Mesoscale transport and sustained cooling of dual-network geopolymer foam for coal-fire control
Deze studie combineert experimentele rheologie met mesoscopische modellering om aan te tonen dat hoewel de rheologie van dual-network geopolymeer schuim primair de injectiedruk in onregelmatige kolenbrandholtes bepaalt, continue injectie essentieel is voor aanhoudende koeling door verwarmd schuim te vervangen, waardoor de tijd die nodig is om de kolentemperaturen te verlagen aanzienlijk wordt verkort in vergelijking met statische plaatsing.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Diep onder de grond, waar kolen worden gewonnen, wordt de aarde achtergelaten met een chaotisch landschap van gebroken gesteente en restjes kolen. Dit gebied, bekend als de goaf, is een doolhof van gaten en tunnels. Hoewel mijnbouw ons energie brengt, laat het ook een verborgen gevaar achter: de achtergebleven kolen kunnen langzaam uit zichzelf in brand vliegen. Dit gebeurt wanneer de kolen reageren met zuurstof in de lucht, waardoor er hitte ontstaat die zich opbouwt totdat ze ontbranden. Om dit te stoppen, pompen ingenieurs vaak een speciaal schuim in de grond om de openingen te vullen, de zuurstof te blokkeren en de hete plekken af te koelen. Maar er is een addertje onder het gras. Het schuim moet dik genoeg zijn om op zijn plaats te blijven en de lucht te blokkeren, maar tegelijkertijd vloeibaar genoeg om door de minuscule, kronkelende barsten tussen de rotsen te persen. Als het te dik is, kunnen de pompen het niet ver genoeg duwen; als het te dun is, kan het weglekken of er niet in slaagt de barsten af te dichten. Het vinden van de juiste balans is moeilijk omdat de ondergrondse wereld verborgen is en onmogelijk direct te zien is.
Een team van onderzoekers zette zich schouder aan schouder in om dit puzzelstuk op te lossen door een nieuw type schuim te creëren en te testen hoe het door deze verborgen barsten beweegt. Ze ontwikkelden een materiaal genaamd een dual-network geopolymeerschuim, dat is gemaakt van vliegas — een afvalproduct van de verbranding van steenkool — gemengd met water en andere ingrediënten om een stabiele, hittebestendige gel te vormen. In het laboratorium bewezen ze dat dit schuim hoge temperaturen kan weerstaan en het branden van kolen kan stoppen. Echter, weten dat het schuim werkt in een potje is iets anders dan weten hoe het zich gedraagt wanneer het door een grillig, onregelmatig netwerk van rotsen wordt geperst. Om deze kloof te overbruggen, combineerden de wetenschappers experimenten uit de echte wereld met geavanceerde computersimulaties. Ze bouwden een digitaal model op basis van een foto van samengeperste rotsen om de werkelijke holtes onder de grond na te bootsen, en keken vervolgens hoe hun nieuwe schuim door een computer scherm door het digitale rotsenlabynt stroomde.
De onderzoekers ontdekten dat de manier waarop dit schuim stroomt complexer is dan die van eenvoudige vloeistoffen. In tegen tegenstelling tot water, dat gemakkelijk stroomt, heeft dit schuim een "vloeigrens" (yield stress), wat betekent dat het zich als een vaste stof gedragt totdat er genoeg druk wordt uitgeoefend om het in beweging te krijgen. Zodra het begint te bewegen, wordt het dunner en stroomt het sneller, een gedrag dat bekend staat als pseudoplasticiteit (shear thinning). Toen het team het schuim in hun digitale rotsenmaze injecteerde, ontdekten ze dat deze dikke, plakkerige aard de schuimstroom niet tegenhield. Sterker nog, of het schuim zich nu gedroeg als een dikke gel of een eenvoudige vloeistof, het vulde bijna dezelfde hoeveelheid van de lege ruimte in dezelfde tijd. Het verschil zat niet in hoeveel ruimte het besloeg, maar in hoe hard de pompen moesten werken. Het dikke, gel-achtige schuim vereiste aanzienlijk meer druk om door de barsten te duwen dan een dunnere vloeistof. Dit betekent dat hoewel het schuim de gevaarlijke plekken kan bereiken, de machines die het injecteren krachtig genoeg moeten zijn om die extra weerstand te overwinnen.
Zodra het schuim op zijn plaats is, is de volgende uitdaging het koelen van de hete kolen. De onderzoekers testten twee strategieën: het stoppen van de schuimstroom zodra de barsten gevuld zijn, of het continu laten draaien van de pompen om constant vers, koel schuim in het gebied te duwen. De resultaten lieten zien dat het stoppen van de stroom veel minder effectief was. Wanneer de injectie stopte, warmde het schuim dat rond de hete kolen zat langzaam op, waardoor het als een deken werkte die de hitte vasthield. Het temperatuurverschil tussen de kolen en het schuim kromp, en de koeling vertraagde tot een traag tempo. In contrast hiermee, toen de onderzoekers de pompen bleven laten draaien, verving het verse, koele schuim het opgewarmde schuim voortdurend. Dit hield een constante stroom van koud materiaal tegen de hete kolen, waardoor een sterk temperatuurverschil behouden bleef dat de hitte efficiënt afvoerde.
De simulaties toonden aan dat het voortzetten van de injectie de tijd die nodig was om de kolen te koelen met meer dan de helft verkortte. Terwijl de methode met de gestopte stroom 274 seconden nodig had om de overtollige hitte van de kolen met de helft te verminderen, bereikte de continue stroom hetzelfde resultaat in slechts 132 seconden. Over een langere periode verwijderde de continue methode aanzienlijk meer totale hitte, waardoor werd voorkomen dat de kolen opnieuw vlam vatten. De studie benadrukt dat het succes van brandbestrijding afhangt van twee verschillende fasen: de initiële push om het materiaal in de barsten te krijgen, wat krachtige pompen vereist om de dikte van het schuim aan te kunnen, en de daaropvolgende koelfase, die rust op het voortdurend verversen van het materiaal om de hitte weg te houden. Door begrip te krijgen van deze twee afzonderlijke behoeften, kunnen ingenieurs betere systemen ontwerpen om ondergrondse mijnen veilig te houden, zodat het schuim niet alleen de brand bereikt, maar ook effectief genoeg blijft om deze te blussen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.