2022 Fiscal Year Annual Research 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, 准教授 (80647181)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 石炭 / 加熱 / ラジアルフラクチャリング / DIC / 粘結性 / ひずみ / 温度 / 熱応力解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
粘結性が低い石炭ブロックから10cm×10cm×2cm程度の直方体試料を切り出し，周囲をモルタルで固定した後，石炭部分の中央に直径10mm程度の円孔を設け，供試体とした。そして，供試体中の円孔の表面を加熱し，き裂の発生・伸長プロセスを観察するとともにDICにより石炭試料表面のひずみの測定を行い，石炭の粘結性がラジアルフラクチャリングの発生に与える影響について検討した。また，粘結性の高い石炭の実験結果を対象に，熱応力解析を行い，数値シミュレーションによりラジアルフラクチャリング現象の解釈を行った。得られた成果は以下の通りである。
（１）粘結性の低い石炭試料では，ラジアルフラクチャリングは観察できず，モルタル部分から石炭中の円孔に向かう単一のき裂が発生し，このき裂が円孔の反対側へと伸長した。このことから，き裂の発生は石炭の粘結性に依存し，粘結性が低い石炭ではラジアルフラクチャリングが認められないことが分かった。
（２）加熱により，石炭表面では伸長変形が見られるが，伸びひずみの増加は表面内で一様ではなく，伸びひずみが卓越して増加するゾーンが出現した。そして，このゾーン内の最大伸びひずみの値が約0.8％に達すると，き裂の発生が認められたことから，伸びひずみ0.8％がき裂の発生条件として使用できることを見出した。
（３）数値シミュレーションにおいて，500℃以上の温度領域で石炭が収縮変形を示すと仮定すると，円孔周辺の応力状態は引張となり，円孔の温度が600℃に達する途中で引張応力は，石炭の引張強度より大きくなった。また，引張応力が引張強度を上回る領域は，実験で確認されたラジアルフラクチャリングが形成された領域とほぼ一致した。したがって，粘結性の高い石炭でのラジアルフラクチャリングは500℃以上での石炭の熱収縮のため生じる引張応力により発生したものと解釈できる。
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