Investigation and analysis of hard coal expansion in the atmosphere of argon, methane and carbon dioxide in the context of geological
6. wyniki i dyskusja
W
yniki pomiarów przedstawione zostały w formie kinetyk dylatometry-cznych. Na rysunku 2 zestawiono wyniki eksperymentu, przeprowadzone w pierwszym etapie badawczym. W wyniku nasycania odgazowanej próbki sorbatem, następuje jej pęcznienie. Anizotropowa budowa węgla powoduje, że ob-serwuje się większe zmiany wymiarów liniowych próbki w kierunku prostopadłym do warstw węgla. Największe zmiany wymiarów liniowych obserwuje się dla próbki nasycanej ditlenkiem węgla. Związane jest to z jego najwyższą chłonnością sorpcyjną względem tego sorbatu. Podobne wyniki dla CO2 i CH4 uzyskano w innych pracach (Ceglarska-Stefańska 1990; Baran i in. 2015; Zarębska i in. 2018). Interesujące wyniki zaobserwowano dla argonu. Kinetyka względem tego sorbatu wskazuje początkowe pęcznienie, natomiast później obserwuje się kontrakcję układu. Dotychczas przeprowadzone badania nie dają możliwości wytłumaczenia tego zjawiska. Wyniki uzyskane dla mieszaniny CO2 i Ar (30% Ari 70% CO2) wskazują, że przy tym samym ciśnieniu całkowitym mieszaniny pęcznienie węgla było istotnie niższe: 1,2‰ dla czystego ditlenku węgla do 0,6‰ dla mieszaniny tych gazów.Rysunek 2. wyniki rozszerzalności węgla kamiennego w atmosferze wybranych gazów
a – ditlenek węgla, b – ditlenek węgla i argon, c – metan, d – zestawienie sorbatów; w etapie izotermicznym Źródło: opracowanie własne
Badanie i analiza rozszerzalności węgla kamiennego w atmosferze argonu, metanu i ditlenku węgla...
92
Rysunek 3 przedstawia wyniki drugiego etapu badawczego. Dla każdego z po-miarów po pierwszym etapie nasycenia próbki sorbatem w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem, rozpoczęto rejestrację zmian wymiarów liniowych próbki wywołanych obniżaniem temperatury z 323 do 298 K. We wszystkich przypadkach obserwuje się kontrakcję. Największą kontrakcję uzyskano dla układu węgiel–ar-gon. Dla pozostałych układów poziom kontrakcji jest podobny i następuje wyłącznie w momencie obniżania temperatury. Efekt ten należy wiązać z właściwościami fi-zycznymi materiału (rozszerzalność temperaturowa). Podobne efekty obserwowano już w innych badaniach (Baran i in. 2018). Po ustaleniu się temperatury zachowanie układów wskazuje już pewne zróżnicowanie. W przypadku CO2 i mieszaniny CO2 i Ar obserwuje się ponowne pęcznienie materiału. Związane jest to z postępującą sorpcją ditlenku węgla w strukturze węgla. Należy jednak podkreślić, że podobnie jak w tem-peraturze 323 K mieszanina ditlenku węgla i argonu powoduje znacznie mniejsze pęcznienie próbki. W przypadku czystego Ar kinetyka pokazuje, że po osiągnięciu
Rysunek 3. wyniki rozszerzalności węgla kamiennego w atmosferze wybranych gazów a – ditlenek węgla, b – ditlenek węgla i argon, c – metan, d – argon; w etapie nieizotermicznym
Źródło: opracowanie własne
temperatury 298 K próbka nie zmienia swoich wymiarów. Adsorpcja argonu w bada-nych temperaturach jest minimalna, można więc wnioskować, że zmniejszenie wy-miarów próbki w obecności argonu pod wpływem obniżania temperatury jest tylko efektem właściwości fizycznych materiału. Mniejsza kontrakcja dla pozostałych ukła-dów w obszerze kinetycznym od 298 do 323 K jest kompensowana sorpcją meta-nu lub ditlenku węgla. Porówmeta-nując otrzymane kinetyki dylatometryczne dla argometa-nu z danymi literaturowymi (Baran i in. 2018) dotyczącymi termicznej ekspansji węgla kamiennego w atmosferze helu, oraz pod działaniem próżni, obserwuje się kurczenie próbki o podobną wartość, wynoszącą około 0,8‰. Świadczy to o praktycznym bra-ku sorpcji argonu w tej temperaturze, przez co otrzymany wynik odpowiada jedynie zmianom liniowym wynikającym z rozszerzalności temperaturowej. Dodatek argo-nu zmienia ciśnienie parcjalne CO2 w mieszaninie, co przekłada się na zmniejszone pęcznienie układu. Wprowadzanie więc domieszek ditlenku węgla do złoża wydaje się być korzystnym rozwiązaniem z uwagi na bezpieczeństwo jego magazynowania.
7. Podsumowanie
W
ęgiel kamienny, ze względu na swoją mikroporowatą strukturę, jest skałą o potencjalnym zastosowaniu jako magazynu podziemnego gazów.Przeprowadzone badania wskazują zachowanie się układu węgiel–gaz dla różnych sorbatów. Część wyników potwierdza te doniesienia, wskazując różnice w układzie zawierającym domieszki oraz ich brak. Uzyskane wyniki przeprowadzone z użyciem argonu dają nowe możliwości geologicznej sekwestracji ditlenku węgla.
Zmniejszenie pęcznienia węgla podczas podziemnego magazynowania CO2 w nieeks- ploatowanych pokładach węgla kamiennego jest zjawiskiem pożądanym, gdyż prze- kłada się bezpośrednio na możliwości przeprowadzenia takiej koncepcji oraz bezpie-czeństwo całej instalacji. Zatłaczanie mieszaniny CO2 i argonu może przynieść również pozytywny efekt w procesach intensyfikacji wydobycia metanu (ECBM – Enhanced coal bed methane recovery). Wpływ argonu zahamuje proces pęcznienia wywołany sorpcją ditlenku węgla, przez co nie zostaną zablokowane pory transportowe. Tym samym większa ilość metanu może zostać zdesorbowana i odzyskana. Ze względu na dużą heterogeniczność węgla kamiennego mechanizm sorpcji par i gazów musi być rozpatrywany indywidualnie jako złożony układ i łańcuch zachodzących zjawisk.
Uzyskana dzięki przeprowadzonym badaniom wiedza pozwoli poszerzyć dotychczas dostępne dane literaturowe dotyczące tego zagadnienia.
Badanie i analiza rozszerzalności węgla kamiennego w atmosferze argonu, metanu i ditlenku węgla...
literatura
BARAN P., ZARęBSKA K. i BUKOWSKA M. 2015. Expansion of Hard Coal Accompanying the Sorption of Metha- ne and Carbon Dioxide in Isothermal and Non-Isothermal Processes. Energy and Fuels nr 29, t. 3, s. 1899–1904.
BARAN P., CZERW K., ZARęBSKA K., SAMOJEDEN B. i CZUMA N. 2018. The Influence of Temperature on the Expansion of a Hard Coal-Gas System. Energies nr 11, t. 10, s. 1–10.
BENSON S. i SURLES T. 2006. Carbon Dioxide Capture and Storage: An Overview Wit Emphasis on Capture and Storage in Deep Geological Formations. Proceedings of the IEEE, nr 94, t. 10, s. 1795–1805.
BOUWMAN E., ANGAMUTHU R., ByERS P., LUTZ M. i SPEK A. 2010. Electrocatalytic CO2 Conversion to Oxa-late by a Copper Complex. Science nr 327, s. 313–315.
BUSCH A., GENSTERBLUM y., KROOSS B. i LITTKE R. 2004. Methane and Carbon Dioxide Adsorption&dif-fusion Experiments on Coal: Upscaling and Modeling. International Journal of Coal Geology nr 60, t. 2–4, s. 151–168.
BUSCH A., GENSTERBLUM y., KROOSS B. i SIEMONS N. 2006. Investigation of High-Pressure Selective Ad-sorption/desorption Behaviour of CO2 and CH4 on Coals: An Experimental Study. International Journal of Coal Geology nr 66, t. 1–2, s. 53–68.
CEGLARSKA-STEFAńSKA G. 1990. Współzależność procesów sorpcyjnych i dylatometrycznych w układach:
węgle kamienne-para wodna, dwutlenek węgla, metan. Zeszyty Naukowe AGH, Kraków.
CHMIELNIAK T. i WóJCIK K. 2010. Wychwyt i transport CO2 ze spalin – efekty energetyczne i analiza ekono-miczna. Centrum Informacji o Rynku Energii, Kraków.
CZAPLIńSKI A. 1994. Węgiel kamienny. Wydawnictwa AGH, Kraków.
FENGHUA A., yU y., XIANGJUN CH., ZHIQIANG L. i LIyANG L. 2019. Expansion energy of coal gas for the initiation of coal and gas outbursts. Fuel nr 235, s. 551–557.
GIBBINS J. i CHALMERS H. 2008. Carbon capture and storage. Energy Policy nr 36, t. 12, s. 4317–4322.
HERZOG H. 2002. Carbon Sequestration via Mineral Carbonation: Overview and Assessment. Massachusetts Institute of Technology, Massachusetts.
KUDASIK M., SKOCZyLAS N., SOBCZyK J. i TOPOLNICKI J. 2010. Manostat-an accurate gas gas pressure regulator. Measurment Science & Technology Vol. 21, No. 8.
Le QUERE C. 2018. Global Carbon Budget 2018. Global Carbon Projects.
MILEWSKA-DUDA J. 1989. Węgiel kamienny jako heterogeniczny kopolimer w procesie sorpcji. Zeszyty Nau-kowe AGH, Kraków.
SAMPATHA K., PERERAA M., MATTHAIA S., RANJITH P. i LiDONG y. 2020. Modelling of fully-coupled CO2 diffusion and adsorption-induced coal matrix swelling. Fuel nr 262.
SEDJO R. i SOHNGEN B. 2012. Carbon Sequestration in Forests and Soils. Annual Review of Resouruce Eco-nomics nr 4, s. 127–144.
SMIT B., REIMER J., OLDENBURG C. i BOURG I. 2014. Introduction to Carbon Capture and Sequestration.
Imperial College Press nr 1.
ZARęBSKA K., ćWIK A., CASANOVA I., RAUSIS K. i KOUKOUZAS N. 2018. Carbonation of high-calcium fly ashes and its potential for carbon dioxide removal in coal fired power plants. Journal of Cleaner Pro-duction nr 202, s. 1026–1034.
Katarzyna CZERW1, Magdalena HODOWANY2, Jakub SZCZUROWSKI3, Stanisław KOZIOŁ3