The change of structural and thermal properties of rocks exposed to high temperatures in the vicinity of designed geo-reactor
PBN-AR
Instytucja
Wydział Górnictwa i Geoinżynierii (Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie)
Informacje podstawowe
Główny język publikacji
EN
Czasopismo
Archives of Mining Sciences
ISSN
0860-7001
EISSN
1689-0469
Wydawca
Wydawnictwo Instytutu Mechaniki Górotworu PAN
DOI
Rok publikacji
2013
Numer zeszytu
2
Strony od-do
465--480
Numer tomu
58
Link do pełnego tekstu
Identyfikator DOI
Liczba arkuszy
1.14
Słowa kluczowe
EN
rock's kilning
structural rocks parameters
high temperature
thermal rocks parameters
PL
parametry strukturalne skał
wysoka temperatura
termiczne właściwosci skał
wygrzewanie skał
Streszczenia
Język
EN
Treść
Among the main directions of works on energy acquisition, there is the development and application of the technology of underground gasification of coal deposits (UCG). During the process of deposit burning and oxidation, there is also impact of temperatures exceeding 1000°C on rocks surrounding the deposit. As a result of subjecting carboniferous rocks to high temperatures for a prolonged period of time, their structure will change, which in turn will result in the change of their physical properties. Due to the project of underground coal gasification, as performed in Poland, laboratory tests are currently under way to a broad extent, including physical properties of carboniferous rocks subjected to high temperatures. The article presents results of laboratory tests of rocks surrounding the designed geo-reactor: changes to bulk density, specific density and porosity due to high temperature, and confronts the above results with the results of tests of thermal conductivity, specific heat and heat diffusivity (temperature conductivity) of the rocks. The mineralogical investigations were presented too.
Język
PL
Treść
Jednym z głównych kierunków prac nad pozyskiwaniem energii jest opracowanie i zastosowanie technologii podziemnej gazyfikacji pokładów węgla. W czasie procesu spalania i utleniania pokładu dochodzi również do oddziaływania temperatur przekraczających 1000°C na skały otaczające pokład. W wyniku poddania skał karbońskich wysokim temperaturom przez dłuższy okres czasu będzie dochodzić do zmian ich struktury, co z kolei spowoduje zmiany ich właściwości fizycznych. Ze względu na realizowany w Polsce projekt podziemnego zgazowania węgla prowadzone są obecnie badania laboratoryjne w szerokim zakresie, m.in. właściwości fizycznych skał karbońskich poddanych wysokim temperaturom. W artykule przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych skał otaczających projektowany georeaktor: zmian gęstości objętościowej, gęstości właściwej i porowatości na skutek wysokiej temperatury oraz skonfrontowano powyższe wyniki z wynikami badań przewodności cieplnej, pojemności cieplnej i dyfuzyjności cieplnej (przewodzenia temperatury) skał. Na podstawie opisu mineralogicznego skał przed wygrzaniem stwierdzono, że są to okruchowe skały osadowe z frakcją psamityczną. Szkielet ziarnowy jest zbudowany niemal wyłącznie z ziaren kwarcu, a podrzędnie w skałach występują muskowit, biotyt, skalenie i minerały ciężkie. Zawartość procentowa minerałów i spoiwa zmienia się w szerokim zakresie: ziaren mineralnych od 10,3% do 90,0%, a spoiwa od 10,0% do 89,7%. Po przepaleniu skał do temperatury 1000÷1200°C zmniejsza się w nich zawartość matrix, a wzrasta zawartość kwarcu. Pojawiają się także nowe minerały, takie jak hematyt i minerały rudne. Po ogrzaniu nie stwierdzono cementu węglanowego, opali, tlenowodorków żelaza, kalcytu, hornblendy i porów. Proporcja pomiędzy ziarnami a spoiwem ulega zupełnej zmianie i ziarna stanowią 31-99% objętości, a spoiwo - 1-69%. Wpływ wysokiej temperatury na zmianę struktury i tekstury skał określano obserwując zachowanie się skał w trakcie ich wygrzewania. W pierwszej kolejności zaobserwowano zdecydowanie różny charakter reagowania poszczególnych typów skał na wysoką temperaturę, a w swoich fazach podobny do obserwacji poczynionych przez Mao (Mao et al. 2008). Łupki ilaste wypalały się całkowicie, zmieniały swój kolor na brązowy, a także rozwarstwiały i pękały na drobne kawałki. Łupki piaszczyste generalnie nie zmieniały swojej postaci, lecz często pękały wzdłuż powierzchni uwarstwienia. Laminy materiałów ilastych ulegały przepaleniu i kolor zmieniał się na brązowy lub brunatno-czerwony. Piaskowce całkowicie zachowywały swój kształt, natomiast niektóre minerały zmieniały swój kolor na czerwony lub brązowy. Wykonane badania pokazują, że wszystkie badane skały po wyprażeniu zwiększają swoją gęstość objętościową i zmniejszają swoją gęstość właściwą. Największe zmiany wykazują skały iłowcowe, które mogą zwiększyć swoją gęstość objętościową ρο o ponad 20%, podczas gdy największy ubytek gęstości właściwej wykazują łupki ilaste i piaszczyste, których zmiana ρs wahała się od 0,88% do 5,93%, natomiast piaskowce zmniejszają swoją gęstość średnio o ok. 1,5%. Choć wydaje się logiczne, że wraz z wypalaniem się skał powinna wzrastać ich porowatość i jednocześnie zmieniać się gęstość objętościowa, badania nie wykazują ścisłej zależności pomiędzy oboma parametrami. Analiza granicznych wartości współczynnika przewodzenia ciepła skał karbońskich w temperaturach 20°C i 1000°C pokazuje, że wartości współczynnika λ po wygrzaniu skały ma tendencję odwrotnie proporcjonalną do wartości pierwotnej. Dla współczynnika przewodności cieplnej równego ok. 1 W/m•K w temperaturze pokojowej, po wygrzaniu skał do 1000°C jego wartości gwałtownie rosną do nawet 14 W/m•K. Wraz z większą początkową zdolnością do przewodzenia ciepła, wyprażenie skał w wysokiej temperaturze zaczyna przynosić skutek odwrotny w stosunku do jego przewodności cieplnej. Tendencja spadku przewodnictwa cieplnego dla skał osadowych jest zgodna z obserwacjami niemieckimi łupków i piaskowców, gdzie stwierdzono, że współczynnik λ dla temperatury pokojowej wynosi ok. 3,0-3,3 W/m•K, natomiast po ogrzaniu do temperatury 800°C jego wartość spada do ok. 1,4 W/m•K (Clauser & Huenges, 1995). Zauważalny jest także wyraźny logarytmiczny charakter zmian zdolności skał do przewodzenia ciepła przed i po wygrzewaniu ich w wysokich temperaturach. Współczynnik determinacji jest dla przebadanych próbek równy 0,70, co wobec niestabilności procesów termicznych w skałach i ich ścisłej zależności od składu mineralogicznego należy uznać za wyjątkowo wysoki. Wykonana analiza pokazuje, że nie można wykazać żadnej korelacji pomiędzy właściwościami termicznymi skał a ich gęstością objętościową. Przy tej samej gęstości ρo współczynnik przewodzenia ciepła dla skał po wyprażeniu może przyjmować wartości w szerokim zakresie od 1 W/m•K do 15 W/m•K, jak również wiele zbliżonych wartości współczynnika λ dla tej samej gęstości objętościowej przed wyprażeniem. Podobnie rzecz się ma z pojemnością cieplną skał oraz z jej dyfuzyjnością ciepła, która także dla tej samej gęstości objętościowej może przyjmować kilkukrotnie różne wartości. Przeprowadzone badania właściwości strukturalnych oraz cieplnych skał karbońskich z rejonu Górnego Śląska, gdzie projektowana jest podziemna gazyfikacja węgla, pokazuje, że wraz z temperaturą zmieniają się one w bardzo szerokim zakresie. Badane skały łupka ilastego, łupka piaszczystego i piaskowca po wyprażeniu zwiększają swoją gęstość objętościową i zmniejszają swoją gęstość właściwą. Największe zmiany wykazują skały iłowcowe, które mogą zwiększyć swoją gęstość objętościową nawet o ponad 20%. Średnie zmiany gęstości dla łupków ilastych wynoszą 9,76%, łupków piaszczystych - 8,19%, a piaskowców - 5,73%. W przypadku gęstości właściwej ρs następuje jej zmniejszenie pod wpływem wysokiej temperatury, w przypadku łupków ilastych i piaszczystych nawet do 6%. Wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ skał karbońskich w temperaturach 20°C i 1000°C pokazują wzajemną autokorelację w funkcji logarytmicznej. Oznacza to, że dla wysokich wartości współczynnika λ skał przed wygrzaniem, jego wartość spada po wygrzaniu i na odwrót. Wykonana analiza pokazuje, że nie można wykazać zależności pomiędzy właściwościami termicznymi skał a ich gęstością objętościową, natomiast w pewnym stopniu można skorelować badane parametry termiczne z gęstością właściwą skał. Poddanie skał bardzo wysokim temperaturom mocno zaburza wzajemne relacje pomiędzy ich właściwościami strukturalnymi i termicznymi. Właściwości termiczne skał są zależne od zakresu temperatur, w jakich są wyznaczane i ulegają zmianie wraz ze zmianą ich składu mineralnego. Zmiana struktury skały nie przekłada się jednak wprost na jej zdolności do przewodzenia i akumulacji ciepła.
Cechy publikacji
original article
peer-reviewed
Inne
System-identifier
idp:074929
CrossrefMetadata from Crossref logo
Cytowania
Liczba prac cytujących tę pracę
Brak danych
Referencje
Liczba prac cytowanych przez tę pracę
Brak danych