Monitorización del área de gasificación y su comportamiento en la gasificación subterránea de carbón mediante técnica de emisión acústica en lugar de medición de temperatura.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 9757 (2023) Citar este artículo

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La gasificación subterránea de carbón (UCG) requiere monitoreo del área de gasificación porque el proceso de gasificación es invisible y la temperatura de reacción supera los 1000 °C. Muchos eventos de fractura que ocurrieron debido al calentamiento del carbón se pueden capturar con la técnica de monitoreo de emisiones acústicas (AE) durante la UCG. Sin embargo, aún no se han aclarado las condiciones de temperatura para generar eventos de fractura durante la UCG. Por lo tanto, el experimento de calentamiento de carbón y el experimento de UCG a pequeña escala se llevan a cabo midiendo la temperatura y las actividades de AE en esta investigación para examinar la aplicabilidad de la técnica de AE en lugar de la medición de la temperatura como método de monitoreo durante la UCG. Como resultado, muchos eventos de fractura se generan cuando la temperatura del carbón cambia drásticamente, especialmente durante la gasificación del carbón. Además, los eventos de AE aumentan en el sensor cerca de la fuente de calor y las fuentes de AE se expanden ampliamente con la expansión de la región de alta temperatura. El monitoreo AE es una técnica efectiva para la estimación del área de gasificación durante la UCG en lugar del monitoreo de la temperatura.

La demanda de energía aumenta día a día con el crecimiento económico y poblacional en todo el mundo. El carbón sigue siendo un recurso energético importante como energía primaria debido a las grandes reservas y la menor ubicuidad regional. Sin embargo, muchos recursos de carbón están quedando sin excavar por razones tecnológicas y económicas en los sistemas mineros convencionales. La gasificación subterránea de carbón (UCG) es una técnica para recuperar energía del carbón del subsuelo mediante gasificación in situ. UCG contribuye a mejorar el ratio de recuperación energética del carbón porque permite recuperar energía del carbón no explotado. Además, los agentes de inyección y la temperatura de la veta de carbón afectan la composición del gas producto; por ejemplo, la inyección de vapor mejora la producción de hidrógeno1,2,3. Por tanto, la UCG es una opción prometedora para mejorar la recuperación de la energía del carbón como tecnología limpia del carbón. En UCG, el gas producto se puede mejorar ampliando el área de gasificación con altas temperaturas. Por otro lado, la expansión excesiva del área de gasificación provoca varios problemas ambientales como fugas de gas, deformación del terreno circundante y contaminación de las aguas subterráneas4,5,6. Por ello, UCG requiere de un sistema de monitorización para controlar el área de gasificación.

El área de gasificación de UCG se puede asumir con la temperatura del carbón7,8. Sin embargo, es prácticamente difícil medir las temperaturas de las vetas de carbón en el sitio real de UCG. En lugar de medir la temperatura, se han introducido algunas técnicas para controlar el área de gasificación de la UCG. Se ha discutido la aplicación de técnicas de monitoreo geofísico, como la tomografía de resistencia eléctrica9, el método de resistividad eléctrica10, el estudio de microgravedad11 y el radar de penetración terrestre12,13. También se ha descrito la estimación del crecimiento de la cavidad y la velocidad de la llama de gasificación mediante un modelo matemático14,15,16,17. Esta investigación se centra en la aplicación de la emisión acústica (EA) para monitorear el área de gasificación. El monitoreo AE puede ser una técnica alternativa a la medición de temperatura porque la microsísmica se producirá debido a la expansión o contracción del carbón bajo calentamiento. AE se genera simultáneamente cuando el material genera fracturas, lo que significa que se puede lograr un monitoreo en tiempo real mediante el monitoreo AE. Además, es posible identificar la ubicación de la actividad de fracturación calculando la diferencia en el tiempo de llegada sísmica y la coordinación del sensor con el análisis de la ubicación de la fuente. Muchos estudiosos han informado sobre la generación de fractura con el calentamiento del carbón debido a los diferentes coeficientes de expansión térmica de los minerales18,19, cambiando la estructura de los poros20,21,22 y la contracción térmica23,24,25. Ding et al.26 midieron el recuento de AE y la evolución de las grietas con calentamiento de carbón. La señal AE está activa especialmente cuando el ancho de la grieta se expande por debajo de 300–500 °C. También se ha informado que las señales AE aumentan con el calentamiento en condiciones de carga en comparación con sin calentamiento27.

Nuestros trabajos anteriores también han indicado la posibilidad de utilizar la técnica AE como método de seguimiento del área de gasificación durante el proceso UCG28,29,30,31. Sin embargo, aún no se conocen las condiciones de temperatura en las que se producen estas actividades de AE durante el proceso de UCG. Este estudio analiza la aplicabilidad de la técnica AE en lugar de la medición de la temperatura como monitoreo del área de gasificación mediante un experimento de calentamiento de carbón y un experimento UCG a pequeña escala.

El experimento de calentamiento de carbón se llevó a cabo utilizando un bloque de carbón de 200 mm x 200 mm x 100 mm. La Tabla 1 muestra los valores de análisis industrial y elemental del carbón. El carbón se clasifica como carbón bituminoso. Las Figuras 1a,b muestran la configuración experimental del experimento de calentamiento de carbón. Para calentar el carbón se adoptó un calentador de cartucho cuyo diámetro y longitud eran respectivamente de 15 mm y 50 mm. La temperatura del calentador se controló con un panel de control de temperatura (YDC-15N; Yagami Corp.). El carbón se calentó aumentando la temperatura de un calentador de cartucho cada 50 °C hasta 500 °C a intervalos de 15 minutos como se muestra en la Fig. 2. Se instalaron termopares tipo K (Chino Corp.) a intervalos de 15 mm hasta una distancia de 60 mm desde el calentador de cartucho. Los 5 transductores de aceleración (620HT; Teac Corp.) se instalaron en los extremos del bloque de carbón para detectar eventos de AE. Los transductores de aceleración son acelerómetros de tipo carga con un rango de frecuencia de 1 a 10 000 Hz. El sensor tiene un diámetro de 13,8 mm y una altura de 29 mm. El número de eventos AE se contó en 2 transductores de aceleración ubicados a diferentes distancias de un calentador de cartucho (90 mm y 110 mm de distancia) definiendo un umbral y un tiempo muerto como se muestra en la Fig. 3. El umbral es 0,5 m/s2 y el tiempo muerto se establece en 10 ms porque el tiempo muerto suele ser de varios ms en materiales frágiles: roca, hormigón y carbón. El umbral es que los datos de la señal AE también se registraron utilizando un grabador múltiple (GR-7000; Keyence Corp.) con un tiempo de muestreo de 1 µs. Las señales fueron filtradas con un filtro de paso alto de 5 Hz y un filtro de paso bajo de 10.000 Hz por los amplificadores (SA-611; Teac Corp.). Los datos de la señal de AE se utilizaron para el análisis de la ubicación de la fuente de AE para discutir la relación entre la fuente de AE y la distribución de temperatura.

Configuración experimental del experimento de calentamiento de carbón: (a) Diseño experimental; (b) sistema experimental.

Configuración de temperatura de un calentador de cartucho.

Definición de evento AE con el tiempo muerto.

El diagrama esquemático del experimento UCG a pequeña escala se muestra en la Fig. 4. En este experimento, se prepararon bloques de carbón cuyo tamaño fue de 200 mm × 200 mm × 250 mm. El carbón es el mismo que en el experimento de calentamiento con carbón. Se colocó un bloque de carbón en un recipiente metálico cuyo tamaño es de 286 mm de diámetro y 361 mm de altura. Se inyectó hormigón resistente al calor alrededor del bloque de carbón para reducir las fugas de gas. En el centro del bloque de carbón se perforó un orificio horizontal con un diámetro de 20 mm como orificio de ignición, inyección y producción. Durante el experimento UCG, la distribución de temperatura del carbón interior y los eventos fracturados se monitorearon con 9 termopares y 6 transductores de aceleración, respectivamente. Los transductores de aceleración se fijaron al bloque de carbón mediante guías de ondas de acero inoxidable de 6 mm de diámetro y 100 mm de longitud; Se perforaron orificios para las guías de ondas con un diámetro de 6,5 mm desde la superficie de un recipiente metálico hasta el bloque de carbón. Las guías de ondas se fijaron con una mezcla de yeso y cemento. Las figuras 5 y 6 muestran la disposición de cada sensor. El quemador de gas se adoptó en la etapa de encendido. Una vez exitosa la ignición del carbón, se inyectó una mezcla oxidante de aire y oxígeno para mantener la gasificación de la muestra de carbón. El caudal de inyección del inyectante fue de 10 l/min a temperatura constante y la concentración de oxígeno fue del 30 %, 50 % y 70 %. Se planificó que la duración de la gasificación fuera de 6,7 h para una concentración de oxígeno del 30 %, 4,0 h para una concentración de oxígeno del 50 % y de 2,9 h para una concentración de oxígeno del 70 % para fijar el volumen total de inyección de oxígeno en 1200 L. Sin embargo, eran 3,3 h cuando la concentración de oxígeno era del 30% porque no continuó la gasificación. El gas producto se analizó cada 15 minutos con el cromatógrafo de gases (Micro GC 3000A; Inficon Co. Ltd.).

Experimento UCG a pequeña escala.

Distribución de termopares.

Distribución de transductores de aceleración: (a) Vista lateral; (b) vista superior.

Los resultados de los eventos de temperatura y AE se muestran respectivamente en la Fig. 7. En las figuras, se puede ver que cuanto más cerca de la fuente de calor, mayor es la temperatura del termopar: los termopares de 15 mm, 30 mm, 45 mm y 60 mm muestran respectivamente 197 °C, 68 °C, 38 °C y 24 °C después de transcurridos los 150 min. Los resultados de los eventos AE muestran que muchos eventos de fractura se generan cuando la temperatura de la fuente de calor cambia dramáticamente. Esto indica que la ocurrencia de actividades de AE está relacionada con el cambio de temperatura del carbón, lo que indica que es posible comprender el cambio de temperatura del carbón mediante el monitoreo de AE. La EA ocurre alrededor de 50 a 150 °C y de 400 a 500 °C. Estos EA se generan debido a la expansión del volumen de la fase gaseosa en la matriz del carbón, lo que significa que las actividades de fracturación deben ocurrir cuando las microestructuras del carbón se rompen debido al aumento de la presión del gas. Se detectan más eventos de EA alrededor de 400 a 500 °C. La gasificación del carbón generalmente se promueve alrededor de los 400 °C, lo que significa que debido a la gasificación pueden ocurrir actividades de fractura alrededor de los 400 °C. Además, Naka et al.23 describieron el comportamiento de deformación del carbón cuando cambia de expansión a contracción por encima de 500 °C, lo que indica que el comportamiento de contracción del carbón puede afectar la actividad de fracturación. Además, se pueden detectar más eventos AE cuanto más cerca esté la distancia de la fuente de calor: el total de eventos AE es respectivamente 2382 y 1515 en el sensor cerca de la fuente de calor (a 90 mm de la fuente de calor) y lejos de la fuente de calor ( 110 mm de distancia de la fuente de calor). Durante el calentamiento del carbón, se producen actividades de fracturación en varios lugares que exhiben altas temperaturas, lo que significa que los eventos de AE detectados por los dos sensores no son la misma fuente. Sin embargo, los sensores más cercanos a la fuente de calor pueden detectar eventos de AE sin verse afectados por la atenuación porque están más cerca del área de alta temperatura donde se generan eventos de fractura. Esto significa que los eventos AE se pueden utilizar para identificar la ubicación del cambio de temperatura en el carbón a partir de la posición de los sensores. Sin embargo, la distribución de la ubicación para generar las actividades de fracturación no puede deducirse de los eventos AE. Por lo tanto, en el siguiente paso se adopta el análisis de la ubicación de la fuente AE mediante múltiples sensores.

Eventos de temperatura y AE.

En este estudio, la ubicación de origen de las actividades de EA se calcula mediante el método de diferencia de tiempo de viaje de mínimos cuadrados32. Las Figuras 8a, b muestran los resultados del análisis de ubicación de la fuente AE y la proporción de ubicaciones de la fuente dependiendo de la distancia desde la fuente de calor cuando la temperatura del tiempo transcurrido es de 0 a 45 min y de 90 a 150 min. El cuadro de color gris oscuro muestra el bloque de carbón y el cilindro en el centro es un calentador de cartucho que es una fuente de calor en el experimento. Las esferas rojas representan los resultados de la ubicación de la fuente AE. Las fuentes de AE se dispersan desde una fuente de calor aunque la temperatura cambia dramáticamente cerca del calentador de cartucho. Este resultado sugiere que la estimación precisa de las actividades de EA mediante el calentamiento del carbón es aparentemente difícil debido a la heterogeneidad del carbón, los cambios de propiedades del carbón con los cambios de temperatura y otros factores desconocidos. Sin embargo, se puede hacer una estimación aproximada de las actividades de EA. El gráfico de barras muestra que el 57% de las fuentes de AE están ubicadas dentro de una distancia de 30 mm y el 43% de las fuentes de AE están ubicadas dentro de una distancia de 30 a 60 mm de la fuente de calor en 0 a 45 minutos. Por otro lado, el 36% de las fuentes de AE se ubican dentro de una distancia de 30 mm y el 64% de las fuentes de AE se ubican dentro de una distancia de 30 a 60 mm de la fuente de calor en 90 a 150 minutos. Esto significa que los eventos de fractura se concentran cerca de la fuente de calor en la etapa inicial, mientras que están lejos en la etapa posterior del experimento. Este resultado es consistente con el perfil de temperatura para expandir el área de alta temperatura durante el experimento de calentamiento con carbón, lo que indica que el análisis de la ubicación de la fuente AE permite monitorear la expansión de la región de alta temperatura.

Ubicación de la fuente de AE: (a) 0 a 45 min; (b) 90-150 min.

Las Figuras 9a-c muestran los perfiles de temperatura cuando el volumen de inyección de oxígeno es de 400 L, 800 L y 1200 L, lo que significa que el tiempo transcurrido es de 2,2 h (400 L) y 3,3 h (600 L) para el 30% de la concentración de oxígeno. 1,3 h (400 L), 2,7 h (800 L) y 4,0 h (1200 L) para una concentración de oxígeno del 50 % y 1,0 h (400 L), 1,9 h (800 L) y 2,9 h (1200 L) para el 70% de la concentración de oxígeno. Las figuras se preparan en base a los datos de medición de termopares como se muestra en la Fig. 5 y el rango del contorno se divide en intervalos de 50 °C de 0 a 500 °C. Muestran que la región de alta temperatura se forma en el lado de inyección cuando la concentración de oxígeno es alta. Aunque se desconoce la causa de estos fenómenos, esto puede deberse a que la velocidad de reacción de la reacción de oxidación se ve afectada por la diferencia en la concentración de oxígeno. En otras palabras, la velocidad de reacción de la reacción de oxidación aumentó al aumentar la concentración de oxígeno, lo que dio como resultado que el oxígeno se consumiera más rápido en el lado de inyección bajo la condición de una concentración de oxígeno del 70 % y se forma una región de alta temperatura en el lado de inyección.

Perfil de temperatura: (a) concentración de oxígeno del 30%; (b) concentración de oxígeno del 50%; (c) 70% de concentración de oxígeno.

Las Figuras 10a-c muestran los resultados del número de eventos AE para diferentes concentraciones de oxígeno. Los eventos AE en AE1 y AE3 que se muestran en la Fig. 6 se utilizan como datos del lado de inyección/producción. Los eventos de AE muestran su mayor intensidad en la etapa inicial de la gasificación, independientemente de la concentración de oxígeno. Esto significa que los eventos fracturados se activan en el proceso de ignición debido a los cambios drásticos de temperatura y la generación de gas. Las investigaciones anteriores también han confirmado la misma tendencia33. Los eventos AE en la etapa inicial son mayores en el lado de la producción para el 30% de la concentración de oxígeno, mientras que son mayores en el lado de la inyección para el 70% de la concentración de oxígeno. Estos resultados están en armonía con los resultados de la distribución de temperatura, lo que indica que muchos eventos de AE ocurren en los lugares donde se forman regiones de alta temperatura. Las diferencias claras de los eventos AE en el lado de inyección/producción no se encuentran en la etapa posterior de la gasificación. Esto puede deberse a la pequeña escala del experimento, lo que significa que la distancia entre los transductores de aceleración es demasiado cercana para detectar la diferencia de eventos de fractura en la amplia área de gasificación. La atenuación de las ondas se produce en proporción a la distancia de propagación. Los eventos de AE no se pueden detectar debido a la atenuación de las ondas si la distancia desde la fuente de fractura a los sensores es grande. En la etapa inicial de la gasificación, se producen diferencias en el número detectado de eventos AE dependiendo de la ubicación del sensor porque la alta temperatura es pequeña. Por otro lado, el número de eventos no muestra la diferencia en los sensores porque la atenuación de las olas no ocurre debido a la corta distancia entre los sensores y la fuente de actividades de fractura con la expansión del área de alta temperatura. Los eventos de EA aumentan durante 800 a 1200 L de inyección de oxígeno en el 50% de la concentración de oxígeno, mientras que disminuyen con el tiempo transcurrido en el 30% y el 70% de la concentración de oxígeno. Esto puede explicarse por la producción de gas mediante la reacción de gasificación. Las Figuras 11a a c muestran la composición del gas producto, incluido el poder calorífico durante la gasificación. El poder calorífico tiene una tendencia a la baja con el tiempo transcurrido en cualquier concentración de oxígeno. Esto se debe a que la escoria fundida que se genera a partir del contenido de cenizas del carbón no puede expandir el área de gasificación debido a la limitación del contacto gas-sólido. El poder calorífico disminuye dramáticamente después de 360 L de inyección de oxígeno en un 30% de concentración de oxígeno y 840 L de inyección de oxígeno en un 70% de concentración de oxígeno. Estos resultados son consistentes con los eventos de AE, lo que significa que los eventos de AE disminuyen dramáticamente después de 400 litros de inyección de oxígeno en un 30% de concentración de oxígeno y 800 litros de inyección de oxígeno en un 70% de concentración de oxígeno. Por otro lado, aumenta de 4,87 a 5,73 MJ/m3 durante 800–950 L de inyección de oxígeno en el 50% de la concentración de oxígeno debido al aumento de los componentes del gas combustible: el H2 aumenta de 13,08 a 14,63%, el CO aumenta de 19,13 a 22,52%, y el CH4 aumenta de 1,30 a 4,00%. Además, los eventos de AE también aumentan cuando el volumen de inyección de oxígeno es de 800 a 1200 L. Este hallazgo sugiere que el evento de AE está relacionado con la gasificación del carbón. Por lo tanto, el monitoreo de AE es una forma efectiva de evaluar la gasificación del carbón en el subsuelo.

Eventos EA: (a) concentración de oxígeno del 30%; (b) concentración de oxígeno del 50%; (c) 70% de concentración de oxígeno.

Concentración de gas del producto: (a) concentración de oxígeno del 30%; (b) concentración de oxígeno del 50%; (c) 70% de concentración de oxígeno.

Las Figuras 12a-c muestran los resultados de la ubicación de la fuente de AE desde la vista lateral. Los símbolos del cuadrado negro indican los transductores de aceleración. Las fuentes de AE se dispersan desde un agujero horizontal, aunque la temperatura cambia dramáticamente cerca del agujero, lo que sugiere que la estimación precisa de las actividades de AE es difícil. Sin embargo, la proporción de fuentes de AE ubicadas lejos del pozo horizontal aumenta con el tiempo transcurrido en 50% y 70% de la concentración de oxígeno: la proporción de fuentes de AE ubicadas a más de 40 mm de distancia del pozo aumenta del 30%, 35%, y 54% cuando la concentración de oxígeno es 50% y aumenta de 40%, 42% y 48% cuando la concentración de oxígeno es 70%. Este resultado es consistente con el perfil de temperatura para expandir el área de gasificación, lo que indica que también se confirma que el análisis de la ubicación de la fuente AE permite monitorear la expansión de la región de alta temperatura durante el proceso UCG. La proporción de ubicación de la fuente de AE es la misma independientemente del tiempo transcurrido en el 30% de la concentración de oxígeno: es del 69% dentro de los 40 mm del orificio y del 31% en el área donde la distancia desde el orificio es superior a 40 mm. Esto se debe a que el área de gasificación no se expande mucho en un 30% de la concentración de oxígeno. En las operaciones reales de UCG, es difícil medir directamente la temperatura en la veta de carbón, que puede alcanzar más de 1000 °C. El monitoreo de AE podría ser una técnica efectiva para la estimación del área de gasificación en lugar del monitoreo de temperatura. También se espera que esta técnica sea útil para controlar el área de gasificación detectando la ubicación de la gasificación y su expansión cuando cambia la condición de inyección.

Ubicación de la fuente de AE: (a) concentración de oxígeno del 30 %; (b) concentración de oxígeno del 50%; (c) 70% de concentración de oxígeno.

Este estudio investiga la aplicabilidad de la técnica AE como sistema de monitoreo del área de gasificación de UCG a través del experimento de calentamiento de carbón y el experimento de UCG a pequeña escala. Hemos obtenido los siguientes conocimientos.

Muchos eventos de fractura se generan cuando la temperatura de la fuente de calor cambia drásticamente, lo que indica que los eventos de AE están relacionados con el cambio de temperatura del carbón.

Cuanto más cercana sea la distancia entre el sensor y la fuente de calor, mayor será el número de eventos AE. Este hecho indica que la ubicación del cambio de temperatura se puede identificar en función de la posición de los sensores.

La región de alta temperatura difiere según la concentración de oxígeno. Esto puede deberse a que la velocidad de reacción de la reacción de oxidación; el oxígeno se consume más rápido en el lado de inyección cuando la concentración de oxígeno es alta.

Los eventos de EA aumentan especialmente durante la gasificación del carbón.

La expansión del área de gasificación se puede estimar analizando la ubicación de la fuente de AE.

Los datos utilizados para respaldar los hallazgos de este estudio están disponibles a pedido del autor correspondiente.

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Este trabajo fue apoyado por la ciudad de Mikasa, la Sociedad Japonesa de UCG, la Plataforma de Investigación Energética Interdisciplinaria/Transdisciplinaria de la Universidad de Kyushu (Q-PIT) a través de su "Programa de Investigación de Módulos", la subvención JSPS KAKENHI número JP20K05393, JP21K14575 y JP22K05005. Los autores agradecen su apoyo y expresan especial agradecimiento a los miembros del proyecto UCG.

Departamento de Ingeniería de Recursos Terrestres, Universidad de Kyushu, Fukuoka, 819-0395, Japón

Akihiro Hamanaka, Yuma Ishii, Takashi Sasaoka y Hideki Shimada

Laboratorio de Investigación Dotado. of Un-mined Mineral Resources and Energy Eng., Muroran Institute of Technology, Muroran, 050-8585, Japón

Ken-ichi Itakura

Departamento de Ingeniería de Minas, Facultad de Ingeniería de Minas y Petróleo, Instituto de Tecnología de Bandung, Bandung, 40132, Indonesia

Nuhindro Priagung Widodo & Budi Sulistianto

División de Ingeniería de Recursos Sostenibles, Universidad de Hokkaido, Sapporo, 060-8628, Japón

Jun-ichi Kodama

Red de innovación de recursos subterráneos, Sapporo, 007-0847, Japón

Gota Deguchi

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Conceptualización, AH y KI; Metodología, YI y GD; software, AH; Validación, TS; Análisis formal, SA; Investigación, JK; Recursos, NPW; Curación de datos, GD; Escritura: preparación del borrador original, AH; redacción: revisión y edición, HS y BS; Visualización, YI; Supervisión, NPW y BS; Administración de proyectos, KI; Adquisición de financiación, AH, KI, JK y TS Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Akihiro Hamanaka.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Hamanaka, A., Ishii, Y., Itakura, Ki. et al. Monitorización de la zona de gasificación y su comportamiento en la gasificación subterránea de carbón mediante técnica de emisión acústica en lugar de medición de temperatura. Representante científico 13, 9757 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36937-0

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Recibido: 01 de marzo de 2023

Aceptado: 13 de junio de 2023

Publicado: 16 de junio de 2023

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

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