Monitoraggio dell'area di gassificazione e del suo comportamento nella gassificazione sotterranea del carbone mediante tecnica di emissione acustica anziché misurazione della temperatura

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9757 (2023) Citare questo articolo

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La gassificazione sotterranea del carbone (UCG) richiede il monitoraggio dell'area di gassificazione perché il processo di gassificazione è invisibile e la temperatura di reazione supera i 1000 °C. Molti eventi di frattura che si sono verificati a causa del riscaldamento del carbone possono essere catturati con la tecnica di monitoraggio delle emissioni acustiche (AE) durante l'UCG. Tuttavia, le condizioni di temperatura per generare eventi di frattura durante l’UCG non sono state ancora chiarite. Pertanto, l'esperimento di riscaldamento del carbone e l'esperimento UCG su piccola scala sono condotti misurando la temperatura e le attività AE in questa ricerca per esaminare l'applicabilità della tecnica AE invece della misurazione della temperatura come metodo di monitoraggio durante l'UCG. Di conseguenza, molti eventi di fratturazione si generano quando la temperatura del carbone cambia drasticamente, soprattutto durante la gassificazione del carbone. Inoltre, gli eventi AE aumentano nel sensore vicino alla fonte di calore e le fonti AE vengono ampliate ampiamente con l'espansione della regione ad alta temperatura. Il monitoraggio dell'AE è una tecnica efficace per la stima dell'area di gassificazione durante l'UCG invece del monitoraggio della temperatura.

La domanda di energia aumenta di giorno in giorno con la crescita economica e demografica in tutto il mondo. Il carbone è ancora un’importante risorsa energetica come energia primaria a causa delle grandi riserve e della minore ubiquità regionale. Tuttavia, nei sistemi minerari convenzionali, molte risorse di carbone vengono lasciate senza scavo per ragioni tecnologiche ed economiche. La gassificazione sotterranea del carbone (UCG) è una tecnica per recuperare l'energia del carbone dal sottosuolo mediante gassificazione in situ. L’UCG contribuisce a migliorare il rapporto di recupero energetico dal carbone perché consente il recupero di energia dal carbone non sfruttato. Inoltre, gli agenti di iniezione e la temperatura del giacimento di carbone influiscono sulla composizione del gas prodotto, ad esempio l'iniezione di vapore migliora la produzione di idrogeno1,2,3. Pertanto, l’UCG rappresenta un’opzione promettente per migliorare il recupero dell’energia del carbone come tecnologia del carbone pulito. Nell'UCG, il gas prodotto può essere potenziato espandendo l'area di gassificazione con temperature elevate. D'altro canto, l'eccessiva espansione dell'area di gassificazione provoca diversi problemi ambientali quali fughe di gas, deformazione del terreno circostante e inquinamento delle acque sotterranee4,5,6. Pertanto, UCG richiede un sistema di monitoraggio per controllare l'area di gassificazione.

L'area di gassificazione dell'UCG può essere assunta con la temperatura del carbone7,8. Tuttavia, è praticamente difficile misurare le temperature dei giacimenti di carbone nell’attuale sito dell’UCG. Invece della misurazione della temperatura, sono state introdotte alcune tecniche per monitorare l'area di gassificazione dell'UCG. È stata discussa l'applicazione di tecniche di monitoraggio geofisico come la tomografia a resistenza elettrica9, il metodo della resistività elettrica10, l'indagine sulla microgravità11 e il georadar12,13. È stata inoltre descritta la stima della crescita della cavità e della velocità della fiamma di gassificazione mediante un modello matematico14,15,16,17. Questa ricerca si concentra sull'applicazione dell'emissione acustica (AE) per monitorare l'area di gassificazione. Il monitoraggio AE può essere una tecnica alternativa alla misurazione della temperatura poiché la microsismica si verificherà a causa dell'espansione o della contrazione del carbone sotto riscaldamento. L'AE si genera simultaneamente quando il materiale genera fratture, il che significa che è possibile ottenere un monitoraggio in tempo reale tramite il monitoraggio dell'AE. Inoltre, è possibile identificare la posizione dell'attività di fratturazione calcolando la differenza nel tempo di arrivo sismico e la coordinazione dei sensori con l'analisi della posizione della sorgente. Molti studiosi hanno segnalato la generazione di fratture con il riscaldamento del carbone a causa dei diversi coefficienti di dilatazione termica dei minerali18,19, del cambiamento della struttura dei pori20,21,22 e della contrazione termica23,24,25. Ding et al.26 hanno misurato il conteggio degli AE e l'evoluzione delle cricche con il riscaldamento del carbone. Il segnale AE è attivo soprattutto quando la larghezza della fessura si espande al di sotto di 300–500 °C. È stato anche riportato che i segnali AE aumentano con il riscaldamento in condizioni di carico rispetto a senza riscaldamento27.