2016 Fiscal Year Annual Research Report
コンパクト同軸型石炭地下ガス化（UCG)システムの開発
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15H02332
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| Research Institution | Muroran Institute of Technology |
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Principal Investigator |
板倉 賢一 室蘭工業大学, 工学研究科, 教授 (20168298)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
濱中 晃弘 室蘭工業大学, 工学研究科, 特任助教 (20758601)
佐藤 孝紀 室蘭工業大学, 工学研究科, 教授 (50235339)
蘇 発強 室蘭工業大学, 工学研究科, 研究員 (50751137)
高橋 一弘 室蘭工業大学, 工学研究科, 助教 (60746973)
濱 幸雄 室蘭工業大学, 工学研究科, 教授 (70238054)
児玉 淳一 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70241411)
張 文艶 室蘭工業大学, 工学研究科, 研究員 (90750802)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 資源開発工学 / 石炭地下ガス化 / UCG / 破壊制御 / AE計測 / 発熱量 / プラズマ放電 / 環境計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は昨年度同様， UCG模型実験を実施した。鋼製タンクとそれを耐熱煉瓦等で囲った実験炉内に，露天炭鉱で採取した約0.5×0.5×2.5mの石炭ブロックを挿入し，空隙を耐熱セメントで充填した。この人工炭層に，水平同軸孔を設け，孔底から着火し，順次着火個所を手前に移動させる実験を行った。着火には，ダイレクト・レーザと孔内カメラおよび送風管から成る着火装置を用いた。これにより，数秒で石炭への着火が可能になった。
当初は同軸方式のガス化効率を上げるために炉内撹拌等の手法を試す予定であったが，水平同軸孔の場合には着火点を移動させるだけでガス化領域の制御が可能で，これまでにないガス化効率（24MJ/kg）を達成することができた。また，AE（破壊音）震源の70~80%がガス化領域内に標定されたことから，ガス化領域の推定，可視化にAE計測が有効であることを再確認した。
この人工炭層を用いた消火実験も実施した。消火剤として，炭酸ガスと窒素ガスを用いた結果，炭酸ガスの方が温度低下速度が高かった。この結果は，加熱石炭を用いた室内実験および数値シミュレーションでも確認した。
生産ガスの無害化に関しては，二酸化チタンまたは活性アルミナを充填したパックトベッド放電実験を行った。その結果，生産ガス中のベンゼンと硫化水素の除去率は，それぞれ99%および80%程度になった。これにより，生産ガスの連続無害化処理の見通しが立った。
次年度予定していた小規模現場UCG実験に関しては，年度中に鉱業権を取得することができたため，露頭炭層を対象に前倒しで実験を実施した。これに伴い，環境監視システムを構築し動作を確認した。また，現場周辺の植生調査（59 科 114 種の植物を確認）も実施した。ただし，小規模現場実験では，地表下約10mの炭層の含水率が高く，ガス化実験は次年度改めて実施することにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，コンパクトで安全かつよりガス化効率の高い同軸型UCGシステムを提案し，その有効性を検証するのが目的である。このシステムの要は，１）同軸型UCGのガス化効率の向上，２）放電プラズマによる生産ガスの連続分離，無害化，３）周辺環境の監視・評価手法の確立，である。本年度は，当初の計画通りの実験を実施し，一部小規模現場UCG実験に関しては前倒しで実施することができた。
１）に関しては，人工炭層を用いた屋外UCG模型実験を実施した。水平同軸孔を用いて，孔底から順次着火位置を移動させることで，ガス化領域を制御でき，高いガス化効率を確認した。この着火位置を移動させる手法として，ダイレクト・レーザを用いた着火装置が有効である。また，ガス化領域の推定と可視化には，AE（破壊音）計測が有効であることも再確認した。加えて，AEの発生と炭層の温度変化の関係についても，一定の関係があることを確認した。この事は，AE計測による炭層内温度の推定の可能性を示唆している。以上より，１）の目的の大部分を達成できたと考える。今後は，同様な実験を試み再現性について検討する。
２）に関しては，二酸化チタンあるいは活性アルミナを充填したパックトベッド放電によるガスの無害化や分離実験を行った。その結果，生産ガス中のベンゼンと硫化水素の除去率が向上した。ただし，硫化水素分解率はメタン濃度の増加とともに低下するため，更なる検討を進める予定である。
３）に関しては，今年度中に鉱業権を取得したため，前倒しで小規模現場UCG実験を実施し，環境監視システムの動作および現場の植生分布調査を実施した。しかしながら，炭層内の含水率が高く，ガス化実験はできなかったため，UCGの環境への影響評価は予定通りに次年度行うことになった。
以上を総合すると，概ね順調に研究が進んでいると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的である，コンパクトで安全かつよりガス化効率の高い同軸型UCGシステムを開発するために，１）同軸型UCGのガス化効率の向上，２）放電プラズマによる生産ガスの連続分離，無害化，３）周辺環境の監視・評価手法の確立，ならびに炭層破壊のメカニズムを取り入れた３次元UCGシミュレータの開発を，当初の計画通り目指してゆく予定である。
このために，最終年度の平成29年度は北海道三笠市幾春別（室蘭工業大学三笠未利用石炭エネルギー研究施設）において，屋外UCG模型実験を継続する。昨年度と同様な人工炭層を作製し，水平同軸孔を用いた模型実験を試みる。ただし，AE(破壊音)計測には実用段階を見据えて，3軸成分のAEセンサを複数用いる。この実験を通じて，着火位置を移動させてガス化領域を制御し，ガス化効率の再現性を確認する。また，当初の計画通り，小規模現場UCG実験を実施する。炭層着火孔内を十分乾燥させたのち，ダイレクト・レーザにより炭層に着火し，生産ガスの回収を図る。この間，環境監視システムにより，計測データを大学のサーバに転送すると同時に，公開する。また，実験終了後には環境汚染対策を施したのち，原状復帰し，現場の植生調査を実施する予定である。これにより，UCGによる環境への影響を確認し，環境監視，評価手法を提案する。
小規模現場UCG実験の生産ガスについては，パックトベッド放電による連続無害化処理を実施し，実用化に向けた処理プロセスを提案する。同時に，前年度問題になった，メタンガス濃度の無害化処理への影響を調べ，対策を検討する。
UCGシミュレータの開発では，2次元のシミュレータを3次元に拡張し，実測値との比較検討を行い，シミュレータの妥当性を検証する。
以上の成果を取りまとめ，国際ジャーナル等に投稿するほか，国際会議や学会等で発表する予定である。
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[Presentation] UCG Gasification Evaluation using Acoustic Emission (AE) Techniques2017
Author(s)
Ryota Miura, Faqiang Su, Akihiro Hamanaka, Hidenori Inomata, Ken-ichi Itakura, Kohki Sato, Kazuhiro, Takahashi, Gota Deguchi and Jun-ichi Kodama
Organizer
Joint Seminar on Environmental Science and Disaster Mitigation Research 2017(JSED2017)
Place of Presentation
Muroran Institute of Technology, Muroran, Japan
Year and Date
2017-03-03 – 2017-03-03
Int'l Joint Research
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[Presentation] Field Underground Coal Gasification (UCG) Experiment: Trial 12017
Author(s)
Akihiro Hamanaka, Ken-ichi Itakura, Faqiang Su, Kazuhiro Takahashi, Kohki Satoh, Yukio Hama, Wenyan Zhang, Jun-ichi Kodama, Gota Deguchi
Organizer
Joint Seminar on Environmental Science and Disaster Mitigation Research 2017(JSED2017)
Place of Presentation
Muroran Institute of Technology, Muroran, Japan
Year and Date
2017-03-03 – 2017-03-03
Int'l Joint Research
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