韓俊杰,梁衛(wèi)國(guó),張建功,張倍寧
(太原理工大學(xué)采礦工藝研究所,山西太原 030024)
煤層處置二氧化碳模擬實(shí)驗(yàn)研究
韓俊杰,梁衛(wèi)國(guó),張建功,張倍寧
(太原理工大學(xué)采礦工藝研究所,山西太原 030024)
為了研究CO2在煤層中的儲(chǔ)存能力與置換驅(qū)替CH4特性,利用沁水煤田潞安礦區(qū)3號(hào)煤層大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)煤樣,在確定應(yīng)力約束條件下,開展了CO2在煤體中的吸附特性與其在含甲烷煤試樣中的驅(qū)替實(shí)驗(yàn),并對(duì)含甲烷煤和不含甲烷煤中CO2的儲(chǔ)存特性做了對(duì)比分析。結(jié)果表明:在模擬真實(shí)地應(yīng)力(圍壓=軸壓=8 MPa)條件與0.5 MPa注入壓力作用下, 180 min內(nèi)試驗(yàn)煤樣中儲(chǔ)存CO2量達(dá)11.03 L,CO2在測(cè)試煤體中的滲透率隨其吸附量的增加而減小;在既定的地應(yīng)力條件和近于14.93 cm3/g煤層平均瓦斯含量條件下,當(dāng)CO2注入壓力由0.5 MPa提高到1.0 MPa時(shí),CO2在試驗(yàn)煤體中的儲(chǔ)存量可提高93.00%、儲(chǔ)存率提高13.50%、相應(yīng)CH4的解吸量提高了18.13%;在實(shí)驗(yàn)初期,CH4的解吸量高于CO2的吸附量,隨注入過程的持續(xù),煤體中CH4的解吸量逐漸趨于平緩且遠(yuǎn)小于CO2的吸附量;同等條件下,含CH4煤比不含CH4煤可多儲(chǔ)存59.29%的CO2,儲(chǔ)存率提高了12.51%。
二氧化碳;煤層處置;儲(chǔ)存率;置換驅(qū)替
CO2是主要溫室氣體,化石燃料的大量燃燒是其主要來(lái)源之一,其每年排放量高達(dá)到22×109t[1]。為了解決CO2對(duì)人類生存環(huán)境所帶來(lái)的災(zāi)害,地質(zhì)處置被公認(rèn)為是解決溫室氣體環(huán)境影響問題的有效途徑之一。研究表明,可用于CO2地質(zhì)儲(chǔ)存的主要場(chǎng)所有深部咸水含水層、廢棄油氣田、海洋深部和不可開采貧瘠煤層[2-5]。我國(guó)煤炭與煤層氣資源豐富,或埋藏深或條件差的不可開采煤層占有相當(dāng)比例。向煤層中注入CO2,不僅可以減少CO2的大氣排放,還可以提高煤層中煤層氣的采收率,即國(guó)際上應(yīng)用較多的CO2-ECBM法。
有關(guān)CO2在煤層中儲(chǔ)存的內(nèi)容,國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者做了一定研究。吳世躍等[6]對(duì)在靜態(tài)條件下向煤層注CO2和N2的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并分析了注氣增產(chǎn)煤層氣機(jī)制;唐書恒等[7]對(duì)粉煤進(jìn)行了注CO2驅(qū)替煤層CH4試驗(yàn)研究,利用擴(kuò)展Langmuir方程得到注CO2可以提高煤層氣的解吸率,并發(fā)現(xiàn)同等條件下,晉城煤的解吸率高于潞安煤;Liang等[8]通過對(duì)大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)原煤試件進(jìn)行注CO2驅(qū)替煤層CH4實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在一定條件下單位體積煤體中可以儲(chǔ)存17.47~28.00體積的CO2; Yee和Stanton等[9-10]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),不同煤階煤層對(duì)CO2的吸附儲(chǔ)存量是可達(dá)CH4的2~10倍;Busch等[11]對(duì)Silesian盆地的煤進(jìn)行高壓氣體吸附實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)同等條件下煤體對(duì)CO2吸附能力始終高于對(duì)CH4的吸附,煤階與含水量會(huì)影響煤對(duì)氣體的吸附特性;S.Hol等[12]利用一種新技術(shù),對(duì)超臨界CO2在煤層中的吸附特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在40℃和0~16 MPa注入壓力條件下,幾乎全部CO2吸附于煤基質(zhì)中,且吸附量與游離CO2的化學(xué)勢(shì)密切相關(guān)。
筆者以沁水煤田大尺寸(100 mm×100 mm× 200 mm)原煤試樣為研究對(duì)象,模擬進(jìn)行了原煤真實(shí)地應(yīng)力條件下煤層對(duì)CO2的吸附性、CO2在含CH4煤中的置換驅(qū)替試驗(yàn),研究了CO2在煤層中的儲(chǔ)存能力與置換驅(qū)替CH4特性,為今后CO2煤層地質(zhì)處置與煤層CH4置換驅(qū)替提供一定參考依據(jù)。
1.1 試樣制備
煤樣取自沁水煤田潞安五陽(yáng)煤礦3號(hào)煤層。煤質(zhì)屬于變質(zhì)程度較高的貧瘦煤,水分為0.80%,灰分為14.92%,發(fā)熱量為30.71 MJ/kg。由最新測(cè)量數(shù)據(jù)知,該煤層瓦斯相對(duì)涌出量為13.81 t/m3,平均瓦斯含量14.91 cm3/g,視密度為1.37~1.43 t/m3,孔隙率為2.84%~3.38%,煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.46~0.55。
現(xiàn)場(chǎng)切割采集大塊煤樣后,精心包裹運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),為減小對(duì)煤體原始結(jié)構(gòu)的損傷破壞,采用手工磨制加工方式,將原煤樣加工成100 mm×100 mm×200 mm的長(zhǎng)方體大尺寸試件(圖1)??紤]到向煤體注入或采出氣體的主要流動(dòng)方向?yàn)檠卦簩淤x存水平層理方向,將煤層層理方向加工成試件高度方向。在實(shí)驗(yàn)中,注入與產(chǎn)出氣體的流動(dòng)方向沿高度方向由下向上進(jìn)行,類似于煤層中水平層理方向的流動(dòng)。為防止實(shí)驗(yàn)過程中氣體從試件側(cè)面滲流溢出,在實(shí)驗(yàn)前將試件高度方向的4個(gè)側(cè)面進(jìn)行了蠟封處理,保障氣體沿層理向流動(dòng)。本次實(shí)驗(yàn)共加工了3塊試件,其中1號(hào)試件用于CO2吸附特性研究,2號(hào)與3號(hào)試件用于CO2在含甲烷煤中的置換驅(qū)替CH4研究。
圖1 加工好的煤樣(100 mm×100 mm×200 mm)Fig.1 The prepared coal specimen (100 mm×100 mm×200 mm)
1.2 試驗(yàn)裝置
本試驗(yàn)所使用的設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室自行研制的三軸滲透驅(qū)替試驗(yàn)裝置,該裝置可以模擬不同壓力條件下,不同巖樣與煤樣中流體的滲透和吸附特性。試件所受的軸壓由系統(tǒng)油缸提供,圍壓通過氣體并借助手動(dòng)泵來(lái)加載,滲透壓通過手動(dòng)控制氣源來(lái)實(shí)現(xiàn)。氣體注氣量通過氣瓶高精度壓力表?yè)Q算獲得,出口處連有流量計(jì)和氣體分析儀,用于測(cè)量氣體產(chǎn)出量、產(chǎn)出氣體成分及含量。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)用的CO2和CH4氣體濃度均為99.99%,軸壓、圍壓均以0.5 MPa的梯度交替加載,直至應(yīng)力接近于真實(shí)煤層壓力(圍壓=軸壓=8 MPa),實(shí)驗(yàn)溫度始終為室溫。
圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.2 Sketch of experimental equipment
在一定的圍巖條件下,滲透壓對(duì)巖體滲透性有較大影響。為防止?jié)B透壓過大對(duì)煤體自身結(jié)構(gòu)的影響,同時(shí)為保障試驗(yàn)過程中煤體對(duì)CO2的充分吸附,本次試驗(yàn)選擇0.5 MPa和1.0 MPa兩種滲透壓力條件進(jìn)行試驗(yàn)。分別對(duì)CO2在煤中的吸附特性,以及在CO2對(duì)含CH4煤中CH4的驅(qū)替特性進(jìn)行試驗(yàn)。關(guān)于不同應(yīng)力下CO2在煤體中的滲透特性,文獻(xiàn)[13-15]已有報(bào)道,這里不再重復(fù)。
對(duì)1號(hào)試件,進(jìn)行了0.5 MPa注入壓力下的CO2吸附特性試驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)步驟:①將處理好的煤樣放置在三軸滲流裝置內(nèi),根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)連接好各系統(tǒng),然后進(jìn)行密封和氣密性檢查;②對(duì)系統(tǒng)包括試件進(jìn)行抽真空處理;③對(duì)試件進(jìn)行加載,軸壓、圍壓交替加載到8 MPa,接近于原煤樣所處煤層真實(shí)地層壓力;④當(dāng)壓力穩(wěn)定后,以0.5 MPa的滲透壓注入氣體進(jìn)行吸附特性實(shí)驗(yàn)。持續(xù)注入180 min,連續(xù)記錄其注入量和出口流量。
對(duì)2號(hào)和3號(hào)試件,分別進(jìn)行0.5,1.0 MPa注入壓力條件下的CO2驅(qū)替CH4試驗(yàn),具體步驟:①前3步與上述吸附特性實(shí)驗(yàn)相同;②關(guān)閉出氣口,以設(shè)定壓力(0.5 MPa)持續(xù)24 h注入CH4,記錄注入量,使煤體達(dá)到一定的CH4含量;③關(guān)閉注氣口,使CH4在煤體中充分吸附后再打開出氣口,收集并測(cè)量分析自由釋放氣體;④打開注氣口,以設(shè)定的壓力持續(xù)注入CO2氣體180 min,記錄注氣量和產(chǎn)出量并進(jìn)行成分分析。
2.1 煤體對(duì)CO2的吸附儲(chǔ)存特性
2.1.1 煤對(duì)CO2的吸附作用
為了表征CO2在煤層中的儲(chǔ)存效果,筆者定義CO2儲(chǔ)存率為:注入過程完成后,煤體中CO2的殘留量(包括吸附態(tài)與游離態(tài))占CO2注入總量的百分比。在180 min的持續(xù)注入條件下,CO2注入總量為66.31 L,產(chǎn)出55.28 L,因此,煤體吸附量為11.03 L,儲(chǔ)存率為16.63%。實(shí)驗(yàn)過程中,前90 min CO2在煤體中的儲(chǔ)存量快速增加,之后煤體對(duì)CO2的儲(chǔ)量增速隨時(shí)間逐漸變緩(圖3(a))。
圖3 CO2儲(chǔ)存量和滲透率隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Curves of CO2storage and CO2permeability with time
2.1.2 儲(chǔ)存量與滲透率的關(guān)系
根據(jù)達(dá)西定律,煤對(duì)CO2的滲透率通過式(1)[8]進(jìn)行計(jì)算,即
式中,K為滲透率,10-15m2;Q為氣體流量,cm3/s;μ為氣體動(dòng)力黏度,CH4的動(dòng)力黏度為10.87 μPa·s, CO2的動(dòng)力黏度為70 μPa·s;L為試件高度,cm;P1為進(jìn)口壓力,Pa;P2為出口壓力,Pa;ρ為氣體密度,g/cm3;A為試件截面積,cm2。
在注入儲(chǔ)存過程中,利用式(1)對(duì)CO2的滲透率進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)滲透率逐漸降低,從開始的0.018× 10-15m2降到最后的0.010 2×10-15m2,降了13.56% (圖3(b))。隨著氣體的不斷注入與輸出,煤體中儲(chǔ)存的CO2量逐漸增大,因此其滲透率的降低可以推測(cè)是由于煤體吸附膨脹效應(yīng)所致。
圖4為煤體對(duì)CO2滲透率與其CO2儲(chǔ)存量的關(guān)系。隨著煤體內(nèi)儲(chǔ)存(主要為吸附態(tài))氣體量的增多,煤基質(zhì)表面張力下降,表現(xiàn)為煤基質(zhì)的吸附膨脹變形[16],內(nèi)部孔裂隙相互擠壓,導(dǎo)致孔隙率降低;同時(shí)由于吸附氣體,煤體孔裂隙通道吸附層增厚,滲流通道面積減小,從而導(dǎo)致煤體滲透率降低。隨著吸附量的增加,吸附引起的膨脹變形與外部應(yīng)力引起的煤體擠壓變形達(dá)到平衡,孔裂隙內(nèi)吸附氣體達(dá)到上限,表現(xiàn)為后期滲透率下降并逐漸趨于平緩,這與覃世福等[17]對(duì)?50 mm×100 mm試件進(jìn)行的關(guān)于吸附作用對(duì)原煤滲透率影響的試驗(yàn)規(guī)律相一致。
圖4 CO2滲透率與儲(chǔ)存量關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between CO2permeability and storage
2.2 CO2在含CH4煤中的置換驅(qū)替特性
向煤體試樣中注入CH4,并穩(wěn)定一段時(shí)間,令其在煤體中充分吸附。經(jīng)測(cè)試,2號(hào)與3號(hào)兩塊煤樣分別吸附CH4量達(dá)41 056.8 mL和41 715.2 mL。兩塊煤樣實(shí)驗(yàn)前所測(cè)質(zhì)量分別為2 820.1g和2 891.3 g,因此,吸附CH4后測(cè)試煤體單位質(zhì)量的CH4含量分別為14.56 cm3/g和14.43 cm3/g,這與煤樣所取煤層的平均瓦斯含量14.93 cm3/g非常相近。
在相同的約束應(yīng)力條件下,對(duì)兩個(gè)試件的氣體注入壓力分別為0.5 MPa和1.0 MPa時(shí),2號(hào)試件吸附CO2量為17.57 L,解吸CH4量7.61 L;3號(hào)試件吸附CO2量33.91 L,解吸CH4量8.99 L。因此,CO2的儲(chǔ)存率分別為29.14%和42.64%。在這兩組驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中,注入CO2對(duì)原煤中CH4氣體的置換比(CO2的吸附量/CH4的解吸量)分別為2.13和3.77,具體吸附解吸參數(shù)值見表1。
表1 CO2在含甲烷煤中的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of replacement of CH4by CO2
從表1看出,在其他條件不變的情況下,CO2注入壓力由0.5 MPa(2號(hào)試件)提高到1.0 MPa(3號(hào)試件),相同時(shí)間下CO2吸附量提高了93.00%、CO2儲(chǔ)存率提高了13.50%、CH4解吸量提高了18.13%、驅(qū)替置換比提高了63.20%,表明在一定范圍內(nèi),CO2注入壓力對(duì)CO2在含甲烷煤中的儲(chǔ)存和驅(qū)替效果有顯著影響。分析其原因,主要為注入壓力升高,單位時(shí)間流速、流量隨之升高,CO2氣體將更快速?gòu)V泛地分布于煤體內(nèi)的孔裂隙,與更多的CH4發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附;另外,由于流速的提高,CO2氣體會(huì)更快速地首先剝離附著在大孔裂隙通道中的CH4,從而有更多時(shí)間與微孔裂隙中的CH4產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附,導(dǎo)致存儲(chǔ)量和驅(qū)替效果上升。這與Masaji Fujioka等[18]在日本Ishikari盆地CO2煤層儲(chǔ)存現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可相互印證。
2.3 CO2置換驅(qū)替煤體CH4機(jī)理
由于煤基質(zhì)對(duì)氣體的吸附存在著差異,導(dǎo)致兩種不同氣體同時(shí)存在于煤基質(zhì)時(shí)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附。CO2在煤中的吸附勢(shì)能大于CH4,在CO2注入煤層后, CO2的劇烈熱運(yùn)動(dòng)將促使CH4從煤基質(zhì)表面上解吸下來(lái),從而在相同的吸附位儲(chǔ)存CO2,其實(shí)質(zhì)就是游離的CO2對(duì)吸附態(tài)CH4的置換。
圖5為2號(hào)和3號(hào)試件在試驗(yàn)過程中,CO2吸附量、CH4解吸量隨時(shí)間的變化曲線,由圖5可知:
(1)CO2在前期的吸附速率比后期高。這主要由于前期在注入氣流的帶動(dòng)下,CO2會(huì)迅速占領(lǐng)游離態(tài)CH4的位置并賦存于大孔裂隙;另外,由于CO2的吸附勢(shì)能大于CH4的吸附勢(shì)能,在相同的吸附位占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),從而儲(chǔ)存了更多的CO2。在注入過程的初期,CO2在煤層的吸附儲(chǔ)存速度更快,效果更好。
(2)CH4在前期的解吸量高于CO2的吸附量。這是由于在驅(qū)替試驗(yàn)前,煤體中吸附的CH4有一部分處于游離狀態(tài),在CO2的高速注入下,處于游離狀態(tài)和附著于大孔裂隙通道上的CH4會(huì)在氣流的帶動(dòng)下(因孔裂隙內(nèi)外的勢(shì)能差)迅速脫離;當(dāng)這部分CH4被置換完后,由于處在煤基質(zhì)內(nèi)部微小孔隙里的CH4對(duì)流速作用影響甚小,只有正常的競(jìng)爭(zhēng)吸附置換。因此,后期CH4的解吸量逐漸趨于勻速平緩,且遠(yuǎn)小于同等時(shí)間CO2的吸附量。
研究發(fā)現(xiàn),在其他條件不變的情況下,不含甲烷煤和含甲烷煤對(duì)CO2的吸附量存在著差異(圖6,注入壓力0.5 MPa、體積應(yīng)力24 MPa)。
圖5 CO2吸附量、CH4解吸量隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Curves of CO2adsorption and CH4desorption with time
圖6 CO2吸附量與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves between CO2adsorption and time
在相同條件下,含甲烷煤的CO2儲(chǔ)存量始終高于不含甲烷煤。在180 min的持續(xù)注入條件下,不含甲烷煤體的CO2儲(chǔ)存量為11.03 L,而含甲烷煤體則提高到17.57 L,儲(chǔ)量增大59.29%,儲(chǔ)存率提高了12.51%。這可能是因?yàn)樵诤淄槊后w中,由于甲烷注入,在一定的壓力下,經(jīng)過24 h在煤中的充分吸附,打開了更多的孔裂隙和微孔隙(與不含甲烷煤比),所以在注入CO2后,通過競(jìng)爭(zhēng)吸附,在以前沒有打開的通道中存入了CO2,致使CO2的儲(chǔ)存量大于不含甲烷煤中儲(chǔ)量。這與王雪峰等[19]在量子化模型中得到的關(guān)于當(dāng)煤中吸附1個(gè)或2個(gè)CO2分子時(shí),有1個(gè)甲烷分子就會(huì)促進(jìn)煤對(duì)CO2的吸附的結(jié)論相印證。
另外,除了瓦斯含量、注入壓力對(duì)煤中儲(chǔ)存CO2有影響外,還有溫度、地應(yīng)力、注入時(shí)間、吸附引起的膨脹、CO2的形態(tài)等多因素影響,尚需進(jìn)一步深入探究。
(1)在體積應(yīng)力為24 MPa、注入壓力為0.5 MPa下,180 min持續(xù)注入煤體中CO2儲(chǔ)存量達(dá)11.03 L,儲(chǔ)存率為16.63%。其間,CO2的滲透率隨吸附量的增加而減小,降低了13.56%。
(2)在體積應(yīng)力24 MPa、煤層平均瓦斯含量接近于原煤14.93 cm3/g條件下,煤體CO2注入壓力由0.5 MPa提高到1.0 MPa時(shí),CO2的儲(chǔ)存量提高了93.00%,儲(chǔ)存率提高了13.50%、CH4的解吸量提高了18.13%。表明注入壓力對(duì)煤層儲(chǔ)存CO2有重要影響。
(3)由于流體運(yùn)移所致對(duì)流擴(kuò)散等作用,驅(qū)替試驗(yàn)初期CH4的解吸量高于CO2的吸附量,隨后CH4的解吸量逐漸趨于勻速平緩且遠(yuǎn)小于同等時(shí)間CO2的吸附量。
(4)同等條件下,含甲烷煤比不含甲烷煤多儲(chǔ)存了59.29%的CO2,儲(chǔ)存率提高了12.51%。表明含甲烷煤層不僅能夠產(chǎn)出更多的煤層氣,而且能夠儲(chǔ)存更多的CO2。
在研究CO2煤層儲(chǔ)存中,體積應(yīng)力和平均瓦斯含量始終設(shè)定在一定值下,是為了還原所取煤樣煤層的真實(shí)情況。因此,本文的結(jié)論暫只適用于500 m以淺煤層的CO2儲(chǔ)存,至于更深煤層的超臨界CO2儲(chǔ)存,有待今后進(jìn)一步研究。
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Simulation experiment of carbon dioxide storage in coal seam
HAN Jun-jie,LIANG Wei-guo,ZHANG Jian-gong,ZHANG Bei-ning
(Institute of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)
In order to study the capacity of CO2storage in coal bed and the displacement of methane CH4in coal by CO2injection,an experiment about the CO2adsorption and coalbed methane(CBM)replacement in coal under given pressure was carried out with coal specimens of large size(100 mm×100 mm×200 mm)from the No.3 coal seam,Qinshui Basin,China.Based on the experiment,the CO2storage capacity difference between coal containing CH4and coal without CH4was contrastively analyzed.The experimental results demonstrate that,the storage of CO2in the coal specimen can amount to 11.03 L under the in-situ stress condition of the coal bed and injection pressure of 0.5 MPa.CO2permeability through the coal decreases with the increase of its adsorption amount during the experiment duration of 180 min.When the CO2injection pressure increases to 1.0 MPa from 0.5 MPa under the same confining stresses,the CO2storage amount in the coal increases by 93.00%,the storage rate increases by 13.50%and the amount of CH4desorption increases by 18.13%.It is found that the amount of CH4desorption is larger than CO2adsorption in the initial experimental stage.After that,the amount of CH4desorption tends to be stable but far less than CO2adsorption amount.Under the similar experimental condition,the CO2storage capacity in coal containing CH4is 59.29%more than that of coal without CH4,and the storage rate in coal containing CH4increases by 12.51%compared that in coalwithout CH4.
carbon dioxide;geological storage in coalbed;storage rate;replacement
P618.11
A
0253-9993(2014)03-0531-06
韓俊杰,梁衛(wèi)國(guó),張建功,等.煤層處置二氧化碳模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(3):531-536.
10.13225/j.cnki.jccs.2013.1656
Han Junjie,Liang Weiguo,Zhang Jiangong,et al.Simulation experiment of carbon dioxide storage in coal seam[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):531-536.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1656
2013-11-11 責(zé)任編輯:韓晉平
國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51225404)
韓俊杰(1989—),男,山西懷仁人,碩士研究生。通訊作者:梁衛(wèi)國(guó),教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:liangweiguo@tyut.edu.cn