Überwachung des Vergasungsbereichs und seines Verhaltens bei der unterirdischen Kohlevergasung durch akustische Emissionstechnik anstelle von Temperaturmessung

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 9757 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Bei der unterirdischen Kohlevergasung (UCG) ist eine Überwachung des Vergasungsbereichs erforderlich, da der Vergasungsprozess unsichtbar ist und die Reaktionstemperatur 1000 °C übersteigt. Viele Bruchereignisse, die durch das Erhitzen von Kohle verursacht wurden, können mit der Überwachungstechnik der akustischen Emission (AE) während der UCG erfasst werden. Allerdings sind die Temperaturbedingungen, die während der UCG zu Bruchereignissen führen, noch nicht geklärt. Daher werden in dieser Forschung das Kohleheizexperiment und das kleine UCG-Experiment durch Messung der Temperatur und der AE-Aktivitäten durchgeführt, um die Anwendbarkeit der AE-Technik anstelle der Temperaturmessung als Überwachungsmethode während der UCG zu untersuchen. Infolgedessen kommt es zu vielen Bruchereignissen, wenn sich die Temperatur der Kohle drastisch ändert, insbesondere während der Kohlevergasung. Außerdem nehmen AE-Ereignisse im Sensor in der Nähe der Wärmequelle zu und AE-Quellen nehmen mit der Ausdehnung des Hochtemperaturbereichs stark zu. Die AE-Überwachung ist anstelle der Temperaturüberwachung eine effektive Technik zur Schätzung der Vergasungsfläche während der UCG.

Mit dem weltweiten Wirtschafts- und Bevölkerungswachstum steigt der Energiebedarf von Tag zu Tag. Aufgrund der großen Reserven und der geringeren regionalen Verbreitung ist Kohle nach wie vor ein wichtiger Energieträger als Primärenergie. Aus technologischen und wirtschaftlichen Gründen werden in konventionellen Bergbausystemen jedoch viele Kohlevorkommen nicht abgebaut. Underground Coal Gasification (UCG) ist eine Technik zur Gewinnung von Kohleenergie aus dem Untergrund durch In-situ-Vergasung. UCG trägt zur Verbesserung der Energierückgewinnungsquote aus Kohle bei, da es die Energierückgewinnung aus ungenutzter Kohle ermöglicht. Darüber hinaus beeinflussen die Injektionsmittel und die Temperatur des Kohleflözes die Produktgaszusammensetzung, z. B. steigert die Dampfinjektion die Wasserstoffproduktion1,2,3. Daher ist UCG eine vielversprechende Option, um die Gewinnung von Kohleenergie als saubere Kohletechnologie zu verbessern. Bei UCG kann das Produktgas durch Erweiterung des Vergasungsbereichs mit hohen Temperaturen verbessert werden. Andererseits verursacht die übermäßige Ausdehnung des Vergasungsbereichs mehrere Umweltprobleme wie Gasaustritt, Verformung des umgebenden Bodens und Grundwasserverschmutzung4,5,6. Daher benötigt UCG ein Überwachungssystem zur Kontrolle des Vergasungsbereichs.

Die Vergasungsfläche von UCG kann mit der Temperatur der Kohle angenommen werden7,8. Es ist jedoch praktisch schwierig, die Temperaturen von Kohleflözen am tatsächlichen UCG-Standort zu messen. Anstelle der Temperaturmessung wurden einige Techniken zur Überwachung des Vergasungsbereichs von UCG eingeführt. Die Anwendung geophysikalischer Überwachungstechniken wurde diskutiert, beispielsweise die elektrische Widerstandstomographie9, die elektrische Widerstandsmethode10, die Mikrogravitationsuntersuchung11 und das Bodenradar12,13. Die Schätzung des Hohlraumwachstums und der Geschwindigkeit der Vergasungsflamme mithilfe eines mathematischen Modells wurde ebenfalls beschrieben14,15,16,17. Diese Forschung konzentriert sich auf die Anwendung der akustischen Emission (AE) zur Überwachung des Vergasungsbereichs. Die AE-Überwachung kann eine alternative Technik zur Temperaturmessung sein, da Mikroseismik aufgrund der Ausdehnung oder Kontraktion von Kohle beim Erhitzen auftritt. AE wird gleichzeitig generiert, wenn das Material Brüche erzeugt, was bedeutet, dass durch AE-Überwachung eine Echtzeitüberwachung erreicht werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, den Ort der Bruchaktivität zu identifizieren, indem der Unterschied in der seismischen Ankunftszeit und der Sensorkoordination mit der Quellenstandortanalyse berechnet wird. Viele Wissenschaftler haben über die Entstehung von Brüchen beim Erhitzen von Kohle aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Mineralien18,19, der Veränderung der Porenstruktur20,21,22 und der thermischen Kontraktion23,24,25 berichtet. Ding et al.26 haben die AE-Zahl und die Entwicklung von Rissen beim Erhitzen von Kohle gemessen. Das AE-Signal ist insbesondere dann aktiv, wenn sich die Rissbreite unter 300–500 °C ausdehnt. Es wurde auch berichtet, dass die AE-Signale bei Erwärmung unter Belastung im Vergleich zu ohne Erwärmung zunehmen27.

Unsere früheren Arbeiten haben auch die Möglichkeit aufgezeigt, die AE-Technik als Überwachungsmethode des Vergasungsbereichs während des UCG-Prozesses zu nutzen28,29,30,31. Es ist jedoch immer noch ungewiss, unter welchen Temperaturbedingungen diese AE-Aktivitäten während des UCG-Prozesses auftreten. In dieser Studie wird die Anwendbarkeit der AE-Technik anstelle der Temperaturmessung zur Überwachung des Vergasungsbereichs mittels Kohleheizexperiment und kleinem UCG-Experiment diskutiert.

Das Kohleheizexperiment wurde unter Verwendung eines Kohleblocks mit einer Größe von 200 mm × 200 mm × 100 mm durchgeführt. Tabelle 1 zeigt die Industrie- und Elementaranalysewerte der Kohle. Kohle wird als Steinkohle kategorisiert. Abbildung 1a,b zeigen den Versuchsaufbau des Kohleheizungsexperiments. Zum Erhitzen der Kohle wurde eine Heizpatrone mit einem Durchmesser und einer Länge von 15 mm bzw. 50 mm eingesetzt. Die Temperatur der Heizung wurde mit einem Temperaturkontrollpaneel (YDC-15N; Yagami Corp.) gesteuert. Die Kohle wurde erhitzt, indem die Temperatur einer Heizpatrone alle 50 °C in 15-Minuten-Intervallen auf bis zu 500 °C erhöht wurde, wie in Abb. 2 dargestellt. Thermoelemente vom Typ K (Chino Corp.) wurden in Abständen von 15 mm bis zu einem Abstand installiert 60 mm von der Heizpatrone entfernt. Die 5 Beschleunigungswandler (620HT; Teac Corp.) wurden an den Endflächen des Kohleblocks installiert, um AE-Ereignisse zu erkennen. Bei den Beschleunigungsaufnehmern handelt es sich um Ladungsbeschleunigungsmesser mit einem Frequenzbereich von 1–10.000 Hz. Der Sensor hat einen Durchmesser von 13,8 mm und eine Höhe von 29 mm. Die Anzahl der AE-Ereignisse wurde in zwei Beschleunigungswandlern gezählt, die sich in unterschiedlichem Abstand von einer Heizpatrone (90 mm und 110 mm entfernt) befanden, indem ein Schwellenwert und eine Totzeit definiert wurden, wie in Abb. 3 dargestellt. Der Schwellenwert beträgt 0,5 m/s2 und die Totzeit wird auf 10 ms eingestellt, da die Totzeit in spröden Materialien normalerweise mehrere ms beträgt: Gestein, Beton und Kohle. Der Schwellenwert liegt bei AE-Signaldaten, die ebenfalls mit einem Multi-Recorder (GR-7000; Keyence Corp.) mit einer Abtastzeit von 1 µs aufgezeichnet wurden. Die Signale wurden mit einem Hochpassfilter von 5 Hz und einem Tiefpassfilter von 10.000 Hz durch die Verstärker (SA-611; Teac Corp.) gefiltert. AE-Signaldaten wurden für die Standortanalyse der AE-Quelle verwendet, um die Beziehung zwischen der AE-Quelle und der Temperaturverteilung zu diskutieren.

Versuchsaufbau des Kohleheizungsexperiments: (a) Versuchsaufbau; (b) experimentelles System.

Temperatureinstellung einer Heizpatrone.

Definition des AE-Ereignisses mit der Totzeit.

Das schematische Diagramm des kleinen UCG-Experiments ist in Abb. 4 dargestellt. In diesem Experiment wurden Kohleblöcke mit einer Größe von 200 mm × 200 mm × 250 mm hergestellt. Die Kohle ist die gleiche wie im Kohleheizexperiment. Ein Kohleblock wurde in einen Metallbehälter mit einem Durchmesser von 286 mm und einer Höhe von 361 mm gegeben. Um den Gasaustritt zu reduzieren, wurde rund um den Kohleblock hitzebeständiger Beton eingespritzt. Als Zünd-, Injektions- und Förderloch wurde in der Mitte des Kohleblocks ein horizontales Loch mit einem Durchmesser von 20 mm gebohrt. Während des UCG-Experiments wurden die Temperaturverteilung der Kohle im Inneren und die Bruchereignisse mit 9 Thermoelementen bzw. 6 Beschleunigungswandlern überwacht. Die Beschleunigungswandler wurden mit Wellenleitern aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 100 mm am Kohlestein befestigt; Die Löcher für die Wellenleiter wurden mit einem Durchmesser von 6,5 mm von der Oberfläche eines Metallbehälters bis zum Kohleblock gebohrt. Die Wellenleiter wurden mit einer Mischung aus Gips und Zement befestigt. Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die Anordnung der einzelnen Sensoren. Der Gasbrenner wurde in der Zündstufe übernommen. Nach erfolgreicher Zündung der Kohle wurde ein Oxidationsmittelgemisch aus Luft und Sauerstoff injiziert, um die Vergasung der Kohleprobe aufrechtzuerhalten. Die Injektionsdurchflussrate des Injektionsmittels betrug konstant 10 l/min und die Sauerstoffkonzentration betrug 30 %, 50 % und 70 %. Die Vergasungsdauer sollte 6,7 h für 30 % der Sauerstoffkonzentration, 4,0 h für 50 % der Sauerstoffkonzentration und 2,9 h für 70 % der Sauerstoffkonzentration betragen, um das gesamte Sauerstoffinjektionsvolumen auf 1200 l festzulegen. Bei einer Sauerstoffkonzentration von 30 % betrug sie 3,3 h, da die Vergasung nicht weiterging. Das Produktgas wurde alle 15 Minuten mit dem Gaschromatographen (Micro GC 3000A; Inficon Co. Ltd.) analysiert.

Kleines UCG-Experiment.

Vertrieb von Thermoelementen.

Verteilung der Beschleunigungsaufnehmer: (a) Seitenansicht; (b) Draufsicht.

Die Ergebnisse der Temperatur- und AE-Ereignisse sind jeweils in Abb. 7 dargestellt. Aus den Abbildungen ist ersichtlich, dass die Temperatur des Thermoelements umso höher ist, je näher an der Wärmequelle: die Thermoelemente von 15 mm, 30 mm, 45 mm , und 60 mm zeigen nach Ablauf der 150 Minuten jeweils 197 °C, 68 °C, 38 °C und 24 °C. Die Ergebnisse von AE-Ereignissen zeigen, dass viele Bruchereignisse entstehen, wenn sich die Temperatur der Wärmequelle dramatisch ändert. Dies weist darauf hin, dass das Auftreten von AE-Aktivitäten mit der Temperaturänderung der Kohle zusammenhängt, was darauf hindeutet, dass es möglich ist, die Temperaturänderung der Kohle durch AE-Überwachung zu verstehen. AE tritt bei etwa 50–150 °C und 400–500 °C auf. Diese AE entstehen durch die Ausdehnung des Gasphasenvolumens in der Kohlematrix, was bedeutet, dass die Frakturierungsaktivitäten auftreten sollten, wenn die Mikrostrukturen der Kohle aufgrund des Anstiegs des Gasdrucks aufbrechen. Bei etwa 400–500 °C werden mehr AE-Ereignisse festgestellt. Die Kohlevergasung wird im Allgemeinen bei etwa 400 °C gefördert, was bedeutet, dass es aufgrund der Vergasung zu Frakturierungsaktivitäten bei etwa 400 °C kommen kann. Darüber hinaus beschrieben Naka et al.23, dass sich das Verformungsverhalten von Kohle oberhalb von 500 °C von Expansion zu Kontraktion ändert, was darauf hindeutet, dass das Kontraktionsverhalten der Kohle die Frakturierungsaktivität beeinflussen kann. Darüber hinaus können mehr AE-Ereignisse erkannt werden, je näher der Abstand zur Wärmequelle ist: Die Gesamtzahl der AE-Ereignisse beträgt 2382 bzw. 1515 im Sensor in der Nähe der Wärmequelle (90 mm von der Wärmequelle entfernt) und weit von der Wärmequelle entfernt ( 110 mm von der Wärmequelle entfernt). Während der Kohleerhitzung kommt es an mehreren Stellen mit hohen Temperaturen zu Frakturierungsaktivitäten, was bedeutet, dass die von den beiden Sensoren erfassten AE-Ereignisse kaum dieselbe Quelle sind. Allerdings können Sensoren, die näher an der Wärmequelle liegen, AE-Ereignisse erkennen, ohne von der Dämpfung betroffen zu sein, da sie sich näher am Hochtemperaturbereich befinden, um Bruchereignisse zu erzeugen. Dies bedeutet, dass die AE-Ereignisse verwendet werden können, um anhand der Position der Sensoren den Ort der Temperaturänderung in der Kohle zu identifizieren. Die Verteilung des Ortes, an dem die Frakturierungsaktivitäten entstehen, kann jedoch nicht anhand von AE-Ereignissen erfasst werden. Daher wird im nächsten Schritt die Analyse des AE-Quellenstandorts durch mehrere Sensoren übernommen.

Temperatur- und AE-Ereignisse.

In dieser Studie wird der Ursprungsort von AE-Aktivitäten anhand der Methode der kleinsten Quadrate der Reisezeit und der Zeitdifferenz32 berechnet. Abbildung 8a,b zeigt die Ergebnisse der AE-Quellenstandortanalyse und das Verhältnis der Quellenstandorte in Abhängigkeit von der Entfernung von der Wärmequelle, wenn die Temperatur der verstrichenen Zeit 0–45 Minuten und 90–150 Minuten beträgt. Das dunkelgraue Farbfeld zeigt den Kohleblock und der Zylinder in der Mitte ist eine Heizpatrone, die im Experiment als Wärmequelle dient. Die roten Kugeln stellen die Ergebnisse des AE-Quellenstandorts dar. AE-Quellen werden von einer Wärmequelle verteilt, obwohl sich die Temperatur in der Nähe der Heizpatrone dramatisch ändert. Dieses Ergebnis legt nahe, dass eine genaue Schätzung der AE-Aktivitäten durch Kohleheizung aufgrund der Heterogenität der Kohle, der sich bei Temperaturänderungen ändernden Eigenschaften der Kohle und anderer unbekannter Faktoren scheinbar schwierig ist. Es kann jedoch eine grobe Schätzung der AE-Aktivitäten vorgenommen werden. Das Balkendiagramm zeigt, dass sich 57 % der AE-Quellen in einem Abstand von 30 mm und 43 % der AE-Quellen in einem Abstand von 30–60 mm von der Wärmequelle in 0–45 Minuten befinden. Andererseits befinden sich 36 % der AE-Quellen in einem Abstand von 30 mm und 64 % der AE-Quellen in einem Abstand von 30–60 mm von der Wärmequelle in 90–150 Minuten. Dies bedeutet, dass sich die Bruchereignisse im Anfangsstadium in der Nähe der Wärmequelle konzentrieren, während sie im späteren Stadium des Experiments weit entfernt stattfinden. Dieses Ergebnis stimmt mit dem Temperaturprofil zur Erweiterung des Hochtemperaturbereichs während des Kohleheizexperiments überein, was darauf hindeutet, dass die Analyse des AE-Quellenstandorts die Überwachung der Erweiterung des Hochtemperaturbereichs ermöglicht.

Standort der AE-Quelle: (a) 0–45 Min.; (b) 90–150 Min.

Abbildung 9a–c zeigt die Temperaturprofile, wenn das Sauerstoffinjektionsvolumen 400 l, 800 l und 1200 l beträgt, was bedeutet, dass die verstrichene Zeit 2,2 h (400 l) und 3,3 h (600 l) für 30 % der Sauerstoffkonzentration beträgt. 1,3 h (400 l), 2,7 h (800 l) und 4,0 h (1200 l) für 50 % der Sauerstoffkonzentration und 1,0 h (400 l), 1,9 h (800 l) und 2,9 h (1200 l) für 70 % Sauerstoffkonzentration. Die Abbildungen basieren auf den Messdaten von Thermoelementen wie in Abb. 5 dargestellt und der Konturbereich ist in 50 °C-Intervalle von 0 bis 500 °C unterteilt. Sie zeigen, dass sich der Hochtemperaturbereich auf der Injektionsseite bildet, wenn die Sauerstoffkonzentration hoch ist. Obwohl die Ursache dieser Phänomene unbekannt ist, kann dies daran liegen, dass die Reaktionsgeschwindigkeit der Oxidationsreaktion durch den Unterschied in der Sauerstoffkonzentration beeinflusst wird. Mit anderen Worten, die Reaktionsgeschwindigkeit der Oxidationsreaktion nahm mit zunehmender Sauerstoffkonzentration zu, was dazu führte, dass Sauerstoff auf der Einspritzseite unter der Bedingung einer Sauerstoffkonzentration von 70 % schneller verbraucht wurde und sich auf der Einspritzseite ein Hochtemperaturbereich bildete.

Temperaturprofil: (a) 30 % Sauerstoffkonzentration; (b) 50 % Sauerstoffkonzentration; (c) 70 % Sauerstoffkonzentration.

Abbildung 10a–c zeigt die Ergebnisse der Anzahl von AE-Ereignissen für verschiedene Sauerstoffkonzentrationen. Als Daten der Einspritz-/Produktionsseite werden die in Abb. 6 dargestellten AE-Ereignisse in AE1 und AE3 verwendet. Unabhängig von der Sauerstoffkonzentration sind die AE-Ereignisse im Anfangsstadium der Vergasung am höchsten. Dies bedeutet, dass die Bruchereignisse im Zündprozess aufgrund der drastischen Temperaturänderungen und der Gasentwicklung aktiviert werden. Auch die bisherige Forschung hat die gleiche Tendenz bestätigt33. Die AE-Ereignisse im Anfangsstadium sind auf der Produktionsseite bei 30 % der Sauerstoffkonzentration höher, während sie auf der Injektionsseite bei 70 % der Sauerstoffkonzentration höher sind. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit den Ergebnissen zur Temperaturverteilung, was darauf hindeutet, dass viele AE-Ereignisse an den Orten auftreten, an denen sich Hochtemperaturregionen bilden. Die deutlichen Unterschiede der AE-Ereignisse auf der Injektions-/Produktionsseite sind im späteren Stadium der Vergasung nicht zu finden. Dies kann auf den kleinen Maßstab des Experiments zurückzuführen sein, was bedeutet, dass der Abstand zwischen den Beschleunigungswandlern zu gering ist, um den Unterschied der Bruchereignisse für den großen Vergasungsbereich zu erkennen. Die Wellendämpfung erfolgt proportional zur Ausbreitungsentfernung. AE-Ereignisse können aufgrund der Wellendämpfung nicht erkannt werden, wenn der Abstand zwischen der Bruchquelle und den Sensoren groß ist. In der Anfangsphase der Vergasung treten je nach Standort des Sensors Unterschiede in der erfassten Anzahl von AE-Ereignissen auf, da die hohe Temperatur gering ist. Andererseits zeigt die Anzahl der Ereignisse nicht den Unterschied in den Sensoren, da aufgrund der geringen Entfernung zwischen den Sensoren und der Quelle der Bruchaktivitäten bei der Ausdehnung des Hochtemperaturbereichs keine Wellendämpfung auftritt. AE-Ereignisse nehmen während einer Sauerstoffinjektion von 800–1200 l bei einer Sauerstoffkonzentration von 50 % zu, während sie bei einer Sauerstoffkonzentration von 30 % und 70 % mit der Zeit abnehmen. Dies kann durch die Gasproduktion durch die Vergasungsreaktion erklärt werden. Abbildung 11a–c zeigt die Produktgaszusammensetzung einschließlich des Heizwerts während der Vergasung. Der Brennwert weist bei jeder Sauerstoffkonzentration einen Abwärtstrend mit der verstrichenen Zeit auf. Dies liegt daran, dass die geschmolzene Schlacke, die aus dem Aschegehalt der Kohle entsteht, aufgrund der Begrenzung des Gas-Feststoff-Kontakts daran gehindert wird, den Vergasungsbereich auszudehnen. Der Brennwert nimmt nach 360 l Sauerstoffinjektion bei 30 % Sauerstoffkonzentration und 840 l Sauerstoffinjektion bei 70 % Sauerstoffkonzentration dramatisch ab. Diese Ergebnisse stimmen mit AE-Ereignissen überein, was bedeutet, dass AE-Ereignisse nach 400 l Sauerstoffinjektion bei 30 % der Sauerstoffkonzentration und 800 l Sauerstoffinjektion bei 70 % der Sauerstoffkonzentration dramatisch abnehmen. Andererseits steigt sie von 4,87 auf 5,73 MJ/m3 während 800–950 l Sauerstoffinjektion bei 50 % Sauerstoffkonzentration aufgrund der Zunahme brennbarer Gaskomponenten: H2 steigt von 13,08 auf 14,63 %, CO steigt von 19,13 auf 22,52 %, und CH4 steigt von 1,30 auf 4,00 %. Darüber hinaus nehmen AE-Ereignisse auch zu, wenn das Sauerstoffinjektionsvolumen 800 bis 1200 l beträgt. Dieser Befund legt nahe, dass das AE-Ereignis mit der Kohlevergasung zusammenhängt. Daher ist die AE-Überwachung eine wirksame Methode zur Bewertung der Kohlevergasung im Untergrund.

AE-Ereignisse: (a) 30 % Sauerstoffkonzentration; (b) 50 % Sauerstoffkonzentration; (c) 70 % Sauerstoffkonzentration.

Produktgaskonzentration: (a) 30 % Sauerstoffkonzentration; (b) 50 % Sauerstoffkonzentration; (c) 70 % Sauerstoffkonzentration.

Abbildung 12a–c zeigt die Ergebnisse der AE-Quellenposition in der Seitenansicht. Die schwarzen Quadratsymbole kennzeichnen die Beschleunigungsaufnehmer. AE-Quellen werden von einem horizontalen Loch verteilt, obwohl sich die Temperatur in der Nähe des Lochs dramatisch ändert, was darauf hindeutet, dass die genaue Schätzung der AE-Aktivitäten schwierig ist. Allerdings steigt der Anteil der AE-Quellen, die sich weit vom horizontalen Loch entfernt befinden, mit der verstrichenen Zeit bei 50 % und 70 % der Sauerstoffkonzentration: Der Anteil der AE-Quellen, die mehr als 40 mm vom Loch entfernt sind, steigt von 30 %, 35 %, und 54 %, wenn die Sauerstoffkonzentration 50 % beträgt, und steigt von 40 %, 42 % und 48 %, wenn die Sauerstoffkonzentration 70 % beträgt. Dieses Ergebnis stimmt mit dem Temperaturprofil zur Erweiterung des Vergasungsbereichs überein, was darauf hindeutet, dass auch bestätigt wird, dass die Analyse der AE-Quellenstandorte die Überwachung der Erweiterung des Hochtemperaturbereichs während des UCG-Prozesses ermöglicht. Das Verhältnis des AE-Quellenstandorts ist unabhängig von der verstrichenen Zeit bei einer Sauerstoffkonzentration von 30 % gleich: Es beträgt 69 % innerhalb von 40 mm vom Loch und 31 % in dem Bereich, in dem der Abstand vom Loch mehr als 40 mm beträgt. Dies liegt daran, dass sich der Vergasungsbereich bei einer Sauerstoffkonzentration von 30 % nicht stark ausdehnt. Im tatsächlichen UCG-Betrieb ist es schwierig, die Temperatur im Kohleflöz, die über 1000 °C erreichen kann, direkt zu messen. Die AE-Überwachung könnte anstelle der Temperaturüberwachung eine wirksame Technik zur Abschätzung der Vergasungsfläche sein. Es wird erwartet, dass diese Technik auch zur Steuerung des Vergasungsbereichs nützlich sein wird, indem der Ort der Vergasung und ihre Ausdehnung erfasst werden, wenn sich die Einspritzbedingungen ändern.

Ort der AE-Quelle: (a) 30 % Sauerstoffkonzentration; (b) 50 % Sauerstoffkonzentration; (c) 70 % Sauerstoffkonzentration.

Diese Studie untersucht die Anwendbarkeit der AE-Technik als Überwachungssystem des Vergasungsbereichs von UCG durch das Kohleheizexperiment und das kleine UCG-Experiment. Wir haben die folgenden Erkenntnisse erlangt.

Viele Bruchereignisse entstehen, wenn sich die Temperatur der Wärmequelle dramatisch ändert, was darauf hindeutet, dass AE-Ereignisse mit der Temperaturänderung der Kohle zusammenhängen.

Je geringer der Abstand zwischen Sensor und Wärmequelle ist, desto größer ist die Anzahl der AE-Ereignisse. Diese Tatsache weist darauf hin, dass der Ort der Temperaturänderung anhand der Position der Sensoren identifiziert werden kann.

Der Hochtemperaturbereich unterscheidet sich je nach Sauerstoffkonzentration. Dies kann an der Reaktionsgeschwindigkeit der Oxidationsreaktion liegen; Bei hoher Sauerstoffkonzentration wird der Sauerstoff auf der Injektionsseite schneller verbraucht.

Insbesondere bei der Kohlevergasung nehmen AE-Ereignisse zu.

Die Ausdehnung des Vergasungsgebiets kann durch Analyse des AE-Quellenstandorts abgeschätzt werden.

Die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendeten Daten sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Yang, LH, Zhang, Int. J. Hydrogen Energy 33, 1275–1285. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2007.12.055 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, SQ, Wang, YY, Zhao, K. & Yang, N. Verbesserte Wasserstoffgasproduktion durch unterirdische Vergasung von Braunkohle. Mindest. Wissenschaft. Technol. 19, 389–394. https://doi.org/10.1016/S1674-5264(09)60073-9 (2009).

Artikel Google Scholar

Stanczyk, K. et al. Experimentelle Simulation der unterirdischen Steinkohlevergasung zur Wasserstoffproduktion. Kraftstoff 91, 40–50. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2011.08.024 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Bhutto, AW, Bazmi, AA & Zahedi, G. Unterirdische Kohlevergasung: Von den Grundlagen bis zu Anwendungen. Prog. Energieverbrennung. Wissenschaft. 39, 189–214. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2012.09.004 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Kapusta, K., Stanczyk, K., Wiatowski, M. & Checko, J. Umweltaspekte eines feldmaßstäblichen unterirdischen Kohlevergasungsversuchs in einem flachen Kohleflöz im Experimentalbergwerk Barbara in Polen. Kraftstoff 113, 196–208. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.05.015 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Imran, M. et al. Umweltbedenken der unterirdischen Kohlevergasung. Erneuern. Aufrechterhalten. Energy Rev. 31, 600–610. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.12.024 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, ZQ, Xu, XY & Cui, Y. Einfluss fester und entfernbarer Gasinjektionsmuster auf die Ausdehnung von Reaktionszonen während der unterirdischen Kohlevergasung. Energietreibstoffe 33, 4740–4747. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b00037 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, ZQ et al. Erweiterung von drei Reaktionszonen bei der unterirdischen Kohlevergasung mit Frei- und Versickerungsrinnen. Kraftstoff 190, 435–443. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.10.052 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Mellors, R. et al. Erweiterte geophysikalische Überwachung der unterirdischen Kohlevergasung. Mitig. Anpassen. Strateg. Globus. Chang. 21, 487–500. https://doi.org/10.1007/s11027-014-9584-1 (2016).

Artikel Google Scholar

Tatiana, S., Igor, G. & Alexey, B. Kontrolle des Verbrennungsbereichs mithilfe der elektrischen Widerstandsmethode für die unterirdische Kohlevergasung. Int. J. Min. Wissenschaft. Technol. 22, 351–355. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2012.04.012 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Kotyrba, A., Kortas, L. & Stanczyk, K. Bildgebung der unterirdischen Kohlevergasungszone mit Mikrogravitationsuntersuchungen. Acta Geophys. 63, 634–651. https://doi.org/10.1515/acgeo-2015-0002 (2015).

Artikel ADS Google Scholar

Kotyrba, A. & Stanczyk, K. Erfassung der unterirdischen Kohlevergasung durch Bodenradar. Acta Geophys. 65, 1185–1196. https://doi.org/10.1007/s11600-017-0095-9 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Kotyrba, A. & Stanczyk, K. Anwendung einer GP-Technik zur Überwachung der simulierten unterirdischen Kohlevergasung in einem großmaßstäblichen Modell. In der Nähe von Surf. Geophys. 11, 505–515. https://doi.org/10.3997/1873-0604.2013030 (2013).

Artikel Google Scholar

Cui, Y. et al. Vorwärts- und Rückwärtsverbrennungsvergasung von Kohle mit Produktion von hochwertigem Synthesegas in einer simulierten Pilotanlage zur In-situ-Vergasung. Appl. Energie 131, 9–19. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.06.001 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Khan, MM et al. Modellierung der unterirdischen Kohlevergasung – ein Rückblick. Energien 8, 12603–12668. https://doi.org/10.3390/en81112331 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Nourozieh, H., Kariznovi, M., Chen, ZX & Abedi, J. Simulationsstudie zur unterirdischen Kohlevergasung in Alberta-Reservoirs: Geologische Struktur und Prozessmodellierung. Energietreibstoffe 24, 3540–3550. https://doi.org/10.1021/ef9013828 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Jowkar, A., Sereshki, F. & Najafi, M. Ein neues Modell zur Bewertung der Hohlraumform und des Hohlraumvolumens während des unterirdischen Kohlevergasungsprozesses. Energie 148, 756–765. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.01.188 (2018).

Artikel Google Scholar

Jiang, C. et al. Experimentelle Studie zur Entwicklung von Porenbruchstrukturen und zum Mechanismus der Permeabilitätssteigerung in Kohle unter zyklischem Thermoschock. Kraftstoff https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121455 (2021).

Artikel Google Scholar

Yang, Y. et al. Experimentelle Studie zum Porenbruchentwicklungsgesetz im thermischen Schädigungsprozess von Kohle. Int. J. Rock Mech. Mindest. Wissenschaft. 116, 13–24. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2019.03.004 (2019).

Artikel Google Scholar

Kasani, HA & Chalaturnyk, RJ Einfluss von hohem Druck und hoher Temperatur auf das mechanische Verhalten und die Permeabilität einer gebrochenen Kohle. Energien https://doi.org/10.3390/en10070854 (2017).

Artikel Google Scholar

Liu, SQ, Zhang, SJ, Chen, F., Wang, CH & Liu, MY Variation der Kohledurchlässigkeit bei Entwässerung und Erhitzung: Eine Fallstudie von Ulanqab-Braunkohle für die unterirdische Kohlevergasung. Energietreibstoffe 28, 6869–6876. https://doi.org/10.1021/ef501696e (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Bhaskaran, S. et al. Experimentelle Untersuchungen zum Abplatzverhalten indischer Braunkohle im Zusammenhang mit der unterirdischen Kohlevergasung. Kraftstoff 154, 326–337. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2015.03.066 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Naka, R. et al. im ISRM International Symposium – 10. Asian Rock Mechanics Symposium, ARMS 2018.

Chang, HZ et al. Semikoks-Kontraktionskinetik von Kohle und ihren Mazeralen bei der Pyrolyse. Acta Phys. Chim. Sünde. 24, 675–680. https://doi.org/10.3866/pku.Whxb20080422 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Kubota, Y., Ikeda, K., Arima, T., Nomura, S. & Aihara, Y. Kontraktionsverhalten von Inertinit in Kohle und Mechanismus der Rissbildung um die Inertinittextur in Koks. Tetsu Hagane-J. Eisen-Stahl-Inst. Jpn. 99, 175–184. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane.99.175 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Ding, R. et al. Experimentelle Studie zu akustischen Emissionseigenschaften von thermischen Hochtemperaturschäden in einer sauerstoffreichen Umgebung von langflammiger Kohle. J. Therm. Anal. Kalorien. 147, 11391–11400. https://doi.org/10.1007/s10973-022-11353-0 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Kong, B. et al. Eine Studie über fraktale Eigenschaften der Schallemission unter mehreren Erwärmungs- und Belastungsschadensbedingungen. J. Appl. Geophys. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2022.104532 (2022).

Artikel Google Scholar

Su, F.-Q. et al. Studie zur Überwachungsmethode des Hohlraumwachstums bei der unterirdischen Kohlevergasung unter Laborbedingungen. Energy 263, 126048. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.126048 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Su, FQ et al. Überwachung und Bewertung der simulierten unterirdischen Kohlevergasung in einem ex-situ experimentellen künstlichen Kohleflözsystem. Appl. Energie 223, 82–92. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.04.045 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Su, FQ, Itakura, K., Deguchi, G. & Ohga, K. Überwachung der Kohlefrakturierung bei der unterirdischen Kohlevergasung durch akustische Emissionstechniken. Appl. Energie 189, 142–156. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.11.082 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Su, FQ et al. Bewertung der Kohleverbrennungszone und der Gasenergierückgewinnung für den Prozess der unterirdischen Kohlevergasung (UCG). Energietreibstoffe 31, 154–169. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.6b01922 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Hardy, HR Acoustic Emission/Microseismic Activity, vol. 1. 1. Aufl. (CRC Press, 2003).

Su, FQ, Nakanowataru, T., Itakura, K., Ohga, K. & Deguchi, G. Bewertung struktureller Veränderungen im Kohleprobenerhitzungsprozess und UCG-Modellexperimente zur Entwicklung effizienter UCG-Systeme. Energien 6, 2386–2406. https://doi.org/10.3390/en6052386 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

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Diese Arbeit wurde von Mikasa City, der japanischen Gesellschaft für UCG, der Kyushu University Platform of Inter-/Transdisciplinary Energy Research (Q-PIT) durch ihr „Module-Research Program“, JSPS KAKENHI Grant Number JP20K05393, JP21K14575 und JP22K05005, unterstützt. Die Autoren bedanken sich für ihre Unterstützung und sprechen insbesondere den UCG-Projektmitgliedern ihre Anerkennung aus.

Abteilung für Erdressourcentechnik, Kyushu-Universität, Fukuoka, 819-0395, Japan

Akihiro Hamanaka, Yuma Ishii, Takashi Sasaoka und Hideki Shimada

Gestiftetes Forschungslabor. of Un-mined Mineral Resources and Energy Eng., Muroran Institute of Technology, Muroran, 050-8585, Japan

Ken-ichi Itakura

Abteilung für Bergbautechnik, Fakultät für Bergbau und Erdöltechnik, Bandung Institute of Technology, Bandung, 40132, Indonesien

Nuhindro Priagung Widodo & Budi Sulistianto

Abteilung für nachhaltige Ressourcentechnik, Universität Hokkaido, Sapporo, 060-8628, Japan

Jun-ichi Kodama

Underground Resources Innovation Network, Sapporo, 007-0847, Japan

Gota Deguchi

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Konzeptualisierung, AH und KI; Methodik, YI und GD; Software, AH; Validierung, TS; Formale Analyse, HS; Untersuchung, JK; Ressourcen, NPW; Datenkuration, GD; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, AH; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, HS und BS; Visualisierung, YI; Supervision, NPW und BS; Projektadministration, KI; Finanzierungseinwerbung, AH, KI, JK und TS Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Akihiro Hamanaka.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hamanaka, A., Ishii, Y., Itakura, Ki. et al. Überwachung des Vergasungsbereichs und seines Verhaltens bei der unterirdischen Kohlevergasung durch akustische Emissionstechnik anstelle von Temperaturmessung. Sci Rep 13, 9757 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36937-0

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Eingegangen: 01. März 2023

Angenommen: 13. Juni 2023

Veröffentlicht: 16. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36937-0

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