温度測定に代わるアコースティックエミッション技術による地下石炭ガス化におけるガス化領域とその挙動をモニタリング

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9757 (2023) この記事を引用

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地下石炭ガス化 (UCG) では、ガス化プロセスが目に見えず、反応温度が 1000 °C を超えるため、ガス化領域のモニタリングが必要です。 石炭の加熱によって発生した多くの破壊イベントは、UCG 中に音響放出 (AE) モニタリング技術で捕捉できます。 しかし、UCG 中に破壊現象が発生する温度条件はまだ明らかにされていません。 そこで、本研究では温度測定に代わる AE 手法が UCG 中のモニタリング手法として適用可能かどうかを検討するため、温度と AE 活動を測定することにより石炭加熱実験および小規模 UCG 実験を実施する。 その結果、石炭の温度が急激に変化したとき、特に石炭のガス化中に多くの破壊イベントが発生します。 また、熱源近傍のセンサでは AE 事象が増加し、高温領域の拡大に伴い AE 発生源も広範囲に拡大する。 AE モニタリングは、温度モニタリングに代わる UCG 中のガス化領域の推定に有効な手法です。

世界中の経済成長と人口増加に伴い、エネルギー需要は日々増加しています。 石炭は、埋蔵量が多く、地域的な偏在性が低いため、依然として一次エネルギーとして重要なエネルギー資源です。 しかし、従来の採掘システムでは技術的、経済的理由により、多くの石炭資源が掘削されずに放置されています。 地下石炭ガス化（UCG）は、その場ガス化によって地下から石炭エネルギーを回収する技術です。 UCGは未利用石炭からエネルギーを回収できるため、石炭からのエネルギー回収率の向上に貢献します。 さらに、噴射剤と石炭層の温度は生成ガスの組成に影響を与えます。たとえば、蒸気噴射は水素生成を促進します1、2、3。 したがって、UCG は、クリーンな石炭技術として石炭エネルギーの回収を向上させる有望な選択肢です。 UCGでは、高温でガス化領域を拡大することで生成ガスを高めることができます。 一方で、ガス化領域の過度の拡大は、ガス漏洩、周囲地盤の変形、地下水汚染などの環境問題を引き起こす4,5,6。 したがって、UCG にはガス化エリアを制御する監視システムが必要です。

UCG のガス化領域は石炭の温度から推定できます 7,8。 しかし、実際のUCGサイトで炭層の温度を測定することは現実的に困難です。 温度測定の代わりに、UCG のガス化領域を監視するためにいくつかの技術が導入されました。 電気抵抗トモグラフィー 9、電気抵抗法 10、微小重力調査 11、地中レーダー 12、13 などの地球物理学的モニタリング技術の応用が議論されています。 数学モデルによる空洞の成長とガス化火炎の速度の推定についても説明されています14、15、16、17。 この研究は、ガス化領域を監視するためのアコースティック・エミッション（AE）の応用に焦点を当てています。 微小地震は加熱された石炭の膨張または収縮によって発生するため、AEモニタリングは温度測定の代替技術となり得ます。 材料の破壊発生と同時にAEも発生するため、AEモニタリングによりリアルタイムモニタリングが可能となります。 また、震源位置解析とセンサー連携や地震到達時間の差を計算することで、破壊活動の位置を特定することが可能です。 多くの学者は、鉱物の異なる熱膨張係数 18,19、細孔構造の変化 20,21,22、および熱収縮 23,24,25 に起因する、石炭の加熱による破壊の生成を報告しています。 Ding ら 26 は、石炭加熱による AE 数と亀裂の進展を測定しました。 AE 信号は、特に 300 ～ 500 °C で亀裂幅が拡大するときにアクティブになります。 また、加熱なしと比較して、負荷条件下で加熱すると AE シグナルが増加することも報告されています 27。