Gas outflow from an underground site – numerical simulations into baric tendency and airflow rate relationship

• Autorzy: Wrona P. , Król A. , Król M.

Identyfikatory

DOI

10.24425/122446

Warianty tytułu

PL

Emisja gazów z górotworu – symulacje numeryczne wpływu tendencji barycznej na intensywność przepływu gazów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Gas emissions from underground sites to the atmosphere depend on many factors. Pressure drops are considered to be the most important. However, emissions can also be observed during the initial phase of the pressure rise, following a previous drop in pressure. On the other hand, gas emissions may not be detected when the pressure drops, especially when a previous pressure rise has taken place. The aim of the research was to determine the role of variations in baric tendency on airflow rate and its direction. To solve this problem a numerical model was built utilizing the Ansys Fluent software package. Subsequently, three scenarios of baric tendency variations were tested: a) rise – drop, b) drop – drop, c) drop – rise. The results showed inert behavior of gases. Under scenario (c), 1 hour after the change in tendency gases still were flowing out to the atmosphere. Considering scenario (a), it was proved that even during a pressure drop gas emissions do not take place, which can be crucial for further determination of the gas hazard at the surface or for assessment of the rate of gas emissions from a particular gas emitter. Scenario (b) merely gave an overview of the process and was mainly used for validation purposes. It gave a maximal CO2 concentration of 2.18%vol (comparable to measurements) and a CO2 mass flow rate 0.15kg/s. Taking into account greenhouse gas emissions this amounted to 514 kg CO2/h.

PL

Emisja gazów z górotworu do atmosfery zależy od wielu czynników, z których jako najważniejszy uznawane są spadki ciśnienia atmosferycznego. Jednakże podczas prowadzonych badań wypływ gazów został także odnotowany podczas początkowego okresu zwyżki barycznej, poprzedzonego zniżką. Wystąpiło także zjawisko braku wypływu gazów mimo występującej zniżki barycznej, w szczególności po okresie wzrostu ciśnienia. Dlatego celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu zmian ciśnienia atmosferycznego (rodzaju tendencji barycznej) na natężenie przepływu gazów pomiędzy górotworem a atmosferą oraz wyznaczenie jego kierunku. Do badań stworzono model numeryczny zjawiska w programie Ansys Fluent. Założono trzy warianty zmian ciśnienia: a) zwyżka – zniżka, b) zniżka – zniżka, c) zniżka – zwyżka. Otrzymane wyniki potwierdziły występującą bezwładność badanego procesu. W przypadku scenariusza (c), 1 gazy wypływały do atmosfery przez okres godziny po zmianie tendencji barycznej ze zniżki na zwyżkę. Rozpatrując scenariusz (a), dowiedziono, że emisja gazów może nie wystąpić mimo zachodzącej zniżki ciśnienia atmosferycznego. Może to mieć kluczowe znaczenie przy określaniu zagrożenia gazowego na powierzchni terenu lub wyznaczaniu intensywności emisji gazów z górotworu. Scenariusz (b) był scenariuszem porównawczym i służył do walidacji modelu. Dla tego scenariusza otrzymano maksymalne stężenie CO2 wynoszące 2.18%vol (wartość porównywalna ze stwierdzoną podczas pomiarów) oraz natężenie emisji CO2 równe 0.15kg/s. W przeliczeniu na emisję godzinną jest to 514kg CO2/h. Wartość ta ma znaczenie pod kątem emisji gazów cieplarnianych do atmosfery.

Słowa kluczowe

EN

CFD simulation; CO2 leak; Ansys Fluent; environmental impact; gas hazard

PL

symulacja CFD; emisja CO2; ANSYS Fluent; oddziaływanie na środowisko; zagrożenie gazowe

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 63, no. 2
• Strony: 251--268
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wrona P.

• Silesian University of Technology, Politechnika Śląska, Akademicka 2 St. 44-100 Gliwice, Poland

autor

Król A.

• Silesian University of Technology, Politechnika Śląska, Akademicka 2 St. 44-100 Gliwice, Poland

autor

Król M.

• Silesian University of Technology, Politechnika Śląska, Akademicka 2 St. 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Annunziatellis A., Beaubien S.E., Bigi S., Ciotoli G., Coltella M., Lombardi S., 2008. Gas migration along fault systems and through the vadose zone in the Latera caldera (central Italy): implications for CO2 geological storage. Int. J. Greenh. Gas Control 2 (3/2008), p. 353-372, doi:10.1016/j.ijggc.2008.02.003.
• [2] Bateson L., Vellico M., Beaubien S.E., Pearce J.M., Annunziatellis A., Ciotoli G., Coren F., Lombardi S., Marsh S., 2008. The application of remote-sensing techniques to monitor CO2-storage sites for surface leakage: method development and testing at Latera (Italy) where naturally produced CO2 is leaking to the atmosphere. Int. J. Greenh. Gas Control 2 (3/2008), p. 388-400, doi:10.1016/j.ijggc.2007.12.005.
• [3] Beaubien S., Jones D., Gal F., Barkwith A., Braibant G., Baubron J.-C., Ciotoli G., Graziani S., Lister T., Lombardi S., 2013. Monitoring of near-surface gas geochemistry at the Weyburn, Canada, CO2-EOR site, 2001-2011. Int. J. Greenh. Gas Control 16, p. 236-S262, doi: 10.1016/j.ijggc.2013.01.013.
• [4] Cheng Y.-P., Wang L., Zhang X.-L., 2011. Environmental impact of coal mine methane emissions and responding strategies in China. Int J Greenh Gas Control 5 (1/2011), p. 157-166. doi:10.1016/j.ijggc.2010.07.007.
• [5] Dziurzyński W., Krawczyk J., Krach A., Pałka T., 2008. Computer simulation of air and methane flow following an outburst in transport gallery D-6, bed 409/4. Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy 108, 3, p. 139-145.
• [6] Eicker H., 1987. Verlauf und Beherrschung der Ausgasung abgeworfener Grubengebaude. Gluckauf-Forschungshefte 48, 6, p. 324-328.
• [7] Feitz A., Jenkins C., Schacht U., Mcgrath A., Berko H., Schroder I., Noble R., Kuske T., George S., Heath C., Zegelin S., Curnow S., Zhang H. Sirault X. Jimenez-Berni J. Hortle A., 2014. An assessment of near surface CO2 leakage detection techniques under Australian conditions. Energy Procedia 63, p. 3891-3906, doi:10.1016/j.egypro.2014.11.419.
• [8] Geurts B., 2003. Elements of direct and large-eddy simulation. R.T. Edwards Inc. ISBN-13: 978-1930217072.
• [9] Grzybek I., 2012. Studium uwarunkowań emisji gazów ze zlikwidowanych kopalń SW części GZW. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, no. 1-5, 8-10 (in Polish).
• [10] Herrán-González A., De La Cruz J.M., De Andrés-Toro B., Risco-Martín J.L., 2009. Modeling and simulation of a gas distribution pipeline network. Applied Mathematical Modelling 33, 3, p. 1584-1600, doi:10.1016/j.apm.2008.02.012.
• [11] Jones D.G., Barkwith A.K.A.P., Hannis S., Lister T.R., Gal F., Graziani S., Beaubien S.E., Widory D., 2014. Monitoring of near surface gas seepage from a shallow injection experiment at the CO2 Field Lab, Norway. International Journal of Greenhouse Gas Control 28, p. 300-317, doi:10.1016/j.ijggc.2014.06.021.
• [12] Koyama T., Niretnieks I., Jing L., 2008. A numerical study on differences in using Navier-Stokes and Reynolds equations for modeling the fluid flow and particle transport in single rock fractures with shear. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 45, 7, p. 1082-1101, doi:10.1016/j.ijrmms.2007.11.006.
• [13] Kurowska E., 1999. Disturbance of geothermal field of the Upper Silesian Coal Basin due to mining activity. Bulletin d’Hydrogcologie, no I7, Centre d’Hydrogiologie, Universitc de Neuchdte.
• [14] Lagny C., Lafortune S., Charmoille A., Pokryszka Z., Degrelle F. Kimmel M., 2013. Understanding CO2 Gas Production Above a Partly Flooded. Former Coal Mining Area. Procedia Earth and Planetary Science 12, p.7-16, doi:10.1016/j.proeps.2013.03.095.
• [15] Lewicki J.L., Birkholzer J., Tsang C.-F., 2007. Natural and industrial analogues for leakage of CO2 from storage reservoirs: identification of features, events, and processes and lessons learned. Environ. Geol. 52, p. 457-467, doi:10.1007/s00254-006-0479-7.
• [16] Lunarzewski L., 2010. Coal mine gas predictor. 10th Underground Coal Operators Conference, University of Wollongong & the Australasian Institute of Mining and Metallurgy, p. 247-256.
• [17] Oldenburg C.M., Lewicki J.L., Dobeck L., Spangler L., 2010. Modeling gas transport in the shallow subsurface during the ZERT CO2 release test. Transp. Porous Media 82 (1), p. 77-92, doi:10.1007/s11242-009-9361-x.
• [18] Paulley A., Metcalfe R., Egan M., Maul P.R., Limer L., Grimstad A.-A., 2013. Hypothetical impact scenarios for CO2 leakage from storage sites. Energy Proc. 37, p. 3495-3502, doi:10.1016/j.egypro.2013.06.240.
• [19] Pawar R., Theresa J., Watson L., Gablea C.W., 2009. Numerical simulation of CO2 leakage through abandoned wells: model for an abandoned site with observed gas migration in Alberta, Canada. Energy Proc. 1, p. 3625-3632, doi:10.1016/j.egypro.2009.02.158.
• [20] Perera M.S.A., Ranjith P.G., Choi S.K., Airey D., 2011. Numerical simulation of gas flow through porous sandstone and its experimental validation. Fuel 90, 2, p. 547-554, doi:10.1016/j.fuel.2010.09.029.
• [21] Shih T.H., Liou W.W., Shabbir A., Yang Z., Zhu J., 1995. A New k-ε Eddy Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows-Model Development and Validation. Computers Fluids 24, p. 227-238.
• [22] Schroder I.F., Zhang H., Zhang C., Feitz A.J., 2016. The role of soil flux and soil gas monitoring in the characterization of a CO2 surface leak: A case study in Qinghai, China. International Journal of Greenhouse Gas Control 54, Part 1, p. 84-95, doi:10.1016/j.ijggc.2016.07.030.
• [23] Vreman B., Geurts B., Kuerten H., 1997. Large eddy simulation of turbulent mixing layer. J. Fluid Mech. 339, p. 357-390. doi:10.1017/S0022112097005429.
• [24] Wrona P., Różański Z., Pach G., Suponik T., Popczyk M., 2016. Closed coal mine shaft as a source of carbon dioxide emissions. Environmental Earth Sciences 75, 15, art. no. 1139, p. 1-12. DOI: 10.1007/s12665-016-5977-7.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018)