Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Studies on CO2 sorption on hard coal in the near-critical area with regard to the aspect of sequestration

Baran P., Broś M., Nodzeński A.

Archives of Mining Sciences

|

2010

|

Vol. 55, no 1

59-67

EN

Recently more and more emphasis has been laid on reducing the emission of carbon dioxide. Attempts are undertaken to reduce the emission of this gas through the works on the low-emission technologies of fuel combustion. Another way to lower the emission of CO2 is to capture the gas and deposit it in deep geological layers. One of the options of geological sequestration, next already applied the EOR method (Nagy & Olajossy, 2008; Nú?ez-López et al., 2008) is pumping CO2 into deep, fully exploited or unexploited beds of hard coal. The issue of carbon dioxide sorption studies is presently handled with regard to the possibility of sequestrating this gas in deep geological structures. Considering the depth of the storage centre and assuming that hydrostatic pressure gradient at the level of 10 MPa/km and the geothermal gradient at the level of 30 K/km (Tarkowski, 2005), it is expected that the stored carbon dioxide will appear in the supercritical state. The supercritical phase shows the properties of a gas with high density, close to the density of fluid substances which changes depending on the pressure and temperature in the range from 200 up to 900 kg/m3 (Fig. 1) (Holloway and Savage, 1996). The definition of supercritical adsorption which is presented in the work is ambiguous in the literature, due to various approaches regarding the definition of the supercritical phase (fluid). One of the approaches says that the fluid is supercritical when both the temperature and the pressure reach values above the critical point. However, adsorption in supercritical conditions (supercritical adsorption) is commonly interpreted to be a process which takes place in a temperature above the critical temperature (Toth, 2002). The work presents experimental results of studies on CO2 sorption on high rank coal obtained from the Lower Silesian Coal Basin. The table 1 provides selected results of the chemical, technological and density analysis (Nodzeński, 2000). The measurements have been carried out with the use of original volume apparatus designed to examine the sorption of gases in the supercritical area. The developed apparatus also makes it possible to measure the sorption of mixtures (e.g. CO2 + CH4). After the state of balance is established, it is also possible to source the free (unsorbed) phase disturbing the sorption balance. The principle of sorption measurement at increased pressures by the volume method consists in decompressing a gas of a known pressure and volume from the batching space to an ampoule containing a sorbent. Knowing the dead volume of the apparatus and the volume of the batcher, it is possible to calculate the absorbed quantity by means of the gas laws. The presented calculation procedure takes into account the CO2 deviations from the properties of the ideal gas. The gas molar volume for a given pressure and temperature has been calculated by means of two equations: the Beattie-Bridgeman Equation of State and the Span-Wagner multi-parameter equation (Michałowski & Wańkowicz, 1993; Span and Wagner, 1996). The figure 3 shows that up to the pressures of about 2.5 MPa, the molar volumes calculated with the use of both equations of state are convergent. In case of higher pressures, the calculated values show differences. Following the sorption isotherms obtained at a subcritical temperature, the thermal equation of sorption (Czepirski & Jagiełło, 1989) was used to generate an isotherm in 323 K which was then confronted with an isotherm obtained through an experiment. An unsatisfactory correspondence was found between the isotherm generated by means of the thermal sorption equation and the isotherm obtain in course of the experiment (Fig. 4). The gas capacity values obtained as a result of prediction are overestimated by about 5 dm3/kg which testifies to a significant change of properties of the arrangement after the critical temperature is exceeded.

PL

W ostatnim okresie coraz większy nacisk kładzie się na ograniczenie emisji ditlenku węgla. Zmniejszenie emisji tego gazu próbuje się osiągnąć poprzez prace nad niskoemisyjnymi technologiami spalania paliw. Innym sposobem obniżenia emisji CO2 jest przechwycenie gazu oraz zdeponowanie go w głębokich warstwach geologicznych. Jedną z możliwości, geologicznej sekwestracji, obok stosowanej już metody EOR (Nagy i Olajossy, 2008; Nú?ez-López i in., 2008) jest wtłoczenie CO2 do głębokich, wyeksploatowanych lub nieeksploatowanych pokładów węgla kamiennego. Tematyka badań sorpcji ditlenku węgla jest obecnie prowadzona pod kątem możliwości sekwestracji tego gazu w głębokich strukturach geologicznych. Mając na uwadze głębokość centrum magazynowania i zakładając gradient ciśnienia hydrostatycznego na poziomie 10 MPa/km oraz gradient geotermiczny rzędu 30 K/km (Tarkowski, 2005), należy spodziewać się, że zmagazynowany ditlenek węgla będzie w stanie nadkrytycznym. Faza nadkrytyczna ma właściwości gazu o dużej gęstości, zbliżonej do gęstości substancji ciekłych, która zmienia się w zależności od ciśnienia i temperatury w zakresie od 200 do 900 kg/m3 (rys. 1) (Holloway i Savage, 1996). Przedstawiono definicję adsorpcji superkrytycznej która w literaturze jest niejednoznaczna, ze względu na różne podejścia w zdefiniowaniu fazy (płynu) superkrytycznej. Jedno z podejść mówi, że płyn jest superkrytyczny, gdy zarówno temperatura jak i ciśnienie osiąga wartości powyżej punktu krytycznego. Jednakże przyjmuje się, że adsorpcja w warunkach superkrytycznych (supercritical adsorption) jest to proces zachodzący w temperaturze powyżej temperatury krytycznej (Toth, 2002). Praca prezentuje eksperymentalne wyniki badań sorpcji CO2 na wysokouwęglonym węglu pochodzącym z Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego. W tabeli 1 podano wybrane wyniki analizy chemicznej, technologicznej i densymetrycznej (Nodzeński, 2000). Pomiary wykonane zostały przy użyciu oryginalnej objętościowej aparatury do badania sorpcji gazów w obszarze superkrytycznym. Zbudowany aparat umożliwia również pomiary sorpcji mieszanin (np. CO2 + CH4). Po ustaleniu się stanu równowagi istnieje możliwość pobrania fazy wolnej (niezasorbowanej) bez naruszenia równowagi sorpcyjnej. Zasada pomiaru sorpcji przy podwyższonych ciśnieniach metodą objętościową, polega na rozprężeniu gazu o znanym ciśnieniu i objętości z przestrzeni dozującej, do ampułki zawierającej sorbent. Znając objętość martwą aparatu i objętość dozownika, ilość zasorbowaną można obliczyć za pomocą praw gazowych. Przedstawiono procedurę obliczeniową z uwzględnieniem odchyleń CO2 od właściwości gazu doskonałego. Objętość molową gazu dla danego ciśnienia i temperatury obliczono stosując dwa równania: równanie stanu Beattie-Bridgemana oraz wieloparametrowe równanie Span'a-Wagner'a (Michałowski i Wańkowicz, 1993; Span i Wagner, 1996). Rysunek 3 ilustruje, że dla ciśnień do ok. 2,5 MPa, wyliczone objętości molowe wyznaczone przy użyciu obu równań stanu są zbieżne. W przypadku wyższych ciśnień obserwuje się już różnice w wyliczonych wartościach. W oparciu o izotermy sorpcji otrzymane w temperaturze podkrytycznej wygenerowano, za pomocą termicznego równania sorpcji (Czepirski i Jagiełło, 1989), izotermę w 323 K a następnie skonfrontowano ją z izotermą otrzymaną w toku eksperymentu. Stwierdzono niezadowalająca zgodność izotermy wygenerowanej przy użyciu termicznego równania sorpcji z izotermą otrzymaną z eksperymentu (rys. 4). Wartości gazopojemności otrzymane w wyniku predykcji są przeszacowane o ok. 5 dm3/kg co świadczy o znaczącej zmianie właściwości układu po przekroczeniu temperatury krytycznej.

2

Badania zawartości metanu w węglach brunatnych

Baran P., Hołda S., Macuda J., Nodzeński A., Zawisza L.

Gospodarka Surowcami Mineralnymi

|

2007

|

T. 23, z. 3s

21-28

PL

Gazonośność pokładów węgla brunatnego zależy od ciśnienia złożowego gazu, składu gazu, składu petrograficznego i stopnia uwęglenia węgli, zawartości wody oraz temperatury złożowej. Istotną rolę w konkretnych przypadkach odgrywają warunki geologiczne, a w szczególności grubość i szczelność nadkładu spoczywającego na złożu węgla oraz występowanie uskoków. Dla określenia metanonośności aktualnie eksploatowanych węgli brunatnych w kopalniach węgla brunatnego Bełchatów, Adamów, Turów i Konin, do badań laboratoryjnych pobrano próbki węgla z każdej z kopalń. Miejsca poboru próbek węgla zostały dobrane w taki sposób, aby odzwierciedlały występujące różnice w ich wykształceniu petrograficznym. W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących występowania metanu sorbowanego w pokładach węgla brunatnego, w rejonach największych, udokumentowanych złóż węgla brunatnego na obszarze Polski. Określono wzajemne relacje pomiędzy metanem wolnym i zasorbowanym w strukturze węgla. Obliczono całkowitą ilość metanu zdeponowanego w badanych węglach. Przeanalizowano możliwe zagrożenia wynikające z obecności metanu w złożach.

EN

Gas capacity of the lignite coal beds depends from the pressure of gas, the composition of gas, petrographic composition and rank of coal, contents of water and temperatures of the bed. In concrete cases geological conditions particularly a thickness and an airtightness of cover of carbon resting on the deposit and appearing of fault. In order to determine methane capacity of at the present exploited lignite coals in mines of the lignite coal: Bełchatów, Adamow, Turow and Konin, for laboratory examinations samples of coal were taken from above mines. Places of the drawing of samples of coal were selected this way so that appearing differences in their petrographic composition reflected. Investigations concerning of methane sorbed in the lignite coal beds, in biggest, substantiated areas in the area of Poland were presented. An interrelation was determined amongst free methane and sorbed methane in the porous structure of coal. A total amount of deposited methane was calculated in explored coals. Possible threats resulting from the presence of methane in deposits were analysed.

3

Badania układu węgiel-gaz w aspekcie pozyskiwania metanu i sekwestracji CO2

Ceglarska-Stefańska G., Nodzeński A., Hołda S.

Gospodarka Surowcami Mineralnymi

|

2007

|

T. 23, z. 3s

51-59

PL

Od szeregu lat zajmujemy się badaniami układu węgiel-gaz w aspekcie zagadnień wyrzutowości, pozyskiwania metanu i emisji gazów cieplarnianych. Badania sorpcyjne w układzie węgiel-gazy kopalniane, prowadzone w warunkach zbliżonych do warunków in situ, wskazują na większe powinowactwo węgli względem CO2. W konsekwencji wprowadzony do utworów węglonośnych dwutlenek węgla będzie nie tylko sorbowany, ale również będzie wypierał zgromadzony w nich metan. W prezentowanych badaniach przedstawiono izotermy sorpcji wyznaczane w szerokim zakresie ciśnień i temperatur. Badania sorpcji mieszanin CO2 i CH4 doprowadziły do wykrycia inwersji selektywności tych gazów dla węgli o różnym stopniu metamorfizmu.

EN

From the many of years we are dealing with the research on the system coal-gas in the aspect of outburst problems, of methane recovery and emission of greenhouse gasses. Investigations of sorption in the coal-mine gasses system, led in conditions moved close for conditions in situ, are pointing at the bigger affinity coal with CO2 account. In consequence the carbon dioxide inserted into carboniferous beds will not only be sorbed, but will also be supplanting methane gathered in them. In presented investigations the isotherms of sorption were presented appointed in a wide range of pressures and temperatures. Tests of sorption CO2 and CH4 mixtures led the selectivity of these gasses, for detecting the inversion for coal about the different degree of the metamorphism.

4

Oddziaływanie fizykochemiczne dwutlenku węgla ze środowiskiem centrów magazynowania

Nodzeński A., Hołda S.

Polityka Energetyczna

|

2003

|

T. 6, spec. [2]

357-366

PL

Centra magazynowania dwutlenku węgla zlokalizowane w wyeksploatowanych zbiornikach gazu ziemnego i ropy naftowej charakteryzują się dużą porowatością i szczelinowatością. Magazynowanie dwutlenku węgla na dużych głębokościach może być realizowane przy ciśnieniach nadkrytycznych ze względu na występujące tam nadkrytyczne temperatury. W pracy przedstawiono możliwość tworzenia się układu dwufazowego: sprężonego gazu i fazy zaadsorbowanej, której gęstość jest zbliżona do gęstości cieczy, a w przypadku silnego oddziaływania cząsteczek gazu z powierzchnią ciała stałego gęstość fazy adsorpcyjnej może być nawet wyższa. W procesie magazynowania istotne znaczenie ma rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie a w szczególności w wodzie zasolonej. Ponieważ jest to ważne zagadnienie przeprowadzono szereg badań eksperymentalnych rozpuszczalności CO2 w wodzie czystej i zasolonej. Rozpuszczalność dwutlenku węgla wzrasta przy wzroście ciśnienia i maleje przy wzroście siły jonowej roztworu. Dla ciśnień poniżej 100 barów rozpuszczalność zmniejsza się ze wzrostem temperatury, natomiast dla wyższych ciśnień krzywa zależności rozpuszczalności od ciśnienia wykazuje minimum. Omówiono warunki sprzyjające efektywnemu magazynowaniu dwutlenku węgla.

EN

The storage capacity of depleted oil and gas reservoirs depends on numerous factors, such as volume, porosity, permeability, and reservoir temperature and pressure. Storage centres of carbon dioxide localised in depleted oil and gas reservoirs characterise a big porosity and volume of fissures. Porosity system is relevant for gas content and for gas flow behaviour in reservoir. Sequestration of carbon dioxide in deep reservoirs will be realised under supercritical conditions. Possibility formation of two-phase system: compressed gas and adsorbate is presented in this paper. The adsorbate density is similar to density of liquid. Supercritical gas in adsorbed state could be regarded as a sort of superheated liquid. The strong attraction to a surface causes adsorbed molecules to attain much higher density than that of a normal liquid. Under these conditions, adsorbed molecules are so compressed that they repel each other. The solubility of carbon dioxide in pure water and in aqueous NaCl solutions is relevant for carbon dioxide sequestration process. Because of its importance, many experimental studies have been carried on the solubility of CO2 in pure water and in aqueous NaCl solutions. The solubility of carbon dioxide increases with the increase of pressure and decreases with the increase of ionic strength. However, CO2 solubility varies irregularly with temperature. At medium pressures (<100 bar) CO2 solubility decreases gradually with temperature. At higher pressures (>100 bar), CO2 solubility decreases with temperature at first, and then it increases with temperature. The conditions of effective sequestration of carbon dioxide are discussed in the paper.

5

Struktura porów wybranych węgli kamiennych z Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego

Nodzeński A., Chudzik W., Hołda S.

Karbo

|

2001

|

Nr 1

2-5

PL

Struktura porów węgli kamiennych ma decydujący wpływ na niektóre jego właściwości fizykochemiczne, jak np. pojemność sorpcyjna, reaktywność z czynnikami chemicznymi czy przydatność w procesach przetwarzania, a także na pozyskiwanie gazów (szczególnie metanu) zgromadzonych w pokładzie węglowym. W pracy przedstawiono wyniki badań porowatości węgli kamiennych z kopalń Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego. W badaniach zastosowano metody densymentryczne oraz metodę porozymetrii rtęciowej w celu określenia objętości porów w poszczególnych zakresach promieni, jak i rozkładu objętości względem promienia porów. Stwierdzono związek pomiędzy strukturą kapilarną węgla a jego składem macerałowym.

EN

The structure of pores of hard coals has decisive influence on some of their physical - chemical properties, as for instance, sorption capacity reactivity with chemical agent or suitability for processing as well as retrieval of gases (especially methane) accumulated in a coal seam. The work presents the investigation results of hard coal porosity from the mines of Lower Silesian Coal Basin. Densimetric and mercury porosi-metry methods were applied investigations to determined pores volumes in particular radius ranges and volume distribution against the pore radius. A relationship was determined between capillary structure of coal and its maceral composition.

6

Isosteric heats of methane sorption on hard coals of different ranks at elevated pressures

Nodzeński A., Hołda S.

Archives of Mining Sciences

|

2001

|

Vol. 46, nr 4

481-490

EN

The study of sorption and desorption methane on three sampIes of hard coal is presented in this paper. The sorption isotherms were measured by means of the volumetric method at temperatures of 296-333 Kin relation to 13 MPa pressure. The porosities of the sampIes were determined by measuring of their apparent (the mercury method) and true densities (the helium method). The experimental data obtained were described using the thermal sorption equation in virial form. The isosteric heats of sorption as a function of coverage were calculated. The obtained results indicate the physical nature of interaction between methane molecules and hard coal. The values of isosteric heats o fsorption are dependent on the o fmaceral composition of coal.

PL

W prezentowanej pracy przedstawiono badania sorpcji metanu na ośmiu próbach węgla kamiennego o różnej wartości. Izotermy sorpcji wyznaczono metodą objętościową, w temperaturach 296-333 K w zakresie ciśnień do 13 MPa. Określono porowatość badanych próbek przez pomiar gęstości pozornej (metodą rtęciową) i gęstości rzeczywistej (metodą helową). Podstawowy materiał badawczy stanowiły próbki węgla pochodzące z kopalń Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, a uzupełnieniem dla węgli o wyższym stopniu uwęglenia były próbki pobrane z kopalń Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego. Lokalizację miejsc pobrania prób przedstawiono w tabicy 1. W tablicy 2 zestawiono wyniki analizy chemicznej i petrograficznej badanych węgli a w tablicy 3 wyniki badań gęstości i porowatości. Do opracowania danych eksperymcntalnych zastosowano termiczne równanie sorpcji w postaci wirialnej (równanie 1) . Obliczono izosteryczne ciepła sorpcji w funkcji zapełnienia, które to zależności przedstawiono na rysunku 2, a obliczone wartości zebrano w tablicy 5. Przedstawione zależności mają charakter malejący, ze wzrastającymi wartościami sorpcji zmniejszają się wartości izosterycznych ciepeł sorpcji, nie osiągając jednak wartości ciepła kondensacji CH4 (8,8 kJ/mol). Zależności tego typu są charakterystyczne dla gazów, których cząsteczki oddziałują niespecyficznie z powierzchnią ciała stałego. Wartości uzyskanych ciepeł izosterycznych wskazują na fizyczny charakter oddziaływania cząsteczek metanu z węglem kamiennym. Najwyższą wartość ciepła sorpcji wykazuje węgiel o niskim stopniu uwęglenia i stosunkowo luźnej stukturze matrycy węglowej, o czym świadczy niewielka wartość jego gęstości rzeczywistej (próbka B-1O). Próbka ta charakteryzuje się stosunkowo dużą objętością mikroporów oraz niewielką zawartością macerałów grupy inertynitu. Można przypuszczać, że wyraźnie wyższe wartości izosterycznego ciepła sorpcji dla tej próbki związane są z sorpcją w porach o bardzo małych średnicach. Próbka B-1O zawiera niewiele macerałów grupy inertynitu (Rys. 3.) w porównaniu do próbek NR-1 i W -4, które mają takie same objętości mikroporów, lecz znacznie większą zawartość inertynitu. Próbki te wykazują znacznie niższe ciepła sorpcji. Niewiele niższe ciepło sorpcji próbki GI-2, która zawiera mniej mikroporów i znaczną ilość macerałów grupy inertynitu, związane jest prawdopodobnie z wyjątkowo wysoką zawartością popiołu. Próbka J-3 wyróżnia się wśród pozostałych najbardziej zróżnicowanym składem maceralnym przy podobnej mikroporowatości. Jest to prawdopodobnie przyczyną niejednorodności powierzchni, co ilustruje największa wartość wskaźnika przedstawionego w ostatniej kolumnie tablicy 5. Przedstawione badania prowadzą do nastqpującyeh wniosków: wartości izosterycznych ciepeł sorpcji w układzie wągiel kamienny-CH4 świadczą o występowaniu oddziaływań niespecyficznych i związane są z sorpcją w mikroporach o średnicach porównywalnych z rozmiarami cząsteczki metanu, wartości izosterycznych ciepeł sorpcji zależą od składu maceralnego oraz struktury porowatej wągla, w szczególności istotna jest zawartość inertynitu, przebieg zależności izosterycznych ciepeł sorpcji od ilości zasorbowanego gazu wskazuje na niejednorodność badanych układów.