisinden en yüksek mukavemeti elde et. Güç azaltma oranı aşağıdaki gibi hesaplanır.
      
      Burada, = mukavemet azaltma oranı; = Co₂farklı bir basınç altında numunenin tepe gücü; = atmosferik havadaki numunenin en yüksek mukavemeti.
   3. Aşağıdaki denkleme göre stres eksenel gerinim eğrisindeki doğrusal aşaması kullanarak elastik modüle hesaplayın.
      
      Burada, numunenin elastik modülü =; doğrusal aşama (megapascal) = stres artışı; = doğrusal aşamanın gerinim artışı. Elastik modüus azaltma oranını aşağıdaki gibi hesaplayın.
      
      Burada, = elastik modülü azaltma hızı, Co₂farklı bir basınç altında numune elastikiyet modülü =; = atmosferik havadaki numunenin elastik modülü.
   4. Kutu sayma boyut yöntemine göre test ve istatistik kırık kaplama alanı sırasında bir programı (örn. MATLAB 'da yazılmış) kullanarak örnek fotoğraflar seçin.
      
      Burada, = ızgara numarası kare ızgara yan uzunluğundaki kırık alanını kapsayacak şekilde ; = bir sabit; = Fraktal boyut; = kare ızgaranın yan uzunluğu. En az kılavuz boyutu, Bu testteki piksel boyutuna eşittir.
      1. Korelasyon katsayısı aşağıdaki denkleme göre hesaplayın.
         
         Burada, = korelasyon katsayısı; = Kovaryans ve ; = varyans ; = varyans .

Briket örneğinin ortalama kütlesi 230 g idi. Endüstriyel analizlere bağlı olarak, briket% 4,52 nem içeriği ve% 15,52 ' lik bir kül içeriği sergiledi. Ayrıca, uçucu içerik yaklaşık% 31,24 oldu. Sodyum humat kömür elde edildi gibi, briket bileşenleri ham kömür benzer. Fiziksel özellikler Tablo 2' de görüntülenir.

Ham kömür ve briket arasındaki mekanik özelliklerin karşılaştırılması Tablo 3' te gösterilir ve izotermal adsorpsiyon testi, gaz adsorpsiyonu için benzer kapasiteyi kanıtladı (Şekil 6). Testte kullanılan briket örneklerinin gücü bazı dalgalanması vardı (Şekil 7). Ancak, CO₂ adsorpsiyon tarafından indüklenen mukavemet azaltma ile karşılaştırıldığında, oldukça hafif ve deneysel sonuçların analizi üzerinde az etkisi vardı.

Farklı CO₂ basınçları altında, stres eksenel gerinim eğrileri belirgin sıkıştırma, elastik ve plastik deformasyon aşamalarını gösterdi (Şekil 8A). Post-Peak devlet, briket kademeli olarak, genişleyen ve bağlanan bir yüzey çatlak ile başarısız oldu. Gerilim hacmi gerinim eğrilerinden bir hacim genişlemesi gözlendi ve CO₂ basıncı daha yüksek hale geldi (Şekil 8A). CO₂ sorpsiyon kömür gövdesine zarar vermesine neden olup, tek eksenli basınç gücünü doğrudan azaltmıştır. Briketin en yüksek güçlü sayısı 1,011 MPA, 0,841 MPa, 0,737 MPa, 0,659 MPa, 0,611 MPa ve 0,523 MPA, 0 MPa, 0,4 Mpa, 0,8 MPa, 1,2 MPa ve 1,6 MPa ile 2,0 Mpa arasında CO₂ basıncı altındadır. CO₂ basıncı arttıkça, kömür örneğinin tepe gücü azalır, burada doğrusal olmayan bir ilişki ortaya çıktı (Şekil 8B). Buna ek olarak, elastik Moduli 66,974 MPA, 48,271 MPa, 42,234 MPa, 36,434 MPa, 32,509 MPa ve 29,643 MPa, bu sırada, CO₂ basıncı 0 Ile 2,0 Mpa arasında idi. Sonuçlar, elastik modücün CO₂ doymuş koşulun altında azaldığını ve elastik modülün azalmasına ve gaz basıncının doğrusal olmayan bir ilişki olduğunu ve bu da en yüksek güce benzer olduğunu gösterir (Şekil 8C ).

Kamera aracılığıyla elde edilen görüntüler, farklı CO₂ basınçları altında numunenin yüzeyinde kırıkların evriminin ortaya çıktığı. Farklı kırıkları ayırt etmek için tüm fotoğraflar ikili görüntülere aktarıldı ve kırıklar tarafından kapsanan alanları göstermek için birkaç renk kullanılmıştır (Şekil 9a). Hata durumunda kırıkların özelliğini açıklamak için kutu sayımı boyut yöntemi kabul edildi (; burada, = üst düzey durumda numunenin stres; = numunenin tepe gücü) farklı Co₂ basınçları altında. Kutu numarası () ile yan Uzunluk () arasındaki korelasyon katsayıları, kırıkların belirgin fraktal özelliklerini doğrular olan 0,95 'den (Şekil 9B) daha fazladır. Fraktal Boyutlar (), sırasıyla 0 mpa, 1,5175 mpa, 1,5191 mpa, 0,4 mpa, 0,8 mpa ve 1,2 MPa Co₂altında briket için 1,3495, 1,3711, 1,4336, 1,4637, 1,6 ve 2,0 idi. Fraktal boyut değerleri CO₂ basıncı ile orantılı, ve onların Trend kömür gövdesine hasar derecesine benzerlik göstermiştir.

Şekil 1: görselleştirilmiş ve sabit hacimli gaz-katı bağlantı test sisteminin deneysel kurulumu. Şekil CO₂-rulman kömür bir tek eksenli sıkıştırma deneyi kurulumunu göstermektedir. (A) görselleştirilmiş yükleme gemisi. (B) gaz dolum modülü. (C) Aksiyel yükleme modülü. (D) veri edinme modülü. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 2: görselleştirilmiş yükleme gemisi. Geminin şematik çizimleri yukarıda gösterilir. Örnek (yükseklik = 100 mm, çapı = 50 mm) gemi içinde yatıyordu iken, Aksiyel basınç yükleme pistonlu bağımsız evrensel test makinesi tarafından uygulanan ve yüksek basınçlı gaz yumuşak boru aracılığıyla gaz tankından enjekte ve dolum Kanal. Örnek ısı küçültülebilir plastik kol tarafından çarpık olduğunda, kısıtlama basıncı da yüksek basınçlı helyum tarafından sağlandı. İki ayar silindir pistonlar ve yükleme bir görselleştirilen geminin aynı anda taşındı, nerede hareket kaynaklı ses değişimi aynı kesit alanı nedeniyle ofset oldu. Bu yapı, damar hacmini sabit tuttu ve gaz yükleme pistonunun üzerine uygulanan antikuvvet ortadan kaldırıldı. Örnek üç tarafta pencerelerin üzerinden bir kamera ile izlenebilir. Havacılık konnektörü, bir kurşun çıkışı tel bağlantısı için gemide kurulmuştur. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 3: Standart briket soğuk basın için gerekli şekillendirme araçları. Briket nasıl bastırıldığını 3D şematik görünümleri (29,4 KN için 15 dk). Örnek takım bileşenlerinin iç deliğinde yatıyordu, ve yüksekliği ve çapı 100 mm ve 50 mm, sırasıyla idi. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 4: yükleme pistonları bağlamak için gerekli araç. Elektro-hidrolik servo test cihazı ve görselleştirilmiş geminin piston arasındaki sabitleme aracının 3D şematik görünümleri. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 5: kaya örneklerinin çevresel deformasyonu Için standart test aparatı. Protokolde kullanılan çevresel deformasyon ediniminin şematik ve fiziksel gösterimi. Örnek çevresel deformasyonla indüklenen açısal yer değiştirmeyi ölçerek, çevresel gerginlik elde edildi. Bu cihaz, yüksek basınçlı gaz ve hidrolik yağda stabil şekilde çalışabilir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 6: ham kömür ve briket arasındaki adsorpsiyon kapasitesinin karşılaştırılması. Panel standart GB/T19560-2008 başına göre ham kömür ve briket kullanarak metan izotermal adsorpsiyon verilerini gösterir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 7: briket kullanarak test sisteminden üretilen tam stres-gerinim eğrileri. Tek eksenli sıkıştırma testi, CO₂ doldurma olmadan üç briket örneği kullanılarak yapılmıştır ve sonuçlar, briket 'in istikrarlı bir tek eksenli sıkıştırma gücüne (1,0 Mpa) sahip olduğunu gösterir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 8: CO₂-rulman kömür tek eksenli sıkıştırma deneyi. (A) farklı Co₂ basınçları altında stres-gerinim eğrileri. (B) yüksek mukavemetli değişim eğilimi. (C) elastik modülde değişim eğilimi. Stres eksenel gerinim eğrileri (), stres-çevresel gerinim eğrileri () ve stres hacmi gerinim eğrileri (), Apanelinde gösterilir. CO₂ile doldurduktan sonra, briket yüksek mukavemet ve elastik modüus azaltma ve paneller B ve C eğrileri azalma oranı ve gaz basıncı arasında doğrusal olmayan bir ilişki gösterir yaşadı. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 9: başarısızlık durumu () kırıkları ve Fraktal hesaplama görüntüleri. (A) çeşitli kırıklar temsil eden farklı renklerle briketler yüzeylerinde kırık evrim. (B) kutu sayma boyut yöntemini kullanarak fraktal ölçümlendirme eğrileri. Kırıklar çıkarıldı ve kaplama alanı fraktal geometriye göre hesaplanmıştır. Farklı CO₂ basıncında bulunan tüm korelasyon katsayıları (R²), Fraktal özellikleri kanıtlayan 0,95 'den fazla oldu. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 10: test sisteminin dinamik yükü ve fotoğrafını uygulamak için gereken araçlar. 3D görünüm ve kılavuz çubuk ve dinamik yük uygulama için silindirik ağırlığı fiziksel resim. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Tablo 1: briket hazırlama şeması.

Tablo 2: Briket ve çiğ kömür için endüstriyel analiz parametrelerinin karşılaştırılması.

Tablo 3: ham kömür ve briket mekanik özellikleri.

Yüksek basınçlı gaz tehlikesi göz önüne alındığında, test sırasında bazı kritik adımlar önemlidir. Vanalar ve O halkalar düzenli olarak denetlenmeli ve değiştirilmesi gerekir ve herhangi bir ateşleme kaynağı laboratuvarda izin verilmez. Manuel basınç düzenleyen vanayı kullanırken, deney kapağı yavaş yavaş görselleştirilmiş damar artışı basınç yapmak için vana büküm gerekir. Test sırasında geminin parçalarına ayırmayın. Deney bittiğinde, geminin arka kapısı yüksek basınçlı gazın toplam salınmasından sonra açılmalıdır; Aksi takdirde, yaralanma tehlikesi vardır. Bir sonraki test sırasında gaz adsorpsiyonu miktarını etkilemek için değil, böylece gemi briket tüm parçaları kaldırmak için bir elektrikli süpürge kullanın.

CO₂-kömür kavrama deneysel Yöntem test hassasiyetini teşvik etmek ve gaz taşıyan kömür deneyleri için fotoğraf izleme sağlamak için tasarlanmıştır. Briket örneği, maliyet-etkinliği, toksisiteye sahip, kolay üretim, istikrarlı performans ve ayarlanabilir güç gibi çeşitli avantajlara sahiptir ve Isothermal adsorpsiyon eğrisi ham kömür ile iyi kabul eder. Kömür ve gaz patlama model testi de briket gaz taşıyan kömür soğurma ve desorptif davranışını simüle edebilir kanıtlıyor^29,31. Ayrıca, beş nesil iyileşme sonrasında, deneysel cihaz yüksek basınç deneylerinin güvenliği için standartlara uygun yüksek doğruluk, hassasiyet, kararlılık ve güvenliğe sahiptir. Ham kömür ve Shale kayası da dahil olmak üzere gözenekli bir kaya olduğu sürece, numunenin türleri için özel bir şart yoktur.

CO₂-kömür bağlantı deneysel yöntemin ana sınırları, ilk olarak, bu briket oluşumu yolu nedeniyle, ham kömür ile karşılaştırıldığında daha düşük bir mukavemet vardır. Ham kömür ve briket arasındaki mekanik özelliklerin benzerliği hala iyileştirme ihtiyacı ve ilgili deneysel sonuçlar ham kömür ve bir in situ testi ile değerlendirilmeli ve doğrulanmalıdır. İkinci olarak, LED ışıkları ve Havacılık konnektörü görselleştirilmiş bir gemide ayarlanmış olduğundan, CH₄gibi herhangi bir yanıcı gaz ile doldurulmamalıdır. Aksi takdirde, gaz doldurma sırasında patlayıcı bir kaza meydana gelir. Neyse ki, metan benzer bir yanıcı gaz ch₄-kömür etkileşimi simüle edebilir ve kömür ve gaz patlama fiziksel simülasyon denemeleri³²uygulamak için güvenli ve etkili bir malzeme olarak kanıtlanmıştır.

Ayrıca, briket, üç eksenli sıkıştırma testi sırasında uygulanan basıncı kısıtlamak için termal küçültülebilir plastik kollu tarafından sarılır, hangi belli ki örnek görüntünün kalitesini düşürecektir. Örnek farklı bir gaz, sıcaklık ve gaz basıncı altında yüklendiğinde, refraksiyonun dinamik indeksi görüntü yakalama sırasında dikkate alınması gerekir. Testteki basınç farkı nispeten düşükse, kırılma endeksi³³sabit olarak görülebilir.

Tek eksenli ve Triaksiyel sıkıştırma dışında, test sırasında numune ile gaz arasındaki etkileşimi araştırmak için dinamik yük bozukluğu uygulanabilir. Kılavuz çubuk ve 1 kg silindirik ağırlığı, üniversal test makinesinin pistonları ile görselleştirilen geminin arasında eklenir (Şekil 10). Basınç sensörü, numune için uygulanan dinamik basıncı elde etmek için yükleme pistonunun alt kısmına monte edilir. Test sırasında, belirli bir yükseklikte silindirik ağırlık, örnekteki dinamik başarısızlık özelliklerini incelemek için farklı stres durumlarına serbest bırakılır.

Kömür gövdesine gelen sorpsiyon kaynaklı hasar, tek eksenli basınç dayanımı ve elastisite modülünde bir azalma olarak makroskopik olarak ortaya çıkar. Yüksek sorpsiyon basıncı, daha büyük kömür hasarı neden, doğrusal olmayan bir ilişki olduğunu. Adsorpsiyon süreci Langmuir modeli³⁴tarafından tarif edilebilir. Model denklemine göre (V = eşdeğer adsorpsiyon hacmi; V_m, b = sabit; p = gaz basıncı), gaz basıncı arttıkça adsorpsiyon miktarı artar. Bu fark briket tepe gücü farklı azalma oranlarında sonuçlanır. Deneysel sonuçlardan gözlenen Co₂ doygunluk tarafından kömür gücü veya elastik modülü azaltma önceki araştırma^35,36,37ile iyi uygunluk vardır. Sonuç olarak, sorpsiyon ve gaz adsorpsiyon miktarından kaynaklanan mekanik hasar arasında belirli bir ilişki olmalıdır.

Briket deformasyon özellikleri mikroçatlaklar sıkıştırma/genişleme bağlantısı ve makroskopik kırıklar son oluşumu olarak özetlenmiştir. CO₂-rulman kömür kırığı evrimi fraktal özellikleri gösterdi önerilir. Testte maksimum Fraktal boyut 1,5191 (2 MPa CO₂) oldu. Ham kömür briket daha heterojen olduğunu göz önüne alındığında, Fraktal boyut değeri ham kömür testi için farklı olabilir.

Kaya sağlam bir ortamdır ve çeşitli dış efektler ona zarar verecektir. Başarısızlık sürecinde çatlak yayılma belirsizlik nedeniyle, özellikle sorpsiyon ve yükleme bağlama etkisi göz önüne alındığında, bazı geleneksel kaya mekaniği araştırma yöntemleri bariz sınırlamalar tezahür. Ancak fraktal teori, kaya kırığı gelişiminin karmaşık mekanik süreçlerini ve mekanizmalarını tarif etmek ve incelemek için yeni bir yol sağlar. Önceki çalışmalar, kaya materyallerinin kırık evriminin fraktal özellikleri^38,39,40,41olduğunu açıkça göstermiştir. Bununla birlikte, gaz taşıyan kömürün kırık evrimi üzerinde test araştırması, temelde deneysel cihazların bir sınırlama nedeniyle eksik. CO₂-kömür bağlama deneysel yöntemi, bilim adamlarının, numunenin yüzey kırığı ağını pencerelerin içinden yakalaması ve ayıklamak için bir yol ve farklı bağlantı koşullarında Fraktal boyut elde etmesini sağlar. Fraktal boyut, yükleme durumu altında kömür gövdesinin hasar derecesini, kırık gelişimini ve bölüm karmaşıklığını nicel olarak tanımlamak için kullanılabilir. Yapısal özellikleri ve kömür mekanik özellikleri için bir değerlendirme indeksi haline gelebilir. Bu nedenle, CO₂ jeolojik sequestrasyon uygulamada gaz depolama kapasitesi ve enjeksiyon etkisi parametrelerinin değerlendirilmesi için büyük önem taşımaktadır.

Yazarların ifşa etmesi gereken hiçbir şey yok.

Bu çalışma Çin Ulusal Major bilimsel enstrümanlar geliştirme projesi (Grant No. 51427804) ve Shandong Eyaleti Ulusal Doğal Bilim Vakfı (Grant Hayır tarafından desteklenmektedir. ZR2017MEE023).