文摘

水在煤孔隙可以产生强大的微波辐照处理时蒸汽爆炸。为了提高微波煤储层的敏感性,我们使用不同浓度的氯化钠对孔隙的解决方案,进一步提高了微波对渗透率的影响增强。在我们的实验中,我们选择3比例的含水量和5个不同浓度的氯化钠。煤炭含水量和渗透率的变化辐照前后比较。此外,煤表面温度的变化和内部热功率进行了分析通过热成像和随机数值模拟范围。结果表明,溶液质量的比例的增加,溶液中的离子浓度提高了整体煤岩样品的介电性能。微波辐照后,平均减少煤岩样品的含水量增加,溶液中离子浓度的增加。两个煤岩样品的表面平均温度和平均电磁加热功率逐渐增加;这就增加了温度上升速率和最高温度下的煤岩样品相同的辐照时间,这有利于更好的蒸汽压力的快速积累,从而更有效地改善孔隙结构。最后,渗透率的最大增长率达到466.18%。 This work provides a novel train of thought to enhance coal permeability by using microwave irradiation.

1。介绍

最近的清洁能源技术的发展,Covid-19的影响,显著减少煤炭需求由经合组织国家已经导致了全球煤炭消费的减少。2019年,消费减少0.6%。此外,一次能源中所占的份额达到16年来的最低水平(27%)1]。国际能源机构(IEA)预测,煤炭的使用将在未来继续下降(2]。然而,39亿吨标准煤于2020年在中国生产。因此,煤炭仍然扮演着主导的角色在中国一次能源结构3),约占60%4]。在煤炭地下矿藏,工作面临逐渐转向更深层次的部分形成更深层次的采矿作业进度。另外,煤和天然气爆炸可能导致重伤人员(5],尤其是灾难性事件[6]。在煤矿、天然气已经成为限制采矿活动的效率的一个重要因素7,8]。同时,煤层气是一种有效和清洁能源9]。中国的浅层煤层气资源的估计数量在2000米以上是36.81万亿立方米。因此,很可能煤层气的开发将是安全的能源效益10,11]。

提高煤层渗透率通常是由水力压裂(12,13]。在中国新疆的情况下,有一个水供应减少(14)以及干旱和半干旱(15,16)环境。因此,目前迫切需要提高煤储层的渗透率的新选项。多个研究表明,微波可以有效提高煤储层的孔隙度和渗透率17- - - - - -19]。它也确定高压水蒸气(微波频率为2.45 GHz,微波功率1千瓦,照射时间240年代,煤样温度222°C,相对大气压力1.54 kPa)在孔隙结构可能导致孔隙变形、破坏,和互连20.,21]。水分存在于煤储层显示一个介电损耗大于煤炭矩阵;因此,它可以使用微波选择性加热(22- - - - - -24]。我们之前也表明,煤岩中包含的水可以快速加热下微波辐照。形成的水蒸气在这个过程中施加高压的内壁毛孔,最终摧毁了孔隙结构和增加的连接(25]。图1显示宏观和microprocess水汽造成的爆炸中包含煤;当然,在微波加热过程中,煤中的裂缝不仅引起的蒸汽压力,但也不平衡造成的热应力,自然填充剂的热分解,等等。

煤炭、多孔介质,显示水存储容量有限,如图2;与恒温水浴时间的延长,三组煤的含水量岩石样本增加越来越慢,最后达到自己的水储存的上限。因此,总有一个上限提高微波辐射下的渗透率增加煤的含水量。先前的研究已经表明,微波解决方案更有效地吸收的离子(26]。微波频率的偶极子极化转换机制被认为是最重要的微波加热(27]。一旦解决方案包含离子被放置在微波领域,离子按照反复交变电场和快速移动和改变方向(28]。离子的迁移形成一个电流和热能损失。因此,在水中离子的引入可以显著改善其微波吸收性能。

泡菜等。29日]研究了磁铁矿的微波干燥动力学的影响低阶烟煤。结果表明,磁铁矿作为吸收剂的加入提高了微波干燥的过程。王等人。30.微波加热用于褐煤的热解。这些研究者证明,没有添加剂,褐煤只达到200°C的温度与微波功率700 W辐照后10分钟。相比之下,褐煤的温度显著增加在四氧化三铁作为吸收剂。在这种情况下,样品的温度达到800°C 3分钟后照射在同一微波功率。周(31日)发现,2.34%的氯化钠溶液添加到煤时,这种材料的介电常数迅速增加。因此,微波辐照转化为热量的转换效率提高64%。根据这些数据,我们考虑增加溶液的离子浓度出现在煤矿为了提高其吸收微波的能力。本研究的目的是调查的影响离子质量比的增加,离子浓度煤渗透率当这种材料被暴露在微波辐照。我们使用物理和数值试验以阐明渗透率的机制改进使用微波蒸汽爆炸时。

2。实验的程序

实验设计(表1)由15种不同的实验条件。水分含量值分别为2%,4%,6%,和氯化钠浓度为0 g / L, 16 g / L, 32 g / L, 48 g / L, 64 g / L选择只有一个复制/条件。物理参数的变化(包括煤渗透率、水含量、表面温度、和内部温度)微波辐照前后的样品进行了分析和比较。

实验由两部分组成,煤的渗透率测量之前(第一部分)(第二部分)后,在不同条件下微波辐照。第一步是衡量煤岩样品的质量后完全干。第二步是确定的初始渗透率煤样在微波辐照 。第三步是获得最大的煤样的水分含量 。在第四步中,氯化钠水溶液与不同浓度的准备和煤炭样本浸泡至饱和,风干,直到适当的含水率。第五步是进行微波辐射处理和记录温度。第六步是测试和获得微波辐照后煤样的渗透率 。流程图如图3。

2.1。煤炭样品制备

圆柱形煤样品直径25毫米和25毫米的高度从富康获得矿区位于新疆,中国。然后,统一圆柱形煤岩石样本25毫米的高度和直径25毫米。煤岩样品标有数字1到15。材料干6 h 110°C的温度使用zk - 2020真空干燥箱由重庆Wuhuan测试仪器有限公司,有限公司后,干燥进行了检查,每次持续1小时。煤炭样品被认为是完全干煤样的质量减少时连续两个干燥后不超过2%。的称重记录质量表所示2。

2.2。孔隙参数测量

为了确定干煤的渗透率岩石样本,我们使用了ap - 608表土porosity-permeability测试仪由Coretest开发,美国岩心实验系统的公司。的围压在测试期间将500 PSI (3.4475 MPa),渗透压是设置为200 PSI (1.379 MPa),试验气体是高纯氮和瞬态方法用于测量。表3显示了基本的渗透率参数微波辐照前煤的岩石样本。

2.3。测定饱和水的内容

完全干煤岩石样本被放置到HH-XMTD203水浴(江苏绍兴仪器有限公司)与蒸馏水饱和。水温成立20°C和饱和时间60分钟。饱和样本的质量记录 。权衡之后,最大的含水率计算使用的质量完全干煤岩样品吗 ,如以下所示的方程。

因为有一个上限不同煤岩样品的保水性,实验要求煤岩石样本可以存储6%的水,所以我们测试每个煤的水潴留的上限,岩石样本,如表所示4。发现水饱和度的上限的煤岩样品大于6%,因此所有煤岩石样本满足实验的要求。

2.4。制备的煤样含氯化钠的解决方案

干煤样品浸泡在50毫升的不同氯化钠浓度直到饱和。后,用电吹风后实现相应的含水率。一般来说,用电吹风出现后,一部分水蒸发和氯化钠仍然在示例。因此,煤孔隙中氯化钠浓度逐渐增加,导致最终的浓度高于预设值。因此,为了确定氯化钠质量(g)应添加到50毫升的水,我们考虑了饱和含水量预设每个煤样的水分含量实验方案,预设氯化钠浓度 。推导出的公式如下:(1)浸泡的煤柱纯水,直到水饱和煤柱和记录的含水饱和度质量 ;(2)计算盐添加到水 ;(3)水的质量可以存储在计算煤岩石样本 ;和(4)的质量的公式添加氯化钠浸泡50毫升水煤柱以下所示的方程。

计算氯化钠质量被用来准备相应的NaCl水溶液,和煤岩样品浸泡到水饱和状态。然后,样品被风干。在干燥过程中,当煤样质量达到1.06,1.04,和1.02倍的价值,质量控制,也就是说,完全干燥质量 ,煤炭样本不同氯化钠浓度在含水率为6%,4%和2%。

2.5。确定微波辐照时间

在其形成、煤炭是受到长期的高温高压环境,成煤植物多样性和复杂的物理和化学变化。这将导致煤炭异质性高,因此,每个样本的质量略有不同。单个样品的重量差异可能引起的吸收微波能量的变化由煤的岩石。为了消除这些潜在的变化,照射时间计算使用以下方程。

微波的实验中,我们使用了Newsail商业微波炉。微波功率设置为2千瓦,微波频率为2.45 GHz,和特定的微波辐照时间如表所示5。

辐照后,泌尿道感染- 165热成像摄像机用于拍照和测量温度。样品辐照后的质量也获得和记录。

3所示。结果

3.1。水分含量的变化

如表所示6,微波辐照后煤样的水分含量低于最初的一个。数据表明,随着初始煤炭含水量的增加,煤水分的还原速度微波治疗后也增加了。平均利率减少初始含水率条件为2%,4%,2.64%和6%,5.69%,和22.12%,分别。此外,最初随着氯化钠浓度煤内部解决方案,平均下降率的微波辐照后水分含量也增加。水分含量的平均减速率下氯化钠浓度0 g / L, 16 g / L, 32 g / L, 48 g / L, 64 g / L分别为4.69%,5.99%,8.29%,14.48%,和17.31%,分别。

3.2。渗透率的变化

如表所示7微波辐照后,煤样的渗透率增加与初始渗透率。分布在每个煤样渗透率的增加率和在相同煤岩石含水量表示,氯化钠浓度越大,渗透率增加率越高后放进微波炉里。氯化钠浓度0 g / L, 16 g / L, 32 g / L, 48 g / L, 64 g / L导致增加率平均渗透率为196.37%,216.39%,343.51%,465.80%,和466.18%,相应地。

4所示。晋升机制,在微波辐照的煤岩离子解决方案

实验测试表明,煤岩样品的NaCl水溶液将产生积极影响煤的渗透率岩石样本。为了找出氯化钠水溶液影响煤的介电性能和岩石,然后影响煤岩样品的温度变化在微波的作用下,它将在下面讨论。

4.1。机制的离子解决方案对介电性能的影响煤的岩石

煤岩是一种多孔介质,介电性能主要是由空气和水分的体积和煤炭矩阵特征。其中,介电响应的水分在微波领域远远超过空气和煤炭。本节研究的机制解决方案质量和溶液中离子浓度的比例影响煤的介电性能。

以下4.4.1。溶剂对溶质质量比对介电性能的影响煤的岩石

介电损耗和焦耳热损失发生在微波辐照在不同的材料。在电场的作用下,极性分子在这些材料进行弛豫极化和共振极化过程,这导致介电损耗。与此同时,在一个给定的电势,介电材料内部的电流产生。这个过程引起的焦耳热损失。这两个现象是热发生的关键。根据先前的研究,总电磁功率损耗发生在微波照射介质可以按照下列公式计算: 在哪里(W /米³)是电磁热损失功率密度;是电场的频率(赫兹);是相对复介电常数的虚部的加热对象,体现了物质的能力吸收和失去电磁场能量; 是真空的介电常数;和 (V / m)的模量是电场强度。

根据方程(4),除了微波功率和微波频率,影响因素主要取决于物质的微波加热固有的加热材料的介电性能。介电常数是一个重要的因素,决定了煤的温度增量。进行大量的测试来确定煤的介电常数的岩石。人们普遍认为,煤的介电常数的实部岩石矩阵是在1.6和2.5之间,和介电常数的虚部是在0.05和0.2之间32]。水介电常数的真实和虚构的价值远远高于煤炭矩阵,分别是80年和9 (33,34]。

由于煤岩混合物质,混合相对复介电常数的虚部可以估计考虑混合相对复介电常数的虚部,每个物质的体积比。一般来说,随着含水率的增加,煤岩的整体介电性能也增加。在相同的微波功率和照射时间下,煤岩内部温度的不断增加。高温度和压力导致的暴力蒸发水。在这个过程中,煤的初始含水率越大,还原速度越大微波辐照后煤的含水量(图4)。煤岩石中水分含量越高,温度升高速率越大,煤岩的温度越高,越高的蒸汽来源。当体积有限,特别是在煤岩内部的孔隙体积很小,扩大天然气的压力的内壁孔隙增加。自从力面积没有变化,煤岩内部的绝对蒸汽压迅速增加。

与此同时,由于其特殊的性质,煤岩的总孔隙度显示最大值。因此,有一个上限的水量可以持有,结果,有一定的上限的整体改进煤炭样品的介电性能。为了进一步改善水的介电响应微波领域,有必要探索离子浓度对煤的介电性能的影响的岩石。

4.1.2。离子浓度对介电性能的影响煤的岩石

如图5显示,煤岩的渗透性随着氯化钠浓度的增加而增加。异常数据发生因为异质性高的煤样。异常发生因为孔隙和裂缝连接到外部扩展和连接通过水蒸气压力高,导致渗透率大幅增加。因此,水分含量和氯化钠浓度的增加可以有效提高微波辐照后煤的渗透率。完全干煤样相比,在高含水量和高氯化钠浓度,微波辐照后煤的渗透率增加4.66倍。在相同含水量条件下,结果表明,通过增加溶液的离子浓度,三种情况下的平均渗透率增加1.91倍。

氯化钠添加到解决方案可以大大增加水的复介电常数的虚部,可以按照下列公式计算: 在哪里(Hz)对应于角频率,(Hz)是电场的频率,(s)是水的弛豫时间极化,(F / m)是水的介电常数在一个静电场, 代表了在高频介电常数, 是真空的介电常数,(S / m)是水的电导率。

方程(5)表明,弛豫时间水的极化微波领域的媒体和介电常数水在静电场影响水的介电损耗的重要参数。他们是温度的函数,如方程(6)和(7),如图6(一)和6 (b)。

导电率 ,密切相关的离子浓度的解决方案,是最重要的参数,它影响焦耳热损失。电导率越高,能力越强的煤岩样品吸收一个电磁场,和更强烈的介电响应同一含水率下。在目前的研究中,氯化钠是用来增加水的离子浓度存在于煤岩石样本,从而增加溶液的导电性。生理盐水的浓度和溶液的电导率图所示7。

根据数据显示在图7,随着氯化钠浓度的增加,电导率也增加。氯化钠浓度0 g / L, 16 g / L, 32 g / L, 48 g / L和64 g / L导致电导率值0 /厘米,2.75 s / m, 5.2 s / m, 7.6 s / m,分别和10 s / m。这个增加是极高的NaCl-containing解决方案,极大地提高水的介电常数的虚部。因此,煤岩样品中的水分可以加热更迅速地在微波领域,也迅速蒸发,产生的蒸汽爆炸。释放大量的高温高压蒸汽显著改善毛孔开放,疏浚和铰孔。这也表明,添加氯化钠显著提高煤渗透率(图5)。

4.2。离子浓度的影响机制在煤岩温度分布

通过上面的分析,发现注射生理盐水溶液后,水的介电常数虚部的增加大大然后增加煤岩石样本的整体温度。因此,表面温度测试和内部温度数值模拟煤的岩石样本不同氯化钠浓度进行了微波辐照后,和具体推广氯化钠溶液对煤岩样品温度的影响和机制,提高渗透率进行了探讨。

4.2.1。准备离子浓度对表面温度分布的影响煤的岩石

泌尿道感染的照片- 165的热像仪测温表所示8。原始煤在微波辐射的平均温度是22.6°C。图8总结了温度在15个不同条件下表征煤的岩石样本。

图8表明,氯化钠浓度和温度的关系后的煤岩微波辐照正确拟合线性方程。基本上显示一个线性增加的趋势。在相同的微波功率下,煤岩样品的平均气温与氯化钠溶液浓度的16 g / L, 32 g / L, 48 g / L, 64 g / L和62.5°C, 68.6°C, 73.9°C,分别和82.9°C。与煤的平均温度为53.4°C岩石样本没有氯化钠水溶液,温度增加了17.04%,28.46%,38.4%,和55.2%,分别。

温度是最重要的因素,直接决定了煤岩内部压力。温度的快速增长带来了以下好处:(1)极高温度有利于大的温度梯度,尤其是在混合物与复杂的内部组件如煤岩石样本。煤岩的组件包括煤炭矩阵,不同的矿物质,水,和各种挥发性化合物等。不同材料的介电性能也不同,这容易导致热应力分布和不均匀的煤岩样品在微波领域。极端温度越高,均匀性越强,越容易产生撕裂的影响煤体内主要的裂缝,以及破解毛孔的效果。(2)温度升高表明加热的速率加速煤的身体。温度的迅速增加支持的快速形成水蒸气。这意味着在同一时间,煤炭样本含有氯化钠解决方案积累更多的水蒸气相比那些不存在水溶液。根据理想气体状态方程,当其他条件相同,气体量越高,压力越高,生成的毛孔内部。这个过程有利于孔隙和裂缝的扩张。 Under pressure, pores more likely transform into larger pores, and some of them maybe also broken and connected with small cracks. Independent cracks may connect with each other or with the external environment. This process greatly improves the permeability of coal rocks.

总体温度可以通过煤的岩石物理分析。然而,煤岩内部的特定温度无法衡量。因此,在目前的调查,数值模拟被用来研究微波辐射后煤的内部变化,探讨离子浓度对内部温度分布的影响。

4.2.2。离子浓度的影响在煤岩内部的温度分布

的COMSOL多重物理量数值分析软件采用微波加热模拟。根据实际情况建立了一个三维模型。煤岩是直径25毫米和25毫米的高度。为了模拟煤的孔隙,因为15煤的平均孔隙度实验样本用于为30%,100年煤炭模型球体被随机安排材料,和球体的体积占30%的体积模型。计算后,每个球体的直径是2.064毫米。7、14、20微球被随机选中作为模拟煤岩含水孔隙水含量为2%,4%,和6%,分别。模型如图9。下面的理想条件是建立在整个模拟过程中:(1)煤岩的组成整个微波辐照过程中并没有改变。(2)每个物质的热力学和电气参数保持不变。(3)内壁的微波炉和波导被认为是完美的磁导体。(4)水溶液的比例的影响和离子浓度对煤炭温度被认为是;另一方面,我们不考虑辐射和对流热转移的影响对煤炭的温度。

煤岩样品的最大体温在微波加热提取模拟,结果如图所示10。观察到,最高体温微波辐照后煤的岩石样本也随氯化钠溶液的离子浓度的增加,表面和内部温度大于温度。然而,与上述不同,煤岩样品的最大表面温度测量的物理实验基本线性增长氯化钠溶液的离子浓度的增加,而增加的速度的最大煤炭样本模拟体温与离子浓度的增加变得越来越慢的氯化钠溶液。这是密切相关的穿透深度的微波煤岩石样本。

微波进入介质时,介质吸收微波能量并将其转换成热能。微波场强降低不断随着深度的增加事件的媒介。深度反映了微波在介质的渗透能力。当微波进入煤炭样本,煤岩样品的表面能量密度成为最大的,及其能量下降指数与微波的渗透到煤岩样品。为了描述材料的衰减能力的微波功率、微波穿透深度( )雇佣,当微波功率定义为距离从表面价值减少介质的表面价值(大约36.79%)(35]: 在哪里是光速,在m / s;微波频率;代表了介电常数的实部;和介电常数的虚部。在这项研究中,煤岩具有相同含水率,煤的介电常数的实部样品基本上是不变的。根据方程(5),添加氯化钠溶液只大大提高了介电常数的虚部。根据方程(8),增加介电常数的虚部,整个微波穿透深度的煤样品将会越来越小。因此,在微波辐射下,衰减介质表面上的煤炭损失是最小的样品,以及微波的能量密度最大。煤岩样品表面的基本温度曲线提出了一种线性增长的趋势。与生理盐水溶液的离子浓度的增加,煤样的整体微波穿透深度减少,导致利率上升的逐渐下降的最大体温煤岩石样本。

为了澄清的吸收微波能量在不同位置的煤岩样品的介电损耗功率密度(W / m³)微波加热提取不同空间位置的模拟。这个参数是用来表达在单位时间内单位体积吸收微波能在任何空间位置(位置 )在介电材料。

如图11,可以看出,在纵向方向上的水分含量在同一氯化钠浓度不断增加;在横向方向上,氯化钠浓度增加在同一水平的含水量。水平或垂直,煤炭样品的温度变得越来越高,和高温的面积变得越来越大(见光的白色模拟煤柱的一部分)。煤炭样品的介电损耗的平均功率密度在不同条件下安排如图11。观察,煤炭样品的介电损耗的平均功率密度随氯化钠浓度的增加,这是与煤炭样本内的最高温度一致。

介电损耗功率密度可以表示为(36] 在哪里对应的平均能量流密度微波发生器,由微波功率决定。根据方程,平均功率密度煤岩样品的介电损耗主要是由相同的辐照条件下的相对介电常数的虚部的媒介。在这项研究中,常数条件下含水量和氯化钠浓度的增加,介电常数的实部基本上是不变的,而虚部大大增加,从而导致整体的增加煤炭样品的介电损耗功率密度;即煤样品吸收微波能在单位时间越来越多,这有效地提高了整个煤炭样品的温度。

所显示的穿透深度和平均功率密度介电损耗,首先,氯化钠的添加解决方案可以提高煤岩样品的介电响应在微波领域,因此煤岩能吸收较多的能量,从而产生更高的温度在单位时间,这有助于产生更大的蒸汽压力,促进原始孔隙和裂缝的扩张,并可能产生新的裂缝。与此同时,随着氯化钠浓度的增加,穿透深度减少,这可能会导致热应力分布在煤岩内外变得更加不均匀,煤岩内部的原始机械平衡领域可能被打破,产生新的裂缝,和原来的毛孔/裂缝还将开发和连接在内部蒸汽压力的影响,这可能提高孔隙和裂缝的条件,提高煤的总体渗透性岩石样本。

5。结论

(1)随着离子解决方案的质量比例的增加,煤岩样品的整体介电性能增加。此外,平均下降率的微波辐照后水分含量也增加。这些结果表明,更多的水参与了蒸汽爆炸(2)NaCl水溶液浓度的增加减少了微波在煤岩样品的渗透能力,因此更多的能量将集中在样品的表面,这是热成像温度测试证明。试验结果表明,煤样的表面平均温度四种不同浓度的氯化钠增长了17.04%,28.46%,38.4%,和55.2%相比与样品没有氯化钠。同时,氯化钠水溶液提高煤的微波吸收能力总体样本,好证明的最高温度和介电损耗热功率密度数值分析的样本。观察到,煤炭样品的介电损耗的平均功率密度随氯化钠浓度的增加;这种变化趋势与煤炭样本内的最高温度一致(3)物理和数值实验表明,氯化钠的解决方案可以有效地提高煤岩样品的温度与微波辐射。更高的温度将使它更可能增加毛孔的蒸汽压力,这可能是更有利于的连接和扩张毛孔。应该指出,蒸汽压力的增加微裂缝的过程并不是唯一的原因,但这是一个有利的因素(4)随着离子溶液的浓度增加,整体渗透率的平均增长率为196.37%,216.39%,343.51%,465.80%,466.18%。在相同含水量,增加氯化钠浓度提高渗透率的1.91倍

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以在请求从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

我们的研究是由中国国家自然科学基金资助:51764050,42002188,42062012,和U1903112。