2021 Fiscal Year Research-status Report
石炭の地下ガス化におけるラジアルフラクチャリング現象の解明
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20K05393
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
児玉 淳一 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70241411)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐分利 禎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (40415782)
福田 大祐 北海道大学, 工学研究院, 助教 (80647181)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 石炭 / 地下ガス化 / DIC / ひずみ計測 / 高温 / き裂 / 粘結性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和2年度に実施した基礎的な検討の成果に基づき，Digital Image Correlation (DIC)により，加熱時の石炭の変形特性とき裂発生・進展プロセスの解明を行った。5cm×5cm×2cm程度の平板状の石炭試料の周囲を耐熱性のモルタルで固定した後，試料の中心に直径10mmの孔を設けた。そして，次の２つの検討を行った。（１）背面から加熱された場合の石炭試料の表面のひずみの計測とき裂発生の観察。（２）円形空洞の表面が加熱された場合の空洞周辺のひずみの計測とき裂発生の観察。（１）では，深さ10mm程度の孔を作孔し，孔の孔底をガスバーナーで加熱した。一方，（２）では，孔を貫通させ，孔の側面をカートリッジヒーターで加熱した。なお，今年度は，面内ひずみに加えて，面外変位の計測も行い，石炭試料の３次元的な変形の把握を試みるとともに，供試体の表面温度をサーモカメラで撮影した。
検討（１）では，次のような成果が得られた。供試体の表面の温度の増加に従い，全体的には伸びひずみが観察されたが，温度とひずみの分布は不均質であり，収縮側のひずみが観察される部分も見られた。既存のき裂の近傍では温度の上昇や，ひずみの変化も大きかった。既存のき裂から新たなき裂の発生が見られたが，き裂の発生と同時に伸びひずみが観察された。表面温度の上昇とともに，石炭試料は迫り出す方向に変位するがき裂が発生する直前に元に戻る方向に変位する傾向が見られた。
検討（２）では，次のような成果が得られた。表面温度は同心円状に分布し，円孔表面の温度は600℃程度まで上昇した。ひずみ分布も温度分布と対応し，円孔表面に近づくほどひずみの値が大きくなる傾向が見られたが，既存のき裂に沿ってひずみが大きくなる特徴も見られた。また，き裂の進展によりひずみの値が大きくなり，ひずみの変化とき裂の伸長には良い対応関係が認められた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度に予定していた「ひずみゲージとDICによるひずみの計測結果の比較検討」を行うことができなかった。これは，石炭の加熱条件下ではひずみゲージによるひずみの計測が困難であるうえ，ひずみ分布の不均一性が予想以上に大きかったためである。また，ラジアルフラクチャリングの発生の有無・長さと石炭の熱伝導率，粘結性（炭種）との関係を明らかにできなかった。これは，COVID-19の影響のため石炭の，石炭の採取作業が遅れたことに加え，き裂の発達した石炭では試料の製作に時間を要したためである。このため，粘結性に関する検討は，３種類の石炭の工業分析を実施するにとどまった。その他は，ほぼ，当初の計画通りに進行している。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度には，熱伝導率と粘結性が異なる入手済みの石炭ブロックから試料を製作し，加熱実験を行う。石炭試料は，粘結性の高い瀝青炭と低い褐炭である。そして，ラジアルフラクチャリングの発生の有無・長さと石炭の粘結性（炭種）との関係を明らかにする。さらに，令和4年度には，熱・力学モデルによるラジアルフラクチャリング現象の解釈を行う。実験結果に基づいた数値解析モデルを製作して，熱応力解析を実施する。そして，引張の熱応力が発生する温度と発生領域を分析し，実験結果を合理的に解釈する。ヤング率とポアソン比は一軸圧縮試験により求め，その他の物性値は文献調査により推定する。実験結果と解析結果の間に有意な差がある場合は，許容できる範囲内で熱・力学物性値やモデルの境界条件を修正し，実験結果を再現できる条件を見出す。
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| Causes of Carryover |
COVID-19の影響のため，一部の実験ができなかったことと，発表形式がオンラインとなったため出張旅費が不要となった学会あり，次年度の使用額が生じた。令和4年度に未実施の追加実験を行う予定であり，次年度使用額はこの実験のための物品費と出張旅費に充てる予定である。
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