Methane sorption on bituminous coal - experiments on cuboid-shaped samples cut from primal coal lumps

• Autorzy: Czerw K. , Ziętek J. , Wagner M.

Warianty tytułu

PL

Sorpcja metanu na prostopadłościennych próbkach węgla kamiennego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper reports the results of laboratory experiments concerning the accumulation of methane on two coals of different ranks, low- and medium-, (respectively coal type 32.2 and 34.2 by PN-82/G-97002). The tests were conducted on cuboid-shaped solid coal samples (20 x 20 x 40 mm) cut out of pieces of primal coals with a long axis parallel to the bedding plane and by applying the volumetric method. The changes of external dimensions which occurred during CH4 accumulation (sorption induced strains) and the volume of up-taken gas were measured simultaneously. For every coal-gas system, two kinetics of gas accumulation were determined by applying the pressure progression method, as well as adequate kinetics of CH4 induced strains parallel and perpendicular to the bedding plane. Volumetric strain kinetics were calculated. The additional recovery of methane beside normal exploitation of coal seams pose as one of the possibilities of efficient management and use of both of those energy resources. On the other hand high concentration of methane in coal suggests the possibility of emerging of gas and coal outburst. Therefore the designation of correlations between sorption and induced swelling/shrinkage processes on coal and the understanding of the mechanisms that are the basis of these dependences are some of the most important aspects of ECBM recovery and mining operational safety. The presented study has demonstrated that in case of hard coals, the rank and the petrographic composition are two of the key factors that influence the course of sorption processes and the methane induced swelling/shrinkage of coals. The above conclusion was based on the strong differences in courses of acquired strain and gas capacity kinetic curves.

PL

Przeprowadzono badania sorpcji metanu na dwóch węglach, nisko- i średniouwęglonym (odpowiednio typ 32.2 i typ 34.2 wg PN-82/G-97002). Eksperymenty zrealizowano metodą objętościową na prostopadłościennych litych próbkach o wymiarach 20 x 20 x 40 mm wyciętych z bryły macierzystej. Równocześnie śledzono towarzyszące procesom sorpcyjnym zmiany zewnętrznych wymiarów próbek węgla. Dla każdego układu wyznaczono dwie kinetyki sorpcji, przy zastosowaniu metody progresji ciśnienia, oraz kinetyki odkształceń w kierunkach prostopadłym i równoległym do uławicenia węgla. Obliczono także kinetyki odkształceń objętościowych próbek. Pozyskiwanie obok samego węgla również metanu z pokładów węglonośnych stanowi jedną z możliwości efektywnego wykorzystania i zagospodarowania obu tych surowców energetycznych. Jednocześnie, wysoka metanonośność złoża oznacza tym samym prawdopodobieństwo wystąpienia zagrożenia wyrzutem gazów i skał. Stąd określenie zależności pomiędzy sorpcją/desorpcją gazów a pęcznienie/kurczeniem się węgla w pokładzie na skutek przebiegu zjawisk sorpcyjnych oraz zrozumienie mechanizmów tych procesów stanowi nieodzowny element zarówno w kwestiach związanych z ECBM, jak i w zakresie bezpieczeństwa eksploatacji kopalń węgla. W pracy wykazano, że w przypadku węgli kamiennych stopień metamorfizmu oraz skład petrograficzny węgla należą do kluczowych czynników determinujących przebieg procesów sorpcyjnych i towarzyszących im odkształceń sorbentu. Podstawę rozważań stanowiły odmienne kinetyki sorpcji i skrajnie różne kinetyki odkształceń wyznaczone dla badanych układów.

Słowa kluczowe

EN

hard coal; methane; kinetics of accumulation; swelling; shrinkage; strain

PL

węgiel kamienny; metan; kinetyki akumulacji; pęcznienie; skurcz; naprężenie

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 26, z. 2
• Strony: 85--96
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Czerw K.

autor

Ziętek J.

autor

Wagner M.

• Faculty of Energy and Fuels, AGH University of Science and Technology, Kraków, Poland,

Bibliografia

• Beamish B.B., Gamson P.D., 1993 - Sorption behavior and microstructure of Bowen Basin coals. Coalseam Gas Research Institute, James Cook University, Technical Report CGRI TR 92/4, February 1993.
• Busch A., Gensterblum Y., Krooss B.M., Littke R., 2004 - Methane and carbon dioxide adsorption/diffusion experiments on coal: an upscaling- and modeling aproach. Int. J. Coal Geol., t. 60, s. 151-168.
• Ceglarska-Stefańska G., 1990 -Współzależność procesów sorpcyjnych i dylatometrycznych zachodzących w układach: węgla-para wodna, dwutlenek węgla, metan. Zeszyty Naukowe AGH nr 1371, Chemia, z. 16, Wyd. AGH, Kraków.
• Ceglarska-Stefańska G., Czapliński A., 1977 - Badania rozszerzalności węgli kamiennych pod wpływem działania pary wodnej. Zeszyty Naukowe AGH nr 571, Górnictwo z. 85, s. 61, Wyd. AGH, Kraków.
• Ceglarska-Stefańska G., Czapliński A., 1979 - Rozszerzalność liniowa węgli kamiennych pod wpływem działania par alkoholi alifatycznych. Archiwum Górnictwa, 24, s. 167.
• Ceglarska-Stefańska G., Czerw K., 2008 - Sorpcja CO2 i CH4 na niskouwęglonych węglach z KWK Brzeszcze. Karbo, 2, p. 77-81.
• Ceglarska-Stefańska G., Majewska Z., Majewski S., Ziętek J., Czerw K., 2007 - Rozwój odkształceń węgla kamiennego w procesach sorpcyjno-desorpcyjnych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 23, s. 41-50.
• Ceglarska-Stefańska G., Nodzeński A., Czerw K., Hołda S., 2008 - Coal-mine gases systems in the aspects of methane recovery and CO2 sequestartion. Proceedings of the 21st World Mining Congress, Prace Naukowe GiG, Górnictwo i Środowisko. 4, s. 63-71.
• Ceglarska-Stefańska G., Zarębska K., 2006 - Sorpcja CO2 i CH4 na niskouwęglonych węglach z KWK Brzeszcze. Karbo, 1, p. 31-34.
• Chalmers G.R.L., Bustin R.M., 2007 - On the effect of pertographic composition on coalbed methane sorption. Int. J. Coal Geol., 69, s. 288-304.
• Chikatamarla L., Cui X., Bustin R.M., 2004 - Implications of volumetric swelling/shrinkage of coal in sequestration of acid gases. International Coalbed Methane Symposium Proceedings. Tuscaloosa, Alabama. paper 0435.
• Cygankiewicz J., Dudzińska A., Żyła M., 2009 - Wpływ rozdrobnienia węgli kamiennych na sorpcję tlenku węgla. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 25, s. 85-99.
• Czapliński A., 1966 - Badania nad związkiem między sorpcją dwutlenku węgla przy wysokich ciśnieniach a objętościowymi zmianami węgli kamiennych. Zeszyty Naukowe AGH nr 160, Rozprawy z. 80, Kraków.
• Czapliński A., 1968 - Rozszerzalność węgli kamiennych pod wpływem sorpcji gazów. Przegląd Górniczy, 24, s. 215.
• Czerw K., Ceglarska-Stefańska G., 2008 - Dynamika deponowania gazów kopalnianych w strukturze porowatej węgla kamiennego. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 24, s. 57-67.
• Ettinger I.L., Baranow R.J., Bunin A.B., Szulman I.W., Ogniesjan M.A., 1974 - Sorpcjonnoje Naiychanie Kamiennych Uglej Razlicznoj Porostoj Struktury. Chim. Twierd. Topl., 6, s. 86.
• Karacan C.Ö., Mitchell G.D., 2003 - Behavior and effect of different coal microlithotypes during gas transport for carbon dioxide sequestrqtion into coal seams. Int. J. Coal Geol., 53, s. 201-217.
• Lamberson N., Bustin R.M., 1993 - Coalbed methane characteristics of Gates Formation coals, Northeastern British Columbia: effect of maceral composition. American Association of Petroleum Geologists bulletin, 12, s. 2062-2076.
• Levine J.R., 1993 - Coalification: the evolution of coal as a source rock and reservoir rock for oil and gas. Law B.E., Rice D.D., (Ed.) Hydrocarbons from Coal. AAPG Studies in Geology, 38, s. 39-77.
• Levine J.R., 1996 - Model study of influence of matrix shrinkage on absolute permeability of coal bed reserviors. In: Gayer R., Harris I. (Eds.), Coalbed Methane and Coal Geology, 109, s. 197-212, Geological Society Special Publication, London.
• Majewska Z., Ceglarska-Stefańska G., Majewski S., Ziętek J., 2009 - Binary gas sorption/desorption experiments on bituminous C coal: Simultaneous measurements of sorption kinetics, volumetric strain and acoustic emission. Int. J. Coal Geol., 77, s. 90-102.
• Mastalerz M., Gluskoter H., Rupp J., 2004 - Carbon dioxide and methane sorption in high volatile bituminous coals from Indiana. USA, Int. J. Coal Geol., 60, s. 43-55.
• Pan Z., Connel L.D., 2007 - A theoretical model for gas adsorption-induced coal swelling. Int. J. Coal Geol., 69, s. 243-252.
• Robertson E. P., Christiansen R. L., 2005 - Measurements of sorption-induced strain. International Coalbed Methane Symposium, Tuscaloosa, Alabama, 17-19 May, paper 0532.
• Seewald H., Klein J., 1986 -Methansorption an Steinkohle und Kennzeichnung der Porenstruktur. Glückauf-Forschungshefte, 47 (3), s. 149-156.
• St. George J.D. Barakat M.A., 2001 - The change of effective stress associated with shrinkage from gas desorption in coal. Int. J. Coal Geol., 69 (6), s. 83-115.
• Zarębska K., Dudzińska A., 2008 - Możliwości magazynowania CO2 w pokładach węgli kamiennych - weryfikacja danych eksperymentalnych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi t. 24, s. 347-355.